Modellierung der regionalen CO₂-Aufnahme durch Vegetation

Kurzfassung

Im globalen Kohlenstoffkreislauf bilden terrestrische Ökosysteme und der Austausch von CO2 ein wichtiges Untersystem. Für die Erfassung der Quellen und Senken von CO2 über Landökosystemen ist die Modellierung in den letzten Jahren zu einem wichtigen Werkzeug geworden, um diesen wichtigen Stoffkreislauf besser zu verstehen und die Austauschprozesse zu quantifizieren. Mit der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen für eine operationelle, auf Fernerkundungsdaten basierende Modellierung der CO2-Bilanz der Landoberflächen am Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) geschaffen. Schwerpunkt dabei sind die NPP (Net Primary Productivity) und die NEP (Net Ecosystem Productivity) Europas. Zur Realisierung war zunächst die Auswahl eines geeigneten Modells notwendig. Die Wahl fiel hierbei auf das Modell BETHY (Biosphere Energy Transfer Hydrology Model, Knorr, 1997). Dieses verbindet die Simulation der Photosynthese nach Farquhar (1980) und Collatz (1992) mit der Berechnung des Energie- und Wasserhaushaltes. Die Absorption der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) im Bestand wird mit der Zweistromapproximation nach Sellers (1985) simuliert. Photosynthese und Verdunstung werden unter Berücksichtigung der täglichen Variabilität des meteorologischen Antriebs (Strahlung und Temperatur) bestimmt, Wasser- und Schneebilanz werden täglich berechnet. Als Eingangsdaten werden die PELCOM-Landklassifikation mit 1 km Auflösung (Mücher et al., 2000), LAI-Zeitreihen der Universität Boston (Myneni et al., 1997) mit 16 km Auflösung und meteorologische Daten des ECMWF (European Center for Medium Range Weather Forecast, Reading, UK) mit einer Auflösung von 0,5° verwendet. Eine Evaluierung des Modells und der Eingangsdaten mit Messdaten des CARBOEUROPE-Netzwerkes (Valentini, 2000) zeigt, inwieweit Ergebnisse und Eingangsdaten des Modells mit Stationsmessungen übereinstimmen. Weiterhin wird untersucht, wie stark sich Abweichungen in den Eingangsdaten auf die Qualität der Simulationsergebnisse auswirken. Die aus ECMWF-Analysen der Bewölkung abgeleitete photosynthetisch aktive Strahlung korelliert gut mit den Stationsdaten, wird jedoch systematisch leicht überschätzt. Die aus den Analysen abgeleiteten Tagesmitteltemperaturen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den Stationsdaten. Der Niederschlag aus ERA40 Reanalysen des ECMWF wird im Vergleich zu den Messungen systematisch unterschätzt. Die Kontrollsimulation mit Stationsdaten als Input weist mit r²=0,93 eine hohe Korrelation zwischen simulierter und gemessener NEP und eine systematische leichte Überschätzung der NEP auf. Bei den Simulationen mit Flächendaten als Input entstehen die größten Abweichungen zwischen Messungen und Modell durch Fehlklassifikationen in der Landbedeckung und durch die Überschätzung des LAI. Beide Effekte zusammen führten im Extremfall zu einer Überschätzung der NEP um einen Faktor von 4,7. Das Ergebnis macht deutlich, dass eine besondere Sorgfalt bei der Verwendung der Landoberflächenparameter aufgewendet werden muss und dass bei Modellstudien die Auswirkungen von Abweichungen in den Eingangsdaten unbedingt zu beachten und zu dokumentieren sind. Den Abschluss der Arbeit bilden regionale Simulationen der CO2-Bilanz. Eine Simulation für Deutschland gibt Aufschluss über die regionale Verteilung von Quellen und Senken. Weiterhin wird erstmals der Beitrag der einzelnen Landbedeckungsklassen in der CO2-Bilanz Deutschlands aufgeschlüsselt. Die Waldgebiete in Deutschland sind im Simulationsjahr 1998 eine Nettosenke für CO2 mit NEP = 72 TgC/Jahr. Das Ergebnis liegt in einer vergleichbaren Größenordnung wie der in der Arbeit von Veroustrate et al. (2003) angegebene Wert von 54 TgC/Jahr für 1997, der als einziger direkter Vergleich vorliegt. Überraschend sind die hohen Werte von NPP und NEP für die als Grasland klassifizierten Gebiete. Die Frage bleibt offen, ob dieses Ergebnis ein realer Effekt ist oder seine Ursache in der Überschätzung des LAI durch den verwendeten Datensatz liegt. Dies gilt speziell für die weitgehend landwirtschaftlich genutzten Graslandgebiete in Deutschland. Um die Ergebnisse richtig einzuordnen sind langfristige Messungen des CO2-Austausches über Grasland notwendig, die mit den Modellergebnissen verglichen werden können. Eine weitere regionale Studie erfolgt für das Gebiet um den Tharandter Wald bei Dresden unter Verwendung neuer LAI-Zeitreihen mit 1 km Auflösung, die aus Daten vom NOAA-AVHRR unter Verwendung des Sellers-Algorithmus (1985) am DFD abgeleitet werden. Die Verteilung der CO2-Quellen- und -Senken lässt sich in den Jahreswerten von NPP und NEP gut erkennen. Die Waldgebiete stellen hier Senken für CO2 dar während landwirtschaftlich genutzte Flächen aufgrund ihrer höheren Bodenatmung Quellen für CO2 sind. Mit der vorliegenden Arbeit wurde die Grundlage für eine operationelle Simulation der terrestrischen CO2-Bilanz am DFD gelegt. Evaluierung und regionale Simulationen bestätigen die generelle Eignung von Modell und Daten für diesen Zweck und zeigen Schwachpunkte auf, die bei künftigen Arbeiten beachtet und verbessert werden können. Das nach Abschluss der Arbeit vorliegende Softwarepaket mit allen notwendigen Schnittstellen für die Eingangsdaten wird zukünftig am DFD operationell eingesetzt. Das Simulationsgebiet wird auf Europa ausgedehnt, so dass künftig ein Beitrag zur europaweiten Bestimmung der Quellen und Senken von CO2 geliefert werden kann.