Etablering av overvåkning av vekstsesongen langs et kyst innland transekt i Midt Norge

Transkript

1 RAPPORT 4/2012 ISBN ISSN Etablering av overvåkning av vekstsesongen langs et kyst innland transekt i Midt Norge - ett delprosjekt innen GLORIA Norge Av Stein Rune Karlsen, Kjell Arild Høgda, Bernt Johansen, Jarle I. Holten og Sølvi Wehn

2 Tittel Etablering av overvåkning av vekstsesongen langs et kyst innland transekt i Midt Norge - ett delprosjekt innen GLORIA Norge Forfatter(e) Stein Rune Karlsen, Kjell Arild Høgda, Bernt Johansen, Jarle I. Holten og Sølvi Wehn Oppdragsgiver Direktoratet for naturforvaltning / GLORIA Norge. ISSN ISBN Publikasjonsnr 4/2012 Publikasjonstype Rapport Oppdragsgivers Ref Else Løbersli Tilgjengelighet Åpen Dato 30. mars 2012 Versjonsnr 1.0 Antall sider 17 Emneord GLORIA, MODIS satellittdata, vekstsesong, kyst-innland gradient, Dovrefjell. Noter Distribusjon Direktoratet for naturforvaltning, GLORIA Norge partnere. Rapportsensor Bernt Johansen Faglig ansvarlig Kjell Arild Høgda Resymé Denne rapporten omhandler etablering av satellittbasert overvåkning av vekstsesongen langs et kyst innland transekt i Midt Norge. Overvåkningen er et ledd i den pågående overvåkning av miljøet i regi av GLORIA-Norge. Det er etablert ett overvåkningstransekt for feltobservasjoner av vekstsesongen ved Hjerkinn på Dovrefjell. Feltobservasjonen brukes til å tolke MODIS satellittdata i kartlegging av start, slutt og lengden på vekstsesongen for årene 2000 til

3 1 FORORD Denne rapporten omhandler etablering av satellittbasert overvåkning av vekstsesongen langs et kyst innland transekt i Midt Norge. Overvåkningen er et ledd i den pågående overvåkning av miljøet i regi av GLORIA-Norge. Vi takker naturoppsyn Arne Johs. Mortensen, og naturveilederne Heidi Ydse og Espen Rusten ved Statens naturoppsyn Dombås/Hjerkinn med feltobservasjoner av vekstsesongen høsten Vi takker også Simen Bretten, botaniker og tidligere bestyrer av Kongsvoll biologiske stasjon, for bruk av de feltdata om vekstsesongen han samlet inn nært Hjerkinn i årene 2004 til I tillegg til finansiering fra Direktoratet for naturforvaltning har Norut Tromsø bidratt med betydelig egeninnsats. Tromsø, mars 2012 Stein Rune Karlsen 3

4 Innhold 1 Forord Innledning Materiale og metoder Studieområdet og feltdata MODIS data i kartlegging av vekstsesongen Prosessering av MODIS data Kartlegging av vekstsesongen Resultat Fenologiobservasjoner i felt ved Hjerkinn på Dovrefjell Start på vekstsesongen Slutten på vekstsesongen Diskusjon Oppsummering og konklusjon Referanser

5 2 INNLEDNING Denne rapporten omhandler etablering av satellittbasert overvåkning av vekstsesongen langs et kyst innland transekt i Midt Norge. Overvåkningen er et ledd i den pågående overvåkning av naturmiljøet i regi av GLORIA-Norge. GLORIA (Global Observation Research Initiative in Alpine Environment, er ett verdensomspennende nettverk hvor ett hovedmål er å overvåke klimaendringers effekt på fjellvegetasjon. En første indikasjon på endringer i vegetasjonen som følge av klimaendring er gjerne endringer i vekstsesongens lengde. Det være seg for eksempel blomstring på blåbær observert i felt, grønning/gulning av plantesamfunn sett fra digitale overvåkningskamera på et høydedrag i nærheten, eller endringer over år i start/slutt på vekstsesongen observert fra satellitt. Siden artene reagerer fenologisk ulikt på endringer i klimaet, vil denne ulikheten på sikt føre til endringen i utbredelsesmønsteret og på mengdeforholdet blant artene i plantesamfunnene. På en lengre tidsskala vil denne endringen etter hvert kunne fanges opp av den vegetasjonsøkologiske overvåkningen i fastruter (Wehn et al. 2011) og i de Spot 5 baserte vegetasjonskart etablert i GLORIA-Norge (Johansen & Karlsen 2009, 2011). Overvåkningen av vekstsesongen vil da på sikt kunne si noe om hvor de største endringene i fjellkjeden i Midt Norge har foregått. Vekstsesongens lengde er også viktig for tilbakekoplingen til klimasystemet. For eksempel vil tidlig start på vekstsesongen, med tidligere grønn vegetasjon, gjør at mengden solinnstråling som absorberes og konverteres til varme øker. Det betyr at vekstsesongen også er nært knyttet til geofysiske parameterne som også observeres i GLORIA-Norge. Tidligere har Norut Tromsø kartlagt vekstsesongen i Fennoskandia både fra satellittdata (Høgda et al. 2007, Karlsen et al. 2006, 2007, 2008, 2009a, 2009b, 2010) og ved analyse av feltobservasjoner (Shutova et al. 2006, Wielkolaski et al. 2011). Men for den satellittbaserte overvåkningen har det tidligere kun vært korrelert mot bakkeobservasjoner i lavlandet, fortrinnsvis på bjørk, og med grov tidsoppløsning (15 eller 16 dager). Dette prosjektet fokuserer på fjellområdene hvor plantene er tilpasset rabb snøleiegradienten, som er spesielt viktig for tidspunktet for start og slutt på vekstsesongen (f.eks. Odland & Munkejord 2008, Odland 2011, Wielgolaski & Karlsen 2007). I prosjektet brukes MODIS satellittdata for årene 2000 til 2011 med 8-dagers tidsoppløsning og 250/500m piksler, men for å kunne tolke satellittdataen til start og slutt på vekstsesongen med relevante botaniske definisjoner trenger en feltobservasjoner å korrelere mot. Det etableres derfor ett transekt ved Hjerkinn, Dovrefjell, for observasjoner av vekstsesongen. Vekstsesongovervåkningen trekker veksler på en tilsvarende overvåkning av Svalbard i regi av Miljøovervåkning av Svalbard og Jan Mayen (MOSJ) (Karlsen et al. 2011a). 5

