Vertikaltransporte von Energie- und Spurenstoffen an Ankerstationen und ihre räumliche/zeitliche Extrapolation unter komplexen natürlichen Bedingungen

VERTIKO-UBT1 (BMBF 07 ATF 37 UBT1)

Von 04/2001 bis 09/2004

Projektleiter: Thomas Foken
Mitarbeiter: Mathias Göckede, Claudia Liebethal, Matthias Mauder

Ziel des Verbundprojektes VERTIKO (VERTIkaltransporte von Energie- und Spurenstoffen an Ankerstationen und ihre räumlich/zeitliche Extrapolation unter KOmplexen natürlichen Bedingungen) war die Messung und Modellierung der Vertikaltransporte in der atmosphärischen Grenzschicht als Flächenmittel über inhomogenem Gelände. Zentrale Frage dabei war, mit welcher räumlichen und zeitlichen Auflösung welche atmosphärischen Prozesse in Modellen berücksichtigt werden müssen, um die Wechselwirkungen von Landoberflächen und der Atmosphäre adäquat zu erfassen. Weiterhin sollte untersucht werden, ob gegebenenfalls auf hohe räumliche Differenzierung verzichtet werden kann, ohne wesentliche Rückkoppelungsprozesse zu vernachlässigen. Da die notwendige Auflösung von der Fragestellung und der tatsächlich vorhandenen Heterogenität abhängig war, wurde ein konkretes Zielgebiet definiert: der Landschaftsstreifen zwischen dem Raum Lindenberg (Oder-Spree-Seengebiet) und dem Erzgebirge (mit ca. 100 km WE- und ca. 300 km NS-Erstreckung). Dieses Gebiet zeigt exemplarisch den Übergang von Ebene zu Mittelgebirge und umfasst die wesentlichen Landnutzungsformen Deutschlands (Grünland, Acker, Wald, Stadt, Wasser). Unterstützend konnte auch auf zahlreiche Messungen im Dauerbetrieb und Kampagnen mit ähnlicher Fragestellung (z.B. LITFASS-Experiment des Deutschen Wetterdienstes/DWD, SANA- bzw. ERZ-Projekt des BMBF) zurückgegriffen werden. Grundlage für Studium, Analyse und Modellierung der Prozesse waren langjährige kontinuierliche Messungen an Ankerstationen im Zielgebiet (und an externen Teststationen), die durch Messkampagnen und eine Vielfalt von Satellitenmethoden räumlich erweitert wurden. Die Teilaufgabe der Abteilung Mikrometeorologie (Gruppe UBT1) konzentrierte sich auf die Qualitätssicherung der Daten, welche an den Ankerstationen beziehungsweise im Verlauf der Messkampagnen gemessen wurden. Die Messung des Energie- und Stoffaustauschs zwischen der Atmosphäre und der Unterlage beruht auf Messverfahren und Modellkonzepten, die eine horizontale Homogenität der Unterlage, stationäre Messbedingungen und weitgehende Advektionsfreiheit erfordern. Derartige Bedingungen sind unter Messbedingungen im Freiland quasi nicht realisierbar. Daher müssen zwangsläufig auch Messungen über Unterlagen und in Gebieten durchgeführt werden, die diesen strengen Anforderungen nicht genügen können. Um unter solchen Umständen eine korrekte Interpretation der gemessenen Daten zu gewährleisten, muss der Einfluss der nicht idealen Randbedingungen auf die Datenqualität qualitativ und quantitativ abgeschätzt werden. Im Rahmen des VERTIKO-Projekts machte gerade der Fokus auf heterogene Bedingungen und die Berücksichtigung von Landnutzungsänderungen eine Kontrolle der oben genannten theoretischen Anforderungen mikrometeorologischer Messtechniken dringend erforderlich. Hauptziel des Teilprojekts der Gruppe UBT1 war es daher, den Heterogenitätseinfluss auf Messstationen des Projekts und ihren Einfluss die Ergebnisse der Energie- und Stoffflüsse und die Modellparametrisierungen zu quantifizieren und zu klassifizieren. Dies betraf besonders die Ankerstationen in Lindenberg, Melpitz und Tharandt, aber auch Teststationen für einzelne Prozessstudien. Dazu war es erforderlich, die Heterogenität der Quellgebiete der Flüsse mit sogenannten Footprint-Modellen zu erfassen und die Qualität der Flüsse quellgebietabhängig zu beschreiben. Die Zuordnung der Quellgebiete zu den gemessenen Flüssen gestattete weiterhin einen Bezug der Messungen, insbesondere der Ankerstationen, zu Fernerkundungs- und Modelldaten.

