Uni-Bayreuth

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Doktorarbeit

Applicability of weight-shift microlight aircraft for measuring the turbulent exchange above complex terrain

Stefan Metzger (07/2009-04/2013)

Betreuer: Thomas Foken

In co-operation with Karlsruhe Institute of Technology (KIT-IFU), Garmisch-Partenkirchen

Die experimentelle Untersuchung der Austauschströme von Wärme und Feuchte zwischen Landoberfläche und Atmosphäre trägt ausschlaggebend zu unserem Verständnis der regionalen und globalen Kreisläufe von Energie und Wasser bei. Bodengestütze Flussmessungen ermöglichen die Erfassungen langer Zeitreihen, repräsentieren aber lediglich kleine Landschaftsausschnitte. Auf der anderen Seite kann der Austausch über größeren Gebieten direkt aus flugzeuggestützte Messungen bestimmt werden. Insbesondere über heterogenem Gelände ergänzen sich diese raum-zeitlichen Eigenschaften beider Messverfahren. Die Wärme und Feuchteströme über komplexen terrestrischen Ökosystemen sind bis dato spärlich untersucht, insbesondere über topografisch geprägtem Gelände. Dies ist zurückzuführen auf; (i) die über heterogenem Gelände eingeschränkte Gültigkeit der vorhandenen Formulierungen von Austauschprozessen, und (ii) einen Mangel an geeigneten Messplattformen und -techniken zur weitergehenden Untersuchung dieser Prozesse. Die vorliegend Dissertation verfolgt eine mögliche Strategie zur Lösung dieser Zwangslage. Dazu wird die Eignung von schwerkraftgesteuerten Ultraleichtflugzeugen (WSMA) untersucht, neue Einsichten in die räumliche Variabilität von Wärme- und Feuchteaustausch über komplexem Gelände zu gewinnen.

WSMA sind vergleichsweise preiswert in Anschaffung und Unterhalt, und ihre charakteristische Bauweise resultiert in ausgezeichneter Transportfähigkeit und exzellenten Steigeigenschaften. Dies prädestiniert WSMA für dem Gelände folgende Flugmuster über komplexen und schwer zugänglichen Regionen. Zugleich muss aber ausgeschlossen werden, dass vorgenannte Eigenschaften die Messungen an Bord eines WSMA verfälschen. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein mit Messinstrumenten zur schnellen Erfassung des 3D Windfeldes, der Lufttemperatur, des Wasserdampfgehalts, der Position und der Strahlungsflüsse ausgestattetes WSMA genutzt um:

(i) den Eingangsfehler in der WSMA Windmessung zu quantifizieren. Ein neuartiges Verfahren im Zeitbereich wird entwickelt, welches die Genauigkeit der WSMA Windmessung um 63% für den Horizontalwind, und um 72% für den Vertikalwind verbessert. Die resultierende Präzision ist ±0.09 m s−1 beziehungsweise ±0.04 m s−1, und die Übereinstimmung mit bodengestützen Messungen liegt bei ±0.4 m s−1 beziehungsweise ±0.3 m s−1 (Wurzel aus dem mittleren quadratischen Fehler).

(ii) den Eingangsfehler in der WSMA Eddy-Kovarianz Flussmessung zu quantifizieren. Anhand von Fehlerfortpflanzung wird die Auflösung der Schubspannungsgeschwindigkeit (0.02 m s−1), dem fühlbaren- (5 W m−2) und dem latenten Wärmestrom (3 W m−2) bestimmt. Im Vergleich zu Turmmessungen misst das WSMA um 17–21% höhere Flüsse. Die Unterschiede sind nicht statistisch signifikant, und können an Hand der Sensoreigenschaften am Turm und stationären Wirbeln erklärt werden.

(iii) den Wärme- und Feuchteaustausch über einer komplexen Landschaft räumlich aufzulösen und zu regionalisieren. Die Wavelet Zerlegung der Turbulenzdaten ermöglicht eine räumliche Auflösung der Flussmessung von 90 m entlang des Flugpfades. Für eine jede Messungen werden die biophysikalischen Oberflächeneigenschaften im jeweiligen Quellgebiet bestimmt. Mit Hilfe von stochastischen Entscheidungsbäumen wird eine Antwortfunktion zwischen den gemessenen Flüssen und ihren biophysikalischen und meteorologischen Treibern abgeleitet. XI Diese Antwortfunktion wird genutzt um regionale Karten des Wärme- und Feuchteaustausches zu generieren. Hierbei liegt die Genauigkeit bei ≤18%, und die Präzision bei ≤5% für einzelne Landnutzungsklassen.

Die vorliegende Dissertation schafft die wissenschaftliche Basis um turbulente Austauschvorgänge über komplexem und topografisch geprägten Gelände mit WSMA untersuchen zu können. Des Weiteren sind die in der Dissertation entwickelten Algorithmen generell anwendbar um (i) Fehler und natürliche Variabilität in der Flussmessung zu partitionieren, (ii) Flussmessungen zu extrapolieren, (iii) die räumliche Repräsentativität von Langzeit-Flussmessungen zu bestimmen, und (iv) in der Fernerkundung und in numerischen Modellen genutzte Parametrisierungen für den turbulenten Austausch zu entwerfen, zu beschränken, und zu evaluieren.

Letzte Änderung 06.02.2014