Einfluss der Abholzung tropischer Regenwälder auf das regionale

Einfluss der Abholzung tropischer Regenwälder auf das
regionale und globale Klima
Amelie Tetzlaff
Ausarbeitung für das meteorologische Seminar an der Universität Hamburg
im Sommersemester 2009
Abstract
Die Abholzung des Amazonasregenwaldes hat Auswirkungen auf das regionale und das globale
Klima. Um diese abzuschätzen wird zunächst die Rolle tiefer Wurzeln im regionalen
Wasserhaushalt untersucht. Hierzu werden die regionalen Veränderungen in Temperatur,
Evapotranspiration und Globalstrahlung bei einer Entfernung tief reichender Wurzeln berechnet.
Außerdem werden durch Abholzung entstandene Niederschlagsänderungen in der Nordhemisphäre
im Zusammenhang mit Veränderungen im Strömungsfeld der Hadley-Zirkulation und der
Rossbywellen betrachtet.
1. Einleitung
Die tropischen Regenwälder beeinflussen den lokalen Wasserkreislauf und die regionale, sowie
globale Zirkulation. Eine Abholzung der tropischen Regenwälder bedeutet also einen Eingriff in
Wasserkreislauf und Zirkulationsvorgänge. Die hier betrachteten Studien befassen sich mit dem
Amazonasregenwald, da dieser mit 6,7 Mio. km2 den größten Anteil der mit tropischem Regenwald
bedeckten Fläche der Erde ausmacht. 60 % der Fläche des Amazonasregenwaldes liegen in
Brasilien. Laut WWF wurden bis 2007 17 % des brasilianischen Regenwaldes komplett abgeholzt
und weitere 17 % sind geschädigt. Um die Folgen für das Klima bei einer fortschreitenden
Entwaldung abschätzen zu können, wird diese in Modellläufen simuliert.
Kapitel 2 beschreibt den Wasserkreislauf und die Zirkulation im intakten Regenwald mit
besonderem Augenmerk auf die Rolle tief reichender Wurzeln. In Kapitel 3 werden zwei
Simulationen der Abholzung betrachtet. Die Erste untersucht die Anteile der verschiedenen
Oberflächenparameter an den berechneten Veränderungen und die Zweite betrachtet die globalen
Auswirkungen im Zusammenhang mit den veränderten globalen Zirkulationsmustern und deren
Ursachen. In Kapitel 4 werden die Ergebnisse zusammengefasst und ihre Bedeutung diskutiert.
2. Wasserkreislauf und atmosphärische Zirkulation im tropischen Regenwald
2.1 Grundlegende Zirkulation und Wasserkreislauf
In Abb. 1 sind der Wasserkreislauf und die atmosphärische Zirkulation im tropischen Regenwald
dargestellt. In der Intertropischen Konvergenzzone (ITCZ) strömt feuchte Luft von Norden und
Süden zusammen und steigt auf. Hierbei bilden sich hoch reichende Konvektionswolken, die
starken Niederschlag mit sich bringen. Ein Teil dieses Niederschlages wird von Pflanzen
aufgenommen und später durch Transpiration, d.h. Verdunstung von den Blättern, wieder
abgegeben. Der verbleibende Teil wird im Boden gespeichert. Die aufsteigende Luft stößt an die
1
Tropopause und strömt nach Norden bzw.
Süden wieder zurück. In den Subtropen sinkt
sie wieder ab, wobei Wolkenauflösung
stattfindet, da die Luft nun viel trockener ist.
Anschließend strömt sie von Neuem zur ITCZ
und nimmt dabei neue Feuchtigkeit aus dem
Regenwald auf. Der gesamte Vorgang wird
als Hadley Zirkulation bezeichnet. Da sich die
ITCZ mit den Jahreszeiten verschiebt, erfolgt
der Niederschlag jeweils auf der Sommerhemisphäre. Auf der Winterhemisphäre steht
den Pflanzen nur das im Boden gespeicherte
Wasser zur Verfügung. Wie viel davon für sie
nutzbar ist, hängt von der Wurzeltiefe ab. Da
sich der Amazonasregenwald zu einem
größeren Teil in der Südhemisphäre befindet, Abb. 1. Interhemisphärische Zirkulation und Wasserwird bei den folgenden Betrachtungen der kreislauf im tropischen Regenwald. Darstellung nach
Zeitraum von Juni bis August (JJA) als Winter Kleidon und Heimann (2000).
und der von Dezember bis Februar (DJF) als
Sommer bezeichnet.
