The impact of irrigated biomass plantations on mesoscale climate in coastal arid regions

Abstract

Large-scale agroforestry in coastal arid and semi-arid regions could provide a geoengineering solution to anthropogenic climate change. Since agroforestry may impact on mesoscale climate in unknown ways, urgent research into potential impacts of large-plantations is needed to fully assess the viability and optimal placement for such schemes. Validated mesoscale simulations provide insights into feedbacks between land surface and atmosphere, particularly with respect to convective processes. Simulations of irrigated Simmondsia chinensis (jojoba) plantations were carried out with the WRF-NOAH atmosphere-land surface model using prescribed land surface and plant parameters. A sub-surface irrigation algorithm was developed based on critical soil moisture stress levels and implemented into the model code. The simulation of desert and plantation land surfaces was validated with field data from two sites in the Negev Desert - an arid desert site and a 400 ha jojoba plantation. For desert and vegetated surfaces, the model output of diurnal meteorological quantities and energy fluxes generally match well with the respective observations. Diurnal 2m-temperatures over the desert and plantation are matched by the model to within ± 0.2 °C and ± 1.5 °C, respectively. Wind speeds for both surfaces match to within 0.5 ms−1 and plantation latent heat is reproduced to within ± 20 Wm−2. Subsequent to validation, larger plantations of 100 km × 100 km were then simulated in two coastal arid regions, Israel and Oman over a period of one month and compared with control runs, without plantations. In Oman, convection and precipitation were triggered or enhanced by the plantation over multiple days whereas in Israel almost no impacts were observed. Two mechanisms were responsible for observed convection initiation: turbulent vertical transport of scalars due to increased surface heating and roughness as well as a low pressure-induced convergence at the canopy leeside. The main contributors to the surface heating effect were reduced albedo and the high water-use efficiency exhibited by specialist desert species. The combination of increased net surface radiation and high stomatal resistances significantly limited transpiration and led to a surplus in sensible heat flux compared with the surrounding soils (> 100 Wm−2). In Oman, convection initiation triggered by the plantation tended to occur on days when a high mid-tropospheric temperature lapse rate and significant surface air humidity were present. Israel exhibits more stable lapse rates during summer and drier conditions aloft, both of which suppressed convection significantly, even with a similar land surface perturbation. The initiation of moist convection at the mesoscale is therefore strongly controlled by prevailing synoptic conditions. A regional climatological analysis of temperature and humidity ECMWF reanalysis data and station precipitation data indicate that the south-west of North America has particularly suitable conditions for impacts. Coastal locations in Baja California and the Sonoran Desert exhibit a seasonal concurrence of monsoonal instability, high surface humidity and integrated column water vapor, but at the same time low precipitation. Therefore plantation impacts on convection there are likely and could be beneficial in terms of higher amounts of precipitation. These findings indicate that mesoscale convective events can be triggered by large plantations within arid and semi-arid regions and that these effects may be controllable via judicious placement of such schemes. Thus arid agroforestry has the potential not only to increase precipitation and reverse desertification within arid and semi-arid regions, but also to mitigate climate change if implemented on very large scales.

