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Bodennutzungsänderungund resultierendeStrahlungseffekte

Basierend auf dem Paper:

„Uncertainties in Radiative Forcing due to Surface Albedo Changes

Caused by Land Use Changes“

Journal of Climate, Vol. 16, 1511-1524

Seminarvortrag von Sven Eiermannam 14.01.2008

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Übersicht

Inhaltsübersicht

1. Einführung

2. Methoden

3. Ergebnisse

4. Zusammenfassung

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1. Einführung

1. Einführung

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Definitionen

1. Einführung

Zustand-Referenz1 Zustand F(FF(FF ))

F F

F F

TOA

0z

Strahlungsantrieb (engl.: Radiative Forcing):

)z (zF

Fα 0

Boden-Albedo:

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Spektrale Abhängigkeit der Albedo über Wald

Quelle: Eike Bierwirth, IPA

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Einführung Quelle: IPCC, 2007

7 / 35 7 / 34 7 / 33

EinführungMato Grosso, Brazil

Quelle: NASA

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Einführung

Vegetation global (MODIS)

Quelle: NASA

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Govindasamy et al. (2001): Globale Abkühlung zwischen 1000 n.Chr. und 1900 n.Chr. von ≈ 0.25 K vermutlich durch Vegetationsveränderungen

Houghton et al. 2001: Erstmals Oberflächenalbedo-Veränderungen als

Beitrag zum globalen Strahlungsantrieb erwähnt

1. Einführung

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Primäre Bodenveränderung Waldrodung

Alle Studien: Mit Bodennutzung in Zusammenhang stehende

Klimaveränderung

(z.B. Temperatur-Tagesgang und Niederschläge)

1. Einführung

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2. Methoden

2. Methoden

12 / 35Die 5 verwendeten Datensätze in der Übersicht:

*

*) PNV = Potential Natural Vegetation

DATENSATZ Vegetations-klassen PNV Auflösung

horizontal Hauptquellen

Ramankuttyund

Foley (1999)17 Ja 0.5°

Kombination aus Fernerkundungsdaten,

Ackerland-Bestandsdaten

und Biosphären-ModellSurface and Atmospheric

Radiation Budget(SARB)

18 Nein 1/6° Fernerkundung

Wilson undHenderson-Sellers

(1985)53 Nein 1° Hauptsächlich Atlanten

Mathews (1983) 33 Ja 1° Hauptsächlich Atlanten

Goldewijk (2001) 17 Ja 0.5°

Kombination aus Fernerkundungsdaten,

Ackerland-Bestandsdaten

und Biosphären-Modell

2. Methoden

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Werte für die Boden-Albedo:

2. Methoden

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cropf

Jährliches Mittel des Strahlungsantriebsdurch Bodennutzung

є [0,1] : Ackerland-Anteil

nativeF : jährliches Mittel des aufwärtsgerichteten Strahlungsflusses über ursprünglicher Vegetation

cropF : jährliches Mittel des aufwärtsgerichteten Strahlungsflusses über Ackerland

0.1 -1.40.2 -2.80.3 -4.20.4 -5.60.5 -7.00.6 -8.40.7 -9.80.8 -11.20.9 -12.61.0 -13.9

2. Methoden

cropf ][ cropnativelanduse FFF

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Daten für Ackerland in verwendeten Studiensehr unterschiedlich

Ramankuttyand Foley(1999)

Matthews (1983)

2. Methoden

cropf

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Ramankuttyand Foley(1999)

Matthews(1983)

Potential Natural Vegetation (PNV)(hypothetische Vegetation ohne Einfluss des Menschen)

2. Methoden

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Strahlungstransport-Gleichung ist Integro-Differentialgleichung i.A. nur numerisch lösbar

Hier verwendet: DISORT (Discrete-Ordinate Method) (Stamnes, Wiscombe et al., 1988)

Berechnung der Strahldichte an jedem Punkt der Atmosphäre

2. Methoden

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Das verwendete Strahlungstransport-Modell

Sonnenspektrum in 4 Spektralregionen aufgeteilt

Auflösung: 1.9° × 1.9°

19 Schichten vertikal

Monatlich gemittelte Wetter-Analysen (Temperatur, Wasserdampf, Wolken, Schneehöhe, Schneebedeckung) übernommen von European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) für das Jahr 1996

2. Methoden

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)1()( 2.000

SS eAAAA

Einfluss von Schnee auf Oberflächenalbedo ist auch von Untergrundalbedo abhängig

A0 : Albedo des UntergrundsAS : SchneealbedoS : Schneedicke in kg / m²

2. Methoden

A0 = 0.25

A0 = 0.6

ρSchnee =

100 kg/m³(Neuschnee)

ρSchnee =

500 kg/m³(Nass-Schnee)

Schneehöhe in cmbei einer Schneemenge

von 10 kg/m² 10 2

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3. Ergebnisse

3. Ergebnisse

1. Oberflächenalbedo-Veränderungen

2. Strahlungsantrieb

3. Realistische Vegetationsveränderungen

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Oberflächen-Albedo-Veränderungen seit Beginn der moderneren Landwirtschaft

(ca. 1700 n. Chr.)

