Quality Assurance for Eddy Covariance Measurements of Turbulent Fluxes and its Influence on the Energy Balance Closure Problem

Titelangaben

Mauder, Matthias:
Quality Assurance for Eddy Covariance Measurements of Turbulent Fluxes and its Influence on the Energy Balance Closure Problem.
Bayreuth , 2006
( Dissertation, 2006 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The eddy covariance method enables direct measurements of turbulent fluxes at the earth’s surface. Such measurements are required to study the surface energy balance and the exchange of gaseous air constituents. Due to improvements in the construction of adequate sensors and the progress in computer technology during the last decades this method is now well-established. However, a general failure to close the energy balance equation has been reported for many micrometeorological field experiments. This unresolved problem motivated this dissertation, which aims at the quality assurance for eddy covariance measurements. The presented concept for quality assurance comprises investigations on the accuracy of the deployed sensors and on the impact of the data analysis for such measurements. A specific focus is set on possible implications for the determination of reliable CO2 flux estimates, since this issue gained importance during the last years for studies on the global carbon cycle related to global warming due to the green house effect. Data from several field experiments in Germany, California and Nigeria form the experimental basis for these investigations. A software package was developed to perform the necessary post processing for all eddy covariance measurements presented in this thesis. The results of sensor intercomparison experiments show a typical random error of eddy covariance measurements of 5% for the sensible heat flux and 10% for the latent heat flux, if sensors are well-calibrated and maintained and the assumptions for this method are fulfilled. The applicability of an objective quality assessment scheme of flux data was demonstrated for large datasets from a field campaign comprising 14 measuring systems. The energy balance closure problem has been studied at two exemplary sites. The energy balance could not be closed for measurements over an agricultural area in Germany. For this experiment the sum of turbulent heat fluxes was 30% smaller than the available energy at the surface. In contrast, no systematic bias of the energy balance could be found for measurements over fallow bush-land in Nigeria, although the measures of quality assurance were similar. Neither differences in instrumentation nor in the post-field data processing between both experiments can explain these findings. A further analysis of the dataset from the agricultural area in Germany showed that additional flux contributions can be found when extending the averaging time of covariances beyond the conventional 30 minute interval. The energy balance can even be closed for this site when applying an averaging time of 24 hours. Longwave flux contributions seem to be generated here by the much stronger heterogeneity of the surrounding terrain compared to the more or less homogeneous environment of the Nigerian site. The filtering of heterogeneity induced flux contributions from very low frequency covariances through the commonly used averaging times of less than 30 minutes is identified as major reason of the energy balance closure problem. To improve the understanding of the processes leading to low frequency flux contributions a more detailed analysis of further experiments in combination with large eddy simulation modelling are required. The impact of post-field data processing was not only evaluated for energy flux estimates but also for fluxes of CO2, which showed similar additional flux contributions for extended averaging times. Finally, it was demonstrated that the quality assessment scheme presented in this thesis provides a fundamental and robust rejection criterion for a successful gap-filling strategy to determine annual sums of CO2 net ecosystem exchange.

