Uppskattning av nettoprimärproduktionen (NPP) i stormfjällen efter stormen Gudrun med hjälp av satellitdata

Abstract

On the night between the 8th and 9th of January 2005 one of the worst wind storms
Sweden has experienced took place. The storm caused damage to 270 000 ha of forest
and 75 · 106 m3 wood. Due to the great areas affected, this event has a significant
effect on the forest carbon balance. The aim of this study includes determining the
usefulness of MODIS (moderate resolution imaging spectroradiometer) NDVI
(normalized difference vegetation index) and a LUE-model (light-use efficiency) on
estimating change in forest NPP (net primary production) caused by the wind throw
Gudrun, as well as to present difficulties and suggestions to overcome these problems.
Forest NPP prior to the wind throw (year 2000, 2003 and 2004) was well estimated
using the LUE-model, with values comparable to NPP of a similar forest. However,
post-disturbance NPP seems to be overestimated, probably due to a variety of reasons.
The decrease in NDVI after the storm is not in the expected range, with the higher
values probably caused by non-removed vegetation (dead and alive) in the wind throw
sites. The spatial resolution of 250 m for MODIS data makes it difficult to find pure
pixels, i.e. pixels containing only wind throw sites. Pixels will be mixed to some
extent, representing both wind throw areas and forest, hence increasing NDVI from
that of a pure wind throw pixel. A constant value of the light-use efficiency was used
for all the years in this study, which introduces large uncertainty to the results. The
value used was calculated for a mature forest, and thus not appropriate for a wind
throw area. Thus, a constant value of the light-use efficiency can further contribute to
a high NPP after the storm. The method of estimating NPP should be able to give
more accurate results if a carefully estimated light-use efficiency is to be used, and if
the NDVI values are corrected for non-photosynthetic vegetation.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning: Kan satellitdata användas för att uppskatta kolupptaget i stormfällen efter stormen Gudrun?
Natten mellan den 8 och 9 januari, 2005 härjade en av de värsta stormarna som Sverige utsatts för i modern tid. Stormen, som fick namnet Gudrun, skadade ca 75 miljoner m3 skog på en ungefärlig yta av 270 000 ha. På grund av de stora ytorna som drabbades kommer skogens kolbalans avsevärt att påverkas.

I denna studie undersöks om det är möjligt att använda satellitdata för att uppskatta upptaget av kol i stormfällen efter stormen Gudrun. För att göra detta användes en LUE-modell (light-use efficiency) och satellitbaserad NDVI-data (normalized difference vegetation index). LUE-modellen är ett enkelt sätt att uppskatta vegetationens upptag av kol. Detta görs genom att översätta den mängd solljus som växterna absorberat till upptaget kol med hjälp av en effektivitetskonstant. NDVI är ett vegetationsindex som används för att få en uppfattning om vegetationens egenskaper och hälsotillstånd. Med hjälp av satellitbaserat NDVI kan man uppskatta mängden solljus som absorberats av växterna och således modellera växternas upptag av kol. Syftet med detta arbete är att utvärdera om det är möjligt att använda satellitbaserat NDVI och LUE-modellen för att uppskatta förändring i skogens NPP orsakad av stormen Gudrun, samt belysa och ge förslag på åtgärder för möjliga problem.

Resultaten pekar på att upptaget av kol i stormfällen överskattas med metoden. Detta kan bero på ett antal orsaker. Det satellitbaserade NDVI är troligen för högt, vilket kan förklaras av att kvarliggande vegetation i stormfällena, död som levande, påverkar och kan höja NDVI. Den relativt låga rumsliga upplösningen på NDVI-data kan också bidra till ett högre NDVI då det kan vara svårt att hitta rena pixlar (bara stormfälle). En blandning av skog och stormfälle kan höja NDVI något jämfört med en helt ren pixel med stormfälle. Vidare har effektivitetskonstanten i LUE-modellen en stor betydelse i detta fall då ett konstant värde användes för alla år, även efter stormen. Värdet som användes är framtaget för en barrsskog och kan därmed inte sägas vara adekvat för ett stormfälle. Detta bidrar ytterligare till ett högt NPP. Metoden bör emellertid vara lämplig och ge korrekta uppskattningar av NPP om ett mer lämpligt värde på e tas fram för den sparsamma vegetationen i ett stormfälle, och om NDVI justeras för mängden icekfotosyntetiserande vegetation.

