Raquel Gonzalez Armas

Vegetatie bedekt een groot deel van het landoppervlak van de wereld. In deze gebieden hebben vegetatie en atmosfeer interactie door de uitwisseling van energie, warmte, waterdamp, kooldioxide (CO2) en andere chemische verbindingen. Deze interacties veranderen op belangrijke wijze zowel de toestand van de vegetatie als de toestand van de lagere atmosfeer, de zogenaamde atmosferische grenslaag. Hoewel deze interacties al jarenlang worden bestudeerd, blijven er uitdagingen bestaan bij het begrijpen en weergeven ervan in aardsysteemmodellen. Een grote uitdaging is het verminderen van de huidige onzekerheden over de uitwisseling van energie en materie, wat de studie van de vegetatie en atmosfeer als een gekoppeld en continu systeem vereist. Om dat doel te bereiken, moeten onderzoeksmethoden de relevante biofysische processen over verschillende schalen en wetenschappelijke disciplines heen weergeven.

In dit proefschrift dragen we bij aan het begrip van vegetatie-atmosfeer-interacties door ecofysiologie op bladniveau, microklimaat in het bladerdak, turbulentie, straling en wolkenprocessen te koppelen binnen een eenduidig diurnaal en schaaloverschrijdend kader. We doen dit door studies uit te voeren die uitgebreide observationele datasets combineren met modelleringsbenaderingen op kilometrische ruimtelijke schalen. Wat betreft observaties hebben we deelgenomen aan veldcampagnes in drie diverse ecosystemen: een agrarisch luzerneveld (La Cendrosa, Spanje), een tropisch Amazoneregenwoud (ATTO-locatie, Brazilië) en een gematigd bos (Loobos, Nederland). Het bestuderen van meerdere locaties stelde ons in staat om de vegetatie-atmosfeer-interacties te onderzoeken over verschillende structuren van het bladerdak en atmosferische regimes. Om de interacties te onderzoeken, gebruikten we meerdere modelbenaderingen: (1) een conceptueel atmosferisch menglaagmodel (CLASS-model) dat structureel analoog is aan een roostercel in een mondiaal aardsysteemmodel, (2) een meerlagig bladerdakschema dat verticale variabiliteit vastlegt die vaak wordt verwaarloosd in landoppervlakteschema's, en (3) een bladerdak-oplossend Large-Eddy Simulation-model (can-DALES-model) dat een hoog realisme bereikt door luchttransport binnen en boven het bladerdak expliciet op te lossen.

Als eerste stap onderzoekt Hoofdstuk 2 hoe vier omgevingsvariabelen van het bladerdak - fotosynthetisch actieve straling (PAR), dampdruktekort (VPD), luchttemperatuur (T) en atmosferische CO2-concentratie (Ca) - de uitwisseling van water en CO2 op blad- en bladerdakschaal beheersen. Ons doel was om de invloed van atmosferische omstandigheden op huidmondjesregulatie, fotosynthese en transpiratie op bladniveau te begrijpen, en om te beoordelen hoe deze reacties doorwerken naar de ecosystem-schaal. Hiertoe ontwikkelen we een wiskundig kader dat kwantificeert hoe uitwisselingsprocessen op bladniveau expliciet afhangen van atmosferische factoren. De resultaten toonden aan dat de dagelijkse evolutie van huidmondjesregulatie, fotosynthese en transpiratie primair werd bepaald door PAR, T en VPD, waarbij Ca minimaal bijdroeg. Het kader stelde ons in staat om de interacties tussen de atmosferische grenslaag en de vegetatie te ontrafelen. We konden bijvoorbeeld onderscheiden hoe schaduw door wolken de CO2-assimilatie verminderde door zowel minder straling als bijbehorende temperatuurdalingen. Als zodanig bleek het voorgestelde kader een nuttig hulpmiddel om de temporele dynamiek van vegetatie-uitwisseling in weer- en klimaatmodellen te analyseren.

In Hoofdstuk 3 onderzochten we de dagelijkse en verticale variabiliteit van het microklimaat in het bos, transpiratie en CO2-assimilatie voor een tropisch Amazonewoud. Voortbouwend op het temporele perspectief van Hoofdstuk 2 introduceert dit hoofdstuk verticale variabiliteit binnen het bladerdak als een sleuteldimensie bij het beheersen van de uitwisseling in het ecosysteem. De studie integreert (1) waarnemingen in een tropisch Amazonewoud en (2) een meerlagige bladerdakbenadering die wordt gestuurd door de verkregen metingen tijdens een bewolkte dag. We vonden kenmerkende waargenomen verticale profielen van bladeigenschappen en microklimaat, die gedurende het grootste deel van de dag in stand bleven. In het bijzonder vonden we een aanhoudende temperatuurinversie binnen het bladerdak, die luchtmenging tussen het bovenste derde deel van het bladerdak en de lagere lagen belemmerde. De modelleringsbenadering onthulde dat de transpiratie van het bos en de CO2-assimilatie werden gedomineerd door de dynamiek van het bovenste derde deel van het bladerdak. Verschillen tussen de gemodelleerde CO2-assimilatie en het waargenomen CO2-oppervlaktetransport onderstreepten het belang van CO2-opslag en ventilatie-gebeurtenissen binnen het bladerdak, vooral tijdens de ochtend.

In Hoofdstuk 4 richtten we ons op een cruciale microklimatologische factor voor ecosysteemfluxen: straling. Kortgolvige zonnestraling drijft de opwarming van het oppervlak en de evapotranspiratie aan, terwijl een deel ervan, de PAR-straling, de fotosynthese regelt. Op hun beurt regelt langgolvige straling die wordt uitgezonden door de vegetatie, de bodem en de lucht de lucht- en bladerdaktemperaturen. In dit hoofdstuk hebben we onderzocht hoe straling door de vegetatie wordt doorgegeven door een stralingsoverdrachtsschema voor een bladerdak-oplossend Large-Eddy Simulation-model te verbeteren en te evalueren. Het schema simuleert kortgolvige en langgolvige straling en zet de belangrijke stap om rekening te houden met het voorkeursgebruik van straling door planten door vier kortgolvige spectrale banden op te lossen: ultraviolet (280-400 nm), PAR (400-700 nm), ver-rood (700-750 nm) en nabij-infrarood (750-4000 nm). We onderzochten ook hoe de kortgolvige stralingsoverdracht varieerde afhankelijk van externe forceringen, gerelateerd aan de zonnestand en de directe en diffuse verhouding van zonnestraling, en van interne bladerdakfactoren, gerelateerd aan de bladbiomassa en de verdeling ervan over het bladerdak. De resultaten lieten zien dat het schema spectrale verschillen in de reflectie van het bladerdak en verticale profielen van de stralingsfluxen reproduceerde. Het stralingsoverdrachtsschema voor het bladerdak maakt nu onderzoek naar het effect van ultraviolette en ver-rode straling op fotosynthese en oppervlaktefluxen mogelijk.

In Hoofdstuk 5 hebben we de bos-atmosfeer-interacties onderzocht door vier onderling verbonden aspecten van het gekoppelde systeem te integreren: bosmicroklimaat, fluxen op bladschaal, fluxen op ecosysteemschaal en de overgang van een heldere naar een bewolkte grenslaag. Daartoe combineerden we (1) waarnemingen in een tropisch Amazonewoud en (2) een bladerdak-oplossende Large-Eddy Simulation. Dit werk bouwt voort op de voorgaande hoofdstukken door op dagniveau bladecofysiologie, verticaal gestructureerde microklimaten in het bladerdak en gedetailleerde stralingsoverdracht in het bladerdak gelijktijdig te koppelen aan turbulentie op bladerdak- en grenslaagschaal. Bovendien rapporteert deze studie, voor zover wij weten, de eerste bladerdak-oplossende Large-Eddy Simulation die grenslaagwolken bevat. De simulatieresultaten valideerden goed voor de vier thema's, wat het realisme ervan aantoont. De simulatie reproduceerde een stabiele luchtlaag binnen het bladerdak die gedurende de dagelijkse cyclus uitzette en kromp, en die de opslag en ventilatie van lucht binnen het bladerdak beïnvloedde. Bovendien legde de simulatie de overgang van een heldere hemel naar een ondiep-cumulusregime vast, terwijl de turbulentie op bladerdakschaal die de oppervlakteforceringen moduleert, werd opgelost. Deze studie effent de weg naar toekomstige studies over stralings- en turbulente vegetatie-wolk-feedbacks.

In Hoofdstuk 6 analyseerden we de diurnale variabiliteit van koolstofcyclustracers (CO2, O2 en δ 13C-CO2) in een tropisch Amazonewoud en een gematigd bos. Koolstofcyclustracers worden vaak gebruikt om informatie over de biosfeer af te leiden door de beweging van koolstof tussen de atmosfeer en het land te volgen. Om bij te dragen aan de interpretatie van de atmosferische signalen van de koolstofcyclustracers, richtten we ons op het bepalen van welke (oppervlakte- of atmosferische) processen verantwoordelijk zijn voor hun diurnale variabiliteit. Hiervoor maakten we gebruik van zowel (1) waarnemingen als (2) numerieke experimenten uitgevoerd met het CLASS-model. We berekenden het diurnale bereik van de koolstofcyclustracers en kwantificeerden de bijdrage van oppervlakte- en atmosferische processen aan dat bereik. De resultaten onthulden het belang van atmosferische processen, namelijk de menging van vrije troposferische lucht, bodemdaling (subsidentie) en wolkenventilatie, bij het vormen van de diurnale variaties van de koolstofcyclustracers. De bevindingen onderstreepten het nut van het gebruik van het diurnale bereik als metriek om atmosferische tracertransportmodellen te evalueren.

Ten slotte vat Hoofdstuk 7 de belangrijkste bevindingen van de hoofdstukken 2-6 samen, plaatst ze in hun context en identificeert toekomstige onderzoeksmogelijkheden en praktische toepassingen. Toekomstige onderzoeksrichtingen omvatten het uitbreiden van dit werk naar nachtelijke omstandigheden; het verdiepen van het onderzoek naar turbulente en stralingsfeedbacks tussen vegetatie en wolken; het opnemen van horizontale heterogeniteit in de structuur van de vegetatie; het onderzoeken van interacties tijdens en na neerslaggebeurtenissen; en het opnemen van deeltjes die door vegetatie worden uitgestoten en fungeren als wolkencondensatiekernen.

Concluderend toont dit proefschrift aan dat vegetatie-atmosfeer-interacties worden gemedieerd door een nauwe koppeling tussen bladerdakecofysiologie, microklimaat, turbulentie en wolkenprocessen, die opereren op blad-, bladerdak- en atmosferische grenslaagschalen en sterk evolueren gedurende de dagelijkse cyclus. Door uitgebreide observationele datasets te combineren met modelleringsbenaderingen, benadrukt dit proefschrift het belang van het begrijpen en weergeven van diurnale en verticale variabiliteit binnen en boven het bladerdak bij het bestuderen van land-atmosfeeruitwisseling. De resultaten onderstrepen het potentieel van bladerdak-oplossende benaderingen om processen op ecosysteemschaal en atmosferische dynamiek te overbruggen, en bieden nieuwe manieren om het fysieke realisme van landoppervlakteschema's in aardsysteemmodellen te verbeteren.