Doktorarbeit
Detection and analysis of coherent structures within and above tall-vegetated canopies
Christoph Thomas (02/2002-06/2005)
Betreuer: Thomas Foken
Kohärente Strukturen sind ein inhärenter Bestandteil der atmosphärischen Turbulenz über hoher Vegetation. Obwohl die Turbulenzforschung innerhalb der letzten Jahrzehnte kohärente Strukturen zunehmend in den Mittelpunkt ihres Interesses gerückt hat, blieben die grundlegenden Mechanismen ihrer Entstehung, ihr Beitrag zu Austauschprozessen und ihre Bedeutung für konventionelle Austauschbestimmungsverfahren weitgehend unverstanden. Vor allem die Untersuchung umfangreicher Datensätze anstelle von Einzelstudien fehlte bislang. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist ein erweitertes Verständnis der Entstehungsmechanismen und der statistischen Eigenschaften kohärenter Strukturen in und über hoher Vegetation durch die Untersuchung umfangreicher Zeitreihen. Besondere Bedeutung kommt dabei den Auswirkungen kohärenter Strukturen auf den Gesamtaustauschprozess und Austauschbestimmungsverfahren wie die Eddy-Kovarianz- Methode und die Relaxed-Eddy-Akkumulations-Technik zu. Die Datengrundlage wurde hauptsächlich im Rahmen umfangreicher Feldexperimente im Sommer 2003 erhoben. Dabei kamen Verfahren zur Turbulenzmessung auf Türmen und akustische Fernerkundung zur Anwendung.
Das selbstentwickelte Softwareprogramm, das die Wavelet-Transformation für die Erkennung und Untersuchung verwendet, gewährleistet eine objektive Bestimmung kohärenter Strukturen in Zeitreihen unter wechselnden meteorologischen Umweltbedingungen. Es schafft damit die Voraussetzung für eine Langzeitstudie über kohärente Strukturen. Kohärente Strukturen über hoher Vegetation haben charakteristische Zeitskalen zwischen 20 s und 35 s. Die Zeitskalen im Horizontalwind und in den Skalaren der akustischen Temperatur und der Konzentration von Kohlendioxid und Wasserdampf sind dabei größer als im Vertikalwind. Innerhalb hoher Vegetation gleichen sich die Zeitskalen der vektoriellen und skalaren Größen, die zwischen 24 s und 28 s liegen. Die Vegetation führt damit zu einer Erhöhung der Symmetrie kohärenter Strukturen. In größerer Entfernung zur Oberfläche konnten ebenfalls kohärente Strukturen mit deutlich längeren Zeitskalen von bis zu 220 s mithilfe der akustischen Fernerkundung nachgewiesen werden. Die Anwendung der Verwirbelungsschicht-Analogie auf die Datensätze ergab teilweise erhebliche Abweichungen des berechneten Verhältnisses m von der Vorhersage m = 7...10. Das Verhältnis m ist definiert als mittlerer Abstand kohärenter Strukturen entlang der Strömung zur Scherungslängenskala im Bestand. Die Abweichungen können auf die Oberflächengestalt zurückgeführt werden, die Einfluss auf das Windprofil im Bestand und damit auf die Windscherung nehmen. Eine Übereinstimmung wird für Strömungen erzielt, die sich im Nachlauf von Strömungshindernissen neu formieren müssen. Die große Windscherung an der Oberkante hoher Vegetation ist im hohen Maße verantwortlich für die Entstehung kohärenter Strukturen nahe der Vegetation. In größerer Entfernung zur Oberfläche können zunehmend diabatische Prozesse Einfluss nehmen. Kahlschläge in sonst homogener Vegetation erzeugen zusätzliche turbulente Flussstrukturen, die große zeitliche Skalen aufweisen. Kohärente Strukturen haben einen mittleren Flussbeitrag von 16 % am Impulsaustauscb und von 26 % am Auftriebsstrom, dem Kohlendioxidfluss und dem Austausch latenter Wärme. Zur Klassifikation typischer Austauschzustände zwischen der Atmosphäre und hoher Vegetation wurde ein Schema entwickelt, das eine qualitative Bewertung erlaubt. Es basiert auf dem physikalischen Prozess des Energietransportes, der durch die Phasen der Auf- und Abwärtsbewegung kohärenter Strukturen hervorgerufen wird. Kohärente Strukturen VIII verursachen bei Anwendung der konventionellen Eddy-Kovarianz-Methode über hoher Vegetation einen Flussbestimmungsfehler von unter 4 %. Dieser Fehler mittelt sich für längere Zeitabschnitte heraus und wird damit vernachlässigbar. Kohärente Strukturen mit großen Zeitskalen üben einen deutlichen Einfluss auf die skalare Ähnlichkeit aus, die Voraussetzung für die Anwendung der Eddy-Akkumulations-Technik ist. Sie sind verantwortlich dafür, dass sich die skalare Ähnlichkeit zwischen akustischer Temperatur und der Konzentration von Kohlendioxid und Wasserdampf im Tagesverlauf verändert.