Skip to main content

Lund University Publications

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

The role of biogeophysical feedbacks and their impacts in the arctic and boreal climate system

Zhang, Wenxin LU orcid (2015)
Abstract
The physical environment in the northern high latitudes including the Arctic cryosphere has undergone dramatic changes due to anthropogenic greenhouse gas warming, which since pre-industrial times has been twice or more the rate of global mean warming. Global climate models predict that this accelerated warming will continue for at least the next few decades. Meanwhile, the arctic and subarctic vegetation have been reported to be rather sensitive to such rapid warming. Biogeophysical feedbacks associated with ecosystem responses to climate change are regarded as important contributors to the amplified warming seen over the Arctic. This motivates a study to assess firstly how vegetation dynamics and ecosystem biogeochemistry will evolve... (More)
The physical environment in the northern high latitudes including the Arctic cryosphere has undergone dramatic changes due to anthropogenic greenhouse gas warming, which since pre-industrial times has been twice or more the rate of global mean warming. Global climate models predict that this accelerated warming will continue for at least the next few decades. Meanwhile, the arctic and subarctic vegetation have been reported to be rather sensitive to such rapid warming. Biogeophysical feedbacks associated with ecosystem responses to climate change are regarded as important contributors to the amplified warming seen over the Arctic. This motivates a study to assess firstly how vegetation dynamics and ecosystem biogeochemistry will evolve under plausible future scenarios, and further how biogeophysical feedbacks associated with vegetation change will influence the climate, carbon cycle and sea ice. In addition, a regional Earth system model (ESM), as a complementary modeling alternative to relatively well-established global ESMs, can describe relevant processes and interactions in more detail and at a finer resolution in time and space. This can lead to better understanding of feedback phenomena characteristic of the Arctic climate system, as well as providing useful information on ecosystem impacts and the associated needs for adaptation they may imply.



In this thesis, I present findings from studies using an individual-based dynamic vegetation model (LPJ-GUESS) and regional Earth system models (RCA-GUESS, and RCAO-GUESS) to explore the role of biogeophysical feedbacks and their impacts on the Arctic climate system. These models demonstrate good performance in reproducing the present-day dominant vegetation distribution, carbon, water and energy exchange between the land and atmosphere, the mean state of carbon pools and climate, sea ice concentration and areal extent. Thereby they provide a robust base-line for understanding and characterizing ecosystem feedbacks to the Arctic climate.



