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

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

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

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

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: 375 175 Bäume/ha Grasland: ehemaliger Fliegerhorst Bremgarten (ca. 3.1 km südöstlich von der Hartheimer Messstelle) Einleitung - Ziel

Oberrheingraben Untersuchungsgebiet Datengrundlage - Standorte Quelle: REKLIP, 1995

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

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

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. 1.-2.4 h c ) Lufttemperatur T a (ca..2-2.4 h c ) Feuchttemperatur T f (ca..2-2.4 h c ) Bodentemperaturen T b Bodenwärmefluss B Bodenfeuchte BF (Monatsmittel) Freiland-Niederschlag N Datengrundlage - Standorte

δn (%) 15 14 13 12 11 1 9 8 7 6 5 Sep Jun Aug Mai Jul Bremgarten März 1992 - September 1996 Okt Mrz sonst zu kalt und zu trocken Nov Apr -4-3 -2-1 1 2 3 4 T a (K) Dez Feb in den Übergangsjahreszeiten zu kalt und zu nass im Winter zu warm Jan Datengrundlage - Witterung

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

5 mittlerer Tagesgang März 1992 - September 1996 5 4 G G 4 G (W/m²) 3 2 a G 3 2 a (%) 1 a W 1 3 6 9 12 15 18 21 24 Zeit (MEZ) Energiebilanz - Globalstrahlung

43 mittlerer Tagesgang März 1992 - September 1996 16 41 E G 8 E (W/m²) 39 37 E W -8 E (W/m²) 35-16 E = E W -E G 33 3 6 9 12 15 18 21 24 Zeit (MEZ) -24 Energiebilanz langwellige Ausstrahlung

32 mittlerer Tagesgang März 1992 - September 1996 1.6 28 R n,w 1.5 24 1.4 R n (W/m²) 2 16 12 8 Wald/Grasland R n,g 1.3 1.2 1.1 1. Rn,W / R n,g 4.9.8-4 3 6 9 12 15 18 21 24 Zeit (MEZ).7 Energiebilanz Gesamtstrahlungsbilanz

Januar April B, J (W/m 2 ) 4 2 B G B W JW (B+J) W B, J (W/m 2 ) 4 2-2 6 12 18 24 Zeit (MEZ) Juli -2 6 12 18 24 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 -2 6 12 18 24 Zeit (MEZ) -2 6 12 18 24 Zeit (MEZ) Energiebilanz Subsurface Flüsse

VE (W/m²) 3 25 2 15 1 5 Kiefernwald Grasland Monatsmittelwerte März 1992 - September 1996 VE W =.71 G W - 21.3 R² =.965 VE G =.55 G G - 17.2 R² =.963-5 5 1 15 2 25 3 G (W/m²) Energiebilanz verfügbare Energie

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

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

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

6 5 4 BREB Penman-Monteith, res bulk Kiefernwald HartX-Kampagne BREB: große Datenlücken bulk: H unterschätzt H (W/m²) 3 2 1-1 14 15 16 17 18 19 2 21 22 14.-22.5.1992 Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

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

7 angewandte Verfahren März 1992 - September 1996 6 Kiefernwald Grasland rel. Häufigkeit (%)... 5 4 3 2 1 BREB Pen-Mon bulk Fehlwert Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

.1 mittlerer Tagesgang März 1992 - September 1996 1. dt a /dz (K/m).8.6.4.2. -.2 Wald/Grasland dt a,g /dz dt a,w /dz.9.8.7.6.5.4 dt a /dz(wald/grasland) -.4.3 -.6 3 6 9 12 15 18 21 24 Zeit (MEZ).2 Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

.2 mittlerer Tagesgang März 1992 - September 1996 dq,w /dz 2 dq/dz (g/kg m).1. -.1 -.2 -.3 Wald/Grasland dq,g /dz 1-1 -2-3 dq/dz(wald/grasland) -.4 3 6 9 12 15 18 21 24 Zeit (MEZ) -4 Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

