Uni-Bayreuth

Sprungmarken

 

Doktorarbeit

Quality assurance for eddy covariance measurements of turbulent fluxes and its influence on the energy balance closure problem

Matthias Mauder (03/2002-01/2006)

Betreuer: Thomas Foken

Die Eddy-Kovarianz Methode ermöglicht direkte Messungen turbulenter Austausch-ströme an der Erdoberfläche. Diese werden benötigt für Untersuchungen zur Oberflä-chenenergiebilanz und zum Austausch gasförmiger Bestandteile der Luft. Durch Ver-besserungen in der Konstruktion geeigneter Messgeräte und den Fortschritt in der Com-putertechnologie während der letzten Jahrzehnte ist diese Methode heute gut etabliert. Allerdings gelingt es häufig nicht, die Energiebilanzgleichung für mikrometeorologi-sche Feldexperimente zu schließen. Dieses ungelöste Problem war die Motivation für die vorliegende Dissertation, deren Ziel die Qualitätssicherung für Eddy-Kovarianz Messungen ist. Das hier vorgestellte Konzept zur Qualitätssicherung umfasst Untersu-chungen zur Genauigkeit der eingesetzten Messgeräte und zum Einfluss der Datenbear-beitung solcher Messungen. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf mögliche Auswir-kungen für die Bestimmung verlässlicher CO2-Flussschätzungen gesetzt, da dieses Thema während der letzten Jahre für Untersuchungen zum globalen Kohlenstoffkreis-lauf im Zusammenhang mit weltweiter, durch den Treibhauseffekt verursachter, Klima-änderung Bedeutung gewonnen hat. Daten von mehreren Feldexperimenten in Deutsch-land, Kalifornien und Nigeria bilden die experimentelle Grundlage für diese Forschun-gen. Ein Softwarepaket wurde gemäß dem aktuellen Stand der Wissenschaft entwickelt, um die notwendige Nachbearbeitung für alle in dieser Arbeit gezeigten Eddy-Kovarianz Messungen durchzuführen. Die Ergebnisse von Messgerätevergleichsexperimenten zei-gen einen typischen zufälligen Fehler von Eddy-Kovarianz Messungen von 5% für den fühlbaren Wärmestrom und 10% für den latenten Wärmestrom, vorausgesetzt die Gerä-te sind gut kalibriert und gewartet und die dieser Methode zugrunde liegenden Annah-men sind erfüllt. Die Anwendbarkeit eines objektiven Schemas zur Qualitätsbewertung von Flussdaten wurde für umfangreiche Datensätze einer 14 Messsysteme umfassenden Feldkampagne demonstriert. Das Problem der Energiebilanzschließung wird an zwei exemplarischen Standorten untersucht. Für Messungen über einer landwirtschaftlich genutzten Fläche in Deutschland konnte die Energiebilanz nicht geschlossen werden. Für dieses Experiment war die Summe der turbulenten Wärmeströme um 30% kleiner als die an der Oberfläche verfügbare Energie. Im Gegensatz dazu konnte keine systema-tische Nichtschließung der Energiebilanz für Messungen über brachliegendem Busch-land in Nigeria festgestellt werden, obwohl die Maßnahmen zur Qualitätssicherung ähn-lich waren. Weder Unterschiede bei der Instrumentierung noch bei der Datennachbear-beitung zwischen beiden Experimenten können diesen Befund erklären. Eine weitere Analyse des Datensatzes für die landwirtschaftlich genutzte Fläche in Deutschland zeig-te, dass zusätzliche Flussbeiträge gefunden werden können, wenn man die Mittelungs-zeit der Kovarianzen über das klassische 30-Minuten-Interval hinaus ausdehnt. Die E-nergiebilanz kann für diesen Standort sogar geschlossen werden, wenn man eine Mitte-lungszeit von 24 Stunden verwendet. Langwellige Flussbeiträge scheinen hier durch die deutlich stärkere Heterogenität der Umgebung generiert zu werden im Vergleich zu dem mehr oder weniger homogenen Umland des Nigerianischen Standorts. Das Filtern von heterogenitätsinduzierten Flussanteilen in sehr niederfrequenten Kovarianzen durch die üblicherweise verwendeten Mittelungszeiten von weniger als 30 Minuten wird als Hauptgrund für das Energiebilanzschließungsproblem angesehen. Um das Verständnis der Prozesse zu verbessern, die zu niedrigfrequenten Flussbeiträgen führen, ist eine de-tailliertere Analyse weiterer Experimente notwendig in Kombination mit Large Eddy Simulation Modellierung. Der Einfluss der Datennachbearbeitung wurde nicht nur für Energieflüsse bewertet sondern auch für Flüsse von CO2, die ähnliche zusätzliche Flussbeiträge für erweiterte Mittelungszeiten aufwiesen. Schließlich wurde gezeigt, dass die in dieser Arbeit vorgestellte Qualitätsbewertung ein fundamentales und robustes Auswahlkriterium bietet für eine erfolgreiche Strategie zum Füllen von Datenlücken, um Jahressummen der CO2-Bilanz eines Ökosystems zu bestimmen.

Letzte Änderung 18.01.2006