Eddy-Kovarianz Messungen über einem tropischen Regenwald in komplexem Gelände

einem tropishen Regenwald in

komplexem Gelände

Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades

der Mathematish-Naturwissenshaftlihen Fakultäten

der Georg-August-Universität zu Göttingen

vorgelegt von

Thomas Roÿ

aus Bad Oldesloe

Göttingen, 2007

Referent:Prof. Dr. Andreas Tilgner

Korreferent: Prof. Dr. Gode Gravenhorst

Tag der mündlihen Prüfung:

20.06.07

1 Einleitung 1

2 Messungen und Methoden 5

2.1 Messungen turbulenter Flüsse . . . 5

2.1.1 TheoretisheGrundlagenundTehnikderEddy-Kovarianz Methode . . . 6

2.1.2 DieStobilanzgleihung:AbleitungderrelevantenTerme 6 2.1.2.1 Vereinfahung der Stobilanzgleihung nah Lee (1998). . . 8

2.1.2.2 ErgänzungderStobilanzgleihungnahAu- binet (2003) . . . 10

2.1.3 Beshreibung des Messgeländes . . . 11

2.1.4 Messturmund Instrumentierung . . . 13

2.1.4.1 Das Ultrashallanemometer(USA-1, METEK) 15 2.1.4.2 Der Open-Path Infrarotgasanalysator (IR- GA 7500,LICOR) . . . 15

2.1.4.2.1 Querempndlihkeit . . . 17

2.1.5 Korrekturen . . . 17

2.1.5.1 Webb, Pearmanund Leuning (WPL)Term . 17 2.1.5.2 Sensibler Wärmestrom nahShontanus . . . 19

2.1.6 Das Planar-Fit Verfahren. . . 20

2.1.7 Beurteilungder Datenqualität . . . 22

2.1.7.1 Der Stationaritätstest . . . 22

2.1.7.2 Integrale Turbulenzharakteristik . . . 23

2.1.8 Prozedur der Datennahbearbeitung . . . 23

2.2 Verfahren zur Datenlükenshlieÿung . . . 24

2.2.1 Modellierung der assimilatorishen

CO 2

^{-Flüsse . . . . . 26}

2.2.1.1 LihtsättigungsfunktionnahMihaelis-Menten 26 2.2.2 Untersuhung der saisonalen Variabilität der respira- torishen

CO 2

^{-Flüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26}

2.2.2.1 Das

u ∗

-Filterkriterium . . . 27

2.2.3 Shlieÿung von Datenlüken (Gap-Filling) . . . 29

2.3 Ähnlihkeitstheorie . . . 31

2.3.1 Das Shlieÿungsproblem . . . 31

2.3.2 Monin-Obukhov Ähnlihkeitstheorie . . . 32

2.4 3-D Grenzshihtmodellierung . . . 33

2.4.1 Theoriedes

E

^-

ω

^{Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . 33}

2.4.2 Strahlungsregimeund Vegetation . . . 38

2.4.3 Reliefund Koordinatensystem . . . 38

2.5 Footprintanalyse . . . 39

2.5.1 Prinzipdes NSG-Modellsnah Sogahev et al. . . 40

2.5.2 Das analytishe ModellnahKormann-Meixner . . . . 41

2.5.3 Zusammenfassung. . . 43

3 Ergebnisse 45 3.1 Meteorologie und Turbulenz amStandort . . . 45

3.1.1 Das lokaleWindsystem . . . 45

3.1.2 Meteorologishe Eigenshaften . . . 48

3.2 Bowen-Verhältnis . . . 49

3.3 Methoden zur Siherungder Datenqualität . . . 50

3.3.1 Der Turmeekt: Beeinträhtigung der Datenqualität durh den Turm . . . 50

3.3.2 Die Footprintanalyse . . . 52

3.3.3 Untersuhung shihthöhenkonstanter Flüsse . . . 56

3.3.4 Test zur integralenTurbulenzharakteristik . . . 57

3.3.5 Stationaritätstestund

u ∗

-Filterkriterium . . . 59

3.3.6 Energiebilanzshlieÿung . . . 62

3.3.7 Die Planar-FitMethode . . . 62

3.3.8 Zusammenfassung. . . 67

3.4 Berüksihtigung advektiver Strömungen . . . 68

3.4.1 Abshätzung advektiverEinüssebeiNaht(katabati- she Shwereüsse) . . . 68

3.4.2 Berehnung advektiver

CO ₂

^{-Flüsse mittels eines}

E

^-

ω

Modells für neutrale Shihtung . . . 76

3.4.2.1 Modellierung des vertikalen

CO 2

^{-Flusses un-} ter besonderer Berüksihtigung der Quellen und Senken . . . 77

3.4.2.2 Modellierung der vertikalen

CO 2

^{-Flüsse in} Abhängigkeitvonder Windrihtung . . . 80

3.5 Untersuhung der Kohlenstobilanz . . . 85

3.5.1 Aufteilungdes

CO 2

^{-Flusses in seine} Komponenten . . . 85

3.5.1.1 Darstellung der Nettoassimilation mit dem

ModellvonMihaelis-Menten . . . 86

3.5.1.2 Saisonalitätder respiratorishen

CO 2

^{-Flüsse . 92}

3.5.2 Berehnung des Nettoökosystemaustaushes . . . 94

3.5.2.1 Kumulative Darstellung des Nettoökosyste-

maustaushes und der Komponentenüsse . . 95

3.5.2.2 Koordinatensystemvergleih . . . 95

3.5.2.3 Resultateaus den Berehnungen zur vertika-

lenAdvektion . . . 98

4 Zusammenfassung und Diskussion 101

A Notation 107

A.1 Symbolverzeihnis für das

E

^-

ω

^{-Modell . . . . . . . . . . . . . 108}

A.2 AllgemeinesSymbolverzeihnis . . . 109

Einleitung

Nahdem aktuellenSahstandsberiht 2007des International Panel for Cli-

mate Change (IPCC) lässt sih kaum mehr bezweifeln: Die globale Erwär-

mung stellt diegröÿteHerausforderungdes 20.Jahrhunderts dar. Nah dem

UrteildesIPCC sind diederzeitigbeobahtetenTemperaturerhöhungenmit

über 90%-iger Siherheit auf anthropogen bedingte Treibhausgaszuwähse

zurükzuführen. Etwa 60% der beobahteten globalen Erwärmung ist auf

den Anstieg der

CO ₂

Konzentration von a.

280 µmol/mol

^{in der vorindu-}

striellen Phase auf

380 µmol/mol

^heute zurükzuführen [Gra04℄. In Zahlen ausgedrükt hat sih die Erde binnen der letzten 100 Jahre im Mittel um

0.74 ^◦ C

^erwärmt.

ZurBestimmungdeszukünftigenKlimasmithilfeglobalerZirkulationsmodel-

le ist das Verständnis über die Rükkopplungsprozesse im globalen Kohlen-

stokreislauf von besonderer Bedeutung [SMSD86 ℄. In diesem Sinne stellen

Sensibilitätsuntersuhungen der

CO 2

^{-Flüsse eines gegebenen Ökosystems in}

bezug auf die vershiedenen Umweltvariablen eine wihtige Voraussetzung

für Modellierung, Saling-up Verfahren und Voraussagen dar [WMN98℄.

Aber auh die Frage, ob alle globalen Ökosysteme zusammen eine Netto-

Quelle oder Netto-Senke darstellen, wird bereits seit 30 Jahren kontrovers

diskutiert. Woodwell forderte 1978 [WWR78℄, dass die Ökosysteme insge-

samt eine Quelle darstellen sollten. Dagegen wies Broeker [BTSP79 ℄ auf die

Diskrepanzzwishendenbekannten

CO 2

^{Quellenundden}niedrigerenRaten, mit denen

CO 2

^{in der Atmosphäre auftrat, hin. Er prägte den Begri von}

derverlorenen Senke(missingsink).NaheinfaherAbshätzung werdena.

