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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-31777
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2007/3177/


The Exchange of Energy, Water and Carbon Dioxide between Wet Arctic Tundra and the Atmosphere at the Lena River Delta, Northern Siberia

Der Austausch von Energie, Wasser und Kohlendioxid zwischen arktischer Feuchtgebietstundra und der Atmosphäre im nordsibirischen Lena-Delta

Kutzbach, Lars

Originalveröffentlichung: (2006) Kutzbach, Lars (2006): Berichte zur Polar- und Meeresforschung, 541. Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, Am Handelshafen 12, D-27570 Bremerhaven, Deutschland. ISSN 1618-3193, 157 S..
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SWD-Schlagwörter: Kohlenstoffkreislauf , Kohlenstoffhaushalt , Wasserhaushalt , Energiebilanz , Mikrometeorologie , Feuchtgebiet , Tundra , Sibirien <Nord> , Arktis
Freie Schlagwörter (Deutsch): Eddy-Kovarianz-Methode , Klimaveränderung
Freie Schlagwörter (Englisch): carbon cycle , energy balance , tundra , carbon budget , water budget , micrometeorology , wetlands , Northern Siberia , Arctic
Basisklassifikation: 38.99 , 38.81
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pfeiffer, Eva-Maria (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 31.01.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 29.01.2007
Kurzfassung auf Englisch: The ecosystem-scale exchange fluxes of energy, water and carbon dioxide (CO2) between wet arctic tundra and the atmosphere were investigated by the micrometeorological eddy covariance method. The investigation site was situated in the centre of the Lena River Delta in Northern Siberia (72°22'N, 126°30'E). The micrometeorological campaigns were performed from July to October 2003 and from May to July 2004. The combined datasets of the two campaigns were used to characterise the seasonal course of the energy, water and CO2 fluxes and the underlying processes for the synthetic measurement period May 28…October 21 2004/2003 which included the period of snow and soil thawing as well as the beginning of refreezing.
The cumulative summer (June…August) energy partitioning was characterised by low net radiation (607 MJ m-2), large ground heat flux (163 MJ m-2), low latent heat flux (250 MJ m-2) and very low sensible heat flux (157 MJ m-2) compared to other tundra sites. These findings point out the major importance of the very cold permafrost (due to extreme winter cooling) for the summer energy budget of the tundra in Northern Siberia. Despite a high cumulative precipitation of 201 mm during summer, the cumulative summer evapotranspiration of 98 mm was low compared to other tundra sites. In summer 2003, heavy rainfall initiated severe thermoerosion phenomena and in the consequence increased drainage and run-off at the wet polygonal tundra thus demonstrating the sensitivity of permafrost landscapes to degradation by changes in hydrology.
The CO2 budget of the wet polygonal tundra was characterised by a low intensity of the main CO2 exchange processes, namely the gross photosynthesis and the ecosystem respiration. The gross photosynthesis accumulated to -432 g m-2 over the photosynthetically active period (June…September). The ecosystem respiration accumulated to +327 g m-2 over the photosynthetically active period, which corresponds to 76 % of the magnitude of the gross photosynthesis. The wet polygonal tundra of the Lena River Delta was observed to be a substantial CO2 sink with an accumulated net ecosystem CO2 exchange of -119 g m-2 over the summer (June…August) and an estimated annual net ecosystem CO2 exchange of 71 g m-2.
The analysis of the qualitative relationships between the processes and environmental factors, which control the energy, water and CO2 budget, suggested that the wet arctic tundra will experience severe perturbations in response to the predicted climatic change. The alterations of the tundra ecosystems would in turn exert pronounced mainly positive feedbacks on the changing climate on the regional and global scale.
Kurzfassung auf Deutsch: Die Austauschflüsse von Wärme, Wasser und Kohlendioxid (CO2) zwischen einer arktischen Feuchtgebietstundra und der Atmosphäre wurden mittels der mikromeorologischen Eddy-Kovarianz-Methode untersucht. Das Untersuchungsgebiet befand sich im Zentrum des Lena-Deltas in Nordsibirien (72°22'N, 126°30'E). Die mikrometeorologischen Messkampagnen fanden von Juli bis Oktober 2003 und von Mai bis Juli 2004 statt. Die Datensätze der beiden Kampagnen wurden kombiniert und zur Charakterisierung des saisonalen Verlaufs der Wärme-, Wasser- und CO2-Flüsse sowie der zugrunde liegenden Prozesse verwendet. Die zusammengesetzte Messperiode 2004/2003 umfasste die Auftauphase des Schnees und der Böden sowie die Rückfrierphase der Böden im Herbst.
Die Energiebilanz während des Sommers (Juni…August) war charakterisiert durch eine geringe kumulative Nettostrahlung (607 MJ m-2), einen hohen kumulativen Bodenwärmefluss (163 MJ m-2), einen geringen kumulativen latenten Wärmefluss (250 MJ m-2) und einen sehr geringen fühlbaren Wärmefluss (157 MJ m-2) verglichen mit anderen Tundrenstandorten. Diese Ergebnisse verdeutlichen den wesentlichen Einfluss, die der aufgrund der extremen Winterkälte sehr kalte Permafrost auf den sommerlichen Wärmehaushalt der Tundra in Nordsibirien hat. Trotz eines hohen kumulativen Niederschlags von 201 mm während des Sommers (Juni…August) war die kumulative Evapotranspiration vergleichsweise gering mit 98 mm. Im Sommer 2003 lösten starke Regenereignisse ausgeprägte Thermoerosionserscheinungen und in der Folge verstärkte Drainage in der polygonalen Tundra aus. Diese drastischen Phänomene verdeutlichten die hohe Empfindlichkeit der Permafrost-Landschaften hinsichtlich einer Degradation durch Veränderungen der Hydrologie bei sich änderndem Klima.
Der CO2-Haushalt der polygonalen Feuchtgebietstundra war durch eine schwache Intensität der maßgeblichen CO2-Austauschprozesse, nämlich der Ökosystem-Photosyntese und der Ökosystem-Atmung, gekennzeichnet. Die Bindung von CO2 durch Photosynthese betrug über die photosynthetisch aktive Periode (Juni…September) aufsummiert -432 g m-2. Die Ökosystem-Atmung betrug über die aktive Periode der Photosynthese aufsummiert +327 g m-2. Dieser Wert entspricht 76 % der Ökosystem-Photosynthese während des gleichen Zeitraums. Die Untersuchungen zeigten, dass die polygonale Tundra eine erhebliche CO2-Senke darstellte. Während des Sommers betrug der kumulierte Netto-Ökosystem-CO2-Austausch 119 g m 2. Der jährliche Netto-Ökosystem-CO2-Austausch wurde auf 71 g m-2 geschätzt.
Die Analyse der qualitativen Beziehungen zwischen den Prozessen und Steuergrößen, die den Wärme- und Wasserhaushalt sowie die CO2-Bilanz steuern, ließ den Schluss zu, dass sich die arktischen Feuchtgebietstundren Nordsibiriens durch die erwarteten Klimaänderungen mit hoher Wahrscheinlichkeit drastisch verändern werden. Die erwarteten Veränderungen der Tundren-Ökosysteme haben ein großes Potential zur positiven Rückkoppelung auf das sich verändernde Klima im regionalen wie globalen Maßstab.

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