more i: experimentelle erfassung von co 2 -advektionsprozessen im tharandter wald c. feigenwinter 1,...
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MORE I: Experimentelle Erfassung von CO2-Advektionsprozessen im Tharandter Wald
C. Feigenwinter1, C. Bernhofer2, R. Vogt1
1 Universität Basel, Institut für Meteorologie,Klimatologie und Fernerkundung2 TU-Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie, Meteorologie
MCR LabMeteorology – Climatology – Remote Sensing
University of Basel
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
Stoffaufbau:In Blättern und Pflanzenteilen mit BlattgrünAssimilation, 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
NEE für ein Waldökosystem(NEE = Net Ecosystem Exchange)
Tag Nacht
Vegetationsperiode(März bis Oktober) Ruhephase(November bis Februar)
Kohlenstoffkreislauf im (Wald-)ÖkosystemFragestellung: CO2 -Kreislauf
EUROFLUX Siteaus:Aubinet et al., 2002Global change biol.
Latitude Growing season length (days)
Annual Carbon sequestration [g C m-2 y-1](1996-2001)
Hyytialla(conifer)
61°51‘ 189-235 > 400
Norunda(conifer)
60°05‘ 150 -200
Tharandt(conifer)
50°58‘ 220-230 550-670
Vielsalm(conifer)
50°18‘ 240 600-790
Bordeaux(conifer)
44°42‘ 270 550
Soroe(beech)
55°29‘ 147 140-220
Vielsalm(beech)
50°18‘ 210 390-580
Hesse(beech)
44°05‘ 157 80-300
Collelongo(beech)
41°52 135 440-660
NEEdzztSrz
0
),( rz
dzt
zc
0
)( )('' rzcw
rz
dzz
zczw
0
)()(
rz
dzy
zczv
x
zczu
0
)()(
)()(
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))
x
y
z
Fragestellung: CO2 im Wald
Übersicht Ankerstation Tharandter Wald
Höhenmodell
Hangneigung
Landnutzung
Exposition
50°58‘ N, 13°34‘ E
375 m a.s.l.
Annual mean temp. 7.7°
Annual mean precip. 819 mm
Experimental setup: Übersicht
P1
P2
P3
P2
P3
MORE I : Sep/Oct 2001
MORE II: Mai/Oct 2003
Experimental setupSituationsplan
N
0 m 50 m50 m
ASTW
Experimental setup: Situation
Gas-Multiplexerand IRGA
(LiCor 6262)
26.0 m
8.0 m
2.0 m
1.0 m
0.5 m0.3 m0.1 m
2.5 m
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
26.0 m
8.0 m
2.0 m
1.0 m
0.5 m0.3 m0.1 m
Gas-Multiplexerand IRGA
(LiCor 6262)
2.5 m
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
Gas-Multiplexerand IRGA
(LiCor 6262) q,co2
q,co2
CampbellCR23X
Data Logger
u',v',w','
u',v',w','
PIP LabviewEC data acquisition
system
u',v',w',',co2
u',v',w','
u',v',w','
u',v',w','
2 x Gill R2
Gill HSLiCor 7500
Gill R2
2 x CSat 3
Experimental setup MORE I
26.0 m
8.0 m
2.0 m
1.0 m
0.3 m
37.0 m
40.0 m
33.0 m
Gas-Multiplexerand IRGA
(LiCor 6262)
0.5 m
2.5 m
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
q,co2
u',v',w','42.0 m
Rs ,Rn,,u,rh
Rl ,,u,rh,,RR
Rs ,Rn,,rhRR
,rh,u
,rh,u
CampbellCR 21X
Data Logger
EdiSol PCEC data
acquisitionsystem
IRGA (LiCor 6262)
q',co2'
u',v',w','
u',v',w','
3x METEK
Theorie und MethodikNicht turbulente Advektionsterme
rz
dzz
zczw
0
)()(
rz
dzy
zczv
x
zczu
0
)()(
)()(
)(zc
)(zcVertikalprofile 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
Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO2-Profile
Vergleich der CO2 -Messungen für 3 Kalibrierperioden (MORE I)
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
12 h 24 h
P1 – P4 2 m level
P1 – P4 26 m level
Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO2-Profile
)(zc
)(zcKonstruktion der Vertikalprofile der CO2-Konzentration
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.
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
)(ln)ln()( 2110 zazaazc
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.