7 − 8 Gt (C) yr ^{− 1}

^{durh Industrieund Waldrodungemittiert,etwa}

3 Gt (C)

verbleiben in der Atmosphäre und von den restlihen

4 − 5 Gt (C)

^werden

2 Gt (C)

^{von den Ozeanen} aufgenommen. Also bleiben

2 − 3 Gt (C)

^übrig,

von denen angenommen wird, dass sie von den terrestrishen Ökosystemen

aufgenommenwerden.DieFrageistwo?AndieserStelletrittdiesogenannte

Eddy-Kovarianz (EK) Methode alsdiewihtigste Methode zur Bestimmung

des

CO ₂

^{-Austaushs auf} Ökosystemebene inden Vordergrund.

Seit Anfang 1990 stehen Infrarotgasanlysatoren mit ausreihend hoher Fre-

quenz zur Verfügung,sodass turbulente

CO 2

^{- und}

H 2 O

^{-Flüssein geeigneter}

Weise gemessen werden können. So ist es möglih geworden, festzustellen,

welhe Ökosysteme wo auf der Erde Quellen oder Senken für

CO 2

^darstel-

len.Der resultierendeFluss,welher vomQuellgebietausgehendvomSensor

detektiert wird, wird als Nettoökosystemaustaush bezeihnet. Auh lassen

sih mittels der EK-Methode Abhängigkeiten zwishen

CO 2

^{-Fluss und den}

vershiedenenUmweltvariablenmodellieren.Informationen,ohnewelheKli-

mamodellierungen,Upsaling-Verfahrenund Prognosen nihtmöglihwären

[LGM95, WMN98℄.

Geshah dieBeprobung anfangs vor allem im Rahmen von kurzen Kampa-

gnenundvorwiegendüberlandwirtshaftlihenFlähenunternahezuidealen

Voraussetzungen(homogenesTerrain),werdenheutzutageinderRegelLang-

zeitmessungenzur Bestimmung desNettoökosystemaustaushszwishenden

vershiedenstenVegetationsformenundAtmosphäredurhgeführt[TAB

+

03℄.

AnhundertenvonStandortenweltweitwerdenheutzutagekontinuierlihEK-

Messungen betrieben.

VerständliherweiseexistierenumsowenigerInformationenüberÖkosysteme,

je abgelegener sie sind. Besonders wenig Messungen wurden bis heute über

tropishen Wäldern durhgeführt. Dies giltinsbesondere fürden südostasia-

tishen Raum. Daher stellt die vorliegende Arbeit, die auf ersten Langzeit-

messungenausderRegionBaririaufderInselSulawesiinIndonesienberuht,

einenweiterenwihtigenMosaiksteinzumVerständnisglobalerKlimaprozes-

sedar.

Doh es gibt auh Einshränkungen, welhe mit der Anwendung der EK-

Methode verbunden sind. Die Unterlage sollte möglihst eben und die Ve-

getationmöglihst homogen verteilt sein. Andernfallslässt sihdieMethode

nihtohneweiteresaufeineEin-PunktMessungreduzieren.Auf deranderen

Seitesinda.28%derWälderder ErdeHohlandwälder(MountainForests).

Insbesondere inden Tropen nimmtder AnteilvonTieandwäldernaufgrund

der durh den Menshen verursahten Landnutzungsänderungen (slash and

burn)ständigab.InderPraxisversuhtmandeswegenhäugeinenKompro-

miss zwishen ausreihend homogenen Geländebedingungen einerseits und

dem Wunsh ein bestimmtes Ökosystem zu beproben andererseits, zu n-

den.

Unter diesen Voraussetzungen ist bei Anwendung der EK-Methode darauf

zuahten,dass weitereMessungen zurValidierunghinzugezogen werden.Als

wihtigstezusätzliheMessungzurKorrekturdesvertikalen

CO ₂

^-Austaushs

ist die Speihertermmessung zu nennen [AGI

+

00℄. Auÿerdem setzt sih in

jüngsterZeitimmermehrdurh,vertikalesowiehorizontaleAdvektionsterm-

messungen durhzuführen [FBV03, MCM

+

05℄. Insbesondere in der Naht

und bei stabiler atmosphärisher Shihtung, so zeigen zahlreihe Untersu-

hungen, tritt häug ein nähtlihes

CO 2

-Flussdezit auf, das niht allein auf Probleme mit der EK-Methode zurükzuführen ist [ML02, GMF

+

96℄,

sondern vielmehr auf einen bisher unbeahteten advektiven Transport von

CO

2

hinweist [ABC

+

05, Lee98, LH02, ML02,TAB

+

03, FBO

+

01℄.

Vor diesem Hintergrund besteht das wesentlihe Ziel dieser Arbeit darin,

unsere Messungen über dem alten tropishen Hohregenwaldbestand best-

möglih zu überprüfen, um shlieÿlih zu belastbaren jährlihen Raten des

Nettoökosystemaustaushszugelangen.DiezugrundeliegendeIdeedieserAr-

beit basiert auf dem Ansatz, aus experimentellen Untersuhungen auf der

einen Seite und nummerishe

3d

-Modellrehnungen auf der anderen Seite gröÿtmöglihenwehselseitigen Nutzen für die Beurteilungdes Standorts zu

ziehen.

Messungen und Methoden

2.1 Messungen turbulenter Flüsse

Als atmosphärishe Grenzshiht wird jener Teil der Troposphäre bezeih-

net, in welher die Eekte der Oberähe (Reibung, Erwärmung und Ab-

kühlung)in Zeitskalen geringeralseinTagfallen undin welher signikante

FlüssevonImpuls,WärmeundanderenSkalarendurhturbulenteBewegun-

gen stattndet, deren Gröÿenordnung von der Höhe der Grenzshiht oder

darunter gelegen ist [Gar99℄. Sie wird nah oben durh eine statish stabile

Luftshiht mit intermittierender Turbulenz begrenzt. Es handelt sih um

eine Zwishenshiht (entrainment-layer), über dieein Austaush von Luft-

massen mit der darüberliegenden Troposphäre stattndet. Der Aufbau der

atmosphärishen Grenzshiht wird wesentlih und unmittelbar durh die

Wehselwirkung zwishen der Erdoberähe und der Atmosphäre bestimmt

(turbulenterAustaushvonImpuls,WärmeundWasserdampf,bedingtdurh

Strahlungsprozesse und den Einussder Bodenreibung). DieseimMittela.

1

^-

2

^{km hohe Shiht unterliegt einem sehr variablen Tagesgang. Nah Son-}

nenaufgang sorgen turbulenteWärmeströme füreine rashe Erwärmung der

Atmosphäre.SoentstehtnahAuösendernähtlihenInversioneineShiht

mitguterDurhmishung (mixinglayer).BereitsvorSonnenuntergangndet

diesogenannteBodeninversionstatt.InderNahfolgebildetsiheinestabile

Grenzshiht vonnur geringerMähtigkeit[Stu84℄.

Die unteren von der Winddrehung unbeeinussten

10

^{% der} atmosphäri- shen Grenzshihtwerden alsBoden-oder Prandtl

1

-Shihtbezeihnet. Die

1

Prandtl,Ludwig(1875-1953),GöttingerPhysikerundEntwiklerderGrenzshiht-

theorie

Prandtl-ShihtistzurBestimmungvonCO

2

-undanderenStobilanzenvon

besonderem Interesse, da CO

2 -, H

2

O- oder Energieüsse in diesem Bereih

höhenkonstantgemessen werdenkönnen.AusdiesemspeziellenGrundewur-

denweiter unten Untersuhungen vorgenommenen,dieden Zwek haben die

gewählte Höhe, inder über dem Regenwald gemessen wurde, zu validieren.