6 3 MATERIALE OG METODER 3.1 STUDIEOMRÅDET OG FELTDATA Studieområdet (fig. 1) dekker de fire GLORIA-Norge fjell i Midt Norge. De fire fjellene ligger i en gradient fra kyst til innland fra Gjemnes og Eide kommune, Møre og Romsdal fylke (Stortussen/Snøtind), via Sunndal kommune, Møre og Romsdal fylke (Kaldfonna) og Dovre kommune, Oppland fylke og Oppdal kommune, Sør Trøndelag fylke (Kolla) til Alvdal kommune, Hedmark fylke (Tron). Fjellene er valgt ut for å representere en bioklimatisk seksjonsgradient (klart oseanisk - svakt kontinenta1). De klimatiske, geologiske og økologiske forskjellene innen studieområdet er godt illustrert i Holten & Aune (2011). Figur 1. Studieområdet i målestokken ca 1:2 mill. De fire GLORIA fjellene i Midt Norge er avmerket. Med tynn strek ved Kolla er det nyetablerte området med fenologitransektet i Hjerkinn tegnet inn. Blålilla farge viser høyfjellsområder uten nok vegetasjonsdekke til at vekstsesongen kan kartlegges (sommer NDVI under 0,2). For tolkning av start og slutt på vekstsesongen sett i MODIS satellittdata ble det etablert et feltområde på Hjerkinn ved Dovrefjell. Området er svært kontinentalt og det er i neste fase planlagt etablering av observasjoner også i et mer humid område. Det er videre viktig at feltobservasjonen utføres på en romlig skala som gjør at en kan relatere det til pikselstørrelsen i satellittdataen brukt, i dette tilfelle 250/500m. Da den romlige oppløsningen i satellittdataen er grov og resultatene skal kunne ekstrapoleres til hele studieområdet (fig. 1) blir det det lagt vekt på at observasjonen skal finne den romlige variasjonen i start og slutt på vekstsesongen i ulike høydebelter, langs rabb-snøleiegradienten og i tørre og fuktige lokaliteter. Tradisjonelle fenologiobservasjoner på enkeltarter i et punkt har vist seg vanskelig å knytte opp mot satellittdata. Det gjelder også de få eksisterende observasjoner i fjellområder i Skandinavia (Molau et al. 2005, cf. Odland & Munkejord 2008). Opplegget som utarbeides i dette prosjekt har likheter med pågående observasjoner på Svalbard (Karlsen et al. 2011a). 6

