Terrestrial ecosystem-climate interactions of our EMERALD planet

Planter regulerer kretsløpene av karbondioksid og vann, justerer atmosfærens sammensetning og påvirker hvordan landskapet tar opp i seg og reflekterer sollys. Vegetasjonen endres som følge av et endret klima, og den både formes av - og former - omgivelsene. Vegetasjonen spiller derfor en viktig rolle i det som kalles tilbakekoplinger i klimasystemet. For eksempel, dersom klimaet endrer skoggrensen, vil endringene på bakken påvirke snødekke, mengden solstråling som reflekteres, hvor mye vann som fordamper, og hvor mye karbon som bindes - prosesser som igjen virker tilbake på klimaet. Slike tilbakekoblinger kan være positive (forsterker klimaendringene) eller negative (motvirker klimaendringene). EMERALD er et tverrfaglig og nasjonalt koordinert prosjekt som har samlet forskningsmiljøer i Norge som alle arbeider med å forstå vegetasjonens rolle i klimasystemet gjennom innsamling av data, eksperimenter og modellutvikling. Spesielt har vi arbeidet med å forbedre representasjonen av vegetasjon i globale klimamodeller. Fokus har vært på boreale og arktiske økosystemer, så som eviggrønne trær, løvtrær, busker, moser og lav - vegetasjonstyper som per i dag ikke er tilfredsstillende representert i klimamodeller. I EMERALD har vi arbeidet tverrfaglig på tvers av forsknings- og kompetanseområder. EMERALD har hatt tre spesifikke mål: (a) forbedret representasjon av vegetasjon i landmodulen (CLM) i den norske klimamodellen (NorESM), (b) integrere data og kunnskap fra feltbasert økosystemforskning i modellutvikling, testing og evaluering, og (c) forbedre klimafremskrivningene for våre nordlige områder. I tillegg til CLM ble en mer avansert dynamisk modellversjon benyttet (CLM-FATES) som modellerer vegetasjonsendringer og vekselvirkning med omgivelsene på en bedre måte. Ved å utvikle en felles modellplattform (NorESM Land Sites Platform) og et brukervennlig grensesnitt for kjøring av CLM-FATES for utvalgte EMERALD lokaliteter, er det lagt til rette for koordinert testing og modellutvikling, også for ikke-eksperter. Man har for eksempel testet hvordan vegetasjonen endres i modellen i takt med økende temperatur og sammenlignet med forsøk i felt. Plattformen er åpent tilgjengelig (via GitHub) og er brukt med god erfaring innen undervisning (UiO). Plattformen var sentral for mye av arbeidet i prosjektet og tilrettelagt for tverrfaglig samarbeid både internt og med eksterne partnere. Utviklingen ble utført i tett samarbeid med IT-miljøet ved Institutt for geofag (UiO), og er dokumentert i en egen artikkel. Vegetasjonen er i CLM-FATES representert ved hjelp av ‘Plant Functional Types’ (PFTs). Vi har spesifikt arbeidet med å inkludere moser og lav som egne PFT’er. Resultater viser at vår modell kan beskrive den lavere fotosyntesehastigheten til mose sammenlignet med gress – i tråd med observasjoner. Vi arbeidet også med utvikling av en ny beskrivelse av nedbrytning av organisk materiale i jord samt representasjon av vegetasjonens dødelighet i FATES knyttet til frost-prosesser. Feltarbeid og felteksperimenter var lokalisert på Svalbard, Finse, Hedmark, Vestlandet, og i Finnmark, og var i stor grad knyttet til eksisterende prosjekter og forskningsinfrastruktur. Det har vært en betydelig feltaktivitet, i hovedsak om sommeren, men også enkelte vinterforsøk. Her kan nevnes et varmeeksperiment på Finse hvor man simulerte perioder med snøsmelting og episoder med regn på snø (mulig påvirkning på vegetasjonen ble målt etterfølgende sommer), samt forsøk både i felt og laboratoriet der vi så på ulike planters tåleevne knyttet til miljøfaktorer (som ekstrem temperatur, lysforhold, luftfuktighet og tørke). Videre har vi studert fordampningens rolle i vannbalansen både på lokal og regional skala samt effekten av restaurering av myr på vann-, energi- og karbonbudsjettet. EMERALD har lagt stor vekt på formidling av forskningen og har en aktiv webside hvor nyheter publiseres fortløpende, inkludert relevante fagartikler og populærvitenskapelige innlegg. I samarbeid med Senter for Biogeokjemi i Antropocen (CBA) ved UiO bidro EMERALD med fire artikler (2022) i et spesialnummer av Naturen – et kjent populærvitenskapelig tidsskrift. Resultater er også formidlet gjennom Norsk Klimaservicesenter, og som bidrag til utstillinger og media (blogg, aviser, mm.). Den midlertidige utstillingen «Natur i Endring» utviklet av EMERALD og først vist i Klimahuset ved åpningen i 2020, ble i 2021 flyttet til Norsk Fjellmuseum i Lom hvor den står fortsatt. Utstillingen legger særlig vekt på tilbakekoblinger mellom klima og vegetasjon og er rettet mot et ungt publikum. Resultater fra EMERALD er formidlet i brukermøter med deltagere fra jord- og skogbruksnæringen. Verd å nevne er også våre bidrag til en blogg på forskning.no «Søkelys på skogplanting». Tverrfaglig kunnskap knyttet til vegetasjon og samspill med klima står sentralt i kurset Økologisk klimatologi ved UiO og i et kurs ved UiB som tilbyr praktisk opplæring i anvendelser av plantefunksjonelle egenskaper.

EMERALD has strongly impacted the scientific community. We have formed a unique and interdisciplinary research community across Norway, united around the role of high latitude vegetation in the climate system. Several PhDs have been educated in EMERALD and synergy projects, and postdocs and researchers have developed expertise that is now integrated in research and developments in all EMERALD participant institutions and beyond. Together, we have made significant improvements in NorESM, including terrestrial ecosystems impacts and feedbacks through an observational model-based approach - building on novel observational systems and field and lab experiments. Data that have been key for the development, testing and evaluation of models, representative for our northern climate, including snow-vegetation interactions and frost processes. Increased knowledge gained in EMERALD through novel data acquisition and model development focusing on high latitude processes, have the potential to improve trust in projections of high latitude climate change – projections that are widely used to inform policy makers. The improvements in NorESM will further contribute to the next round of climate projections used by the IPCC (CMIP7) and the Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), a working group of the Arctic Council. As such, EMERALD responds to the societal need for improved climate change projections in northern environments.

Plants shape and are being shaped by climate on our Emerald Planet. Vegetation operates in feedbacks in the climate system, involving also the atmosphere, soils and the hydrological cycle. Shifts and migration of vegetation as a result of climate change are already taking place in northern environments. Research groups in Norway are currently contributing key knowledge on the interactions and feedbacks between land surface processes, terrestrial ecosystems and the climate systems, yet progress is hampered by the field being scattered and fragmented. EMERALD leadership brought together these research communities in two national seminars on terrestrial vegetation and ecological climatology in 2016 and 2017. Building on this, EMERALD will consolidate, structure, and develop this interdisciplinary research field by engaging global and regional scale climate modellers, land surface process experts and ecologists in a joint effort to assess ecosystem states and dynamics in response to climate variability and change. The focus is on high latitudes with boreal, alpine and Arctic vegetation, including Svalbard in a larger pan-Arctic context. EMERALD integrates across existing data from a wealth of already existing field sites covering a wide range of high latitude ecosystems, experimental facilities and observational systems such as SIOS (Svalbard) and ICOS flux towers in northern environments Based on observations EMERALD aims to explain the processes and improve their representation in the Norwegian Earth System model (NorESM) with a long-term goal to improve climate projections. EMERALD takes research in Norway on terrestrial ecosystems-climate interactions a big leap ahead. Our results will be disseminated to the public, targeted policy and decision makers and scientists. At the Climate House of the Natural History Museum, EMERALD will contribute to exhibitions, tours and lectures. Stakeholder groups will be involved through the Norwegian Centre for Climate Services.