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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-15994
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1599/


Imbery, Florian

Langjährige Variabilität der aerodynamischen Oberflächenrauhigkeit und Energieflüsse eines Kiefernwaldes in der südlichen Oberrheinebene (Hartheim)

Long-term variability of forest-related surface characteristics and energy fluxes on a pine stand in the Southern Rhine plane (Hartheim)

Dokument1.pdf (11.023 KB) (md5sum: b1a466a85c903cdb1d6fff11894dfd9e)

Kurzfassung in Deutsch

Die in dieser Arbeit durchgeführte statistische Analyse der langjährigen Variabilität der aerodynamischen und energetischen Eigenschaften eines mitteleuropäischen Waldstandorts will einen Beitrag zum Verständnis der Wechselbeziehungen zwischen sich ändernden klimatologischen Faktoren und einem durch den Menschen beeinflussten Ökosystem liefern.
An der Forstmeteorologischen Messstelle Hartheim des Meteorologischen Instituts der Universität Freiburg werden seit über 26 Jahre kontinuierlich sämtliche Parameter gemessen, die für die Bestimmung des Strahlungs-, Wärme- und Wasser- und Impulshaushalts des dortigen Kiefernwaldes (Pinus sylvestris L.) erforderlich sind.
Für die Analyse der langfristigen Entwicklung der Kenngrößen der Oberflächenrauhigkeit sowie der Energieflussdichten des Hartheimer Kiefernwaldes wurden aus den Zeitreihen mikrometeorologischer Variablen im Zeitraum 1978 bis 2003 sämtliche Terme der Strahlungs- und Wärmebilanz sowie fundamentale Windprofilparameter bestimmt. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Datenqualität wurde ein Testverfahren entwickelt, das fehlende und kritische Werte detektiert und diese mit einem Quality-flag kennzeichnet. Es wurde ein Datensatz geprüfter mikrometeorologischer und forstmeteorologischer Zeitreihen auf Stundenbasis erstellt, der u. a. als Input für zukünftige numerische Modellierungen und als Validierungsgrundlage von SVAT-Modellen zur Verfügung steht.
Bei der Analyse der Windprofilparameter zur Beschreibung der Oberflächeneigenschaften des Hartheimer Kiefernwaldes wurden sowohl die natürliche langjährige Wuchsdynamik als auch kurzfristige Bestandesdichteänderungen durch Durchforstungsmaßnahmen untersucht. Dafür wurden charakteristische Windprofilparameter (Rauhigkeitslänge z0, Nullpunktverschiebung d und Schubspannungsgeschwindigkeit u*) für den gesamten Untersuchungszeitraum mit Hilfe eines iterativen Verfahrens aus Windprofilparametern bestimmt.
Für z0 und d konnte eine lineare Zunahme in Abhängigkeit vom natürlichen Bestandeswachstum nachgewiesen werden. Weiterhin wurde ein funktionaler Zusammenhang zwischen zunehmender Windgeschwindigkeit, abnehmender Nullpunktsverschiebung und zunehmender Rauhigkeitslänge festgestellt.
Neben der Bestimmung der Strahlungsbilanzterme, des Bodenwärmeflusses und des Bestandeswärmeflusses wurde mit verschiedenen Parametrisierungsansätzen die Berechnung der turbulenten Wärmeflüsse für die gesamte Messdauer auf Stundenbasis durchgeführt. Dabei wurden sowohl das Bowen-Ratio-Energy-Balance (BREB) Verfahren als auch die aerodynamische Profilmethode angewandt. Messunsicherheiten bei der Bestimmung der Feuchtegradienten führten zu einer kontinuierlichen Unterschätzung des turbulenten latenten Wärmeflusses durch das BREB-Verfahren. Daher wurde für den gesamten Untersuchungszeitraum der turbulente fühlbare Wärmestrom H nach der aerodynamischen Profilmethode aus vertikalen Lufttemperatur- und Windgeschwindigkeitsgradienten bestimmt. Der turbulente latente Wärmestrom lE ergab sich dann als Restglied aus der Energiebilanzgleichung.
Für den Hartheimer Kiefernwald konnte sowohl eine Zunahme der mittleren Lufttemperaturen insbesondere in den Wintermonaten als auch eine nicht signifikante Abnahme der mittleren Strahlungsbilanzwerte für den Untersuchungszeitraum 1978 bis 2003 ermittelt werden. Sommerliche Tagesmittelwerte der Strahlungsbilanz weisen in den Jahren 1988 bis 1991 ein Maximum (> 180 W×m-2) auf, mit einer abnehmenden Tendenz bis zum Jahr 2001.
Der mit dem Wasserhaushaltsmodell BROOK90 berechnete Transpirationsindex (Quotient aus aktueller und potentieller Transpiration Tact/Tpot) stellt einen Indikator für Trockenbedingungen eines Standorts dar. Mittlere Tageswerte des Transpirationsindexes wurden mit dem langjährigen Verhältnis der fühlbaren und latenten Wärmeflüsse an der forstmeteorologischen Messstelle Hartheim verglichen. Übereinstimmend konnten bei hoher interanueller Variabilität regelmäßig wiederkehrende Trockenbedingungen für den Hartheimer Kiefernwald in den Monaten Juli und August festgestellt werden. Während für die restlichen Monate ein mittleres Bowenverhältnis H/lE < 1 (d. h. höhere latente als fühlbare Wärmeflüsse) bestimmt wurden, erreicht im langjährigen Mittel H/lE im August ein Wert von 1.4.
Die interanuelle Variabilität der turbulenten Flüsse wird energetisch durch die Strahlungsbilanz und hydrologisch durch das aus dem Freilandniederschlag zur Verfügung stehenden Wasserangebot gesteuert. Sowohl die Tendenz der leicht abnehmenden mittleren Strahlungsbilanzwerte als auch die hohe Variabilität der jährlichen Freilandniederschlagssummen wirken sich stärker auf die Monats- und Jahresmittelwerte des fühlbaren Wärmeflusses als auf den latenten Wärmefluss aus. Dies unterstreicht die Bedeutung der saisonalen Trockenbedingungen für die forstökologische Standortfaktoren des Hartheimer Kiefernwaldes.