1 8 6 H (Wald) H (Grasland) Monatsmittelwerte März 1992 - September 1996 H, V (W/m²) 4 2-2 -4 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

1 8 6 H (Wald) V (Wald) H (Grasland) V (Grasland) Monatsmittelwerte März 1992 - September 1996 H, V (W/m²) 4 2-2 -4 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

3 25 2 H (Wald) H (Grasland) mittlerer monatlicher Tagesgang März 1992 - September 1996 Wald: größere Tagesmaxima und geringere Tagesminima (besonders im Sommer) H (W/m²) 15 1 5-5 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

3 mittlerer monatlicher Tagesgang März 1992 - September 1996 25 V (Wald) V (Grasland) 2 V (W/m²) 15 1 5-5 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

6 Tagessummen der Verdunstung März 1992 - September 1996 5 V W (mm/d) 4 3 2 1 V W =.99 V G +.1 R² =.759-1 -1 1 2 3 4 5 6 V G (mm/d) Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

2 Tagesmittelwerte März 1992 - September 1996 15 H W (W/m²) 1 5-5 H W = 1.21 H G + 7.2 R² =.781-1 -1-5 5 1 15 2 H G (W/m²) Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

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 1996.588.471.412.528 Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

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 1996.588.471.412.528 Energiebilanz turbulente Flüsse fühlbarer und latenter Wärme

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 1996.588.471.412.528 ausreichende Wasserversorgung ( ).597.47.43.53 ( ) (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

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 1996.588.471.412.528 ausreichende Wasserversorgung ( ).597.47.43.53 Wassermangel ( ).452.429.548.562 ( ) (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

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 1996.588.471.412.528 ausreichende Wasserversorgung ( ).597.47.43.53 Wassermangel ( ).452.429.548.562 ( ) (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

Thermische Größen

Grasland mittlere Tagesgänge der Lufttemperatur 12 Januar 1.6 16 April 1.6 T a ( C) 1 8 6 4 T a,2 m T a,1 m T a 1.2.8.4 T a (K) T a ( C) 14 12 1 8 1.2.8.4 T a (K) 2 -.4 6 -.4 6 12 18 24 -.8 26 Zeit (MEZ) Juli 1.6 4 6 12 18 24 -.8 16 Zeit (MEZ) Oktober 1.6 24 1.2 14 1.2 T a ( C) 22 2 18.8.4 T a (K) T a ( C) 12 1 8.8.4 T a (K) 16 -.4 6 -.4 14 6 12 18 24 -.8 Zeit (MEZ) 4 6 12 18 24 -.8 Zeit (MEZ) Thermische Größen - Lufttemperatur

14 Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften Kiefernwald mittlere Tagesgänge der Lufttemperatur z/h c 2. 1. 4 3 4 4 Januar. 6 12 18 24 Zeit (MEZ) 5 4 4 5 Juli 5 4 ( C) 4.5 3.5 3 2.5 2 4 1.5 z/h c 2. 1. 8 6 6 April. 6 12 18 24 Zeit (MEZ) 8 5 1 2 8 8 1 12 14 1 Oktober 12 12 1 8 ( C) 12 1 8 6 4 2. 18 18 2 22 24 24 22 ( C) 22 2. 1 12 12 1 ( C) 11 16 2 2 1 z/h c 1. 18 18 16 z/h c 1. 9 8 14 7. 16 18 18 6 12 18 24 Zeit (MEZ) 2 22 24 12. 12 1 8 6 12 18 24 Zeit (MEZ) 12 12 6 Thermische Größen - Lufttemperatur

tägl. Amplitude (Ta) (K) 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Monatsmittelwerte März 1992 - September 1996 29 m, Wald 1 m, Grasland Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Thermische Größen - Lufttemperatur

tägl. Amplitude (Ta) (K) 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Monatsmittelwerte März 1992 - September 1996 2 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

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

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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften