Climatic impacts of vegetation dynamics in Eastern Africa

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4929-9
Title: Climatic impacts of vegetation dynamics in Eastern Africa
Author: Abera, Temesgen
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography
Doctoral Programme in Geosciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-03-06
Belongs to series: Department of Geosciences and Geography A - URN:ISSN:1798-7911
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4929-9
http://hdl.handle.net/10138/310276
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The climate system responds to changes in the structure and physiology of vegetation. These changes can be induced by seasonal growing cycles, anthropogenic land cover changes (LCCs), and precipitation extremes. The extent to which vegetation changes impact the climate depends on the type of ecosystem, the season, and the intensity of perturbations from LCCs and precipitation extremes. Under the growing impacts of climate change and human modification of natural vegetation cover, understanding and monitoring the underlying biogeophysical processes through which vegetation affects the climate are central to the development and implementation of effective land use plans and mitigation measures. In Eastern Africa (EA) the vegetation is characterized by multiple growing cycles and affected by agricultural expansion as well as recurrent and severe drought events. Nonetheless, the degrees to which vegetation changes affect the surface energy budget and land surface temperature (LST) remain uncertain. Moreover, the relative contributions of various biogeophysical mechanisms to land surface warming or cooling across biomes, seasons, and scales (regional to local) are unknown. The objective of this thesis was to analyze and quantify the climatic impacts of land changes induced by vegetation seasonal dynamics, agricultural expansion, and precipitation extremes in EA. In particular, this thesis investigated these impacts across biomes and spatio-temporal scales. To address this objective, satellite observation and meteorological data were utilized along with empirical models, observation-based metrics, and statistical methods. The results showed that rainfall–vegetation interaction had a strong impact on LST seasonality across ecoregions and rainfall modality patterns. Furthermore, seasonal LST dynamics were largely controlled by evapotranspiration (ET) changes that offset the albedo impact on the surface radiation balance. Forest loss disturbed the LST dynamics and increased local LST consistently and notably during dry seasons, whereas during the wet season its impact was limited because of strong rainfall–vegetation interaction. Moreover, drought events affected LST anomalies; however, the impact of droughts on temperature anomalies was highly regulated by vegetation greening. In addition, the conversion of forest to cropland generated the highest net warming (1.3 K) compared with other conversion types (savanna, shrubland, grassland, and cropland). Warming from the reduction of ET and surface roughness was up to ~10 times stronger than the cooling effect from albedo increases (−0.12 K). Furthermore, large scale analysis revealed a comparable warming magnitude during bushland-to-cropland conversion associated with the dominant impact of latent heat (LE) flux reduction, which outweighed the albedo effect by up to ~5 times. A similar mechanism dominated the surface feedback during precipitation extremes; where LE flux anomalies dominated the energy exchange causing the strongest LST anomaly in grassland, followed by savanna. By contrast, the impact was negligible in forest ecosystems. In conclusion, the results of this thesis clarify the mechanics and magnitude of the impacts of vegetation dynamics on LST across biomes and seasons. These results are crucial for guiding land use planning and climate change mitigation efforts in EA. The methods and results of this thesis can assist in the development of ecosystem-based mitigation strategies that are tailored to EA biomes. Moreover, they can be used for assessing the performance of climate models and observation-based global scale studies that focus on