Het ALFRESCO-model: bosbranden en klimaatverandering simuleren in het hoge noorden
Stel je een heel gedetailleerd simulatiespel voor, maar dan niet voor een stad, maar voor een compleet bosgebied zo groot als Alaska. In dat spel regent, dondert en brandt het net als in werkelijkheid, en groeien bomen na een brand langzaam weer terug. Het verschil met een spel is dat de uitkomst niet voor de lol is: onderzoekers gebruiken het om te voorspellen hoe bossen, toendra en bosbranden er over tientallen tot honderden jaren uitzien als het klimaat verandert. Dat is in de kern wat het ALFRESCO-model doet.
ALFRESCO staat voor Alaska Frame-based Ecosystem Code, een naam die verraadt waar het vandaan komt: Alaska. Het is een wetenschappelijk rekenmodel, geen commerciële software, ontwikkeld om te begrijpen hoe opwarming van de aarde de uitgestrekte naaldbossen en toendra van het hoge noorden verandert via een cruciale tussenschakel: bosbrand. Voor een leek klinkt een bosbrandmodel misschien als een nichetechniek, maar de uitkomsten raken aan grote vragen over klimaatverandering, zoals hoeveel extra koolstof er vrijkomt uit smeltende permafrost en verbrandende veenbodems.
Wat is het precies?
ALFRESCO is wat wetenschappers een ruimtelijk expliciet landschapsmodel noemen. Dat betekent dat het een echte kaart gebruikt, opgedeeld in een raster van cellen, vergelijkbaar met de pixels van een digitale foto. Elke cel staat voor een stuk landschap, bijvoorbeeld een paar vierkante kilometer, en heeft een eigen type begroeiing: naaldbos, loofbos, toendra of moerasachtig gebied.
Het model krijgt als invoer klimaatgegevens: temperatuur en neerslag, meestal afkomstig uit grotere klimaatmodellen die berekenen hoe het weer wereldwijd verandert onder verschillende scenario's van uitstoot van broeikasgassen. Op basis daarvan berekent ALFRESCO per jaar hoe droog en brandbaar elke cel is, en combineert dat met de kans op een vonk, bijvoorbeeld door blikseminslag of menselijk handelen.
Als een cel 'ontbrandt', simuleert het model hoe het vuur zich verspreidt naar naburige cellen, afhankelijk van wind, vochtigheid en het type begroeiing dat er staat. Sommige vegetatietypen, zoals bepaalde naaldbomen, branden makkelijker dan bijvoorbeeld vochtig loofbos. Na een brand begint een nieuwe cyclus: het model laat zien hoe de begroeiing zich langzaam herstelt, vaak eerst met snelgroeiende loofbomen en pas later weer met naaldbos, of soms een gedeeltelijke verschuiving richting toendra als de omstandigheden veranderd zijn.
Belangrijk is dat dit proces zichzelf beïnvloedt: meer brand verandert de vegetatie, en die nieuwe vegetatie bepaalt weer hoe brandgevoelig het landschap in de toekomst is. Ook is er een link met de bodem: minder schaduw en een dikkere laag verbrande grond kunnen permafrost sneller laten ontdooien, wat weer invloed heeft op welke planten er kunnen groeien. Het resultaat van een simulatie is een reeks kaarten en statistieken die laten zien hoe vaak, hoe groot en waar branden naar verwachting zullen optreden, vaak doorgerekend tot het einde van deze eeuw.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel van ALFRESCO is simpel geformuleerd, maar de gevolgen zijn groot: beter begrijpen hoe klimaatverandering het brandregime in boreale bossen (de brede band naaldbos rond de noordpool) zal veranderen. Wetenschappers verwachten dat een warmer en soms droger klimaat leidt tot meer en grotere bosbranden, maar hoe groot dat effect precies is en waar het het hardst toeslaat, is lastig te voorspellen zonder een model dat rekening houdt met terugkoppelingen tussen vuur, vegetatie en bodem.
Deze kennis is niet alleen academisch interessant. Landbeheerders, zoals nationale parken en natuurreservaten, gebruiken de projecties om te plannen waar brandbestrijdingscapaciteit nodig is en hoe leefgebieden van dieren zoals kariboe zich kunnen verplaatsen. Boreale bossen en de permafrost eronder bevatten bovendien enorme hoeveelheden koolstof; meer branden kunnen die koolstof versneld als CO2 en roet vrijmaken, wat weer invloed heeft op de opwarming zelf. Door dat te modelleren, kunnen de resultaten van ALFRESCO doorstromen naar bredere klimaatstudies en beleidsdocumenten over de gevolgen van klimaatverandering in het Arctisch gebied.
