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Bilanzierung des Methanaustauschs zwischen
Biosphäre und Atmosphäre in Periglazialräumen mit Hilfe von Fernerkundung und Modellen am Beispiel des Lena Deltas
Dissertation zur Erlangung des
naturwissenschaftlichen Doktorgrades
der Bayerischen Julius-Maximilians Universität Würzburg
Vorgelegt von
Stefanie Kirschke
aus
Bad Muskau
Würzburg, im Mai 2008
Eingereicht am: 08.05.2008
1. Gutachter: Prof. Dr. Roland Baumhauer
2. Gutachter: Prof. Dr. Hans-Wolfgang Hubberten
der Dissertation.
II
Abstract
Remaining uncertainties in the carbon budget of high latitude ecosystems are partly due to
difficulties in assessing methane emission rates from permafrost soils the source strengths of
which are highly variable in space and time. Methane is a globally abundant atmospheric
trace gas that contributes significantly to the warming of the atmosphere. Due to the high
sensitivity of the arctic soil carbon reservoir and the large surface area underlain by permafrost, arctic regions are most critically influenced by a changing climate.
This dissertation addresses the need for modelling approaches to determine the source
strength of northern Siberian permafrost affected wet polygonal tundra ecosystems with regard to methane emission on the regional scale. It presents a methodical structure wherein
two process-based models are used to capture the complex interrelated processes between
pedosphere, biosphere and atmosphere that lead to methane emission from permafrost soils
on the regional scale. Upscaling of methane fluxes for a larger permafrost site is performed
using results of a process-based model.
The process-based vegetation model Biosphere Energy Transfer Hydrology Model
(BETHY/DLR) is applied to estimate net primary productivity (NPP) of arctic tundra vegetation. NPP is parameterized as a measure for substrate availability for methane production
and thus an important input parameter for the second model: the process-based wetland
methane emission model is subsequently used to explicitly model methane fluxes for a given
soil column, taking into account methanogenesis, methane oxidation and three different
transport mechanisms, namely molecular diffusion, ebullition and plant-mediated transport
through vascular plants.
The methane emission model is modified for permafrost conditions by explicitly considering
daily thawing of permafrost during the short arctic growing season. Model forcing consists
of meteorological data sets obtained from the European Center for Medium-Range Weather
Forecasts (ECMWF). Input data sets are validated against field measurements. Auxiliary
III
Abstract
input data for both models are derived from satellite imagery and validated by field spectral
measurements. A modified land use/land classification (LULC) scheme based on Landsat-7
Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) data is used to derive information on wetland
distribution and vegetation cover. Time series of active layer thickness are used to describe
thawing/freezing of soils. These parameters are key factors in modelling methane emissions
from permafrost influenced tundra ecosystems. Validation of presented model results is performed using eddy covariance measurements of methane flux on the landscape scale carried
out during the growing seasons 2003-2006 in the southern part of the Lena Delta (72°N,
126°E) by Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI).
The Lena Delta study site is located at the Laptev Sea in northeast Siberia and is characterized by arctic wet polygonal tundra ecosystems and cold continuous permafrost. Timeintegrated values for modelled methane fluxes and in situ measurements compare reasonably
well and indicate a moderate model underestimation of about 10%.
IV
Zusammenfassung
Verbleibende Unsicherheiten im Kohlenstoffhaushalt in Ökosystemen der hohen nördlichen
Breiten können teilweise auf die Schwierigkeiten bei der Erfassung der räumlich und zeitlich
hoch variablen Methanemissionsraten von Permafrostböden zurückgeführt werden. Methan
ist ein global abundantes atmosphärisches Spurengas, welches signifikant zur Erwärmung
der Atmosphäre beiträgt. Aufgrund der hohen Sensibilität des arktischen Bodenkohlenstoffreservoirs sowie der großen von Permafrost unterlagerten Landflächen sind arktische Gebiete am kritischsten von einem globalen Klimawandel betroffen.
Diese Dissertation adressiert den Bedarf an Modellierungsansätzen für die Bestimmung der
Quellstärke nordsibirischer permafrostbeeinflusster Ökosysteme der nassen polygonalen
Tundra mit Hinblick auf die Methanemissionen auf regionalem Maßstab. Die Arbeit präsentiert eine methodische Struktur in welcher zwei prozessbasierte Modelle herangezogen werden, um die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Kompartimenten Pedosphäre, Biosphäre und Atmosphäre, welche zu Methanemissionen aus Permafrostböden führen, zu erfassen. Es wird ein Upscaling der Gesamtmethanflüsse auf ein größeres, von Permafrost
unterlagertes Untersuchungsgebiet auf Basis eines prozessbasierten Modells durchgeführt.
Das prozessbasierte Vegetationsmodell Biosphere Energy Hydrology Transfer Model
(BETHY/DLR) wird für die Berechnung der Nettoprimärproduktion (NPP) arktischer
Tundravegetation herangezogen. Die NPP ist ein Maß für die Substratverfügbarkeit der Methanproduktion und daher ein wichtiger Eingangsparameter für das zweite Modell: Das prozessbasierte Methanemissionsmodell wird anschließend verwendet, um die Methanflüsse
einer gegebenen Bodensäule explizit zu berechnen. Dabei werden die Prozesse der Methanogenese, Methanotrophie sowie drei verschiedene Transportmechanismen – molekulare
Diffusion, Gasblasenbildung und pflanzengebundener Transport durch vaskuläre Pflanzen –
berücksichtigt.
V
Zusammenfassung
Das Methanemissionsmodell ist für Permafrostbedingungen modifiziert, indem das tägliche
Auftauen des Permafrostbodens in der kurzen arktischen Vegetationsperiode berücksichtigt
wird. Der Modellantrieb besteht aus meteorologischen Datensätzen des European Center for
Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). Die Eingangsdatensätze werden mit Hilfe
von in situ Messdaten validiert. Zusätzliche Eingangsdaten für beide Modelle werden aus
Fernerkundungsdaten abgeleitet, welche mit Feldspektralmessungen validiert werden. Eine
modifizierte Landklassifikation auf der Basis von Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper
Plus (ETM+) Daten wird für die Ableitung von Informationen zu Feuchtgebietsverteilung
und Vegetationsbedeckung herangezogen. Zeitserien der Auftautiefe werden zur Beschreibung des Auftauens bzw. Rückfrierens des Bodens verwendet. Diese Faktoren sind die
Haupteinflussgrößen
für
die
Modellierung
von
Methanemissionen
aus
per-
mafrostbeeinflussten Tundraökosystemen. Die vorgestellten Modellergebnisse werden mittels Eddy-Kovarianz-Messungen der Methanflüsse validiert, welche während der Vegetationsperioden der Jahre 2003-2006 im südlichen Teil des Lena Deltas (72°N, 126°E) vom
Alfred Wegener Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) durchgeführt wurden.
Das Untersuchungsgebiet Lena Delta liegt an der Laptewsee in Nordostsibirien und ist durch
Ökosysteme der arktischen nassen polygonalen Tundra sowie kalten kontinuierlichen Permafrost charakterisiert. Zeitlich integrierte Werte der modellierten Methanflüsse sowie der in
situ Messungen zeigen gute Übereinstimmungen und weisen auf eine leichte Modellunterschätzung von etwa 10%.
VI