Observación sistemática de los gases de efecto invernadero.

La red ICOS (“Integrated Carbon Observation System”)

A. Carrara, Fundación CEAM

Jornada sobre Cambio ClimáticoObservatorios de Gases de Efecto Invernadero y Planes de Acción

ECOFIRA (11ª Feria Internacional de las Soluciones Medioambientales) Valencia, 1 de Marzo 2012

Concepto general

El concepto de base de ICOS es el establecimiento de una redde observación sistemática del ciclo de los principales gases de efectoinvernadero a largo plazo, constituida por estaciones de medidas dealta precisión, para la medición de los flujos de gases de efectoinvernadero de los ecosistemas terrestres y su concentración en laatmósfera, así como de los intercambios de CO2 entre la atmósfera ylos océanos.

ICOS apareció en la hoja de ruta ESFRI en 2008

• ESFRI selecciona infraestructuras que son consideradas de alta relevancia y prioridad para la investigación en Europa y que requieren la colaboración entre varios países europeos para poder implementarse.

Una infraestructura

estratégica a nivel

europeo

Proceso de priorización española de proyectos ESFRI

Alto: son proyectos de elevado interés para la comunidad científico-tecnológica, que tienen un potencial alto para la internacionalización de infraestructuras, laboratorios y/o servicios nacionales, o con gran relevancia de las instituciones y/o empresas que han mostrado su apoyo.

ICOS es considerado de alto grado de interés para España.

http://www.mineco.gob.es/stfls/mineco/investigacion.html

Red de estaciones / observación sistemática (3 componentes):- atmosférico: “Tall towers”, “aircraft”, ”flask sampling”- ecosistema: “Flux towers”- marino: “Fixed stations”, “VOS lines”

“Infraestructuras centrales”:- Atmospheric Thematic Center (France, Finland)- Ecosystem Thematic Center (Italy, France, Belgium)- Ocean Thematic Center (Norway, Spain, UK)- Central Analytical Laboratory (Germany)- Carbon Portal (Sweden?, Netherlands?)- Headquarters (Finland, France)

ICOS: Una infraestructura distribuida de estaciones de medidas diseñada alrededor de instalaciones centrales destinadas a optimizar la eficiencia global:

Concepto general

Base Científica

El Panel Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, AR4, 2007)ha establecido con certeza, que el aumento observado de temperatura se debe principalmente a la creciente presencia de gases de efecto invernadero en la atmósfera, producida por emisiones de origen antropogénico, que alcanzan los ciclos naturales del dióxido de carbono (CO2), del metano (CH4) y del óxido nitroso (N2O).

Base Científica: ciclo de carbono global

Destino de las emisiones antropogenicas de CO2 (2000-2006)

Canadell et al. 2007, PNAS

1.5 Pg C y-1

2.8 Pg y-1

+7.6 Pg C y-1

Atmosfera45%

4.1 Pg y-1

Ecosistemas terrestres

30%

Oceanos25%

2.2 Pg y-1

pasado

El conocimiento del ciclo de carbono en ecosistemas terrestres no permite explicar de forma satisfactoria las importantes variaciones temporales (interanuales) y espaciales observadas.

Balance de carbono de los ecosistemas terrestresFlu

jo de

Car

bono

(Pg C

y-1)

Balance de carbono de los ecosistemas terrestres

La incertidumbre asociada al actual conocimiento del ciclo del carbono es uno de los factores que determinan la incertidumbre de las predicciones climáticas en los actuales modelos globales.