Matthews(1983)

Goldewijk(2001)

Absolute Veränderung

3. Ergebnisse 3.1 Oberflächenalbedo-Veränderungen

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Albedowerte für einzelne Vegetationsklassen nicht einheitlich

Hohe Unsicherheit der Albedo-Unterschiede zwischen Weide- und Brachland in ariden Regionen

=> Signifikante Unterschiede der berechneten Albedo

Satelliten-Messungen zeigten aber: Weideland verändert Bodenalbedo in solchen

Regionen nicht oder nur geringfügig

3. Ergebnisse 3.1 Oberflächenalbedo-Veränderungen

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Einfluss von Urbanisierungin den letzten 150 Jahren

Am besten dargestellt in Datensatz von SARB (Surface and Atmospheric Radiation Budget)

Oberflächenalbedo-Veräderungen allerdings 3 Größenordnungen geringer als durch Bodennutzung

=> Kann für globale Betrachtung vernachlässigt werden!

3. Ergebnisse 3.1 Oberflächenalbedo-Veränderungen

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3.2 Sensitivitäts-Untersuchungen

3. Ergebnisse 3.2 Sensitivitäts-Untersuchungen

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Albedo-Werte für Vegetationsklassen aus Ramankutty+Folley (1999)

um 0.01 erhöht und 3 Fälle unterschieden:

1) Keine Wolken und Beibehaltung der Albedo von mit Schnee bedeckten Gebieten

2) Wolken berücksichtigt

3) Wolken berücksichtigt + Erhöhung der Albedo, wo Schnee über Vegetation

3. Ergebnisse 3.2 Sensitivitäts-Untersuchungen

26 / 35a) Keine Wolken und Beibehaltung

der Schnee-Albedo

b) Wolken berücksichtigt

c) Wolken berücksichtigt + Erhöhung der Schnee-Albedo

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Ursprünglich -> Weidelandweggelassen

Global und jährlich gemittelter Strahlungsantriebdurch Vegetationsveränderungen

seit Beginn der Landwirtschaft (ca. 1700 n. Chr.)

3. Ergebnisse 3.3 Realistische Vegetationsveränderungen

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3. Ergebnisse 3.3 Realistische Vegetationsveränderungen

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Vegetations-Datensatz Strahlungsantriebin W/m²

SARB -0.55

Goldewijk +0.47

Goldewijk ohne Veränderung bei unfruchtbaren Böden +0.10

Ramankutty und Foley(Albedo von Ackerland: 0.15) -0.06

Ramankutty und Foley(Albedo von Ackerland: 0.18) -0.20

Ramankutty und Foley(Albedo von Ackerland: 0.20) -0.29

3. Ergebnisse Übersicht

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4. Zusammenfassung

4. Zusammenfassung

31 / 35 Strahlungstransport-Schema benutzt

Verschiedene Vegetations- mit Albedodatensätzen kombiniert um Strahlungsantrieb abzuschätzen

Große Unsicherheit des Strahlungsantreibs durch Vegetationsveränderungen

Ergebnisse der Studie liegen in weitem Bereich von -0.6 W/m² bis zu +0.5 W/m²

Positive Werte allerdings nur in wenigen Fällen nur wenn starke Reduktion der Albedo durch Umwandlung

von Trockenböden in Weideland angenommen (unwahrscheinlich da Messungen dies nicht bestätigen !)

4. Zusammenfassung

32 / 35 In allen Modellen enthalten:

Starkes negatives Forcing in den nördlichen gemäßigten Breiten (Wald in Ackerland)

Hauptbeitrag durch unterschiedliche Schnee-Albedo !!

In tropischen Regionen sehr viel geringeres Forcing und außerdem große Unsicherheit wegen unterschiedlichen Vegetationsdatensätzen

In anderen Regionen ebenfalls wesentliche Unterschiede (wegen uneinheitlichen Daten)

Signifikante Differenzen zwischen den Albedo-Werten von Ackerland, Wald und ungenutzten bzw. unfruchtbaren Böden

4. Zusammenfassung

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Warum so große Unsicherheit ?

1) Kein Konsens über Art und Ausmaß der Vegetationsveränderungen in Vergangenheit

2) Verwendung unterschiedlicher Eingangsparameter

(wie Albedo, Wurzeltiefe, Rauhigeit, Belaubung) in den verschiedenen Modellen

3) Weiter Bereich möglicher Albedo-Werte von Ackerflächen

4) Unklarheit über Ausdehnung und Verteilung von Ackerland auf globaler Ebene

4. Zusammenfassung

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Fazit und Forschungsbedarf

1) Angemessene und zuverlässige Bestandsaufnahme der aktuellen globalen Vegetations-Daten

2) Mehr Information über vorlandwirtschaftliche menschliche Einflüsse auf Vegetation nötig

3) Sehr wichtig für weitere Studien: Genauere Albedo-Werte für die

unterschiedlichen Vegetationsklassen

4) Desertifikation?

5) Abschmelzen von Eisflächen? (Bsp.: Grönland)

4. Zusammenfassung

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Quellenangabe

Quellen[1] G. Myhre and A. Myhre, 2002:

„Uncertainties in Radiative Forcing due to Surface Albedo Changes Caused by Land-Use Changes“. Journal of Climate, Vol. 16, 1511-1524

[2] IPCC 2007: WG1-AR4 (p. 136 in chapter 2): „Changes in Atmospheric Costituents and in Radiative Forcing“.

-> http://ipcc-wg1.ucar.edu/wg1/wg1-report.html

[3] S. Udaysankar et. al., 2007: „Observational estimates of radiative forcing due to land use change in southwest Australia“.

Journal of Geophysical Research, Vol. 112, D09117

[4] G. E. Thomas and K. Stamnes:„Radiative Transfer in the Atmosphere and Ocean“. Cambridge University Press, 2002

[5] National Aeronautics and Space Administration (NASA), USA

-> http://modis.gsfc.nasa.gov/gallery/

-> http://visibleearth.nasa.gov/