7 3.2 MODIS DATA I KARTLEGGING AV VEKSTSESONGEN I dette prosjektet brukes følgende to MODIS satellittdata produkter med 8-dagers tidsoppløsning: a) MOD09A1-produkete som viser reflektansverdien til 7 bånd med 500m romlig oppløsning, og b) MOD09Q1-produktete som viser reflektansverdien til bånd 1 og 2 (rødt og nærinfrarødt) med 250m romlig oppløsning. Det er kombinasjonen rødt (R) og nærinfrarødt (NIR) som utgjør NDVI indeksen, NDVI = (NIR-R)/(NIR+R). I hovedsak brukes python skript i ArcGIS til prosesseringen og analyser i dette prosjektet. Men for tilrettelegging av data for ArcGIS, som å slå sammen ulike MODIS blokker, plukke ut utsnitt, konvertere til UTM koordinater og konvertere binær data til (QA verdier) til heltallsverdier gjøres med IDL skript Prosessering av MODIS data Utfordringen i bruk av tidsserie av optisk satellittdata er hvordan en detekterer skyer og hvilke verdier en erstatter (interpolerer) de skydekkede pikslene med. Dette er en omfattende prosesserigsjobb hvor Norut over flere år har utviklet egne prosedyrer som grovt kan deles inn i tre deler. Første del deteksjon og fjerning av skyer, så interpolering av mest mulig realistiske verdier der det er skydekt, og siste del er utglatting (smoothing) av verdiene. I første steg, deteksjon av skydekket, er problemet at den kvalitetsinformasjonen (QA-verdier) som følger med datasettet og er ment å gi informasjon om skydekket ofte ikke er gode nok. Spesielt gjelder det for dels snødekte områder, skygger av skyer og fjellområder med oppsplittet vegetasjonsdekke. Mye av dette skyldes at de termiske kanaler vektlegges i skydeteksjon, og at både snø og skyer er kalde og ofte vanskelig å skille (Ackerman et al. 2008, Frey et al. 2008). Dette løses vi på en sikker, men tidkrevende måte, ved at vi først analyser spektralsignaturen gjennom året til de dominerende landskapstyper i områder. Og basert på analyse av spektralsignaturen lager egen masker for skydeteksjon lokalt for vinter (snødekt) og sommer (snøbar) periodene. Der hvor hverken QA informasjon eller egne skymasker virker, maskeres det manuelt ut skydekte områder. Etter en visuell gjennomgang og vurdering av QA maske og egne masker for alle 8-dagers perioder for alle årene 2000 til 2011 lages det en ny skymaske som brukes i neste steg. Men først så beregnes det av de skyfrie deler median verdi for alle 8-dager perioder for de 12 årene med data ( ), som også brukes i steg to. Steg to er å erstatte/interpolere de skydekte pikslene med mest mulig realistiske verdier. Her brukes fire ulike scenarioer. Prioritet er dersom det er skyfritt i perioden før og etter, da erstattes pikeslverdien med gjennomsnittsverdien av periodene før og etter. Dersom det er skyer i perioden før, men skyfritt i perioden, etter så erstattes den skydekte piksel i perioden før med 12-års medianverdi og det beregnes gjennomsnittet av perioden før og etter. Liknende gjøres dersom det er skyer i perioden etter, men skyfritt i perioden før. Dersom det er skyer både i perioden før og etter så brukes det medianverdi for den aktuelle periode. I steg tre som er å glatte ut tidsserien (smoothing), brukes TIMESAT software (Jönsson & Eklundh 2002, 2004). I smoothingen av tidsserien så vektlegges de interpolerte pikslene mindre, og det brukes i dette prosjektet Savitzky-Golay smoothing. Både hvert enkelt av de 7 bånd i MOD09A1 produktet og NDVI verdier fra MOD09Q1 smoothes. 7

8 3.2.2 Kartlegging av vekstsesongen For datasettet MOD09A1 med 7-bånd ble det analysert spektralsignaturen gjennom vekstsesongen for alle bånd innen utvalgt områder. Basert på ulike kanalkombinasjoner ble det prosessert ulike indekser som NDWI (wetness indeks), NDSI (snø indeks), snø fraksjon, NDYI (yellowing index) (se f.eks. Salomonson & Appel 2004, Marshall 2005) og en egenutviklet NDAI (autumnn index). Fra MOD09Q1 datasettet med 250m piksler ble det prosessert NDVI. I kalkulasjon av start på vekstsesongen ble det først beregnet median NDVI verdier for årene 2000 til 2011 for alle 8-dagers perioder, og så gjennomsnitts NDVI for periodene fra og med dagnummer 185 til og med dagnummer 216. Dette tilsvarer dagene fra 4. juli til 4. august, og kalt sommer NDVI. Hvert år, når NDVI verdien når en gitt terskel for sommer NDVI, blir definert som start på vekstsesongen (første dag i 8-dagers perioden ble brukt). For slutten av vekstsesongen ble det først beregnet maksimum NDVI for alle perioder, og deretter gjennomsnitt NDVI av maksimumsverdiene fra og med dagnummer 193 til og med dagnummer 216 (12. juli til 4. august). Slutten på vekstsesongen blir definert som en terskel av denne gjennomsnitts NDVI verdien (først dag i 8-dagers perioden brukt). Tersklene for både start og slutt på vekstsesongen blir valgt ut etter mange iterasjoner, hvor den terskelen som gir antatt best resultat, dvs. best korrelasjon med feltdata, blir valgt. Da det foreløpig er samlet inn lite feltdata til å sammenligne med, vil tersklene som blir brukt justeres etter hvert som en får mer feltdata. Områder med sommer NDVI under 0,20 har for lav variasjon i NDVI verdi til å kunne kartlegges og ble derfor maskert bort som ikke vegeterte områder, de områdene er vist på figur 1. På de endelige produktene av start og slutt på vekstsesongen hvert år ble det brukt ett 3x3 medianfilter for å forbedre det kartografiske uttrykket. Metode er også beskrevet i Karlsen et al. (2008) og i Karlsen et al. (2011b). I neste generasjon av slutt på vekstsesongen kart, når en har feltdata å sammenligne med, vil det bli prøvd ut ulike indekser basert på ulike kanalkombinasjoner for om mulig å forbedre resultatet. 8

