Ekosysteemimallinnus

Artikkeli

Maaekosysteemien hiilenkiertoon liittyvät suureet Ilmasto-oppaan Skeenarioita ilmastonmuutoksen vaikutuksista -karttatyökalussa on arvioitu kahdella erilaisella mallilla – JSBACH-maanpintamallilla ja PREBAS-metsämallilla. Mallit kuvaavat eri lailla muun muassa kasvien hiilidioksidin ottoa määräävää fotosynteesiä. Lisäksi kasvillisuustyypit ja huomioitu maa-ala, jolle hiilenkiertosuureet arvioidaan, poikkeavat toisistaan. Kumpikaan malli ei ota huomioon sitä, miten typen ja muiden ravinteiden saatavuus vaikuttaa vaikutuksia fotosynteesin tehokkuuteen ilmaston muuttuessa.

Maaekosysteemimalli JSBACH

JSBACH on Saksan Max Planck -instituutin ilmastojärjestelmämallin [1] osa, joka simuloi maan pinnan ja ilmakehän välillä tapahtuvia veden ja hiilen vaihtoprosesseja [2]. Ilmastomuuttujat säätelevät sekä veden ja hiilen varastoitumista kasvillisuuteen että niiden vapautumista syntyneistä varastoista. Nämä prosessit linkittyvät toisiinsa. Koska varastojen koon ja vallitsevien ilmastotekijöiden lisäksi mainittujen suureiden kokonaisvaihtonopeus riippuu suuresti myös kasvillisuuden ominaisuuksista, JSBACH jakaa kasvillisuuden erilaisiin toiminnallisiin luokkiin. Ilmasto-opasta varten tehdyissä, Suomen kattavissa simulaatioissa kasvillisuusluokkien ja maaperätyyppien alueelliset jakaumat on kiinnitetty nykyhetken tilanteen mukaisiksi. Maaperän hiilen varastojen muutoksia simuloitiin JSBACH-malliin yhdistetyllä Yasso07-mallilla, joka kuvaa maaperän hiilitasetta [3], [4], [5].

Ennen ilmastoskenaariosimulaatiota asetettiin hiilen määrät maaperässä ja kasvillisuudessa tasapainoon esiteollisen ajan hiilidioksidipitoisuuden kanssa. Tämän jälkeen malliin otettiin mukaan teollisen ajan kohoava hiilidioksidipitoisuus ja nykyilmasto. Ilmasto-oppaaseen on JSBACHin tuloksista huomioitu kaikki maaekosysteemit, viljelysmaita lukuun ottamatta. Tulokset ilmoitetaan kokonaismaapinta-alaa kohden.

Metsämalli PREBAS

PREBAS on Helsingin yliopistossa kehitetty metsäekosysteemimalli. Malli on kehitetty ennustamaan ilmaston ja metsänkäsittelyn vaikutuksia metsän kasvuun ja hiilivarastoihin isoilla alueilla, ja se hyödyntää metsistä kerättyä inventointitietoa. Malli perustuu ekologiseen tietoon metsien toiminnasta mutta on laskennan tehostamiseksi rakenteeltaan riisuttu. Lähtökohtana ovat metsäekosysteemin hiilivirrat ja -varastot. Malli on modulaarinen, ja sen osamalleja voidaan käyttää myös erikseen.

PREBAS ennustaa kasvuston yhteyttämistä ja ekosysteemin haihduntaa päivittäisten säätietojen ja metsää kuvaavien muuttujien perusteella (osamalli PRELES) [6], [7]. Metsän kasvua kuvataan hiilen sidonnasta ja jakautumisesta lähtien (osamalli CROBAS) [8], [9]. Myös suomalainen maan hiilitaseen malli Yasso on kytketty laskentasysteemiin [3]. Osamallien kalibrointiin on käytetty kaasuvuomittauksia (PRELES), metsien pitkäaikaisia käsittelykokeita (CROBAS) ja maahiiliaineistoja (Yasso).

Ilmasto-oppaan simulointeja varten metsien alkutila määritettiin Luonnonvarakeskuksen vuoden 2013 monilähdeinventointien perusteella. Koska metsien käsittelyllä on suuri vaikutus tuloksiin, mutta simulointien tarkoituksena oli tutkia ensisijaisesti muuttuvan ilmaston eikä metsien käsittelyn vaikutusta metsien toimintaan, alkutila palautettiin ennalleen aina 30 vuoden simuloinnin jälkeen. Jokaisen 30-vuotisjakson aikana tehdyt käsittelyt noudattivat Tapion suosituksia 60 %:lla metsämaasta, ja 40 % jätettiin käsittelemättä. Tämä vastaa likimain lähimenneisyydessä toteutuneita hakkuita aivan viime vuosia lukuun ottamatta, jolloin hakkuut ovat lisääntyneet.

Monilähdeinventointitietokannan resoluutio on 16 x 16 m2, kun taas simulointien resoluutiona käytettiin 8 x 8 km2:n hilaa, joka vastasi ilmastotietojen resoluutiota. Metsätieto luokiteltiin usean muuttujan perusteella määriteltyihin luokkiin kussakin 8 x 8 km2:n hilaruudussa, ja simuloinnit tehtiin luokittain. Tuloksissa esitetään luokkien tulosten ja frekvenssin perusteella saadut keskiarvot 8 x 8 km2:n hilaruuduissa. Tulokset esitetään sekä metsäpinta-alaa että kokonaismaa-alaa kohti.

Maaperän hiilimalli Yasso07

Maaperän hiilimalli Yasso07 kuvaa hiilidioksidin vapautumista lehtikarikkeen hajoamisen seurauksena [3], [4], [5]. Mallissa oletetaan, että maaperän erityyppiset hiiliyhdisteet hajoavat eri nopeuksilla. Hajoamisnopeuteen vaikuttaa muun muassa ilman lämpötila ja maaperän kosteus. Malli laskee maaperän hiilivarastoiden muutokset sekä maaperästä vapautuvan hiilidioksidin määrän tiettynä ajanjaksona. Yasso-mallia käytetään Suomen ja joidenkin muiden maiden kasvihuonekaasulaskennassa. Sen lisäksi malli on laajassa tutkimuskäytössä [10].

  • Giorgetta, M. A., Jungclaus, J., Reick, C. H., Legutke, S., Bader, J., Böttinger, M., Brovkin, V., Crueger, T., Esch, M., Fieg, K., Glushak, K., Gayler, V., Haak, H., Hollweg, H.-D., Ilyina, T., Kinne, S., Kornblueh, L., Matei, D., Mauritsen, T., Mikolajewicz, U., Mueller, W., Notz, D., Pithan, F., Raddatz, T., Rast, S., Redler, R., Roeckner, E., Schmidt, H., Schnur, R., Segschneider, J., Six, K. D., Stockhause, M., Timmreck, C., Wegner, J., Widmann, H., Wieners, K.-H., Claussen, M., Marotzke, J. & Stevens, B. 2013. Climate and carbon cycle changes from 1850 to 2100 in MPI-ESM simulations for the Coupled Model Intercomparison Project phase 5, Journal of Advances in Modeling Earth Systems, Volume 5, Issue 3: 572–597. http://doi.org/10.1002/jame.20038
  • Reick, C. H., Raddatz, T., Brovkin, V. & Gayler V. 2013. Representation of natural and anthropogenic land cover change in MPI-ESM, Journal of Advances in Modeling Earth Systems, Volume 5, Issue 3: 459–482. http://doi.org/10.1002/jame.20022
  • Tuomi, M., Thum, T., Järvinen, H., Fronzek, S., Berg, B., Harmon, M., Trofymow, J.A., Sevanto, S. & Liski, J. 2009. Leaf litter decomposition – Estimates of global variability based on Yasso07 model. Ecological Modelling. Volume 220, Issue 23: 3362–3371. http://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2009.05.016
  • Tuomi, M., Laiho, R., Repo, A. & Liski, J. 2011. Wood decomposition model for boreal forests. Ecological Modelling, Volume 222, Issue 3: 709–718. http://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2010.10.025
  • Goll, D. S., Brovkin, V., Liski, J., Raddatz, T., Thum, T. & Todd-Brown, K. E. O. 2015. Strong dependence of CO2 emissions from anthropogenic land cover change on initial land cover and soil carbon parametrization. Global Biogeochemical Cycles, 29, 1511–1523. https://doi.org/10.1002/2014GB004988
  • Peltoniemi M., Pulkkinen M., Aurela M., Pumpanen J., Kolari P. & Mäkelä A., 2015. A semi-empirical model of boreal forest gross primary production, evapotranspiration, and soil water – calibration and sensitivity analysis. Boreal Environment Research, Volume 20, Number 2: 151–171. http://www.borenv.net/BER/pdfs/ber20/ber20-151.pdf
  • Minunno, F., Peltoniemi, M., Launiainen, S., Aurela, M., Lindroth, A., Lohila, A., Mammarella, I., Minkkinen, K., Mäkelä, A., 2016. Calibration and validation of a semi-empirical flux ecosystem model for coniferous forests in the Boreal region. Ecological Modelling, Volume 341: 37–52. http://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2016.09.020
  • Mäkelä, A. 1997. A carbon balance model of growth and self-pruning in trees based on structural relationships. Forest Science, Volume 43, Number 1: 7–-24. http://www.ingentaconnect.com/content/saf/fs/1997/00000043/00000001/art00004
  • Valentine, H. T. & Mäkelä, A. 2005. Bridging process-based and empirical approaches to modeling tree growth. Tree Physiology, Volume 25, Issue 7:769–779. https://doi.org/10.1093/treephys/25.7.769
  • Finnish meteorological institute. 9.2.2017. Soil carbon model - Yasso. [Viitattu 4.7.2017.] http://en.ilmatieteenlaitos.fi/yasso

Tuottajatahot

  • Artikkeli on päivitetty LIFE+-rahoitteisessa MONIMET-hankkeessa.