LARGE SCALE OZONE RISK ASSESSMENT FOR VEGETATION, FROM PAST YEARS TO THE END OF THE CENTURY UNDER DIFFERENT CLIMATE CHANGE SCENARIOS

This dissertation presents a global, flux-based assessment of O₃ risks to vegetation across the 21st century, analyzing trends in phytotoxic ozone dose (POD) and the influence of environmental factors on stomatal conductance and thereby O₃ uptake by vegetation. We introduce a dual-sink, big-leaf dry deposition model to estimate POD and the associated effects on crop and forest productivity. First, we demonstrate its capabilities in estimating O₃ risk to wheat at a regional scale for the present time. Subsequently, we perform global assessments throughout the 21st century, under multiple contrasting Shared Socioeconomic Pathways, for both wheat and forests ecosystems. We examine the impacts of temperature, vapor pressure deficit, and soil water availability on plant physiology, and address outstanding challenges in projecting future O₃ risk by quantifying elevated CO₂ effects on stomatal conductance and developing a machine-learning framework for forest ecosystem phenology under warming scenarios. Results indicate that O₃ damage to vegetation is projected to decline globally for both wheat and forests. While improvements in air quality contribute to this trend, simulations indicate that climatic limitations on stomatal conductance and the protective effect of rising CO₂ concentrations substantially reduce O₃ uptake even under pessimistic emission scenarios. However, O₃ risk is not expected to decline uniformly. South, South-East, and East Asia emerge as near-term hotspots for both crops and forests, while boreal forests may become increasingly vulnerable. Montane regions surrounding the tibetan plateau and parts of Sub-Saharan Africa and South America may also experience persistent or emerging risks depending on future climate and emission trajectories. Our findings highlight the value of flux-based frameworks for assessing global O₃ risk under climate change, providing a robust basis for prioritizing region-specific mitigation strategies to protect crop productivity and forest ecosystems from O₃ damage under future climate conditions.

Questa tesi presenta una valutazione globale, basata sui flussi, dei rischi dell’O₃ per la vegetazione nel corso del XXI secolo, analizzando le tendenze della dose fitotossica di ozono (POD) e l’influenza dei fattori ambientali sulla conduttanza stomatica e, di conseguenza, sull’assorbimento di O₃ da parte della vegetazione. In questo lavoro introduciamo dapprima un modello di deposizione secca “big-leaf” a doppio sink per stimare la POD e gli effetti associati sulla produttività delle colture e delle foreste e ne dimostriamo le capacità nella stima del rischio da O₃ per il grano su scala regionale nelle condizioni attuali. Successivamente, eseguiamo valutazioni globali lungo tutto il XXI secolo, considerando diversi Shared Socioeconomic Pathways contrastanti, sia per il grano sia per gli ecosistemi forestali. Esaminiamo gli impatti della temperatura, del deficit di pressione di vapore e della disponibilità idrica del suolo sulla fisiologia vegetale, affrontando inoltre le principali sfide ancora aperte nella proiezione del rischio futuro da O₃ attraverso la quantificazione degli effetti dell’aumento della CO₂ sulla conduttanza stomatica e lo sviluppo di un framework di machine learning per la fenologia degli ecosistemi forestali in scenari di riscaldamento climatico. I risultati indicano che il danno da O₃ alla vegetazione è destinato a diminuire globalmente sia per il grano sia per le foreste. Sebbene il miglioramento della qualità dell’aria contribuisca a questa tendenza, le simulazioni mostrano che le limitazioni climatiche alla conduttanza stomatica e l’effetto protettivo dell’aumento delle concentrazioni di CO₂ riducono sostanzialmente l’assorbimento di O₃ anche negli scenari emissivi più pessimisti. Tuttavia, non si prevede una diminuzione uniforme del rischio da O₃. L’Asia meridionale, sud-orientale e orientale emergono come hotspot nel breve termine sia per le colture sia per le foreste, mentre le foreste boreali potrebbero diventare progressivamente più vulnerabili. Anche le regioni montane attorno all’altopiano tibetano e alcune aree dell’Africa subsahariana e del Sud America potrebbero sperimentare rischi persistenti o emergenti a seconda delle future traiettorie climatiche ed emissive. I nostri risultati evidenziano il valore degli approcci basati sui flussi per la valutazione del rischio globale da O₃ in condizioni di cambiamento climatico, fornendo una solida base per definire strategie di mitigazione specifiche per ciascuna regione al fine di proteggere la produttività agricola e gli ecosistemi forestali dai danni causati dall’O₃ nelle future condizioni climatiche.