Simulation of mesoscale patterns and diurnal variations of atmospheric CO₂ mixing ratios with the model system TerrSysMP-CO₂

Abstract

With the recent trend towards precise regional climate simulations information on the spatial distribution of CO₂ sources and sinks at the mesoscale scale becomes more important. A common method to obtain these fluxes is inverse modeling, i.e. the variability of atmospheric CO₂ observations is assimilated into atmospheric tracer transport models to estimate mesoscale and regional scale CO₂ fluxes. Aircraft measurements indicate distinct mesoscale patterns in the atmospheric CO₂ distribution which can only partly be resolved by climate models using a rather coarse grid resolution.<br /> The main objectives of the present study are to understand which processes (e.g. synoptic flow, land use heterogeneity, complex terrain) generate these patterns and how the variable atmospheric CO₂ contents influence the stomatal control of transpiration and photosynthesis. For that, the mesoscale terrestrial model system TerrSysMP is used that couples the atmospheric model COSMO (version 4.21) to the Community Land Model (CLM, version 3.5) which can again be coupled to the hydrological model ParFlow. TerrSysMP is extended by a fully prognostic treatment of atmospheric CO₂ concentrations forming the new model version TerrSysMP-CO₂. This model includes a two-way coupling of CO₂ (atmosphere ↔ biosphere): the actual CO₂ mixing ratios are used to calculate the biogenic CO₂ fluxes with CLM and, in turn, these fluxes prognostically cause the atmospheric CO₂ distribution. CLM is extended by the carbon turnover model RothC calculating heterotrophic soil respiration as well as by simple parameterizations for decomposition of organic matter and autotrophic respiration. Moreover, high-resolution anthropogenic emissions complete the CO₂ budget in TerrSysMP-CO₂.<br /> High-resolution model simulations are performed using TerrSysMP-CO₂ for a region in western Germany and parts of BeNeLux. The domain includes the low mountain range Eifel as well as the densely populated Rhine valley with the metropolises Cologne, Dusseldorf and Bonn. The results show a pronounced diurnal cycle of CO₂ in the planetary boundary layer (PBL). The highest concentrations occur in the early morning being the result of near surface CO₂ accumulation due to soil respiration. With the onset of photosynthesis a strong decrease of atmospheric CO₂ concentrations is simulated followed by turbulent vertical transport within the PBL at daytime. The influence of complex terrain and anthropogenic CO₂emissions on the spatio-temporal patterns of atmospheric CO₂ mixing ratios is of particular interest. During night strong horizontal CO₂ gradients arise between narrow valleys and mountain ridges caused by orographically induced turbulent patterns and mesoscale atmospheric flows. Moreover, downstream of densely populated regions significant higher CO₂ concentrations are simulated. Additionally, the variable atmospheric CO₂ mixing ratios slightly modify simulated photosynthesis and transpiration rates due to the response of the stomatal opening of leaves on available atmospheric CO₂ concentrations.<br /> The model performance of TerrSysMP-CO₂ is verified with eddy-covariance measurements of CO₂ and energy fluxes. Moreover, the simulated vertical distribution of atmospheric CO₂ concentrations is compared with observations of CO₂ made at a 124m tall tower near Jülich.<br /> The new insights into the processes influencing mesoscale patterns of atmospheric CO₂ mixing ratios can help to better integrate terrestrial and coastal CO₂ observations into inverse modeling studies.

<strong>Simulation von mesoskaligen Strukturen und Tagesgängen atmosphärischer CO₂-Mischungsverhältnisse mit dem Modellsystem TerrSysMP-CO₂</strong><br /> Mit dem gegenwärtigen Trend hin zu präzisen regionalen Klimasimulationen werden Informationen über die räumliche Verteilung mesoskaliger CO₂-Quellen/Senken immer wichtiger. Eine häufig verwendete Methode, um an diese Flüsse zu gelangen, ist inverse Modellierung. Dabei wird die Variabilität atmosphärischer Beobachtungen in atmosphärische Tracertransport-Modelle assimiliert, um mesoskalige und regionale CO₂-Flüsse abzuschätzen. Flugzeugmessungen zeigen deutliche mesoskalige Strukturen in der atmosphärischen CO₂-Verteilung, welche nur teilweise von Klimamodellen mit relativ groben Gitterauflösungen abgebildet werden können.<br /> Die Hauptziele der vorliegenden Arbeit liegen darin, zu verstehen, welche Prozesse (z.B. synoptische Strömungen, heterogene Landnutzung, komplexes Terrain) diese Strukturen verursachen und wie die variablen CO₂-Gehalte die stomatäre Steuerung von Transpiration und Photosynthese beeinflussen. Dazu wird das mesoskalige terrestrische Modellsystem TerrSysMP verwendet, welches das atmosphärische Modell COSMO (Version 4.21) mit dem Community Land Model (CLM3.5) koppelt, das zudem mit dem hydrologischen Modell ParFlow gekoppelt werden kann. TerrSysMP wird mit einer vollständig prognostischen Behandlung von atmosphärischen CO₂-Konzentrationen erweitert, was zur neuen Modellversion TerrSysMP-CO₂ führt. Dieses Modell umfasst eine gegenseitige Kopplung von CO₂ (Atmosphäre ↔ Biosphäre): Die aktuellen CO₂-Mischungsverhältnisse werden verwendet, um mit CLM die biogenen CO₂-Flüsse zu berechnen und im Gegenzug bestimmen diese Flüsse prognostisch die atmosphärische CO₂-Verteilung. CLM wird sowohl mit dem Kohlenstoffumsatz-Modell RothC erweitert, welches die heterotrophe Bodenatmung berechnet, als auch mit einfachen Parametrisierungen zur Dekomposition von organischem Material und zur autotrophen Bodenatmung. Außerdem vervollständigen hochaufgelöste anthropogene Emissionen den CO₂-Haushalt in TerrSysMP-CO₂.<br /> Mit TerrSysMP-CO₂ werden hochaufgelöste Modellsimulationen für eine Region in Westdeutschland und Teilen der BeNeLux-Staaten durchgeführt. Das Gebiet schließt das Mittelgebirge Eifel sowie das dicht besiedelte Rheintal mit den Metropolen Köln, Düsseldorf und Bonn mit ein. Die Ergebnisse zeigen einen deutlich ausgeprägten CO₂-Tagesgang in der planetaren Grenzschicht. Die höchsten Konzentrationen treten am frühen Morgen auf, als Folge von bodennaher CO₂-Ansammlung durch Bodenatmung. Mit dem Einsetzen der Photosynthese wird in der Atmosphäre ein starker CO₂-Rückgang simuliert, gefolgt von turbulentem Durchmischen innerhalb der Grenzschicht am Tage. Dabei ist der Einfluss von komplexem Terrain und anthropogenen Emissionen auf die raum-zeitlichen Muster atmosphärischer CO₂-Mischungsverhältnisse von besonderem Interesse. Während der Nacht entstehen zwischen engen Tälern und Bergrücken starke horizontale CO₂-Gradienten, bedingt durch orographisch induzierte Turbulenzmuster und mesoskalige atmosphärische Strömungen. Zudem werden stromabwärts dicht besiedelter Regionen deutlich erhöhte CO₂-Konzentrationen simuliert. Außerdem führen die variablen CO₂-Mischungsverhältnisse zu leichten Veränderungen der simulierten Photosynthese- und Transpirationsraten aufgrund der Beeinflussung der Öffnung von Blattstomata auf die zur Verfügung stehenden atmosphärischen CO₂-Konzentrationen.<br /> Das Modellverhalten von TerrSysMP-CO₂ wird mit Eddy-Kovarianz Messungen von CO₂ und Energieflüssen verifiziert. Außerdem wird die simulierte vertikale Verteilung atmosphärischer CO₂-Konzentrationen mit Beobachtungen verglichen, welche an einem 124m hohen Turm in der Nähe von Jülich durchgeführt wurden.<br /> Die neuen Einblicke in die Prozesse, welche die mesoskaligen Strukturen in den atmosphärischen CO₂-Mischungsverhältnissen beeinflussen, können dabei helfen, CO₂-Beobachtungen an Land und an Küsten besser in inverse Modellierungsstudien zu integrieren.