Quantifying carbon processes of the terrestrial biophere in a global atmospheric inversion based on atmospheric mixing ratio, remote sensing and meteorological data

The role of land ecosystems as sources or sinks of carbon in response to human perturbation is not well understood given the spatial heterogeneity and the temporal variability of the biospheric CO2 exchange (Ciais et al., 2000). Therefore, understanding and quantifying the role of the land biosphere in the global carbon budget is necessary, particularly the response and feedback of carbon fluxes to climatic controls. Atmospheric CO2 measurements have played a key role in assessing source/sink distributions on global scales using atmospheric CO2 inversions (top-down approach) (e.g. Enting et al. (1995); Kaminski et al. (2002); Bousquet et al. (2000); Rödenbeck et al. (2003); Baker et al. (2006)). Process-based models (bottom-up approaches) of carbon fluxes are also useful tools for exploring the underlying processes involved in the uptake and release of carbon in the terrestrial biosphere. These methods on their own are unlikely to provide enough information to fully understand the biological processes driving the uptake and release of atmospheric CO2. Therefore, within this thesis, we developed a modeling framework that couples bottom-up and top-down approaches and uses different data constraints (atmospheric CO2 concentrations, satellite-driven data, and climate data) in order to quantify the carbon sources and sinks of the terrestrial biosphere. This allows us to better understand the underlying processes by optimizing some internal key parameters of the biosphere model in order to fit the observed CO2 concentrations.Die Rolle von Ökosystemen als Quellen oder Senken von Kohlenstoff infolge der anthro¬pogenen Störung ist noch nicht gut verstanden, insbesondere durch die räumliche Het¬erogenität und zeitliche Variabilität des biosphärischen CO2-Austauschs (Ciais et al., 2000). Deshalb ist es wichtig, die Rolle der Landbiosphäre im globalen Kohlenstoff-Budget zu verstehen und zu quantifizieren, besonders die Reaktionen und Feedbacks der Kohlenstoff-Flüsse auf klimatische Einflüße. Atmosphärische CO2-Messungen spie¬len eine Schlüsselrolle in der Untersuchung der Verteilung von Quellen und Senken auf globaler Skala, wobei atmosphärische CO2-Inversionen zum Einsatz kommen (“Top ¬down approach”) (e.g. Enting et al. (1995); Kaminski et al. (2002); Bousquet et al. (2000); Rödenbeck et al. (2003); Baker et al. (2006)). Prozessorientierte Modelle der Kohlenstoff-Flüsse (“Bottom-up approach”) sind ebenfalls nützliche Werkzeuge, um die Prozesse zu untersuchen, die der Aufnahme und Abgabe von Kohlenstoff durch die ter¬restrische Biosphäre zugrunde liegen. Diese einzelnen Methoden für sich können aber noch nicht genug Informationen liefern, um die biologischen Prozesse der Aufnahme und Abgabe von Kohlenstoff voll zu verstehen. In dieser Dissertation haben wir de¬shalb ein Modellsystem entwickelt, das “Top-down approach” und “Bottom-up approach” koppelt und verschiedene Datenströme nutzt (atmosphärische CO2-Konzentration, satel¬litenbasierte Daten, Wetterdaten). Ziel ist, die Kohlenstoff-Quellen und -Senken der Biospäre zu quantifizieren und die zugrundeliegenden Prozesse zu verstehen, indem in¬terne Schlüsselparameter durch Anpassung an die CO2-Beobachtungen optimiert werden