Kurzfassung in Englisch

The future regional climate in Central Europe predicted by climate models is characterised by an increase both near-surface air temperature and drought conditions. Due their dominant portion of the continental land cover, forests are among the objects, that are strongest affected by extreme weather conditions. In this context, the objective of this study is to investigate the long-term variability of thermodynamic and energetic conditions for a Scots pine forest (Pinus sylvestris L.), which is located in a region with climate conditions similar to those predicted by regional climate models for the future. This investigation is based on long-term forest and hydro-meteorological data (1978-2003) recorded above and within the Scots pine forest at the forest meteorological test site Hartheim which is located in the southern upper Rhine valley.
Characteristic wind profile parameters (roughness length z0, zero-point displacement d, friction velocity u*) as well as components of the radiation balance, soil and canopy fluxes and turbulent heat fluxes were determined by micro-meteorological techniques.
A hierarchical test model was developed for the quality control and management of the long-term Hartheim data, which permits to mask missing and critical values and to mark them by different quality flags. Thereby, long-term high-resolution time series of micrometeorological data and forest influenced surface parameters are provided that may be used as fundamental input data for numerical simulations and as a basis for validation of SVAT models.
Roughness length z0, zero-point displacement d and friction velocity u٭ were calculated from wind-profile data by an iterative approach. A linear increase of z0 and d depending both on natural inventory growth and wind velocity could be proven, whereas for short-term density changes by thinnings no important fluctuations can be observed.
Net radiation Rn of the Hartheim Scots pine forest exhibits a pronounced year-to-year peak variability in summer. Daily mean values of Rn partly exceeded 180 W×m-2 in the period 1988-1991, whereas highest daily mean values of Rn decreased from 1996 to 2001.
Turbulent heat fluxes were calculated by the Bowen-Ratio-Energy-Balance (BREB) method and the aerodynamic profile method. Due to uncertainties of measured water vapour gradients, the BREB-method leads to an underestimation of evapotranspiration rates. For this reason, the aerodynamic profile method was used to estimate the turbulent sensible heat fluxes. The turbulent latent heat fluxes were estimated as the remainder term of the energy balance.
The water balance model BROOK90 was applied to simulate long-term water stress conditions indicated by the ratio of actual transpiration (Tact) and potential transpiration (Tpot). The regularly occurring summer drought at the Hartheim Scots pine forest is reflected both by daily mean values of Tact/Tpot and by higher monthly mean values of the fluxes of sensible than latent heat in July and August.
The inter-annual variability of turbulent heat fluxes is mainly controlled by Rn and precipitation P. Both the tendency of decreasing net radiation and a wide range of annual precipitation rates mainly affect monthly and yearly means of sensible heat flux with comparatively constant means of latent heat flux. These findings emphasise the significant role of drought conditions on the ecosystem functioning of the Hartheim pine forest.


SWD-Schlagwörter: Meteorologische Messung , Atmosphärische Turbulenz , Angewandte Meteorologie , Atmosphärische Grenzschicht , Qualitätskontrolle , Hartheim
Freie Schlagwörter (deutsch): Grenzschichtmeteorologie , Bowen-Ratio-Verfahren , Profilmethode , Windprofilparameter
Freie Schlagwörter (englisch): Boundary layer climatology , Bowen-ratio-energy-balance , aerodynamic profile method , wind profile parameter
PACS Klassifikation 92.60.Fm
Institut: Meteorologisches Institut
Fakultät: Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften, Geologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Mayer, Helmut (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.12.2004
Erstellungsjahr: 2004
Publikationsdatum: 25.01.2005
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