Under future projections, off-line (non-feedback) simulations using LPJ-GUESS indicate that the pole-ward shift of shrubs and trees and a reduced distribution and abundance of deciduous needle-leaved trees (larch) in favor of evergreen forest is likely to cause positive feedbacks arising from reduced albedo and increased methane emission to outweigh negative feedbacks arising from increased latent heat flux and carbon sequestration. Coupled vegetation-climate simulations using RCA-GUESS projects similar changes in vegetation, which results in a further carbon sink due to biogeophysical feedbacks, and most of this carbon sink is located in the present-day arctic tundra areas. The net biogeophysical feedback is a result of the balance between two opposing feedbacks, the albedo feedback and the evapotranspiration feedback. When evolving under different levels of CO2-induced warming, biogeophysical feedbacks to near-surface warming differ both in feedback sign and magnitude depending on spatial and temporal scale, varying by season and among sub-regions of the Arctic depending on the level of CO2-induced radiative forcing. Results are discussed in terms of the resilience of ecosystems to climate change. When coupling with an ocean sea-ice model, RCAO-GUESS reveals that biogeophysical feedbacks of vegetation change could amplify variations in summer and autumn sea ice areal extent. Increased down-ward long wave radiation aided by a mean sea level pressure anomaly is found to be the main contributing factor to a strengthened sea ice decline. A further investigation is therefore needed to disentangle the complex chain of cause and effect between the Arctic vegetation and sea ice, including the spatial and temporal variability, touched upon in this initial study. (Less)
Abstract (Swedish)
De nordliga höga latitudernas fysiska miljö, inklusive kryosfären i Arktis, har genomgått dramatiska förändringar under de senaste decennierna tack vare uppvärmning och andra klimatförändringar kopplade till antropogena utsläpp av växthusgaser. Uppvärmningen i regionen är ungefär det dubbla jämfört med ökningen i medeltemperaturen globalt. Globala klimatmodeller förutspår att denna förstärkta uppvärmning kommer att fortsätta under kommande decennier. Arktisk och subarktisk vegetation begränsas i sin produktion och utbredning av låga temperaturer och kan därmed förväntas reagera kraftigt och positivt på ökande temperaturer. Effekter såsom ökad tillväxt, densitet och och en högre andel buskar och träd i arktisk vegetation har rapporterats... (More)
De nordliga höga latitudernas fysiska miljö, inklusive kryosfären i Arktis, har genomgått dramatiska förändringar under de senaste decennierna tack vare uppvärmning och andra klimatförändringar kopplade till antropogena utsläpp av växthusgaser. Uppvärmningen i regionen är ungefär det dubbla jämfört med ökningen i medeltemperaturen globalt. Globala klimatmodeller förutspår att denna förstärkta uppvärmning kommer att fortsätta under kommande decennier. Arktisk och subarktisk vegetation begränsas i sin produktion och utbredning av låga temperaturer och kan därmed förväntas reagera kraftigt och positivt på ökande temperaturer. Effekter såsom ökad tillväxt, densitet och och en högre andel buskar och träd i arktisk vegetation har rapporterats och kopplats till de senaste decenniernas uppvärmning i regionen. Biogeofysiska återkopplingsmekanismer varigenom klimatdrivna förändringar i vegetation inverkar på energibalans i atmosfärens nedre skikt antas spelar en viktig roll i det arktiska klimatsystemet och kan komma att bidra till framtida uppvärmning över Arktis. Mot denna bakgrund undersöker detta arbete dels hur vegetationsdynamik och ekosystemens biogeokemi kan komma att utvecklas under möjlig växthusgasutsläpps- och klimatscenarier för framtiden, dels hur biogeofysiska återkopplingsmekanismer i sin tur kommer att påverka klimatet, kolets kretslopp och havsis. Verktyget för studien har varit en regional jordsystemmodell (eng: Earth System Model) vilken kombinerar en regional modell över fysiska processer i atmosfären och vid jordytan (i en delstudie även i havet) interaktivt kopplad till en dynamisk vegetationsmodell. Genom att simulera det arktiska klimatsystemets viktigaste processer—såväl fysiska som biologiska—på en relativt fin geografisk upplösning kan modellen bidra till en bättre förståelse av återkopplingsprocesser, och samtidigt ge användbar information om klimatförändringarnas ekologiska påverkingar och därtill kopplade anpassningsbehov.



I denna avhandling tillämpar jag den individ-baserade dynamiska vegetations-modellen LPJ-GUESS och regionala jordsystemmodellerna RCA-GUESS och RCAO-GUESS för att karaktärisera biogeofysiska återkopplingar och deras inverkan på det arktiska klimatsystemet. Modellerna uppvisar goda resultat i jämförelse med oberoende beskrivningar av vegetationsmönster och -utbredning, kol-, vatten- och energiutbyte mellan jordytan och atmosfär, medeltillstånd för kolförråd och klimat, samt havsis koncentration och ytutsträckning. Modellernas prediktioner för dagens klimat och ekosystem kan därmed anses ge en tillförlitlig utgångspunkt för att beskriva och kvantifiera återkopplingsmekanismer mellan vegetation och klimat.



När det gäller framtida effekter, simuleringar med LPJ-GUESS driven av klimatprojektioner utan återkoppling visar exempelvis på nordliga förskjutningar av utbredningsgränser för buskar och träd och en minskad utbredning av lövfällande barrträd (lärk) i östra Sibirien. Dessa förändringar leder till minskat albedo (reflektans av inkommande solstrålning) och sammanfaller med ökat utsläpp av metan, en kraftig växthusgas, från ekosystemen, samtidigt som avdunstning och därtill kopplade latent värmeflöde ökar och ökad fotosyntes leder till en ökad bindning av koldioxid från atmosfären i vegetationens biomassa. Kopplade simuleringar med RCA-GUESS uppvisar liknande förändringar men tar även hänsyn till återkopplingseffekterna av förändrat albedo och latent värmeflöde på det arktiska klimatet. Resultatet är en förstärkt kolsänka där merparten lokaliseras till dagens arktiska tundraområden. Simuleringar med RCA-GUESS under olika nivåer av CO2-inducerad uppvärmningen visar att nettoeffekten av de negativa (latent värmeflöde) och positiva (albedo) återkopplingsmekanismerna skiljer sig både i storlek och tecken i tid och rum beroende på CO2 koncentration och mellan säsonger och sub-regioner av Arktis. Resultat diskuteras i termer av ekosystemens resiliens mot klimatförändringarna. Simuleringar med RCAO-GUESS tar effekter på och av arktisk havsis med i beräkningen. Resultaten visar att biogeofysika återkopplingsmekansimer kan förstärka variationer i isutbredningen på sommaren och hösten, jämfört med simulationer som ej tar hänsyn till effekter av vegetationsförändringar på atmosfären. Ökad långvågig strålning i samband med yttryckanomalier utgör den viktigaste förklarande faktorn för havsisens förstärkta nedgång. Ytterligare undersökningar behövs för att reda ut den komplicerade kedjan av orsak och verkan mellan den arktiska vegetationens och havsisens dynamik, såsom det framkommer i denna förstudie.



