Modelling boreal forest CO2 exchange and seasonality

Man-induced climate change has raised the need to predict the future climate and its feedback to vegetation. These are studied with global climate models; to ensure the reliability of these predictions, it is important to have a biosphere description that is based upon the latest scientific knowledge. This work concentrates on the modelling of the CO2 exchange of the boreal coniferous forest, studying also the factors controlling its growing season and how these can be used in modelling. In addition, the modelling of CO2 gas exchange at several scales was studied. A canopy-level CO2 gas exchange model was developed based on the biochemical photosynthesis model. This model was first parameterized using CO2 exchange data obtained by eddy covariance (EC) measurements from a Scots pine forest at Sodankylä. The results were compared with a semi-empirical model that was also parameterized using EC measurements. Both of the models gave satisfactory results. The biochemical canopy-level model was further parameterized at three other coniferous forest sites located in Finland and Sweden. At all the sites, the two most important biochemical model parameters showed seasonal behaviour, i.e., their temperature responses changed according to the season. Modelling results were improved when these changeover dates were related to temperature indices. During summer-time the values of the biochemical model parameters were similar at all the four sites. Different control factors for CO2 gas exchange were studied at the four coniferous forests, including how well these factors can be used to predict the initiation and cessation of the CO2 uptake. Temperature indices, atmospheric CO2 concentration, surface albedo and chlorophyll fluorescence (CF) were all found to be useful and have predictive power. In addition, a detailed simulation study of leaf stomata in order to separate physical and biochemical processes was performed. The simulation study brought to light the relative contribution and importance of the physical transport processes. The results of this work can be used in improving CO2 gas exchange models in boreal coniferous forests. The meteorological and biological variables that represent the seasonal cycle were studied, and a method for incorporating this cycle into a biochemical canopy-level model was introduced.

Ilmastonmuutos aiheuttaa muutoksia ilman lämpötilaan sekä sademääriin ja näihin muutoksiin sopeutumisessa auttavat hyvät ennusteet tulevaisuuden ilmastosta. Näitä ennusteita lasketaan globaaleilla ilmastomalleilla. Kasvillisuuden ja ilmakehän kytkeytyminen voi aiheuttaa voimakkaita ilmiöitä tulevaisuudessa ja näiden arvioimiseksi kasvillisuuden ja ilmakehän väliset vuorovaikutukset on hyvä tuntea. Näitä vuorovaikutuksia tutkitaan esimerkiksi mallintamalla. Mallien kehittelyllä pyritään saamaan ymmärrystä erilaisista prosesseista, jotka tapahtuvat kasvillisuudessa ja ilmakehässä. Kun eri prosessit vaikuttavine tekijöineen saadaan hyvin mallitettua, malliennusteisiin saadaan parempi luotettavuus. Tässä työssä mallinnettiin hiilidioksidin (CO2)-kaasunvaihtoa eri skaaloilla ja CO2-kaasunvaihdon vuodenaikaisuusvaihtelun hallitsevia tekijöitä sekä kuinka näitä muuttujia voidaan käyttää mallituksessa. CO2-kaasunvaihtoa tutkittiin pienellä skaalalla käyttäen ilmarakomallia, mikä paljasti fysikaalisten siirtoilmiöiden tärkeyden biokemiallisten prosessien rinnalla. Usein tällaisessa mallinnuksessa huomioidaan vain biokemialliset prosessit. Metsikkömalleja kehitettiin ja niiden sekä mikrometeorologisten CO2-vuomittausten avulla tutkittiin boreaalisten havumetsien yhteytysmallien parametreja. Työssä havaittiin yleisesti käytetyn biokemiallisen mallin parametreissa lämpötilavasteiden vuodenaikaista vaihtelua. Löydös viittaa kasvien yhteytyskyvyn vuodenaikaisvaihteluun, jota ei yleensä oteta huomioon biokemiallisen mallin käytössä. Lisäksi havaittiin kesäaikaisten malliparametrien olevan samankaltaisia neljässä eri havumetsässä, jotka sijaitsivat Suomessa ja Ruotsissa. Tämä oikeuttaa samojen parametrien käytön kyseiselle kasvillisuusluokalle isomman skaalan malleissa. Lämpötilavasteiden muuttumisen kytkemiseksi vuodenaikaisuusvaihteluun tutkittiin erilaisia ympäristö- ja biologisia muuttujia ja niiden ennustuskykyä CO2-kaasunvaihdon alkuhetkeen keväällä ja hiipumiseen syksyllä. Näitä muuttujia olivat erilaiset lämpötilaindeksit, ilmakehän CO2-pitoisuus, maanpinnan albedo ja klorofyllifluoresenssi. Näitä kaikkia voidaan käyttää kasvillisuuden aktiivisen ajan arvioimisessa, ja lämpötilaindeksit soveltuvat hyvin mallitukseen. Saatuja tuloksia voidaan käyttää boreaalisen alueen metsien CO2-kaasunvaihtomallien kehittämiseen.