Diplomarbeit
Behandlung der Energiebilanzgleichung in drei verschiedenen SVAT-Modellen
Daniela Kracher (10/2005-05/2006)
Betreuer: Thomas Foken
Die Energiebilanz an der Erdoberfläche lässt sich mit den aktuell angewendeten Messmethoden meist nur unter Berücksichtigung eines Residuums schließen. Modelle müssen von einer perfekt geschlossenen Energiebilanz ausgehen und bewerkstelligen dies auf unterschiedliche Art und Weise. Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkung des Residuums auf die Simulationsergebnisse und in wie fern dies von der in den Modellen angewendeten Methode zur Schließung der Energiebilanz, der Optimierung der Parameter und den verwendeten Gleichungen abhängt. Die Simulationsergebnisse der 1D Versionen REMO, SEWAB und TERRA, zur Verfügung gestellt vom GKSS-Institut in Geesthacht, werden hierfür mit Messwerten aus dem LITFASS-2003 Experiment, durchgeführt im Mai und Juni 2003 auf den Messflächen des Meteorologischen Observatoriums Lindenberg, verglichen. Betrachtet werden dabei Berechnungen mit auf die turbulenten Flüsse optimierten und für die Standorte möglichst realistischen Parametern. Dies ist nötig, da sich die optimierten Parameter der Programme unterscheiden und zwar bessere Modellergebnisse liefern, teilweise aber nur schlecht mit den tatsächlichen Standorteigenschaften übereinstimmen. SEWAB schließt die Energiebilanz über eine Iteration der Oberflächentemperatur, wodurch das Residuum gleichmäßig auf alle Flüsse aufgeteilt wird. In REMO und TERRA erfolgt die Schließung anhand einer Bilanzierung des Bodenwärmestroms aus den anderen Komponenten der Energiebilanzgleichung. Dies hat zur Folge, dass der Bodenwärmestrom stets weit überbestimmt wird. Die Optimierung der Parameter beeinflusst nicht die Auswirkung des Residuums auf die Modellergebnisse, sondern die Aufteilung der verfügbaren Energie auf die turbulenten Wärmeströme. Da die Energiebilanz nach momentanem Wissensstand aufgrund zu niedrig bestimmter turbulenter Wärmeflüsse mit Messwerten nicht geschlossen werden kann, ist die in SEWAB verwendete Methode die sinnvollste. Auch parametrisiert SEWAB die Bodeneigenschaften besser als die beiden anderen Modelle, da der Bodenwärmestrom explizit berechnet wird. REMO und TERRA benötigen keine genaue Parametrisierung des Bodens, was u.a. der Grund für eine scheinbare Zeitverzögerung sein kann. Die Vorgehensweise zur Schließung der Energiebilanz wirkt sich gravierender auf die Modellergebnisse aus als die Parametrisierung, weshalb Unterschiede in den berechneten Flüssen nicht auf Unterschiede in den Gleichungen oder den Parametern zurückzuführen sind. Auch bei der Simulation mit optimierten Parametern können die besseren Ergebnisse nicht auf spezielle Änderungen der Parameter zurückgeführt werden.
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- Mitarbeiter: Daniela Kracher