PAN‐EURASIAN EXPERIMENT (PEEX)

Hanna K LappalainenUniversity of Helsinki, FINLAND  

a multidisciplinary climate and environmental change initiative focused on the Northern Eurasian regions

a bottom up initiative by several European, Russian and Chinese research organizations and institutes e.g. Aerocosmos, Moscow State Univ., Russia, University of Nanjing, RADI, China

set for years 2013‐2033 – long‐term continuing activity

THE PAN-EURASIAN EXPERIMENT (PEEX)

PEEX VisionTo resolve the major uncertainties in the Earth system science and global sustainability questions in the Arctic and boreal Pan‐Eurasian region influencing the human well‐being and societies in the northern Eurasia.

to establish and maintenance of long‐term, coherent and coordinated research activities and research & educational infrastructures

to contribute to the Earth system science agenda and climate policy in topics important to the Pan‐Eurasian environment 

to provide adaptation and mitigation strategies for the northern Pan‐Eurasian societies to cope with climate change.

PEEX involving research communities from 18 countries

PEEX‐2  in Moscow 12‐14.Feb2013PEEX‐1 in Helsinki 2‐4.Oct 2012

PEEX‐4 in St.Petersburg 5‐6.Mar.2014PEEX‐3 in Hyytiälä 26‐28.Aug.2013

PEEX involving research communities from 18 countriesPEEX‐ China Kick off in Beijing 20‐21.Nov.2013

A funding to support the further development of PEEX programme

PEEX‐China PIs Prof. Guo Huadong, Prof. Li Chongyin and Prof. Peng Gongbing

set up a PEEX Beijing Office hosted by the Institute of Remote Sensing and Digital Earth (RADI), the Chinese Academy of Sciences (CAS).

Preparatory CommitteeAcademy Prof. Markku Kulmala Univ.Helsinki , FinlandProf. Sergej Zilitinkevich FMI, FinlandDirector Yrjö Viisanen FMI,  FinlandProf. Vladimir Kotlyakov Inst. of  Geography,  RussiaProf. Nikoly Kasimov Moscow State University, RussiaProf. Valeriy Bondur AEROCOSMOS, RussiaProf. Alexander Baklanov, WMOProf. Gennady Matvienko Inst. of Atmospheric Optics SB RAS, RussiaProf. Guo Huadong, Center for Earth Observation and Digital Earth, CAS, Beijing, China

PEEX HQ  in HelsinkiHeads Prof. M. Kulmala Univ. Helsinki , Prof. S. Zilitinkevich FMIExecutive Officer, Dr. Hanna Lappalainen, Univ. Helsinki FMIScience  Director, Prof. Tuukka Petäjä, Univ. Helsinki  Project Officer, Dr. Joni Kujansuu, Univ. Helsinki Education Officers, Dr. Taina Ruuskanen, Dr. Antti Lauri, Univ. Helsinki

PEEX Moscow Office, PEEX Beijing Office

PEEX Working Groups:‐ in situ observations / satellites / modelling / socio‐economics / knowledge transfer

PEEX Contributing Institutes

PEEX Organization

Global warming

Biodiversity loss

Air quality

Fresh water

Epidemic diseases

Deforestification

Climatechange

Food supplies

Volcanoes

Earthquakes

Energy

Chemicalisation

Ocean acidification

PEEX Background – GRAND CHALLENGES

Solving any of the grand challenges requires a multidisciplinary– multiscale approach

VERY IMPORTANT AREA Crucial for global climate

Arctic, borealAlbedo changeCarbon sink or sourceMethaneAerosol production

via BVOCsAir qualityEnergy productionPermafrostArctic OceanSocioetal issues

Technology

3.GLOBALIZATION

4. NATURAL RESOURCES

1.DEMOGRAPHY

2.CLIMATE  CHANGE

NORTHERN PAN-EURASIAN REGION =

PEEX - GRAND CHALLENGES IN THE NORTHERN CONTEXT

PEEX Structure: 4 Focus areas

PEEX Large scale research schematics   

ref. NCoE‐CRAICC – project: Cryosphere‐Atmosphere interactions in a changing Artic climate

to understand  the Earth system and the influence of environmental and societal changes in Pan‐Eurasian environments 

to determine the processes relevant to the climate change

PEEX built on multiscale approach designed as a research chain that aims to advance our

understanding of climate and air quality through a series of connected activities beginning at the molecular scale and extending to the regional and global scale (ref. Kulmala et al. 2011).

