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Assessing methane emissions from wetlands

a multi-model comparison and bias analysis in Canada and Scandinavia

Lorenz Ferchländer

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Environmental Systems: Processes - Pollution - Solutions

Betreuer*in

Andreas Stohl

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DOI

10.25365/thesis.78856

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-18255.38838.201289-8

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Angesichts der rund 28 bis 34-fach höheren Treibhauswirkung gegenüber CO2, trägt Methan (CH4), trotz geringerer atmosphärischer Konzentration, nach CO2 am zweitstärksten zum anthropogenen Strahlungsantrieb bei. Feuchtgebiete bilden dabei die mit Abstand bedeutendste natürliche Methanquelle. Die große Spannbreite heutiger Emissionsmodelle für Feuchtgebiete führt jedoch zu entscheidenden Unsicherheiten im globalen Methanbudget. Diese Unsicherheiten beeinträchtigen die Verlässlichkeit von Klimaprognosen. Als ersten Schritt haben wir die vier Methanflussmodelle für Feuchtgebiete: wetCHART, FLUXNET-CH4, Poulter et al. (2017) und CAMS über Kanada und Skandinavien ausgewertet und ihre monatlichen Flussfelder verglichen. Die vier Modelle sagen dabei stark unterschiedliche Emissionen voraus: In Kanada erreicht Poulter Höchstwerte von etwa 7 Tg CH4 im Sommer, während FLUXNET nur ungefähr 30 % davon voraussagt und CAMS und wetCHART dazwischen liegen. In Skandinavien variieren die sommerlichen Emissionsgipfel um etwa 50 % zwischen dem stärksten Szenario (Poulter) und dem monatlich jeweils schwächsten Modell. Danach haben wir die Abweichungen der CAMS-Modellkonzentrationen von den NOAA Obspack-Messwerten für die Messstationen BCK und ETL in Kanada, sowie PAL und SVB in Skandinavien, für das Jahr 2022 berechnet, nachdem wir zuvor die regionalen Hintergrundsignale (Alert (ALT) in Kanada; Mace Head (MHD) in Skandinavien) subtrahiert hatten. Diese vier Stationen wurden auf Basis einer FLEXPART-hergeleiteten „Footprint” und „Source Contribution”-Analyse ausgewählt. Wir haben uns für die Regionen Kanada und Skandinavien entschieden, weil beide Gebiete ausgedehnte boreale Feuchtgebiete aufweisen und über ein vergleichsweise dichtes Netz an in situ CH4- Messstationen verfügen. Für die skandinavischen Messstationen PAL und SVB liegen die hintergrundkorrigierten CAMS-Biaswerte zwischen etwa –33 und +28 ppbv, ohne ein klar erkennbares saisonales Muster. Trotz teils erheblicher Abweichungen in einzelnen Monaten stimmen die korrigierten Modellwerte über das gesamte Jahr hinweg sehr gut mit den Beobachtungen überein (jährlicher Median < 2,2 ppbv). Zur weiteren Minimierung verbliebener saisonaler Verzerrungen ist jedoch eine umfassende Überarbeitung aller zugrunde liegenden Emissionsinventare, nicht nur der Feuchtgebietsanteile, notwendig. Im Gegensatz dazu prägen Feuchtgebiete das Emissionsbild in Kanada so stark, dass sich der Großteil der ermittelten Biaswerte und ihre Saisonalität auf die Feuchtgebietsquellen zurückführen lässt. Nach der Korrektur des Hintergrundsignals liegen die CAMS-Biaswerte im Winter nahe bei Null, steigen aber im Sommer deutlich an und weisen jährliche Mediane von +8,65 ppbv an der Station ETL und +28,67 ppbv an der Station BCK auf. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass das CAMS-Modell die Feuchtgebietsemissionen während der Sommerzeit, in der Feuchtgebiete aktiv sind, deutlich überschätzt. Unsere Ergebnisse für Kanada zeigen, dass die Verwendung von emissionsärmeren Feuchtgebiet-Flussmodellen, bei der Modellierung von Methan-Konzentrationsfeldern, diese Überschätzung der Emissionen deutlich reduzieren kann. Unter den in dieser Arbeit untersuchten Modellen weist FLUXNET dabei den geringsten, sommerspezifischen Bias auf und erweist sich somit als besonders geeigneter Kandidat. WetCHART erzeugt Bias-Verläufe, die sehr eng an denen von CAMS liegen und bietet sich daher auch als brauchbares initiales Emissionsflussmodell für kanadische Feuchtgebiete an. Allerdings sollte hier eine Schnee-Maske zur Korrektur der Winterüberschätzungen angewendet werden.

Abstract

(Englisch)

Methane, despite its much lower atmospheric concentration compared to CO2, exerts the second largest radiative forcing of the major greenhouse gases due to its high heattrapping efficiency. Wetlands constitute the single largest natural source of CH4, yet as Saunois et al. (2019) show, uncertainties in wetland flux estimates are the dominant contribution to the overall methane budget uncertainty. These discrepancies undermine the reliability of climate projections. To address this, we evaluated four wetland CH4-flux scenarios: wetCHART, FLUXNETCH4, Poulter et al. (2017) and CAMS, by comparing their monthly emission fields over Canada and Scandinavia. We chose these two regions, because both contain extensive boreal wetland coverage alongside a relatively dense network of in situ CH4 measurement stations. The four scenarios yield vastly different flux estimates: Canadian summer peaks reach up to ∼ 7 Tg (Poulter), yet the FLUXNET-CH4 summer maximum of ∼ 2.2 Tg is only about 30 % of the Poulter et al. (2017) estimate. CAMS and WetCHART fall in between in both regions, whereas Scandinavian peaks vary by ∼50 % between the highest (Poulter) and the respective lowest scenarios. Subsequently, we compared 2022 CAMS surface CH4 concentrations against NOAA Obspack observations at East Trout Lake (ETL) and Behchoko (BCK) in Canada and Pallas (PAL) and Svartberg (SVB) in Scandinavia, subtracting the monthly median background signal from Alert (ALT) and Mace Head (MHD), respectively. These two stations were selected, based on a FLEXPART-derived footprint and source contribution analysis. In Scandinavia, atmospheric mole fractions as simulated with the CAMS model have biases at PAL and SVB that range between –33 and +28 ppbv, without a clear seasonal pattern, reflecting the combined influence of wetland and anthropogenic sources, as well as influences from the subtraction of the background station´s seasonal pattern. Despite substantial deviations during individual months, background-corrected concentrations remain closely aligned with observations throughout the year (annual median bias < 2.2 ppbv), underscoring the CAMS model’s high overall agreement with the observations in Scandinavia. Improving seasonal biases in this region will therefore require an effort to refine all prior emission sources, rather than targeting wetlands alone. In contrast, wetlands dominate the regional emission landscape over Canada and thus, for this region, the major part of the calculated biases and their seasonality can be attributed to wetlands. Here, background-corrected CAMS biases remain near zero through winter and increase during the active summer season, with annual medians of +8.65 ppbv at ETL and +28.67 ppbv at BCK. These findings reveal that the CAMS fluxes substantially overestimate wetland emissions during the peak season. These results for Canada suggest that adopting lower-emission wetland priors during the active season could significantly mitigate summer overpredictions. From our wetland scenario-specific bias analysis, FLUXNET emerges as the most promising model to reduce summer model biases in Canada, whereas wetCHART (with an applied snowcover mask to correct winter overestimates) exhibits biases slightly below those of CAMS and may also serve as a suitable emission prior for Canadian wetlands.

Autor*innen

Lorenz Ferchländer

Haupttitel (Englisch)

Assessing methane emissions from wetlands

Hauptuntertitel (Englisch)

a multi-model comparison and bias analysis in Canada and Scandinavia

Publikationsjahr

2025

Umfangsangabe

76 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Andreas Stohl

Klassifikation

43 Umweltforschung > 43.00 Umweltforschung. Umweltschutz. Allgemeines

AC Nummer

AC17596277

Utheses ID

76623

Studienkennzahl

UA | 066 | 299 | |

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Schlagwörter