Im Zusammenhang mit dem globalen Klimawandel ist die Vegetation besonders wichtig, da sie die anthropogenen CO2-Emissionen aufnehmen und den Wasser- und Energiekreislauf regulieren kann. Während frühere Forschungsarbeiten wertvolle Einblicke in langfristige Veränderungen des Grüns der Vegetation und in Bezug auf die Reaktion der Vegetation auf steigende Temperaturen und atmosphärisches CO2 lieferten, sind die Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Wasser noch immer nicht vollständig verstanden. Tatsächlich hat die Dynamik der Bodenfeuchte in der Wurzelzone einen grundlegenden Einfluss auf die Veränderung des Grüns und die Produktivität der Vegetation. Dennoch sind weder die die Empfindlichkeit der Vegetationsproduktivität gegenüber der Bodenwasserversorgung noch die funktionelle Reaktion der Vegetation (d. h. Photosynthese und Transpiration) auf Bodentrockenheitsepisoden auf globaler Ebene vollständig geklärt worden. Forschungsengpässe sind fehlende globale Beobachtungen von Vegetationsfunktion und Bodenwasservariabilität. Außerdem werden die statistischen Instrumente für die Analyse umfangreicher und vielschichtiger Daten nur unzureichend genutzt, was ein besseres Verständnis der globalen Reaktion der Vegetation auf Wasser verhindert.
Gleichzeitig trägt eine bessere Kenntnis der Reaktion der Vegetation auf die Wasserversorgung zu einem besseren Verständnis des terrestrischen Wasserkreislaufs bei. Hydrologische Extremereignisse schädigen die Infrastruktur, können das menschliche Wohlergehen beeinträchtigen und treten Berichten zufolge in vielen Regionen der Welt immer häufiger und intensiver auf. Während ein Konsens über die Bedeutung meteorologischer Faktoren für die Regulierung des Wasserkreislaufs und der damit verbundenen Extremereignisse besteht, ist die Rolle der Vegetationsdynamik und -eigenschaften noch nicht ausreichend erforscht. Ihre stärkere Berücksichtigung in hydrologischen Studien bietet das Potenzial, die Prozesse, die hydrologische Extreme antreiben, genauer zu verstehen. Dadurch kann ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Wasser im Hinblick auf die Wasserempfindlichkeit der Vegetation und die Rückkopplung der Vegetation auf Klimaextreme die Genauigkeit der Landoberflächenmodellierung verbessern, was für die Verbesserung der Klimaprojektionen unerlässlich ist.
Dank der jüngsten Entwicklungen im Bereich der Erdbeobachtung und der Anwendbarkeit leistungsfähiger statistischer Analysewerkzeuge ist es nun möglich, globale Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Wasser mit noch nie dagewesener Genauigkeit zu untersuchen. In diesem Zusammenhang stützt sich diese Arbeit insbesondere auf (i) neuartige Datenprodukte wie sonneninduzierte Chlorophyllfluoreszenz oder globale Bodenfeuchte und Evapotranspiration, die aus der Hochskalierung von Stationsmessungen mit Algorithmen des maschinellen Lernens gewonnen wurden, (ii) längere Aufzeichnungen und aktualisierte Aufbereitungen etablierter Datenprodukte wie Blattflächenindex und terrestrische Wasserspeicherung und (iii) die Entwicklung erklärbarer Methoden des maschinellen Lernens, mit denen Informationen effizient aus multivariaten Datenströmen abgeleitet werden können und die darüber hinaus leicht implementier- und in ökohydrologischen Studien anwendbar sind. Basierend auf diesen Datensätzen und Werkzeugen, wird in dieser Arbeit die Empfindlichkeit der globalen Vegetation gegenüber der Bodenwasserversorgung über Raum und Zeit hinweg neu untersucht.:Summary 7
Zusammenfassung 11
1 Introduction 15
1.1 Motivation 16
1.2 Terrestrial vegetation and its relationship with water supply 18
1.2.1 Vegetation functioning 18
1.2.2 Hydro-meteorological drivers of evaporation and vegetation productivity 19
1.2.3 Vegetation structure and physiology 21
1.3 Terrestrial water cycle and its relationship with vegetation 24
1.3.1 Water balance 24
1.3.2 Vegetation regulating the water cycle 26
1.3.3 The relevance of vegetation on hydrological extremes 27
1.4 Advances in observations and models 30
1.4.1 Spaceborne remote sensing 30
1.4.2 Data-driven and physical-based models 34
1.5 Research questions and thesis outline 37
1.5.1 What is the relationship between vegetation productivity and water supply? 37
1.5.2 Can vegetation regulate hydrological extremes? 38
1.5.3 Can land surface models capture vegetation-water interplay? 40
1.5.4 Thesis outline 40
2 Global vegetation controls using multi-layer soil moisture 41
2.1 Introduction 42
2.2 Data and methods 43
2.3 Results and discussion 45
2.4 Conclusions 53
2.A Appendix 54
3 Widespread increasing vegetation sensitivity to soil moisture 70
3.1 Introduction 71
3.2 Data and methods 72
3.3 Results and discussion 78
3.4 Conclusions 85
3.A Appendix 86
4 The drought effect on vegetation physiology inferred from space 101
4.1 Introduction 102
4.2 Data and methods 104
4.3 Results and discussion 111
4.4 Conclusions 122
4.A Appendix 123
5 Drought propagation into the terrestrial water cycle 136
5.1 Introduction 137
5.2 Data and methods 139
5.3 Results and discussion 145
5.4 Conclusions 155
5.A Appendix 157
6 Drivers of high river flows in European near-natural catchments 171
6.1 Introduction 172
6.2 Data and methods 173
6.3 Results and discussion 179
6.4 Conclusion 184
6.A Appendix 186
7 Synthesis 193
7.1 What is the relationship between vegetation productivity and water supply? 194
7.2 Can vegetation regulate hydrological extremes? 197
7.3 Can land surface models capture the observed vegetation-water interplay? 199
7.4 Limitations 200
7.4.1 Difficulties in predicting SIF in tropical regions 200
7.4.2 Observing terrestrial photosynthesis and evaporation 201
7.4.3 Methods related to variable importance quantification 202
7.5 Outlook 202
7.5.1 Vegetation sensitivity to soil moisture and its implications 203
7.5.2 Vegetation functioning and related structure and physiology 203
7.5.3 Extreme events: floods and drought 204
References 206
Statement of authorship contributions 238
Acknowledgements 239
Curriculum Vitae 241
Scientific publications 242
IMPRS certificate 244 / In the context of global climate change, vegetation is particularly relevant as it can take up anthropogenic CO2 emissions and regulate water and energy cycling. While previous research provided valuable insights into long-term changes in vegetation greenness and in terms of the vegetation response to increasing temperature and atmospheric CO2, vegetation-water interactions are still not fully understood. In fact, root-zone soil moisture dynamics have a fundamental influence on modulating vegetation greenness and productivity. Nevertheless, neither the sensitivity of vegetation productivity to soil water supply nor the vegetation functional response (i.e., photosynthesis and transpiration) to soil drought episodes have been fully resolved at the global scale. Missing global observations of vegetation functioning and terrestrial water variability are bottlenecks, and statistical tools for analyzing large and multi-stream data are poorly exploited, preventing a better understanding of global vegetation water response.
At the same time, a better knowledge of the vegetation response to the water supply in turn advances the understanding of the terrestrial water cycle. Hydrological extremes are damaging infrastructure and can affect human well-being, and have been reported to become more frequent and intense in many regions around the world. While a consensus exists regarding the importance of meteorological drivers for regulating the water cycle and related extreme events, the role of vegetation dynamics and characteristics is understudied. Its greater consideration in hydrological studies offers the potential to more accurately understand the processes driving hydrological extremes. Thereby, a better understanding on vegetation-water interactions in terms of vegetation water sensitivity and vegetation feedbacks on climate extremes can advance the accuracy of land surface modelling which is essential to improve climate projections.
Thanks to recent developments in Earth observations and in the applicability of powerful statistical analyses tools, investigating global vegetation-water interactions is now possible with unprecedented accuracy. In this context, this thesis builds particularly on (i) novel data products such as Sun-induced chlorophyll fluorescence or global gridded soil moisture and evapotranspiration products obtained from upscaling station measurements with machine learning algorithms, (ii) longer records and updated processing of established data products such as leaf area index and terrestrial water storage, and (iii) the development of explainable machine learning methods which can efficiently derived information from multivariate data streams, and are furthermore implemented and readily applicable in ecohydrological studies. With these datasets and tools, this thesis revisits the sensitivity of global vegetation to soil water supply across space and time.:Summary 7
Zusammenfassung 11
1 Introduction 15
1.1 Motivation 16
1.2 Terrestrial vegetation and its relationship with water supply 18
1.2.1 Vegetation functioning 18
1.2.2 Hydro-meteorological drivers of evaporation and vegetation productivity 19
1.2.3 Vegetation structure and physiology 21
1.3 Terrestrial water cycle and its relationship with vegetation 24
1.3.1 Water balance 24
1.3.2 Vegetation regulating the water cycle 26
1.3.3 The relevance of vegetation on hydrological extremes 27
1.4 Advances in observations and models 30
1.4.1 Spaceborne remote sensing 30
1.4.2 Data-driven and physical-based models 34
1.5 Research questions and thesis outline 37
1.5.1 What is the relationship between vegetation productivity and water supply? 37
1.5.2 Can vegetation regulate hydrological extremes? 38
1.5.3 Can land surface models capture vegetation-water interplay? 40
1.5.4 Thesis outline 40
2 Global vegetation controls using multi-layer soil moisture 41
2.1 Introduction 42
2.2 Data and methods 43
2.3 Results and discussion 45
2.4 Conclusions 53
2.A Appendix 54
3 Widespread increasing vegetation sensitivity to soil moisture 70
3.1 Introduction 71
3.2 Data and methods 72
3.3 Results and discussion 78
3.4 Conclusions 85
3.A Appendix 86
4 The drought effect on vegetation physiology inferred from space 101
4.1 Introduction 102
4.2 Data and methods 104
4.3 Results and discussion 111
4.4 Conclusions 122
4.A Appendix 123
5 Drought propagation into the terrestrial water cycle 136
5.1 Introduction 137
5.2 Data and methods 139
5.3 Results and discussion 145
5.4 Conclusions 155
5.A Appendix 157
6 Drivers of high river flows in European near-natural catchments 171
6.1 Introduction 172
6.2 Data and methods 173
6.3 Results and discussion 179
6.4 Conclusion 184
6.A Appendix 186
7 Synthesis 193
7.1 What is the relationship between vegetation productivity and water supply? 194
7.2 Can vegetation regulate hydrological extremes? 197
7.3 Can land surface models capture the observed vegetation-water interplay? 199
7.4 Limitations 200
7.4.1 Difficulties in predicting SIF in tropical regions 200
7.4.2 Observing terrestrial photosynthesis and evaporation 201
7.4.3 Methods related to variable importance quantification 202
7.5 Outlook 202
7.5.1 Vegetation sensitivity to soil moisture and its implications 203
7.5.2 Vegetation functioning and related structure and physiology 203
7.5.3 Extreme events: floods and drought 204
References 206
Statement of authorship contributions 238
Acknowledgements 239
Curriculum Vitae 241
Scientific publications 242
IMPRS certificate 244
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:87933 |
| Date | 08 November 2023 |
| Creators | Li, Wantong |
| Contributors | Forkel, Matthias, Teuling, AJ (Ryan), Stocker, Benjamin, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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