Abstract in Chinese

由于人为排放温室气体的变暖效应，北极平均变暖速率基于前工业化时代是全球平均变暖速率的两倍或两倍以上。北极对于气候变暖的放大效应使高纬度地区包括北极冰雪圈的物理环境发生了巨大的变化。全球气候模型预测北极的加速变暖将至少持续至未来几十年。同时，报道显示北极和亚北极地区的植被对北极地区的快速升温相当敏感。关于北极地区加速变暖的原因，由生态系统应对气候变化产生的生物地球物理反馈被认为是重要的因素之一。这使得关于评估植被动态和生物地球化学过程如何在未来的气候下演变，及由于植被变化产生的生物地球物理反馈将如何影响气候，碳循环和海冰的研究变得尤为重要。此外，基于区域模式的地球系统模型（ESM），作为全球模式的地球系统模型的一种补充，可以更准确地模拟在时间和空间上具有较高分辨率的相关物理，生物，化学过程及其过程间的相互作用。这为更好地了解北极气候系统的反馈机制，气候变化对生态系统的影响及为如何适应气候变化提供了有用的信息。

本文将介绍如何利用基于个体的动态植被模型（LPJ-GUESS）和区域模式地球系统模型（RCA-GUESS和RCAO-GUESS）去探讨生物地球物理反馈在北极气候系统中的作用及其产生的影响。上述模型能够较好的模拟现阶段高纬度地区主要植被的分布，大气和陆地间交换的碳、水、能量通量，土壤碳库，气候，海冰的密度集和面积的平均态。这些过程的模拟对于表征生态系统对未来北极气候的生物地球物理反馈提供了可靠的基础。

