Land-atmosphere interactions and regional Earth system dynamics due to natural and anthropogenic vegetation changes

Sammanfattning: Observationer och modelleringsstudier har visat att den globala markytan har genomgått betydande förändringar under de senaste decennierna, drivet av både naturliga och antropogena faktorer, såsom förändringar i ekosystemens produktivitet, bränder och markanvändning. Markytans förändringar kan potentiellt påverka det lokala och regionala klimatet genom förändringar i processer som sker mellan jordytan och atmosfären. Markanvändningsförändringar förväntas fortsätta i framtiden och det är nödvändigt att öka förståelsen av interaktioner mellan jordytan och atmosfären, inklusive olika återkopplingsmekanismer, för att öka vår kunskap om framtida klimatförändringar. Styrkan i lokala interaktioner mellan landytan och atmosfären beror på olika landskaps förmåga att påverka utbytet av energi, vatten och växthusgaser. Även när dessa växelverkan sker lokalt kan det påverka klimatet regionalt och globalt genom cirkulationsförändringar som påverkar energi- och fukttransport, eller förändringar i molntäcket som i sin turpåverkar inkommande strålningen. Nedskalning av resultat från globala klimatmodeller med regionala jordningssystemmodeller (RESMs) förbättrar klimatsimuleringars rumsliga detaljer och återger mer korrekt klimatdynamik, speciellt i regioner med varierande topografi. I denna avhandling använde jag en dynamisk nedskalningsmodell RCA-GUESS, en RESM som kopplar Rossby Centres regionala klimatmodell RCA4 till LPJ-GUESS, en ekosystemmodell som kombinerar en individbaserad representation av vegetationsstruktur och dynamik med processbaserad fysiologi och biogeokemi. Jag undersökte regionala markyteförändringar och relaterade interaktioner mellan jordytan och atmosfären över tre olika geografiska områden. Detta arbete bidrar till förståelsen av rollen av vegetationsdynamik och socioekonomiska faktorer − såsom markanvändning och bränder − i regional jordsystemsdynamik. I en markytestudie baserad på LPJ-GUESS simuleringar visar jag att framtida förändringar i brandregimen i Europa orsakad av klimat- och socioekonomiska förändringar är viktiga för att förutsäga framtida förändringar av markytan. Samspel mellan bränder och vegetation och socioekonomiska effekter identifierades som viktiga osäkerheter för framtida brandområden. Studien om land-atmosfär interaktioner baserade på RCA-GUESS simuleringar visar att det hydrologiska kretsloppet i tropikerna är känsligt för förändringar av marktäcket i halvtorra områden i Afrika, och att biofysiska kopplingar är viktiga genom deras förändrade regionala cirkulationsmönster. En studie baserad på analys av empiriska dataset och CMIP5 jordsystemsmodeller (ESMs) visar att bias hos simulerat klimat är den huvudsakliga orsaken till diskrepans mellan modeller och data. Modeller och data visar på ett liknande hydrologiskt förhållande som antyder att minskad nederbörd och ändrad markanvändning utgör de huvudsakliga hoten för den framtida ecosystemet i Amazonas. En uppföljningsstudie baserad på RCA-GUESS simuleringar med realistiskt markanvändningsscenario visar de potentiella effekterna av markanvändning på de naturliga ekosystemens produktivitet i Amazonas som uppstår i och med påverkan på det lokala och regionala klimatet.