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1 / 35 Bodennutzungsänderung und resultierende Strahlungseffekte Basierend auf dem Paper: Uncertainties in Radiative Forcing due to Surface Albedo Changes.

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1 1 / 35 Bodennutzungsänderung und resultierende Strahlungseffekte Basierend auf dem Paper: Uncertainties in Radiative Forcing due to Surface Albedo Changes Caused by Land Use Changes Journal of Climate, Vol. 16, Seminarvortrag von Sven Eiermann am

2 2 / 35 Übersicht Inhaltsübersicht 1.Einführung 2.Methoden 3.Ergebnisse 4.Zusammenfassung

3 3 / Einführung

4 4 / 35 Definitionen 1. Einführung TOA Strahlungsantrieb (engl.: Radiative Forcing): Boden-Albedo:

5 5 / 35 Spektrale Abhängigkeit der Albedo über Wald Quelle: Eike Bierwirth, IPA

6 6 / 35 Einführung Quelle: IPCC, 2007

7 7 / 35 7 / 34 7 / 33 Einführung Mato Grosso, Brazil Quelle: NASA

8 8 / 35 Einführung Vegetation global (MODIS) Quelle: NASA

9 9 / 35 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

10 10 / 35 Primäre Bodenveränderung Waldrodung Alle Studien: Mit Bodennutzung in Zusammenhang stehende Klimaveränderung (z.B. Temperatur-Tagesgang und Niederschläge) 1. Einführung

11 11 / Methoden

12 12 / 35 Die 5 verwendeten Datensätze in der Übersicht: * *) PNV = Potential Natural Vegetation DATENSATZ Vegetations- klassen PNV Auflösung horizontal Hauptquellen Ramankutty und Foley (1999) 17Ja0.5° Kombination aus Fernerkundungsdaten, Ackerland-Bestandsdaten und Biosphären-Modell Surface and Atmospheric Radiation Budget (SARB) 18Nein1/6°Fernerkundung Wilson und Henderson-Sellers (1985) 53Nein1°Hauptsächlich Atlanten Mathews (1983)33Ja1°Hauptsächlich Atlanten Goldewijk (2001)17Ja0.5° Kombination aus Fernerkundungsdaten, Ackerland-Bestandsdaten und Biosphären-Modell 2. Methoden

13 13 / 35 Werte für die Boden-Albedo: 2. Methoden

14 14 / 35 Jährliches Mittel des Strahlungsantriebs durch Bodennutzung є [0,1] : Ackerland-Anteil : jährliches Mittel des aufwärtsgerichteten Strahlungsflusses über ursprünglicher Vegetation : jährliches Mittel des aufwärtsgerichteten Strahlungsflusses über Ackerland Methoden

15 15 / 35 Daten für Ackerland in verwendeten Studien sehr unterschiedlich Ramankutty and Foley (1999) Matthews (1983) 2. Methoden

16 16 / 35 Ramankutty and Foley (1999) Matthews (1983) Potential Natural Vegetation (PNV) (hypothetische Vegetation ohne Einfluss des Menschen) 2. Methoden

17 17 / 35 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

18 18 / 35 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 Methoden

19 19 / 35 Einfluss von Schnee auf Oberflächenalbedo ist auch von Untergrundalbedo abhängig A 0 : Albedo des Untergrunds A S : Schneealbedo S : Schneedicke in kg / m² 2. Methoden A 0 = 0.25 A 0 = 0.6 ρ Schnee = 100 kg/m³ (Neuschnee) ρ Schnee = 500 kg/m³ (Nass-Schnee) Schneehöhe in cm bei einer Schneemenge von 10 kg/m² 102

20 20 / Ergebnisse 1.Oberflächenalbedo-Veränderungen 2.Strahlungsantrieb 3.Realistische Vegetationsveränderungen

21 21 / 35 Oberflächen-Albedo-Veränderungen seit Beginn der moderneren Landwirtschaft (ca n. Chr.) Matthews (1983) Goldewijk (2001) Absolute Veränderung 3. Ergebnisse 3.1 Oberflächenalbedo-Veränderungen

22 22 / 35 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

23 23 / 35 Einfluss von Urbanisierung in 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

24 24 / Sensitivitäts-Untersuchungen 3. Ergebnisse 3.2 Sensitivitäts-Untersuchungen

25 25 / 35 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 26 / 35 a)Keine Wolken und Beibehaltung der Schnee-Albedo b)Wolken berücksichtigt c)Wolken berücksichtigt + Erhöhung der Schnee-Albedo

27 27 / 35 Ursprünglich -> Weideland weggelassen Global und jährlich gemittelter Strahlungsantrieb durch Vegetationsveränderungen seit Beginn der Landwirtschaft (ca n. Chr.) 3. Ergebnisse 3.3 Realistische Vegetationsveränderungen

28 28 / Ergebnisse 3.3 Realistische Vegetationsveränderungen

29 29 / 35 Vegetations-Datensatz Strahlungsantrieb in W/m² SARB-0.55 Goldewijk+0.47 Goldewijk ohne Veränderung bei unfruchtbaren Böden Ramankutty und Foley (Albedo von Ackerland: 0.15) Ramankutty und Foley (Albedo von Ackerland: 0.18) Ramankutty und Foley (Albedo von Ackerland: 0.20) Ergebnisse Übersicht

30 30 / Zusammenfassung

31 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 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

33 33 / 35 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

34 34 / 35 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

35 35 / 35 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, [2] IPCC 2007: WG1-AR4 (p. 136 in chapter 2): Changes in Atmospheric Costituents and in Radiative Forcing. -> [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 -> ->


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