CryoGrid

CryoGrid  ist ein eindimensionales Landoberflächenmodell, das zur Simulation von Bodentemperaturen in Permafrostgebieten entwickelt wurde. Durch Berechnung der Oberflächenenergiebilanz bildet CryoGrid verschiedene Prozesse des Wärme- und Wasseraustausches zwischen Atmosphäre und Bodenoberfläche ab. Dazu gehören unter anderem die Strahlungsbilanz, der Austausch von fühlbarer Wärme und die Verdunstung bzw. Kondensation von Wasser. Für die Berechnung der Bodentemperaturen sind außerdem der Phasenwechsel zwischen gefrorenem und flüssigem Bodenwasser und die thermische Isolierung durch die winterliche Schneedecke von entscheidender Bedeutung.
Durch Weiterentwicklungen von CryGrid  können inzwischen auch Phänomenen wie
Bodenabsackung, das das Entstehen von Thermokarst durch das Abschmelzen von Bodeneis, sowie die Entwicklung von polygonalen Tundrastrukturen abgebildet werden. Ein implementiertes  Seemodul (FLAKE) ermöglicht darüber hinaus  Veränderungen in den Wärme- und Wasserflüssen von Tundralandschaften mit hoher Seebedeckung zu untersuchen.

Simulationsergebnisse

Die Animation zeigt die jahreszeitlichen Schwankungen der Bodentemperatur in verschiedenen Tiefen – unter einem Thermokarstsee und in der nicht See-bedeckten Umgebung. Die Simulation startet im Jahr 1950 und läuft für eine angenommene starke Klimaerwärmung (RCP8.5 Szenario) bis zum Jahr 2100 (in der Animation sind auszugsweise die erste und letzte Jahresdekade, sowie die Dekade von 2017 bis 2027 dargestellt, in welcher der Boden unter dem See erstmalig im Winter nicht mehr durchfriert). Rote Farbtöne verdeutlichen aufgetaute Bodenbereiche, blaue Farbtöne zeigen gefrorene Bereiche im Boden, bzw. die Dicke der Eisschicht im See.
Unter Thermokarstseen erwärmt sich der Untergrund deutlich stärker als in der Umgebung. Als Folge davon erreicht die Taufront deutlich tiefere Bodenschichten. Dies ist insbesondere in einem wärmeren Klima zu erwarten, wenn der See nicht mehr bis zum Boden durchfriert. Durch das Abschmelzen von Bodeneis vertieft sich der See zunehmen  (blaue gestrichelte Linie) sodass sich im Untergrund dauerhaft aufgetaute Bereiche (sogenannte Taliks) bilden.
Die unterschiedlichen Bodentemperaturverläufe sind Ausdruck einer Energiebilanz, die sich aus dem Nettostrahlungsfluss und den sensiblen und latenten Wärmeflüssen ergibt (dargestellt durch farbige Pfeile). Zusätzlich führt lateraler Wärmefluss im Untergrund zu einer teilweisen Angleichung der Temperaturprofile.

CryoGrid/LARIX – Wärme- und Wasseraustauschprozesse in von Lärchen dominierten Permafrost-Ökosystemen

Die Verteilung und der Zustand des Permafrosts hängen direkt mit der Schnee- und Vegetationsbedeckung, der Topographie, den Wasserkörpern, dem geothermischen Wärmefluss und der Lufttemperatur zusammen. Daher ist die Vorhersage der Permafrost-Empfindlichkeit gegenüber der Klimaerwärmung sehr komplex und mit vielen Unsicherheiten behaftet (Boike et al., 2013). Darüber hinaus hat der Klimawandel direkte Auswirkungen auf den Wasser-, Wärme- und Nährstoffhaushalt von borealen Ökosystemen (Pearson et al., 2013). Man geht davon aus, dass sich die borealen Wälder Sibiriens unter den Bedingungen der Klimaerwärmung in den Norden ausdehnen (Holtmeier und Broll, 2005; Kruse et al., 2016). In der gesamten Arktis und in der Subarktis wurden hinsichtlich Zusammensetzung, Dichte und Verteilung der arktischen Vegetation bereits umfangreiche Veränderungen des Ökosystems berichtet (Goetz et al., 2011; Pearson et al., 2013). Diese Veränderungen und Übergänge lösen mehrfache Rückkopplungsmechanismen unterschiedlicher Tragweite aus (Chapin, 2005; Pearson et al., 2013). Die zahlreichen Wechselwirkungen und Abhängigkeiten zwischen der Atmosphäre, der von Lärchen dominierten Vegetation und dem Permafrostboden in Ostsibirien machen Vorhersagen und Interpretationen des gegenwärtigen und zukünftigen Zustands sehr schwierig. Mit Hilfe eines multiproxy- und multidisziplinären Ansatzes werden die Wechselwirkungen zwischen Klima, Vegetation und Boden in von Permafrost dominierten Gebieten über einen großen Profilabschnitt von Ostsibirien untersucht.

