Simulating urban soil carbon decomposition using local weather input from a surface model

Non peer reviewe

Carbon sequestration potential of street tree plantings in Helsinki

Cities have become increasingly interested in reducing their greenhouse gas emissions and increasing carbon sequestration and storage in urban vegetation and soil as part of their climate mitigation actions. However, most of our knowledge of the biogenic carbon cycle is based on data and models from forested ecosystems, despite urban nature and microclimates differing greatly from those in natural or forested ecosystems. There is a need for modelling tools that can correctly consider temporal variations in the urban carbon cycle and take specific urban conditions into account. The main aims of our study were to (1) examine the carbon sequestration potential of two commonly used street tree species (Tilia x vulgaris and Alnus glutinosa) growing in three different growing media by taking into account the complexity of urban conditions and (2) evaluate the urban land surface model SUEWS (Surface Urban Energy and Water Balance Scheme) and the soil carbon model Yassol5 in simulating the carbon sequestration of these street tree plantings at temporal scales (diurnal, monthly, and annual). SUEWS provides data on the urban microclimate and on street tree photosynthesis and respiration, whereas soil carbon storage is estimated with Yasso. These models were used to study the urban carbon cycle throughout the expected lifespan of street trees (2002-2031). Within this period, model performances were evaluated against transpiration estimated from sap flow, soil carbon content, and soil moisture measurements from two street tree sites located in Helsinki, Finland. The models were able to capture the variability in the urban carbon cycle and transpiration due to changes in environmental conditions, soil type, and tree species. Carbon sequestration potential was estimated for an average street tree and for the average of the diverse soils present in the study area. Over the study period, soil respiration dominated carbon exchange over carbon sequestration due to the high initial carbon loss from the soil after street construction. However, the street tree plantings turned into a modest sink of carbon from the atmosphere on an annual scale, as tree and soil respiration approximately balanced the photosynthesis. The compensation point when street tree plantings turned from an annual source into a sink was reached more rapidly - after 12 years - by Alnus trees, while this point was reached by Tilia trees after 14 years. However, these moments naturally vary from site to site depending on the growing media, planting density, tree species, and climate. Overall, the results indicate the importance of soil in urban carbon sequestration estimations.Peer reviewe

Spatial Modeling of Local-Scale Biogenic and Anthropogenic Carbon Dioxide Emissions in Helsinki

There is a growing need to simulate the effect of urban planning on both local climate and greenhouse gas emissions. Here, a new urban surface carbon dioxide (CO2) flux module for the Surface Urban Energy and Water Balance Scheme is described and evaluated using eddy covariance observations at two sites in Helsinki in 2012. The spatial variability and magnitude of local-scale anthropogenic and biogenic CO2 flux components at high spatial (250 m x 250 m) and temporal (hourly) resolution are examined by combining high-resolution (down to 2 m) airborne lidar-derived land use data and mobility data to account for people's movement. Urban effects are included in the biogenic components parameterized using urban eddy covariance and chamber observations. Surface Urban Energy and Water Balance Scheme reproduces the seasonal and diurnal variability of the CO2 flux well. Annual totals deviate 3% from observations in the city center and 2% in a suburban location. In the latter, traffic is the dominant CO2 source but summertime vegetation partly offsets traffic-related emissions. In the city center, emissions from traffic and human metabolism dominate and the vegetation effect is minor due to the low proportion of vegetation surface cover (22%). Within central Helsinki, human metabolism accounts for 39% of the net local-scale emissions and together with road traffic is to a large extent responsible for the spatial variability of the emissions. Annually, the biogenic emissions and sinks are in near balance and thus the effect of vegetation on the carbon balance is small in this high-latitude city.Peer reviewe

Enhanced quantification of urban biogenic carbon dioxide exchange using land surface modelling

Cities aiming for carbon neutrality encounter considerable challenges, as urban areas are major contributors of carbon dioxide (CO2) to the atmosphere. Besides reducing emissions, cities are determined to increase their CO2 sinks. Urban emissions can be estimated based on fossil fuel consumption or atmospheric observations, where the role of urban vegetation has remained unclear. This knowledge gap arises from the lack of suitable assessment methods. This thesis aims to improve the modelling capabilities and assess the role of biogenic CO2 exchange in relation to anthropogenic emissions for two key reasons: 1) Biogenic components introduce uncertainties in monitoring anthropogenic emissions, and 2) urban vegetation and soil can offset a part of these emissions. This thesis focuses on estimating biogenic CO2 components in urban areas at various scales using the urban land surface model SUEWS and the soil carbon model Yasso. For this purpose, both biogenic and anthropogenic CO2 exchanges are implemented into SUEWS. The developed CO2 module, particularly its biogenic part, is evaluated against eddy covariance observations in Helsinki and Beijing, and, together with the Yasso model, against street tree measurements in Helsinki. This thesis extends the use of the CO2 module to city-wide simulations in Helsinki and projects CO2 exchange with the RCP8.5 scenario for the 2050s. The thesis extends the application of biogenic CO2 components from individual street trees to neighbourhood and city-wide simulations. The main findings of the thesis are as follows: 1) SUEWS effectively simulates CO2 exchange at both neighbourhood and street tree scales. 2) When estimating CO2 exchange of urban vegetation, it is critical to also consider soil. 3) The biogenic CO2 sinks in Helsinki are almost equally divided between extensive urban forests and neighbourhoods, and are projected to increase by 11% in response to climate change, due to an extended growing season, even though CO2 uptake decreases during the summer months. 4) The proportion of net CO2 exchange attributed to biogenic components varies at the neighbourhood and city scales, being approximately 7% in Helsinki. This thesis not only advances our understanding of urban CO2 dynamics but also emphasizes the vital role of urban green in offsetting anthropogenic emissions. The findings have broad implications for urban planning, stressing the importance of incorporating green infrastructure for sustainable and resilient cities in the face of a changing climate.Suurin osa maailman hiilidioksidipäästöistä tulee kaupunkialueilta, jonka takia kaupungeilla on kunnianhimoisia hiilineutraalius tavoitteita. Suorien päästöjen vähentämisen lisäksi kaupungit ovat kiinnostuneet lisäämään hiilinielujaan, mutta kaupunkikasvillisuuden tarkempi rooli hiilinieluna on jäänyt epäselväksi sopivien arviointimenetelmien puutteen vuoksi. Tämä väitöskirja keskittyy vastaamaan tähän haasteeseen parantamalla kaupunkikasvillisuuden hiilinielujen mallintamisen menetelmiä ja lisäksi arvioimaan kaupunkikasvillisuuden hiilinielujen osuutta suhteessa ihmisen aiheuttamiin päästöihin. Väitöskirja hyödyntää kaupungeille kehitettyä pintavuomallia SUEWS ja maaperän hiilimallia Yasso. Tutkimuksessa sekä kasvillisuuden että ihmisperäisten lähteiden hiilidioksidin vaihto ilmakehän kanssa lisättiin SUEWS-malliin. Uusi malli testattiin Helsingissä ja Pekingissä tehdyillä ekosysteemi mittauksilla. Lisäksi tutkimuksessa arvioitiin, kuinka Helsingin kaupungin kasvillisuuden hiilinielut vaihtelevat eri kaupunkimaankäytön alueilla nykyilmastossa sekä miten hiilinielut voivat kehittyä tulevaisuudessa hyödyntämällä Helsingin alueelle tehtyä ilmastoskenaariota. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että SUEWS malli simuloi hyvin hiilen ja veden kierron komponentteja. Lisäksi tutkimus osoittaa, kuinka kaupunkikasvillisuuden hiilinielujen arvioimisessa on tärkeää ottaa huomioon myös kasvillisuuden maaperä. Lisäksi havaittiin, että Helsingin hiilinielut jakautuvat melko tasaisesti laajojen kaupunkimetsien ja kaupunginosien kesken. Hiilinielujen odotetaan kasvavan Helsingissä ilmastonmuutoksen seurauksena, ja kaupunkikasvillisuuden osuus hiilidioksidin nettovaihdosta Helsingissä arvioitiin olevan noin 7%. Tämä väitöskirja ei ainoastaan edistä ymmärrystä kaupunkien hiilinieluista, vaan myös korostaa kaupunkikasvillisuuden keskeistä roolia ihmisen aiheuttamien päästöjen kompensoinnissa. Tulokset vaikuttavat kaupunkisuunnitteluun, korostaen vihreän infrastruktuurin merkitystä kestävien kaupunkien kehittämisessä ilmastonmuutoksen haasteiden edessä

Hiilidioksidin vaihdon alueelliset muutokset Helsingissä

Hiilidioksidin vaihto maanpinnan ja ilmakehän välillä on suurempi kaupungeissa kuin luonnollisissa ekosysteemeissä. Ihmisten aiheuttamat hiilidioksidipäästöt ovat yksi suurimmista syistä ilmaston lämpenemiseen ja kaupungit ovat vastuussa jopa 70 % hiilidioksidipäästöistä. Tässä työssä luodaan hiilidioksidin vaihdon malli, jotta kaupunkien vuorovaikutusta ilmakehän kanssa pystytään tutkimaan. Surface Urban Energy and Water Balance Scheme (SUEWS) on pintavuomalli, joka on varta vasten luotu kaupunkien ja ilmakehän välisen vaihdon mallintamiseen. Se mallintaa ennestään energia- ja vesitaseita kaupungeissa, jolloin hiilidioksidin vaihdon lisääminen samaan malliin mahdollistaisi näiden parametrien mallintamista yhdessä. Lisään tässä työssä hiilidioksidin vaihdon ihmisperäiset ja biogeeniset komponentit SUEWS-malliin. Ihmisperäisiä hiilidoksidin päästöjen komponentteja ovat liikenne, rakennusten lämmitys ja itse ihmisistä tuleva hiilidioksidi aineenvaihdunnasta. Biogeenisiä komponentteja ovat kasvillisuuden fotosynteesin nielu ja lähteenä kasvillisuuden ja maaperän soluhengitys. Uusi malli mahdollistaa kasvillisuuden ja ihmisten aktiviteettien mallintamisen samaan aikaan korkealla paikallisella (250 m) ja ajallisella (1 h) resoluutiolla. Mallia verrataan pyörrekovarianssi-menetelmällä tehtyihin mittauksiin SMEARIII-asemalla Kumpulassa ja Helsingin keskustassa Hotelli Tornin katolla. Molemmilla asemilla hiilidioksidin vaihdon malli vertautuu todella hyvin mittauksiin. Malli onnistuu erittäin hyvin hiilidioksidin vaihdon vuorokausikäyttäytymisessä toimien kesällä fotosynteesin avulla hiilidioksidin nieluna ja muulloin mallintamaan erityisen hyvin liikenteen ruuhkapiikit ja ihmisten liikkuvuutta. Hiilidioksidimallin tavoitteena on luoda apuväline kaupunkisuunnittelulle, jotta erilaisten ratkaisujen vaikutusta ilmastoon voitaisiin tutkia. Ajan uutta mallia 6x9 km^2 kokoisella alueella Helsingin keskustassa 250x250 m^2 hilakoolla vuosina 2006-2012. Alueellisen hiilidioksidin vuositaseeseen vaikuttaa eniten liikenteen jakautuminen alueelle ja ihmisten liikkuvuus päivällä. Hiilidioksidin vuositaseeksi vuonna 2012 saatiin mallialueella 221.6 kt C y^(-1) eli 41.0 t C ha^(-1) y^(-1), joka koostui 8.2 % soluhengityksestä, 7.3 % fotosynteesistä, 14.3 % ihmisten aineenvaihdunnasta, 25.4 % liikenteestä ja 59.5 % kaukolämmöstä ja kulutussähköstä. Tässä työssä tutkin myös potentiaalisten viherkattojen ja aurinkopaneelien sijoittamista mallialueen katoille ja tarkastelen kummasta on enemmän hyötyä hiilidioksidin vaihdon kannalta. Näistä kahdesta vaihtoehdosta aurinkopaneelit pystyivät kompensoimaan enemmän hiilidioksidipäästöjä säästämällä 37.0 kt C y^(-1) vuodessa. Viherkattojen ansiosta hiilidioksidin vaihto kasvoi 0.9 kt C y^(-1), sillä biogeeniset lähteet kasvoivat enemmän kuin nielut. Kuitenkin lähde voi olla yliarvio, jolloin hiilidioksidin vaihto voi toimia myös nieluna. Näin ollen aurinkopaneeleilla on suurempi potentiaali vähentää hiilidioksidipäästöjä Helsingissä

Data used in manuscript Carbon sequestration potential of street tree plantings in Helsinki

Data and model runs used in manuscript "Carbon sequestration potential of street tree plantings in Helsinki". This data set includes model runs for the Surface Urban Energy and Water balance Scheme (SUEWS) and soil carbon model Yasso. The data files are: Met_Gapfilling ConvertMeteorologyInput.m (MATLAB) is the main file and functions gapfilling.m (with other measurements) and gapfillingfill.m (with interpolations) are used in the gap filling Includes files for meteorological measurement data Airport: Data from Helsinki-Vantaa airport; airportdata.m, where data is cleaned Precipitation: Data from multiple locations; Pres_Gap.m for gap filling precipitation and function PrecipitationGap.m Roof: Data from rooftop SMEARIII: Monthly meteorological data from Kumpula (2003-2016) SUEWS_met file for the final gap filled meteorological files for SUEWS Fits Includes FitCO2_parameter.m for fitting CO2 parameters for SUEWS Includes functions Pho6.m and Resp0.m that have the function forms Includes data files for measurement data CO2Data: Canopy photosynthesis and canopy respiration estimated with SPP model (KumpulaX.out for Tilia site and Kumpula2X.out for Alnus site) Met_2016: Meteorology from Kumpula for June to August in 2016 SWCdata: Soil water content from two streets and three soil types ModelRuns SUEWS model runs separately for Alnus and Tilia sites Includes input and output files and model codes Alnus site includes both the Baserun and Finalrun Yasso model runs Model run in file yasso.f90 Output files: DecRate...txt includes three soil types and values for each month from 2002 to 2016 Yasso_meteorology_month.m creates meteorological input files for Yasso (Clim_month_xx.txt) using meteorology from SUEWS FigCodes Includes MATLAB codes for figures and statistics Includes measurement data for CO2, sap flow and SW