9 4 RESULTAT 4.1 FENOLOGIOBSERVASJONER I FELT VED HJERKINN PÅ DOVREFJELL Det ble sommeren 2011 etablert et transket ved Hjerkinn på Dovrefjell hvor vekstsesongen bør overvåkes i årene som kommer (fig. 2). Området er ment å fange opp den romlige variasjonen i vekstsesongen fra ca. 900 til 1430 meter over havet (fig. 2, innfelt) langs en rute på 13,5 km. Det er lagt opp til observasjoner i syv områder. De syv områdene dekker ulike høydebelter, og det er ment at observasjonen skal finne den romlige variasjonen i start og slutt på vekstsesongen langs rabb-snøleiegradienten og i tørre og fuktige lokaliteter i de ulike høydebeltene. Figur 2. Lokaliteter for feltobservasjoner av vekstsesongen i Hjerkinn området. Lokalitetene vil bli noe justert før vekstsesongen starter våren 2012 i henhold til restriksjoner på ferdsel i skytefeltet. I temakartet oppe til høyre er plasseringen av lokalitetene for feltobservasjoner innen de ulike høydebeltene illustrert. 9

10 Til området er det laget en feltmanual, med Excel-skjema (tabell 1) og beskrivelse av de syv lokalitetene. Manualene kan fås ved henvendelse til Stein Rune Karlsen. Det understrekes at målet med observasjonene er til bruk i tolkning av satellittdata. Et opplegg hvor registreringene har "egenverdi" utenom bruk i tolkning av satellittdata er ikke hovedmålet, da det vil kreve langt mer tid/midler til de som observerer. Observasjonene bør foregå over en periode på omkring fem-seks år, eller så mange år at en klarer å finne ett godt samsvar med satellittdata. Innen den tid, har trolig også neste generasjon satellittdata for overvåkning av vekstsesongen (Sentinel-2), hvert operativ et par år. Trolig kan opplegget justeres/reduseres noe, for eksempel dersom to punkter viser nesten like datoer for blomstring/guling kan etter hvert ett av punktene fjernes. Eller at noen fenofaser/arter viser seg for vanskelig å observere på. Det er også mulig at opplegget må justeres noe i henhold til de årlige kjøretider innen skytefeltet, og at ett felt til ved E6 bør opprettes som ett alternativ. Observasjonen gjøres ukentlig og det er spesielt viktig å få med perioden om våren når dvergbjørk har generell løvsprett og når dvergbjørk har mer en 50% gule blader om høsten (cf. foto 3), da disse datoer trolig vil bli brukt til å definere satellitt-basert start og slutt på vekstsesongen. Tabell 1. Excel skjema som brukes for ukentlige observasjoner i a) vårsesongen og b) høstsesongen. Utfylling av skjemaene er beskrevet i en brukermanual. Løvsprett og gulning på dvergbjørk observeres på alle punktene, de øvrige artene forekommer bare i noen av lokalitetene. Løvsprett/blomstring Gulning/høstfarge av blader 1. Snøheimen Øst 2. Mellom Snøheim og Svånålegret 3a. Svånålegret Øst - rabb 3b. Svånålegret Øst - tørreng 3c. Svånålegret Øst - myr 4a. Haukeberget Øst - rabb 4b. Haukeberget Øst, tørt vierkratt 5a. Tverrfejell Nord - rabb 5b. Tverrfejell Nord - vått vierkratt 6a. Harald R - rabb 6b. Harald R - vierkratt 7. Hjerkinnsdammen Vest 1. Snøheimen Øst 2. Mellom Snøheim og Svånålegret 3a. Svånålegret Øst - rabb 3b. Svånålegret Øst - tørreng 3c. Svånålegret Øst - myr 4a. Haukeberget Øst - rabb 4b. Haukeberget Øst, tørt vierkratt 5a. Tverrfejell Nord - rabb 5b. Tverrfejell Nord - vått vierkratt 6a. Harald R - rabb 6b. Harald R - vierkratt 7. Hjerkinnsdammen Vest Snødekke. (Ra / / Dvergbjørk Bladsprett: Dvergbjørk Bjørk Gråvier (sølvvier/lappvier) Blåbær Blålyng Blomstring: Greplyng Gullris Multebær Musøre Skogstorkenebb Rypebær Trefingerurt Bjørk Gråvier (sølvvier/lappvier) Blåbær Gullris Multebær Musøre Skogstorkenebb Rypebær Trefingerurt Beskrivelse av de 7 observasjonsstedene: 1. Snøheim Øst: Lokaliteten er på flata mellom veibommen før Snøheim og snuplassen for buss, ca. 1430moh, på nordsiden av veien. Rett på motsatt side av veien er det en steinblokk med form som en finger. Observer på rabb (greplynghei), i blåbærleside og i musøresnøleie, som ligger få meter fra hverandre. Merkepinnen er på rabben i 32V , , ca. 20m nord om veien. På rabben observer på dvergbjørk og greplyng. I lesida 10

