Project

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Arctic Tundra Surface Energy Budget - assessing the status and informing predictions

English title Arctic Tundra Surface Energy Budget - assessing the status and informing predictions
Applicant Schaepman-Strub Gabriela
Number 178753
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Other disciplines of Environmental Sciences
Start/End 01.12.2018 - 30.11.2022
Approved amount 610'000.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Other disciplines of Environmental Sciences
Environmental Research
Ecology

Keywords (10)

ground heat flux; climate change; evapotranspiration; permafrost; land surface energy budget; Siberia; tundra; precipitation experiment; drought experiment; remote sensing

Lay Summary (German)

Lead
Über der arktischen Landoberfläche wurde im 20. Jahrhundert eine Temperaturzunahme von 5°C gemessen. Für das 21. Jahrhundert wird zusätzlich eine Zunahme des Niederschlags in der Arktis vorhergesagt. Solche Klimaveränderungen beeinflussen den Energie-, Wasser- und Kohlenstoffkreislauf der Landoberfläche. Eine enge Koppelung dieser drei Kreisläufe besteht über die kurz- und langwellige Strahlungsabsorption der Oberfläche, sowie über die Partitionierung dieser Energie in fühlbare Wärme, Evapo(trans)piration und Bodenwärmefluss. Trotz der erwarteten Zunahme des Niederschlags in der Arktis sind die meisten Experimente, die den Einfluss der Klimaveränderung auf die Landoberfläche untersuchen, auf die Erwärmung ausgerichtet. Experimente, welche die Auswirkungen von erhöhtem Sommerniederschlag, aber auch Trockenheit, auf die Ökosysteme untersuchen, gibt es bislang nicht.
Lay summary
Das Projekt hat zum Ziel, die Einflussfaktoren der Energiebilanz der arktischen Landoberfläche und ihrer Auswirkungen auf den Kohlenstoff- und Wasserkreislauf zu erfassen.

Wir verfolgen 3 Hauptziele:
1) Erfassung der Relevanz der Energiebilanz für den Status und die Entwicklung des arktischen Systems über verschiedene Sphären (Atmo-, Bio-, Cryosphäre), Disziplinen (Klimatologie, Ökologie, Fernerkundung) und Massstäbe (lokal bis panarktisch) hinweg. Dazu dient ein Workshop mit internationaler Beteiligung.
2) Erfassung der Energieflüsse und deren Antriebsmechanismen über die Synthese von Messdaten am Boden und von Satelliten aus. Dabei wird untersucht, wie Messstationen räumlich die Variabilität in der Arktis abdecken.
3) Die Klärung der Frage, wie stark sich die vorhergesagte Veränderung des Sommerniederschlags auf die Energieflüsse, die Vegetation und den Permafrost auswirken. Dazu wird das erste internationale Beregnungs- und Trockenheitsexperiment in der arktischen Tundra etabliert und die Auswirkungen über die Bodentemperatur und Bodenfeuchte erfasst.

Als Ergebnis erwarten wir ein verbessertes Verständnis der Koppelung von Energie-, Wasser- und Kohlenstoffkreislauf unter zukünftigen Niederschlagsbedingungen in der Tundra. Prozesse und Daten werden zu einer verbesserten Verankerung dieser Mechanismen in Erdsystemmodellen dienen. Die resultierenden Vorhersagen werden dringend gebraucht als Grundlage von lokalen bis hin zu globalen politischen Entscheidungen.
Direct link to Lay Summary Last update: 24.04.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
140631 Towards an improved understanding of the tundra energy balance - dependence of radiative transfer on vegetation type 01.09.2012 Project funding (Div. I-III)
159938 Towards an improved understanding of the Global Energy Balance: temporal variation of solar radiation in the climate system 01.01.2016 Project funding (Div. I-III)

Abstract

The Arctic land showed a warming of up to 5°C in the 20th century and substantial warming and increased precipitation are predicted for the 21st century. Such climatic changes impact the energy, water, and carbon cycle. To date, there is a very strong research bias towards the carbon cycle, while the carbon budget will strongly depend on the fate of the energy and water fluxes. A tight coupling of these three cycles exists through the short- and longwave radiation absorption and its partitioning into sensible, latent, and ground heat flux. Despite expected significant changes in Arctic precipitation, experiments are strongly biased towards effects of increasing temperature. Experiments testing effects of summer drought and increased rain on Arctic ecosystems and related changes in energy fluxes do not exist.This project aims to 1) strengthen the understanding of the relevance of the energy budget on the state and future of the Arctic system across scientific disciplines. We will integrate the knowledge of experts working on the terrestrial Arctic system linking all relevant Earth spheres (atmosphere, biosphere, pedo- and cryosphere), disciplines (climatology, ecology, remote sensing), and scales (plot to regional to pan-arctic) in a synthesis workshop,2) assess the status of the energy fluxes and identify their drivers through synthesizing existing pan-arctic data. The last review of surface energy fluxes dates back to 2000, focussing on North-American measurements available at the time. Since this review, numerous high-quality measurements were performed, also in the Siberian Arctic, and 17years time series of high quality satellite data are available to evaluate drivers of land surface energy fluxes and develop new upscaling methods. We will assemble existing data, assess their quality and uncertainties, and analyse the representativeness of the measurements at local to pan-arctic scale. We will then statistically characterize the climatology and identify drivers of energy fluxes across scales. 3) address a major open question related to energy and water cycle feedbacks between the atmosphere, vegetation, and permafrost in the Arctic under future conditions: How does an increase or decrease of soil moisture affect the surface energy budget? Following a mechanistic approach, we will perform detailed radiative and turbulent flux measurements in an experiment with a precipitation addition and drought treatment, complemented by a mechanistic model. The experiment will be located in the northeast Siberian tundra, a severely underrepresented Arctic region and ecosystem with respect to global experiments and observations.Expected results are a significant increase in the knowledge of the status and drivers of the tundra energy budget and their effect onto other components of the Arctic system. Through the combined experimental and modelling framework, we will contribute mechanistic understanding of future summer precipitation changes onto Arctic ecosystems and related energy flux changes. On the longterm the proposed research is expected to significantly impact the representation of major drivers and feedbacks of the Arctic terrestrial energy fluxes in land surface models - a prerequisite for an improved prediction of the Arctic system, its coupling at global scale.
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