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MORE I: Experimentelle Erfassung von CO 2 -Advektionsprozessen im Tharandter Wald C. Feigenwinter 1, C. Bernhofer 2, R. Vogt 1 1 Universität Basel, Institut.

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1 MORE I: Experimentelle Erfassung von CO 2 -Advektionsprozessen im Tharandter Wald C. Feigenwinter 1, C. Bernhofer 2, R. Vogt 1 1 Universität Basel, Institut für Meteorologie,Klimatologie und Fernerkundung 2 TU-Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie, Meteorologie

2 Fragestellung Übersicht Ankerstation und experimental setup MORE I (More measurements in the ORE mountains) Theorie und Methodik Nicht turbulente advektive CO 2 -Flüsse CO 2 Messungen mit IRGA Vertikale Profile von Wind und CO 2 Resultate MORE I : NEE, advektive Flüsse CO 2 Schlussfolgerungen und Ausblick MORE II

3 Globaler Kohlenstoff- Kreislauf Fragestellung: CO 2 Kreislauf

4 Stoffaufbau: In Blättern und Pflanzenteilen mit Blattgrün Assimilation, Photosynthese (Licht, Chlorophyll, 2822 kJ/mol Glucose) 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 (chemische Energie, kJ/mol Glucose) Stoffabbau: Energiebedarf für Zellteilung, Nährstofftransport, etc. wird durch Abbau von Zucker gewonnen. Dissimilation, Atmung NEE für ein Waldökosystem (NEE = Net Ecosystem Exchange) TagNacht Vegetationsperiode (März bis Oktober) Ruhephase (November bis Februar) Kohlenstoffkreislauf im (Wald-)Ökosystem Fragestellung: CO 2 - Kreislauf EUROFLUX Site aus: Aubinet et al., 2002 Global change biol. LatitudeGrowing season length (days) Annual Carbon sequestration [g C m -2 y -1 ] ( ) Hyytialla (conifer) 61° > 400 Norunda (conifer) 60° Tharandt (conifer) 50° Vielsalm (conifer) 50° Bordeaux (conifer) 44° Soroe (beech) 55° Vielsalm (beech) 50° Hesse (beech) 44° Collelongo (beech) 41°

5 Experimentelle Erfassung des CO 2 -Austausches im Waldökosystem I Quelle/Senke von c II Speicheränderungsrate III turbulenter Fluss (EUROFLUX, Aubinet et al., 2000; FLUXNET, Agr. For. Met. Vol. 113, 2002) IV vertikale Advektion (Lee, 1998; Baldocchi, 2000) V horizontale Advektion (Aubinet et al., 2003, Feigenwinter et al., 2003 (submitted)) Fragestellung: CO 2 im Wald

6 Übersicht Ankerstation Tharandter Wald Höhenmodell Hangneigung Landnutzung Exposition 50°58 N, 13°34 E 375 m a.s.l. Annual mean temp. 7.7° Annual mean precip. 819 mm Experimental setup: Übersicht

7 MORE I : Sep/Oct 2001 MORE II: Mai/Oct 2003 Experimental setup Situationsplan Experimental setup: Situation

8 Experimental setup MORE I

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11 Experimental setup: Instrumentation

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13 Design by Andi Christen, MCR Lab Experimental setup: Instrumentation

14 Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Vertikalprofile der CO 2 -Konzentration Messungen: Vertikalprofile an P1, P2 und P3 Vergleichsmessung in 2 m Höhe Problem:Alle 3 Profile mit verschiedenen IRGAs Lösung:Mittels Vergleichsmessungen in 2 m Höhe angleichen der einzelnen IRGAs und Konstruktion der Profile mit log-square fit

15 Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO 2 -Profile Vergleich der CO 2 -Messungen für 3 Kalibrierperioden (MORE I)

16 Das Sampling Problem während MORE I sampling at P1: every 8 minutes 3 samples every 15 s (15 s purging) 30 min. mean out of 9 values sampling at P4: every 2 minutes 14 samples every 1 s ( 6 s purging) 30 min. mean out of 210 values 1 h 6 h 12 h24 h P1 – P4 2 m level P1 – P4 26 m level Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO 2 -Profile