Abstract in weiterer Sprache

Die Eddy-Kovarianz Methode ermöglicht direkte Messungen turbulenter Austauschströme an der Erdoberfläche. Diese werden benötigt für Untersuchungen zur Oberflächenenergiebilanz und zum Austausch gasförmiger Bestandteile der Luft. Durch Verbesserungen in der Konstruktion geeigneter Messgeräte und den Fortschritt in der Computertechnologie während der letzten Jahrzehnte ist diese Methode heute gut etabliert. Allerdings gelingt es häufig nicht, die Energiebilanzgleichung für mikrometeorologische Feldexperimente zu schließen. Dieses ungelöste Problem war die Motivation für die vorliegende Dissertation, deren Ziel die Qualitätssicherung für Eddy-Kovarianz Messungen ist. Das hier vorgestellte Konzept zur Qualitätssicherung umfasst Untersuchungen zur Genauigkeit der eingesetzten Messgeräte und zum Einfluss der Datenbearbeitung solcher Messungen. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf mögliche Auswirkungen für die Bestimmung verlässlicher CO2-Flussschätzungen gesetzt, da dieses Thema während der letzten Jahre für Untersuchungen zum globalen Kohlenstoffkreislauf im Zusammenhang mit weltweiter, durch den Treibhauseffekt verursachter, Klimaänderung Bedeutung gewonnen hat. Daten von mehreren Feldexperimenten in Deutschland, Kalifornien und Nigeria bilden die experimentelle Grundlage für diese Forschungen. Ein Softwarepaket wurde gemäß dem aktuellen Stand der Wissenschaft entwickelt, um die notwendige Nachbearbeitung für alle in dieser Arbeit gezeigten Eddy-Kovarianz Messungen durchzuführen. Die Ergebnisse von Messgerätevergleichsexperimenten zeigen einen typischen zufälligen Fehler von Eddy-Kovarianz Messungen von 5% für den fühlbaren Wärmestrom und 10% für den latenten Wärmestrom, vorausgesetzt die Geräte sind gut kalibriert und gewartet und die dieser Methode zugrunde liegenden Annahmen sind erfüllt. Die Anwendbarkeit eines objektiven Schemas zur Qualitätsbewertung von Flussdaten wurde für umfangreiche Datensätze einer 14 Messsysteme umfassenden Feldkampagne demonstriert. Das Problem der Energiebilanzschließung wird an zwei exemplarischen Standorten untersucht. Für Messungen über einer landwirtschaftlich genutzten Fläche in Deutschland konnte die Energiebilanz nicht geschlossen werden. Für dieses Experiment war die Summe der turbulenten Wärmeströme um 30% kleiner als die an der Oberfläche verfügbare Energie. Im Gegensatz dazu konnte keine systematische Nichtschließung der Energiebilanz für Messungen über brachliegendem Buschland in Nigeria festgestellt werden, obwohl die Maßnahmen zur Qualitätssicherung ähnlich waren. Weder Unterschiede bei der Instrumentierung noch bei der Datennachbearbeitung zwischen beiden Experimenten können diesen Befund erklären. Eine weitere Analyse des Datensatzes für die landwirtschaftlich genutzte Fläche in Deutschland zeigte, dass zusätzliche Flussbeiträge gefunden werden können, wenn man die Mittelungszeit der Kovarianzen über das klassische 30-Minuten-Interval hinaus ausdehnt. Die Energiebilanz kann für diesen Standort sogar geschlossen werden, wenn man eine Mittelungszeit von 24 Stunden verwendet. Langwellige Flussbeiträge scheinen hier durch die deutlich stärkere Heterogenität der Umgebung generiert zu werden im Vergleich zu dem mehr oder weniger homogenen Umland des Nigerianischen Standorts. Das Filtern von heterogenitätsinduzierten Flussanteilen in sehr niederfrequenten Kovarianzen durch die üblicherweise verwendeten Mittelungszeiten von weniger als 30 Minuten wird als Hauptgrund für das Energiebilanzschließungsproblem angesehen. Um das Verständnis der Prozesse zu verbessern, die zu niedrigfrequenten Flussbeiträgen führen, ist eine detailliertere Analyse weiterer Experimente notwendig in Kombination mit Large Eddy Simulation Modellierung. Der Einfluss der Datennachbearbeitung wurde nicht nur für Energieflüsse bewertet sondern auch für Flüsse von CO2, die ähnliche zusätzliche Flussbeiträge für erweiterte Mittelungszeiten aufwiesen. Schließlich wurde gezeigt, dass die in dieser Arbeit vorgestellte Qualitätsbewertung ein fundamentales und robustes Auswahlkriterium bietet für eine erfolgreiche Strategie zum Füllen von Datenlücken, um Jahressummen der CO2-Bilanz eines Ökosystems zu bestimmen.