2.1.1 Theoretishe Grundlagen und Tehnik der Eddy-

Kovarianz Methode

Mikrometeorologishe Flussmessungen nah der EK-Methode waren lange

Zeit lediglih Gegenstand der Forshung. Die aktuellen Fragen zum Klima-

wandelhaben jedohimVerlaufder letzten 10Jahredazu geführt,dass tur-

bulente

CO 2

-Flussmessungen heute beinahe selbstverständlih zur Bestim- mungdesNettoökosystemaustaushs(NEE) durhgeführtwerden.Dabeibe-

ruhtdie EK-Methode auf einer Reihe von Vereinfahungen und Annahmen.

Insbesondere durh dienotwendigeAusweitung der Messstandortein immer

entlegenereundkomplexereRegionen,ergibtsihdieNotwendigkeit,wihtige

einshränkendeMaÿnahmen,wiehorizontaleHomogenitätderUnterlageund

stationäre Austaushbedingungen, noh gründliher zu untersuhen als das

bisher geshah. Start und Ausgangspunkt zum Verständnis der strömungs-

mehanishrelevanten Terme istdieStobilanzgleihung.

2.1.2 Die Stobilanzgleihung: Ableitung der relevan-

ten Terme

DieStobilanzgleihungdientzurBeshreibungvonWärmetransportvorgän-

gen alsauh für den Transport von Gasen und Beimengungen:

∂C

∂t + u i

∂(C)

∂x i

= ν c

∂ ²

∂x ² _i C + S c .

^(2.1)

Der erste Term von links gibt die Speiheränderung des betrahteten Ska-

lars anund wird kurz als Speiherterm bezeihnet. Term

(2)

^{beshreibt die}

räumlihe Änderung 2

des totalen Flusses, Term

(3)

^mit

ν c

^{, dem molekula-}

ren Diusionskoezienten, den diusiven Transport und

S c

^{die Quell- oder}

SenkenstärkeimbetrahteteninnitesimalenVolumen.DurhZerlegung 3

der

2

HierundimFolgendenwirddieEinstein'sheSummenkonventionbenutzt.Überiden-

tisheIndizesinnerhalbeinesTermswirdvoneinsbisdreisummiert.

3

DiesogenannteReynolds'sheZerlegung(nahOsborne Reynolds,engl.Physiker)ei-

nerturbulentenGröÿe:

x = ¯ x + x ^′

^.

betrahteten Gröÿen in einen zeitlih gemittelten und einen uktuierenden

Anteil und anshlieÿender Mittelung ergibt sihaus Gleihg. 2.1:

∂ C ¯

∂t + ¯ u i

∂

∂x i

C ¯ + ∂u ^′ _i C ^′

∂x i

= ν c

∂ ²

∂x ² _i C ¯ + S c .

^(2.2)

Hierfand,umdieturbulenteAdvektioninFlussformzu bringen,dieKonti-

nuitätsgleihung

u ¯ ^′ _i ∂C ^′ /∂x _i = ∂u ^′ _i C ^′ /∂x _i

^{Anwendung.Durh}Integrationund Vernahlässigung des molekularen Diusionsterms(die molekulareDiusion

ist

4

^-

6

Gröÿenordnungen kleiner, als der Beitragder anderen Terme) ergibt sih dieabsoluteStobilanz ineinem Kontrollvolumen(vergl. Abb. 2.1):

Z Z Z

V

S =

Z Z Z

V

∂ C ¯

∂t + ¯ u _i ∂

∂x i

C ¯ + ∂u ^′ _i C ^′

∂x i

!

.

^(2.3)

Abbildung 2.1: Kartesishes Kontrollvolumen über einem Waldbestand

(Quelle(niht publ.): C. Feigenwinter).

2.1.2.1 Vereinfahung der Stobilanzgleihung nah Lee (1998)

Im Verlauf der neunziger Jahren - mit der Bildung regionaler Netzwer-

ke (EuroFlux 4

, AmeriFlux 5

, OzFlux 6

und AsiaFlux 7

) - fanden vershiedene

Gruppen, dass mit der EK-Methode bei ungünstigen Standort- und Atmo-

sphärenbedingungen nähtlihe CO

2

-Flüsse systematish untershätzt wer-

den [GMF

+

96,LAM98,BHN

+

96℄. Inder Folge publizierteLee [Lee98℄einen

einfahen Lösungsansatz, den er mit den verhandenen Shwierigkeiten hin-

sihtlih der Energiebilanzshlieÿung über hoher Vegetation motiviert. Er

nenntadvektiveProzesse, dieeraufmesoskaligeLuftmassenbewegungenver-

bundenmitstationärenkonvektiven Zellen,nähtliheKaltluftabüsse(drai-

nage ows oder katabati winds), inhomogenes Anströmgebiet und einige

weitere Punkte zurükführt.

Als Ziel seiner Arbeit gibt er vor, mögliherweise auftretende horizonta-

le Strömungsdivergenz oder -konvergenz zu untersuhen. Vereinfahend be-

shränktsihLeebeiseinerBetrahtungaufzweiDimensionen(

x

^entlangder

lokalen Hauptwindrihtung und

z

^{vertikal dazu). Shlieÿlihtrit er, ausge-}

hendvoneinemgedahtenKontrollvolumen{

2L

^(Länge)

× 1

(Einheitsbreite)

× z r

(Messhöhe)} [Fin99℄, folgende Annahmen:

1. Die Stobilanzgleihung kann als eindimensional betrahtet werden,

auh wenn das zugrundeliegendeStrömungsfeldeinZweidimensionales

ist. Die Werte der Variablen in

(x = 0, z)

^{entsprehen ihrem horizon-}

talenMittel:

1 2L

Z +L

− L

φ(x, z)dx ≃ φ(0, z),

^(2.4)

mit

φ

^{, den} betrahteten Variablen,und

2L

^{, der Länge des} Kontrollvo- lumensin

x

^-Rihtung

2. Überall innerhalb der Strömung gilt:

¯ u ∂ C ¯

∂x ≪ w ¯ ∂ C ¯

∂z .

^(2.5)

3. Ebenfallsüberall innerhalb der Strömung gilt:

∂u ^′ C ^′

∂x ≪ ∂w ^′ C ^′

∂z .

^(2.6)

4

http://www.unitus.it/dipartimenti/disafri/progetti/eux/euro.html

5

http://publi.ornl.gov/ameriux/

6

http://www.dar.siro.au/lai/ozux/index.html

7

http://www-ger2.nies.go.jp/asiaux/index.html

Abbildung2.2:Shematishe Darstellungeinerkonvergenten (links)bzw.di-

vergenten Strömung (rehts) durh ein Kontrollvolumen. Auÿerdem darge-

stellt (zur Illustration von

C ¯

): Ein vertikales

CO 2

-Konzentrationsprol, wie es typisherweise in der Naht auftritt.

4. Mit

w ¯ r

^{,dermittlerenvertikalen}Geshwindigkeitund

z r

^{,derMesshöhe,}

gilt:

∂ w ¯

∂z ≃ w r

z r

.

^(2.7)

Unter Berüksihtigung der Annahmen

(1)

^bis

(4)

^{ist Gleihg. 2.3 über das}

Kontrollvolumen zu integrieren. Nah anshlieÿender nohmaligerpartieller

Integration von

w∂ ¯ C/∂z ¯

^{von Null bis}

z r

^{folgtshlieÿlih}

NEE = Z z r

0

∂ C ¯

∂t dz + (w ^′ C ^′ ) r + ¯ w r ( ¯ C r − C ¯

),

^(2.8)

wobei

C ¯

= 1 z r

Z z r

0

Cdz. ¯

^(2.9)

Abbildung2.2 veranshauliht diebetrahteten Situationen shematish.

