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要旨:
Die vertikale Ausdehnung eines Wurzelsystems bestimmt, wieviel Bodenwasser der
Landvegetation für die Verdunstung zur Verfügung steht und somit in die Atmosphåire
zurückgeführt werden kann. Erst kürzlich wurde entdeckt, daß die immergrünen Wåilder
Amazoniens an manchen Orten 'Wurzeln bis zu 18 Meter Tiefe entwickeln und die
Wasseraufnahme in diesen tiefen Bodenschichten beträchtlich zur Verdunstung während der
Trockenzeitbeiträgt. Unter Verwendung von Satellitenaufnahmenwurde sogar geschätzt, daß
weite Teile der immergrünen Wälder in Amazonien von diesen tiefen Wurzeln (d.h. tiefer als
ein Meter) abhängen und daß durch sie die grünen Kronendächer während der Trockenzeit
beibehalten werden können. Im Gegensatz zu diesen Beobachtungen benutzen Modelle der
LandbiosphËire ("TBM") und der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation ("GCM") in der
Regel Wurzeltiefen in der Größenordnung von einem bis zwei Meter.
Da Beobachtungen von
'Wurzeltiefennur
spärlich vorliegen und auch nicht unbedingt
nur Anpassung an die Wasserbedürfnisse beschreiben (welches die Eigenschaftvon Wurzeln
ist, die in diesen Modellen berücksichtigt wird), stellt sich die Frage, wie eine globale
Verteilung von Wurzeltiefen für solche Modelle bestimmt werden kann. Das Zieldieser Arbeit
ist es, die Rolle von Wurzeln als 'Wasserlieferant der Vegetation im Klimasystem zu
untersuchen.Dazu wird zunächst eine Methode erarbeitet, die eine solche Verteilung bestimmt.
Die Methode basiert auf der Vorstellung, daß sich die Vegetation an ihre Umgebung in
einer Weise anpaßt, die ihr Wohlergehen oder Überlebenspotential maximiert. Um diese
Methode umzusetzen, wird angenommen, daß das Überlebenspotential charakterisiert werden
kann durch das langjährige Mittel der Vegetationsproduktivität, wie es von einem einfachen
Vegetationsmodell simuliert wird. Dieses Modell berechnet die Produktivitätund die zeitliche
Entwicklung der Bodenfeuchte ausgehend von atmosphåirischen Eingangsgrößen. Es benötigt
'Wurzeltiefe
als einen festen Parameter, der festlegt, wieviel pflanzenverfügbares Wasser im
Boden gespeichert werden kann. Die 'Wurzeltiefe wird dann durch die Maximierung der
mittleren jtihrlichen Produktivität in Abh¿ingigkeit von der'Wurzeltiefe bestimmt.
Diese Methode wird unter Verwendung von Klimadatensätzen auf globaler Skalavangewandt, um eine Verteilung von 'Wurzeltiefen zu erhalten. In vielen Teilen der Tropen wird
Vegetation mit tiefen Wurzeln vorhergesagt. Durch die Vergrößerung des Speichervermögens
an pflanzenverfügbarem Wasser im Boden erhöhen die tiefen Wurzeln die Wasservertügbarkeit
während der Trockenzeit und ermöglichen so erheblich mehr Verdunstung und
Vegetationsproduktivität. Die Qualität der Verteilung wird auf verschiedene'Weise untersucht.
Ein direkter Vergleich zuYegetationstypmittelwerten von beobachteterWurzeltiefe zeigt, daß
das allgemeine Muster gut reproduziert wird. Auf der anderen Seite führt die Zunahme der
Verdunstung zur Reduzierung des mittleren Jahresabflußes von großen Flußeinzugsgebieten.
Auch dies führt zu einer besseren Übereinstimmung mit Beobachtungen. Außerdem wird
gezeigt, daß die Optimierung überwiegend durch den Wassermangel (Wasserüberschuß)
während der Trockenzeit (Regenzeit) in humiden (ariden) Gebieten bestimmt wird.
Die Auswirkungen von tiefwurzelnder Vegetation auf das Klima werden durch die
Anwendung der gleichen Methode auf ein Klimamodell (das globale Zirkulationsmodell
ECHAM 4) untersucht.Dazu mußte eine Parameterisierung der Vegetationsproduktivität in das
Klimamodell eingebaut werden. Wie zuvor wird eine erhebliche Zunahme der Verdunstung
während der Trockenzeit festgestellt. Der damit verbundene erhöhte latente \ù/ärmefluß führt zu
einer Abkühlung der bodennahen Lufttemperatur von bis zu 8o Celsius im monatlichen Mittel.
Diese kühleren Temperaturen und die dadurch reduzierte Saisonalität vergleichen sich erheblich
besser mit Beobachtungen. Es wird ein allgemeiner Mechanismus vorgestellt, wie die Zunalrne
der Verdunstung während der Trockenzeit zu einer Verstärkung der tropischen
Zirkulationsmuster führt. Wegen der Zunahme der Verdunstung auf der Winterhemisphäre
wird feuchtere Luft mit den Winden der unteren Luftschichtenzu den Konvektionsgebieten
transportiert. Durch die Freisetzung von mehr latenterWärme wird die Konvektion verstärkt,
welches zu einer allgemeinen Anregung der Zirkulation führt.