11 ca. 10m nærmere veien, observer på blåbær og blålyng. I snøleiet, ca. 15m øst om merkepinnen observer på musøre. 2. Mellom Snøheim og Svånålegret: Lokaliteten er ca. 25m øst om veien, 1330moh. Det er lettest å parkere på en utkjørsel rett ovenfor lokaliteten. Observeres i rabb, leside og snøleie, som ligger få meter fra hverandre. Merkepinnen er i rabben (32V , ), øverst hvor det observeres på dvergbjørk og gråvier (mest lappvier). Ca. 10m nedenfor er det blåbærleside hvor det observeres på blåbær, blålyng og gullris. Og ca. 8m lengre ned i musøre-trefingerurt snøleie observeres det på musøre og trefingerurt. 3. Svånålegret Øst: Lokaliteten er på ca. 1180moh. Tre observasjonssteder i nærheten av hverandre. Parker på utkjørsel/gammel grustak på østsiden av veien. a) Rabb (dvergbjørk-gulskinn type), ca. 15m vest om veien (32V , ), observer på dvergbjørk, greplyng og rypebær. b) Tørreng ca. 30m øst om veien (32V , ). Observer på gråvier, dvergbjørk og gullris. c) Grasmyr ca 25. vest-nordvest om foregående punkt (32V , ). Observer på dvergbjørk, multebær og gråvier. 4. Haukberget Øst: To observasjonssteder ved siden av hverandre, ca. 1070moh. Lokaliteten gjenkjennes ved stor bjørk på østsiden av veien. Observer på bjørka ved veien og på: a) Dvergbjørk-gulskinn rabb (32V , ), som er vanligste vegetasjonstype i området. Observer på dvergbjørk, greplyng og rypebær. b) Tørt vierkratt ca. 50m øst om veien (32V , ). Observer på dvergbjørk, blåbær (blomst/bær mangler), gullris og gråvier. 5. Tverrfjellet Nord: To observasjonspunkter nært hverandre, ca. 1025moh. Kjennes igjen ved skilt på vestsiden av veien som viser skarp sving og smal vei (brua over Svane). Observer på bjørk på vestsiden av veien og på: a) ca. 15m øst om veien i dvergbjørk-gulskinn-rabbeskjegg hei (32V , ) observer på dvergbjørk og på (sjekk om rypebær-greplyng, gråvier er der), b) ca. 30m øst om veien i fuktig vierkratt (32V , ). Observer på dvergbjørk, blåbær (blomst/bær mangler?), gråvier og gullris (ett merket eksemplar). (lokalitet 4 og 5 utfyller hverandre, eventuelt så kan lokalitet 4 og 5 erstattes med lokalitet 6). 6. Harald R: To observasjonspunkt (brukes dersom lokalitet 4 og 5 er vanskelig å befare grunnet restriksjoner fra forsvaret). Parker på utkjørsel med informasjonsplakater om nasjonalparken, på østsiden av E6. Gå sørover langs asfaltert sti til Harald R monument, ca. 1030moh. a) Dvergvjørk-lavrabb ca. 35m vest om asfaltert sti (32V , ). Observer på dvergbjørk, rypebær og greplyng. b) Tørt vierkratt, ca. 50 meter øst om Harald R monumentet (32V , ). Merkepinnen er noe vanskelig å se fra monumentet og en må gå nærmere myrkanten. Observer på dvergbjørk, gråvier og blåbær rund merkepinnen. Observer også på bjørkene i skråningen øst om merkepinnen (snitt av et ca. 100x100m område). 7. Hjerkinnsdammen Vest. Lokaliteten er vest om Hjerkinnsdamme, ca. 905moh. Kjør ned mot vannet og parkerer foran ett brunt vannhus. Lokaliteten (32V , ) er da ca. 10m nord om der en parkerer. Observer på dvergbjørk, bjørk, gråvier, skogstorkenebb og gullris. Foto 1. Observasjonsstedene ved Hjerkinn er merket med merkepinner. Foto 2. Dvergbjørk-lavhei er dominerende vegetasjonstype i Hjerkinn området fra ca til 1200 meter over havet. 11

