The surface exchange of trace gases in the tropics and savannas

ZusammenfassungDie Spurengase NOx (Stickstoffoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2)) haben massgeblichen Einfluss auf die Produktion von OH (Hydroxylradikal) und Ozon (O3) in der Troposphäre. Die Bodenemissionen dieser Gase sind weitgehend unbekannt. Das Ziel dieser Arbeit war, die für die NO Bodenemissionen relevanten Prozesse durch Labor und Feldmessungen zu untersuchen und diese durch Modellsimulationen für zwei Regionen, ein tropisches Regenwaldgebiet in Rondônia (Brasilien) und subtropische Savannen in Zimbabwe abzuschätzen. Unter Verwendung der gemessenen NO Werte ergaben die Simulationen mit einem modifizierten prozessorientierten Modell, dass Abholzung in den Tropen nach einer kurzzeitigen Erhöhung zu einer langfristigen Abnahme der Bodenemissionen führt. Ein 'up scaling' der Modellresultate ergab ausgehend von der ursprünglichen Bewaldung der Region eine Verdopplung der NO Bodenemission bis 1999. Sowohl für nährstoffarme Böden der Tropen als auch für die nährstoffreichen Savannenböden waren Landnutzung und Bodenfeuchte die wichtigsten Einflussgrössen für die Regulierung der Emissionen. Über den Zeitraum eines Jahres waren die Emissionsraten der Tropen (0.49 kgNhayr-1) ungefähr halb so gross wie die der subtropischen Savannen (0.86 kgNhayr-1). Solange die Abholzung der Regenwälder voranschreitet werden die Tropen starken Einfluss auf die troposphärische Chemie haben.

Numerical simulations of microphysical processes in pyro-convective clouds

Hochreichende Konvektion über Waldbränden ist eine der intensivsten Formen von atmosphärischer Konvektion. Die extreme Wolkendynamik mit hohen vertikalen Windgeschwindigkeiten (bis 20 m/s) bereits an der Wolkenbasis, hohen Wasserdampfübersättigungen (bis 1%) und die durch das Feuer hohen Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln (bis 100000 cm^-3) bilden einen besonderen Rahmen für Aerosol-Wolken Wechselwirkungen.Ein entscheidender Schritt in der mikrophysikalischen Entwicklung einer konvektiven Wolke ist die Aktivierung von Aerosolpartikeln zu Wolkentropfen. Dieser Aktivierungsprozess bestimmt die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen und kann daher die Entwicklung einer konvektiven Wolke und deren Niederschlagsbildung beeinflussen. Die wichtigsten Faktoren, welche die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen bestimmen, sind die Größe und Hygroskopizität der an der Wolkenbasis verfügbaren Aerosolpartikel sowie die vertikale Windgeschwindigkeit. Um den Einfluss dieser Faktoren unter pyro-konvektiven Bedingungen zu untersuchen, wurden numerische Simulationen mit Hilfe eines Wolkenpaketmodells mit detaillierter spektraler Beschreibung der Wolkenmikrophysik durchgeführt. Diese Ergebnisse können in drei unterschiedliche Bereiche abhängig vom Verhältnis zwischen vertikaler Windgeschwindigkeit und Aerosolanzahlkonzentration (w/NCN) eingeteilt werden: (1) ein durch die Aerosolkonzentration limitierter Bereich (hohes w/NCN), (2) ein durch die vertikale Windgeschwindigkeit limitierter Bereich (niedriges w/NCN) und (3) ein Übergangsbereich (mittleres w/NCN). Die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilität der anfänglichen Anzahlkonzentration der Wolkentropfen in (pyro-) konvektiven Wolken hauptsächlich durch die Variabilität der vertikalen Windgeschwindigkeit und der Aerosolkonzentration bestimmt wird. rnUm die mikrophysikalischen Prozesse innerhalb der rauchigen Aufwindregion einer pyrokonvektiven Wolke mit einer detaillierten spektralen Mikrophysik zu untersuchen, wurde das Paketmodel entlang einer Trajektorie innerhalb der Aufwindregion initialisiert. Diese Trajektore wurde durch dreidimensionale Simulationen eines pyro-konvektiven Ereignisses durch das Model ATHAM berechnet. Es zeigt sich, dass die Anzahlkonzentration der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration ansteigt. Auf der anderen Seite verringert sich die Größe der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration. Die Reduzierung der Verbreiterung des Tropfenspektrums stimmt mit den Ergebnissen aus Messungen überein und unterstützt das Konzept der Unterdrückung von Niederschlag in stark verschmutzen Wolken.Mit Hilfe des Models ATHAM wurden die dynamischen und mikrophysikalischen Prozesse von pyro-konvektiven Wolken, aufbauend auf einer realistischen Parametrisierung der Aktivierung von Aerosolpartikeln durch die Ergebnisse der Aktivierungsstudie, mit zwei- und dreidimensionalen Simulationen untersucht. Ein modernes zweimomenten mikrophysikalisches Schema wurde in ATHAM implementiert, um den Einfluss der Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln auf die Entwicklung von idealisierten pyro-konvektiven Wolken in US Standardamtosphären für die mittleren Breiten und den Tropen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel die Bildung von Regen beeinflusst. Für geringe Aerosolkonzentrationen findet die rasche Regenbildung hauptsächlich durch warme mikrophysikalische Prozesse statt. Für höhere Aerosolkonzentrationen ist die Eisphase wichtiger für die Bildung von Regen. Dies führt zu einem verspäteten Einsetzen von Niederschlag für verunreinigtere Atmosphären. Außerdem wird gezeigt, dass die Zusammensetzung der Eisnukleationspartikel (IN) einen starken Einfluss auf die dynamische und mikrophysikalische Struktur solcher Wolken hat. Bei sehr effizienten IN bildet sich Regen früher. Die Untersuchung zum Einfluss des atmosphärischen Hintergrundprofils zeigt eine geringe Auswirkung der Meteorologie auf die Sensitivität der pyro-konvektiven Wolken auf diernAerosolkonzentration. Zum Abschluss wird gezeigt, dass die durch das Feuer emittierte Hitze einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung und die Wolkenobergrenze von pyro-konvektive Wolken hat. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in dieser Dissertation die Mikrophysik von pyrokonvektiven Wolken mit Hilfe von idealisierten Simulation eines Wolkenpaketmodell mit detaillierte spektraler Mikrophysik und eines 3D Modells mit einem zweimomenten Schema im Detail untersucht wurde. Es wird gezeigt, dass die extremen Bedingungen im Bezug auf die vertikale Windgeschwindigkeiten und Aerosolkonzentrationen einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung von pyro-konvektiven Wolken haben.