Homepage: http://frsws2.forst.tu-dresden.de/ihm/projekte/vertiko/de/vertiko_start.html

Publikationsliste dieses Projekts

Göckede, M; Thomas, C; Markkanen, T; Mauder, M; Ruppert, J; Foken, T: Sensitivity of Lagrangian Stochastic footprints to turbulence statistics, Tellus, 59B, 577-586 (2007), doi:10.1111/j.1600-0889.2007.00275.x -- Details

Göckede, M; Thomas, C; Markkanen, T; Ruppert, J; Mauder, M; Foken, T: On the sensitivity of Lagrangian stochastic footprint modeling to within canopy flow statistics derived from wavelet analysis, Report Series in Aerosol Science, 79, 247-249 (2006)

Reithmaier, L; Göckede, M; Markkanen, T; Knohl, A; Churkina, A; Rebmann, C; Buchmann, N; Foken, T: Use of remotely sensed land use classification for a better evaluation of micrometeorological flux measurement sites, Theoretical and Applied Climatology, 84, 219-233 (2006), doi:DOI 10.1007/s00704-005-0168-6 -- Details

Göckede, M; Markkanen, T; Hasager, CB; Foken, T: Update of footprint-based approach for the characterisation of complex measurement sites, Boundary-Layer Meteorology, 118, 635-655 (2006), doi:DOI:10.1007/s10546-005-6435-3 -- Details

Reth, S; Göckede, M; Falge, E: CO2 efflux from agricultural soils in Eastern Germany - commparison of a closed chamber system with eddy covariance measurements, Theoretical and Applied Climatology, 80, 105-120 (2005) -- Details

Rebmann, C; Göckede, M; Foken, T; Aubinet, M; Aurela, M; Berbigier, P; Bernhofer, C; Buchmann, N; Carrara, A; Cescatti, A; Ceulemans, R; Clement, R; Elbers, JA; Granier, A; Grünwald, T; Guyon, D; Havránkova, K; Heinesch, B; Knohl, A; Laurila, T; Longdoz, B; Marcolla, B; Markkanen, T; Miglietta, F; Moncrieff, JB; Montagnani, L; Moors, E; Nardino, M; Ourcival, J-M; Rambal, S; Rannik, Ü; Rotenberg, E; Sedlak, P; Unterhuber, G; Vesala, T; Yakir, D: Quality analysis applied on eddy covariance measurements at complex forest sites using footprint modelling, Theoretical and Applied Climatology, 80, 121-141 (2005) -- Details

Foken, T; Leclerc, MY: Methods and limitations in validation of footprint models, Agricultural and Forest Meteorology, 127, 223-234 (2004) -- Details

Culf, AD; Foken, T; Gash, JHC: The energy balance closure problem in Kabat et al.: Vegetation, water, humans and the climate. A new perspective on an interactive system, Springer, Berlin, Heidelberg, 159-166 (2004)

Foken, T; Göckede, M; Mauder, M; Mahrt, L; Amiro, BD; Munger, JW: Post-field data quality control. in Lee X., Massman W, Law B : Handbook of Micrometeorology: A Guide for Surface Flux Measurement and Analysis, Kluwer, Dordrecht, 181-208 (2004)

Rebmann, C; Anthoni, P; Falge, E; Göckede, M; Mangold, A; Subke, J-A; Thomas, C; Wichura, B; Schulze, ED; Tenhunen, JD; Foken, T: Carbon budget of a spruce forest ecosystem in Matzner, E.: Ecological Studies, Biogeochemistry of forested catchments in a changing environment: a German case study, Springer Verlag, 172, 143-160 (2004)

