Improvement of LPJ dynamic global vegetation model by means of numerical assimilation methods: possible implications for regional climate models

Abstract

Some of the feedbacks between vegetation and climate have been studied in the Euro-Mediterranean area using both models and data. The Lund-Potsdam-Jena (LPJ) Dynamic Global Vegetation Model describes the water, carbon, and energy exchange between land surface and atmosphere by means of a given set of parameters and input variables. In order to retrieve the underling probability density function of some key-model parameters controlling water and carbon cycle as well as to improve the efficiency of LPJ to simulate water and carbon fluxes a data assimilation system has been developed; it is based on a Bayesian approach that consistently combines prior knowledge about parameters with observations. Daily values of evapotranspiration and gross primary production, measured with eddy covariance technique in ten different CarboeuropeIP sites, have been compared with modeled data in order to constrain parameter values and uncertainties. Results show how data assimilation is a useful tool to improve the ability of the model to simulate correctly water and carbon fluxes at local scale: after the inversion, in fact, LPJ successfully matches the observed seasonal cycle of the diverse fluxes, and corrects for the prior misfit to day-time GPP and ET. The impact of land cover change on regional climate have been analyzed using the mesoscale model RegCM3. Three different simulations have been performed to asses the effects of an hypothetical deforestation and afforestation on climate. Results show how land cover changes have a substantial impact on dynamic and thermodynamic, and how also area does not affected by land cover changes shows a significant variability in some climatic fields. Finally, the land cover changes have an important impact on the extreme events. This thesis highlights how vegetation dynamics and climate influence each other. For such reason to improve simulation results we should develop fully coupled models that take into account some of the most important feedbacks between land surface and atmosphere.

In questa tesi, sono stati studiati alcune interazioni tra la vegetazione e l’atmosfera nell’area Euro-Mediterranea, usando sia modelli che dati. Il modello di vegetazione dinamica LPJ simula gli scambia di acqua, carbonio ed energia tra gli ecosistemi terrestri e l’atmosfera per mezzo di una serie di parametri e di dati di input. Uno degli obiettivi di questa tesi consiste nel ricavare la funzione di distribuzione di probabilità dei parametri più importanti che controllano il ciclo dell’acqua e del carbonio all’interno del modello; in questo modo, è possibile migliorare le stime di LPJ dei vari flussi di carbonio e di acqua. A tal fine, è stato sviluppato un sistema di assimilazione dati basato sull’approccio Bayesiano, il quale unisce la conoscenza dei valori a priori dei parametri con i dati osservati. Valori giornalieri di evapotraspirazione e di produzione primaria, misurati con la tecnica dell’eddy covariance in dieci differenti siti appartenenti alla rete europea CarboEuropeIP, sono stati confrontati con i dati simulati per forzare i valori dei parametri e ricavare le incertezze ad essi associate. I risultati dell’inversione mostrano come l’assimilazione dati è un ottimo strumento per migliorare l’efficienza del modello nel simulare flussi di acqua e carbonio a scala locale: infatti, dopo l’assimilazione dati, LPJ riproduce con successo il ciclo stagionale dei diversi flussi misurati. Oltre ad assimilare differenti flussi in LPJ, in questa tesi di dottorato è stato anche studiato, usando il modello regionale RegCM3, qual’e l’impatto del land cover change sul clima. A tal scopo, sono state effettuate differenti simulazioni per valutare come un ipotetica deforestazione e afforestazione influenzano il clima a scala regionale. I risultati evidenziano come i cambiamenti di vegetazione hanno un sostanziale impatto sia sulla dinamica che sulla termodinamica; inoltre, viene sottolineato come anche aree che non hanno subito cambiamenti nella struttura della vegetazione sono soggette a modifiche di alcune variabili climatiche. Infine, i land cover changes giocano un ruolo fondamentale nel regolare eventi estremi. In conclusione, questa tesi evidenzia come le dinamiche della vegetazione ed il clima si influenzano a vicenda; pertanto, per migliorare le nostre previsioni è necessario sviluppare modelli accoppiati in grado di tenere in considerazione alcune delle più importanti interazioni tra la vegetazione e l’atmosfera.