2.2 Der Effekt tiefer Wurzeln
Globale Zirkulationsmodelle (GCM) verwenden für ihre Parametrisierungen der Landoberfläche im
tropischen Regenwald meist Wurzeltiefen von unter 2 m. Die wirkliche Wurzeltiefe wird hierbei
jedoch weit unterschätzt. Nepstad et al. (1994) trafen im Amazonasregenwald Wurzeltiefen von bis
zu 18 m an. Um die geographische Verteilung einer solchen Wurzeltiefe abzuschätzen, überlagerten
sie folgende Daten: Zum einen monatliche Schätzungen der Grünheit der Baumkronen aus AVHRR
Satellitenbildern und zum anderen
Niederschlagsdaten des Geographic
Information
Systems
von
212
Stationen. Sie nahmen an, dass tiefe
Wurzeln dort anzutreffen seien, wo
eine immergrüne Vegetation mit einer
saisonalen Trockenheit von unter 1,5
mm pro Tag in den trockensten drei
Monaten des Jahres zusammenfällt.
Kleidon und Heimann (1998) berechneten eine Verteilung optimierter
Wurzeltiefen in den Tropen, also von
30° N bis 30° S. Hierfür verwendeten
sie ein Optimierungsprinzip, bei dem
der langfristige Mittelwert der Netto- Abb. 2: Verteilung der berechneten Wurzeltiefen. Aus Kleidon
primärproduktion NPP in Bezug auf und Heimann (2000).
die Wurzeltiefe D maximiert wurde.
NPP  D= A∗ D∗PAR
(1)
Hierbei ist A eine Konstante, die die Effizienz der Strahlungsverwertung der Pflanzen angibt und
PAR die fotosynthetisch aktive Strahlung.  ist ein Maß für die Saugkraft und wird durch die von
2
der Atmosphäre geforderte Transpiration und für die Transpiration zur Verfügung stehenden
Bodenwassers, was von der Wurzeltiefe abhängt, bestimmt. Die Verteilung der so optimierten
Wurzeltiefen ist in Abb. 2 dargestellt.
Abb. 3: Vergleich von Simulationen mit optimierten (schwarze Linie) und mit Standardwurzeltiefen (gepunktete
Linie) mit Beobachtungen (graue Linie). Links die Wasserspeicherkapazität in mm und rechts die 2 m Temperatur
in °C im Amazonasbecken. Aus Kleidon und Heimann (2000).
Simulationen mit und ohne optimierte Wurzeltiefe wurden durchgeführt. Ein Vergleich der
Simulationen mit Beobachtungen (graue Linie) ist in Abb. 3 dargestellt. Hier steht die schwarze
Linie für optimierte und die gepunktete Linie für Standardwurzeltiefen. In der Standardsimulation
wird die Wasserspeicherkapazität von März bis Mai um etwa die Hälfte unterschätzt und geht im
September sogar bis auf 0 mm zurück. Hierdurch entstehen Fehler in der Berechnung der
Evapotranspiration. Durch die geringere Wasserverfügbarkeit wird der latente Wärmefluss
unterschätzt. Die Temperaturen liegen deshalb von Juli bis Oktober in der Standardsimulation um
bis zu 5 °C über den beobachteten 2m-Temperaturen. Es wird deutlich, dass die optimierte
Wurzeltiefe die Wasserspeicherkapazität und die 2m-Temperatur im Amazonasbecken deutlich
besser wiedergibt und somit zu einer Verbesserung der Modellergebnisse führt.
Durch die Einbeziehung tieferer Wurzeln in das GCM entstehen folgende positive
Rückkopplungen. Es wird mehr Feuchtigkeit zur ITCZ transportiert, was zu verstärkter Konvektion
führt. Dies verursacht eine stärkere Strömung zur ITCZ, was wiederum zu mehr
Feuchtigkeitstransport führt. Auch zwischen den Jahreszeiten besteht eine positive Rückkopplung.
Fällt im Sommer mehr Niederschlag, so wird mehr Wasser im Boden gespeichert und im Winter
steht so mehr Wasser zur Verfügung. Dies führt wiederum zu mehr Niederschlag in der
Sommerhemisphäre. Es tritt aber auch eine negative Rückkopplung auf. Durch die höhere
Wolkenbedeckung erreicht weniger Solarstrahlung den Boden, wodurch die Evapotranspiration in
der Regenzeit verringert wird.
