Doktorarbeit
Investigation of horizontal meteorological structures in comparison to turbulent structures at a forest edge
Jörg Hübner (07/2010-12/2014)
Betreuer: Thomas Foken
Der Wald spielt eine sehr wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde, denn er nimmt global gesehen das meiste Kohlenstoffdioxid der gesamten terrestrischen Biospähre auf (CO2-Senke). Trotz einer Vielzahl bestehender Untersuchungen gibt es ungelöste Fragen über die vorherrschenden horizontalen Gradienten meteorologischer Messgrößen, die turbulenten und kohärenten Strukturen und die Austauschprozesse von heterogenen Wäldern. Diesen offenen Fragen widmete sich das EGER IOP3 Projekt (Austauschprozesse in Gebirgsregionen – Intensive Observationsperiode 3), welches Energie-, Stoff- und (nicht-)reaktive Spurengasflüsse an einer Waldkante innerhalb eines heterogenen Waldes in einem mitteleuropäischen Mittelgebirge untersucht.
Für die Untersuchung der turbulenten und kohärenten Flüsse, sowie für die Bestimmung der vertikalen und horizontalen Kopplungszustände wurde die sehr gebräuchliche Eddy-Kovarianz-Methode verwendet. SODAR/RASS Systeme wurden verwendet, um Besonderheiten in der Grenzschicht zu erkennen. Neben den üblichen Messmethoden, wurde im Rahmen dieser Dissertation ein neues, vollautomatisches Horizontal Mobiles MessSystem (HMMS) entwickelt, mit anderen Messsystemen verglichen und damit gemessen. Das HMMS war orthogonal zur Waldkante auf einem 150 m langen Transekt aufgebaut, um sehr detaillierte horizontale Profile von Globalstrahlung, Reflexstrahlung, Gegenstrahlung, Ausstrahlung, Temperatur, Luftfeuchte, CO2- und O3-Konzentration (insgesamt acht Messgrößen) zu erhalten. Der experimentelle Aufbau aller Messmasten/-türme, des HMMS und der Profilanlagen wurde optimal für die oben genannten Fragestellungen gewählt.
Erhebliche Unterschiede konnten entlang des Profils Wald – Waldkante – Lichtung (drei Messstandorte) beobachtet werden, mit deutlichen Auffälligkeiten in der Nähe der Waldkante. Diese Erkenntnisse waren erst möglich durch die Kombination einer Vielzahl von Messsystemen. So haben die HMMS-Messungen ergeben, dass sich die deutlichsten Gradienten für alle Messgrößen an der Waldkante befinden, und diese sehr stark durch die turbulenten Bedingungen dort beeinflusst werden (gilt nur für Temperatur, Luftfeuchte und Spurengaskonzentrationen). Je weiter entfernt von der Waldkante, desto weniger ist ein Einfluss messbar. Dies kann durch die Untersuchungen der kohärenten Strukturen bestätigt werden, bei denen ausschließlich an der Waldkante ein Tagesgang für die Verteilung von aufwärtsgerichteten (Auftrieb) und abwärtsgerichteten (Böen) Strukturen beobachtet wurde. Am Tag dominiert an der Waldkante der Auftrieb und in der Nacht die Böen.
Der Auftrieb tagsüber an der Waldkante kann durch die dort höchsten Temperaturen (1.5 K wärmer als im Wald und auf der Lichtung) und durch den advektiven Transport von Energie von den beiden anderen Standorten in Richtung Waldkante erklärt werden. Es gibt zwar auch den umgekehrten Transport von Energie von der Waldkante in Richtung Lichtung, dieser ist aber geringer, sodass die höchsten Energie- und CO2-Flüsse, sowie die größten Schwankungen in den Flüssen, an der Waldkante gemessen werden konnten. Die erhöhten Energieflüsse führen an der Waldkante zu einer besser geschlossenen Energiebilanz (Residuum Res = 17 %) im Vergleich zu den beiden anderen Standorten (Res = 25 – 30 %). Diese Untersuchungsergebnisse suggerieren eine quasi-stationäre, sekundäre Zirkulation über der Messfläche, welche durch weitere Messungen ansatzweise bestätigt und gezeigt werden konnte. So zeigten die horizontalen Kopplungszustände, zu Zeiten des horizontalen Energieaustausches, ein teilweise oder komplett gekoppeltes System. Zur gleichen Zeit war ein Eintrag von O3-ärmeren (ungefähr 20 ppb geringere Konzentration), leicht kälteren Luftmassen entlang des gesamten HMMS-Transektes messbar, welche von oben nach unten transportiert wurden. Auch die Modellierungen mit ACASA zeigten Unterschiede beim Vergleich der modellierten und gemessenen Flüsse, welche auf einen horizontal advektiven Transport und sekundäre Zirkulation hinweisen.
Die Untersuchung von Phänomenen in der atmosphärischen Grenzschicht hat gezeigt, dass zum Beispiel ein Starkwindband (Low-level Jet, im Folgenden LLJ genannt; verursacht durch Bodeninversion) deutlich unterschiedliche Auswirkungen auf die Austauschprozesse über einem heterogenen Wald haben kann, als eine stark ausgeprägte Inversionsschicht (Starkwinde treten häufig oberhalb der Inversionsschicht auf). Während des LLJ kam es zu einem gekoppelten System (C/Cs) mit guter Durchmischung und erhöhten CO2-Flüssen, wohingegen es bei der Inversionsschicht mit Starkwinden zu einem entkoppelten System (Wa) mit schlechter Durchmischung und verringerten CO2-Flüssen kam. Bei beiden Phänomenen waren zwar die Auswirkungen an allen Standorten messbar, aber am deutlichsten über dem Waldbestand und abnehmend in Richtung Waldkante und Lichtung. Dies kann durch den kohärenten Transport erklärt werden, welcher über dem Waldbestand ebenfalls am größten ist und in Richtung Lichtung abnimmt. Der CO2-Fluss wurde während des LLJ um 100 % über dem Wald, um 70 – 100 % an der Waldkante und nur minimal über der Lichtung erhöht, wohingegen bei dem entkoppelten System (Wa) eine Reduzierung um etwa 100 % oberhalb des Waldes gemessen wurde. Die Reduzierung an der Waldkante und über der Lichtung war deutlich weniger ausgeprägt. Die Unterschiede in den CO2-Flüssen führten auch zu erheblichen Gradienten in der CO2-Konzentration entlang des Transektes. Im Falle des entkoppelten Systems kam es zu einem nächtlichen Kaltluftabfluss mit hohen CO2-Konzentrationen aus dem Wald auf die Lichtung.
Die kontinuierlichen horizontalen Transektmessungen des HMMS lieferten in Kombination mit den Eddy-Kovarianz-Turmmessungen ein neues, besseres Verständnis über die Austauschprozesse eines heterogenen Waldes. Ein solcher Überblick in räumlichen und zeitlichen Skalen von vorliegenden Gradienten, Zuflüssen, Ausströmungen, An- und Abreicherungen von Spurengaskonzentrationen, sowie Einblicke in den turbulenten und kohärenten Transport, in Kopplungszustände, in sekundäre Zirkulationen und in Grenzschichtphänomene war erst durch die Kombination aller Messmethoden möglich und wäre niemals in diesem Umfang zu realisieren gewesen, wenn ausschließlich die wie sonst üblichen Fixpunkt-Messungen verwendet worden wären.