Doktorarbeit
Advection at a forest site - an updated approach
Lukas Siebicke (04/2007-01/2011)
Betreuer: Thomas Foken
Der Austausch von Kohlendioxid (CO2) zwischen der Vegetation eines Fichtenwaldes und der Atmosphäre ist Gegenstand dieser Studie. Horizontale und vertikale Advektion sind wichtige Terme des Netto- Ökosystem-Austauschs (NEE), zusäatzlich zum typischerweise gemessenen turbulenten Fluss und Speicherterm. Kleine Konzentrationsgradienten und Windgeschwindigkeiten sowie die notwendige räumlich-zeitliche Messauflösung zur Beobachtung des 3-D Strömungsfeldes stellen große Anforderungen an die Genauigkeit der Instrumente bei der experimentellen Erfassung der Advektion. Ein experimenteller Aufbau zur Messung horizontaler CO2-Konzentrationsgradienten wird vorgestellt, der sich durch eine hohe zeitliche und gute räumliche Auflöung auszeichnet, ohne dass sich die beiden gegenseitig einschränken. Ein statistisches Verfahren wurde entwickelt, um relative Fehler zwischen den Geräten mit einer konditionalen, zeitabhängigen Korrektur zu beseitigen. Dazu werden Eigenschaften von Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen von Konzentrationsunterschieden zwischen einem einzelnen Messpunkt und dem räumlichen Durchschnitt aller Punkte verwendet. Derart beobachtete Konzentrationsgradienten waren räumlich variabel und abhängig von der Vegetationsstruktur. Die lokalen Konzentrationsabweichungen korrelierten mit statistischen Eigenschaften kohärenter Strukturen und wurden teilweise als Ursache von vertikalem Austausch zwischen der CO2 reichen bodennahen Luft und der abgereicherten Luft oberhalb der Krone erklärt. Die Bestimmung der vertikalen Advektion erfordert genaue Messungen des Vertikalwinds (w). Unterschiedliche Ansätze wurden bei der Rotation des Ultraschallanemometer- Koordinatensystems entsprechend dem Langzeit-Strömungsfeld verwendet. Die räumliche Variabilität des Windfeldes konnte durch sektorweise Koordinatenrotation berücksichtigt werden. Eine Untersuchung zeitlicher Aspekte zeigte einen bedeutenden niederfrequenten Anteil des Vertikalwindspektrums. Die zur Koordinatenrotation verwendete Datensatzlänge hatte großen Einfluss auf den rotierten Vertikalwind und damit auf die vertikale Advektion. Daher wurde eine sequentielle Rotation mit bewusst gewählter Fensterlänge vorgeschlagen. Advektion an der Waldstein- Weidenbrunnen (DE-Bay) FLUXNET Messstelle zeigte einen bedeutenden Anteil am NEE während der Nacht und während Übergangszeiten. Tagessummen des NEE waren realistischer wenn direkte Advektionsmessungen unter Verwendung kontinuierlicher und statistisch korrigierter Gradientmessungen berücksichtigt wurden im Vergleich zu NEE, welcher nur aus turbulentem Fluss und Speicherterm bestimmt wurde, und verursachten eine Verringerung der geschätzten täglichen Kohlensto aufnahme des Waldes um nahezu 50 %.