Surface energy exchange and land-atmosphere interactions of Arctic and subarctic tundra ecosystems under climate change
(2016)- Abstract
- The surface energy balance determines the functioning of any ecosystem on the Earth but is still poorly understood in Arctic and subarctic biomes. In a dynamic system, such as the Earth’s climate, any change in its characteristics modifies the exchange of energy, water, and greenhouse gases between the surface and the atmosphere. Therefore, this thesis aims to draw a conclusive picture of the surface energy exchange and land-atmosphere interactions of Arctic and subarctic regions under climate change. The aims are achieved by combining in-situ field measurements of surface energy balance components, snow manipulation experiments, active layer monitoring, vegetation mapping, and chamber-based carbon dioxide flux measurements from Arctic and... (More)
- The surface energy balance determines the functioning of any ecosystem on the Earth but is still poorly understood in Arctic and subarctic biomes. In a dynamic system, such as the Earth’s climate, any change in its characteristics modifies the exchange of energy, water, and greenhouse gases between the surface and the atmosphere. Therefore, this thesis aims to draw a conclusive picture of the surface energy exchange and land-atmosphere interactions of Arctic and subarctic regions under climate change. The aims are achieved by combining in-situ field measurements of surface energy balance components, snow manipulation experiments, active layer monitoring, vegetation mapping, and chamber-based carbon dioxide flux measurements from Arctic and subarctic tundra biomes in Greenland, Svalbard and northern Sweden.
Local variability in climate, surface structure, soil moisture and soil thermal regime are the main drivers of variation in the surface energy exchange and ecosystem productivity of Arctic and subarctic tundra ecosystems. At all studied locations, the magnitude of the energy fluxes of sensible heat (H), latent heat (LE) and ground heat (G) were well-correlated with net radiation (Rnet). However, evapotranspiration (ET) and LE showed a relatively strong coupling to atmospheric vapor pressure deficit (VPD), with more pronounced such control at the dry tundra sites compared to the wet-growing ecosystems. Snow and permafrost determined surface energy balance, energy partitioning and ecosystem productivity. Manipulated increase in snow accumulation at a subarctic tundra peatland complex in northern Sweden resulted in permafrost thaw, soil wetting and increased carbon sequestration. Concurrently, climate-driven increase in both snow accumulation and air temperature triggered dramatic and rapid permafrost degradation in peatland complexes and transition from dry habitats into wet-growing ecosystems, with consequent change in surface energy exchange towards both increased LE and ET at the cost of H. Interannual variability in winter snow accumulation at the high-Arctic tundra environment in Zackenberg (Northeast Greenland) prolonged the growing season during a year with low snow cover and increased the total accumulated energy balance components of the local heath and fen ecosystems. Further, energy flux partitioning at the heath was strongly determined by the reduction of soil moisture as snow is by far the main supplier of water in this region. The energy exchange of the fen, however, showed attenuated behavior due to groundwater table remaining close to the surface.
The results presented in this thesis suggest that in a future climate, accelerated permafrost thaw and increased interannual variability in snow cover may further modify the energy balance of Arctic and subarctic ecosystems, with profound impact on ecosystem adaptation capacities and the overall climate system. (Less) - Abstract (Swedish)
- Popular Abstract in Swedish
Energibalansen vid jordytan är av avgörande betydelse för Jordens alla ekosystem men när det gäller Arktiska och sub-Arktiska ekosystem är kunskapen bristfällig. I dynamiska system som klimatsystemet, påverkas utbytet av energi, vatten och växthusgaser av små förändringar i ekosystemen. Syftet med denna avhandling är därför att skapa ökad kunskap och en tydligare bild av energiutbytet och interaktioner mellan jordytan och atmosfären i Arktiska och sub-Arktiska ekosystem under ett förändrat klimat. Målen uppnås genom att kombinera fältmätningar av energibalansens olika komponenter, vegetationskartering, kartering av aktiva lagrets mäktighet samtoch kyvettbaserade flödesmätningar av koldioxidutbyte... (More) - Popular Abstract in Swedish
Energibalansen vid jordytan är av avgörande betydelse för Jordens alla ekosystem men när det gäller Arktiska och sub-Arktiska ekosystem är kunskapen bristfällig. I dynamiska system som klimatsystemet, påverkas utbytet av energi, vatten och växthusgaser av små förändringar i ekosystemen. Syftet med denna avhandling är därför att skapa ökad kunskap och en tydligare bild av energiutbytet och interaktioner mellan jordytan och atmosfären i Arktiska och sub-Arktiska ekosystem under ett förändrat klimat. Målen uppnås genom att kombinera fältmätningar av energibalansens olika komponenter, vegetationskartering, kartering av aktiva lagrets mäktighet samtoch kyvettbaserade flödesmätningar av koldioxidutbyte i Arktiska och sub-Arktiska tundra-biom på Grönland, Svalbard och i norra Sverige.