Abstract (Swedish)

Skogarna på den norra hemisfären har en betydande roll i den globala kolbalansen på
grund av deras förmåga att agera som kolkälla. En annan aspekt som gör de
intressanta är deras känslighet för tänkbara kommande klimatförändringar där en
möjlig följd är ökad störningsfrekvens. Störningar (som bland annat innefattar storm,
insektsangrepp och brand) påverkar skogens kolbalans genom att minska upptaget och
öka utsläppen av kol. En framtida ökad störningsfrekvens kan göra att skogen som
tidigare var en kolsänka istället blir en källa för atmosfäriskt kol. I Sverige är storm en
av de naturliga störningar som har störst påverkan på skogen, och natten mellan den 8
och 9 januari 2005 härjade stormen Gudrun som är en av de värsta stormarna som
Sverige upplevt i modern tid. 270 000 ha skog drabbades och 75 · 106 m3 virke
förstördes. På grund av de stora arealer som drabbades har denna händelse en
betydande påverkan på skogens kolbalans.
Vegetationens upptag av kol från atmosfären bestäms av nettoprimärproduktionen
(NPP), vilken är en viktig variabel att bestämma vid uppskattningar av kolbalansen.
Ett sätt att uppskatta NPP med hjälp av satellitdata är att använda NDVI (normalized
difference vegetation index) och en enkel LUE-modell (light-use efficiency). NDVI är
ett vegetaionsindex som används för att få en uppfattning om vegetationens egenskaper
och hälsotillstånd, och i denna studie användes tidsserier från MODIS
(moderate resolution imaging spectroradiometer) NDVI med 250 meters upplösning
från 2000 till 2005. LUE-modellen är en metod som bygger på antagandet att
växternas upptag av kol är proportionell mot mängden absorberat PAR (photosynthetically
active radiation), NPP = e x absorberat PAR. PAR är det ljus som växterna
absorberar och använder som energi vid fotosyntesen och mängden absorberat PAR
kan erhållas med hjälp av NDVI. e är en effektivitetskonstant som beskriver vegetationens
utnyttjande av ljus. I syftet med detta arbete ingår att utvärdera huruvida det är
möjligt att använda medelupplösande MODIS NDVI och LUE-modellen för att
uppskatta förändring i skogens NPP orsakad av stormen Gudrun, samt belysa och ge
förslag på åtgärder för möjliga problem.
Skogens NPP före stormen Gudrun uppskattas väl och värdena är jämförbara med de
för en liknande skog. Emellertid verkar det som att NPP efter stormen är överskattat,
vilket kan ha sin grund i ett antal olika saker. NDVI-värdena, och följaktligen NPP,
sjunker inte så mycket efter stormen som man skulle kunna vänta sig. Detta skulle
kunna förklaras av påverkan av i stormfällena kvarliggande vegetation, död som
levande. MODIS-data har en rumslig upplösning på 250 meter, och det kan vara svårt
att hitta rena pixlar (bara stormfälle). En blandning av skog och stormfälle kan höja
NDVI något jämfört med en helt ren pixel med stormfälle. Vidare har effektivitetskonstanten
i LUE-modellen en stor betydelse i detta fall då ett konstant värde
användes för alla år, även efter stormen. Värdet som användes är framtaget för en
barrsskog och kan därmed inte sägas vara adekvat för ett stormfälle. Detta bidrar
ytterligare till ett högt NPP. Om metoden skall användas bör ett mer lämpligt värde på
e tas fram för den sparsamma vegetationen i ett stormfälle, och NDVI justeras för
mängden icekfotosyntetiserande vegetation. Med dessa åtgärder bör mer korrekta
uppskattningar av NPP vara möjliga.

• author: Johansson, Tomas
• supervisor: Lars Eklundh
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
• alternative title: Estimating net primary production (NPP) in wind throw areas after the storm Gudrun using remote sensing
• year: 2006
• type: H1 - Master's Degree (One Year)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: NDVI, NPP, stormen Gudrun, geografi, naturgeografi, LUE-modellen, PAR
• publication/series: Lunds universitets Naturgeografiska institution - Seminarieuppsatser
• report number: 130
• language: Swedish
• id: 1962586
• date added to LUP: 2011-05-16 11:32:40
• date last changed: 2011-12-13 17:05:24