Großräumige Agrarforstwirtschaft in küstennahen ariden und semiariden Gebieten stellt eine Möglichkeit dar, mittels Geoengineering anthropogenem Klimawandel zu begegnen.Agrarforstwirtschaft wird das mesoskalige Klima jedoch in bisher unbekannter Weise beeinflussen. Daher ist es dringend notwendig, die möglichen Auswirkungen von großräumigen Plantagen in Bezug auf Durchführbarkeit und optimale Ausführung zu erforschen. Dazu geben validierte, mesoskalige Modellsimulationen Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre, insbesondere in Bezug auf konvektive Prozesse. Bewässerte Jojobaplantagen wurden mit dem Atmosphären-Landoberflächenmodell WRFNOAH simuliert. Dazu wurden die Landoberfläche und geeignete Pflanzenparameter fest vorgegeben. Ein neuer Algorithmus für die unterirdische Bewässerung wurde entwickelt und in den Modellcode implementiert. Die Simulation von Wüsten und Plantagenflächen wurde dann mittels Vergleich der Ergebnisse mit Feldmessungen von zwei Stationen in der Wüste Negev getestet. Eine Station befand sich an einem Wüsten-Standort und eine in einer 400 ha großen Jojobaplantage. Über den simulierten Wüsten und bewachsenen Flächen stimmen die Modellergebnisse der meteorologischen Größen und der Energieflüsse im Tagesverlauf im Allgemeinen gut mit den entsprechenden Beobachtungen überein. Der Tagesverlauf der 2m-Temperaturen in der Wüste und der Plantage bewegt sich im Bereich von ± 0,2 °C beziehungsweise ± 1,5 °C verglichen mit der Beobachtung. Die Windgeschwindigkeiten bewegen sich im Bereich von ± 0,5 ms−1 um die beobachteten Werte und der latente Wärmefluss zeigt Abweichungen von ± 20 Wm−2. Im Anschluss an die Validierung wurden größere Plantagen von je 100 km × 100 km in zwei repräsentativen ariden Küstengebieten (Israel und Oman) über einen Zeitraum von einem Monat simuliert und mit einem Kontrollexperiment ohne Plantagen verglichen. Im Oman löste die Plantage über mehrere Tage Feuchtekonvektion und Niederschläge aus oder verstärkte diese, während sie in Israel fast keinen Einfluss zeigte. Zwei Mechanismen waren im Wesentlichen verantwortlich für die Entstehung der Feuchtekonvektion im Oman: der turbulente, vertikale Austausch der meteorologischen Größen durch eine stärkere Erwärmung der Landoberfläche und erhöhte Rauigkeit sowie eine durch tieferen Luftdruck ausgelöste Konvergenz auf der Leeseite der Plantage. Wesentlich zur Oberflächenerwärmung tragen die verringerte Albedo sowie die effiziente Wasserverwertung der auf Wüstengebiete spezialisierten Pflanzenarten bei. Die Kombination aus erhöhter Nettostrahlung am Boden und erhöhtem Stomatawiderstand begrenzt die Transpiration erheblich und führt zu einem Anstieg des sensiblen Wärmeflusses von ca. 100 Wm−2 im Vergleich zum umgebenden Boden. Im Oman besteht die Tendenz zu einer Beeinflussung der Konvektion durch die Plantage im Fall von starken Temperaturgradienten in der mittleren Troposphäre und signifikant erhöhter Luftfeuchte an der Erdoberfläche. Israel hat im Sommer eine stabilere atmosphärische Schichtung und ist in höheren Lagen sehr viel trockener. Dies unterdrückt den Einfluss auf die Konvektion signifikant, selbst bei einer Änderung der Landnutzung. Die Auslösung von Feuchtekonvektion auf der Mesoskala wird also stark durch die großräumige Zirkulation bestimmt. Eine auf Temperatur- und Feuchtefeldern der EZMW-Reanalysen sowie Niederschlagsdaten basierenden Analyse der regionalen Klimatologie zeigt, dass der Südwesten Nordamerikas besonders geeignete Bedingungen für eine Beeinflussung der Konvektion durch eine Plantage bietet. In der Monsunzeit zeichnen sich die Küstengebiete der Baja California und der Wüste Sonora durch das Zusammentreffen von instabiler Schichtung, hoher Luftfeuchte am Boden und hohem vertikal integriertem Wasserdampfgehalt aus, haben aber gleichzeitig kaum Niederschlag. Daher kann man einen Einfluss von Plantagen auf Konvektion und somit grössere Niederschlagsmengen erwarten. Die Resultate zeigen zum einen, dass konvektive Niederschläge durch einen geeigneten Aufbau größerer Plantagen ausgelöst und zum anderen bezüglich ihrer Intensität beeinflusst werden können. Dies unterstreicht das große Potential der Agrarforstwirtschaft, nicht nur die Niederschlagsmenge zu erhöhen und die Wüstenbildung rückgängig zu machen, sondern auch dem Klimawandel abzuschwächen sofern die Plantagen groß genug sind.