Derpublizierte Ansatzin [Lee98℄gab aufgrundder vielen Simplizierungen

Anlass zu viel Diskussion, weshalb kurz darauf einshriftliher Kommentar

vonFinnigan[Fin99℄ershien.DiewesentlihenKritikpunkteandenvonLee

getroenen Annahmen seien hier kurz wiedergegeben:

•

^ZuPunkt

1

^{: Finnigan führt}vershiedene Mehanismen an, dieimFall einerzweidimensionalenStrömung dazuführen,dass eszu Variationen

immittlerenWindfeldkommt.Alsbesonders wihtignennterdenEin-

uss untershiedliher Strahlungsussstärken über komplexem Gelän-

de, Rauhigkeitsinhomogenitäten, Änderungen der turbulenten Shub-

spannungen inihrerWehselwirkung mitder

2d

^{-Strömung[KF94℄und}

groÿräumigkonvektiveProzesse [RWCH92 ℄.AuhindemFallkonstan-

ter Oberähenüsse führten die letzten drei Punkte zu horizontalen

Variationenbeiturbulenten Flüssen.

•

^{Der Annahme}

2

^{spriht Finnigan die allgemeine} Berehtigung ab, in- dem er auf ein einfahes numerishes Strömungsexperiment hinweist,

welhes die Vernahlässigung der horizontalen gegenüber der vertika-

len Advektion nur in einem Ausnahmefall rehtfertigt. Anhand von

Modellrehnungen werden zweidimensionaleZirkulationsmusterunter-

suht, die allein in der Nähe sogenannter stagnierender Stromlinien

dominierendenadvektiven TransportinvertikalerRihtungzeigen.Die

tatsählihe Relation von vertikaler zu horizontaler Advektion hinge

letztlihvon den unter Punkt

1

^{genannten Faktoren ab.}

•

^{Die dritte Annahme ist laut Finnigan shwer zu} widerlegen. Die tur- bulenten Flussdivergenzterme sind auh im zweidimensionalen Fall

das Resultat komplexer Wehselwirkungen mit dem turbulenten Strö-

mungsfeld. DieErkenntnisse aus dem Modellvon Raupah [RWCH92℄

sheinendieAnnahmejedohzurehtfertigen,fallsdieMesshöhegering

istimVergleih zur Ausdehnung der zweidimensionalenStrömung 8

.

•

^{Letzteres gilt auh für die vierte von Lee getroene Annahme. Sofern}

die horizontale Ausdehnung sehr viel gröÿer ist als die Referenzhöhe,

sheint dieNäherung plausibel.

DamitwiderlegtFinniganinsbesonderedieerstenbeidengetroenen Annah-

menvonLee, währendletztere imHinblikder vonLee genannten Ursahen

für advektive Prozesse (mesoskalige Zirkulationszellen und nähtlihe Kalt-

luftabüsse) weiterhinplausibelersheinen.

2.1.2.2 Ergänzung der Stobilanzgleihung nah Aubinet (2003)

Inder Folgezeit wurdeGleihung (2.5) unter Berüksihtigung o.g. Kritikin

einigen Studien zur Bestimmung des Nettoökosystemaustaushs verwendet

[Lee98,PBMW00,BFW

+

00℄.Die Vorteiledes Lee'shen Ansatzessindniht

von der Hand zu weisen. Er basiert auf einer Ein-Punkt-Messung über der

Vegetation undder Messungdes

CO 2

-Konzentrationsprols.BeidesMessun- gen, diein der Regel standardmäÿigdurhgeführt werden.

Einentsheidender Kritikpunkt betritdie Vernahlässigung der horizonta-

lenAdvektion(Annahme

2

^{).DeshalbshlägtAubinetetal.[AHY03℄vor,die}

horizontale Advektion in dem Lee'shen Ansatz wie folgtzu ergänzen:

8

Auh aktuellere Feldexperimente sheinen diese Ausführungen zu bestätigen

[WDC

+

05℄.

Z z r

0

Sdz = Z z r

0

∂ C ¯

∂t dz + (w ^′ C ^′ ) r + ¯ w r ( ¯ C r − C ¯ ) +

Z z r

0

u ∂ C ¯

∂x dz.

^(2.10)

I II III IV V

I :

^{Quellen-bzw. Senkenterm von}

CO 2

II :

^Speiheruss

III :

turbulenter Fluss [AGI

+

00℄ (EuroFlux, FLUXNET)

IV :

^{vertikaleAdvektion [BFW}

⁺

^{00,Fin99,Lee98 , PBMW00 ℄}

V :

horizontale Advektion [AHY03,FBV03℄

Diese Gleihung hat sih innerhalb der CarboEurope-IP Advektionsgruppe

(Spoleto 2004) etabliertund kann als weitgehend akzeptiert angesehen wer-

den. Sie bedarf verglihen mit Gleihg. (2.5) zusätzlih der Messung eines

horizontalen Wind- und Konzentrationsprols.

Fürdieersten

3d

^{-Setups(Tharandt}(Deutshland, 2000-2005),Renon(Itali- en,2005),Wetzstein(Deutshland,2006))wurdesieumeinenweiterenTerm

entsprehend

V

^quer Hauptwindrihtung ergänzt[ABC

+

05,FBV03℄.

Abbildung 2.3: Das Untersuhungsgebiet auf der Insel Sulawesi/Indonesien

östlihder Wallae Line. Quelle:[Die07℄ (modiziert)

2.1.3 Beshreibung des Messgeländes

DasUntersuhungsgebietistalsTeildesLoreLinduNationalparks(LLNP)in

ZentralSulawesi,Indonesien,nahedesDorfesBariri

(1 ^◦ 39.476 ^′ S 120 ^◦ 10.409 ^′ E)

gelegen(vergl.Abb.2.3).DerMessturmstehtaufeinerleihtenReliefwellein

1416m

^{Höhe ü. NN, diesih in} nordöstlihe Rihtung erstrekt (vergl. Abb.

2.4). Nah südwestlihen Rihtungen steigt das Gelände nah einer Entfer-

nung vonetwa

800m

^bisetwa

1650m

^{starkan. Die relative}Hangneigungum den Turmstandort herum beträgt innerhalb eines Radius von

600m

^{in alle}

Rihtungen weniger als

7

^%.

In östlihenRihtungenwehselt dieVegetation nah etwa

1200m − 2500m

Abbildung2.4: GeländereliefamTurmstandortBariri.DiePositiondes Mes-

sturmes ist in der Mitte der Abbildung gekennzeihnet. (Entsprehend der

Konvention weist Nord inRihtung oberer Bildrand.)

Abbildung 2.5: (a) Vegetationskarte im UTM-Koordinatensystem für das

Messgebiet. (b) Darstellung Blattähendihte (Leaf Area Density) für das

geshlossene Waldgebiet um den Turmstandort herum.

in eine Graslandshaft (vergl. Abb. 2.5 a). Die Vegetation besteht aus etwa

88 Baumarten pro Hektar, wovon etwa

29

^% Castanopsis auminatissima,

18

^{%Canarium vulgare Leenh. und}

9.5

^{% Fius Spe. gezähltwurden (Grote}

S., nihtpublizierte Daten). Weiter ergab die Bestandesaufnahme

550

^Bäu-

me pro

ha

^{mit einem} Brusthöhendurhmesser

> 0.1m

^{und über}

5500

^Bäu-

me pro

ha

^{mit kleinerem} Brusthöhenumfang. Die Baumhöhen betragen am Turmstandort im Shnitt etwa

33m

^{. Der einseitige} Blattähenindex wurde anhand hemisphärisher Fotograen auf a.

