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MORE I: Experimentelle Erfassung von CO 2 -Advektionsprozessen im Tharandter Wald

MORE I: Experimentelle Erfassung von CO 2 -Advektionsprozessen im Tharandter Wald C. Feigenwinter 1 , C. Bernhofer 2 , R. Vogt 1 1 Universität Basel, Institut für Meteorologie,Klimatologie und Fernerkundung 2 TU-Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie, Meteorologie. Fragestellung

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MORE I: Experimentelle Erfassung von CO 2 -Advektionsprozessen im Tharandter Wald

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Presentation Transcript

  1. MORE I: Experimentelle Erfassung von CO2-Advektionsprozessen im Tharandter Wald C. Feigenwinter1, C. Bernhofer2, R. Vogt1 1 Universität Basel, Institut für Meteorologie,Klimatologie und Fernerkundung 2 TU-Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie, Meteorologie

  2. Fragestellung • Übersicht Ankerstation und experimental setup MORE I (More measurements in the ORE mountains) • Theorie und Methodik • Nicht turbulente advektive CO2-Flüsse • CO2 Messungen mit IRGA • Vertikale Profile von Wind und CO2 • Resultate • MORE I : NEE, advektive Flüsse CO2 • Schlussfolgerungen und Ausblick MORE II

  3. Fragestellung: CO2 Kreislauf Globaler Kohlenstoff-Kreislauf

  4. Fragestellung: CO2 -Kreislauf Kohlenstoffkreislauf im (Wald-)Ökosystem Stoffaufbau: In Blättern und Pflanzenteilen mit Blattgrün Assimilation, Photosynthese (Licht, Chlorophyll, 2822 kJ/mol Glucose) 6 CO2 + 6 H2O   C6H12O6  + 6 O2 (chemische Energie, -2822 kJ/mol Glucose) Stoffabbau: Energiebedarf für Zellteilung, Nährstofftransport, etc. wird durch Abbau von Zucker gewonnen. Dissimilation, Atmung

  5. Fragestellung: CO2 im Wald Experimentelle Erfassung des CO2 -Austausches im Waldökosystem I Quelle/Senke von c II Speicheränderungsrate III turbulenter Fluss(EUROFLUX, Aubinet et al., 2000; FLUXNET, Agr. For. Met. Vol. 113, 2002) IV vertikale Advektion(Lee, 1998; Baldocchi, 2000) V horizontale Advektion(Aubinet et al., 2003, Feigenwinter et al., 2003 (submitted))

  6. Experimental setup: Übersicht Höhenmodell Landnutzung Hangneigung Exposition Übersicht Ankerstation Tharandter Wald 50°58‘ N, 13°34‘ E 375 m a.s.l. Annual mean temp. 7.7° Annual mean precip. 819 mm

  7. Experimental setup: Situation Experimental setup Situationsplan MORE I : Sep/Oct 2001 MORE II: Mai/Oct 2003

  8. Experimental setup MORE I

  9. Experimental setup MORE I

  10. Experimental setup MORE I

  11. Experimental setup: Instrumentation

  12. Experimental setup: Instrumentation

  13. Experimental setup: Instrumentation Design by Andi Christen, MCR Lab

  14. Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Vertikalprofile der CO2-Konzentration Messungen: Vertikalprofile an P1, P2 und P3 Vergleichsmessung in 2 m Höhe Problem: Alle 3 Profile mit verschiedenen IRGAs Lösung: Mittels Vergleichsmessungen in 2 m Höhe angleichen der einzelnen IRGAs und Konstruktion der Profile mit log-square fit

  15. Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO2-Profile Vergleich der CO2 -Messungen für 3 Kalibrierperioden (MORE I)

  16. Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO2-Profile Das Sampling Problem während MORE I sampling at P1: every 8 minutes 3 samples every 15 s (15 s purging)  30 min. mean out of 9 values sampling at P4: every 2 minutes 14 samples every 1 s ( 6 s purging)  30 min. mean out of 210 values 1 h 6 h P1 – P4 2 m level P1 – P4 26 m level 12 h 24 h