Lokal variation i klimat, ytstruktur, markfuktighet och marktemperatur är de huvudsakliga drivkrafterna bakom variationerna i energiutbyte och produktivitet hos Arktiska och sub-Arktiska tundra-ekosystem. Flödena av sensibelt värme (H), latent värme (LE) samt markvärmeflöde (G) korrelerade starkt med nettostrålningen (Rnet) för all studerade lokaler. Avdunsting (ET) och LE var emellertid även under relativt stark kontroll av mättnadsångtrycksdeficitet (VPD) med något starkare kontroll för torrare tundraområden än för fuktigare sådana. Snö och permafrost hade stor påverkan på energibalansen samt på hur den tillgängliga energin fördelades mellan komponenterna och på ekosystemens produktivitet. I ett snömanipulationsexperiment i ett sub-Arktiskt tundrakomplex i norra Sverige ledde ökande snömängd till minskande permafrosten, högre markfuktighet och ökande upptag av koldioxid. Sammantaget ledde klimatinducerade ökningar i snödjup och lufttemperatur till snabb och dramatisk degradering av permafrosten i torvmarkskomplexen med omvandling från torra habitat till fuktigare sådana. Detta medförde också förändringar i energibalasen så att LE och ET ökade på bekostnad av H. Mellanårsvariation i snöackumulation i Arktiska Zackenberg på nordöstra Grönland ledde till avsevärt större ackumulerad mängd energi för samtliga energibalanskomponenter både för ett hedmarksekosystem och för ett kärrmarksekosystem under ett år med liten snöackumulation jämfört med år med stor sådan. Dessutom påverkades fördelningen av den tillgängliga energin mellan de olika energibalanskomponenterna på heden starkt av den minskade markfuktigheten eftersom snön där står för den dominerande delen av vattentillförseln under växtsäsongen. Kärrmarkens energiutbyte påverkades i mycket lägre grad av den låga snötillförseln på grund av att grundvattennivån var fortvarigt hög och nära markytan.
Resultaten som presenteras i denna avhandling indikerar att ett framtida klimat med ökande degradering av permafrosten och ökande mellanårsvariation i snönederbörd kan ha avsevärd modifierande påverkan på energibalansen i Arktiska och sub-Arktiska ekosystem. Detta kan i sin tur få avsevärd påverkan på ekosystemens anpassningsförmåga samt på klimatsystemet i sig självt. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/8561169
- author
- Stiegler, Christian LU
- supervisor
- opponent
-
- Lafleur, Peter, Department of Geography, Trent University, Peterborough, Canada
- organization
- publishing date
- 2016
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- keywords
- Surface energy exchange, Arctic and subarctic tundra, climate change, permafrost, eddy covariance, snow cover, micrometeorology
- pages
- 190 pages
- publisher
- Department of Physical Geography and Ecosystem Science, Lund University
- defense location
- Världen auditorium, Sölvegatan 10, Lund
- defense date
- 2016-02-19 10:00:00
- ISBN
- 978-91-85793-54-9
- language
- English
- LU publication?
- yes
- id
- 9ac43ef7-5cd2-4a66-aca7-011a9449d750 (old id 8561169)
- date added to LUP
- 2016-04-04 11:05:58
- date last changed
- 2018-11-21 21:02:39
@phdthesis{9ac43ef7-5cd2-4a66-aca7-011a9449d750,
abstract = {{The surface energy balance determines the functioning of any ecosystem on the Earth but is still poorly understood in Arctic and subarctic biomes. In a dynamic system, such as the Earth’s climate, any change in its characteristics modifies the exchange of energy, water, and greenhouse gases between the surface and the atmosphere. Therefore, this thesis aims to draw a conclusive picture of the surface energy exchange and land-atmosphere interactions of Arctic and subarctic regions under climate change. The aims are achieved by combining in-situ field measurements of surface energy balance components, snow manipulation experiments, active layer monitoring, vegetation mapping, and chamber-based carbon dioxide flux measurements from Arctic and subarctic tundra biomes in Greenland, Svalbard and northern Sweden.<br/><br>
Local variability in climate, surface structure, soil moisture and soil thermal regime are the main drivers of variation in the surface energy exchange and ecosystem productivity of Arctic and subarctic tundra ecosystems. At all studied locations, the magnitude of the energy fluxes of sensible heat (H), latent heat (LE) and ground heat (G) were well-correlated with net radiation (Rnet). However, evapotranspiration (ET) and LE showed a relatively strong coupling to atmospheric vapor pressure deficit (VPD), with more pronounced such control at the dry tundra sites compared to the wet-growing ecosystems. Snow and permafrost determined surface energy balance, energy partitioning and ecosystem productivity. Manipulated increase in snow accumulation at a subarctic tundra peatland complex in northern Sweden resulted in permafrost thaw, soil wetting and increased carbon sequestration. Concurrently, climate-driven increase in both snow accumulation and air temperature triggered dramatic and rapid permafrost degradation in peatland complexes and transition from dry habitats into wet-growing ecosystems, with consequent change in surface energy exchange towards both increased LE and ET at the cost of H. Interannual variability in winter snow accumulation at the high-Arctic tundra environment in Zackenberg (Northeast Greenland) prolonged the growing season during a year with low snow cover and increased the total accumulated energy balance components of the local heath and fen ecosystems. Further, energy flux partitioning at the heath was strongly determined by the reduction of soil moisture as snow is by far the main supplier of water in this region. The energy exchange of the fen, however, showed attenuated behavior due to groundwater table remaining close to the surface.<br/><br>
The results presented in this thesis suggest that in a future climate, accelerated permafrost thaw and increased interannual variability in snow cover may further modify the energy balance of Arctic and subarctic ecosystems, with profound impact on ecosystem adaptation capacities and the overall climate system.}},
author = {{Stiegler, Christian}},
isbn = {{978-91-85793-54-9}},
keywords = {{Surface energy exchange; Arctic and subarctic tundra; climate change; permafrost; eddy covariance; snow cover; micrometeorology}},
language = {{eng}},
publisher = {{Department of Physical Geography and Ecosystem Science, Lund University}},
school = {{Lund University}},
title = {{Surface energy exchange and land-atmosphere interactions of Arctic and subarctic tundra ecosystems under climate change}},
url = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/5694335/8569079.pdf}},
year = {{2016}},
}