7

^{festgelegt [Die07℄. Abbildung}

2.5(b)zeigtdasVertikalprolderBlattähendihte(LeafAreaDensity)des

Bestandes.

2.1.4 Messturm und Instrumentierung

Alle Messungen wurden von einem begehbaren

70m

^{hohen Messturm(Abb.}

2.6 a) aus durhgeführt. Zur Messung des Temperatur- und des Windprols

wurden auf drei Ebenen über und zweiEbenen innerhalb des Bestandes

Abbildung2.6:Bild(a)zeigtdie

70m

^hoheTurmkonstruktion.Kurzoberhalb des Waldbestandes bendet sihdie Fotovoltaikanlage zur Stromversorgung

(oberer Bildrand). Das Eddy-Kovarianz Messsystem (b) setzt sih aus aus

einem Ultrashallanemometer USA-1der FirmaMETEK und einem Open-

Path-Infrarot-Gasanalysator (IRGA) der FirmaLICOR zusammen.

(vergl.. Abb. 2.7a)ventilierteTemperatur-und Feuhtegeber inStrahlungs-

shutzhütte sowie Shalenanemometer (Friedrihs Co., Hamburg, Deutsh-

land) verwendet. Lang- und kurzwellige Strahlung über und unterhalb der

Vegetation wurde mit CM6B- und CG1-Sensoren der Firma Kipp & Zonen

(Delft, Niederlande) durhgeführt. Niedershlagsmessungen wurden mittels

RegensammlermitWipptehnikvomHellmannTypganzobenaufdemMes-

sturmundaneiner

1

^-

2km

^{entferntgelegenen} meteorologishenBodenstation durhgeführt. Das verwendete Messsystem zur Bestimmung der turbulenten

Flüsse besteht aus einem Ultrashallanemometer (USA-1, METEK, Elms-

horn, Deutshland) und einem Infrarot - Gasanalysator mit oener Mess-

streke (IRGA, LI-COR 7500, Linoln, Nebraska, USA) [Li03℄ (vergl. Abb

2.6b).

Abbildung 2.7: Shematishe Darstellung (a) des Messturms am Standort

Bariri. Folgende Messgröÿen wurden aufgezeihnet:

U

^{, die} Windgeshwin- digkeit respektive -rihtung,

T a

^{, die} Lufttemperatur,

H r

^{, die rel. Feuhte,}

R _k

^und

R _l

^{, die kurz- und die}langwellige Strahlung. Das EK-Messystem für den kontinuierlihen Messbetrieb bendet sih

48m

^{über Grund an einem}

(b)

4.5m

^{langenAusleger, welher nahRihtungSSO zeigt. Mitdem niht-}

stationärenMesssystemwurdennaheinanderin

56m

^Höheundin

48m

^Höhe

(vis-a-visdes stationärenSystems) Vergleihsmessungen durhgeführt (niht

dargestellt).

Die Analogsignale des Gasanalysators werden zum Ultrashallanemome-

ter transferiert, dort intern digitalisiert und anshlieÿend über eine serielle

Shnittstelle (RS-232)auf einem industriellenMini-PC gespeihert.

2.1.4.1 Das Ultrashallanemometer (USA-1, METEK)

Das Messprinzip aller Ultrashallanemometer besteht aus der Laufzeitmes-

sung von

10

^-

20Hz

Ultrashallimpulsen entlang einer Messstreke

d

^{, dievon}

zwei gegenüberliegenden Sender/Empfänger -Elementen aufgespannt wird.

Dabei wird ausgenutzt, dass die Shallgeshwindigkeit relativ zum Träger-

medium (Luft) einen allein von diesem abhängigen Wert aufweist. Folglih

breitensihdieShallwellen relativzum Messgerät, andem das Trägermedi-

um vorbeiströmt, in Abhängigkeit von der Rihtung untershiedlih shnell

aus. Mathematish ergibtsihdieSignalgeshwindigkeitaus der vektoriellen

AdditionvonShall-und Strömungsgeshwindigkeit des Trägers:

t ₁ = d

c + u , t ₂ = d

c − u ,

^(2.11)

⇒ u = d 2

1 t 1 − 1

t 2

,

^(2.12)

wobei

t ₁

^respektive

t ₂

^{die Laufzeiten des} Shallimpulses zur Laufzeitdie- renzbildung (Hin- und Rükweg),

u,

^die Windgeshwindigkeitskomponente parallelzu Messstreke

x

^und

c

^,dieShallgeshwindigkeitinLuftbezeihnet.

ShlieÿlihsinddieShallstreken aufdreilinearunabhängigeRihtungenzu

erweitern,sodass alleKomponenten des Windvektors erfasst werden.

EineausführlihereBeshreibungdes

3d

-Ultrashallanemometers(USA-1)ist imManual der FirmaMETEK oder beispielsweise in[Fal04℄ zu nden.

2.1.4.2 Der Open-Path Infrarotgasanalysator (IRGA 7500, LI-

COR)

Das elektromagnetishe Spektrum enthält im infraroten Bereih starke Ab-

sorptionsbanden vonWasserdampf und Kohlendioxid. Daher bietet das Ab-

sorptionsvermögen der in der Luft enthaltenden Moleküle eine sihere und

spezishe Möglihkeit, deren Konzentration zu messen. Das Gerät selber

zeihnet sih durh eine oene Messstreke (open path) und der für EK-

Messungen erforderlihen nominellenAntwortzeit von

≤ 0.1 s

^aus.

Zum Funktionsprinzip: Nah dem Skalierungsgesetz von Jaimeson (et al.

1963) [Li03℄ hängt das Verhältnis von Absorptionsvermögen und Partial-

druk ineinem bestimmtem Frequenzbereih wie

α i

P ei

= h i

a i

P ei

(2.13)

ab.DemnahlässtsihdasAbsorptionsvermögen

α i

^einesGases

i

^beshreiben

durh

a i

^{,derMengedesalsAbsorberwirkendenGasesund}

h i

^{,einerFunktion}

von

a i /P ei

^.

P ei

^{ist der} Partialdruk des

i

^{.ten Gases. Nah Einführung der}

Teilhenzahldihte

ρ _i

^{und der} Messstrekenweglänge

λ

^{folgt mit}

a _i = λρ _i ρ i = P ei f i

α i

P ei

,

^(2.14)

mit

f i

^{, der} eigentlihen Kalibrierfunktion.Anshlieÿend wird eine Reihe be- kannter Teilhenzahldihten

ρ i

durhgemessen.

f i

^{ergibt sih dann als Kali-}

brierungskurve durh dieMesspunkte

ρ i /P ei

^gegen

α i /P ei

^.

Andererseits gilt:

α i = 1 − τ i = 1 − A i

A _i0 ,

^(2.15)

wobei

τ i

^denTransmissionsgradund

A i

^,dietransmittierteStrahlungsleistung durh den Absorptionsbereih des Gases

i

^beshreibt.

A 0

^{gibt dietransmit-}

tierte Strahlungsleistung einer Referenzwellenlänge an, die das Gas

i

^niht

absorbiert. Dazuwerden

A i

^und

A i0

^{152 malin der Sekunde gemessen.}

NahEinsetzenvonGleihg. 2.15inGleihg.2.14 ergibtsihdievollständige

Gleihung zur Berehnung der Teilhenzahldihte aus der Absorption:

ρ i = P ei f i

1 − A i

A i0

z i

S i

P ei

(2.16)

ZweiTerme

z i

^und

S i

^{,ZeroundSpan sindzur}nahträglihenKalibrierung hinzugekommen. Obwohl der Detektor und die Filter im LI-7500 tempera-

turgeregeltsind,istderDetektor nihtvollkommenunempndlihgegenüber

Veränderungen der Umgebungstemperatur (a.

0.1

^-

0.2ppm

^{pro Grad}

^◦ C

^bei

CO 2

^und

0.01mmol/mol

^{pro Grad}

^◦ C

^bei

H 2 O

^{).Etwaige Fehler sind direkt}

mit der sog. ooler ontrol Spannung verbunden, die mitgemessen wird.

Es wird daher empfohlen, nah

4

^-

5

^{Monaten betrieb über die Beziehung}

z i = Z i0 + Z i V d

^eine Software-Feineinstellung vorzunehmen.

V d

^{ist die De-}

tektor ooler Spannung und

Z i

^respektive

Z i0

^{werden bei der} Kalibrierung ermittelt.

InderPraxiswerdenzunähstdieZeroWertefür

CO 2 (z C )

^und

H 2 O (z W )

^er-

mittelt,indemein kontinuierliher Stromtrokener

(α W = 0)

^und

CO 2

^-freie

Luft

(α C = 0)

^{durh die optishe Messstreke geführt wird. Danah werden}

Tabelle 2.1: Tabelle der durhgeführten Kalibrierungen der beiden IRGA's

(LICOR-7500),Ref.:[Li03℄.DasstationäreGerätistalsNr.1unddasmobile

alsNr. 2 bezeihnet. (Nähere Erläuterungen: siehe Text.)

Datum Gerät

z C S C z W S W

29.Sep/2004 1 0.8846 1.0027 0.7049 0.8594

30.Sep/2004 1 0.8948 1.0509 0.6943 0.9151

01.Okt/2004 2 0.9765 0.9756 0.6483 0.8994

02.Okt/2004 2 0.9792 1.2472 0.6501 1.2250

dieSpan Wertefür

CO 2 (S C )

^respektive

H 2 O (S W )

festgelegt.Dazuwirdfür

S C

^{Gasmitbekannter T}eilhenzahldihte

ρ C

^oderMishungsverhältnis(z.B.

500

^-

1000ppm

^{)verwendet. Um}

S W

^{zu bestimmen, kann einT}aupunktgenera- tor verwendet werden. Dabei ist zur Vermeidung von Kondensation darauf

zu ahten, den Taupunkt einige Grad unterhalb der Umgebungstemperatur

zu wählen.

2.1.4.2.1 Querempndlihkeit Die IR-Absorptionsbanden von Koh-

lendioxid und Wasserdampf überlappen sihleiht. Zur Berehnung der tat-

sählihen Kohlendioxid- respektive Wasserdampfabsorption muss der Aus-

druk für den Transmissionsgrad (Gleihg. 2.15) leiht modiziert werden

(vergl. [Li03℄), um Querempndlihkeiten zu berüksihtigen. So gilt für

den Absorptionsgraddes Gases

i α _i = 1 −

A _i A i0

+ X _ji

1 − A _j A j0

,

wobei

X ji

^{, die} Querempndlihkeit von Gas

j

^{auf Gas}

i

^{bezeihnet (beider}

Kalibrierungfestgelegt).

2.1.5 Korrekturen

2.1.5.1 Webb, Pearman und Leuning (WPL) Term

1980 wurde von Webb, Pearman und Leuning ein in der Literatur oft als

WPL Korrektur bezeihneter mathematisher Ausdruk zur Berehnung

turbulenterSkalarüsse abgeleitet.Da essihnihtwirklihum eineKorrek-

tur handelt, wird heutzutage nur noh vomWPL-Term gesprohen.

Um diesen Term näher zu erläutern, sheint es sinnvoll, zunähst die tur-

bulente Massenussdihte herzuleiten. Ein Massenuss durh eine gedahte

horizontale Ebene lässt sihbeshreiben durh eine Funktion der Geshwin-

digkeit, der Dihte und des relativen Anteils des betrahteten Skalars eines

Luftpaketes.Mit

ρ a

^{,derDihtetrokenerLuft,}

ρ c

^{derDihtedesSkalarsund}

s

^dem Mishungsverhältnis

(ρ c /ρ a )

^{ergibtsih nah Mittlung:}

F _c = ¯ ρ _a ws.

^(2.17)

Anshlieÿende Anwendung der Zerlegung nah Reynolds (siehe Abshn.

2.1.2) führt zu aht Termen. Drei Terme sind sofort identish Null. Und

da der Fluss trokener Luft

wρ a = w ^′ ρ ^′ _a + ¯ w ρ ¯ a

^{per Denition Null ist und}

inder Folge Terme dritter und vierter Ordnung vernahlässigbar kleinsind,

verbleibt:

F c = ¯ ρ a w ^′ s ^′ .

^(2.18)

Nun werden Messungen nah der EK-Methode in den allermeisten Fällen

mithilfeeinesUltrashallanemometersundeinesInfrarot-Gasanalysators(IR-

GA) durhgeführt. IRGA's, wie z.B. der verwendete, messen jedoh niht

parts per million

(ppm)

^{, sondern via} Infrarot-Spektroskopie die Transmis- sion von Liht durh ein Probenvolumen (vergl. Abshn. 2.1.4.2), d.h. die

molareDihte

(ρ, ρ ^′

ⁱⁿ

mol/m ³ )

^:

F c = wρ c = w ^′ ρ ^′ _c + ¯ w ρ ¯ c .

^(2.19)

DassdieGleihungen 2.18und 2.19 übereinstimmen,lässt sihleihtmithil-

fe der Regeln einfaher Dierentialoperatoren zeigen 9

. Somit zeigt sih: Der

Fluss aus

ρ ¯ a w ^′ s ^′

^{entspriht der Summe aus der Kovarianz}

w ^′ ρ ^′ _c

^{und einem}

gemitteltenDriftterm

w ¯ ρ ¯ _c

^{. Inder Regel} (horizontalhomogenes Gelände) ist die mittlere vertikale Geshwindigkeit

w ¯

^{sehr klein, z.T. unter dem Auö-}

sungsvermögen desUltrashallanemometers.Die skalare molareDihtekann

jedoh sehr hohe Werte annehmen (z.B.

580 mg m

^{-3 für}

CO ₂

^{), sodass das}

Produkt zu signikanter Flussdihte führen kann.

UmGleihung 2.19 weiter auszuführen, ist zu berüksihtigen, dass die Luft

unter Feldbedingungen feuht

(ρ _ν )

^{ist. Aus dem Gesetz der} Partialdrüke und dem Gasgesetz ergibt sih

ρ a

m _a + ρ ν

m _ν = p

RT ,

^(2.20)

9

Aus

δs(ρ c , ρ a ) = _∂ρ ^∂s _c δρ c + _∂ρ ^∂s _a δρ a

^{ergibt sih ein Ausdrukfür kleine}Fluktuationen

s ^′

^{,dereingesetztin}

w ^′ s ^′

^mit

w ^′ ρ ^′ _a = − w ¯ ρ ¯ a

unmittelbaraufGleihg.2.19führt.

und nahEntwiklung:

ρ ^′ _a m _a + ρ ^′ _ν

m _ν = − p R T ¯

T ^′

T ¯ + ....

^(2.21)

Auösen nah den Dihteuktuationen trokener Luftergibt

ρ ^′ _a = − m a

m ν

ρ ^′ _ν + ¯ ρ a

1 + ρ ¯ ν m a

¯ ρ a m ν

T ^′

T ¯ ,

^(2.22)

womit sih ein neuer Ausdruk für die vertikale Geshwindigkeit

w ¯ = − w ^′ ρ ^′ _a / ρ ¯ a

^{angeben lässt:}

¯

w = − m a

m _ν w ^′ ρ ^′ _ν

¯ ρ _a +

1 + ρ ¯ ν m a

¯ ρ _a m _ν

w ^′ T ^′

T ¯ .

