Geophysical Applications of Vegetation Modeling

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Avhandlingen beskriver utvecklingen och utvalda tillämpningar av en global vegetationsmodell, BIOME4. Modellen kan appliceras på frågeställningar kring vegetationsfördelning och klimat på höga latituder, produktion av spårgaser, och isotopers biogeokemi. Den demonstrerar hur en teoretisk modell, baserad på växtfysiologins och ekologins principer, kan tillämpas på interdisciplinära problem vilka inte kan angripas på ett adekvat sätt genom direkta observationer eller experiment. Arbetet är relevant för förståelsen av återkopplingsmekanismer mellan biosfären och klimatet samt för hur den terrestra biosfären potentiellt kan reagera på förändringar i klimatet. BIOME4 simulerar fördelningen av 15 biom på höga latituder, inklusive fem olika typer av tundravegetation. För nutiden används observerat klimat i simuleringarna och för den senaste istiden (LGM, Last Glacial Maximum, ca. 21 000 år före idag), mitten av Holocene (ca. 6000 år före idag) och ett "växthusscenario" för år 2100 används resultat från generella cirkulationsmodeller av klimatet (GCM, General Circulation Model). Simuleringarna av LGM visar en markant ökning av områden med graminoid och örtdominerad tundravegetation, vilket även är den dominerande tendensen i paleodata. Denna vegetationstyp har ingen utbredd modern motsvarighet; den gynnades av det kalla, torra klimatet och kunde underhålla stora populationer av mammutar. Simuleringar av en period i mitten av Holocene indikerar att den Arktiska trädgränsen försköts asymmetrisk något mot norr jämfört med dagens förhållanden, med störst utvidgning i de centrala delarna av Sibirien (upp till 300 km), och liten till ingen förändring på den Västra Hemisfären. Detta resultat stämmer väl överens med pollen- och megafossildata från samma tidsperiod. Skillnader i uppvärmning av kontinenterna, som ett resultat av ökad solinstrålning på höga latituder, antas vara orsaken till denna asymmetri. Vegetationsförändringarna i 2100-projektionen, vilken antar att koncentrationen av växthusgaser i atmosfären fortsätter att öka exponentiellt, är mer radikala än de simulerade förändringarna under Holocene. Den årliga globala uppvärmningspotentialen orsakad av GHGs leder till en ökning av både sommartemperaturerna och de årliga temperaturerna på höga latituder med upp till den dubbla avvikelsen för Holocene. Den potentiella förskjutningen av trädgränsen och biomförändringarna i vår simulering blir dock troligtvis inte realiserade inom 100 år, på grund av den tid som behövs för migration och etablering av nya vegetationstyper. Den nutida potentiella arealen av naturliga våtmarker simulerades av BIOME4 till 11.0 x 106 km2. Detta värde är högre än andra uppskattningar, men det inkluderar även små (< 50 km2) och säsongsberoende våtmarker som inte har inkluderats i tidigare undersökningar. Våtmarkerna simulerades till att vara en källa till methan (CH4) motsvarande 140 Tg yr-1. Under LGM ökade den simulerade våtmarksarealen med 15%, men CH4-emissionen var 24% lägre än idag. Denna simulerade reduktion av CH4-källan beror på substratbegränsning orsakad av låg atmosfärskoncentration av CO2 under LGM. Den i iskärnor uppmätta 100-procentiga ökningen av koncentrationen av CH4 i atmosfären mellan LGM och det förindustriella Holocene är inte nödvändigtvis enbart ett resultat av förändringar i CH4-källans styrka, eftersom andra spårgaser påverkar den atmosfäriska CH4-sänkan. Sammansättningen av stabila isotoper av kol i den terrestra biosfären simulerades av BIOME4 och jämfördes med mätningar på blad- ekosystem- och troposfärsnivå. Modellens simuleringar korrelerar inom en standardavvikelse mot uppmätta medelvärden på en skala av vegetationens funktionella grupper (PFT, Plant Functional Type) och på biomnivå, samt även för sex stycken stationer på Norra Hemisfären där koldioxid (CO2) moniterats. Global diskriminering av kolisotoper i den terrestra biosfären var i medeltal 18.6‰ för potentiellt naturlig vegetation och 18.1‰ då hänsyn togs till agrikulturell markanvändning. Dessa simulerade värden är något högre än tidigare uppskattningar, men de är förenliga med uppmätta värden. Denna information är viktig för tolkningen av nutida atmosfäriska observationer av kolkällor och kolsänkor på land och i oceanerna.