PEEX Science Plan (SP) 

White paper

Background document for  research funding applications, new projects research infrastructure fundraising  education activities and projects

Identifying  the PEEX initiative at the large scale‐ large scale research questions‐ key topics relevant to Arctic boreal regions

PEEX Science Plan – F‐1 Research Agenda 15 LARGE  SCALE RESEARCH QUESTIONS (RQ) 

5 KEY AREAS  ‐ 15  KEY TOPICS  ‐ 15 RQs

1. LAND SYSTEM   

2. ATMOSPHERIC SYSTEM 

3. AQUATIC SYSTEM 

4.  ANTHROPOGENIC ACTIVITIES    AND SOCIETY

5. FEEDBACKS, INTERACTIONS AND  BIOGEOCEMICAL CYCLES

For exampleResearch Agenda –Atmospheric system

Q‐4 What are the critical atmospheric physics and chemistry processes with large‐scale climate implications?Key Topic: Atmospheric Composition and Chemistry

Q‐5 What are the key feedbacks between air quality and climate at northern high latitudes and in China?Key Topic: Urban air quality, megacities and changing PBL

Q‐6 How will atmospheric dynamics (synoptic scale weather; boundary layer) change in Arctic – boreal regions?Key Topic: Weather and atmospheric circulation

RESEARCH QUESTION – KEY TOPIC

Research Agenda – ANTHROPOGENIC ACTIVITIES

Q‐10 How will human actions such as land‐use changes, energy production, use of natural resources, efficiency and use of renewable energy sources) influence further environmental changes in the region? Key Topic: Anthropogenic impact

Q‐11 How do the changes in physical, chemical and biological state of the different ecosystems, inland water and coastal areas affect the economies and societies in the region and vice versa?Key Topic: Environmental impact

Q‐12 In which ways are socio‐economic areas vulnerable to climate change,  how can their vulnerability be reduced and their adaptive capacities improved and  what responses can be identified to mitigate and adapt to the climatic changes?Key Topic: Natural hazards

RESEARCH QUESTION – KEY TOPIC

PEEX  Region

Land & aquatic ecosystemsBoreal forest - taigaSub-arctic- alpine tundraPeatlandArctic and boreal lakesLarge river systems

The Arctic Ocean- Arctic marine regions Permafrost regions Urban environments

Characteristics of PEEX region

AIM to fill the atmospheric  in‐situ observational gap in in the Siberian and Far East regions and 

start the process towards standardized or comparable data procedures.

Twinned: Operations supported by SAG membersRecruited: Joined GAW through efforts of SAG members

PEEX ?

Ref. Alexander Baklanov, WMO, EGU 2014 PEEX sessio

IMPLEMENTATION ‐ PEEX RI – in situ observations

GAW In‐situ Aerosol Network

Concept of hierarchial PEEX stations networks  Supersites every 2000 km across PEEX domainSuper site: Stations for measuring ecosystem atmosphere relations

IMPLEMENTATION ‐ PEEX RI – in situ observations

IMPLEMENTATION ‐ PEEX Research Infrastructure

PEEX  towards IMPLEMENTATION 

First PEEX labeled research projects  Nordic: CRAICC‐PEEX 6 Workshops 2014‐2015 – granted

“Joint CRAICC – PEEX  research & education activity: SLCF, Arctic Seas & shipping, anthropogenic emissionsin the Arctic, ABL climatology in the Arctic ”

