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Umweltmeteorologie Prof. Dr. Otto Klemm 3. Wasserdampffluss.

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Präsentation zum Thema: "Umweltmeteorologie Prof. Dr. Otto Klemm 3. Wasserdampffluss."—  Präsentation transkript:

1 Umweltmeteorologie Prof. Dr. Otto Klemm 3. Wasserdampffluss

2 Wasserdampffluss - Übersicht Der vertikale Fluss von Wasserdampf zwischen Oberfläche und Atmosphäre ist von sehr großer Bedeutung weil sehr viel Energie umgesetzt wird der Transpirationsstrom im Stoffwechsel der Pflanzen eine zentrale Rolle einnimmt der Evapotranspirationsstrom ein zentrales Element im Wasserhaushalt des Ökosystem ist der Wassergehalt der Troposphäre dadurch ansteigt.

3 Wasserdampffluss - Übersicht Die Messung beschäftigt Hydrologen und andere Wissenschaftler seit vielen Jahren. Es gibt unterschiedliche methodische Ansätze und Verfahren Eddy – Kovarianz: ein direktes Verfahren (besprechen wir später) Bowen – Ratio - Verfahren Lysimeter - Verfahren Penman – Verfahren + Penman - Monteith Dalton - Verfahren Turk - Verfahren Haude - Verfahren Wassereinzugs – Bilanz - Verfahren SVAT - Modelle

4 Bowen – Ratio - Verfahren Anwendungsfall (Normalfall) : Der Wasserdampffluss W kann nicht direkt gemessen werden Bowen - Verhältnis Bo: Das Verhältnis des fühlbaren zum latenten Wärmefluss ist normalerweise positiv (d.h. die Flüsse gehen in die selbe Richtung). In unseren Breiten ist 0 < Bo < 1 über dem Meer gilt: Bo 0.1, über bewässerten Kulturen ist Bo 0.2, über Wiese Bo 0.5, in semiariden Gebieten Bo 5, Wüste: Bo 10.

5 Bowen – Ratio – Verfahren: Durchführung Energiebilanz wird = 0 gesetzt Die Strahlungsbilanz Qs ist messba r fühlbarer Wärmefluss latenter Wärmefluss q = spezifische Feuchte:

6 Bowen – Ratio – Verfahren: Durchführung der Bodenwärmestrom B wird gemessen (wird häufig als B = 0.1·Q S (tagsüber) und B = 0.5·Q S (nachts) approximiert) Annahme!

7 Bowen – Ratio – Verfahren: Durchführung c p = 1004 J kg -1 K -1 L = 2.50 · 10 6 J kg -1 (bei 0°C bei 30 °C; bei +30 °C) W: Wasserdampffluss H: fühlbarer Wärmefluss

8 Bowen – Ratio - Verfahren man beachte dass: Bo nur für Zeiträume > 1d anwendbar ist. Hier ist eine Genauigkeit von 30 % zu erwarten die gemessene Energiebilanz nicht immer geschlossen ist die Annahme K Z = K W nicht immer richtig ist Temperaturen (und e) sehr präzise gemessen werden müssen. Für die Qualitätssicherung ist es zu erwägen Zeiten mit kleinen T – Werten aus der Auswertung auszuschließen das Verfahren keinen Wind enthält, obwohl gerade der Wind für den turbulenten Austausch sorgt. Für die Qualitätssicherung ist es zu erwägen, Zeiten mit kleinen Windgeschwindigkeiten (z.B. U < 1 m s -1 ) aus der weiteren Auswertung auszuschließen das Gelände muss im Luv ausreichend homogen sein, so dass keine internen Grenzschichten entstehen können. Für die Qualitätssicherung kann es nötig sein, die Windrichtung mitzumesssen und entsprechende Sektoren aus der Auswertung auszuschließen.

9 Bowen – Ratio - Verfahren Standortwahl: Der Standort für Messungen muss ein ebenes, homogenes Gelände sein. Die beiden Messpunkte müssen möglichst weit (vertikal) auseinander montiert werden, so dass T und e möglichst groß und damit präzise bestimmbar sind. Die untere Höhe sollte etwa das Doppelte der Bestandeshöhe betragen. Als Höhenverhältnis wird Faktor 8 empfohlen. während der Vegetationsperiode können Höhenanpassungen notwendig sein. Die maximal mögliche Höhe ergibt sich aus der Länge x des ungestörten Windfeldes: z max 0.3 · x ½

10 Penman - Verfahren Das Penman - Verfahren hat große Tradition, es gibt unterschiedliche Varianten. Sogar die Herleitungen sind in der Literatur nicht einheitlich. In Abhängigkeit von den aktuellen Randbedingungen können unterschiedliche Varianten vorteilhaft sein. Das Penman - Verfahren bestimmt die potentielle Evapotranspiration von einer freien Wasseroberfläche bzw. die potenzielle Evapotranspiration Die entscheidenden Faktoren sind 1.die durch die einfallende Stahlungsbilanz bereitgestellte Energie für die Verdunstung, und 2.der Abtransport des Wasserdampfs von der Wasseroberfläche; dieser wird durch die Windgeschwindigkeit und den Dampfdruckgradienten bestimmt.