  17. Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO2-Profile Tagsituation • Ermitteln der Koeffizienten ai für mit den Messungen P2, P3 für z={0.1,0.3,0.5,1.0,2.0,8.0,26.0} m Nachtsituation Konstruktion der Vertikalprofile der CO2-Konzentration • Koeffizienten ai werden klassifiziert nach der Konzentrationsdifferenz c(2 m)-c(26 m), welche an P1, P2 und P3 mit demselben IRGA gemessen wurde. • Messungen für z={0.1,0.3,0.5,1.0, 8.0} m werden gemäss Formel mit den entsprechenden Koeffizienten ai modelliert. • In einem zweiten fit werden die gemessenen Werte (2 m und 26 m) gegenüber den modellierten Werten 10-fach gewichtet. Daraus resultiert das Profil für 0 < z < 26 m. • Es wird angenommen, dass die nur bei P1 gemessene CO2-Konzentration in 40 m Höhe für das gesamte Kontrolvolumen repräsentativ ist. Die vertikalen Profile werden deshalb jeweils zwischen dem jeweiligen Wert in 26 m Höhe und dem 40 m Wert linear interpoliert.

  18. Nicht turbulente Advektionsterme: vertikale Windkomponente Bestimmung der mittleren Vertikal-Komponente Korrektur des Neigungswinkels des Sensors relativ zum Koordinatensystem der mittleren Strömung über einen längeren Zeitraum. z.B. mit Sinus fit (Lee, 1998; Baldocchi et al., 2000; Paw U et al. (2000)) (Alternative Methode: „planar fit“ nach Wilczak et al., 2001) Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Vertikalprofil der mittleren vertikalen Wind-Komponente mit Mittlere CO2 Konzentrationim Volumen unterhalb zr (Lee, 1998) und

  19. Nicht turbulente Advektionsterme: vertikale Windkomponente Bestimmung von a0= 3.3° (offset), a1= 2.07° (amplitude) und a2= 23.1° (phase shift) Periode Januar-Dezember 2001

  20. Nicht turbulente Advektionsterme: horizontaler CO2-Gradient Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Horizontaler CO2-Gradient Die CO2 Konzentrationen c1,2,3 (als z-Koordinate) an den Eckpunkten P1,2,3spannen zusammen mit den räumlichen Koordinaten (als x(north),y(east)-Koordinaten) eine Ebene auf, welche mit der folgenden Gleichung beschrieben werden kann: mit der Einheit [ppm m-1] oder [mmol m-4]

  21. Nicht turbulente Advektionsterme: horizontaler CO2-Gradient

  22. Nicht turbulente Advektionsterme: vertikales Windprofil Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme vertikales Windprofil Aus den Messungen in 42 m (P1), 2.5 m und 0.5 m (P1,P2,P3) soll ein vertikalesWindprofil konstruiert werden, welches für das gesamte Kontrolvolumen repräsentativ sein soll. zd = 0.7 hmit z0 = 0.08 hu*= 0.2 U(42m) • Über dem Bestand (zd + z0) < z < 42 m • Im Bestand0 < z < (zd + z0) Modifiziert mit Bremsfunktion(nach Joss, 1996; Cowan, 1968) k0: max. Bremswirkungmit k1: 1/Kronenlänge (normiert)k2: Höhe der max. Bremswirkung (normiert)

  23. Nicht turbulente Advektionsterme: vertikales Windprofil zd = 0.7 hz0 = 0.08 hu*= 0.2 U(42m) k0: 0.85 (max. Bremswirkung)  85 %k1: 5 1/Kronenlänge  8 mk2: 0.5 Höhe der max. Bremswirkung  21 m

  24. Nicht turbulente Advektionsterme: Zusammenfassung Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Vertikale Advektion Horizontale Advektion

