Masterarbeit
Vergleich zweier Lagrange’scher Modelle zur Bestimmung des Footprints über heterogenem Gelände
Maria Baumer (08/2011-01/2012)
Betreuer: Wolfgang Babel, Thomas Foken
Geoökologie, Univ. Bayreuth
Die Messung eines vertikalen Flusses über einer emittierenden Fläche wird oft dazu herangezogen, die Emission einer Oberfläche zu bestimmen. Die Frage ist nun, welche Fläche für den beobachteten Fluss verantwortlich ist. Dies kann mit sogenannten Footprints, also einer Funktion (source weight function), die den Fluss mit der Quelle der Emission verbindet, ermittelt und dargestellt werden. Folgende Arbeit vergleicht zwei Lagrange’sche stochastische Modelle (backward und forward in time) und die von ihnen erzeugten Footprints. Die Modellfläche für die heterogenen Fälle wird inspiriert von einer existierenden Messsituation am NamCo See in China. Die Trennung der beiden unterschiedlichen Flächen wird dabei nicht in Windrichtung sondern quer zur Windrichtung vorgenommen. Die modellierte Messhöhe beträgt 3m. Nachdem durch einige Voranalysen die Verwendbarkeit der Modelle (lpdm-b_homo, lpdm-b_hetero) für den Vergleich gezeigt wird – ebenfalls die im Rahmen der Arbeit modifizierte Version des backward Modells (lpdm-b_IBL) – wird der Schwerpunkt auf den Vergleich der Footprints über heterogener und homogener Fläche gelegt. Speziell für die Anwendbarkeit des backward Modells in der Routine zur Charakterisierung heterogener Messflächen wird ein Vergleich zwischen dem backward und dem forward Modell durchgeführt. Die Voranalyse ergibt, dass die Modelle trotz unterschiedlicher Eingabemöglichkeiten einiger Parameter gut miteinander verglichen werden können. Des Weiteren zeigt die Analyse, dass an Stelle des lpdm-b_homo auch das lpdm-b_hetero verwendet werden kann. Die eigens für diese Studie modifizierte Version erzeugt in den vorgestellten Fällen kaum Effekte. Dennoch wird sie für den weiteren Verlauf der Untersuchungen verwendet. Beim Vergleich des lpdm-b_IBL über heterogener Fläche und über homogener Fläche zeigt sich, dass erste Effekte auf den Footprint zwar bereits bei unterschiedlich rauen Flächen auftreten, sich jedoch noch in einer hohen Übereinstimmungsklasse befinden. Hingegen entstehen bei unterschiedlichen Obukhov-Längen und damit thermischen Bedingungen sehr deutliche Unterschiede in der Ausbreitung des Footprints. Im Vergleich zu ihren homogenen Äquivalenten sind diese Unterschiede jedoch logisch erklärbar. Beim Modellvergleich lpdm-b_IBL und forward Modell trifft man schon bei homogener Unterlage auf Unstimmigkeiten. Dabei wird deutlich, dass das forward Modell und das backward Modell je nach Stabilität die Ausbreitung der Flächen unterschiedlich prognostizieren und damit im Vergleichsschema nur unter bestimmten Voraussetzungen Übereinstimmungen zeigt. Damit wird der Vergleich zwischen lpdm-b_IBL und dem forward Modell erschwert. Trotz dieser Schwierigkeit ist zu erkennen, dass der über heterogener Fläche erzeugte Footprint (lpdm-b_IBL) zu denen mit dem forward Modell erzeugten Footprints erhebliche Unterschiede aufweist. Nichtsdestoweniger können auch hier die Unterschiede logisch erklärt werden. Insgesamt kommt die Studie zu dem Schluss, dass für eine präzise Vorhersage des Footprints über heterogener Fläche das Modell lpdm-b_IBL bevorzugt werden sollte. Was die Einarbeitung in die Routine zur Charakterisierung heterogener Messflächen betrifft, so ist die Verwendung des backward Modells für Einzelfälle gut geeignet, jedoch bei einer großen Anzahl an Möglichkeiten der Flächentrennung und die damit einhergehende große Anzahl an benötigten vorberechneten lookup tables eher impraktikabel.