Investigation of horizontal meteorological structures in comparison to turbulent structures at a forest edge

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Hübner, Jörg:
Investigation of horizontal meteorological structures in comparison to turbulent structures at a forest edge.
Bayreuth , 2014 . - XIII, 171 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Forest ecosystems play a key role in the Earth's carbon cycle, as their uptake of carbon dioxide is largest in the terrestrial biospheres (CO2 sink). Despite a vast number of ecological studies about forest ecosystem, there are still outstanding issues about prevailing meteorological conditions, turbulent and coherent structures and exchange processes of heterogeneous forest ecosystems. Therefore, this thesis is related to the joint research project EGER IOP3 (ExchanGE processes in mountainous Regions – Intensive Observation Period 3), aimed at the investigation of diurnal cycles of energy, matter and (non-)reactive trace compounds in the soil-vegetation-boundary-layer-system at a forest edge within a heterogeneous forest ecosystem in a very complex terrain in mid Europe. Well established measurement techniques were used, such as the eddy-covariance method for determination of turbulent/coherent fluxes and for detection of different vertical and horizontal coupling regimes. SODAR/RASS systems were used to investigate boundary layer phenomena. Additionally, a novel, fully automatic Horizontal Mobile Measuring System (HMMS) was successfully developed, applied and assessed within this thesis. The HMMS was installed on a 150 m long transect perpendicular to the forest edge, to obtain higher information density about horizontal gradients of eight quantities (short/long-wave down/upwelling radiation, temperature, humidity, CO2 and O3 concentration). The experimental design, with 3D installation of the towers/masts, HMMS and profiling systems was ideal for the investigation of the research issues mentioned above. By combination of all measurement techniques, significant differences could be observed along the transect forest – forest edge – clearing (three locations), with strong distinctions in the vicinity of the forest edge. The highest gradients in the HMMS measurements occurred near the forest edge. Furthermore, it could be observed that the turbulence influenced quantities in the HMMS measurements (temperature, humidity and trace gases) were mainly affected by the prevailing vertical structures at the forest edge, while the influence decreased the further away from the forest edge. These findings coincide with the findings for coherent structures, where only at the forest edge a significant daily variation could be observed for ejections and sweeps, with strong ejection motions during daytime (updraft) and strong sweep motions during nighttime (downdraft). The thermal updraft during daytime could be attributed to the highest temperatures occurring near the forest edge (1.5 K warmer than at the clearing and within the forest) and the advective transport of energy towards the forest edge. The reverse was also apparent, where energy was transported off the forest edge towards the clearing. Nevertheless, highest energy and CO2 fluxes, as well as highest variation could be observed at the forest edge. This leads to a better energy balance closure at the forest edge (Residual Res = 17 %), compared to both other locations (Res = 25 – 30 %). These findings indicate the facilitation of quasi-stationary secondary circulations above the observation site, which could be confirmed to some extent by further experimental observations. During times of horizontal energy exchange, there was a horizontal coupled regime and an inflow of O3-depleted (decrease in concentration of approximately 20 ppb), and slightly colder air along the transect perpendicular to the forest edge, originating from the atmosphere above the site. Additionally, the ACASA model showed discrepancies between modelled and measured fluxes which could be attributed to horizontal advective flow and secondary circulations. The investigation of boundary layer phenomena, such as low-level jets (LLJ) and strong winds showed considerable different impacts on exchange processes above the heterogeneous forest ecosystem. During LLJ there was a coupled regime (C/Cs), with good mixing and enhanced CO2 fluxes, while during strong wind situations wave motions (Wa; uncoupled regimes) occurred with no mixing and reduced CO2 fluxes. True, effects could be observed at every location, due to changes in vertical coupling regimes and coherent transport. However, coherent transport was found to be largest above the forest and decreasing towards the clearing, and thus the CO2 fluxes were also most affected above the forest and less affected towards the clearing. During LLJ events the CO2 fluxes were enhanced by approximately 100 % above the forest, 70 – 100 % at the forest edge, while above the clearing the fluxes were only marginally enhanced. During uncoupled situations (Wa) the fluxes were reduced by approximately 100 % above the forest and again, the changes were less at the forest edge and marginal above the clearing. The different CO2 fluxes led to significant gradients of CO2 concentration along the transect, resulting even to a drainage of CO2-enriched air out off the forest onto the clearing (during strong wind situation). The continuous horizontal transect measurements of the HMMS in combination with tower measurements provided a new understanding of exchange processes of heterogeneous forest ecosystems. Such an overview of prevailing gradients, inflows, outflows, accumulations, depletions, as well as insights on coherent/turbulent transport, coupling regimes, secondary circulations and boundary layer phenomena over spatial and temporal terms would have not been possible if only static tower measurements were used.