Als Anwendung wird untersucht, wieviel der potentiellenklimatischenAuswirkungen
durch die Abholzung tropischer V/älder Amazoniens auf die Entfernung tiefer Vy'urzeln
zurückgeführt werden kann. Dazt wird eine Serie von Sensitivitätssimulationen mit dem
Klimamodell durchgefiihrt, in denen Oberflächenparameter (besonders Wurzeltiefe und
Albedo) Schritt für Schritt verändert werden, ausgehend von Werten des tropischen
immergrünen Waldes zu solchen, die Grasland repräsentieren. Die Gesamtauswirkung wird
überwiegend durch die Verringerung der'Wurzeltiefe bestimmt. Es werden auch signifikante
Fernwirkungen, wie zum Beispiel eine generelle Erwåirmung über Nordamerika und trockenere
Verhältnisse über Südostasien, beobachtet. Diese können wir zum Großteil auf die
Abschwächung der tropischen Zirkulationsmuster als Konsequenz der verringerten
Verdunstung während der Trockenzeit zurückführen.
Zusammenfassend finden wir, daß die Berücksichtigung von tiefen Wurzeln - wie sievon der hier vorgestellten Methode bestimmt wurden - zu einer Verbesserung der
Simulationsergebnisseführt. Dies wurde aus dem Vergleichvon einer Serie simulierterGrößen
mit Beobachtungen geschlossen. Die Ergebnisse lassen auch vermuten, daß nattirliche
Vegetation in vielen Teilen der Tropen tatsächlich am - oder zumindest nahe - dem Optimum
bezüglich Wasserverfügbarkeit agiert. V/ir folgern, daß tiefwurzelnde Vegetation einen
wichtigen Bestandteil des Klimasystems darstellt, indem sie als großer Feuchtekondensator die
Unterschiede in der atmosphåirischen Wasserverfügbarkeit ausgleicht. Vernachlässigung von
tiefen Wurzeln führt zwangsläufig zu einer Überschätzung der Saisonalität der bodennahen
Lufttemperatur, wie sie nicht in Beobachtungen gefunden werden kann.
要旨:
In the terrestrial biosphere the depth of a root system determines how much water can
be extracted from the soil and recycled back into the atmosphere. Only recently it was
discovered that evergreen forests in Amazoniadevelop deep roots of up to 18m and that the
water uptake from these deep soil layers contribute significantly to dry season transpiration at
some sites in Amazonia. V/ith the use of satellite images, it has in fact been estimated that large
parts of the evergreen forests in Amazonia depend on deep roots, that is, rooting depths of
more than one meter, in order to maintain green canopies during the dry season. However,
global models of the terrestrial biosphere and the general atmospheric circulation (GCMs)
commonly use prescribed values for rooting depth which are typically of the order of one
meter, and generally not exceeding 2 meters.
Considering that only sparse observations of rooting depth are available and that these
do not necessarily reflect solely the adaptance to water needs (as are, however, only considered
within these types of models), we ask how a global distribution of rooting depth can be
obtained for such models. The aim of this thesis is to establish a methodology, based on an
ecological principle and use it to obtain a global rooting depth distribution and investigate the
role of roots in terms of water uptake in the global climate system.
The method is based on the idea that the vegetation has adapted to its environment in
such a way that it's benefit or fitness is at a maximum. To implementthis method, the fitness is
measured by the long term mean of the vegetation's productivity, which is simulated by a
simple vegetation model. This model computes productivity and soil moisture evolution from
atmospheric quantities. It needs rooting depth as a fixed parameter to determine how much
plant available water can be stored in the soil. Rooting depth is then obtained by maximising the
mean annual productivity in respect to rooting depth.
This method is employed on a global scale to obtain a distribution of rooting depth
using a global climatology.V/e find that deep rooted vegetation is predicted in many parts of
the tropics. By increasing the storage capacity of plant available soil water, deep roots
considerably enhance water availability during the dry season and hence transpiration andproductivity. We assess the reasonability of the outcome by different means. A direct
comparison to biome averages of observed rooting depths shows that the overall pattern is
reproduced fairly well. The reduced annual discharge of large river basins resulting from the
increase of basin transpiration complies better to observations. We also find that the
optimisation process is primarily driven by the water deficilsurplus during the dry/wet season
for humid and arid regions, respectively.
The climatic consequences of the presence of deep rooted vegetation is investigated by
applying the same method to an atmospheric general circulation model. Here, it is necessary to
incotporate the parameterisation of vegetation productivity into the climate model. Again, a
considerable increase in the dry-season transpiration is found along with an enhanced latent
heat flux. Consequently, mean monthly near-surface air temperatures during the dry season are
lower by up to 8o Celsius and are found to be in much better agreementto observations. 'We
also isolate a general mechanism by which the enhanced dry-season transpiration leads to an
overall intensification of the tropical circulation patterns. Because of the increase of
transpiration in the dry-season hemisphere, moister air is carried to the main convection areas in
the lower atmosphere. The release of more latent energy leads to increased convection which in
tum enhances the overall circulation.
Lastly, we assess how much of the climatic changes associated with Amazonian
deforestation can be attributed to the removal of deep roots alone. This is done by conducting a
series of sensitivity simulations with the climatemodel, in which some surface characteristics
(mainly rooting depth and albedo) are subsequently modified from tropical evergreen forest
values to ones representing grassland. The overall response is dominated by the reduction in
rooting depth. Significant remote impacts, for instance, a warming over North America and
drier conditions over Southeast Asia are also found. This can be attributed to the weakening of
the tropical circulation patterns resulting from the reduction in dry season evapotranspiration.
To sum up, we found that the incorporation of deep roots - as predicted by the method -
leads to an improvement of the simulations, as concluded from the comparison of a series of
simulated quantities to observations. The results also suggest that the natural vegetation in
many parts of the tropics indeed act at, or at least close to, the optimum, in terms of water
availability.'We conclude that deep rooted vegetation forms an important part in the climate
system in that it acts as a large moisture capacitor levelling out differences in atmospheric
moisture deficits. The neglection of deep roots inevitably results in an overestimation of air
temperature seasonality in the humid tropics which cannot be found in observations.
