Bestimmung, Analyse und Bewertung von repräsentativen Maxima der Bestandesleitfähigkeit unter Beachtung der Schließungslücke

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1 Umweltwissenschaften, Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Hydrologie und Meteorologie, Professur Meteorologie Bestimmung, Analyse und Bewertung von repräsentativen Maxima der Bestandesleitfähigkeit unter Beachtung der Schließungslücke Eine Beispielstudie aufbauend auf 10 Jahren EC-Messung an einem intensiv landwirtschaftlich genutztem Standort im Osterzgebirge Uwe Spank, Thomas Grünwald, Barbara Köstner, Uta Moderow und Christian Bernhofer Dr. U. Spank Tel.: Mail: Dresden,

2 Inhalt (1) Review des Modellkonzepts nach Penman-Monteith und Vorstellung des Untersuchungsstandortes sowie der eingesetzten Messmethoden (2) Methodik zur Bestimmung von repräsentativen Maxima von Tageswerten der Bestandesleitfähigkeit (3) Interpretation und Diskussion der Ergebnisse 2

3 1.1 Widerstandsanalogie meteorologischer Antrieb R n, VPD, u R n... Strahlungsbilanz VPD Wasserdampf- Sättigungsdefizit (Vapour Pressure Deficit) u Windgeschwindigkeit U r a r c Latenter Wärmefluss (LE) bzw. Evapotranspiration (ET) r a... aerodynamischer Widerstand g a = r a aerodynamischer Leitwert r c... Bestandeswiderstand g c = r c Bestandesleitwert I 3

4 1.2 Penman-Monteith-Modell LE = s ( R G) n - + s(t) + γ g a 1+ Ł ρ a g g c a c p ł VPD LE = L ET latenter Wärmestrom ET Evapotranspiration L... Verdampfungswärme R n... Strahlungsbilanz G Bodenwärmestrom VPD. Wasserdampf- Sättigungsdefizit (Vapour Pressure Deficit) e aktueller Dampfdruck s = s(t) Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve als Funktion der Lufttemperatur T ρ a Dichte der Luft c P. spez. Wärmekapazität der umgebenden Luft γ Psychrometerkonstante, γ 0.65 hpa K -1 g a aerodynamischer Leitwert g c Bestandesleitwert Umstellung nach g c Ableitung von g c aus gemessenem LE 4

5 1.3 Untersuchungsstandort ca. 25 km Bildquellen: links: Google earth rechts: 5

6 1.3 Untersuchungsstandort Wintergerste: 2004, 2009 Winterraps: 2005, 2010 Sommergerste: 2008,2013 Winterweizen: 2006, 2011 Futtermais: 2007,2012 6

7 1.4 Messsysteme und Messgrößen Closed-Path-Eddy-Kovarianz-Messsystem Messung des turbulenten Stoff- und Energieaustauschs (F C, H, LE EC bzw. ET EC ) Messung der Strahlungsbilanz und aller Strahlungsbilanzkomponenten Ableitung des latenten Wärmefluss (bzw. der Evapotranspiration) als Restglied der Energiebilanz: LE EB = R n G H ET EB Schließungslücke: LE EB > LE EC Korrektur bzw. Aufteilung der Schließungslücke mittels Bowenverhältnis Referenz/ Standardwert LE Ref bzw. ET Ref Messung meteorologischer Standardvariablen Niederschlag, Luftfeuchte und Lufttemperatur, Bodentemperatur und Bodenfeuchte, Windgeschwindigkeit und Windrichtung 7

8 2.1 Zielsetzung: Bestimmung von g c,max Ziel: Bereitstellung von repräsentativen Maxima von Tageswerten der Bestandesleitfähigkeit (g c,max ) zur Parametrisierung von Verdunstungsbzw. Wasserhaushaltsmodellen Minimierung von Effekten durch Interzeption nur regenfreie Tage (P = 0 mm) relative Luftfeuchte RH < 90%, Wasserdampfdefizit VPD > 1.5 hpa Tagesmittel der Lufttemperatur T a 5 C keine Lückenfüllung auf Tagesbasis Vollständige Beschreibung des Jahresgangs von g c und Abgrenzung von g c,max 8

9 2.2 Beschreibung des Jahresgangs von g c Tageswerte der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus Tageswerten von LE Ref (Kreissymbole) sowie Vegetationshöhe h c (grau hinterlegt) 9

10 2.2 Beschreibung des Jahresgangs von g c Tageswerte der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus Tageswerten von LE Ref (Kreissymbole) sowie Vegetationshöhe h c (grau hinterlegt), Regentage (blau) und Datenausfälle (orange) 10

11 2.2 Beschreibung des Jahresgangs von g c Tageswerte der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus Tageswerten von LE Ref (Kreissymbole) sowie Effekte der Schließungslücke d.h. g c abgeleitet aus Tageswerten von LE EC bzw. LE EB (Whisker); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c 11