12 Foto 3. a) Nye blader på dvergbjørka. b) Begynnende gulning av bladene på dvergbjørka. 4.2 START PÅ VEKSTSESONGEN Figur 3 viser gjennomsnittsdato for start på vekstsesongen for årene 2000 til 2011 for hele studieområdet, mens figur 4 viser for Hjerkinn området. Datoene er i utgangspunktet ment å gjenspeile dato for løvsprett på dvergbjørk, men da feltobservasjonene ved Hjerkinn først startet den 6. september 2011 har en ingen feltobservasjoner på dvergbjørk for vårsesongen. Figur 3. Starten på vekstsesongen basert på MODIS-NDVI data. Gjennomsnitt for årene 2000 til Datoene vil bli noe justert i årene som kommer - når en får mer feltdata å sammenligne med. De data som kartet er tilpasset er fra ett tidligere fenologiprosjekt, også ledet av Norut Tromsø ( Phenology as an indicator of climate change effects, Norges forskningsråd ref /720). På det prosjektet så observerte Simen Bretten (botaniker og tidligere bestyrer av Kongsvoll biologiske stasjon) fenologi for årene 2004 til 2006 nært lokalitet 6 Harald R. Simen Brettens observasjoner og karakterisering av start på vekstsesongen ligger til grunn for 12

13 utarbeidelsen av dette satellittbaserte produktet. Brettens data viser for eksempel dato for musøre på bjørk den 2., 14. og 9. juni for henholdsvis årene 2004, 2005 og Starten på vekstsesongen viser ett klart mønster med tidlig start i lavlandet og senere med økende høyde over havet (fig. 3), som gjenspeiler temperaturgradienten. Innen Hjerkinn området (fig. 4) viser de lavereliggende områdene 3-4 uker tidligere start enn områdene omkring 500m høyere (dvs. ca 5-6 dager senere per 100m høydeforskjell). Men det må understrekes at så langt er satellittproduktene tilpasset svært lite feltdata og vil bli justert i neste utgave, når en har mer feltdata å sammenstille satellittdata med. Figur 4. Starten på vekstsesongen basert på MODIS-NDVI data for Hjerkinn området. Gjennomsnitt for årene 2000 til De syv områdene for feltobservasjoner av vekstsesongen er merket med grønne sirkler. Datoene vil bli noe justert i årene som kommer - når en får feltobservasjoner å sammenligne med Den årlige starten på vekstsesongen i Hjerkinn området er illustrert i figur 5. Figuren indikerer en svak trend mot noe tidligere start på vekstsesongen (2-3 dager), og at våren 2005 skiller seg ut med sen start på vekstsesongen. 20. juni 18. juni 16. juni 14. juni 12. juni 10. juni 8. juni 6. juni 4. juni 2. juni 31. mai Figur 5. Start på vekstsesongen i Hjerkinn området (gjennomsnitt for ett noe mindre utsnitt enn det vist i figur 4) for årene 2000 til

14 4.3 SLUTTEN PÅ VEKSTSESONGEN Figur 6 viser gjennomsnittsdato for slutten på vekstsesongen for årene 2000 til 2011 for hele studieområdet. Kartet er utarbeidet ut fra terskel i NDVI verdien. Datoene er i utgangspunktet ment å gjenspeile dato omkring 50% gule blader på dvergbjørk (foto 3b). Feltobservasjonene ved Hjerkinn startet den 6. september Dessverre viste deg seg at høsten 2011 hadde unormalt tidlige høstfarger spesielt på bjørk og dels på dvergbjørka. For bjørka trolig på grunn av en svært fuktig sommer og sterkt angrep av bjørkerust (Melampsoridium betulinum). Når feltobservasjonene startet var det ingen blader igjen på bjørka (foto 4), dette i kontrast til Simen Bretten sine observasjoner som viser omkring 50% gule blader på bjørka omkring september for alle årene 2004 til Derimot viser feltobservasjonen ved lokalitet 6 og 7 (fig. 2) ennå noen grønne blader på blåbær, gråvier og gullris fram til midten av september Figur 6. Slutten på vekstsesongen basert på MODIS-NDVI data. Gjennomsnitt for årene 2000 til Datoene vil bli justert i årene som kommer - når en får mer feltdata å sammenligne med. I forhold til start på vekstsesongen så indikerer slutten av vekstsesongen (fig. 6) noe mindre forskjell med høyden over havet. Det aller meste av studieområdet har slutt på vekstsesongen i løpet av september. For Hjerkinn området så indikerer kartet kun omkring to ukers forskjell i slutt på vekstsesongen mellom laveste og høyeste område. Kartet indikerer også større lokale variasjoner i slutt på vekstsesongen sammenlignet med start på vekstsesongen. 14

15 Foto 4. Ingen blader igjen på bjørka ved Hjerkinn den 7. september DISKUSJON Vekstsesongen for årene 2000 til 2011 har blitt kartlagt med MODIS satellittdata. Hovedjobben i prosjektet har vært en omfattende, men robust prosessering av MODIS dataen for å fjerne støy. De prosesserte data vil prosjektet dra nytte av i årene som kommer, men de presenterte kartene som indikerer start og slutt på vekstsesongen er høyst foreløpige da de er tolket ut fra svært lite bakkeobservasjoner av vekstsesongen. Det er i utgangspunktet målet at starten på vekstsesongen skal gjenspeile dato for løvsprett på dvergbjørk og slutten på vekstsesongen omkring 50% gule blader på dvergbjørka. Dvergbjørk er egnet fordi den er svært vanlig og har fenofaser som er relativt enkelt å observere i felt. Ulempen er at arten har bred økologi og forekommer både relativt tørt og vått og på rabb og i snøleier, og dette kan gi store lokale variasjoner i løvsprett/gulning. Det er også uklart hvor mye dvergbjørk reagerer på klimavariabler om høsten, eller om høstfargene er mer ett resultat av fotoperioden (dag/natt lengden), eller om tidspunkt for høstfarger på arten dels er genetisk betinget (avhengig av tidspunkt for løvsprett om våren). Det foreløpige valget av dvergbjørk må ses i sammenheng med hovedmålet i prosjektet, som er en storskala kartlegging av hele fjellkjeden med satellittdata med grov romlige og tidsmessige oppløsningen. Når en har flere år med feltobservasjoner kan en sammenligne de ulike artene det observeres på og enten bruke dvergbjørk, eller en kombinasjon av fenofaser fra flere arter (fenologi indeks) i å definere start og slutt på vekstsesongen. Videre kan det også senere være aktuelt å karakterisere vekstsesongen med flere fenofaser, hvor først snøfrie dag vil være første fase. Det forventes at spesielt kartet som viser slutten på vekstsesongen vil bli omfattende justert når en har mer feltdata. Slutten av vekstsesongen ble nå kartlagt ved bruk av en piksel spesifikk terskel av NDVI verdien, men hvor NDVI tidligere har vist seg vanskelig å bruke i kartlegging av slutten på vekstsesongen (Karlsen et al. 2008, 2011b). Når en har mer feltobservasjoner av høstfenofaser vil vi prøve ulike kanalkombinasjoner (indekser) i kartlegging av slutten på vekstsesongen, og det ventes da at produktet kan bli vesentlig forbedret. Trolig vil Sentinel-2 satellitten, med bilder flere ganger i uka og med pikselstørrelse 15

16 på 10 meter i enkelte spektrale band, bli skutt opp sent i 2013 og være operativ fra vekstsesongen 2014 av. De spektrale bandende og en «swath width» på hele 290 km gjør sensoren svært egent for kartlegging av vekstsesongen. Med data fra den satellitten vil en mer nøyaktig kunne kartlegge vekstsesongen, og derav også bedre kunne korrelere de eldre MODIS data. 6 OPPSUMMERING OG KONKLUSJON I dette delprosjekt er vekstsesongen langs et kyst innland transket i Midt Norge kartlagt. Overvåkningen er et ledd i den pågående overvåkning av naturmiljøet i regi av GLORIA- Norge. MODIS satellittdata for årene 2000 til 2011, med 250m romlig oppløsning og 8 dagers tidsoppløsning, er brukt i kartlegging av start og slutt på vekstsesongen for hele området. Datasettet er omfattende prosessert for å fjerne støy. Produktene som er presentert for start og slutt på vekstsesongen er foreløpige da de er tolket ut i fra lite feltdata. Det ble sommeren 2011 etablert et transket ved Hjerkinn på Dovrefjell hvor vekstsesongen bør overvåkes i årene som kommer. Området er ment å fange opp den romlige variasjonen i vekstsesongen fra ca. 900 til 1430 meter over havet langs en rute på 13,5 km. Det er lagt opp til observasjoner i syv områder innenfor transekt. De syv områdene dekker de ulike høydebeltene og det er ment at observasjonen skal finne den romlige variasjonen i start og slutt på vekstsesongen langs rabb-snøleiegradienten og i tørre og fuktige lokaliteter i de ulike høydebeltene. Observasjonen er designet for å kunne sammenstilles med MODIS satellittdata. Da observasjonsstedet i Hjerkinn har et kontinentalt klima er det planlagt å opprette et observasjonssted i et humid område i tillegg. Når en har mer feltdata å sammenligne med vil det bli laget nye utgaver av de satellittbaserte vekstsesongkartene, og produktene vil da bli analysert mot de øvrige geofysiske og vegetasjonsøkologiske variablene målt og observert i regi av GLORIA-Norge. 7 REFERANSER Ackerman, S.A., R.E. Holz & R. Frey Cloud detection with MODIS. Part II: Validation. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 25: Frey, R.A., S.A. Ackerman, Y. Liu, K.I. Strabala, H. Zhang, J. R. Key & X. Wang Cloud detection with MODIS. Part I: Improvements in the MODIS cloud mask for collection 5. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 25: Holten, J.I. & E.I. Aune Altitudinal distribution patterns of alpine plants. Studies along a coastinland transect in southern Scandes, northern Europe. Trondheim, Tapir forlag. Høgda, K.A, Karlsen S.R & H. Tømmervik Changes in growing season in Fennoscandia In: Ørbæk J.B, Kallenborn R, Tombre I, Hegseth E.N, Falk-Petersen S & A.H. Hoel (eds) Arctic Alpine Ecosystems and People in a Changing Environment. Springer-Verlag, pp Johansen, B. & S.R. Karlsen Stortussen/Snøtind. Vegetasjonskart. Norut Rapport 17/ sider. Johansen, B. & S.R. Karlsen Kaldfonna. Vegetasjonskart. Norut Rapport x/ sider. Jönsson, P. & Eklundh, L Seasonality extraction by function fitting to time-series of satellite sensor data. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 40, Jönsson, P. & Eklundh, L TIMESAT - a program for analysing time-series of satellite sensor data. Computers and Geosciences 30, Karlsen, S. R., Elvebakk, A., Høgda, K.A. & Johansen, B Satellite based mapping of the growing season and bioclimatic zones in Fennoscandia. Global Ecology and Biogeography. 15:

