Canopy processes, fluxes and microclimate in a pine forest

Interaction between forests and the atmosphere occurs by radiative and turbulent transport. The fluxes of energy and mass between surface and the atmosphere directly influence the properties of the lower atmosphere and in longer time scales the global climate. Boreal forest ecosystems are central in the global climate system, and its responses to human activities, because they are significant sources and sinks of greenhouse gases and of aerosol particles. The aim of the present work was to improve our understanding on the existing interplay between biologically active canopy, microenvironment and turbulent flow and quantify. In specific, the aim was to quantify the contribution of different canopy layers to whole forest fluxes. For this purpose, long-term micrometeorological and ecological measurements made in a Scots pine (Pinus sylvestris) forest at SMEAR II research station in Southern Finland were used. The properties of turbulent flow are strongly modified by the interaction between the canopy elements: momentum is efficiently absorbed in the upper layers of the canopy, mean wind speed and turbulence intensities decrease rapidly towards the forest floor and power spectra is modulated by spectral short-cut . In the relative open forest, diabatic stability above the canopy explained much of the changes in velocity statistics within the canopy except in strongly stable stratification. Large eddies, ranging from tens to hundred meters in size, were responsible for the major fraction of turbulent transport between a forest and the atmosphere. Because of this, the eddy-covariance (EC) method proved to be successful for measuring energy and mass exchange inside a forest canopy with exception of strongly stable conditions. Vertical variations of within canopy microclimate, light attenuation in particular, affect strongly the assimilation and transpiration rates. According to model simulations, assimilation rate decreases with height more rapidly than stomatal conductance (gs) and transpiration and, consequently, the vertical source-sink distributions for carbon dioxide (CO2) and water vapor (H2O) diverge. Upscaling from a shoot scale to canopy scale was found to be sensitive to chosen stomatal control description. The upscaled canopy level CO2 fluxes can vary as much as 15 % and H2O fluxes 30 % even if the gs models are calibrated against same leaf-level dataset. A pine forest has distinct overstory and understory layers, which both contribute significantly to canopy scale fluxes. The forest floor vegetation and soil accounted between 18 and 25 % of evapotranspiration and between 10 and 20 % of sensible heat exchange. Forest floor was also an important deposition surface for aerosol particles; between 10 and 35 % of dry deposition of particles within size range 10 30 nm occurred there. Because of the northern latitudes, seasonal cycle of climatic factors strongly influence the surface fluxes. Besides the seasonal constraints, partitioning of available energy to sensible and latent heat depends, through stomatal control, on the physiological state of the vegetation. In spring, available energy is consumed mainly as sensible heat and latent heat flux peaked about two months later, in July August. On the other hand, annual evapotranspiration remains rather stable over range of environmental conditions and thus any increase of accumulated radiation affects primarily the sensible heat exchange. Finally, autumn temperature had strong effect on ecosystem respiration but its influence on photosynthetic CO2 uptake was restricted by low radiation levels. Therefore, the projected autumn warming in the coming decades will presumably reduce the positive effects of earlier spring recovery in terms of carbon uptake potential of boreal