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Doktorarbeit

Adoption of footprint methods for the quality control of eddy-covariance measurements

Mathias Göckede (10/2001-05/2005)

Betreuer: Thomas Foken

Footprint-Modelle bestimmen den Einfluss des umgebenden Geländes auf eine Messung durch die Definition einer Transferfunktion zwischen Quellen beziehungsweise Senken einer erfassten Größe und der Position des Sensors. Das auf diese Weise berechnete Quellgebiet stellt ein wichtiges Werkzeug für die Qualitätskontrolle mikrometeorologischer Datensätze dar. Mit ihm kann die Interpretation der Ergebnisse deutlich verbessert werden, beispielsweise durch die Bewertung des Einflusses störender Geländeelemente auf die Messungen. Allerdings wurde bislang noch kein Ansatz für ein standardisiertes Verfahren veröffentlicht, das mit Hilfe von Footprint-Modellen die Eigenschaften des Geländes bei der Bestimmung und Kontrolle der Datenqualität berücksichtigt. Als Konsequenz daraus war es bisher nicht möglich, Vergleichsstudien über den Einfluss des lokalen Geländes auf die Datenqualität für die Standorte umfangreicher Netzwerke (z.B. FLUXNET, Baldocchi et al., 2001) durchzuführen. Einen problematischen Aspekt stellt in diesem Zusammenhang die geringe Anzahl von Studien dar, die auf die Validierung von Footprint-Modellen unter den komplexen Bedingungen abzielen, in denen diese üblicherweise eingesetzt werden (Foken und Leclerc, 2004). Aus diesem Grunde kann die Qualität von Footprint-Berechnungen für viele Anwendungen, z.B. in aerodynamisch inhomogenem Gelände, nicht eindeutig bestimmt werden. Um die Akzeptanz von Footprint-Ergebnissen in mikrometeorologischen Studien weiter zu erhöhen, ist daher eine verstärkte Durchführung von Validierungsexperimenten für Footprint-Modelle unter Berücksichtigung einer Vielzahl verschiedener Messbedingungen notwendig.
Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung eines Verfahrens zur Bewertung komplexer Mess-Standorte unter Verwendung von Footprint-Berechnungen. Dieses Verfahren ermöglicht die Verbindung von Ergebnissen der Qualitätsbewertung mikrometeorologischer Messungen mit den Eigenschaften des umliegenden Geländes. Als standardisiertes und praktisches Werkzeug ist es zur Bearbeitung einer großen Anzahl von Stationen einsetzbar. Um die Interpretation der berechneten Ergebnisse zu verbessern, wurden als zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit Validierungsansätze für Footprint-Modelle entwickelt und getestet. Hierfür wurden mehrere Studien durchgeführt, welche die Verwendung von Messungen natürlicher Tracer aus Feldexperimenten zur Footprint-Validierung verfolgen. Diese Methode stellt eine kostengünstige und einfache Alternative zur Durchführung von Validierungs-Experimenten mit künstlichen Tracern dar.
Göckede et al. (2004) entwickelten ein Verfahrens zur Bewertung mikrometeorologischer Standorte in komplexem Gelände, das eine Methode zur Qualitätsbestimmung von Eddy-Kovarianz-Messungen (Foken und Wichura, 1996) mit einem analytischen Footprint-Modell (Schmid, 1994, 1997) verband. Das von ihnen entwickelte Programm ermöglichte unter anderem erstmals die einfache Berechnung der Flussanteile der Ziel-Landnutzungsart an einem beliebigen Standort oder die Identifikation von Teilen des umliegenden Geländes, aus denen eine generell hohe Datenqualität zu erwarten war. Rebmann et al. (2005) demonstrierten die Effizienz dieses Verfahrens für Studien mit einer hohen Anzahl von Stationen, indem sie 18 unterschiedliche Standorte des CARBOEUROFLUX Projekts miteinander verglichen. Obwohl die Datenqualität im Rahmen dieser Studie im Mittel sehr hoch war, zeigten sich für einige Standorte deutliche negative Auswirkungen der heterogenen Geländestruktur auf die Qualität der Messdaten. Außerdem konnten Störungen nachgewiesen werden, welche durch den Messaufbau selbst ausgelöst worden waren, wie zum Beispiel eine fehlerhafte Ausrichtung der Sensoren oder eine Beeinflussung des Strömungsfeldes durch die Instrumente selbst. Derartige Untersuchungen können eingesetzt werden zur verbesserten Bestimmung der jährlichen CO2-Bilanz eines Ökosystems, indem fehlerhafte oder gestörte Messdaten von den Berechnungen ausgeschlossen werden. Aufgrund dieses wichtigen Beitrags