^(2.23)

Indem Gleihung 2.23 shlieÿlih in Flussgleihung 2.19 eingesetzt wird, er-

gibt sih der WPL-Term für den Open-path-Sensor:

F c = w ^′ ρ ^′ _c − m _a m ν

¯ ρ _c

¯ ρ a

w ^′ ρ ^′ _ν +

1 + ρ ¯ _ν m _a

¯ ρ a m ν

ρ ¯ _c

T ¯ w ^′ T ^′ .

^(2.24)

Einshränkend ist zum Shluss zu bemerken, dass etwaige Dihteuktuatio-

nen niht berüksihtigt wurden. Nah [ML02℄ sind auf Drukuktuationen

zurükzuführende Korrekturen vor allem dann signikant, wenn in sehr ho-

hen Lagenverbunden mitgroÿenWindgeshwindigkeiten gemessenwird. Da

indenTropen inderRegelshwahe Windevorherrshen, ersheint derAus-

druk Gleihg. 2.24 vertretbar.

2.1.5.2 Sensibler Wärmestrom nah Shontanus

Zur Bestimmung des sensiblen Wärmestroms wird die sogenannte virtuelle

Temperatur

T V = T (1 + 0.61q)

^{verwendet. Die virtuelle Temperatur trägt}

der dihteverändernden Eigenshaft des Wasserdampfs Rehnung. Sie ent-

spriht derjenigen höheren Temperatur, die hypothetish trokene Luft ha-

ben müsste, um die gleihe Dihte zu besitzen, wie feuhte Luft bei einer

niedrigeren Realtemperaturund gleihem Druk.

EinUltrashallanemometermisstdieder virtuellenTemperaturgut entspre-

henden akustishe Temperatur

T S

^{. Nah [SB83℄ sind die}Shalltemperatur- uktuationen derart zu korrigieren, dass der Einuss der Luftfeuhte be-

rüksihtigt wird. Auÿerdem würdedie Shallgeshwindigkeit durh laterale

Impulsüsse gestört.Für den korrigiertensensiblen Wärmestromergibt sih

w ^′ T _a ^′ = w ^′ T _S ^′ − 0.51w ^′ q _a ^′ T ¯ a + 3T a

2c ² _p (¯ uw ^′ u ^′ _c + ¯ vw ^′ v ^′ _c ),

^(2.25)

wobei

c p ,

^{die spezishe Wärme bei konstantem Druk ist. Mit dem zweiten}

Term auf der rehten Seite wird die Feuhte, mit dem dritten der laterale

Impulsuss berüksihtigt.

Dabei stellt Formel 2.25 niht die von Shontanus ursprünglih abgeleite-

ten Ausdruk für den sensiblen Wärmestrom dar. Sie wurde von Liu et al.

[LPF01℄ leiht modiziert,da sih die Methode zur Berehnung der Shall-

temperatur bei den modernen Ultrashallanemometerngeändert hat.

Bei labiler Shihtung kann die Feuhtekorrektur und bei nahezu neutra-

ler Shihtung die Querwindkorrektur einen bis zu

20

prozentigen Einuss aufden sensiblenWärmestrom haben.Sonst tragendieeinzelnenTermemit

Korrekturen vonbis zu

5

^{% oder wenigerbei(nah Longdoz, pers. Gespräh}

[BEF

+

06℄).

2.1.6 Das Planar-Fit Verfahren

Im Fall eines idealen Standorts, der sih durh ebenes Gelände und hori-

zontal homogen verteilte Vegetation kennzeihnen lässt, ist aufgrund einfa-

her Kontinuitätsannahmen a priori von dem Vershwinden der mittleren

Vertikalkomponente der Geshwindigkeit auszugehen. Demzufolge denier-

tenTanner&Thurtell [TT69 ℄einrehtwinkligesKoordinatensystem, dessen

x

^{-Ahse parallelzurmittleren}Hauptströmungsrihtungverläuft.Die

z

^-Ahse

istentsprehend senkreht zur

x

^{-Ahse angeordnet undweist vonder Unter-}

lagewegnahoben.Weiterhinwirdangenommen,dasskeineKorrelationzwi-

shen den lateralen respektive den vertikalen Geshwindigkeitsuktuationen

existiert

v ^′ w ^′ = 0

. Eine ausführlihere Beshreibung ist im Originalreport

und in[MM88℄ zu nden.

MitderAusweitungmikrometeorologisherMessungenaufkomplexereStand-

orte und Messkampagnen, die ein Jahr und weit länger andauern, wurden

einige Nahteile der o.g. Methode oenbar. So hat es sih z.B. als proble-

matish herausgestellt, für jede Mittlungsperiode denitionsgemäÿ

w ¯ = 0

zu setzen. Dadurh besteht die Gefahr, das Bezugssystem zu überdrehen

(over-rotation). Eine typishe mittlere Windgeshwindigkeit von

2 m/s

^und

ein Instrumenten-Oset der Vertikalkomponente der Geshwindigkeit von

5 cm/s

^führen beispielsweise zu einer Überdrehung von

1.5 ^◦

^{. In der Folge}

kann es zu einem systematishen Übershätzen der zeitintegrierten Flüsse

kommen 10

[LL04℄.

WeitereUrsahenfüreinfehlerhaftausgerihtetesKoordinatensystemhängen

mitderBeeinussungderStrömungdurhdietragendenTeiledesAnemome-

ters,durhdieTurmaufbautenund denInstrumententurmselberzusammen.

Durh sie wird die Strömung windrihtungsabhängig beeinusst. Zuletzt sei

−6 −4 −2 0 2 4

−1.0 −0.5 0.0 0.5 1.0

−6

−4

−2 0

2 4

6

u (m/s)

v (m/s)

w (m/s)

Abbildung 2.8: Bestimmung des Koordinatensystems nah dem Planar-Fit

Verfahren (Illustration).

u

^,

v

^und

w

^{bezeihnen die mittleren Windkompo-}

nenten, durh welhe dieReferenzebene festgelegt wurde, Ref.: [WOS01℄.

der Verlust von Information erwähnt. In Kapitel 2.1.2.1 wurde ausführlih

auf die komplexen meteorologishen Bedingungen hingewiesen, welhe mit

ausgeprägt unebenem Reliefund konvektiven Prozessen verbunden sind. Ei-

nevershwindendeVertikalkomponentederGeshwindigkeitistinsofernniht

zuerwarten.AuhdieAnnahme

v ^′ w ^′ = 0

istunterdiesenUmständenniht

haltbar[Fin04℄.

MithilfeneuererMethodenzurFestlegungdesBezugssystems[Lee98,WOS01,

PBM00℄ wird versuht, die Nahteile des sog. natürlihen Koordinatensy-

stems zu überwinden. Weitesgehend durhgesetzt hat sih heute die soge-

nannteplanar t Methode [WOS01℄.Dieses Verfahrenbasiertauf derIdee,

dass ein allein vom Geländerelief abhängiges mittleres Windfeld existiert,

durh welhes sih ein Koordinatensystem sinnvoll denieren lässt. Die ein-

zelnen Shritte zur Bestimmung des neuen Koordinatensystems sind diefol-

genden:

10

AnhanddesBeispielswirdauhklar,dassdasProblemvorallembeiniedrigenWind-

geshwindigkeitenzum Tragenkommt.

•

^{Bestimmung der} Messperiode, in der sih die Anemometerposition re- lativzum Gelände nihtgeändert hat.