Terre

strial

Bios

pher

e C si

nk (P

g C y-1

)

Modelos de ciclo de carbono terrestre

Modelos de clima

ICOS y el ciclo de carbono

ICOS y el ciclo de carbonoIntercambios

atmósfera-vegetación

Intercambios

atmósfera-océanosConcentración

atmosféricaEmisiones

ICOS y el ciclo de carbonoIntercambios

atmósfera-vegetación

Intercambios

atmósfera-océanosConcentración

atmosféricaEmisiones

Componente atmosférico:

concentraciones atmosféricas de CO2, CH4, N2O, CO y radiocarbono-CO2 para cuantificar las emisiones de combustible fósil

Componente atmosférico“Tall towers”, “Aircraft”, “Flask Sampling”

Type Parameters

Core (continuous) CO2, CH4, CO

Core (continuous)Meteorological parameters: P,

T, RH, wind

Core (continuous) Boundary layer height

Additional CO2 flux

Core (periodic) CO2, CH4, N2O, SF6, CO, H2, O2/N2

Core (periodic) 13C, 18O, 14C in CO2

Additional (Cont.) N2O, SF6

Additional(periodic) Radon-222

Additional (Cont.)

O2/N2, 13C, 18O, 14C

Network of atmospheric stationsICOS Foreseen network

ICOS Atmospheric stationsTall towers

Flask sampling

ICOS y el ciclo de carbonoIntercambios

atmósfera-vegetación

Intercambios

atmósfera-océanosConcentración

atmosféricaEmisiones

Componente ecosistemas:

flujos a nivel de ecosistemas de CO2, CH4, N2O, H2O, y calor, junto con las variables de ecosistema necesarias para entender los procesos que los gobiernan

Componente atmosférico:

concentraciones atmosféricas de CO2, CH4, N2O, CO y radiocarbono-CO2 para cuantificar las emisiones de combustible fósil

Componente terrestre (ecosistemas)

“Flux towers”

Type Parameter

Core CO2, H2O, Sensible heat fluxes

Core High precision CO2 vertical profile

Core Global, Net, Reflected, Diffused radiation

Core Air and soil temperature profiles

Core Wind speed profile

Core Soil Water Content profile

Core Precipitation, Snow height, Troughfall

Core Soil Heat fluxes

Core Soil carbon content

Core Biomass

Core Management and disturbances

Core CH4 Fluxes

Core N2O Fluxes

Core Canopy temperature

Core Spectral reflectance

Core Below canopy Photosynthetic Active Radiation

Core Groundwater level

Core Sap flow

Core Soil respiration, Plant respiration

Core Phenology camera

Core N deposition

Core Leaves and soil water N content

Core Litter fall

Core C and N import and export (management)

Network of ecosystem stations ( )Foreseen network

ICOS Ecosystem stations

content profiles

ICOS Ecosystem stations

ICOS y el ciclo de carbonoIntercambios

atmósfera-vegetación

Intercambios

atmósfera-océanosConcentración

atmosféricaEmisiones

Componente ecosistemas:

flujos a nivel de ecosistemas de CO2, CH4, N2O, H2O, y calor, junto con las variables de ecosistema necesarias para entender los procesos que los gobiernan

Componente Oceánico:

Presión parcial de CO2 en la superficie del océano, junto con el pH y otras variables necesarias para cuantificar y entender los intercambios de carbono entre atmósfera y océanos

Componente atmosférico:

concentraciones atmosféricas de CO2, CH4, N2O, CO y radiocarbono-CO2 para cuantificar las emisiones de combustible fósil

Componente oceánico“Fixed Stations”, “VOS lines”

Type Parameters Frequency

Core atmospheric CO2, Ocean p CO2, total atm,pressure, continuous (30 min)

Core sea surface temperature and salinity continuous (30 min)

Core Meteorological parameters 4-hourly

Core CO2, CH4, N2O, SF6, CO, H2, O2/N2 weekly

Core 13C, 18O, 14C in CO2 weekly

Fixed stations (time series)

Photos: M. Gonzalez-Davila, J, M. Santana-Casiano, U. Las Palmas Gran Canaria

BoyasBuques pequeños dedicados a la investigacion

VOS lines

“Thematic centers”

- Data management- Data Quality Control- Ensure high level of standardization - Instrumentation R&D - Support stations- Training

Infraestructuras centrales

- Atmosphere- Ecosystems- Ocean

“Calibration and Analytical Laboratories”