3. Simulationen
3.1 Methode
Kleidon und Heimann (2000) untersuchten u. a. den Einfluss von der Entfernung tiefer Wurzeln im
Verhältnis zu anderen Oberflächenparametern auf das regionale Klima. Hierfür verwendeten sie das
allgemeine Zirkulationsmodell ECHAM 4 mit einer Auflösung von 5,6° mal 5,6°, welches die
Bewegungsgleichungen spektral löst. Es wurden fünf verschiedene Modellläufe für jeweils 20 Jahre
durchgeführt, wobei die ersten fünf Jahre jeweils verworfen wurden, um den Einschwingvorgang
3
abzuwarten. Es wurde ein Kontrolllauf mit optimierten Wurzeltiefen durchgeführt (vgl. Abb. 2). Bei
der ersten Simulation wurde die Wurzeltiefe auf nur 60 cm reduziert und in der zweiten wurde nur
die Albedo auf 0,20 erhöht. Ein weiterer Modelllauf simulierte beide Effekte zusammen und
schließlich wurde eine komplette Entwaldung simuliert. Die geänderten Parameter des letzten Laufs
sind in Tabelle 1 aufgelistet. Untersucht wurden die regionalen Veränderungen in Bodentemperatur,
Niederschlag, Evapotranspiration und Globalstrahlung.
Gedney und Valdes (2000) verwendeten das globale Zirkulationsmodell (GCM) des Europäischen
Zentrums für Mittelfristvorhersage (ECMWF), um die Entwaldung des südamerikanischen
Regenwaldes zu untersuchen. Auch dies löst die Bewegungsgleichungen spektral und beinhaltet
ein integriertes Oberflächenmodell, in dem die Vegetation explizit dargestellt wird. Die
Berechnungen erfolgten bei einer Gitterweite von etwa 3° mal 3° und 19 vertikalen Leveln. Bei der
Simulation wurde der gesamte südamerikanische tropische Regenwald durch Grasland ersetzt. Die
hierdurch verursachten Veränderungen der Parameter im Modell sind in Tabelle 1 dargestellt. Es
wurde außerdem ein Kontrolllauf mit intaktem Regenwald durchgeführt. Die Simulationen wurden
für elf bzw. zwölf Jahre durchgeführt, wobei jeweils das erste Jahr verworfen wurde.
Die Parameter wurden mit folgenden
Begründungen geändert. Das Gras ist
heller als die Blätter der Bäume des
Albedo
13,1 %
17,7%
20 %
tropischen Regenwaldes und hat somit
Rauigkeitslänge
2,65 m
0,2 m
0,08 m
eine höhere Albedo. Die RauigkeitsVegetationsanteil
0,95
0,85
0,85
länge ist abhängig von Höhe und
Blattflächenindex
4,9
1,9
2,2
Verteilung der Hindernisse. Da Gras
eine viel geringere Höhe aufweist als
Wurzeltiefe
1,5 m
1m
0,6 m
Tab. 1: Änderung der Oberflächenparameter bei kompletter Ent- Regenwald, sinkt die Rauigkeitslänge
auf 0,2 m ab. Der Blattflächenindex ist
waldung.
nach Breuer et al. (2003) das Verhältnis der einseitig gezählten Fläche grüner Blätter zur Bodenoberfläche, und somit ein Maß für
die Primärproduktion. Auch dies ist bei Regenwald weit höher als bei Grasland. Weiterhin hat
Grasland eine geringere Wurzeltiefe.
Parameter
Gedney u. Valdes
Gedney u. Valdes
Kleidon u. Heimann
Kontrolllauf
Entwaldet
Entwaldet
3.2 Regionale Auswirkungen
Die Simulation mit verringerter Wurzeltiefe von Kleidon und Heimann (2000) zeigt gegenüber dem
Kontrolllauf vor allem die verringerte Wasserspeicherkapazität und somit weniger
Evapotranspiration in der trockenen Jahreszeit. Diese wird um 383 mm verringert. Dies führt zu
weniger Wolkenbedeckung und somit mehr Einstrahlung. Die Temperatur steigt um 2,5 °C. Dies
führt jedoch zu mehr Konvektion und somit zu mehr Niederschlag von plus 50 mm.
