Regional Evaporation at Grid/Pixel Scale over Heterogeneous Land Surfaces

EVA_GRIPS (BMBF 01LD0103-UBT)

From 10/2000 to 09/2004

Principal Investigator: Thomas Foken
Staff: Matthias Mauder, Claudia Liebethal, Mathias Göckede, Daniela Kracher, Florian Wimmer

Das Gesamtziel des EVA-GRIPS-Vorhabens ist die Bestimmung der Verdunstung über heterogenen Landoberflächen aus Beobachtungen und durch numerische Modellierung. Die räumliche Skala ist die Gitterbox eines atmosphärischen regionalen Zirkulationsmodells oder ein Satellitenbildpixel. Es sollen Parameterisierungsansätze für atmosphärische und hydrologische Modelle entwickelt werden, die den Austausch von Wasser, Wärme und Impuls am Erdboden repräsentativ für Gitterelemente beschreiben. Da die Verdunstung eine Komponente der Energie- und Wasserbilanz der Landoberfläche darstellt, müssen notwendigerweise auch die turbulenten Flüsse von Wärme und Impuls sowie die Gebietsmittel der Strahlungskomponenten und des Niederschlages betrachtet werden. Die Ergebnisse des Projektes werden für die regionale numerische Wettervorhersage und für die Klimamodellierung zur Verfügung gestellt (Schnittstellen LM des DWD, BALTIMOS Projekt im Rahmen von DEKLIM). Das Gesamtziel dieses Vorhabens widmet sich daher einer zentralen Fragestellung von DEKLIM und insbesondere von BALTEX. Bekannte Strategien zur Bestimmung gebiets-gemittelter turbulenter Flüsse werden kombiniert zur Ableitung eines Konzeptes, das räumliche Heterogenitäten bezüglich der Vegetation (Albedo, Rauhigkeit, Emissivität, Blattflächenindex), des Bodentyps (Wasserspeicherkapazität) und der atmosphärischen Grenzschicht (Niederschlag, Strahlung, Temperatur, Feuchte, Windgeschwindigkeit) berücksichtigt. Die Ansätze werden getestet mit Daten aus Feldexperimenten und für die Implementierung in Regionalmodelle bereitgestellt. Das Verbundprojekt vereinigt Feldmessungen, die Analyse von Satellitendaten und numerische Modellierung. Das Konsortium umfaßt Arbeitsgruppen mit ausgewiesener Expertise in jeweils einem oder mehreren dieser drei Forschungsbereiche. Messungen aller wesentlichen Parameter, die den Austausch von Wasser und Energie zwischen der Landoberfläche und der Atmosphäre beeinflussen, werden in einer heterogenen Landschaft über den Zeitraum eines hydrologischen Jahres durchgeführt. Während eines Feldexperiments im Jahre 2003 wird dieses Basis-Meßprogramm ergänzt durch direkte Messungen der Verdunstung mit Eddy-Korrelations-Verfahren an mehreren Orten innerhalb des Testgebietes, durch Messungen in der atmosphärischen Grenzschicht mit der Hubschrauber-Schleppsonde HELIPOD, durch zusätzliche Radiosondenaufstiege und durch Profilmessungen mittels Lidar und Radar. Die Landoberflächeneigenschaften Albedo, Emissivität, Rauhigkeit und Blattflächenindex werden aus Satellitendaten abgeleitet. Die Verteilung der Bodenfeuchte wird mit einem hydrologischen Modell (TOPLATS) simuliert, das einseitig an das atmosphärische Mesoskalamodell (LM) gekoppelt ist. Mit Hilfe dieses umfangreichen Datensatzes werden auf der Gitterboxskala die Flüsse bestimmt und der Einfluß der Heterogenität auf die Grenzschichtstruktur untersucht. Die numerischen Modelle umfassen drei 1-dimensionale SVAT-Schemata, ein detailliertes hydrologisches Modell, ein 3-dimensionales nicht-hydrostatisches Mesoskala Modell und ein large-eddy Simulationsmodell (LES). In off-line Simulationen werden die SVAT-Schemata zunächst anhand von Flußmessungen an einzelnen Stationen über unterschiedlicher Vegetation vergleichend getestet, bevor verschiedene Mittelungsstrategien für turbulente Flüsse in die SVAT Modelle implementiert und mit Beobachtungsdaten vergleichend getestet werden. Für Test-Simulationen mit dem Mesoskala Modell wird ein vollständiger Datensatz aus dem Experiment LITFASS-98 bereitgestellt. Mit dem large-eddy Simulationsmodell werden für ausgesuchte Episoden die turbulenten Flüsse mit hoher Auflösung explizit simuliert. Diese Rechnungen werden zum Vergleich mit den unterschiedlichen Parameterisierungsansätzen für die subskaligen turbulenten Prozesse herangezogen. Alle Aktivitäten werden sich auf das Gebiet des LITFASS Projektes konzentrieren, das vom Deutschen Wetterdienst (MOL) kontinuierlich im Bereich Lindenberg durchgeführt wird. Für die Modellierungen werden zunächst Datensätze aus dem LITFASS-98 Experiment bereitgestellt, die bereits aufbereitet sind. Die mit diesen Daten entwickelten Ansätze werden in der 2. Hälfte des Projektes anhand der Daten aus dem Feldexperiment LITFASS-2003 überprüft und ggf. weiterentwickelt oder angepasst.