- Calibration- Flask analysis - Provide high quality standard

Infraestructuras centrales

ICOS en el marco internacional

ICOS implementation Agenda

R&D, design studies

2000-2008Preparatory Phase

2008-2013Construction Phase

2012-2016Operational Phase

> 2014

European projects:CarboEurope-IPCarboOceanGeomon, IMECC, …

European project “ICOS-Preparatory Phase”:http://www.icos-infrastructure.eu/4.3 M€, 13 countries, 16 partners

Consorcio ICOS-Spain (formado en 2010)

ICOS Spanish National Focal Point: María José Sanz (I2C2)

“Lista provisional de participantes al consorcio ICOS-Spain”

Centro de Investigación Atmosférica de Izaña (AEMET)Programa de Gases de Efecto Invernadero

“El Mauna Loa europeo”

Record históricos25 años monitorizando CO2 y CH4

Programas internacionales punteros

Programas internacionales punterosde observación de GEIs

TCCONTotal Carbon Column Observing Network (FTIR)

UNIDAD TECNOLOGICA MARINA (UTM- CSIC BARCELONA)

INSTITUTO DE CIENCIAS MARINAS DE ANDALUCÍA(ICMAN – CSIC) Puerto Real (Cádiz, Spain)

CENTRO TEMÁTICO OCEÁNICO

Aplicaciones

Una aplicación fundamental y clave de ICOS es permitir laobtención de mapas detalladas de emisiones y sumideros de gases deefecto invernadero a nivel regional, mediante la combinación de dosmetodologías independientes y complementarias (“Top-Down” y“Bottom-Up” approachs) que permitiran optimizar y ajustar lasestimaciones regionales de flujos de GEIs en Europa.

Observaciones atmosféricas de GEIs

mapas y documentos sobre fuentes y sumideros de carbono a escalas regionales

“Inverse Modeling” para Observaciones atmosféricas de GEIs

Concepto general de la infraestructura ICOS para la producción de mapas de emisiones/sumideros de GEIs

“Bottom-Up approach”

El método “Bottom-Up” consiste en combinar los datos generados por ICOS con datos de inventarios y productos de teledetección utilizando modelos avanzados de ciclo de carbono en un sistema de información operacional, para permitir la cuantificación diaria de fuentes y sumideros de gases de efecto invernadero a nivel europeo, desde la pequeña escala hasta aproximadamente 10 kilómetros a nivel europeo.

Mapas actuales de flujos de intercambio de GEIs

Top-Down approach Bottom-Up approach

La resolución espacial, la precisión y la robustez de las estimaciones actuales de flujos es actualmente limitada por la calidad y la cantidad de datos de observaciones in-situ de GEIs.

C-Cycle Data Assimilation System

Large uncertainty from landto predict C-balance (C4MIP)

Optimizedterrestrial ecosystem models

reduce the uncertainty

Data streams

C fl

ux to

atm

osph

ere

(GtC

/yr)

Otras aplicaciones: sistemas de asimilación de datos en modelos

Heinsch et al. 2006 RSE

MODIS GPP Algorithm Test

Otras aplicaciones: validación/calibración de productos de teledetección

1:26

Coordinated Observations

GLORY1:34

Impacto de ICOS

Impacto de ICOS

ICOS contribuirá a mejorar el conocimiento de las causas del cambio climático y predecir su evolución futura

Impacto de ICOS

ICOS permitirá tomar decisiones informadas a la hora de orientar las estrategias de mitigación y de adaptación a diferentes escalas espaciales

• Calibración, validación y desarrollo de varios tipos de modelos (modelos biogeoquímicos SVAT “Soil Vegetation Atmosphere Transfer”, modelos de transporte atmosférico, modelos de química de la atmósfera, modelos de intercambios entre océanos y atmósfera, etc.)

• Estudios de las interacciones “feedbacks” entre ciclos biogeoquímicos y cambio climático

• Estudios de procesos a nivel de ecosistemas

• Calibración y validación de productos de teledetección

Aspectos estratégicosAspectos científicos: principales aplicaciones

Las observaciones de alta calidad y a largo plazo proporcionadas por ICOS representan un gran potencial de aplicaciones científicas de varios tipos:

ICOS permitirá a Europa jugar un papel clave en el proceso global de lasobservaciones in situ de GEIs, tanto en el procesamiento de datos y la producciónde productos de flujos (estimaciones de emisiones y sumideros), como en elacceso a datos para la calibración y la validación de productos deteledetección o de modelización, evaluaciones científicas y asimilación de datos.