Bei der Simulation mit erhöhter Albedo wird die Globalstrahlung generell verringert. Der latente
Wärmefluss nimmt ab, wodurch die Evapotranspiration um 106 mm sinkt. Die Effekte der erhöhten
Albedo und des verringerten latenten Wärmeflusses kompensieren sich jedoch, weshalb bei der
2m-Temperatur keine Veränderung auftritt. Der Niederschlag sinkt um 194 mm, da durch weniger
Einstrahlung weniger Konvektion entsteht.
Verringerte Wurzeltiefen und Albedo zusammen stellen generell die Überlagerung beider Effekte
dar. Dies resultiert in einer erhöhten Temperatur von 2,6 °C und verringertem Niederschlag um
177 mm. Die Globalstrahlung wird aufgrund der positiven Rückkopplung von der verringerten
Wurzeltiefe dominiert, weshalb dieser Effekt überwiegt.
Werden alle Parameter wie bei einer kompletten Entwaldung ersetzt, unterscheidet sich dieses
Ergebnis kaum von der Kombination von verringerter Wurzeltiefe und erhöhter Albedo. Diese
4
beiden Parameter scheinen also die Hauptauslöser für die Veränderungen zu sein. Eine komplette
Entwaldung führt zu einer Veränderung der Zirkulationsverhältnisse in der Region des tropischen
Regenwaldes. Der Effekt ist im Winter (JJA) am stärksten. Die verringerte Evapotranspiration
führt zu einer großskaligen Erwärmung über Südamerika und weniger Feuchtigkeitstransport zur
ITCZ. Hierdurch wird die Konvektion und somit der Niederschlag verringert und die gesamte
tropische Zirkulation geschwächt.
3.3 Globale Auswirkungen
Die regionalen Ergebnisse der Simulation von Gedney und Valdes (2000) liegen im Rahmen
vorheriger Simulationen, wie z.B. die von Kleidon und Heimann (2000). Es kommt zu einer
Verringerung von Verdunstung und Niederschlag und netto Globalstrahlung. Die Lufttemperaturen
steigen. Hierbei entstehen die größten Veränderungen im Dezember, Januar und Februar (DJF).
Deshalb konzentrierten sich Gedney und Valdes (2000) bei ihrer Auswertung auf diesen Zeitraum.
Abb. 4 zeigt die horizontale Winddivergenz bei 150
hPa im Südsommer (DJF). Die gepunkteten Linien
stellen eine Verringerung und die durchgezogenen
Linien eine Erhöhung der Winddivergenz dar. Diese
haben einen Vertrauensbereich von 95 %, basierend
auf einem Student-t-Test. Es ist zu erkennen, dass
über der entwaldeten Region (schattiert) die
Winddivergenz verringert ist, was mit dem
schwächeren Wasserkreislauf im Einklang steht.
Nördlich und östlich des entwaldeten Gebietes
treten Gebiete mit erhöhter Winddivergenz auf. Die
nördlichen Anomalien sowie die über der
entwaldeten Region sind mit einer Abschwächung
des aufsteigenden und absteigenden Astes der
Hadley Zelle in Verbindung zu bringen.
Weiterhin betrachteten Gedney und Valdes (2000)
die Auswirkungen der Entwaldung auf den
Niederschlag auf der Nordhemisphäre in der
Atlantikregion im Südsommer (DJF). Abb. 5 zeigt
die Niederschlagsanomalien für diese Gegend. Es
sind Regionen mit erhöhtem Niederschlag im
Abb. 4: Änderungen der Divergenz in 150 hPa in
Südosten der USA und über dem östlichen
DJF zwischen Entwaldung und Kontrolllauf. Das
Nordatlantik zu finden. Diese sind statistisch
schattierte Gebiet ist die entwaldete Fläche. Die
gepunkteten Linien zeigen eine verringerte, die
signifikant. Über den USA ist hoher Druck in der
durchgezogenen eine erhöhte Divergenz. Das
Höhe anzutreffen (Abb. 4) und tiefer Druck am
Intervall zwischen den Linien beträgt 5x10-7 s-1.
Boden (ohne Abb.). Diese barokline Struktur ist ein
Aus Gedney und Valdes (2000).
Indikator für die Abschwächung der Hadley-Zelle
in dieser Region. Der absinkende Ast der Hadley-Zirkulation führt normalerweise zu
Wolkenauflösung und trockenerer Luft. Eine Abschwächung dieser erhöht somit den Niederschlag.
