Umweltmeteorologie 3. Wasserdampffluss Prof. Dr. Otto Klemm 3. Wasserdampffluss Prof. Dr. Otto Klemm

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.

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 Penman – Verfahren + Penman - Monteith Dalton - Verfahren Turk - Verfahren Haude - Verfahren Lysimeter - Verfahren Wassereinzugs – Bilanz - Verfahren SVAT - Modelle

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.

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

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

Bowen – Ratio – Verfahren: Durchführung cp = 1004 J kg-1 K-1 L = 2.50 · 106 J kg-1 (bei 0°C 2.5749 bei 30 °C; 2.4300 bei +30 °C) W: Wasserdampffluss H: fühlbarer Wärmefluss

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 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. die Annahme KZ = KW nicht immer richtig ist

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: zmax  0.3 · x½

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 die durch die einfallende Stahlungsbilanz bereitgestellte Energie für die Verdunstung, und der Abtransport des Wasserdampfs von der Wasseroberfläche; dieser wird durch die Windgeschwindigkeit und den Dampfdruckgradienten bestimmt.

Penman - Verfahren „Energieterm“ „Ventilationsterm“ 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) . „Energieterm“ „Ventilationsterm“ ETpot potentielle Evapotranspiration kg m-2 s-1 e* Sättigungs-Wasserdampfdruck hPa  = Steigung der Wasserdampfsättigungskurve hPa K-1  Psychrometerkonstante 0,667 hPa K-1 U horizontale Windgeschwindigkeit in Höhe z m s-1 f(U) „Transferkoeffizient für Wasserdampf“, in Analogie zum Diffusionskoeffizienten

Penman - Verfahren empirisch angepasst empirisch angepasst für die Anwendung werden benötigt: Messungen von T, Qs, B, U und e Die Messungen werden normalerweise in einer Höhe von z = 2 m über Grund durchgeführt. Genauigkeit der Ergebnisse: ca. 20 - 40 % 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.

Praktikum „Rieselfelder“, Sommer 2003 Penman - Verfahren Praktikum „Rieselfelder“, Sommer 2003

Penman – Verfahren eine andere Variante besteht darin, den Ventilationsterm einfach wegzulassen: diese Version den Penman-Gleichung wird relativ viel angewandt. Man benötigt lediglich Daten von T und Qs - 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:

Penman – Verfahren Quelle: Häckel. 1999

Penman – Monteith - Verfahren ET aktuelle Evapotranspiration kg m-2 s-1 ra aerodynamischer Widerstand s m-1 rs „surface resistance“, Widerstand der Oberflächen  Dichte der Luft kg m-3 Dieses Verfahren wird sehr viel angewendet Die Schwierigkeit besteht in der Bestimmung von ra und rs

Penman – Monteith - Verfahren zw Höhe der Windmessung m zH Höhe der Temperatur- und Feuchtemessung z0w Rauhigkeitslänge für den Impulstransport z0H Rauhigkeitslänge für den Wärme und Wasserdampftransport d Verdrängungshöhe U Windgeschwindigkeit in Höhe zw m s-1 k von Karmann - Konstante 0.40 d wird abgeschätzt mit d = 0.666 · Bestandeshöhe z0w wird abgeschätzt mit z0w = 0.123 · Bestandeshöhe z0H wird abgeschätzt mit z0H = 0.1 z0w diese Art der Parameterisierung ist für neutrale Schichtung vorgesehen

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

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

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

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.

Wasserdampf - Fluss: Haude - Verfahren Haude – Faktoren fi: (mm d-1) Monat Wiese Rasen Mais Zucker rübern Winter Weizen Buche Fichte Hafer Rog- gen Winter- Gerste 1 0.20 0.11 0.01 0.08 2 0.00 0.04 3 0.25 0.23 0.17 0.14 4 0.29 0.24 0.15 0.10 0.35 5 0.21 0.33 0.39 0.34 0.30 0.37 6 0.28 0.41 0.44 0.36 0.38 7 0.26 0.32 0.31 0.45 8 0.27 0.22 9 0.19 10 0.18 0.13 11 0.07 12 0.05 aus: Häckel, 1999