Greenhouse gas emissions and mitigation options under climate- and land use change in West Africa: A concerted regional modeling and observation assessment - CONCERT

Abstract

The rapid population growth in West Africa has led to enormous changes in land use and land cover due to widespread expansion of agricultural and strong urbanization. In addition, the high vulnerability of people in West Africa is significantly exacerbated by global climate change due to rising temperatures and increasing weather extremes. It is therefore of utmost importance to achieve sustainable agriculture and food production under changing climate and land use conditions in West Africa to improve people's livelihoods and promote stability in the region. The aim of CONCERT was to perform a concerted regional assessment of greenhouse gas (GHG) emissions and potential mitigation strategies by linking innovative land surface observations with advanced process-based models from Earth system science. The work was carried out by a joint German-African consortium in collaboration with the WASCAL Competence Centre and other partner institutions. A major achievement was the expansion of the WASCAL observatory established in Phase I of the WASCAL project in the Savannah region of Ghana and Burkina Faso. This was accomplished by installing two new eddy covariance towers at contrasting land use sites and innovative equipment such as cosmic ray neutron sensors for improved soil monitoring. With this new measurement setup, the emissions of three greenhouse gases (carbon dioxide, methane, nitrous oxide) from several agricultural sites (e.g. rice cultivation, grassland) could be determined for the first time in comparison to protected forest reserves. The field experiment indicated that about four times more savannah forest area is required to compensate for the methane emissions from rice cultivation. In addition, the latest remote sensing products such as high-resolution SkySat images were used to better describe vegetation dynamics and classify land use and land cover in this region. Furthermore, a fully coupled regional Earth System Model based on the atmospheric-hydrological model system WRF/WRF-Hydro was further developed and adapted for the West African region to better represent vegetation dynamics and other processes. The new model was used to analyze the impacts of LULCC changes (e.g. deforestation and afforestation) on precipitation extremes and variability as well as on carbon dynamics and feedback mechanisms. In addition, several other hydrological and crop yield models were used for long-term simulations. Crop simulation indicated that maize yields in the Sudan-Sahel zone could decline by over 20% under the IPCC's high-emission scenario, posing a serious threat to food security in this already vulnerable region. Various capacity development measures complemented the work. Several doctoral students were co-supervised and completed a six-month research placement at German institutions, transferring CONCERT findings, methods and know-how to the West African partner institution. Additionally, two regional workshops were held in Ghana and Senegal to engage stakeholders in the CONCERT project, disseminate project results, and foster collaboration with climate scientists, policymakers, and institutional partners. Das rasche Bevölkerungswachstum in Westafrika hat zu weitreichenden Veränderungen der Landnutzung und Landbedeckung geführt aufgrund der flächendeckenden Ausweitung der Landwirtschaft und starken Urbanisierung. Zusätzlich wird die hohe Anfälligkeit der Menschen in Westafrika durch den globalen Klimawandel deutlich verschärft aufgrund steigender Temperaturen und zunehmender Wetterextreme. Daher ist es von größter Bedeutung, dass eine nachhaltige Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion unter sich ändernden Klima- und Landnutzungsbedingungen in Westafrika erreicht wird, um die Lebensgrundlagen der Menschen zu verbessern und die Stabilität in der Region zu fördern. Das Ziel von CONCERT war es, eine konzertierte regionale Bewertung der Treibhausgasemissionen und potenzieller Minderungsstrategien vorzunehmen, indem innovative Landoberflächenbeobachtungen mit fortschrittlichen prozessbasierten Modellen aus den Erdsystemwissenschaften verknüpft wurden. Die Arbeit wurde von einem gemeinsamen deutsch-afrikanischen Konsortium in Zusammenarbeit mit dem WASCAL-Kompetenzzentrum und anderen Partnerinstitutionen durchgeführt. Eine wichtige Errungenschaft des Projektes war die Erweiterung des WASCAL-Observatoriums, das in Phase I des WASCAL-Projekts in der Savannenregion in Ghana und Burkina Faso eingerichtet wurde. Dazu wurden zwei neue Eddy-Kovarianz-Türme in konträren Landnutzungen und innovative Geräte wie kosmische Neutronensensoren für eine bessere Bodenfeuchteüberwachung installiert. Mit diesem neuen Messaufbau konnten u.a. nun erstmals die Emissionen von drei Treibhausgasen (Kohlendioxid, Methan, Distickoffoxid) von mehreren landwirtschaftlichen Standorten (z. B. Reisanbau, Grünland) im Vergleich zu geschützten Waldreservaten ermittelt werden. Die Feldversuche ergaben, dass etwa viermal mehr Savannenwaldfläche erforderlich ist, um die Methanemissionen aus dem Reisanbau zu kompensieren. Zusätzlich wurden neueste Fernerkundungsprodukte wie hochauflösende SkySat-Bilder für eine bessere Beschreibung der Vegetationsdynamik und Klassifizierung der Landnutzung eingesetzt. Darüber hinaus wurde ein regionales Erdsystemmodell basierend auf dem atmosphärisch-hydrologischen Modellsystem WRF/WRF-Hydro weiterentwickelt und für die westafrikanische Region angepasst, um die Vegetationsdynamik und andere Prozesse besser abzubilden. Das neue Modell wurden verwendet, um die Auswirkungen von LULCC-Veränderungen (z. B. Entwaldung und Aufforstung) auf Niederschlagsextreme und -variabilität sowie auf die Kohlenstoffdynamik und Rückkopplungsmechanismen zu analysieren. Darüber hinaus wurden mehrere andere hydrologische und Ernteertragsmodelle für langfristige Simulationen eingesetzt. Die Ernteertragssimulationen zeigten, dass die Maiserträge in der Sudan-Sahel-Zone unter dem IPCC-Szenario mit hohen Emissionen um mehr als 20 % zurückgehen könnten, was eine ernsthafte Bedrohung für die Ernährungssicherheit in dieser ohnehin schon anfälligen Region darstellt. Verschiedene Maßnahmen zum Kapazitätsaufbau ergänzten die Projektarbeiten. Mehrere Doktoranden des WASCAL-Graduiertenprogramms wurden co-betreut und absolvierten einen sechsmonatiges Forschungsaufenthalt in Deutschland. Darüber hinaus wurden zwei regionale Workshops in Ghana und Senegal abgehalten, um Entscheidungsträger in das CONCERT-Projekt einzubinden, Projektergebnisse zu verbreiten und die Zusammenarbeit mit westafrikanischen Klimawissenschaftlern, politischen Entscheidungsträgern und institutionellen Partnern zu fördern.