Schmid, H.P.

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IMK-IFU Atmosphärische UmweltforschungGarmisch-PartenkirchenKlimawandel - LebenswandelKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)Hans Peter (HaPe) SchmidAtmosphärische UmweltforschungInstitut fϋr Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU)Forschungszentrum KarlsruheGarmisch-PartenkirchenÜber die enge Verstrickung der Biosphäre mit der AtmospäreIMK-IFU Atmosphärische UmweltforschungGarmisch-PartenkirchenKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)AtmosphereTerrestrialBiosphereTerrestrial Hydrosphere & Land Surface• Interaktionen• Austausch• Rϋckkoppelung• Beeinflussung„Die Verstrickung der Biosphäre mit der Atmosphäre“:... Ein riesiges ThemaWo anfangen?Am Anfang!IMK-IFU Atmosphärische UmweltforschungGarmisch-PartenkirchenKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)Am Anfang war es unwohnlich:Vergleich mit unseren Nachbarn…Venus Mars• CO2 Atm.• Treibhaus: ~ 450 oC• CO2 Atm.• Treibhaus: ~ 3 oCErde heute• N2 , O2 Atm.• Treibhaus: ~ 33 oCHydrosphäre:Wasserkreislauf entfernt viel CO2 aus Atmosphäre (Ozeane, Sedimente)Biosphäre:Baut [O2 ] und [O3 ] auf in Atmosphäre (Photosynthese, Ozonschild)• Atmosphäre beeinflusst BiosphäreAtmosphäre – Biosphäre Interaktion:• Biosphäre beeinflusst Atmosphäre• Erdgeschichtlich: Atmosphäre war zuerst da, aber primitive Atmosphäre war sehr verschieden• Moderne Atmosphäre ist abhängig von Biosphäre (und umgekehrt…)Huhn-und-Ei Problem?Austausch: gegenseitiger Einfluss• komplexe Interaktionen• Rückkopplungen (z.B. O2 , Albedo, Wasserdampf)• Selbstregulierendes System (z.B., “Daisyworld”, “Gaia”)• verschiedenste Zeit- und Raumskalen involviertKreisläufe von H2 O, CO2 , etc. zwischen Biosphäre & AtmosphäreDiskussion: W lcher Teil der Atmosph re wird von der Biosphäre beeinflus t?schwache Interaktion:• kleiner Austausch Fluss• lange Verbleib Zeit• langsame Anpassungstarke Interaktion:• grosser Austausch Fluss• kurze Verbleib Zeit• schnelle AnpassungDiskussion: Welcher Teil der Atmosphere wird von der Biosphäre beeinflusst?starker Austausch:schnelle Anpassung< 10 Tageschwacher Austausch:langsame Anpassung100 – 102(+) JahreLayering of the Atmosphere:from Oke (1997)The TroposphereWelcher Teil der Atmosphere wird von der Biosphäre beeinflusst?Diskussion:1-10 TageLayering of the Atmosphere:from Oke (1997)The Planetary Boundary Layer (PBL)Welcher Teil der Atmosphere wird von der Biosphäre beeinflusst?Diskussion:≤1 TagLayering of the Atmosphere:from Oke (1997)The Roughness SublayerWelcher Teil der Atmosphere wird von der Biosphäre beeinflusst?Diskussion:SekundenLayering of the Atmosphere:from Oke (1997)The Leaf Boundary Layer (LBL)Welcher Teil der Atmosphere wird von der Biosphäre beeinflusst?Diskussion:≤1 SekundeLayering of the Atmosphere:from Oke (1997)The Stomatal CavityWelcher Teil der Atmosphere wird von der Biosphäre beeinflusst?Diskussion:<<1 SekundeOrganismus(Labormessungen)Plotskala(Kammermessungen)Ökosystemskala(Turmmessungen)Regionale Skala(Flugzeugmessungen)Globale Skala(Fernerkundung)Die Herausforderung:Erfassung der Breite von Zeit- und Raum-Skalensolar radiation  (ne t)terrestrial ra diationa tmo sphe ric rad iationprecipitationh eat (net)evapora tionPARCO2 (ass imil ation)CO2 (re spir ation )trace gasesa eros olAtmosphere - Biosphere Exchange(from Sarmiento and Gruber, 2002)CO2,Atm Akkumulation = CO2 Quellen - Land & Ozean SenkenHintergrund: Globales Kohlenstoff Budgetstarke Rolle der terrestrischen BiosphäreFrom: Sarmiento and Gruber, 2002 (Phys. Today)source: http://earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/NPP/npp.htmlGlobal Net Primary Productivity – MODIS Based ModellingHintergrund: Globales Kohlenstoff BudgetNord WinterNord SommerGrösster Teil der terrestrischen Vegetation auf Nord HemisphäreFLUXNET Weltweite Integration von CO2 Fluss Messungen(zur Zeit ~ 200 Stationen)Indiana MMSF~FluxMichigan UMBS~FluxAmeriFlux NetworkMMSF, IndianaCO2Turbulenter Austausch: Boden-Vegetation-Atmosphäresource: Burba & AndersonTurbulent Flux: the correlation of eddiesultrasonicpulseCO2-Flu x [μmol x s-1 x m-2]-40-30-20-10010201998Mar. Apr. May Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec. Jan. Feb.1999Annual Net Ecosystem Production (NEP):How to get there from Measured Dataaway fromforestCO2 flux towardsforestFrom hourly eddy-covariance fluxes of CO2 for an entire year (or more)...