Voorbeelden uit de praktijk
Het model is niet alleen een theoretisch instrument gebleven, maar is in de praktijk op verschillende manieren toegepast:
- Statewide brandprojecties voor Alaska. Onderzoekers rond T. Scott Rupp, verbonden aan de University of Alaska Fairbanks, gebruikten ALFRESCO vanaf begin jaren 2000 om voor de hele staat Alaska te berekenen hoe het areaal verbrand bos in de komende decennia zou kunnen toenemen onder verschillende klimaatscenario's.
- Beheerplannen voor natuurreservaten. Federale natuurbeheerders in Alaska, waaronder beheerders van uitgestrekte National Wildlife Refuges zoals Yukon Flats en Innoko, hebben modeluitkomsten gebruikt als achtergrondinformatie bij het opstellen van langetermijnbeheerplannen voor deze gebieden.
- Klimaatscenario's via SNAP. Het Scenarios Network for Alaska and Arctic Planning (SNAP), eveneens verbonden aan de University of Alaska Fairbanks, heeft ALFRESCO-uitkomsten herhaaldelijk verwerkt in bredere klimaatscenario's en visualisaties voor beleidsmakers en wetenschappers in Alaska.
- Vergelijkende studies met Canadese modellen. Omdat de boreale bosgordel zich uitstrekt van Alaska tot Canada en Siberië, hebben onderzoekers ALFRESCO-uitkomsten vergeleken met vergelijkbare brandmodellen die in Canada zijn ontwikkeld, om te toetsen hoe consistent de voorspelde trends over landsgrenzen heen zijn.
- Bijdrage aan bredere klimaatassessments. Resultaten uit ALFRESCO-achtige modellering zijn meermaals genoemd in rapporten over de veranderende omgeving van Alaska, als onderbouwing voor de verwachting dat bosbranden er in omvang en frequentie zullen toenemen.
Hoe ver is de techniek?
ALFRESCO is geen gloednieuwe technologie: het model bestaat inmiddels ruim twee decennia en is in die tijd meerdere keren aangepast en verbeterd. Waar de eerste versies draaiden op relatief eenvoudige klimaatscenario's, wordt het model tegenwoordig gevoed met uitkomsten van modernere klimaatmodellen, zoals die uit de CMIP5- en CMIP6-generaties die ook in IPCC-rapporten worden gebruikt.
Toch blijft het een vereenvoudigde weergave van een uiterst complexe werkelijkheid. De ruimtelijke resolutie, de grootte van elke rekencel, is relatief grof, waardoor lokale details verloren gaan. Onzekerheid over hoe vaak blikseminslag in de toekomst zal voorkomen, en hoeveel branden door mensen worden veroorzaakt, blijft een lastig punt: dat zijn factoren die moeilijk te voorspellen zijn en die de uitkomsten sterk kunnen beïnvloeden. Ook de koppeling met permafrost- en koolstofcyclusmodellen, waarmee je zou kunnen berekenen hoeveel extra broeikasgas er precies vrijkomt, is nog volop onderwerp van onderzoek en niet volledig geïntegreerd. Kortom: ALFRESCO is een gevestigd en bruikbaar onderzoeksinstrument, maar geen glazen bol met exacte voorspellingen.
Wie werken eraan?
De ontwikkeling en toepassing van ALFRESCO is sterk verbonden met instituten in Alaska. De University of Alaska Fairbanks speelt een centrale rol, mede via het aan de universiteit verbonden International Arctic Research Center, waar veel van het onderliggende ecologische en klimatologische onderzoek plaatsvindt. Het Scenarios Network for Alaska and Arctic Planning (SNAP), eveneens aan deze universiteit verbonden, vertaalt modeluitkomsten naar bruikbare scenario's voor beleid en beheer.
Daarnaast zijn Amerikaanse federale instanties betrokken bij zowel het gebruik als de financiering van dit soort modelwerk, waaronder de United States Geological Survey (USGS), die onder meer via een Climate Adaptation Science Center in Alaska onderzoek naar klimaataanpassing ondersteunt, en natuurbeheerders zoals de U.S. Fish and Wildlife Service. Omdat boreale bossen zich uitstrekken tot ver in Canada, is er ook uitwisseling met Canadese onderzoeksgroepen die vergelijkbare brandmodellen ontwikkelen voor hun eigen grondgebied.