zur Interpretation von Messdaten integrierten Foken et al. (2004) dieses Verfahren zur Bewertung komplexer Standorte in eine umfassende Zusammenstellung mikrometeorologischer Ansätze zur Qualitätskontrolle von Datensätzen. Durch die Erfahrungen aus der umfangreichen Studie von Rebmann et al. (2005) konnten einige Schwachpunkte im Ansatz von Göckede et al. (2004) identifiziert werden, von denen die wichtigsten in nachfolgenden Studien verbessert wurden. Unter Verwendung von Fernerkundungsmethoden untersuchten Reithmaier et al. (2005) den Einfluss der Eigenschaften der Geländedaten sowie die Auswirkungen des Einsatzes verschiedener Rauhigkeits-Klassifikationen auf die Durchführung des Bewertungsverfahrens. Eine grundlegend überarbeitete Version des Ansatzes wurde schließlich von Göckede et al. (2005a) vorgelegt. Diese ersetzte das analytische Footprint-Modell durch ein Vorwärts-Trajektorienmodell mit Lagrange’scher Stochastik (Rannik et al., 2003), das zur Berechnung von Quellgebieten über hoher Vegetation besser geeignet ist. Zusätzlich wurde zur Bestimmung von flächengemittelten Rauhigkeitslängen das hochentwickelte mikroskalige Flächenmittelungsmodell von Hasager und Jensen (1999) eingesetzt. Somit stellt die Software von Göckede et al. (2005a) einen optimalen Kompromiss zwischen der Qualität der modellierten Ergebnisse und der einfachen Anwendbarkeit des Verfahrens auf beliebige Standorte dar. Obwohl die implementierten Modelle deutlich aufwändiger sind als in der Grundvariante des Ansatzes von Göckede et al. (2004), kann auch dieses Verfahren routinemäßig eingesetzt werden im Rahmen von vergleichenden Studien für eine große Anzahl von Standorten. Eine weitere Verbesserung bestehender konzeptioneller Schwachpunkte, wie zum Beispiel die Annahme horizontal homogener Strömungsbedingungen für das eingesetzte Vorwärts-Trajektorienmodell, würde sehr aufwändige Eingabedatensätze erfordern, welche lediglich für detaillierte Prozessstudien an ausgewählten einzelnen Standorten bereit gestellt werden könnten.
Göckede et al. (2005b) präsentierten zwei unterschiedliche experimentelle Ansätze zur Validierung von Footprint-Modellen mit Hilfe von Messungen natürlicher Tracer. Der erste dieser Ansätze, ein Vergleich zwischen gemessenen Fluss-Differenzen der betrachteten Größe und modellierten Landnutzungs-Differenzen, ermöglichte den Nachweis eines generellen Zusammenhangs zwischen Messdaten und Modellergebnissen. Da allerdings eine eindeutige funktionelle Beziehung zwischen den Fluss-Messungen und den Landnutzungs-Berechnungen nicht bestimmt werden konnte, war eine quantitative Bewertung der Ergebnisse über eine Korrelationsanalyse nicht möglich. Als zweiten Ansatz untersuchten Göckede et al. (2005b) den Zusammenhang zwischen gemessenen Daten und modellierten Daten, die mit Hilfe von Referenzmessungen und Footprint-Ergebnissen erstellt worden waren. Da in diesem Fall ein eindeutig linearer Zusammenhang zwischen gemessenen und modellierten Größen vorlag, konnte mit diesem Verfahren auch eine Korrelationsanalyse zur objektiven quantitativen Bewertung der Güte der Footprint-Ergebnisse durchgeführt werden. Eine Studie von Reth et al. (2005), welche als eine von mehreren Zielsetzungen die Verwendung von Bodenkammer-Messungen und Eddy-Kovarianz-Daten zur Evaluierung von Footprint-Modellen anstrebte, konnte durch eine starke Streuung der Ergebnisse aufgrund systemischer Unterschiede zwischen den eingesetzten Messtechniken nicht zur Footprint-Validierung eingesetzt werden. Generell untersuchten die Arbeiten von Göckede et al. (2005b) und Reth et al. (2005) erfolgreich die Eignung experimenteller Ansätze mit natürlichen Tracern zur Evaluierung von Footprint-Modellen. Obwohl es aufgrund von experimentellen Schwierigkeiten bisher nicht möglich war, signifikante Qualitätsunterschiede zwischen den Ergebnissen der beiden eingesetzten Footprint-Modellen nachzuweisen, bilden die gewonnenen Erfahrungen eine Grundlage für die Durchführung verbesserter Validierungsexperimente mit natürlichen Tracern, welche speziell für diese Zielstellung optimiert wurden. Die Durchführung derartiger Experimente kann die Qualität von Footprint-Ergebnissen, welche in komplexem Gelände angewendet werden, deutlich verbessern.

Letzte Änderung 31.12.2006