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Diplomarbeit

Modellierung des Kohlenstoff- und Energieaustausches am Waldstein/Weidenbrunnen im Jahr 2003

Andreas Schäfer (03/2009-06/2010)

Betreuer: Thomas Foken, Katharina Köck (Staudt)

Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Modellierung des Kohlenstoff- und Energieaustauschs für den Standort Waldstein-Weidenbrunnen mit dem ACASA-Modell (Advanced Canopy-Atmosphere-Soil Algorithm; Pyles et al., 2000) über den Zeitraum eines Jahres zu evaluieren, da damit bisher nur wesentlich kürzere Perioden simuliert wurden. Im Allgemeinen sind für die Evaluierung von Ökosystem-Modellen im Hinblick auf den Klimawandel vor allem Jahre mit außerordentlichen Witterungsbedingungen von besonderem Interesse. Deshalb wurde für die Evaluierung in der vorliegenden Arbeit das Jahr 2003 gewählt, in dem in den Sommermonaten nahezu ganz Europa von einer Hitzewelle erfasst worden war (Schaer et al., 2004). Die Auswirkungen dieser besonderen Witterungsbedingungen wurden für den Netto-Kohlenstoffaustausch, die Strahlungsbilanz, den Bodenwärmestrom und die turbulenten Flüsse untersucht. Um gleichzeitig die Qualität der Modellierung über ein ganzes Jahr zu evaluieren, wurden die Ergebnisse auf Zeitskalen von Monatsmitteln bis zu kurzen synoptischen Perioden analysiert. Dabei zeigte sich, dass ACASA für die Strahlungsbilanz die tatsächlichen Messwerte nahezu über das ganze Jahr hinweg mit einer Übereinstimmung von 99-100 % (Index of Agreement) reproduzieren konnte, mit einer einzigen Einschränkung, nämlich was Perioden mit Schneebedeckung betrifft. Gleichzeitig konnte innerhalb dieser Zeiträume beobachtet werden, dass ACASA eine unterschiedliche Dynamik der Schneebedeckung modelliert. Daraus resultierten signifikante Abweichungen des simulierten Bodenwärmestroms. In diesem Zusammenhang ergaben sich auch im Sommer bei der Analyse der Bodentemperaturen wesentlich höher modellierte Werte als bei den Messungen, wodurch die Berechnungen des Bodenmoduls als ein Schwachpunkt in ACASA ausgemacht werden konnte. Die Modellierung des fühlbaren Wärmestroms zeigte für das ganze Jahr eine Übereinstimmung von 73 %, die durch die Energiebilanzschließung der Messungen auf 89 % verbessert werden konnte. Dabei kann als einzige Ausnahme der heißeste Monat im Jahr, der August, genannt werden, dessen Monatsmitteltemperatur bei 19.1 °C lag (+5.4 °C im Vergleich zum Langzeitmittelwert von 1961-1990). In diesem Monat wurde der fühlbare Wärmestrom im Mittel von ACASA unterschätzt und gleichzeitig der latente Wärmestrom überschätzt. Für letzteren konnte durch die Energiebilanzschließung der Messungen im Allgemeinen auch eine Verbesserung in der Übereinstimmung mit den modellierten Ergebnissen erzielt werden (von 44 % auf 66 %). Allerdings wandelte sich für die Monate Juni und Juli dadurch eine zuvor relativ gute Übereinstimmung der mittleren Tagesgänge des latenten Wärmestroms in eine Unterschätzung durch ACASA um. Bei gleichzeitig besserer Übereinstimmung der Tagesgänge des fühlbaren Wärmestroms, stellte dies die Bewertung der modellierten Ergebnisse vor eine Herausforderung, die in dieser Arbeit jedoch nicht final geklärt werden konnte. Dennoch konnte für den Monat August unabhängig von der Energiebilanzschließung eine Überschätzung der simulierten latenten Wärme festgestellt werden. Auch der simulierte Netto-Kohlenstoffaustausch zeigte in diesem Monat einen abweichenden Mittelwert, in Folge einer Überschätzung der Kohlenstoff-Respiration. So konnte der Einfluss der besonderen Witterungsbedingungen im Jahr 2003 auf die Modellierung des Netto-Kohlenstoffaustauschs und des latenten Wärmestroms am Standort Waldstein-Weidenbrunnen nachgewiesen werden. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit können einerseits für den Anwender des ACASA-Modells interessant sein, und andererseits auch als Grundlage für eine Verbesserung der Parametrisierung des Modells für den Untersuchungsstandort dienen. Außerdem wurde im Verlauf der Interpretation der Ergebnisse gezeigt, dass für manche Module in ACASA Verbesserungen notwendig sind.

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Letzte Änderung 25.07.2010