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Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät - Jahrgang 2016

 

Titel Simulation of mesoscale patterns and diurnal variations of atmospheric CO2 mixing ratios with the model system TerrSysMP-CO2
Autor Markus Übel
Publikationsform Dissertation
Abstract With the recent trend towards precise regional climate simulations information on the spatial distribution of CO2 sources and sinks at the mesoscale scale becomes more important. A common method to obtain these fluxes is inverse modeling, i.e. the variability of atmospheric CO2 observations is assimilated into atmospheric tracer transport models to estimate mesoscale and regional scale CO2 fluxes. Aircraft measurements indicate distinct mesoscale patterns in the atmospheric CO2 distribution which can only partly be resolved by climate models using a rather coarse grid resolution.
The main objectives of the present study are to understand which processes (e.g. synoptic flow, land use heterogeneity, complex terrain) generate these patterns and how the variable atmospheric CO2 contents influence the stomatal control of transpiration and photosynthesis. For that, the mesoscale terrestrial model system TerrSysMP is used that couples the atmospheric model COSMO (version 4.21) to the Community Land Model (CLM, version 3.5) which can again be coupled to the hydrological model ParFlow. TerrSysMP is extended by a fully prognostic treatment of atmospheric CO2 concentrations forming the new model version TerrSysMP-CO2. This model includes a two-way coupling of CO2 (atmosphere ↔ biosphere): the actual CO2 mixing ratios are used to calculate the biogenic CO2 fluxes with CLM and, in turn, these fluxes prognostically cause the atmospheric CO2 distribution. CLM is extended by the carbon turnover model RothC calculating heterotrophic soil respiration as well as by simple parameterizations for decomposition of organic matter and autotrophic respiration. Moreover, high-resolution anthropogenic emissions complete the CO2 budget in TerrSysMP-CO2.
High-resolution model simulations are performed using TerrSysMP-CO2 for a region in western Germany and parts of BeNeLux. The domain includes the low mountain range Eifel as well as the densely populated Rhine valley with the metropolises Cologne, Dusseldorf and Bonn. The results show a pronounced diurnal cycle of CO2 in the planetary boundary layer (PBL). The highest concentrations occur in the early morning being the result of near surface CO2 accumulation due to soil respiration. With the onset of photosynthesis a strong decrease of atmospheric CO2 concentrations is simulated followed by turbulent vertical transport within the PBL at daytime. The influence of complex terrain and anthropogenic CO2emissions on the spatio-temporal patterns of atmospheric CO2 mixing ratios is of particular interest. During night strong horizontal CO2 gradients arise between narrow valleys and mountain ridges caused by orographically induced turbulent patterns and mesoscale atmospheric flows. Moreover, downstream of densely populated regions significant higher CO2 concentrations are simulated. Additionally, the variable atmospheric CO2 mixing ratios slightly modify simulated photosynthesis and transpiration rates due to the response of the stomatal opening of leaves on available atmospheric CO2 concentrations.
The model performance of TerrSysMP-CO2 is verified with eddy-covariance measurements of CO2 and energy fluxes. Moreover, the simulated vertical distribution of atmospheric CO2 concentrations is compared with observations of CO2 made at a 124m tall tower near Jülich.
The new insights into the processes influencing mesoscale patterns of atmospheric CO2 mixing ratios can help to better integrate terrestrial and coastal CO2 observations into inverse modeling studies.
Zusammenfassung Simulation von mesoskaligen Strukturen und Tagesgängen atmosphärischer CO2-Mischungsverhältnisse mit dem Modellsystem TerrSysMP-CO2
Mit dem gegenwärtigen Trend hin zu präzisen regionalen Klimasimulationen werden Informationen über die räumliche Verteilung mesoskaliger CO2-Quellen/Senken immer wichtiger. Eine häufig verwendete Methode, um an diese Flüsse zu gelangen, ist inverse Modellierung. Dabei wird die Variabilität atmosphärischer Beobachtungen in atmosphärische Tracertransport-Modelle assimiliert, um mesoskalige und regionale CO2-Flüsse abzuschätzen. Flugzeugmessungen zeigen deutliche mesoskalige Strukturen in der atmosphärischen CO2-Verteilung, welche nur teilweise von Klimamodellen mit relativ groben Gitterauflösungen abgebildet werden können.