Die Veränderungen im östlichen Nordatlantik werden jedoch von einem anderen Mechanismus
ausgelöst. Eine barotrope Wellenstruktur mit tiefem Druck in der Höhe und am Boden deutet auf
höhere zyklonische Aktivität hin, was zu mehr Niederschlag führt. Gedney und Valdes (2000)
vermuteten, dass sich diese Niederschlags- und Strömungsanomalien durch eine veränderte
Ausbreitung planetarischer Wellen erklären ließe. Diese kommt aufgrund einer zusätzlichen
5
Wärmequelle im entwaldeten Amazonasgebiet zustande. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurde
ein einfaches barotropes Wellenmodell hinzugezogen, welches auf der Erhaltung absoluter
Vorticity basiert. Angewendet auf das 150 hPa Niveau werden hauptsächlich Rossbywellen
dargestellt. Die Ergebnisse dieser Simulation decken sich gut mit denen des GCM, was den
vermuteten Mechanismus bestätigt.
Abb. 5: Niederschlagsänderungen in DJF vom
Kontrolllauf zur Entwaldung. Die schattierten
Flächen sind signifikant
mit 90% (hell) bzw. 95%
(dunkel) Vertrauensbereichen. Die Konturen
gehen von -0,8 bis 0,8
mm pro Tag in 0,2 mm
pro Tag Schritten.
Aus Gedney und Valdes
(2000).
4. Zusammenfassung und Diskussion
Eine Entwaldung des Amazonasregenwaldes führt regional zu einer erhöhten Temperatur,
verringerter Evapotranspiration und Niederschlag. Dies ist vor allem auf die verringerte Wurzeltiefe
zurückzuführen, da diese die Wasserverfügbarkeit in der Trockenzeit begrenzt. Auch die erhöhte
Albedo bei einer Abholzung verursacht weniger Evapotranspiration und Niederschlag. Der
Regenwald schafft sich also selbst den benötigten lokalen Wasserkreislauf. Dieser würde bei einer
Entwaldung geschwächt.
Die beobachteten Niederschlagsanomalien in der Nordhemisphäre sind auf veränderte
Zirkulationsmuster zurückzuführen. Einerseits wird durch den schwächeren Wasserkreislauf auch
die Hadley-Zirkulation geschwächt, wodurch mehr Niederschlag in den Subtropen fällt.
Andererseits wird durch die zusätzliche Wärmequelle in der entwaldeten Region die Ausbreitung
von Rossbywellen beeinflusst, was zu Niederschlagsanomalien führt. Somit ist die Hypothese, die
Abholzung der tropischen Regenwälder beeinflusse das globale Klima, bestätigt.
Diese Simulationen konzentrierten sich auf die Amazonasregion. Für eine zusätzliche Entwaldung
der verbleibenden tropischen Regenwälder in Afrika und Südostasien sind ähnliche Ergebnisse zu
erwarten, was jedoch noch mit weiteren Modellläufen überprüft werden müsste. Auch wurde in
beiden Simulationen von einer konstanten Oberflächentemperatur der Ozeane ausgegangen. Es
bleibt zu untersuchen, ob zusätzliche Auswirkungen auf das Klima durch Wechselwirkungen mit
dem Ozean entstehen.
6
Literatur
Breuer, L., K. Eckhardt, H.-G. Frede, 2003: Plant parameter values for models in
temperate climates. Ecol Model, 169, 237-293.
Gedney, N. und P. J. Valdes, 2000: The effect of Amazonian deforestation on the
northern hemisphere circulation and climate. Geophysical Research Letters, Vol.27, No.
19, 3053-3056.
Kleidon, A. und M. Heimann, 2000: Assessing the role of deep rooted vegetation in the
climate system with model simulations: mechanism, comparison to observations and
implications for Amazonian deforestation. Climate Dynamics, 16, 183-199.
Kleidon, A. und M. Heimann, 1998: A method of determining rooting depth from a
terrestrial biosphere model and its impacts on the global water- and carbon cycle.
Global Change Biol, 4(3), 275-286.
Nepstad, D. C., C. R. de Carvalho, E. A. Davidson, P. H. Jipp, P. A. Lefebvre, H. G.
Negreiros, E. D. da Silva, T. A. Stone, S. E. Trumbore und S. Vieira, 1994: The role of
deep roots in the hydrological and carbon cycles of Amazonian forests and pastures.
Nature, 372, 666-669.
WWF Deutschland: Hintergrundinformation Amazonas und Klima, Oktober 2007
7