Investigation of high nighttime CO2-fluxes at the Wetzstein spruce forest site in Thuringia, Germany

Titelangaben

Zeri, Marcelo:
Investigation of high nighttime CO2-fluxes at the Wetzstein spruce forest site in Thuringia, Germany.
Bayreuth , 2008
( Dissertation, 2008 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Nighttime fluxes of CO2 are uncommonly high at the Wetzstein spruce site, in Thuringia, Germany (Anthoni et al., 2004). As a result, the annual sums of CO2- flux obtained for this site are not comparable with the ones obtained at similar spruce ecosystems (Rebmann, 2004; Grünwald and Bernhofer, 2007). The site is located on a hill and subject to strong winds and high levels of turbulence for continuous periods. The unusual high fluxes of CO2 are predominantly associated with these situations. As reported by Anthoni et al. (2004), measurements of soil respiration performed with automatic chambers in 2003 did not explain such high ecosystem respiration. Also, recent results of soil respiration have revealed that the ecosystem respiration Reco should be comparable to the value obtained for the similar spruce site of Waldstein/Weidenbrunnen (Rebmann, 2004). According to the modeling work of Finnigan and Belcher (2004), the flow over low hills as the Wetzstein site disturbs the wind field at the sub-canopy space across the ridge. As a consequence, advective fluxes of scalars as CO2 are generated at the upwind and lee sides of the hill. Two results from the model were confirmed for the first time in an experiment, namely (1) higher wind speeds below the canopy at the slope, when compared with the same level at the crest, and (2) the flows above and below the canopy in opposite direction at the lee side of the hill. Besides the agreement of the measured wind field with the model results, the existence of horizontal advection was confirmed by Feigenwinter et al. (2007), using data from the advection experiment ADVEX. However, the sign of the advective flux was positive on average, meaning that CO2 was flushed out of the control volume enclosed by the additional towers. This result was not directly related to the high nighttime fluxes of CO2, as these situations were rarely observed during the experiment. However, it has shown that sub-canopy flows exist at the site and should be further investigated. The analysis of several cospectra of the vertical flux of CO2 have shown that the frequencies, or time scales, associated with the high nocturnal fluxes are mainly the turbulent ones, typically observed for nighttime turbulent regimes. The high turbulent activity observed during neutral situations leads then to enhanced turbulent fluxes of CO2. High nocturnal fluxes of CO2 were related to specific micrometeorological conditions, namely high values of friction velocity, southwesterly and northeasterly winds, and neutral stratification. These conclusions were used in a gap-filling approach as annual sums of CO2 were calculated (Rebmann et al., in preparation). As a result of this new approach the site presented a higher uptake of CO2 by the vegetation. Additionally, the newly found results have shown that the uptake of CO2 has been increasing since 2003, caused by factors as the improved growth rate induced by a thinning operation (after snow damage) in 2002, and the recovery from the drought of 2003. The tendency observed in the annual sums of CO2-flux indicates that the site may be in a transition period after the disturbances described above. The proposed removal of unusually high values of CO2-fluxes (with objective criteria) for the determination of annual sums should be also applied in future analysis, in order to capture changes in uptake rates. In this case the CO2 balance for the Wetzstein site would be more comparable to similar ecosystems as Waldstein/Weidenbrunnen (Rebmann, 2004) and Tharandt (Bernhofer et al., 2003; Grünwald and Bernhofer, 2007).