12 2.2 Beschreibung des Jahresgangs von g c Fazit: aufbauend auf Tageswerten von LE bzw. ET Jahresgang von g c NICHT vollständig beschreibbar g c,max NICHT eindeutig bestimmbar Ł neuer Ansatz: Bestimmung von Tageswerten von g c aus mittleren Tageswerten von LE Tagesgängen Berechnung aus mittleren niederschlagsfreie Halbstundenwerte + Abtrocknungsperiode (nachts 5h, tags 3h), RH < 90 %, VPD > 1.5 hpa, T a > 5 C Erstellung mittlerer Tagesgänge im Zeitfenster +/- 5 Tage Ableitung repräsentativer Tageswerte Ableitung g c 12

13 2.2 Beschreibung des Jahresgangs von g c Tageswerte der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus Tageswerten von LE Ref (Kreissymbole) sowie Effekte der Schließungslücke d.h. g c abgeleitet aus Tageswerten von LE EC bzw. LE EB (Whisker) und Tageswerte der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang von LE Ref (rote Linie); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c 13

14 2.2 Beschreibung des Jahresgangs von g c Tageswerte der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus Tageswerten von LE Ref (Kreissymbole) sowie Effekte der Schließungslücke d.h. g c abgeleitet aus Tageswerten von LE EC bzw. LE EB (Whisker) und Tageswerte der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang von LE Ref (rote Linie) bzw. LE EC und LE EB (strichpunktierte Linien); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c 14

15 2.3 Methodik zur Abgrenzung eines repräsentativen g c,max Jahresgang der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang von LE Ref (rote Linie) bzw. LE EC und LE EB (strichpunktierte Linien); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c Jahresgang der Light Use Efficiency LUE, dünne Linie: Tageswerte, dicke Linie: gleitendes Mittel (+/-5 Tage); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c 15

16 2.3 Methodik zur Abgrenzung eines repräsentativen g c,max Jahresgang der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang von LE Ref (rote Linie) bzw. LE EC und LE EB (strichpunktierte Linien); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c Jahresgang der Light Use Efficiency LUE, dünne Linie: Tageswerte, dicke Linie: gleitendes Mittel (+/-5 Tage); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c Bestimmung repräsentatives g c,max aus mittlerem Tagesgang im Zeitfenster 0.8 LUE max 16

17 3.1 Repräsentatives Maximum der Bestandesleitfähigkeit g c Repräsentatives Maximum der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang im Zeitfenster 0.8 LUE max, Datengrundlage: LE Ref (Kreis) 17

18 3.1 Repräsentatives Maximum der Bestandesleitfähigkeit g c Repräsentatives Maximum der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang im Zeitfenster 0.8 LUE max, Datengrundlage: LE Ref (Kreis), LE EC (roter Pfeil) und LE EB (blauer Pfeil) 18

19 3.1 Repräsentatives Maximum der Bestandesleitfähigkeit g c Repräsentatives Maximum der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang im Zeitfenster 0.8 LUE max, Datengrundlage: LE Ref (Kreis), LE EC (roter Pfeil) und LE EB (blauer Pfeil); zum Vergleich Variation der Tageswerte von g c basierend auf LE Ref (schwarzer Boxplot) 19

20 3.1 Repräsentatives Maximum der Bestandesleitfähigkeit g c Repräsentatives Maximum der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang im Zeitfenster 0.8 LUE max, Datengrundlage: LE Ref (Kreis), LE EC (roter Pfeil) und LE EB (blauer Pfeil); zum Vergleich Variation der Tageswerte von g c basierend auf LE Ref (schwarzer), LE EC (roter) und LE EB (blauer Boxplot) 20

21 3.2 Analyse und Bewertung des Einflusses der Schließungslücke Simulierte und gemessene Tageswerte von ET für das Zeitfenster 0.8 LUE max, ET Ref (Kreissymbol), Whisker indizieren Bereich zwischen ET EC bzw. ET EB ; Beispiel: Winterraps (2010) 21

22 3.2 Analyse und Bewertung des Einflusses der Schließungslücke Sensitivität der Simulationsergebnisse bezüglich Effekten der Schließungslücke; links: g c, max abgeleitet von LE EC, Mitte: g c, max abgeleitet von LE Ref, rechts: g c, max abgeleitet von LE EB Referenzwerte: ET Ref (Kreissymbol), Whisker ET EC bzw. ET EB Beispiel: Winterraps (2010), Zeitfenster 0.8 LUE max 22

25 3.2 Analyse und Bewertung des Einflusses der Schließungslücke Evaluierung der Simulationsergebnisse bezüglich Effekten der Schließungslücke und der Datengrundlage; R²: Bestimmtheitsmaß, RMSE: Root Mean Square Error Kreis: g c, max abgeleitet von LE Ref 25

26 3.2 Analyse und Bewertung des Einflusses der Schließungslücke Evaluierung der Simulationsergebnisse bezüglich Effekten der Schließungslücke und der Datengrundlage; R²: Bestimmtheitsmaß, RMSE: Root Mean Square Error Kreis: g c, max abgeleitet von LE Ref, roter Pfeil: g c, max abgeleitet von LE EC, blauer Pfeil: g c, max abgeleitet von LE EB 26