17 Karlsen, S.R, Solheim, I., Beck, P.S.A., Høgda, K-A, Wielgolaski, F.E, & Tømmervik, H Variability of the start of the growing season in Fennoscandia, International Journal of Biometereology. 51: Karlsen, S.R., A. Tolvanen, E. Kubin, J. Poikolainen, K.A. Høgda, B. Johansen, F. S. Danks, P. Aspholm, F. E. Wielgolaski & O. Makarova MODIS-NDVI based mapping of the length of the growing season in northern Fennoscandia. Int. J. Appl. Earth Observ. Geoinform. 10: Karlsen, S.R., H. Ramfjord, K. A. Høgda, B. Johansen, F. S. Danks & T. E. Brobakk. 2009a. A satellite-based map of onset of birch (Betula) flowering in Norway. Aerobiologia. 25: Karlsen, S.R., K. A. Høgda, F.E. Wielgolaski, A. Tolvanen, H.Tømmervik, J. Poikolainen & E.Kubin. 2009b. Growing-season trends in Fennoscandia , determined from satellite and phenology data. Climate Research. 39: Karlsen, S.R., K.A. Høgda, A. Tolvanen, B. Johansen. & A. Elvebakk New Satellite-Based Maps of the Growing Season North of 50 N. Proc. of SPIE Vol doi: / Karsen, S. R., E. Malnes, & K. A. Høgda. 2011a. Satellittbasert overvåkning av vekstsesongen på Svalbard, - status Norut Rapport 5/ s. Karlsen, S.R., A. Tolvanen, K.A. Høgda, L. Eklundh, N. Polikarpova, O. Makarova & B. U. Hansen. 2011b. Use of MODIS satellite data to map the growing season in northern Fennoscandia. Geophysical Research Abstracts. Vol. 13, EGU , Marshall, G.S Drought detection and quantification using field-based spectral measurements of vegetation in semi-arid regions. Masters of Science in Hydrology. New Mexico Institute of Mining and Technology, Department of Earth and Environmental Science, Socorro, New Mexico. Molau, U., U. Nordenhäll & B. Eriksen Onset of flowering and climate variability in an alpine landscape. A 10-year study from Swedish Lapland. American Journal of Botany. 92: Odland, A. & H.K. Munkejord Plants as indicators of snow layer duration in southern Norwegian mountains. Ecological Indicators. 8: Odland, A Estimation of the growing season length in alpine areas: Effects of snow and temperatures. Chapter 3 in: Schmidt, J.G. Alpine environment: Geology, Ecology and Conservation. Pp Salomonson, V.V. & I. Appel Estimating fractional snow cover from MODIS using the normalized difference snow index. Remote Sensing of Environment. 89: Shutova, E., F.E. Wielgolaski, S.R. Karlsen, O. Makarova, E. Haraldsson, P.E. Aspholm, N. Berlina, T. Filimonova, L. Flø & K.A. Høgda Growing season in nordic mountain birch in the northernmost Europe as indicated by long-term field studies and analyses of satellite images. Int J Biometereology, 51: When, S. J.I. Holten & S.R. Karlsen Etablering av fastruter i fjell langs et kyst innland transekt i Midt Norge. ett delprosjekt innen GLORIA Norge. Norut Rapport 3/ sider. Wielgolaski, F.E. & S.R. Karlsen Some views on plants in polar and alpine regions. "ReViews in Environmental Science and Bio/Technology", special issue on "Life in Extreme Environments". 6: DOI /s z. (Rev Environ Sci Biotechnol) Wielgolaski, F.E, Ø. Nordli, S.R. Karlsen & B. O Neill Plant phenological variation in Norway during the period related to temperature. International Journal of Biometereology, 55: