Vergleichende Analyse der Energiebilanz zweier Untersuchungsflächen der Landnutzungen Grasland und Wald in der südlichen Oberrheinebene

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1 Vergleichende Analyse der Energiebilanz zweier Untersuchungsflächen der Landnutzungen Grasland und Wald in der südlichen Oberrheinebene Jutta Rost der Universität Freiburg

2 Vergleichende Analyse der Energiebilanz zweier Untersuchungsflächen der Landnutzungen Grasland und Wald in der südlichen Oberrheinebene 1. Einleitung 2. Datengrundlage 3. Ergebnisse 3.1 Verfügbare Energie 3.2 Turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme 3.3 Thermische Größen 4. Zusammenfassung der Ergebnisse

3 Problematik: (i) Landnutzungsänderungen haben Auswirkungen auf die CO 2 - Speicherfähigkeit (ii) Änderungen der Landnutzung haben direkte physikalische Auswirkungen auf die atmosphärische Grenzschicht durch Beeinflussung der Rauigkeitsparameter, des Emissionsvermögens, des Reflexionsvermögens sowie der Vertikalprofile (iii) Viele bisherige Untersuchungen beschränken sich auf kurzfristige Messkampagnen (Wicke und Bernhofer, 1996), weit voneinander entfernt liegende Messstandorte (Kessler und Jaeger, 1999) oder klimatische Größen (Xia et al., 1999) Einleitung

4 Ziel: Quantifizierung der Differenzen der energetischen Bedingungen über zwei verschiedenen grünen Landnutzungsarten über einen mehrjährigen Zeitraum (3/1992-9/1996, REKLIP) Kiefernwald: Forstmeteorologische Messstelle Hartheim des Meteorologischen Instituts der Universität Freiburg Pinus sylvestris L. mittlere Bestandeshöhe: ca. 12 m Bestandesdichte: Bäume/ha Grasland: ehemaliger Fliegerhorst Bremgarten (ca. 3.1 km südöstlich von der Hartheimer Messstelle) Einleitung - Ziel

5 Oberrheingraben Untersuchungsgebiet Datengrundlage - Standorte Quelle: REKLIP, 1995

6 1 km Messstelle Hartheim: Waldkiefer Bremgarten: Grasland N Datengrundlage - Standorte

7 Bremgarten (Grasland) Globalstrahlung G, Reflexstrahlung R Summe der Strahlungsflüsse aus dem oberen und dem unteren Halbraum Windgeschwindigkeit U (1 m) Lufttemperatur T a (2 m & 1 m) Feuchttemperatur T f (2 m & 1 m) Bodentemperaturen T b (1 cm, 3 cm, 5 cm, 1 cm, 2 cm, 4 cm) Bodenwärmefluss B Niederschlag N Datengrundlage - Standorte

8 Hartheim (Kiefernwald) Globalstrahlung G, Reflexstrahlung R (über dem Bestand) Summe der Strahlungsflüsse aus dem oberen und dem unteren Halbraum (über dem Bestand) Windgeschwindigkeit U (ca h c ) Lufttemperatur T a (ca h c ) Feuchttemperatur T f (ca h c ) Bodentemperaturen T b Bodenwärmefluss B Bodenfeuchte BF (Monatsmittel) Freiland-Niederschlag N Datengrundlage - Standorte

9 δn (%) Sep Jun Aug Mai Jul Bremgarten März September 1996 Okt Mrz sonst zu kalt und zu trocken Nov Apr T a (K) Dez Feb in den Übergangsjahreszeiten zu kalt und zu nass im Winter zu warm Jan Datengrundlage - Witterung

10 Grasland: VE := R n -B = H + V Wald: VE := R n -B-J = H + V R n H V R n H V z = d + z z = J z = B Energiebilanz - Vorzeichenkonvention B

11 5 mittlerer Tagesgang März September G G 4 G (W/m²) 3 2 a G 3 2 a (%) 1 a W Zeit (MEZ) Energiebilanz - Globalstrahlung

12 43 mittlerer Tagesgang März September E G 8 E (W/m²) E W -8 E (W/m²) E = E W -E G Zeit (MEZ) -24 Energiebilanz langwellige Ausstrahlung

13 32 mittlerer Tagesgang März September R n,w R n (W/m²) Wald/Grasland R n,g Rn,W / R n,g Zeit (MEZ).7 Energiebilanz Gesamtstrahlungsbilanz

14 Januar April B, J (W/m 2 ) 4 2 B G B W JW (B+J) W B, J (W/m 2 ) Zeit (MEZ) Juli Zeit (MEZ) Oktober Phasenverschiebung 4 4 Winter: B G (B+J) W B, J (W/m 2 ) 2 B, J (W/m 2 ) 2 Sommer: B G > (B+J) W Zeit (MEZ) Zeit (MEZ) Energiebilanz Subsurface Flüsse

15 VE (W/m²) Kiefernwald Grasland Monatsmittelwerte März September 1996 VE W =.71 G W R² =.965 VE G =.55 G G R² = G (W/m²) Energiebilanz verfügbare Energie

16 Bowen-Ratio-Energy-Balance-Methode (BREB) Ansatz: geschlossene Energiebilanz; Bowen-Ratio β β = H / V = [c p T a / z] / [L v q/ z] H = [β/(1+ β)] VE V = [1/(1+ β)] VE Vorteil: Inputgrößen sind klimatologische Größen (R n, T a, q) Nachteil: bei atmosphärischen Zuständen nahe adiabatischer Schichtung nicht anwendbar große Fehler bei kleinen Gradienten Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

17 Penman-Monteith-Gleichung Ansatz: potenzielle Verdunstung wird durch Koeffizienten, welche die atmosphärische Schichtung (r a ) und die Stomataregulation (r c ) berücksichtigen, modifiziert V = [L v ETP Penman ] [1+(γ/(γ +δ)) (r c /r a )] -1 Vorteil: Berücksichtigung von pflanzenphysiologischen Aspekten über den Stomatawiderstand Nachteil: exakte Wiedergabe des Stomatawiderstandes benötigt viele Messgrößen (z.b. Bodenwasserpotenzial) Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

18 Bulk-Verfahren Ansatz: Aerodynamischer Ansatz turbulente Wärmeflüsse proportional zum Produkt U T a bzw. U q H = -ρ c p c H U(z 2 ) [T a (z 2 )-T a (z m )] V = -ρ c p c q U(z 2 ) [q(z 2 )-q(z m )] Vorteil: Messungen der verfügbaren Energie fließen nicht in die Berechnungen ein Schichtung der atmosph. Grenzschicht wird über MO- Korrektur berücksichtigt Nachteil: Feuchte und Temperatur an der Oberfläche nur schwer zu bestimmen starke Abhängigkeit von der gewählten Oberflächenrauigkeit Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

19 6 5 4 BREB Penman-Monteith, res bulk Kiefernwald HartX-Kampagne BREB: große Datenlücken bulk: H unterschätzt H (W/m²) Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

20 BREB-Verfahren H = [β/(1+ β)] VE V = [1/(1+ β)] VE Fehlwert? Penman-Monteith Fehlwert? V = [L v ETP Penman ] [1+(γ/(γ +δ)) (r c /r a )] -1 H = VE - V Bulk-Formeln H = -ρ c p c H U(z 2 ) [T a (z 2 )-T a (z 1 )] V = VE - H Datenreihe für H und V mit möglichst wenig Ausfällen Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

21 7 angewandte Verfahren März September Kiefernwald Grasland rel. Häufigkeit (%) BREB Pen-Mon bulk Fehlwert Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

22 .1 mittlerer Tagesgang März September dt a /dz (K/m) Wald/Grasland dt a,g /dz dt a,w /dz dt a /dz(wald/grasland) Zeit (MEZ).2 Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

23 .2 mittlerer Tagesgang März September 1996 dq,w /dz 2 dq/dz (g/kg m) Wald/Grasland dq,g /dz dq/dz(wald/grasland) Zeit (MEZ) -4 Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

24 1 8 6 H (Wald) H (Grasland) Monatsmittelwerte März September 1996 H, V (W/m²) H W > H G Dez & Jan: H W < H G Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

25 1 8 6 H (Wald) V (Wald) H (Grasland) V (Grasland) Monatsmittelwerte März September 1996 H, V (W/m²) Unterschiede zwischen V W und V G geringer Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

26 H (Wald) H (Grasland) mittlerer monatlicher Tagesgang März September 1996 Wald: größere Tagesmaxima und geringere Tagesminima (besonders im Sommer) H (W/m²) Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

27 3 mittlerer monatlicher Tagesgang März September V (Wald) V (Grasland) 2 V (W/m²) Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

28 6 Tagessummen der Verdunstung März September V W (mm/d) V W =.99 V G +.1 R² = V G (mm/d) Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

29 2 Tagesmittelwerte März September H W (W/m²) H W = 1.21 H G R² = H G (W/m²) Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

30 Normierte Flüsse fühlbarer und latenter Wärme mit R n > 1 W/m² : V G /VE V W /VE H G /VE H W /VE Mrz 1992-Sep Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

31 Normierte Flüsse fühlbarer und latenter Wärme mit R n > 1 W/m² : V G /VE V W /VE H G /VE H W /VE Mrz 1992-Sep Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

32 Normierte Flüsse fühlbarer und latenter Wärme mit R n > 1 W/m² : V G /VE V W /VE H G /VE H W /VE Mrz 1992-Sep ausreichende Wasserversorgung ( ) ( ) (i) CDSI = ΣN/ ΣETP > 1 (ii) CDSI (Tag n ) > CDSI (Tag n-1 ) (iii) Wassersäule des Bodenwassergehaltes > permanenter Welkepunkt Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

33 Normierte Flüsse fühlbarer und latenter Wärme mit R n > 1 W/m² : V G /VE V W /VE H G /VE H W /VE Mrz 1992-Sep ausreichende Wasserversorgung ( ) Wassermangel ( ) ( ) (i) CDSI = ΣN/ ΣETP < 1 (ii) CDSI (Tag n ) < CDSI (Tag n-1 ) (iii) Wassersäule des Bodenwassergehaltes < permanenter Welkepunkt Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

34 Normierte Flüsse fühlbarer und latenter Wärme mit R n > 1 W/m² : V G /VE V W /VE H G /VE H W /VE Mrz 1992-Sep ausreichende Wasserversorgung ( ) Wassermangel ( ) ( ) (i) CDSI = ΣN/ ΣETP < 1 (ii) CDSI (Tag n ) < CDSI (Tag n-1 ) (iii) Wassersäule des Bodenwassergehaltes < permanenter Welkepunkt Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

35 Thermische Größen

36 Grasland mittlere Tagesgänge der Lufttemperatur 12 Januar April 1.6 T a ( C) T a,2 m T a,1 m T a T a (K) T a ( C) T a (K) Zeit (MEZ) Juli Zeit (MEZ) Oktober T a ( C) T a (K) T a ( C) T a (K) Zeit (MEZ) Zeit (MEZ) Thermische Größen - Lufttemperatur

37 14 Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften Kiefernwald mittlere Tagesgänge der Lufttemperatur z/h c Januar Zeit (MEZ) Juli 5 4 ( C) z/h c April Zeit (MEZ) Oktober ( C) ( C) ( C) z/h c z/h c Zeit (MEZ) Zeit (MEZ) Thermische Größen - Lufttemperatur

38 tägl. Amplitude (Ta) (K) Monatsmittelwerte März September m, Wald 1 m, Grasland Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Thermische Größen - Lufttemperatur

39 tägl. Amplitude (Ta) (K) Monatsmittelwerte März September m, Wald 12 m, Wald 29 m, Wald 2 m, Grasland 1 m, Grasland Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Thermische Größen - Lufttemperatur

40 Fazit I: Die in der Literatur beschriebene Dämpfung der Tagesamplituden der Lufttemperatur im Stammraum eines Waldbestandes konnte am Untersuchungsstandort Hartheim aufgrund nicht abfließender Kaltluft nicht beobachtet werden. Die vertikalen Gradienten sind über dem Wald deutlich verringert. Zusammenfassung

41 Fazit II: Dem Wald steht bei gleichem Energie-Input mehr Energie zur Umwandlung in andere Wärmeflüsse zur Verfügung. Unterschiede in der verfügbaren Energie werden hauptsächlich durch die unterschiedliche Albedo verursacht und im geringeren Ausmaß durch die unterschiedliche langwellige Ausstrahlung. Normiert auf die verfügbare Energie ist die Evapotranspiration über dem Grasland größer als über dem Kiefernwald. Bei Trockenstress verringert sich die Differenz zwischen den normierten Verdunstungsflüssen beider Landnutzungen. Zusammenfassung

42 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

43 Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften