Uni-Bayreuth

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Masterarbeit

Modellierung des Energie – und Stoffaustausch im Grenzbereich Wald – Lichtung unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses kohärenter Strukturen

Kathrin Gatzsche (02/2013-09/2013)

Betreuer: Thomas Foken

In Kooperation mit der der Universität Leipzig, externe Betreuung

Den Energie – und Stoffaustausch für ein horizontal heterogenes Gelände mit einem Übergang von Wald zu Lichtung durch ein eindimensionales SVAT–Modell (Soil –Vegetation – Atmosphere Transfer) zu simulieren, stellt in vielerlei Hinsicht eine Herausforderung dar. Zum einen sind die turbulenten Austauschprozesse von Waldbeständen durch Counter – Gradient Flüsse aufgrund kohärenter Strukturen geprägt. Zum anderen stellt eine Waldkante eine sekundäre Strukturen induzierende Heterogenität dar, die turbulente Austauschströme erhöhen kann. Des Weiteren sind Lichtungen oftmals von wechselndem Pflanzenbewuchs geprägt, der die Beschreibung in einem eindimensionalen Modell erschwert.

Zur Simulation der Austauschprozesse eines Fichtenwaldes sowie einer Lichtung wurde in der vorliegenden Arbeit das Advanced Canopy –Atmosphere – Soil Algorithm (ACASA) Modell verwendet. Durch die implementierte Schließung dritter Ordnung stellt ACASA ein SVAT–Modell mit einer hochentwickelten Turbulenzbeschreibung dar, die kohärente Flussanteile auflösen kann. Dies ist ein Vorteil gegenüber der gewöhnlich in Modellen verwendeten K– Theorie mit Schließungen erster Ordnung.

Das EGER Projekt (ExchanGE processes in mountainous Regions) bot durch die ausgedehnten mikrometeorologischen Messungen einerseits die Datengrundlage für benötigte Eingabedateien zur Modellierung sowie Vergleichswerte für die Simulationsergebnisse. Andererseits war durch pflanzenphysiologische Messungen eine Basis zur Anpassung photosynthetischer Vorgänge im ACASA Modell auf die Messflächen des Waldstein – Weidenbrunnens vorhanden. In der vorliegenden Arbeit wurden die Messungen der dritten intensiven Messperiode des EGER Projektes hinzugezogen.

Die Simulation des turbulenten Austauschs für die Lichtung wurde mittels eines Tile Approachs aus sechs Modellläufen realisiert. Pflanzenphysiologische Parameter für fünf Vegetationsklassen sowie brachliegendem Boden sind eingeflossen und wirken sich insbesondere auf die Simulationen des Netto – Ökosystemaustauschs aus. Das Vorgehen hat sich außerdem bei der Simulation fühlbarer und latenter Wärmeströme aufgrund berücksichtigter aerodynamischer Parameter bewährt.

Das Modellverhalten für den Fichtenwald und die Lichtung wurde nicht nur durch vorliegende turbulente Flusswerte evaluiert. Eine auf Waveletanalyse basierende Detektionssoftware für kohärente Strukturen ermittelte deren Anteil am turbulenten Fluss sowie deren vertikale Kopplung im Wald und an der Waldkante. Somit konnten die Modellabweichungen auf Zusammenhänge mit bestimmten Kopplungszuständen überprüft werden. Nachts festgestellte erhöhte Modellabweichungen bei entkoppelten Stammräumen können nicht ungeachtet sekundärer Strukturen gedeutet werden. Die Modellabweichungen der vorliegenden Arbeit sind jedoch wesentlich geringer als bereits in vorhergehenden Untersuchungen verzeichnete Simulationsdefizite für den Fichtenwald bei vertikal ungekoppelten kohärenten Strukturen für ein Modell mit implementierter Schließung erster Ordnung. Die Bestimmung sekundärer Strukturen mit gezielten Mess – und Analysemethoden wäre sehr hilfreich, um deren Einfluss auf den turbulenten Austausch an den Messflächen des Waldstein –Weidenbrunnen sowie damit verbundene Modellabweichungen in weiteren Untersuchungen zu überblicken.

Zu dieser Arbeit gibt es weitere Dateien zum Download

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Letzte Änderung 01.10.2013