• La lista de variables incluidas en ICOS es exactamente la de GEOSS(Global Earth Observation System of Systems) recomendada para“apoyar el desarrollo de capacidades para la observación deEssential Climate Variables como el CO2, CH4 y otros GEIs según elultimo plan de implementación de GEOSS.

• ICOS contribuirá al programa “WMO Global Atmosphere WatchProgram” de la Organización Meteorológica Mundial, al programainternacional del Sistema de Observación Global Terrestre (“GlobalTerrestrial Observing System”, GTOS), a la estrategia para laobservación global integrada para observaciones de químicaatmosférica (“Integrated Global Observing Strategy for AtmosphericChemistry Observations”, IGACO), y para el programa internacionalde observaciones globales del carbono (“Global CarbonObservations”, IGCO).

Aspectos estratégicos

Aspectos científicos: Contribución a la Observación global

• La información obtenida sobre los diferentes tipos de bosques y otrosecosistemas naturales, puede ayudar a evaluar y a estudiar como los impactosdel cambio climático pueden influir en su productividad.

• En el caso de cultivos, puede ayudar a evaluar tanto la productividad debiomasa, como el balance de agua y la demanda de riego bajos distintosescenarios climáticos.

• En el caso de los sistemas adehesados o de pastos, un mejor conocimiento delciclo de carbono, del ciclo del agua y de sus interacciones con el clima, puedeayudar a la evaluación de opciones de adaptación al cambio climático, como lamodificación del manejo del ganado, o la evaluación de la vulnerabilidad deestos ecosistemas bajo distintos escenarios climáticos.

Aspectos estratégicos

Gestión de los ecosistemas frente al cambio climatico

ICOS permitirá obtener información robusta sobre la capacidad de secuestro de carbono de los distintos ecosistemas, y de que manera puede verse perturbada por las anomalías climáticas, en este sentido:

Impactos: Agricultura

Cambios en los rendimientos agrícolas en 2080 (IPCC A2 scenario, periodo base 1961-1990), previsiones de 2 modelos distintos (Fuente: PESETA)

Impactos: Agricultura

Cambios en los rendimientos agrícolas en 2080 (IPCC A2 scenario, periodo base 1961-1990), previsiones de 2 modelos distintos (Fuente: PESETA)

Todavia, el incertidumbre es muy grande

• ICOS contribuirá de forma muy importante a la calidad y a la coordinación de losesfuerzos de observación sistemática en España, actualmente muy dispersa, y por lotanto a su desarrollo, su optimización y su visibilidad (Outreach)

• ICOS potenciará la investigación prenormativa europea ambiental que sirve de basepara la elaboración de Directivas y Reglamentos a nivel europeo (hasta ahora basada eninformación proviniendo mayoritariamente del centro y del norte de Europa).

• Las estaciones de medida españolas que se pretenden incorporar a la red ICOS serían,prácticamente, las únicas que dispondrían de datos de GEIs, consolidados y validados porsu pertenencia a una red de nivel mundial.

Todo ello facilitaría la disposición de datos que pueden ser la base de negociación paraEspaña de las futuras normas europeas, incluso de la posición de la propia Unión en losforos mundiales, en aspectos muy relevantes para la mitigación y adaptación al CambioClimático.

Aspectos estratégicosAspectos críticos para España

ICOS Website

www.icos-infrastructure.eu/

ICOS Coordination OfficeCecilia Garrec (Project Officer)

Cecilia.Garrec@lsce.ipsl.fr

Contacto en España:María José Sanz

maria.sanz@mineco.es

Arnaud Carrara

arnaud@ceam.es

“Essentially, all models are wrong, but some are useful”

George E. P. Box (1919 - )Pionero y uno de los mas influyentes estadistas

del siglo XX

“Basicamente, todos los modelos son falsos, pero algunos son utiles”