Diplomarbeit
Quality assessment of Eddy Covariance measurements above Tibetan Plateau grasslands
Stefan Metzger (10/2006-04/2007)
Betreuer: Thomas Foken, Tiina Markkanen
Das Tibet Plateau Forschungsinstitut der Chinesische Akademie der Wissenschaften untersucht den sensiblen und fühlbaren Wärmestrom sowie den CO2 Fluss unter typischen Beweidungsintensitäten der Tibetischen Magerrasen auf Höhen bis zu 4745 m über Meeresspiegel. Für die beiden Untersuchungsgebiete dieser Studie sind hierzu neben den nahe gelegenen Profilmesstürmen, Wind Profiler und Radio Acoustic Sounding Systemen Eddy Kovarianz Messungen auf 3 m über Gelände angebracht. Außer dem CSAT-3 Ultraschallanemometer der Firma Campbell und dem Infrarot Gasanalysator LICOR-7500 besteht die Instrumentierung aus Strahlungsmessgebern für die kurzwellige (Kipp & Zonen CM3) und langwellige (Kipp & Zonen CG3) Komponente sowie einer Bodenwärmestromplatte (Hukseflux HFP01). Die verfügbaren Datensätze umfassen jeweils nahezu ein Jahr und erlauben dadurch neben der Auswertung von Tagesgängen Aussagen zum Jahreszyklus, was Phänomene wie den Asiatischen Monsun einschließt. Nach einer hochauflösenden satelliten- und bodengestützten Klassifizierung der Landnutzung wurde eine Qualitätsanalyse durchgeführt. Diese deckt an Hand von Tests zu Stationarität, integralen Turbulenzcharakteristiken und Footprint Modellierung räumliche und zeitliche Strukturen in der Qualität der Eddy Kovarianz Messungen auf. Hierbei zeigt die Analyse des Vertikalwindes, dass bis zu 1/4 der Messungen nicht die Annahmen erfüllen, welche für eine physikalisch korrekte Datenverarbeitung vorausgesetzt werden. Ansonsten erfüllen die Flussmessungen die Qualitätskriterien in soweit, als dass im Mittel ≈50 % der Ergebnisse als tauglich für die Grundlagenforschung erachtet werden können. Die Footprint Analyse bestätigt die Repräsentativität der Messungen für Weideland und zeigt Sektoren auf, in denen grundlegende Annahmen nicht erfüllt sind. Ein Teil dieser Sektoren wird auf die Störung des Strömungsbildes durch Anbringung der Instrumente zurückgeführt, wofür Maßnahmen zur Qualitätsverbesserung vorgeschlagen werden. Die verbleibenden Störungen lassen sich jedoch nicht alleine durch Einflüsse der lokalen Topografie erklären. Des Weiteren zeigen Untersuchungen zur Energiebilanz eine nicht-Schließung von bis über 30 % der Strahlungsbilanz. Als Hauptursachen werden Advektion in Folge der regionalen Topografie und Nichtberücksichtigung von Flussanteilen aufgrund von Wellenlängen längerer als das Mittelungsintervall vermutet. Ergänzende Untersuchungen von Wind Profiler und Radio Acoustic Sounding System für eine Station zeigen Scherwinde auf 500 m und 1500 m über Grund und Gletscherwind mit einem Ausgleichsfluss auf bis zu 2000 m über Grund. Zusammen mit den Erkenntnissen aus der Eddy Kovarianz Qualitätsanalyse lässt sich so die Hypothese eines mesoskaligen Fließregimes formulieren, welches organisierte Strukturen großer Wellenlängen in die atmosphärische Grenzschicht einbringt und somit die Repräsentativität der Eddy Kovarianz Ergebnisse beeinträchtigt.