the biogeophysical impacts of LCCs. Keywords: LST seasonality; Land cover change; Bushland (Acacia-Commiphora); Biophysical effects; Precipitation extremes; Satellite observation.Ilmastojärjestelmä reagoi kasvillisuuden rakenteen ja fysiologian muutoksiin. Muutokset voivat johtua kasvukauden vaiheesta, ihmistoiminnan vaikutuksesta maanpeitteeseen ja sään ääri-ilmiöistä. Se missä määrin kasvillisuuden muutokset vaikuttavat ilmastoon riippuu ekosysteemistä ja vuodenajasta sekä maanpeitemuutosten ja sään ääri-ilmiöiden voimakkuudesta. Ilmastonmuutoksen ja maanpeitteen muokkaamisen vaikutusten voimistuessa on keskeistä ymmärtää ja seurata biogeofysikaalisia prosesseja, joiden kautta kasvillisuus vaikuttaa ilmastoon. Tällä tiedolla on keskeinen rooli tehokkaiden maankäyttösuunnitelmien kehittämisessä ja toteuttamisessa sekä ilmastonmuutoksen hillinnässä. Itä-Afrikassa kasvillisuudella on ominaisesti useita kasvukausia ja siihen vaikuttavat maatalouden laajentuminen sekä toistuvat ja vakavat kuivuusjaksot. Siitä huolimatta kasvillisuuden muutosten vaikutus energiataseeseen ja maanpinnan lämpötilaan on edelleen epävarmaa. Lisäksi eri biogeofysikaalisten mekanismien suhteellista vaikutusta maanpinnan lämpenemiseen tai jäähtymiseen eri biomien, vuodenaikojen ja mittakaavojen (alueellinen ja paikallinen) välillä ei tunneta. Tämän tutkielman tavoitteena oli analysoida ja kvantifioida kasvillisuuden vuodenaikaisvaihtelun, maatalouden laajentumisen ja sademäärän ääri-ilmiöiden aiheuttamien muutosten ilmastovaikutuksia Itä-Afrikassa. Erityisesti tutkielmassa tarkasteltiin vaikutuksia eri biomien ja mittakaavojen välillä. Tutkielmassa hyödynnettiin satelliittihavaintoja ja meteorologisia tietoja sekä empiirisiä malleja, havaintopohjaisia indeksejä ja tilastollisia menetelmiä. Tulokset osoittivat, että sademäärän ja kasvillisuuden vuorovaikutuksella oli voimakas vaikutus maanpinnan lämpötilan vuodenaikaisvaihteluun kasvillisuustyyppien ja sademoodien välillä. Maanpinnan lämpötilaa säätelivät suurelta osin evapotranspiraation muutokset, jotka kompensoivat albedon vaikutuksia pinnan säteilytasapainoon. Metsän häviäminen häiritsi maanpinnan lämpötilan dynamiikkaa ja lisäsi sitä paikallisesti, etenkin kuivina vuodenaikoina, kun taas sadekauden aikana sen vaikutus oli vähäinen sateen ja kasvillisuuden voimakkaan vuorovaikutuksen vuoksi. Lisäksi kuivuus vaikutti lämpötilan poikkeavuuksiin; kuivuuden vaikutusta sääteli kuitenkin voimakkaasti kasvillisuuden vihertyminen. Metsän muuntaminen viljelysmaaksi aiheutti suurimman nettolämmityksen (1.3 K) verrattuna muihin muutostyyppeihin (savanni, pensaikko, ruohostomaat ja viljelymaat). Evapotranspiraation vähenemisestä ja pinnan epätasaisuudesta aiheutuva lämpeneminen oli jopa noin 10 kertaa voimakkaampi kuin albedon jäähdytysvaikutus (−0.12 K). Lisäksi pensaikon muuntaminen viljelysmaaksi aiheutti vastaavan lämpenemisen. Lämpeneminen liittyi latentin lämpövuon merkityksen vähentymiseen, joka ylitti albedovaikutuksen jopa noin viisinkertaisesti. Samanlainen mekanismi hallitsi sademäärän ääripäiden aikana, jolloin latentin lämpövuon poikkeavuudet hallitsivat energianvaihtoa aiheuttaen voimakkaimman maanpinnan lämpötilan poikkeavuuden ruohostomailla ja savanneilla. Sitä vastoin metsissä vaikutus oli vähäinen. Yhteenvetona voidaan todeta, että tutkielman tulokset selventävät kasvillisuuden dynamiikan vaikutusten mekanismeja ja suuruutta maanpinnan lämpötilaan biomien ja vuodenaikojen välillä. Tulokset ovat tärkeitä Itä-Afrikan maankäytön suunnittelun ja ilmastonmuutoksen hillitsemistoimien ohjaamisessa. Tutkielman menetelmät ja tulokset voivat auttaa kehittämään Itä-Afrikan biomeille räätälöityjä ekosysteemipohjaisia lieventämisstrategioita. Lisäksi niitä voidaan käyttää arvioimaan ilmastomalleja ja havaintopohjaisia globaalin mittakaavan tutkimuksia, jotka keskittyvät maanpeitemuutosten biogeofysikaalisiin vaikutuksiin. Avainsanat: Maanpinnan lämpötilan vuodenaikaisvaihtelu; Maanpeitteen muutos; Pensaikko (AcaciaCommiphora); Biofysikaaliset vaikutukset; Sademäärä; Satelliittikaukokartoitus.
Subject: Geoinformatics
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
climatic.pdf 3.484Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record