Fine-spatial radiation measurements for heterogeneous boreal–alpine and sub-alpine vegetation

Abstract

Net radiation constitutes the most important component shaping the climate in the lower atmosphere and the land surface below. The flux determines the amount of energy available for exchange as sensible and latent heat, and for biochemically and physically storage in the vegetation cover and ground. Given that the incoming radiation for a heterogenous land surface has the same density over the whole surface, the net radiation will vary among the different surface patches of vegetation. This is dependent on the unique combination of the shortwave reflectance, surface temperature and the longwave emissivity. Because of global warming, rapidly northwards and elevational shifts of tree lines and altered vegetation compositions occur in the boreal–alpine and sub-alpine ecotones. The fine-spatial heterogeneity of vegetation cover and topography in these ecotones requires radiation measurements with fine-spatial resolution able to capture only one surface patch at a time and such assure homogeneity within the measurement. The main objective of this thesis was to develop knowledge of effective use of fine-spatial radiation measurements for heterogeneous boreal–alpine and sub-alpine vegetation, and as such improve the understanding of the radiative feedback effect on climate as the vegetation changes in these ecotones.

The first study presented a methodology for providing surface cover-corrected net radiation at heterogeneous eddy covariance sites. Despite significant differences in net radiation detected for the typical sub-alpine vegetation types, the surface covercorrected net radiation did not improve the energy balance. Based on the experience of the in situ use of the net radiometer tower from the eddy covariance site, the second study focused on providing summertime mountain birch albedo measurements in the boreal–alpine tree line. Fine-spatial shortwave reflected radiation was measured for single trees in sloping terrain by using an easily movable and adjustable tower structure. It was found that taller and wider tree crowns of mountain birch will reduce the summertime boral–alpine albedo. Additionally, it was revealed that the appropriateness of horizontally measured albedo of single trees in sloping terrain depends on the spatial size of the footprint of the downward-looking pyranometer relative to the size of the tree subject to observation. The height of the trees included in the second study was limited by the height of the movable radiation tower. Hence, the third and last study exploited an unmanned aerial vehicle (UAV) mounted with an upward-looking and downward-looking pyranometer to measure single-tree albedo. The study focused on Norway spruce trees in the boreal–alpine tree line during winter. The snow-masking effect had statistically significant effect on the albedo and was found stronger than the effects of the tree structure. To improve the spatial precision of UAV-measured albedo for small single trees, it is necessary to equip the UAV with a high-precision positioning system and the downward-looking pyranometer with a field-stop device.

This thesis reports on findings about net radiation and albedo for typical vegetation in the boreal–alpine and sub-alpine ecotones. The radiative proximal remote sensing methods demonstrated here, gain important experience which is valuable for further fine-spatial radiation measurements. This might be particularly useful for heterogeneous vegetation surfaces where typical coarse-scaled tower measurements and remote sensing products fail. Hopefully, the thesis will inspire future seeking of effective radiation measurement strategies which are necessary as the vegetation changes in the mountainous areas.

Nettostråling utgjør den viktigste faktoren som former klimaet i den nedre delen av atmosfæren og landoverflaten under. Denne fluksen kontrollerer mengden energi som er tilgjengelig for utveksling av følbar og latent varme, og for biokjemisk og fysisk lagring i vegetasjonsdekket og bakken. Gitt at den innkommende strålingen for en heterogen landoverflate har samme tetthet over hele området, vil nettostrålingen variere mellom de ulike vegetasjonsflatene. Dette avhenger av den unike kombinasjonen av refleksjonsevnen av kortbølget stråling, overflatetemperaturen og den langbølgede emissiviteten. På grunn av den globale oppvarmingen endres vegetasjonssammensetningen og tregrensen i de boreal–alpine og subalpine økotonene. Den finskala variasjonen i vegetasjonsdekke og topografi i disse økotonene krever strålingsmålinger med romlig oppløsning slik at homogenitet er til stede i fotavtrykket deres. Hovedmålet med denne avhandlingen var å tilegne kunnskap og erfaring om finskala strålingsmålinger for heterogen boreal–alpin og subalpin vegetasjon, og slik forbedre forståelsen av tilbakekoplingseffekten på klimaet på grunn av endret strålingsbalanse etter hvert som vegetasjonen endrer seg i disse økotonene.

I den første studien ble det presentert en metode for å skaffe overflatekorrigert nettostråling for heterogene eddy-kovarianslokaliteter. Til tross for at det ble funnet signifikante forskjeller i nettostråling for de typiske subalpine vegetasjonstypene, forbedret ikke den overflatekorrigerte nettostråling noe av ubalansen i energiregnskapet. Basert på erfaringene fra bruken av nettostrålingstårnet i den første studien, var fokuset i den andre studien å skaffe målinger av sommertids albedo til fjellbjørk i den boreal–alpine tregrensen. Fin-romlig kortbølget reflektert stråling ble målt for enkelttrær i skrånende terreng ved å bruke et enkelt flyttbart og justerbart målingstårn. Det ble påvist at høyere fjellbjørketrær med bredere trekroner vil redusere den boreal–alpine albedoen på sommerstid. I tillegg viste funnene at egnetheten av horisontalmålt albedo av enkelttrær i skrånende terreng avhenger av den romlige størrelsen på fotavtrykket til det nedad rettede pyranometeret relativt til størrelsen på treet målingene ble utført på. Høyden på trærne inkludert i den andre studien var begrenset av høyden på det flyttbare målingstårnet. I den tredje og siste studien ble derfor en drone med påmontert nedad rettet og oppad rettet pyranometre utnyttet til å måle albedo. Studien tok for seg enkelttrær av gran i den boreal–alpine tregrensen på vinterstid. Skyggeeffekten av trærne på snøen var statistisk signifikant for albedoen, og denne effekten var også sterkere enn de strukturelle effektene til trærne. For å forbedre den romlige presisjonen til albedo målt med drone for små enkelttrær vil det være nødvendig å utstyre dronen med et posisjoneringssystem med høy presisjon og det nedad rettede pyranometeret med en skjerm som innskrenker dets synsfelt.

Denne avhandlingen rapporterer om funn av nettostråling og albedo for typisk vegetasjon i de boreal–alpine og subalpine økotonene. Målemetodene som har blitt demonstrert her, gir viktig kunnskap og erfaring som er verdifulle for videre utvikling av finskala strålingsmålinger. Dette vil være spesielt nyttig for heterogene vegetasjonsområder der vanlige grovskalerte strålingsmålinger fra flukstårn og fjernmålingsprodukter er utilstrekkelige. Forhåpentligvis vil denne avhandlingen inspirere for fremtidig søken etter å effektivisere observasjonsmetodene av stråling som er nødvendig etter hvert som vegetasjonen endres i fjellområdene.