•

DurhführungeinerlinearenRegression

w ¯ m = b 0 + b 1 u ¯ m + b 2 v ¯ m

^,umdie

mittlereStrömungsebenezudenieren(sieheAbb.2.8),wobei

b ₀

^,

b ₁

^und

b 2

^die Regressionskoezienten und

u m

^,

v m

^und

w m

^{die mittleren Ge-}

shwindigkeitskomponenten im Instrumenten-Koordinatensystem dar-

stellen.

•

^{Festlegungder} Rotationswinkel

α

^,

β

^und

γ

^durhdieRegressionskoe- zienten

b 1

^und

b 2

^{,wie esin [WOS01℄ beshrieben wird.}

•

^{Projektion der} Geshwindigkeitskomponenten und der Kovarianzen in das neue Koordinatensystem.

Mit der Planar-Fit-Methode wird zum einen der o.g. Instrumenten-Oset

eleminiert. Indem die Daten aller respektive gröÿerer Sektoren von Wind-

rihtungen verwendet werden, kann das Bezugssystem zum anderen stati-

stishsiherer ermitteltwerden.Zubeahten ist,dass fürdieFestlegung der

Referenzebene nurMessperioden annähernd neutralerShihtung verwendet

werden sollten [Fin99℄;allein unter diesen Bedingungen sollte die Strömung

dem Geländerelief folgen.

2.1.7 Beurteilung der Datenqualität

2.1.7.1 Der Stationaritätstest

Der Stationaritätstest ist von grundlegender Bedeutung. Er stellt eines der

wihtigsten Kriterien zur qualitativen Beurteilung von Messungen nah der

EK-Methode dar.

Stationarität bedeutet, dass die statistishen Eigenshaften einer Zeitreihe

zeitlih konstant sind. Instationaritäten der Flüsse entstehen vor allem im

Zuge sih ändernder Wetterbedingungen oder eines Quellgebietswehsels in-

nerhalb eines Messintervalls. Auÿerdem sind Situationen, in denen der ver-

tikalen Stoaustaush durh stabile atmosphärishe Shihtung unterdrükt

wird,häugUrsahe fürInstationaritätender turbulenten Flüsse.Zur Über-

prüfung wird die Kovarianz der ursprünglihens Zeitreihe, mit dem Mittel

der Kovarianzen kürzerer Unterabshnitte verglihen [FW96℄. Im Rahmen

dieser Arbeitwurden Unterabshnitte von

5

^{Minuten Länge verwendet.}

NahFoken &Wihura [FW96℄ist Stationaritätgegeben, wenn sih dieKo-

varianzen um weniger als

± 30

^% untersheiden. Dabei istzu kritisieren,dass diezu vergleihenden Beträgealsgleihgroÿangenommenwerden.Dennbei

der Verwendung kürzerer Zeitreihenabshnitte gehen zwangsläug energie-

reihe Perioden des Leistungsspektrums verloren[Ibr01℄. Im Rahmen dieser

ArbeitwerdenKohlendioxidussbeiträgealsstationärgewertet,wennfürdas

Verhältnis

t stat =

µ 5min − µ 30min

µ 30min

,

^(2.26)

mit

µ 30min ,

^{der Kovarianz der} ursprünglihen Zeitreihe und

µ 5min

^{, der Ko-}

varianz aus dem Mittel der sehs Unterabshnitte,

t stat < 0.3

^{gilt. Steigt}

das Verhältnis über

0.5

^{werden die} entsprehenden Werte ausgeshlossen [IRK

+

, FW96℄.

2.1.7.2 Integrale Turbulenzharakteristik

IntegraleTurbulenzharakteristiken stellen einKriteriumdar,um festzustel-

len,obdasturbulenteWindfeldvollentwikeltist.IstdiesnihtderFall,z.B.

weilHindernisse (Turmaufbautenet.) oder dieInhomogenitätdes Geländes

zusätzlih Turbulenz erzeugt, kommt es zu Abweihungen zwishen den ge-

messenen und den modellierten Turbulenzharakteristiken [Fok03℄. Für den

Vertikalwind gibt es kaum Abweihungen zwishen den vershiedenen Pa-

rametrisierungen.Das Modellzur Beshreibung der Turbulenzharakteristik

für den Vertikalwind lässt sih wie folgtangeben [PD88℄:

σ w

u ^∗ = 1.3

1 − 2 (z − d) L

1/3

.

^(2.27)

Dabei bezeihnet

z

^{die Messhöhe,}

d

^{die Versatzhöhe durh die Vegetation}

und

L

^die Obukhovlänge. Die mit

u ^∗

^normierte Standardabweihung des vertikalenWindeswirdalsintegraleTurbulenzharakteristikbezeihnet,weil

sieintegralüber alleFrequenzen den Turbulenzzustandharakterisiert.

2.1.8 Prozedur der Datennahbearbeitung

DieDatenerfassungerfolgtemiteinerinstitutseigenenSoftwarederProgram-

miersprahe C. Alle halbe Stunde wurden neben den Rohdaten (Auösung:

10Hz

^{)diezugehörige}Standardstatistik(Momente1.und2.Ordnung)aufge- nommen, konvertiertund zurReduzierung desSpeiherplatzbedarfs inForm

vonBinärdateien abgespeihert.

Die Nahbearbeitung wurde wie folgt mit der Post-Proessing - Software

RCPM [Mor00, Ibr01℄ durhgeführt:

•

^{Entfernung der Ausreiÿer}(Despiking)mitmodizierter Software von Hojstrup [Hoj93℄.

•

^{Anwendung einer} Windkanalkorrektur [Ble01℄ für das Ultrashallane- mometer USA-1vonMETEK.

•

Kovarianzmaximierung zur Synhronisierung der Zeitreihen

•

WPL-Korrektur[WP80℄.

•

Querwindkorrektur der Shalltemperaturmessungfür das USA-1(ME- TEK) [LPF01℄.

•

^{Berehnung der 30-Minuten Statistik} einshlieÿlihKovarianzen.

•

^{Test auf} Stationarität[FW96℄.

•

^{Korrektur der} Sensorkopftrennung nahKristensen et al.[KMOW97℄.

DieRCPM SoftwarewirdstetigdemwissenshaftlihenKenntnisstand ange-

passtundwurdemehrfaherfolgreihimRahmendes EUROFLUX Projekts

mitanderen Nahbearbeitungssoftwares verglihen [ACE

+

03℄.

Neuhinzugekommen ist das Planar-Fit Verfahren. Dieses- sowie einige Ak-

tualisierungen-wurdespeziellzurAnfertigungdieserArbeitgeshriebenund

getestet. Die Integration in die RCPM Software wurde unterlassen, da das

Verfahren in der Regel für denierte Windrihtungsbereihe durhzuführen

ist.Neben dem Planar-Fit Verfahren [WOS01℄ wurde zudem das konventio-

nelle Rotationsverfahren [MM88 ℄ zur Festlegung des Koordinatensystems

durhgeführt, um etwaige Untershiede zu [IRK

+

℄ - der vorangegangenen

Veröentlihung - herauszuarbeiten.

Die berehneten Flüsse ergeben sih aus dem Produkt von Vertikaluktua-

tion und molarer Dihte der betrahteten Spurengase

CO 2

^,

H 2 O

^respektive

dervirtuellen 11

Temperatur.ZusätzlihsindjedohTemperatur-,Druk-und

Feuhteeekte zu berüksihtigen (Abshn. 2.1.5.1) sowie zur Berehnung

des sensiblen Wärmestroms, die sogenannte Shotanus-Korrektur (Abshn.

2.1.5.2).

2.2 Verfahren zur Datenlükenshlieÿung

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, ist die Kohlenstobilanzierung des

untersuhten tropishenHohregenwaldes inIndonesien geradevordemHin-

11

TatsählihwirddieakustisheTemperaturgemessen(sieheAbshn.2.1.5.2).