(measurements from MMSF, Schmid et al., 2000)Annual Net Ecosystem Production (NEP):How to get there from Measured Dataannual carbon sequestration: 2-3 t C/haNEP(measurements from MMSF)... to cumulative Net Ecosystem Exchange (NEE).Hourly Fluxes of CO2 over 8 Years (MMSF)NEE: Net Ecosystem Exchange = Respiration - Assimilationforest toatmosphereatmosphereto forest30 Tonnen C ha-1 = 3 kg C m-2Kumulativer Austausch von CO2 nach 8 JahrenNEE: Net Ecosystem Exchange = Respiration - Assimilation30 TonnenC ha-1Verdankungen:This work is being supported by a grant from the US Dept. of Energy (TCP/Office of Science) through its participation in the joint-agency Carbon Cycle Science Program and by several grants from National Institute for Global Environmental Change (NIGEC/US-DOE).The crew: Gabriella Villani (Italy), Hong-Bing Su (China), Steve Scott (Scotland), Laura Ciasto (USA), Shane Hubbard (USA), Heidi Zutter (USA), Norma Froelich (Canada), HaPe Schmid (Switzerland), Andrew Oliphant (New Zealand), Sue Grimmond (New Zealand), Chris Vogel (USA), Jennifer Hutton (USA). Not present: Ford Cropley (UK), Reiko Toriumi (Japan), Danilo Dragoni (Italy), Bin Deng (China), Jessica Howe, Catherine Wade, Ben Crawford, Jen Klippel, Matt Seavitte, Nate Langwald, Brian Bovard (all USA)MMSF UMBS(source: IPCC 2001, WG1 Report, Summary)Da Biosphäre wichtiger Klimafaktor:• Wiederspiegeln diese Modelle die Realität?• Rolle der Biosphäre in solchen Modellen?In die Zukunft schauen?Mit Modellen...Herausforderung: Komplexität des Modellsystems(source: IPCC 2001, WG1 Report, Summary)Um P G S L Rn Cm (CO2)  Em Hm S L ra rb rd rsoil Ci3 Ci4 Tc SPAR Wg TTec* eg* ec* Cs3 Cs4 rc3 rc4 rc       Iws Erc Ewc Ec Hc Ac A c3 A c4 es Tc (Vc   fcG   LT) Eg Rg Hg Hg Ewg Rg Esoil Rroots Rmicrobes Wrun   Esoil Wthru Wleaf Wdrain Wdrip Canopy Air Space Leaf Surface  Ewg  Ewc Hc Ac - - - - - - + + h  NADPH ATP 3-PGA 1,3-diPGA 3PGAld DHAP F1,6diP F-6P R-5-P RuBP Ru-5-P G-6-P G-1-P ADPG Starch ATP NADPH ATP CO2 (or O2)fc4 fc3 Z1 Z2 Zm Erc eg* Tg em Tm rG Wc W W W W Am (H2O)AtmosphereCanopySoilWin Ta Ca  ea 12T...T...T10W109WWW87W1 ...............Soil Temperature and SoilWater are solved afterCanopy Air SpaceIwsISOFRAX„Simple“ Biosphere Model (Version 3)(from Scott Denning, Colo. State U.)Globaler Klimawandel: regionale AuswirkungenHochwasser im Alpenraum Dϋrre in EuropaEschenlohe 1999, 2005Rhein (Düsseldorf) 2003Hydrologie% Change 1990-99 vs. 2030-39-40-20020406080Jan Feb Mrz Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DecChange [%]PrecipitationTotal RunoffEvapotransp.Globales KlimaRegionales KlimaAmmer EinzugsgebietLokale Verfeinerung10 km(Quelle: Kunstmann et al., FZK-IMK-IFU)Globaler Klimawandel: regionale AuswirkungenBlick in die Zukunft: Regionale Klima Modellierung(Quelle: Kunstmann et al., FZK-IMK-IFU)bis 30% mehr Niederschlag im Winter (Europa Ø ≈ +11%)bis 40% weniger Niederschlag im Sommer (Europa Ø ≈ -1%)Niederschlag: Änderung in % (2070/99 – 1960/89)Winter SommerWasserknappheit und WeltbevölkerungWassermangel: weniger als 1000 m³/Person/JahrWasserknappheit: weniger als 1700 m³/Person/JahrWird durch Klimawandel verschärft!Blick in die Zukunft: Regionale Klima ModellierungTage mit Schneebedeckung:1960-1989 2070-2099(Quelle: Kunstmann et al., FZK-IMK-IFU)Blick in die Zukunft: Regionale Klima Modellierung05101520251 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12MonatTage1960-19892070-2099Tage mit Schneebedeckung Südbayern und nördlicher Ostalpenraum(Quelle: Kunstmann et al., FZK-IMK-IFU)Blick in die Zukunft: Regionale Klima ModellierungDie Zukunft des Wintersportes?(Quelle: Kunstmann et al., FZK-IMK-IFU)IMK-IFU Atmosphärische UmweltforschungGarmisch-PartenkirchenDanke fϋr die Aufmerksamkeit !KIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)

Klimawandel - Lebenswandel. Über die enge Verstrickung der Biosphäre mit der Atmosphäre

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