Im Fokus der Hypothese steht, dass Lärchenbestände die lokalen hydrologischen und thermischen Bedingungen so verändern, dass der Permafrost vor weiterer Degradierung geschützt wird. Um diese Hypothese zu beweisen oder zu widerlegen, ist ein weitergehendes Verständnis der Wärme- und Wasseraustauschprozesse zwischen der Atmosphäre, den Lärchenwäldern und dem Permafrost erforderlich. In einem ersten Schritt (i) werden durch die Installation von zwei Mikroklima-Stationen und zusätzlichen Bodentemperatursensoren sowie die Beprobung und Beschreibung der Waldtypen quer durch ein Transekt in Nordost-Sibirien Daten zur Untersuchung und zum Verständnis von Wärme- und Wassertransferprozessen in Lärchen-dominierten borealen Waldgebieten bereitgestellt. (ii) Zweitens wird die Kopplung des Permafrost-Modells CryoGrid und des Larix-Vegetationssimulators LAVESI implementiert und Modellläufen basierend auf verschiedenen Klimaszenarien gestartet, um zukünftige und frühere Entwicklungen von Lärchenwäldern an verschiedenen Orten in Sibirien zu verstehen und Veränderungen sowohl des Bioms als auch der Permafrost-Ausdehnung und Baumgrenzenverschiebungen vorherzusagen. (iii) Drittens wird das gekoppelte Modell verwendet, um Einblick in zukünftige Entwicklungen im Hinblick auf den sich ändernden Waldbrandzyklus oder das Auftauen von Permafrost und Staunässe und deren Auswirkungen auf das Biom zu geben.

Das PhD-Projekt zielt darauf ab, die folgenden Fragen in drei Arbeitspaketen zu verstehen und zu beantworten:

  1. Welche Wechselwirkungen bestehen zwischen den Lärchenwäldern und dem Permafrostboden? Und wie beeinflussen oder verändern die Lärchen die Bodenstruktur, die Tiefe der Permafrostschicht oder den Waldbrandzyklus?
  2. Welche Parameter des Permafrost-Landoberflächenmodells CryoGrid müssen angepasst werden, um Lärchenwälder in Nordost-Sibirien erfolgreich zu simulieren? Wie kann das LAVESI-Modell basierend auf diesen Parametern an CryoGrid gekoppelt werden? Wie verändern sich die Wälder bei unterschiedlichen zukünftigen Klimaszenarien?
  3. Was sind mögliche Zukunftsszenarien für Lärchenwälder unter Einfluss von z.B. wechselnden Waldbrandzyklen oder Staunässe?

Literatur:

Boike, J. et al. (2013). “Baseline characteristics of climate, permafrost and land cover from a new permafrost observatory in the Lena River Delta, Siberia (1998-2011)”. Biogeosciences, 10(3), pp. 2105–2128

Chapin, F.S. et al (2005). “Role of Land-Surface Changes in Arctic Summer Warming”. Science 299(310), pp. 657– 660. url: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12637742

Goetz, Scott J. et al. (2011). “Recent Changes in Arctic Vegetation: Satellite Observations and Simulation Model Predictions”. In: Eurasian Arctic Land Cover and Land Use in a Changing Climate. Ed. by G. Gutman and A. Reissell. Springer Netherlands: Dordrecht, pp. 9–36. url: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-90-481-9118-5_2

Holtmeier, Friedrich Karl and Gabriele Broll (2005). “Sensitivity and response of northern hemisphere altitudinal and polar treelines to environmental change at landscape and local scales”. Global Ecology and Biogeography 14(5), pp. 395–410

Kruse, Stefan, Mareike Wieczorek, Florian Jeltsch, and Ulrike Herzschuh (2016). “Treeline dynamics in Siberia under changing climates as inferred from an individual-based model for Larix”. Ecological Modelling 338, pp. 101–121. url: http://dx.doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2016.08.003

Pearson, Richard G., Steven J. Phillips, Michael M. Loranty, Pieter S.A. Beck, Theodoros Damoulas, Sarah J. Knight, and Scott J. Goetz (2013). “Shifts in Arctic vegetation and associated feed- backs under climate change”. Nature Climate Change 3(7), pp. 673–677. url: http://dx.doi.org/10.1038/nclimate1858