Abstract in weiterer Sprache

Der Wald spielt eine sehr wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde, denn er nimmt global gesehen das meiste Kohlenstoffdioxid der gesamten terrestrischen Biospähre auf (CO2-Senke). Trotz einer Vielzahl bestehender Untersuchungen gibt es ungelöste Fragen über die vorherrschenden horizontalen Gradienten meteorologischer Messgrößen, die turbulenten und kohärenten Strukturen und die Austauschprozesse von heterogenen Wäldern. Diesen offenen Fragen widmete sich das EGER IOP3 Projekt (Austauschprozesse in Gebirgsregionen – Intensive Observationsperiode 3), welches Energie-, Stoff- und (nicht-)reaktive Spurengasflüsse an einer Waldkante innerhalb eines heterogenen Waldes in einem mitteleuropäischen Mittelgebirge untersucht. Für die Untersuchung der turbulenten und kohärenten Flüsse, sowie für die Bestimmung der vertikalen und horizontalen Kopplungszustände wurde die sehr gebräuchliche Eddy-Kovarianz-Methode verwendet. SODAR/RASS Systeme wurden verwendet, um Besonderheiten in der Grenzschicht zu erkennen. Neben den üblichen Messmethoden, wurde im Rahmen dieser Dissertation ein neues, vollautomatisches Horizontal Mobiles MessSystem (HMMS) entwickelt, mit anderen Messsystemen verglichen und damit gemessen. Das HMMS war orthogonal zur Waldkante auf einem 150 m langen Transekt aufgebaut, um sehr detaillierte horizontale Profile von Globalstrahlung, Reflexstrahlung, Gegenstrahlung, Ausstrahlung, Temperatur, Luftfeuchte, CO2- und O3-Konzentration (insgesamt acht Messgrößen) zu erhalten. Der experimentelle Aufbau aller Messmasten/-türme, des HMMS und der Profilanlagen wurde optimal für die oben genannten Fragestellungen gewählt. Erhebliche Unterschiede konnten entlang des Profils Wald – Waldkante – Lichtung (drei Messstandorte) beobachtet werden, mit deutlichen Auffälligkeiten in der Nähe der Waldkante. Diese Erkenntnisse waren erst möglich durch die Kombination einer Vielzahl von Messsystemen. So haben die HMMS-Messungen ergeben, dass sich die deutlichsten Gradienten für alle Messgrößen an der Waldkante befinden, und diese sehr stark durch die turbulenten Bedingungen dort beeinflusst werden (gilt nur für Temperatur, Luftfeuchte und Spurengaskonzentrationen). Je weiter entfernt von der Waldkante, desto weniger ist ein Einfluss messbar. Dies kann durch die Untersuchungen der kohärenten Strukturen bestätigt werden, bei denen ausschließlich an der Waldkante ein Tagesgang für die Verteilung von aufwärtsgerichteten (Auftrieb) und abwärtsgerichteten (Böen) Strukturen beobachtet wurde. Am Tag dominiert an der Waldkante der Auftrieb und in der Nacht die Böen. Der Auftrieb tagsüber an der Waldkante kann durch die dort höchsten Temperaturen (1.5 K wärmer als im Wald und auf der Lichtung) und durch den advektiven Transport von Energie von den beiden anderen Standorten in Richtung Waldkante erklärt werden. Es gibt zwar auch den umgekehrten Transport von Energie von der Waldkante in Richtung Lichtung, dieser ist aber geringer, sodass die höchsten Energie- und CO2-Flüsse, sowie die größten Schwankungen in den Flüssen, an der Waldkante gemessen werden konnten. Die erhöhten Energieflüsse führen an der