在模拟未来植被变化的实验中，LPJ-GUESS的离线模拟（不考虑反馈作用）表明，灌木林和北方森林显示出向极地迁移的趋势; 西伯利亚的落叶针叶林将被常绿针叶林取代。这些植被的变化将导致由降低的反照率，增加的甲烷排放产生的加剧气候变暖的正反馈超过由增加的潜热通量和碳汇所产生的负反馈。RCA-GUESS的耦合模拟试验(考虑了反馈作用)也显示了类似的植被迁移。这些植被变化产生的生物地球物理反馈加剧了生态系统的碳汇，并且大多数增加的碳汇来自于目前的北极苔原地区。生物地球物理反馈主要归因于两种对立的反馈(反照率反馈和蒸散量反馈)之间的平衡。在不同浓度CO2产成的辐射强迫下，生物地球物理反馈对于近地表变暖的方向和大小表现出时间和空间上的差异，这些差异主要归因于局部地区的生态系统适应升温和CO2施肥作用的能力。模拟海洋海冰的RCAO-GUESS的耦合试验表明植被变化产生的生物地球物理反馈加剧了夏，秋季海冰的变化。在平均海平面气压的辅助下增加的向下长波辐射被认为是造成进一步海冰下降的主要因素之一。因此，对于解释北方植被和海冰的因果关系需要在本文的研究基础上进一步分析它们之间的相关性在空间和时间上表现出的可变性。 (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Sushama, Laxmi, Centre ESCER, University of Quebec, Montreal, Canada
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Arctic and boreal vegetation change, Biogeophysical feedbacks, Albedo, Latent heat, Carbon budget, Representative concentration pathways, Eearth system model, LPJ-GUESS, RCA, Sea ice
pages
182 pages
publisher
Department of Physical Geography and Ecosystem Science, Lund University
defense location
Världen auditorium, Geocentrum I, Sölvegatan 10, 223 62, Lund Sweden
defense date
2015-02-06 10:00:00
ISBN
978-91-85793-45-7
language
English
LU publication?
yes
id
738daaa0-842a-4782-975b-197ab8265e81 (old id 4936205)
date added to LUP
2016-04-04 11:45:27
date last changed
2019-03-25 16:52:12
@phdthesis{738daaa0-842a-4782-975b-197ab8265e81,
  abstract     = {{The physical environment in the northern high latitudes including the Arctic cryosphere has undergone dramatic changes due to anthropogenic greenhouse gas warming, which since pre-industrial times has been twice or more the rate of global mean warming. Global climate models predict that this accelerated warming will continue for at least the next few decades. Meanwhile, the arctic and subarctic vegetation have been reported to be rather sensitive to such rapid warming. Biogeophysical feedbacks associated with ecosystem responses to climate change are regarded as important contributors to the amplified warming seen over the Arctic. This motivates a study to assess firstly how vegetation dynamics and ecosystem biogeochemistry will evolve under plausible future scenarios, and further how biogeophysical feedbacks associated with vegetation change will influence the climate, carbon cycle and sea ice. In addition, a regional Earth system model (ESM), as a complementary modeling alternative to relatively well-established global ESMs, can describe relevant processes and interactions in more detail and at a finer resolution in time and space. This can lead to better understanding of feedback phenomena characteristic of the Arctic climate system, as well as providing useful information on ecosystem impacts and the associated needs for adaptation they may imply.<br/><br>
<br/><br>
In this thesis, I present findings from studies using an individual-based dynamic vegetation model (LPJ-GUESS) and regional Earth system models (RCA-GUESS, and RCAO-GUESS) to explore the role of biogeophysical feedbacks and their impacts on the Arctic climate system. These models demonstrate good performance in reproducing the present-day dominant vegetation distribution, carbon, water and energy exchange between the land and atmosphere, the mean state of carbon pools and climate, sea ice concentration and areal extent. Thereby they provide a robust base-line for understanding and characterizing ecosystem feedbacks to the Arctic climate. <br/><br>
<br/><br>
Under future projections, off-line (non-feedback) simulations using LPJ-GUESS indicate that the pole-ward shift of shrubs and trees and a reduced distribution and abundance of deciduous needle-leaved trees (larch) in favor of evergreen forest is likely to cause positive feedbacks arising from reduced albedo and increased methane emission to outweigh negative feedbacks arising from increased latent heat flux and carbon sequestration. Coupled vegetation-climate simulations using RCA-GUESS projects similar changes in vegetation, which results in a further carbon sink due to biogeophysical feedbacks, and most of this carbon sink is located in the present-day arctic tundra areas. The net biogeophysical feedback is a result of the balance between two opposing feedbacks, the albedo feedback and the evapotranspiration feedback. When evolving under different levels of CO2-induced warming, biogeophysical feedbacks to near-surface warming differ both in feedback sign and magnitude depending on spatial and temporal scale, varying by season and among sub-regions of the Arctic depending on the level of CO2-induced radiative forcing. Results are discussed in terms of the resilience of ecosystems to climate change. When coupling with an ocean sea-ice model, RCAO-GUESS reveals that biogeophysical feedbacks of vegetation change could amplify variations in summer and autumn sea ice areal extent. Increased down-ward long wave radiation aided by a mean sea level pressure anomaly is found to be the main contributing factor to a strengthened sea ice decline. A further investigation is therefore needed to disentangle the complex chain of cause and effect between the Arctic vegetation and sea ice, including the spatial and temporal variability, touched upon in this initial study.}},
  author       = {{Zhang, Wenxin}},
  isbn         = {{978-91-85793-45-7}},
  keywords     = {{Arctic and boreal vegetation change; Biogeophysical feedbacks; Albedo; Latent heat; Carbon budget; Representative concentration pathways; Eearth system model; LPJ-GUESS; RCA; Sea ice}},
  language     = {{eng}},
  publisher    = {{Department of Physical Geography and Ecosystem Science, Lund University}},
  school       = {{Lund University}},
  title        = {{The role of biogeophysical feedbacks and their impacts in the arctic and boreal climate system}},
  url          = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/5848064/4936253.pdf}},
  year         = {{2015}},
}