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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
4 / 35
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/