forests.Maanpinnan ja ilmakehän välinen massan ja energian vaihto vaikuttaa suoraan ilmakehän alimman kerroksen, rajakerroksen, paikallisiin ominaisuuksiin ja pitemmällä aikajänteellä globaaliin ilmastoon. Boreaaliset metsät ovat keskeinen osa ilmastosysteemiä mm. merkittävinä hiilivarastoina ja aerosolihiukkasten lähteinä. Työssä tarkasteltiin latvuston rakenteen vaikutusta turbulenttisen, kaoottisen ja satunnaisen, virtauskentän ominaisuuksiin metsän sisällä sekä mikroilmaston ja latvusprosessien kuten fotosynteesin, kasvien lävitse tapahtuvan haihdunnan (transpiraatio) sekä aerosolihiukkasten deposition välisiä yhteyksiä. Erityisenä tavoitteena oli selvittää miten metsikön eri osat vaikuttavat ja osallistuvat koko metsikön ja ilmakehän välisiin vuorovaikutusprosesseihin. Työssä hyödynnettiin mikrometeorologisia mittauksia Helsingin Yliopiston Hyytiälän (Juupajoki) mittausasemalta (SMEAR II). Energian ja aineiden, kuten kasvihuonekaasujen, kuljetus metsän ja ilmakehän välillä tapahtuu pääasiassa säteilynä sekä turbulenssin ajamana. Turbulenttisen virtauksen ominaisuuksien tunteminen latvuston sisällä onkin tärkeää tutkittaessa ja mallinnettaessa näitä ainevirtoja. Työssä havaittiin virtauksen ominaisuuksien latvuksen sisällä vaihtelevan voimakkaasti pystysuunnassa mutta riippuvan kvalitatiivisesti metsän yllä vallitsevasta kerrostuneisuudesta. Tutkitussa tyypillistä kasvatusmännikköä edustavassa metsässä turbulenssi on suhteellisen voimakasta pois lukien öiset ja talviset tilanteet, jolloin rajakerros on voimakkaan stabiilisti kerrostunut. Voimakkaan sekoittumisen vuoksi pystysuuntaiset pitoisuuserot (CO2, kosteus, lämpötila) ilmassa pysyvät pieninä metsän sisällä. Mikroilmaston ja latvusrakenteen vaikutuksia fotosynteesin ja transpiraation voimakkuuteen latvuksen eri osissa selvitettiin mallintamalla metsikkö yksiulotteisena. Mallitulokset tukevat käsitystä että pystysuuntaiset muutokset fotosynteesinopeudessa ja transpiraation voimakkuudessa aiheutuvat ensisijassa valon pystyjakaumasta latvuston sisällä ja muitten ympäristötekijöiden pystyvaihtelu on vähemmän merkityksellistä. Työssä havaittiin metsikkötason fotosynteesin ja erityisesti transpiraation olevan huomattavan herkkiä erilaisille verso- tai lehtitason ilmarakosäätömallille. Mikrometeorologisten vuonmittausten ja mallitulosten perusteella tyypillisen kasvatusmännikön fotosynteesistä noin 10 % ja haihdunnasta noin 20 25 % on peräisin aluskasvillisuudesta. Vastaavasti noin 10 30 % aerosolihiukkasten kuivadepositiosta tapahtuu latvuston alapuolelle. Pohjoisilla leveysasteilla ympäristötekijöiden vuodenaikaisvaihtelu on voimakasta, mikä luonnollisesti heijastuu myös ekosysteemien toimintaan. Tästä syystä myös energia- ja ainevirtojen suuruudet ja suunta metsän ja ilmakehän välillä vaihtelevat vuodenajoittain. Vastaavasti eri ympäristötekijöiden rooli biologisten ja fysikaalisten prosessien säätelijöinä riippuu vuodenajasta. Ympäristötekijöiden lisäksi havupuiden vuosisyklillä on suuri merkitys latvustoon absorboituvan säteilyenergian jakautumiselle. Keväällä mäntyjen ilmarakosäätö on voimakasta, haihdunta pysyy vähäisenä ja valtaosa energiasta kuluu havaittavan lämmön vuohon pinnasta ilmakehään. Kevään edetessä fotosynteesikoneiston tehokkuus kasvaa ja haihdunta kasvillisuudesta lisääntyy huomattavasti ja loppukesästä latentin ja havaittavan lämmön vuot ovat likimain yhtä suuria. On huomionarvoista että ilmakehän kannalta boreaaliset havumetsät ovat dynaamisia rakenteita ja tulosten perusteella havupuiden vuosisykli ja sen vaikutukset pinnan energiataseeseen tulisi huomioida entistä tarkemmin mm. säänennustus- ja ilmakehämalleissa. Laajemmin työn tulokset ovat hyödynnettävissä lähinnä tarkennettaessa boreaalisten metsien kuvausta ilmakehämallien dynaamisissa kasvillisuusmalleissa sekä metsähydrologisissa malleissa