“Future Arctic: scenarios & assessment” proposal Europe: JPI‐Climate:  “GREENSCAPE”‐ submitted

“Greenhouse gases and short‐lived Climate Forcers in the Eurasian Arctic and Boreal Environment”

Europe: Horizon 2020: “FACTS” –submitted “Feedback Assessments of Climate Trajectories in a 

Social context” Europe:  Horizon 2020: “PEEX ITN” – to be submitted in 2014 

State of the art research program & Doctoral education program

Russia:  Basic Research:  2 proposals (ABL, satellites) – to be submitted soon

PEEX – FIRST RESEARCH ACTIVITIES

“Future Arctic: scenarios & assessment” proposalConsortium University of Helsinki University of Turku Finnish Meteorological Institute University of Stockholm Lund Universitet University of Århus South Danish University Danish Meteorological Institute University of Oslo Nansen Centre NILU University of Iceland

PEEX – FIRST RESEARCH ACTIVITIESNordic Centers of Excellence (NCoEs): 1. DEFROST “Interactions between climate 

change and the cryosphere”2. CRAICC “Cryosphere‐atmosphere 

interactions in a changing Arctic climate”3. NORD‐STAR NORD‐STAR “Strategic 

adaptation research to help the Nordic countries address the twin challenge of a warmer climate and the consequences of climate policy”

4. TUNDRA “Interaction between the ecological phenomenon of top‐down impacts in food webs and climate–vegetation interactions and integrate this perspective with the man‐managed reindeer husbandry” 

5. eSTICC “eScience tools for investigating Climate Change in Northern High Latitudes”

Baseline: RCP and Shared Socio‐Economic Pathways (SSP) have a global focus and do not explicitly address development trends in the Arctic and boreal region. 

PEEX will extend and complement the global analyses to the Arctic region

scenarios for 2020, 2050, 2080 

identify user needs for climate information on micro‐ (household, company) and meso‐ (municipality, economical region) levels. 

explored needs will be used to develop narratives 

PEEX  Scenarios  ‐

A ) Climate simulations for the 21st century (IPCC WG1 CMIP5):  for different Representative Concentration Pathways (RCPs) changes in climate parameters (temperature, precipitation, sea ice 

extent, soil moisture, etc.) in a  globally scale  concentrate on RCP6.0, considered neither a particularly optimistic 

nor pessimistic scenario; has received little attention.

Downscaling studies  provide more detail for specific regions: regional climate 

modelling and statistical‐dynamical downscaling.  Upscaling studies  provide global view on the dynamical processes controlling local 

climate phenomena in change: tele‐connection analysis and extreme weather projections. 

PEEX  Scenarios –Climate simulations preliminary ideas

NARRATIVES TAKE INTO ACCOUNT E.G.:  climate, environmental and societal change already taken place economical constraints caused by remote logistics and sparse 

population in the Arctic region prospected availability of natural resources (oil, gas, minerals) in 

the Arctic becoming more easily accessible as the Arctic cryosphere shrinks

opening of the shipping routes with the decreasing sea ice cover  increasing pollution affecting health effects  shifting of vegetation zones of the boreal regions leading to 

intensified forestry , and the emerging competition with current economic actors

GENERAL AIM: “narratives should reflect plausible pathways of collective human attitudes and behaviour, both as individuals, as well as by the actions of multinational bodies (UN, EU, Arctic Council etc.), national governments and corporations”

PEEX  Scenarios  ‐ NARRATIVES preliminary ideas

PEEX  Scenarios

SUMMARY PEEX work towards Arctic scenarios is in process

NORDFORSK ‐ phase‐1 proposal submission 6.June

PEEX Arctic scenarios ‐approach based on NordicCenters of Excellence

collaboration with  IIASA Arctic Futures Project would beimportant

TOWARDS INTEGRATED NEW KNOWLEDGE ON ARCTIC FUTURE