Aerological observations in the Tropics in the Early Twentieth Century

In the first decades of the 20th century, aerological observations were for the first time performed in tropical regions. One of the most prominent endeavours in this respect was ARTHUR BERSON’s aerological expedition to East Africa. Although the main target was the East African monsoon circulation, the expedition provided also other insights that profoundly changed meteorology and climatology. BERSON observed that the tropical tropopause was much higher and colder than that over midlatitudes. Moreover, westerly winds were observed in the lower stratosphere, apparently contradicting the high-altitude equatorial easterly winds that were known since the Krakatoa eruption (‘‘Krakatoa easterlies’’). The puzzle was only resolved five decades later with the discovery of the Quasi-Biennial Oscillation (QBO). In this paper we briefly summarize the expedition of BERSON and review the results in a historical context and in the light of the current research. In the second part of the paper we re-visit BERSON’s early aerological observations, which we have digitized. We compare the observed wind profiles with corresponding profiles extracted from the ‘‘Twentieth Century Reanalysis’’, which provides global three-dimensional weather information back to 1871 based on an assimilation of sea-level and surface pressure data. The comparison shows a good agreement at the coast but less good agreement further inland, at the shore of Lake Victoria, where the circulation is more complex. These results demonstrate that BERSON’s observations are still valuable today as input to current reanalysis systems or for their validation.

Secondary Forests and Local Livelihoods along a Gradient of Accessibility: A Case Study in Northern Laos

Rural livelihoods in developing countries can be enhanced by improving access to natural resources, services, and markets. In remote rural areas of the humid or semihumid tropics, forests represent an important resource for livelihoods. In countries like Laos, where most primary forest has been converted to secondary forest, and where an intricate and interlinked mosaic of forest and farmland prevails, people depend on secondary forests as a prime source of goods and services. The linkages between local livelihoods and secondary forest resources are subject to changes caused by improving accessibility. This article studies how accessibility affects the condition of forests and local livelihoods by comparing three villages along a gradient of accessibility in Phonxay district, Luang Prabang province, northern Laos. The results of this research show that accessibility strengthens the influence of the government and of markets, and that local livelihoods improve with increasing accessibility, while forest condition deteriorates.

Middle and Late Pleistocene humid periods recorded in palaeolake deposits of the Nafud desert, Saudi Arabia

Present climate in the Nafud desert of northern Saudi Arabia is hyper-arid and moisture brought by north-westerly winds scarcely reaches the region. The existence of abundant palaeolake sediments provides evidence for a considerably wetter climate in the past. However, the existing chronological framework of these deposits is solely based on radiocarbon dating of questionable reliability, due to potential post-depositional contamination with younger 14C. By using luminescence dating, we show that the lake deposits were not formed between 40 and 20 ka as suggested previously, but approximately ca 410 ka, 320 ka, 200 ka, 125 ka, and 100 ka ago. All of these humid phases are in good agreement with those recorded in lake sediments and speleothems from southern Arabia. Surprisingly, no Holocene lake deposits were identified. Geological characteristics of the deposits and diatom analysis suggest that a single, perennial lake covered the entire south-western Nafud ca 320 ka ago. In contrast, lakes of the 200 ka, 125 ka, and 100 ka humid intervals were smaller and restricted to interdune depressions of a pre-existing dune relief. The concurrent occurrence of humid phases in the Nafud, southern Arabia and the eastern Mediterranean suggests that moisture in northern Arabia originated either from the Mediterranean due to more frequent frontal depression systems or from stronger Indian monsoon circulation, respectively. However, based on previously published climate model simulations and palaecolimate evidence from central Arabia and the Negev desert, we argue that humid climate conditions in the Nafud were probably caused by a stronger African monsoon and a distinct change in zonal atmospheric circulation.

The dating of dipterocarp tree rings: establishing a record of carbon cycling and climatic change in the tropics

In a first step to obtain a proxy record of past climatic events (including the El Ni (n) over tildeo-Southern Oscillation) in the normally aseasonal tropical environment of Sabah, a radial segment from a recently fallen dipterocarp (Shorea Superba) was radiocarbon dated and subjected to carbon isotope analysis. The high-precision radiocarbon results fell into the ambiguous modern plateau where several calibrated dates can exist for each sample. Dating was achieved by wiggle matching using a Bayesian approach to calibration. Using the defined growth characteristics of Shorea superba, probability density distributions were calculated and improbable dates rejected. It was found that the tree most likely started growing around AD 1660-1685. A total of 173 apparent growth increments were measured and, therefore, it could be determined that the tree formed one ring approximately every two years. Stable carbon isotope values were obtained from resin-extracted wholewood from each ring. Carbon cycling is evident in the `juvenile effect', resulting from the assimilation of respired carbon dioxide and lower light levels below the canopy, and in the `anthropogenic effect' caused by increased industrial activity in the late-nineteenth and twentieth centuries. This study demonstrates that palaeoenvironmental information can be obtained from trees growing in aseasonal environments, where climatic conditions prevent the formation of well-defined annual rings.

Reconstructed pCO2 data from tree ring cellulose d13C during 1902-2005 at 10 sites in the Tropics and Northern Subtropics

This is the reconstructed pCO2 data from Tree ring cellulose d13C data with estimation errors for 10 sites (location given below) by a geochemical model as given in the publication by Trina Bose, Supriyo Chakraborty, Hemant Borgaonkar, Saikat Sengupta. This data was generated in Stable Isotope Laboratory, Indian Institute of Tropical Meteorology, Pune - 411008, India

(Table 1) Age model for ODP Site 175-1077 based on oxygen isotopes of Globigerinoides ruber pink

Palynological records from the Congo fan reveal environmental change in equatorial Africa occurring 1.05 Ma ago, 100 k.y. before the mid-Pleistocene climatic shift at 0.9 Ma. Prior to 1.05 Ma, a glacial-interglacial rhythm is not obvious in the African vegetation variation. Afterwards, Podocarpus spread in the mountains of central Africa mainly during glacials and Congo River discharge decreased. The sequence of vegetation variation associated with the mid-Pleistocene glacials and interglacials differed from that observed during the late Pleistocene. Between 0.9 and 0.6 Ma, interglacials were characterized by warm dry conditions and glacials were characterized by cool humid conditions, while during the past 0.2 Ma glacials were cold and dry and interglacials warm and humid. Our data indicate that before the Northern Hemisphere ice caps dramatically increased in size (0.9-0.6 Ma), low-latitude climate forcing and response in the tropics played an important role in the initiation of 100 k.y. ice-age cycles. During the mid to late Pleistocene, however, the climate conditions in the tropics were increasingly influenced by the glacial-interglacial variations of continental ice sheets.