TagsituationNachtsituation
Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO2-Profile
)()(
)(0
ccwdzz
zczw rr
r
zz
z
mit
rz
r
dzzcz
c0
)(1
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)
)sin(tan 210
22aaavuww
rrrr zzmeasuredzz
rzw
Theorie und MethodikNicht turbulente Advektionsterme
rz
dzz
zczw
0
)()(
rz
dzy
zczv
x
zczu
0
)()(
)()(
)(zw Vertikalprofil der mittleren vertikalen Wind-Komponente
undr
z
z
w
z
zw r
)( (Lee, 1998)
Mittlere CO2 Konzentrationim Volumen unterhalb zr
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
)sin(tan 210
22aaavuww
rrrr zzmeasuredzz
Nicht turbulente Advektionsterme: vertikale Windkomponente
Die CO2 Konzentrationen c1,2,3 (als z-Koordinate) an den Eckpunkten P1,2,3 spannen zusammen mit den räumlichen Koordinaten (als x(north),y(east)-Koordinaten) eine Ebene auf, welche mit der folgenden Gleichung beschrieben werden kann:
Theorie und MethodikNicht turbulente Advektionsterme
rz
dzz
zczw
0
)()(
rz
dzy
zczv
x
zczu
0
)()(
)()(
Horizontaler CO2-Gradient
Nicht turbulente Advektionsterme: horizontaler CO2-Gradient
y
zc
x
zc
)(
,)(
C
zB
y
zc
C
zA
x
zc
zDCzyzBxzAzczczcz
PPPy
PPPx
yyy
xxx
)()(
)()(
0)()()(0
1111
)()()(
321
321
321
mit der Einheit [ppm m-1] oder [mol m-4]
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.
Theorie und MethodikNicht turbulente Advektionsterme
rz
dzz
zczw
0
)()(
rz
dzy
zczv
x
zczu
0
)()(
)()(
vertikales Windprofil
Nicht turbulente Advektionsterme: vertikales Windprofil
)(),( zvzu
Über dem Bestand (zd + z0) < z < 42 m
0
* ln)(z
zz
k
uzU d
zd = 0.7 hmit z0 = 0.08 h
u*= 0.2 U(42m)
Im Bestand 0 < z < (zd + z0) )(ln)( 10 zfzaazU
Modifiziert mit Bremsfunktion(nach Joss, 1996; Cowan, 1968)
2
22
10 exp1)( kz
zkkzf
r
k0: max. Bremswirkungmit k1: 1/Kronenlänge (normiert)
k2: Höhe der max. Bremswirkung (normiert)
2
22
10 exp1)( kz
zkkzf
r
Nicht turbulente Advektionsterme: vertikales Windprofil
0
* ln)(z
zz
k
uzU d
)(ln)( 10 zfzaazU
k0: 0.85 (max. Bremswirkung) 85 %k1: 5 1/Kronenlänge 8 mk2: 0.5 Höhe der max. Bremswirkung 21 m
zd = 0.7 hz0 = 0.08 hu*= 0.2 U(42m)
Theorie und MethodikNicht turbulente Advektionsterme
rz
dzz
zczw
0
)()(
rz
dzy
zczv
x
zczu
0
)()(
)()(
Nicht turbulente Advektionsterme: Zusammenfassung
ccwdzz
zczw rr
r
zz
z
0
)()(
rz
dzy
zczv
x
zczu
0
)()(
)()(
Vertikale Advektion
Horizontale Advektion
Resultate:Meteorologische Bedingungen während der MesskampagneMORE I
(20.9. bis 9.10.2001)
DOY 263-282
über dem Bestand
im Stammraum(2.0 m)
im Stammraum(0.5 m)
Resultate: meteorolog. Bedingungen
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
[µmol s-1 m-2]
Tag Nacht
0 5
ccw rr zz
ccwdzz
zczw rr
r
zz
z
0
)()(
Resultate:horizontale Advektion
Horizontale Advektion:
rz
dzy
zczv
x
zczu
0
)()(
)()(
Mittlere Windverhältnisse während MORE I (DOY 263-282)Mittlere horizontale CO2-Gradienten während MORE I (DOY 263-282)
Resultate:horizontale Advektion
Horizontale Advektion:
Mittlere horizontale Advektion während MORE I DOY 263-282
Resultate:horizontale Advektion
rz
dzy
zczv
x
zczu
0
)()(
)()(
Total
Tagcanopy
trunk space
* = * = 0
* = * =
Nachtcanopy
trunk space
* = 0
* = * = * =
x
zczu
)(
)(y
zczv
)(
)(
Horizontale Advektion:
Mittlerer Tagesgang
Resultate:horizontale AdvektionTotal
Tagcanopy
trunk space
* = * = 0
* = * =
Nachtcanopy
trunk space
* = 0
* = * = * =
x
zczu
)(
)(y
zczv
)(
)(
Resultate:CO2-Flüsse
CO2-Flüsse im Überblick
Mittlerer Tagesgang (DOY 263-283)
[g C m2 d-1]00:00-08:00
08:00-16:00
16:00-24:00
Total day
Horizontale Advektion
-1.78 0.80 -1.25 -2.23
Vertikale Advektion
1.52 -0.20 1.19 2.51
Speicher-änderung
-0.08 -0.19 0.27 0.00
EC-Fluss 0.73 -3.00 0.43 -1.84
Total 0.39 -2.59 0.64 -1.56
----- EC + storage change
+ Advektionsterme
Differenz: 0.18 g C m2 d-1 (20 %)
SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen und Ausblick
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.
AusblickSchlussfolgerungen und 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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