Abstract in weiterer Sprache

Die mit der Kovarianzmethode gemessenen nächtlichen CO2-Flüsse über einem Fichtenbestand am Wetzstein in Thüringen, Deutschland sind ungewöhnlich hoch (Anthoni et al., 2004). Die daraus resultierenden Jahressummen der CO2-Flüsse sind deshalb nicht vergleichbar mit denen über vergleichbaren Ökosystemen (Rebmann, 2004; Grünwald and Bernhofer, 2007). Die Messstation befindet sich auf einem Berg, wo sie häufig starkem Wind und damit verbunden anhaltend hoher Turbulenz ausgesetzt ist. Wie bereits von Anthoni et al. (2004) berichtet, können Bodenatmungsmessungen, die mit automatischen Kammern durchgeführt wurden, eine derartig hohe Ökosystematmung nicht erklären. Auch haben neuere Ergebnisse gezeigt, dass die Gesamtatmung des Ökosystems Reco mit einem ähnlichen Fichtenbestand am Waldstein /Weidenbrunnen vergleichbar sein müsste (Rebmann, 2004). Modellergebnisse von Finnigan and Belcher (2004) zeigten, dass Überströmungen von kleineren Bergen, wie dem Wetzstein zu Störungen des Windfeldes im Stammraum führen können. Daraus folgt, dass advektive Flüsse von skalaren Grössen, wie z.B. CO2 luv- und leeseitig entstehen können. Zwei Modellergebnisse konnten zunächst experimentell bestätigt werden: erhöhte Windgeschwindigkeiten in Bodennähe am Hang im Vergleich zum Bergkamm und entgegengesetzte Strömungen über und unter dem Bestand im Lee. Neben der Übereinstimmung des Windfeldes aus Messungen und Modellierungen, wurde durch Feigenwinter et al. (2007) in einem Advektionsexperiment (ADVEX) bestätigt, dass an der Messstation Wetzstein horizontale Advektion auftritt. Jedoch ist das Vorzeichen der advektiven Flüsse im Mittel positiv, was bedeutet, dass CO2 aus dem Kontrollvolumen hinaus transportiert wird. Dieses Ergebnis kann jedoch nicht direkt mit den hohen nächtlichen CO2-Flüssen in Verbindung gebracht werden, da solche während des Experiments kaum auftraten. Trotzdem konnte gezeigt werden, dass entkoppelte Strömungen im Stammraum existieren, die weiter untersucht werden müssen. Die Analyse verschiedener Cospektren des vertikalen CO2-Flusses hat gezeigt, dass die Frequenzen, bzw. Zeitskalen, die den hohen nächtlichen Flüssen zugeordnet werden können im turbulenten Regime auftreten. Hohe Turbulenzaktivität bei neutralen atmosphärischen Bedingungen führt damit zu erhöhten turbulenten Flüssen von CO2. Die unerwartet hohen nächtliche CO2-Flüsse konnten eindeutig bestimmten mikrometeorologischen Bedingen zugeordnet werden: hohe Werte der Schubspannungsgeschwindigkeit u*, Windrichtung aus Südwest oder Nordost und neutrale atmosphärische Schichtung. Diese Bedingungen wurden bei der Bestimmung von Jahressummen des Netto-Ökosystemaustauschs berücksichtigt, wobei die Zeitreihen mit parametrisierten Werten aufgefüllt wurden (Rebmann et al., in preparation). Damit ergeben sich höhere sich jährliche Kohlenstoffaufnahmen durch die Vegetation am Standort Wetzstein. In den Jahren 2003 bis 2005 hat die jährliche Netto-Kohlenstoffaufnahme stetig zugenommen, was einerseits durch erhöhte Wachstumsraten nach einer Durchforstung (nach Schneebruch) im Jahr 2002, jedoch auch auf eine Erholung des Bestandes nach der Dürre im Jahr 2003 zurückzuführen sein kann. Die zunehmende Tendenz der Jahressummen des Netto-CO2-Austauschs deutet eine mögliche Übergangsphase des Bestandes nach Störungen an. Die vorgeschlagene Entfernung unrealistisch hoher positiver CO2-Flüsse mit objektiven Kriterien bei der Bestimmung von Jahressummen sollte auch in Zukunft angewandt werden, um mögliche Änderungen der Aufnahmeraten quantifizieren zu können. Damit wird die Vergleichbarkeit mit ähnlichen Ökosystemen wie z.B.Waldstein /Weidenbrunnen (Rebmann, 2004) oder Tharandt (Bernhofer et al., 2003; Grünwald and Bernhofer, 2007) besser gewährleistet sein.