Uni-Bayreuth

Sprungmarken

 

Masterarbeit

Analysis of Methane Emissions in a Subarctic Permafrost Region using Wavelet Transformation and Conditional Sampling

Carsten Schaller (10/2013-07/2015)

Betreuer: Thomas Foken, Mathias Göckede

In Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena

Der Klimawandel wird zu tiefgreifenden Änderungen in Ökosystemen der Arktis, darunter auch Feuchtgebieten des Permafrosts, führen. Zunehmende Erwärmung begünstigt Mikroorganismen, die organische Bodensubstanz des Permafrosts unter Bildung von Methan zersetzen. Methan ist ein Treibhausgas mit der 34-fachen Klimawirkung von Kohlendioxid, allerdings ist nur wenig bekannt über Emissionen auf Ökosystem-Skala, die durch Ebullition verursacht werden. Ebullition ist ein Prozess, bei dem Methan-Blasen im wassergesättigten Bereich des Permafrostbodens akkumuliert und anschließend innerhalb von Minuten schlagartig freigesetzt werden. Die Eddy-Kovarianz-Technik ist eine direkte Methode zur Bestimmung des Gasaustausches über Ökosystemen, welche jedoch horizontale Homogenität und stationäre Bedingungen erfordert. Ebullitions-Ereignisse könnten beide Annahmen verletzen, was eine Unterschätzung des Flusses nach sich ziehen könnte. Um diese Spitzen im Methanfluss zu ermitteln, verwendet die vorliegende Arbeit Wavelet-Analyse und die Eddy-Akkumulationsmethode (Conditional Sampling). Die Messungen wurden durchgeführt in einem Permafrost-Ökosystem südlich von Tscherskij, Republik Sacha (Jakutien), Russland. Hierzu wurden zwei Eddy-Kovarianz- Messtürme aufgebaut und mit closed-path-Gasanalysatoren (geschlossene Messstrecke) bestückt. Einer der Türme wurde innerhalb einer Fläche aufgestellt, deren Wasserspiegel durch einen Drainagegraben gesenkt wurde. Um das Auftreten von Ereignissen zeitlich gut aufzulösen, wurde das Mexican-hat-Wavelet verwendet, während das Morlet-Wavelet eine optimale Frequenzauflösung erlaubt. Unter streng stationären und hochgradig turbulenten Bedingungen wurde eine sehr gute Übereinstimmung des Wavelet- und Eddy-Kovarianz-Flusses festgestellt. Für die Eddy-Akkumulationsmethode wurde sehr starke Empfindlichkeit bezüglich der korrekten Wahl der mittleren Vertikalwindgeschwindigkeit ermittelt. Konsequenterweise wurden für Untersuchungen der Flussspitzen nur die Wavelet-Ergebnisse herangezogen. Basierend auf dem in 1-Minuten-Intervallen berechneten Wavelet-Fluss und dem Prinzip der mittleren absoluten Abweichung (MAD, median absolute deviation) wurde ein Verfahren zur Erkennung der Spitzen implementiert. Die Häufigkeiten des Auftretens von Spitzen zeigte eine gute positive Korrelation mit der Temperatur des Oberbodens und dem Median der Flussrate. Überraschenderweise traten nahezu alle Spitzen nachts und stets gleichzeitig an beiden Türmen auf. Eine Teilmenge an Ereignissen mit scharfem Beginn und Ende wurde im Detail untersucht. Offenbar wurden ausnahmslos all diese Ereignisse durch Gravitationswellen, Low-Level-Jets, durchziehende Wetterfronten oder katabatische Winde von einem Höhenzug nach der Forschungsfläche ausgelöst. Letztere traten bei der Hälfte aller Ereignisse auf. Ebullition oder lokale Auslöser im Bereich der Türme konnten nicht nachgewiesen werden. In allen Fällen wurde Methan über die Zeit vor dem Ereignis bodennah akkumuliert, da diese Schicht bei neutraler oder stabiler Schichtung von der Atmosphäre entkoppelt war. Der auslösende Mechanismus auf der Mesoskala führte zur Ausräumung des akkumulierten Methans, welches damit auf Höhe des Gasanalysators hochgemischt wurde und zur festgestellten Spitze im Methanfluss führte. Aufgrund von Advektion, induziert durch den auslösenden Mechanismus, versagt die klassische Eddy-Kovarianz bezüglich der korrekten Auflösung der Events. Dieses Projekt war am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena angesiedelt.

Zu dieser Arbeit gibt es weitere Dateien zum Download

Passwort

Letzte Änderung 19.07.2015