  25. Resultate:Meteorologische Bedingungen während der MesskampagneMORE I (20.9. bis 9.10.2001) DOY 263-282 Resultate: meteorolog. Bedingungen über dem Bestand im Stammraum (2.0 m) im Stammraum (0.5 m)

  26. Resultate:horizontale Advektion Vertikale Advektion: Vertikale Windkomponente in Abhängigkeit der Stabilität (DOY 263-282) CO2-Konzentrationsdifferenzendicke Linien: c(40 m) - c(26 m)dünne Linien: c(40 m) - c(2 m)Symbole: c(40m) - c

  27. Resultate:horizontale Advektion Horizontale Advektion: Mittlere Windverhältnisse während MORE I (DOY 263-282) Mittlere horizontale CO2-Gradienten während MORE I (DOY 263-282)

  28. Resultate:horizontale Advektion Horizontale Advektion: Mittlere horizontale Advektion während MORE I DOY 263-282

  29. Resultate:horizontale Advektion Horizontale Advektion: Mittlerer Tagesgang

  30. Resultate:CO2-Flüsse CO2-Flüsse im Überblick Mittlerer Tagesgang (DOY 263-283) -----EC + storage change  + Advektionsterme Differenz: 0.18 g C m2 d-1 (20 %)

  31. Schlussfolgerungen und Ausblick Schlussfolgerungen • Vertikale und horizontale Advektion haben entgegengesetzte Vorzeichen und sind vom Betrag her von derselben Grössenordnung. Man könnte deshalb annehmen, dass sich die beiden Terme über eine längere Zeitspanne im Mittel wahrscheinlich aufheben werden. • Die grosse Streuung der Advektionsterme zeigt jedoch, das eine hohe Variabilität von Tag zu Tag besteht. • Die nächtliche CO2-Quelle wird durch die Berücksichtigung der Advektionsterme leicht reduziert (0.32 g C m-2 von 16:00-08:00). • Die vertikale Advektion wird tagsüber durch den minimalen Vertikal-gradienten praktisch gleich null, währendem der horizontale Gradient besteht. Durch die horizontale Advektion wird dadurch die tägliche CO2-Senke um ca. 20 % reduziert. • Eine Überschätzung der CO2-Senke ist deshalb nicht nur auf die Unter-schätzung der nächtlichen Quelle auf Grund schwacher Turbulenz (u*-Korrektur) zurückzuführen, sondern dürfte ihren Grund auch in der horizontalen Advektion haben, welche tagsüber durch die vertikale Advektion nicht vollständig kompensiert wird.

  32. Schlussfolgerungen und Ausblick Ausblick • Es bestehen offensichtlich methodische Probleme und Defizite bei der Bestimmung der Advektionsterme. Die wenigen existierenden Studien lassen sich nur bedingt vergleichen (unterschiedliche Standorte, Datengrundlage, Methodik). • Die Bestimmung der vertikalen Profile von Wind und CO2-Konzentra-tionen und der horizontalen Konzentrationsgradienten wird von verschiedenen Faktoren wie dem experimentellen Aufbau, von Messfehlern und methodischen Unsicherheiten beeinflusst und bedarf einer genauen Fehleranalyse. • Die kurze Dauer des MORE I Experimentes lässt keine allgemein gültigen Aussagen zu. Die vorliegenden Resultate müssen durch langfristige Messungen bestätigt und eventuell berichtigt werden (MORE II). • Trotz der erwähnten Unzulänglichkeiten besteht kein Zweifel daran, dass die Advektionsterme für CO2-Haushaltsbetrachtungen zumindest solange berücksichtigt werden sollten, bis deren Rolle endgültig geklärt ist. • C. Feigenwinter, C. Bernhofer and R. Vogt (2003): The influence of advection on the short term CO2-budget in and above a forest canopy, submitted to Boundary-Layer Meteorology

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