Homepage: http://w3.gkss.de/KSH/EVA_GRIPS/

List of publications of this Project

Foken, T; Mauder, M; Liebethal, C; Wimmer, F; Beyrich, F; Leps, J-P; Raasch, S; DeBruin, H; Meijninger, WML; Bange, J: Energy balance closure for the LITFASS-2003 experiment, Theoretical and Applied Climatology, 101, 149-160 (2010), doi:DOI: 10.1007/s00704-009-0216-8 -- Details
Ruppert, J; Thomas, C; Foken, T: Scalar similarity for relaxed Eddy accumulation methods , Boundary-Layer Meteorology, 120, 39-63 (2006) -- Details
Göckede, M; Markkanen, T; Hasager, CB; Foken, T: Update of footprint-based approach for the characterisation of complex measurement sites, Boundary-Layer Meteorology, 118, 635-655 (2006), doi:DOI:10.1007/s10546-005-6435-3 -- Details
Liebethal, C; Foken, T: On the use of two repeatedly heated sensors in the determination of physical soil parameters, Meteorol. Zeitschrift, 15, 293-299 (2006) -- Details
Beyrich, F; Leps, J-P; Mauder, M; Bange, J; Foken, T; Huneke, S; Lohse, H; Lüdi, A; Meijninger, WML; Mironov, D; Weisensee, U; Zittel, P: Area-averaged surface fluxes over the LITFASS region on eddy-covariance measurements, Boundary-Layer Meteorology, 121, 33-65 (2006), doi:DOI 10.1007/s10546-005-9052-2 -- Details
Göckede, M; Thomas, C; Markkanen, T; Ruppert, J; Mauder, M; Foken, T: On the sensitivity of Lagrangian stochastic footprint modeling to within canopy flow statistics derived from wavelet analysis, Report Series in Aerosol Science, 79, 247-249 (2006)
Mengelkamp, H-T; Beyrich, F; Heinemann, G; Ament, F; Bange, J; Berger, FH; Bösenberg, J; Foken, T; Hennemuth, B; Heret, C; Huneke, S; Johnsen, K-P; Kerschgens, M; Kohsiek, W; Leps, J-P; Liebethal, C; Lohse, H; Mauder, M; Meijninger, WML; Raasch, S; Simmer, C; Spieß, T; Tittebrand, A; Uhlenbrook, S; Zittel, P: Evaporation over a heterogeneous land surface: The EVA_GRIPS project, Bulletin of the American Meteorological Society, 87, 775-786 (2006) [Link] -- Details
Beyrich, F; DeBruin, H; Etling, D; Foken, T: Preface: The LITFASS-2003 experiment, Boundary-Layer Meteorology, 121, 1-4 (2006), doi:DOI 10.1007/s10546-006-9082-4
Mauder, M; Liebethal, C; Göckede, M; Leps, J-P; Beyrich, F; Foken, T: Processing and quality control flux data during LITFASS-2003, Boundary-Layer Meteorology, 121, 67-88 (2006), doi:10.1007/s10546-006-9094-0 -- Details
Panin, GN; Nasonov, AE; Foken, T: Evaporation and heat exchange of a body of water with the atmosphere in a shallow zone, Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 42, 337-352 (2006), doi:DOI: 10.1134/S0001433806030078 -- Details
Foken, T: Angewandte Meteorologie, Mikrometeorologische Methoden, (2. überarb. u. erw. Aufl.), 326 (2006) [Link] -- Details
Foken, T; Wimmer, F; Mauder, M; Thomas, C; Liebethal, C: Some aspects of the energy balance closure problem, Atmospheric Chemistry and Physics, 6, 4395-4402 (2006) [Link] -- Details
Mauder, M; Foken, T: Impact of post-field data processing on eddy covariance flux estimates and energy balance closure, Meteorol. Zeitschrift, 15, 597-609 (2006) -- Details
Göckede, M; Markkanen, T; Mauder, M; Arnold, K; Leps, J-P; Foken, T: Validation footprint models using natural tracer , Agricultural and Forest Meteorology, 135, 314-325 (2005) -- Details
Panin, GN; Foken, T: Air-sea interaction including a shallow and coastal zone, Journal of Atmospheric & Ocean Sciences, 10, 289-305 (2005), doi:10.1080/17417530600787227 -- Details
Beyrich, F; Foken, T: Untersuchung von Landoberflächen- und Grenzschichtprozessen am Meteorologischen Observatorium Lindenberg in Deutscher Wetterdienst: promet, 31, 148-158 (2005) -- Details
Raabe, A; Arnold, K; Ziemann, A; Beyrich, F; Leps, J-P; Bange, J; Zittel, P; Spiess, T; Foken, T; Göckede, M; Schröter, M; Raasch, S: STINHO-Structure of turbulent transport under inhomogeneous surface conditions-part 1: The micro-alpha; scale field experiment, Meteorol. Zeitschrift, 14(3), 315-327 (2005), doi:DOI:10.1127/0941-2948/2005/0037 -- Details
Liebethal, C; Huwe, B; Foken, T: Sensitivity analysis for two ground heat flux calculation approaches, Agricultural and Forest Meteorology, 132, 253-262 (2005) -- Details
Foken, T; Göckede, M; Mauder, M; Mahrt, L; Amiro, BD; Munger, JW: Post-field data quality control. in Lee X., Massman W, Law B : Handbook of Micrometeorology: A Guide for Surface Flux Measurement and Analysis, Kluwer, Dordrecht, 181-208 (2004)
Beyrich, F; Adam, W; Bange, J; Behrens, K; Berger, FH; Bernhofer, C; Bösenberg, J; Dier, H; Foken, T; Göckede, M; Görsdorf, U; Güldner, J; Hennemuth, B; Heret, C; Huneke, S; Kohsiek, W; Lammert, A; Lehmann, V; Leiterer, U; Leps, J-P; Liebethal, C; Lohse, H; Lüdi, A; Mauder, M; Meijninger, WML; Mengelkamp, H-T; Queck, R; Richter, SH; Spieß, T; Tittebrand, A; Weisensee, U; Zittel, P: Verdunstung über einer heterogener Landoberfläche, Das LITFASS-2003 Experiment, Deutscher Wetterdienst, Forschung und Entwicklung, Arbeitsergebnisse, 79, 100 S. (2004)
Culf, AD; Foken, T; Gash, JHC: The energy balance closure problem in Kabat et al.: Vegetation, water, humans and the climate. A new perspective on an interactive system, Springer, Berlin, Heidelberg, 159-166 (2004)
Aubinet, M; Clement, R; Elbers, JA; Foken, T; Grelle, A; Ibrom, A; Moncrieff, JB; Pilegaard, K; Rannik, Ü; Rebmann, C: Metodology for data acquisition, storage and treatment in Beck E., Bendix J, Kottke I, Makeschin F, Mosandl R,: Ecological Studies, Springer Verlag, 163, 9-35 (2003) -- Details
Foken, T: Angewandte Meteorologie, Mikrometeorologische Methoden, , Springer, 289 S. (2003) -- Details
Liebethal, C; Foken, T: On the Significance of the Webb Correction to Fluxes , Boundary-Layer Meteorology, 109, 99-106 (2003) -- Details
Mauder, M; Foken, T: Ergebnisse verschiedener Turbulenzmessgerätevergleiche, Österr. Beitr. Meteorol. & Geophys.(Extended Abstract and pdf-file on CD), 27, 216 (2001)


Related links:
  • Diploma Thesis: Behandlung der Energiebilanzgleichung in drei verschiedenen SVAT-Modellen
  • Diploma Thesis: Untersuchung der Schließung der Energiebilanz an der Erdoberfläche
  • Experiment: LITFASS-2003: Lindenberg, 19.05.-20.06.2003
  • Experiment: VERTIKO-STINHO2: STruktur des turbulenten Transports über INHOmogener Unterlage, Lindenberg, 14.06. 2002 - 10.07. 2002
  • Field of research: Energiebilanzschließung: Energy balance closure at the surface
  • Field of research: QA/QC: Quality Assurance and Quality Control of Micrometeorological Measurements
  • PhD Thesis: Adoption of footprint methods for the quality control of eddy-covariance measurements
  • PhD Thesis: On the determination of the ground heat flux in micrometeorology and its influence on the energy balance closure
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