27 3.3 Analyse der vegetationsspezifischen Repräsentativität Sensitivität der Simulationsergebnisse bezüglich der Datengrundlage zur Bestimmung von g c, max links: LE Ref, Untersuchungsperiode 2010; rechts: LE Ref, Vergleichsperiode 2005 Referenzwerte: ET Ref (Kreissymbol), Whisker ET EC bzw. ET EB Beispiel: Winterraps (2010), Zeitfenster 0.8 LUE max 27

28 3.3 Analyse der vegetationsspezifischen Repräsentativität Evaluierung der Simulationsergebnisse bezüglich Effekten der Schließungslücke und der Datengrundlage; R²: Bestimmtheitsmaß, RMSE: Root Mean Square Error Kreis: g c, max abgeleitet von LE Ref, roter Pfeil: g c, max abgeleitet von LE EC, blauer Pfeil: g c, max abgeleitet von LE EB schwarz: g c,max von Untersuchungsperiode, grau: g c, max von Vergleichsperiode 28

29 3.3 Analyse der vegetationsspezifischen Repräsentativität Evaluierung der Simulationsergebnisse bezüglich Effekten der Schließungslücke und der Datengrundlage; R²: Bestimmtheitsmaß, RMSE: Root Mean Square Error Kreis: g c, max abgeleitet von LE Ref, roter Pfeil: g c, max abgeleitet von LE EC, blauer Pfeil: g c, max abgeleitet von LE EB schwarz: g c,max von Untersuchungsperiode, grau: g c, max von Vergleichsperiode 29

30 3.3 Analyse der vegetationsspezifischen Repräsentativität Effekt unterschiedlicher Untersuchungsperioden deutlich geringer als Effekt der Schließungslücke erhobene Parametersätze sind vegetationsspezifisch 30

31 3.4 Zusammenfassung Schließungslücke hat massiven Einfluss auf erhobenes g c (sowohl im Jahresgang als auch auf g c,max ) deutlicher Einfluss auf RMSE des Simulationsergebnisses Quantität des Simulationsergebnis Untergeordnete Bedeutung auf R² allgemeine Charakteristik und tendenzielles Verhalten unbeeinflusst vegetationsspezifische Charakteristik von g c bleibt erhalten erhobene Parametersätze von g c,max sind repräsentativ 31

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 32

33 Anhang 33

34 Zusammenfassung Jahresgang von g c deutlich durch phänologische Entwicklung geprägt g c,max tritt vor Erreichen der maximalen Wuchshöhe bzw. des maximalen LAI auf Skalierung muss auf Grundlage phänologischer Kennzahlen z.b. BBCH- Code erfolgen g c von unbewachsenen Boden in ähnlicher Größenordnung wie g c von photosynthetisch aktiven Pflanzen Bedeutung der Bodenverdunstung (Verdunstung aus Bodenmatrix) von vielen hydrologischen Modellen unterschätzt bzw. unzureichend berücksichtigt Schließungslücke hat massiven Einfluss auf erhobenes g c deutlicher Einfluss auf RMSE des Simulationsergebnisses Untergeordnete Bedeutung auf R² erhobene Parametersetze von g c spiegeln vegetationsspezifische Charakteristik wieder 34

35 Analyse des Jahresgangs von g c Maximum vor Begin der Fruchtreife kleine Werte zu Begin der Vegetationsperiode Minimum am Ende der Reifephase Jahresgang der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang von LE Ref (rote Linie) bzw. LE EC und LE EB (strichpunktierte Linien); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c 35

36 Analyse des Jahresgangs von g c Jahresgang der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang von LE Ref (rote Linie) bzw. LE EC und LE EB (strichpunktierte Linien); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c unplanmäßige Zwischenbegrünung durch Verkrautung und Selbstaussaat 36

37 Analyse des Jahresgangs von g c Maximum bzw. sehr hohe g c - Werte vor Erreichen von h c,max Jahresgang der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang von LE Ref (rote Linie) bzw. LE EC und LE EB (strichpunktierte Linien); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c 37

38 Analyse des Jahresgangs von g c Bei allen Kulturen: Maximum von g c vor Erreichen von h c,max Maximum immer noch aktives Pflanzenwachstum erkennbar Jahresgang der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang von LE Ref (rote Linie) bzw. LE EC und LE EB (strichpunktierte Linien); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c 38

39 Analyse des Jahresgangs von g c Jahresgang der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang von LE Ref (rote Linie) bzw. LE EC und LE EB (strichpunktierte Linien); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c g c von brachen Boden in gleicher Größenordnung wie g c aktiver Pflanzen 39

40 Analyse des Jahresgangs von g c Maximum immer noch aktives Pflanzenwachstum erkennbar Jahresgang der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang von LE Ref (rote Linie) bzw. LE EC und LE EB (strichpunktierte Linien); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c 40

41 Analyse des Jahresgangs von g c Jahresgang der Bestandesleitfähigkeit g c abgeleitet aus mittlerem Tagesgang von LE Ref (rote Linie) bzw. LE EC und LE EB (strichpunktierte Linien); grau hinterlegt: Vegetationshöhe h c g c von brachen Boden in selber Größenordnung wie g c aktiver Pflanzen 41