Die Hauptziele der vorliegenden Arbeit liegen darin, zu verstehen, welche Prozesse (z.B. synoptische Strömungen, heterogene Landnutzung, komplexes Terrain) diese Strukturen verursachen und wie die variablen CO2-Gehalte die stomatäre Steuerung von Transpiration und Photosynthese beeinflussen. Dazu wird das mesoskalige terrestrische Modellsystem TerrSysMP verwendet, welches das atmosphärische Modell COSMO (Version 4.21) mit dem Community Land Model (CLM3.5) koppelt, das zudem mit dem hydrologischen Modell ParFlow gekoppelt werden kann. TerrSysMP wird mit einer vollständig prognostischen Behandlung von atmosphärischen CO2-Konzentrationen erweitert, was zur neuen Modellversion TerrSysMP-CO2 führt. Dieses Modell umfasst eine gegenseitige Kopplung von CO2 (Atmosphäre ↔ Biosphäre): Die aktuellen CO2-Mischungsverhältnisse werden verwendet, um mit CLM die biogenen CO2-Flüsse zu berechnen und im Gegenzug bestimmen diese Flüsse prognostisch die atmosphärische CO2-Verteilung. CLM wird sowohl mit dem Kohlenstoffumsatz-Modell RothC erweitert, welches die heterotrophe Bodenatmung berechnet, als auch mit einfachen Parametrisierungen zur Dekomposition von organischem Material und zur autotrophen Bodenatmung. Außerdem vervollständigen hochaufgelöste anthropogene Emissionen den CO2-Haushalt in TerrSysMP-CO2.
Mit TerrSysMP-CO2 werden hochaufgelöste Modellsimulationen für eine Region in Westdeutschland und Teilen der BeNeLux-Staaten durchgeführt. Das Gebiet schließt das Mittelgebirge Eifel sowie das dicht besiedelte Rheintal mit den Metropolen Köln, Düsseldorf und Bonn mit ein. Die Ergebnisse zeigen einen deutlich ausgeprägten CO2-Tagesgang in der planetaren Grenzschicht. Die höchsten Konzentrationen treten am frühen Morgen auf, als Folge von bodennaher CO2-Ansammlung durch Bodenatmung. Mit dem Einsetzen der Photosynthese wird in der Atmosphäre ein starker CO2-Rückgang simuliert, gefolgt von turbulentem Durchmischen innerhalb der Grenzschicht am Tage. Dabei ist der Einfluss von komplexem Terrain und anthropogenen Emissionen auf die raum-zeitlichen Muster atmosphärischer CO2-Mischungsverhältnisse von besonderem Interesse. Während der Nacht entstehen zwischen engen Tälern und Bergrücken starke horizontale CO2-Gradienten, bedingt durch orographisch induzierte Turbulenzmuster und mesoskalige atmosphärische Strömungen. Zudem werden stromabwärts dicht besiedelter Regionen deutlich erhöhte CO2-Konzentrationen simuliert. Außerdem führen die variablen CO2-Mischungsverhältnisse zu leichten Veränderungen der simulierten Photosynthese- und Transpirationsraten aufgrund der Beeinflussung der Öffnung von Blattstomata auf die zur Verfügung stehenden atmosphärischen CO2-Konzentrationen.
Das Modellverhalten von TerrSysMP-CO2 wird mit Eddy-Kovarianz Messungen von CO2 und Energieflüssen verifiziert. Außerdem wird die simulierte vertikale Verteilung atmosphärischer CO2-Konzentrationen mit Beobachtungen verglichen, welche an einem 124m hohen Turm in der Nähe von Jülich durchgeführt wurden.
Die neuen Einblicke in die Prozesse, welche die mesoskaligen Strukturen in den atmosphärischen CO2-Mischungsverhältnissen beeinflussen, können dabei helfen, CO2-Beobachtungen an Land und an Küsten besser in inverse Modellierungsstudien zu integrieren.
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© Universitäts- und Landesbibliothek Bonn | Veröffentlicht: 28.06.2016