Impacts of forest fires

This case study examines the impact of wildfires on the thermal structure of the atmosphere. Two exemplary events are investigated, the Northern American wildfires in 2017 and the Australian wildfires in 2019/20. Aerosol measurements are used to track the movement and the extent of the aerosol clouds. Vertically high-resolved radio occultation (RO) observations reveal the effects on stratospheric temperature and short-term climate.
The results show substantial warming anomalies of about 4 K up to 10 K in the lower stratosphere, as observed in daily RO temperature profiles located within the wildfire plumes. The aerosol clouds are found to rise several kilometers in the stratosphere in just a few days. Cloud top heights are detected between 16 km and 24 km from RO consistent with those from aerosol data.
Furthermore, short-term climate signals of the wildfires were found larger compared to climate signals from the Calbuco volcanic eruption in 2015, one of the largest eruptions in the 2000s. Short-term climate signal estimates are about 1 K for the Northern American wild fires and up to 3.5 K for the Australian wildfires.
The study demonstrates that novel satellite observations from RO can provide new insights on the influence of wildfires on short-term climate change. The findings will be helpful for reducing uncertainties, particularly in stratospheric temperature trend detection.

Report  (English)

Publication: Stocker, M., Ladstädter, F. & Steiner, A.K. Observing the climate impact of large wildfires on stratospheric temperature. Sci Rep11, 22994 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-02335-7

Hintergrund

Waldbrände beeinflussen das Klimasystem, indem sie die Oberflächenalbedo verändern und Spurengase wie Kohlendioxid aber auch Aerosole freisetzen. Letztere haben durch Veränderung der Wolkeneigenschaften und der Atmosphärenchemie, direkten bzw. indirekten Einfluss auf die Strahlungsflüsse in der Atmosphäre. Ein Aspekt, der bisher wenig beachtet wurde, ist der Impakt von großen Waldbränden bis in die Stratosphäre hinauf. Dort werden die emittierten Aerosole global verteilt und verweilen Monate bis Jahre, wodurch sie das Klima kurzfristig beeinflussen können.

Starke Brände können auch tiefe Konvektion auslösen, welche im Extremfall zur Bildung von Pyrocumulonimbuswolken (PyroCb) führt und die Verbrennungsprodukte bis in die Stratosphäre befördert. Zudem konnte beobachtet werden, dass intensive Waldbrände, wie in Nordamerika 2017 oder Australien 2019/20, die regionale Stratosphärische Aerosol Optische Dicke (SAOD) sowie den regionalen Strahlungsantrieb und die stratosphärische Ozonkonzentration in einer Weise veränderten, wie dies zuvor nur von mittleren bis großen Vulkanausbrüchen bekannt war.

Modellstudien zeigen, dass in einem sich erwärmenden Klima, intensive Brände häufiger auftreten werden. Das lässt darauf schließen, dass Waldbrände ein zunehmend relevanter Aspekt für kurzfristige Klimaveränderungen werden. Derzeit bestehen aber noch große Unsicherheiten hinsichtlich der Auswirkungen von Waldbränden auf das Klima.

In diesem Projekt soll im speziellen der Einfluss von Waldbränden auf die thermische Struktur der Atmosphäre näher untersucht werden. Es soll demonstriert werden, welchen Beitrag neuartige Satellitenbeobachtungen mit hoher vertikaler Auflösung, wie jene aus der Radio-Okkultation (RO), leisten können, um die Unsicherheiten zu reduzieren. Die Ergebnisse dieser Studie bilden wiederum die Basis um Klimaauswirkungen extremer Waldbrände in der Troposphäre und speziell der unteren Stratosphäre (UTLS) weitergehend zu untersuchen.

Dieses Projekt soll im Rahmen einer Fallstudie, je nach Verfügbarkeit der Daten, ein großes Waldbrandereignis der letzten Jahre (z.B. Australien 2020/19, Nordamerika 2017) näher untersuchen. Ein spezielles Augenmerk liegt dabei auf den folgenden Punkten:

• Bewertung der Anwendbarkeit von RO-Daten zur Ermittlung des Einflusses auf die vertikale Temperaturstruktur sowie auf die maximalen Einflusshöhe des Waldbrandereignisses.
• Bestimmung der Auflösungsgrenzen von RO für die Beobachtung von Waldbränden und Interpretation ihres zukünftigen Potentials für die Beobachtung kleinerer Ereignisse.
• Neue Erkenntnisse über die Veränderung der regionalen vertikalen atmosphärischen Temperaturstruktur nach großen Waldbränden.