Waldkante zu einer besser geschlossenen Energiebilanz (Residuum Res = 17 %) im Vergleich zu den beiden anderen Standorten (Res = 25 – 30 %). Diese Untersuchungsergebnisse suggerieren eine quasi-stationäre, sekundäre Zirkulation über der Messfläche, welche durch weitere Messungen ansatzweise bestätigt und gezeigt werden konnte. So zeigten die horizontalen Kopplungszustände, zu Zeiten des horizontalen Energieaustausches, ein teilweise oder komplett gekoppeltes System. Zur gleichen Zeit war ein Eintrag von O3-ärmeren (ungefähr 20 ppb geringere Konzentration), leicht kälteren Luftmassen entlang des gesamten HMMS-Transektes messbar, welche von oben nach unten transportiert wurden. Auch die Modellierungen mit ACASA zeigten Unterschiede beim Vergleich der modellierten und gemessenen Flüsse, welche auf einen horizontal advektiven Transport und sekundäre Zirkulation hinweisen. Die Untersuchung von Phänomenen in der atmosphärischen Grenzschicht hat gezeigt, dass zum Beispiel ein Starkwindband (Low-level Jet, im Folgenden LLJ genannt; verursacht durch Bodeninversion) deutlich unterschiedliche Auswirkungen auf die Austauschprozesse über einem heterogenen Wald haben kann, als eine stark ausgeprägte Inversionsschicht (Starkwinde treten häufig oberhalb der Inversionsschicht auf). Während des LLJ kam es zu einem gekoppelten System (C/Cs) mit guter Durchmischung und erhöhten CO2-Flüssen, wohingegen es bei der Inversionsschicht mit Starkwinden zu einem entkoppelten System (Wa) mit schlechter Durchmischung und verringerten CO2-Flüssen kam. Bei beiden Phänomenen waren zwar die Auswirkungen an allen Standorten messbar, aber am deutlichsten über dem Waldbestand und abnehmend in Richtung Waldkante und Lichtung. Dies kann durch den kohärenten Transport erklärt werden, welcher über dem Waldbestand ebenfalls am größten ist und in Richtung Lichtung abnimmt. Der CO2-Fluss wurde während des LLJ um 100 % über dem Wald, um 70 – 100 % an der Waldkante und nur minimal über der Lichtung erhöht, wohingegen bei dem entkoppelten System (Wa) eine Reduzierung um etwa 100 % oberhalb des Waldes gemessen wurde. Die Reduzierung an der Waldkante und über der Lichtung war deutlich weniger ausgeprägt. Die Unterschiede in den CO2-Flüssen führten auch zu erheblichen Gradienten in der CO2-Konzentration entlang des Transektes. Im Falle des entkoppelten Systems kam es zu einem nächtlichen Kaltluftabfluss mit hohen CO2-Konzentrationen aus dem Wald auf die Lichtung. Die kontinuierlichen horizontalen Transektmessungen des HMMS lieferten in Kombination mit den Eddy-Kovarianz-Turmmessungen ein neues, besseres Verständnis über die Austauschprozesse eines heterogenen Waldes. Ein solcher Überblick in räumlichen und zeitlichen Skalen von vorliegenden Gradienten, Zuflüssen, Ausströmungen, An- und Abreicherungen von Spurengaskonzentrationen, sowie Einblicke in den turbulenten und kohärenten Transport, in Kopplungszustände, in sekundäre Zirkulationen und in Grenzschichtphänomene war erst durch die Kombination aller Messmethoden möglich und wäre niemals in diesem Umfang zu realisieren gewesen, wenn ausschließlich die wie sonst üblichen Fixpunkt-Messungen verwendet worden wären.