Göckede, M; Rebmann, C; Foken, T: A combination of quality assessment tools for eddy covariance measurements with footprint modelling for the characterisation of complex sites, Agricultural and Forest Meteorology, 127, 175-188 (2004) -- Details

Beyrich, F; Adam, W; Bange, J; Behrens, K; Berger, FH; Bernhofer, C; Bösenberg, J; Dier, H; Foken, T; Göckede, M; Görsdorf, U; Güldner, J; Hennemuth, B; Heret, C; Huneke, S; Kohsiek, W; Lammert, A; Lehmann, V; Leiterer, U; Leps, J-P; Liebethal, C; Lohse, H; Lüdi, A; Mauder, M; Meijninger, WML; Mengelkamp, H-T; Queck, R; Richter, SH; Spieß, T; Tittebrand, A; Weisensee, U; Zittel, P: Verdunstung über einer heterogener Landoberfläche, Das LITFASS-2003 Experiment, Deutscher Wetterdienst, Forschung und Entwicklung, Arbeitsergebnisse, 79, 100 S. (2004)

Raabe, A; Foken, T: Die Höhe der internen Grenzschicht im Windfeld nach einer sprunghaften Änderung der aerodynamischen Rauhigkeit der Unterlage - Beispiel Küste. In: F. Chmielewski and T. Foken (Editors), Beiträge zur Klima und Meeresforschung. Eigenverl, , 227-237 (2003) -- Details

Foken, T: Besonderheiten der Temperaturstruktur nahe der Unterlage, In: F-M. Chmielewski and T. Foken (Editors), Beiträge zur Klima- und Meeresforschung. Eigenverlag Chmielewski & Foken, Berlin und Bayreuth, , 103-112 (2003) -- Details

Aubinet, M; Clement, R; Elbers, JA; Foken, T; Grelle, A; Ibrom, A; Moncrieff, JB; Pilegaard, K; Rannik, Ü; Rebmann, C: Metodology for data acquisition, storage and treatment in Beck E., Bendix J, Kottke I, Makeschin F, Mosandl R,: Ecological Studies, Springer Verlag, 163, 9-35 (2003) -- Details

Foken, T: Angewandte Meteorologie, Mikrometeorologische Methoden, , Springer, 289 S. (2003) -- Details

Liebethal, C; Foken, T: On the Significance of the Webb Correction to Fluxes , Boundary-Layer Meteorology, 109, 99-106 (2003) -- Details

Thomas, C; Foken, T: Re-evaluation of integral turbulence characteristics and their parameterisations. 15th Conference on Turbulence and Boundary Layers, Wageningen, NL, 15-19 July 2002, Am. Meteorol. Soc., 129-132 (2002)

Beyrich, F; Richter, SH; Weisensee, U; Kohsiek, W; Lohse, H; DeBruin, H; Foken, T; Göckede, M; Berger, FH; Vogt, R; Batchvarova, E: Experimental determination of turbulent fluxes over the heterogeneous LITFASS area: Selected results from the LITFASS-98 experiment, Theoretical and Applied Climatology, 73, 19-34 (2002)

• Verfahren zur Begutachtung komplexer Standorte, mit Beispielanalyse der Station Waldstein Weidenbrunnen

Siehe auch:

• Doktorarbeit: Adoption of footprint methods for the quality control of eddy-covariance measurements
• Doktorarbeit: On the determination of the ground heat flux in micrometeorology and its influence on the energy balance closure
• Doktorarbeit: Quality assurance for eddy covariance measurements of turbulent fluxes and its influence on the energy balance closure problem
• Experiment: LITFASS-2003: Lindenberg, 19.05.-20.06.2003
• Experiment: VERTIKO-STINHO1: STruktur des turbulenten Transports über INHOmogener Unterlage, Melpitz, 24.09.2001 bis 12.10.2001
• Experiment: VERTIKO-STINHO2: STruktur des turbulenten Transports über INHOmogener Unterlage, Lindenberg, 14.06. 2002 - 10.07. 2002
• Schwerpunkt: QA/QC: Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle mikrometeorologischer Messungen