17 Konstruktion der Vertikalprofile der CO 2 -Konzentration Es wird angenommen, dass die nur bei P1 gemessene CO 2 - Konzentration in 40 m Höhe für das gesamte Kontrolvolumen repräsentativ ist. Die vertikalen Profile werden deshalb jeweils zwischen dem jeweiligen Wert in 26 m Höhe und dem 40 m Wert linear interpoliert. Ermitteln der Koeffizienten a i für mit den Messungen P2, P3 für z={0.1,0.3,0.5,1.0,2.0,8.0,26.0} m Koeffizienten a i werden klassifiziert nach der Konzentrationsdifferenz c(2 m)-c(26 m), welche an P1, P2 und P3 mit demselben IRGA gemessen wurde. Messungen für z={0.1,0.3,0.5,1.0, 8.0} m werden gemäss Formel mit den entsprechenden Koeffizienten a i modelliert. In einem zweiten fit werden die gemessenen Werte (2 m und 26 m) gegenüber den modellierten Werten 10-fach gewichtet. Daraus resultiert das Profil für 0 < z < 26 m. Tagsituation Nachtsituation Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO 2 -Profile

18 mit Bestimmung der mittleren Vertikal-Komponente Korrektur des Neigungswinkels des Sensors relativ zum Koordinatensystem der mittleren Strömung über einen längeren Zeitraum. z.B. mit Sinus fit (Lee, 1998; Baldocchi et al., 2000; Paw U et al. (2000)) (Alternative Methode: planar fit nach Wilczak et al., 2001) Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Vertikalprofil der mittleren vertikalen Wind-Komponente und (Lee, 1998) Mittlere CO 2 Konzentration im Volumen unterhalb z r Nicht turbulente Advektionsterme: vertikale Windkomponente

19 Bestimmung von a 0 = 3.3° (offset), a 1 = 2.07° (amplitude) und a 2 = 23.1° (phase shift) Periode Januar-Dezember 2001 Nicht turbulente Advektionsterme: vertikale Windkomponente

20 Die CO 2 Konzentrationen c 1,2,3 (als z-Koordinate) an den Eckpunkten P 1,2,3 spannen zusammen mit den räumlichen Koordinaten (als x(north),y(east)- Koordinaten) eine Ebene auf, welche mit der folgenden Gleichung beschrieben werden kann: Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Horizontaler CO 2 -Gradient Nicht turbulente Advektionsterme: horizontaler CO 2 -Gradient mit der Einheit [ppm m -1 ] oder [mol m -4 ]

21 Nicht turbulente Advektionsterme: horizontaler CO 2 -Gradient

22 Aus den Messungen in 42 m (P1), 2.5 m und 0.5 m (P1,P2,P3) soll ein vertikales Windprofil konstruiert werden, welches für das gesamte Kontrolvolumen repräsentativ sein soll. Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme vertikales Windprofil Nicht turbulente Advektionsterme: vertikales Windprofil Über dem Bestand (z d + z 0 ) < z < 42 m z d = 0.7 h mitz 0 = 0.08 h u * = 0.2 U(42m) Im Bestand 0 < z < (z d + z 0 ) Modifiziert mit Bremsfunktion (nach Joss, 1996; Cowan, 1968) k 0 : max. Bremswirkung mitk 1 : 1/Kronenlänge (normiert) k 2 : Höhe der max. Bremswirkung (normiert)

23 Nicht turbulente Advektionsterme: vertikales Windprofil k 0 : 0.85 (max. Bremswirkung) 85 % k 1 : 5 1/Kronenlänge 8 m k 2 : 0.5 Höhe der max. Bremswirkung 21 m z d = 0.7 h z 0 = 0.08 h u * = 0.2 U(42m)

24 Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Nicht turbulente Advektionsterme: Zusammenfassung Vertikale Advektion Horizontale Advektion

25 Resultate: Meteorologische Bedingungen während der Messkampagne MORE I (20.9. bis ) DOY über dem Bestand im Stammraum (2.0 m) im Stammraum (0.5 m) Resultate: meteorolog. Bedingungen