11 Penman - Verfahren Das Penman - Verfahren hat große Tradition, es gibt unterschiedliche Varianten. Sogar die Herleitungen sind in der Literatur nicht einheitlich. Wiederum in Abhängigkeit von den aktuellen Randbedingungen können unterschiedliche Varianten vorteilhaft sein. Hier wird die Original-Version nach Penman (1948) vorgestellt (nach Arya, 1988). EnergietermVentilationsterm ET pot potentielle Evapotranspirationkg m -2 s -1 e*Sättigungs-WasserdampfdruckhPa = Steigung der WasserdampfsättigungskurvehPa K -1 Psychrometerkonstante0,667 hPa K -1 Uhorizontale Windgeschwindigkeit in Höhe zm s -1 f(U)Transferkoeffizient für Wasserdampf, in Analogie zum Diffusionskoeffizienten m s -1

12 Penman - Verfahren empirisch angepasst für die Anwendung werden benötigt: Messungen von T, Q s, B, U und e Die Messungen werden normalerweise in einer Höhe von z = 2 m über Grund durchgeführt. Genauigkeit der Ergebnisse: ca % für Integrationszeiten zwischen Tagen und Jahren. In Spezialfällen können auch zeitliche Auflösungen im Bereich von Stunden erreicht werden. Dafür muss allerdings der Ventilationsterm aufwändiger parameterisiert werden.

13 Penman - Verfahren Praktikum Rieselfelder, Sommer 2003

14 eine andere Variante besteht darin, den Ventilationsterm einfach wegzulassen: Penman – Verfahren diese Version den Penman-Gleichung wird relativ viel angewandt. Man benötigt lediglich Daten von T und Q s - B. je richtiger und genauer man die reale Evapotranspiration quantifizieren möchte, desto ausführlicher muss man auf die Verfügbarkeit des Wassers im Boden, auf die Wasserleitfähigkeit der Pflanzen, und auf den Abtransport in der Grenzschicht eingehen. Eine sehr häufig verwendete Version ist die nach Monteith:

15 Penman – Verfahren Quelle:Häckel. 1999

16 Penman – Monteith - Verfahren Dieses Verfahren wird sehr viel angewendet ETaktuelle Evapotranspirationkg m -2 s -1 rara aerodynamischer Widerstands m -1 rsrs surface resistance, Widerstand der Oberflächens m -1 Dichte der Luftkg m -3 Die Schwierigkeit besteht in der Bestimmung von r a und r s

17 Penman – Monteith - Verfahren zwzw Höhe der Windmessungm zHzH Höhe der Temperatur- und Feuchtemessungm z 0w Rauhigkeitslänge für den Impulstransportm z 0H Rauhigkeitslänge für den Wärme und Wasserdampftransportm dVerdrängungshöhem UWindgeschwindigkeit in Höhe zwm s -1 kvon Karmann - Konstante0.40 d wird abgeschätzt mit d = · Bestandeshöhe z 0w wird abgeschätzt mit z 0w = · Bestandeshöhe z 0H wird abgeschätzt mit z 0H = 0.1 z 0w diese Art der Parameterisierung ist für neutrale Schichtung vorgesehen

18 Penman – Monteith - Verfahren Der Widerstand r s hängt von der Vegetation ab (LAI, Jahreszeit, …). Es gibt sehr aufwändige Verfahren zur Bestimmung von r s, aber dies nicht im Sinne der Durchführung eines einfachen Verfahrens. Deshalb wird r s abgeschätzt für Wiese: r s = 70 s m -1 alfalfa: r s = 45 s m -1

19 Wasserdampf - Fluss: Dalton - Verfahren Das Dalton - Verfahren bestimmt die Evaporation von Wasser von freien Wasserflächen:

20 Das Turk - Verfahren, ebenfalls zur Bestimmung der Evaporation von Wasseroberflächen, verlässt sich auf Messung von Temperatur und Globalstrahlung: Wasserdampf - Fluss: Turk - Verfahren

21 Wasserdampf - Fluss: Haude - Verfahren Das vielleicht einfachste Verfahren ist das Haude - Verfahren. Es bestimmt auch die potentielle Evapotranspiration Obwohl Tageswerte benötigt werden, ist das Verfahren bestenfalls für die Bestmmung monatlicher Mittel der Verdunstung geeignet.

22 Monat Wiese Rasen Mais Zucker rübern Winter Weizen Buche Fichte Hafer Rog- gen Winter- Gerste Haude – Faktoren f i : (mm d -1 ) Wasserdampf - Fluss: Haude - Verfahren aus: Häckel, 1999


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