Ecosystem response to weather extremes and impact on atmospheric composition - A case study of the 2018 summer heatwave

Abstract

Extreme weather events, such as heatwaves and droughts, are predicted to increase due to global warming, significantly impacting forest ecosystems. These ecosystems play a crucial role in the climate system through carbon sequestration and the emission of Biogenic Volatile Organic Compounds (BVOCs), which can form Secondary Organic Aerosols (SOAs) and thus have a cooling effect on the climate. In this study, BVOC emission data from the dynamic vegetation model LPJ-GUESS and the BVOC emission model MEGAN is used to investigate the response of a boreal forest ecosystem during the 2018 summer heatwave in northern Europe. Furthermore, the impact on atmospheric composition is examined by using these BVOC emission datasets as input in the atmospheric model ADCHEM, set up as a 1D-column model along pre-calculated air mass trajectories. Both datasets were tested for both 2017 and 2018, and compared with observed concentrations of isoprene, total monoterpenes, NOx and ozone, as well as particle number size distribution from the SMEAR II station in Hyytiälä, southern Finland. The results indicate that most model setups underestimated isoprene and monoterpene concentrations, except for LPJ-GUESS, which significantly overestimated isoprene concentrations for both years. Further, while the observed increase in particle volume during May and July 2018 is somewhat captured by the model setups, the particle number concentrations are underestimated. Models show a depletion of OH during May and July 2018, which may be an effect of the increased BVOC concentrations. Further studies on the 2018 drought should include other measurement stations in northern European boreal forests.

Popular Abstract (Swedish)

Extremväder, såsom torkan 2018, förväntas öka i framtiden på grund av den pågående globala uppvärmningen. Detta kommer bland annat påverka världens skogar, vilka är viktiga i klimatsystemet, framför allt på grund av deras förmåga att binda koldioxid, men även deras utsläpp av biogena volatila organiska kolväten. Skogarnas förutsättningar att bidra till klimatsystemet på detta sätt kan dock ändras under extremväder - alltså är det viktigt att de modeller som används för att förutspå framtida klimat kan representera hur dessa extremväder påverkar skogarna.

Den som varit ute i Sveriges skogar har säkerligen lagt märke till att skogen doftar. Denna doft kommer från små molekyler som släpps ut av träden, kallade biogena volatila organiska kolväten (med den engelska förkortningen BVOC). Dessa används av alla växter för till exempel kommunikation mellan individer eller försvar mot attackerande insekter. Men BVOCer spelar också stor roll för klimatsystemet, eftersom de, genom komplexa reaktioner i atmosfären, kan bidra till tillväxt av aerosolpartiklar - små fasta eller flytande partiklar i atmosfären. Aerosolpartiklar ökar reflektionen av solljus från jorden och har därmed en kylande effekt. Generellt sett ökar utsläpp av BVOCer när träden är stressade, vilket de exempelvis blir under torka. Dessa ökade utsläpp kan alltså ha en kylande effekt, men också andra konsekvenser såsom bildande av marknära ozon - vilket är både en växthusgas som bidrar till global uppvärmning, och farlig för människor och träd.

I detta examensarbete undersöker jag hur utsläppen av BVOCer från nordiska skogar påverkades av torkan 2018, och hur väl detta representeras i vegetations- och atmosfärsmodeller. Eftersom modeller används för att förutspå framtidens klimat är det viktigt att de också representerar de klimatåterkopplingsmekanismer som involverar skogen. Annars kan vi få en felaktig bild av hur vårt framtida klimat kommer se ut, och det blir svårt att både förbereda sig för eller försöka motverka det. Två modeller som beräknar utsläpp av BVOCer, och en atmosfärsmodell, som beskriver hur dessa ämnen reagerar i atmosfären, undersöktes och utvärderades mot en mätstation i södra Finland. Både modeller och mätvärden visar att utsläpp av BVOCer ökade under 2018 och att detta även påverkade tillväxten av aerosolpartiklar, framför allt i Maj och Juli, som var de varmaste månaderna under 2018. Det visade sig dock att utsläppen generellt sett underskattades i båda modellerna, även om en typ av BVOC överskattades stort i en av modellerna. Varken över- eller underskattning var unik för året 2018, men blev mer dramatisk. Även om modellerna lyckades fånga en viss tillväxt av aerosolpartiklar under de månader med höga utsläpp var det totala antalet partiklar underskattad, vilket skulle kunna bero på att den underskattar antingen utsläpp av partiklar, eller nypartikelbildning - alltså att partiklar bildas i atmosfären. Dessa resultat kan förhoppningsvis bli en grund för vidare undersökningar om hur olika modeller representerar påverkan av extremväder, och därigenom leda till bättre uppskattningar om vårt framtida klimat.

• author: Bengtsdotter, Sara
• supervisor: Pontus Roldin; Lars Nieradzik
• organization: Combustion Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Biogenic Volatile Organic Compounds, BVOC, Secondary Organic Aerosol, Aerosols, ADCHEM, MEGAN, LPJ-GUESS, Summer 2018, Drought
• language: English
• id: 9165840
• date added to LUP: 2024-08-27 10:09:40
• date last changed: 2024-08-27 10:09:40