26 Vertikale Advektion: Vertikale Windkomponente in Abhängigkeit der Stabilität (DOY ) CO 2 -Konzentrationsdifferenzen dicke Linien: c(40 m) - c(26 m) dünne Linien: c(40 m) - c(2 m) Symbole:c(40m) - c [µmol s -1 m -2 ] TagNacht 0 5 Resultate: horizontale Advektion

27 Horizontale Advektion: Mittlere Windverhältnisse während MORE I (DOY )Mittlere horizontale CO 2 -Gradienten während MORE I (DOY ) Resultate: horizontale Advektion

28 Horizontale Advektion: Mittlere horizontale Advektion während MORE I DOY Resultate: horizontale Advektion Total Tag canopy trunk space * = * = 0 * = Nacht canopy trunk space * = 0 * =

29 Horizontale Advektion: Mittlerer Tagesgang Resultate: horizontale Advektion Total Tag canopy trunk space * = * = 0 * = Nacht canopy trunk space * = 0 * =

30 Resultate: CO 2 -Flüsse CO 2 -Flüsse im Überblick Mittlerer Tagesgang (DOY ) [g C m 2 d -1 ] 00:00- 08:00 08:00- 16:00 16:00- 24:00 Total day Horizontale Advektion Vertikale Advektion Speicher- änderung EC-Fluss Total EC + storage change + Advektionsterme Differenz: 0.18 g C m 2 d -1 (20 %)

31 Schlussfolgerungen Schlussfolgerungen und Ausblick Vertikale und horizontale Advektion haben entgegengesetzte Vorzeichen und sind vom Betrag her von derselben Grössenordnung. Man könnte deshalb annehmen, dass sich die beiden Terme über eine längere Zeitspanne im Mittel wahrscheinlich aufheben werden. Die grosse Streuung der Advektionsterme zeigt jedoch, das eine hohe Variabilität von Tag zu Tag besteht. Die nächtliche CO 2 -Quelle wird durch die Berücksichtigung der Advektionsterme leicht reduziert (0.32 g C m -2 von 16:00-08:00). Die vertikale Advektion wird tagsüber durch den minimalen Vertikal- gradienten praktisch gleich null, währendem der horizontale Gradient besteht. Durch die horizontale Advektion wird dadurch die tägliche CO 2 - Senke um ca. 20 % reduziert. Eine Überschätzung der CO 2 -Senke ist deshalb nicht nur auf die Unter- schätzung der nächtlichen Quelle auf Grund schwacher Turbulenz (u * - Korrektur) zurückzuführen, sondern dürfte ihren Grund auch in der horizontalen Advektion haben, welche tagsüber durch die vertikale Advektion nicht vollständig kompensiert wird.

32 Ausblick Schlussfolgerungen und Ausblick Es bestehen offensichtlich methodische Probleme und Defizite bei der Bestimmung der Advektionsterme. Die wenigen existierenden Studien lassen sich nur bedingt vergleichen (unterschiedliche Standorte, Datengrundlage, Methodik). Die Bestimmung der vertikalen Profile von Wind und CO 2 -Konzentra- tionen und der horizontalen Konzentrationsgradienten wird von verschiedenen Faktoren wie dem experimentellen Aufbau, von Messfehlern und methodischen Unsicherheiten beeinflusst und bedarf einer genauen Fehleranalyse. Die kurze Dauer des MORE I Experimentes lässt keine allgemein gültigen Aussagen zu. Die vorliegenden Resultate müssen durch langfristige Messungen bestätigt und eventuell berichtigt werden (MORE II). Trotz der erwähnten Unzulänglichkeiten besteht kein Zweifel daran, dass die Advektionsterme für CO 2 -Haushaltsbetrachtungen zumindest solange berücksichtigt werden sollten, bis deren Rolle endgültig geklärt ist. C. Feigenwinter, C. Bernhofer and R. Vogt (2003): The influence of advection on the short term CO2-budget in and above a forest canopy, submitted to Boundary-Layer Meteorology

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