MORE I: Experimentelle Erfassung von CO2-Advektionsprozessen im Tharandter Wald C. Feigenwinter1, C. Bernhofer2, R. Vogt1 1 Universität Basel, Institut für Meteorologie,Klimatologie und Fernerkundung 2 TU-Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie, Meteorologie

Fragestellung Übersicht Ankerstation und experimental setup MORE I (More measurements in the ORE mountains) Theorie und Methodik Nicht turbulente advektive CO2-Flüsse CO2 Messungen mit IRGA Vertikale Profile von Wind und CO2 Resultate MORE I : NEE, advektive Flüsse CO2 Schlussfolgerungen und Ausblick MORE II

Globaler Kohlenstoff-Kreislauf Fragestellung: CO2 Kreislauf Globaler Kohlenstoff-Kreislauf

 Kohlenstoffkreislauf im (Wald-)Ökosystem  Stoffaufbau: Stoffabbau: Fragestellung: CO2 -Kreislauf Kohlenstoffkreislauf im (Wald-)Ökosystem EUROFLUX Site aus: Aubinet et al., 2002 Global change biol. Latitude Growing season length (days) Annual Carbon sequestration [g C m-2 y-1] (1996-2001) Hyytialla (conifer) 61°51‘ 189-235 > 400 Norunda (conifer) 60°05‘ 150 -200 Tharandt (conifer) 50°58‘ 220-230 550-670 Vielsalm (conifer) 50°18‘ 240 600-790 Bordeaux (conifer) 44°42‘ 270 550 Soroe (beech) 55°29‘ 147 140-220 Vielsalm (beech) 210 390-580 Hesse (beech) 44°05‘ 157 80-300 Collelongo (beech) 41°52 135 440-660 Stoffaufbau: In Blättern und Pflanzenteilen mit Blattgrün Assimilation, Photosynthese (Licht, Chlorophyll, 2822 kJ/mol Glucose) 6 CO2 + 6 H2O   C6H12O6  + 6 O2  (chemische Energie, -2822 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) Tag Nacht Vegetationsperiode (März bis Oktober)   Ruhephase (November bis Februar)

Experimentelle Erfassung des CO2 -Austausches im Waldökosystem Fragestellung: CO2 im Wald Experimentelle Erfassung des CO2 -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))

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

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

Experimental setup MORE I

Experimental setup MORE I

Experimental setup MORE I

Experimental setup: Instrumentation

Experimental setup: Instrumentation

Experimental setup: Instrumentation Design by Andi Christen, MCR Lab

Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Vertikalprofile der CO2-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

Vergleich der CO2 -Messungen für 3 Kalibrierperioden (MORE I) Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO2-Profile Vergleich der CO2 -Messungen für 3 Kalibrierperioden (MORE I)

Das Sampling Problem während MORE I Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO2-Profile 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 P1 – P4 2 m level P1 – P4 26 m level 12 h 24 h

Konstruktion der Vertikalprofile der CO2-Konzentration Nachtsituation Tagsituation Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO2-Profile Konstruktion der Vertikalprofile der CO2-Konzentration Ermitteln der Koeffizienten ai für mit den Messungen P2, P3 für z={0.1,0.3,0.5,1.0,2.0,8.0,26.0} m Koeffizienten ai 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 ai 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. Es wird angenommen, dass die nur bei P1 gemessene CO2-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.

Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Nicht turbulente Advektionsterme: vertikale Windkomponente Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Vertikalprofil der mittleren vertikalen Wind-Komponente mit Mittlere CO2 Konzentration im Volumen unterhalb zr (Lee, 1998) und 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)

a0= 3.3° (offset), a1= 2.07° (amplitude) und a2= 23.1° (phase shift) Nicht turbulente Advektionsterme: vertikale Windkomponente Bestimmung von a0= 3.3° (offset), a1= 2.07° (amplitude) und a2= 23.1° (phase shift) Periode Januar-Dezember 2001

Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Nicht turbulente Advektionsterme: horizontaler CO2-Gradient Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Horizontaler CO2-Gradient Die CO2 Konzentrationen c1,2,3 (als z-Koordinate) an den Eckpunkten P1,2,3 spannen zusammen mit den räumlichen Koordinaten (als x(north),y(east)- Koordinaten) eine Ebene auf, welche mit der folgenden Gleichung beschrieben werden kann: mit der Einheit [ppm m-1] oder [mmol m-4]

Nicht turbulente Advektionsterme: horizontaler CO2-Gradient

Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Nicht turbulente Advektionsterme: vertikales Windprofil Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme vertikales Windprofil 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. zd = 0.7 h mit z0 = 0.08 h u*= 0.2 U(42m) Über dem Bestand (zd + z0) < z < 42 m Im Bestand 0 < z < (zd + z0) Modifiziert mit Bremsfunktion (nach Joss, 1996; Cowan, 1968) k0: max. Bremswirkung mit k1: 1/Kronenlänge (normiert) k2: Höhe der max. Bremswirkung (normiert)

Nicht turbulente Advektionsterme: vertikales Windprofil zd = 0.7 h z0 = 0.08 h u*= 0.2 U(42m) k0: 0.85 (max. Bremswirkung)  85 % k1: 5 1/Kronenlänge  8 m k2: 0.5 Höhe der max. Bremswirkung  21 m

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

Resultate: Meteorologische Bedingungen während der Messkampagne MORE I (20.9. bis 9.10.2001) DOY 263-282 Resultate: meteorolog. Bedingungen über dem Bestand im Stammraum (2.0 m) im Stammraum (0.5 m)

 Vertikale Advektion: Resultate: horizontale Advektion Vertikale Advektion: Vertikale Windkomponente in Abhängigkeit der Stabilität (DOY 263-282) CO2-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] Tag Nacht    5

Horizontale Advektion: Resultate: horizontale Advektion Horizontale Advektion: Mittlere Windverhältnisse während MORE I (DOY 263-282) Mittlere horizontale CO2-Gradienten während MORE I (DOY 263-282)

Horizontale Advektion: Resultate: horizontale Advektion Horizontale Advektion: Mittlere horizontale Advektion während MORE I DOY 263-282 Total Tag canopy trunk space  *  =   *  = 0  *  =   *  =   Nacht  *  =   *  =  

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

CO2-Flüsse im Überblick Resultate: CO2-Flüsse CO2-Flüsse im Überblick Mittlerer Tagesgang (DOY 263-283) [g C m2 d-1] 00:00-08:00 08:00-16:00 16:00-24:00 Total day Horizontale Advektion -1.78 0.80 -1.25 -2.23 Vertikale Advektion 1.52 -0.20 1.19 2.51 Speicher- änderung -0.08 -0.19 0.27 0.00 EC-Fluss 0.73 -3.00 0.43 -1.84 Total 0.39 -2.59 0.64 -1.56 ----- EC + storage change  + Advektionsterme Differenz: 0.18 g C m2 d-1 (20 %)

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 CO2-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 CO2-Senke um ca. 20 % reduziert. Eine Überschätzung der CO2-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.

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 CO2-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 CO2-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