VERFÜGBARE ENERGIE AN VIER NADELWALDSTANDORTEN IN EUROPA Uta Moderow, Christian Bernhofer und das ADVEX-Team ) Technische Universität Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie, Professur für Meteorologie, Pienner Str. 23, 1737 Tharandt, uta.moderow@forst.tu-dresden.de 1. EINLEITUNG Als mögliche Ursache für die Schließungslücke in der Energiebilanz an der Erdoberfläche (Glg. 1) wird zunehmend auch der nicht turbulente Transport (Advektion) von sensibler und latenter Wärme diskutiert (z.b. Baldocchi and Rao, 1995; Bernhofer, 1992; Lee, 1998; Wilson, 22). Rn G J = H + L.E, (1) mit Rn Nettostrahlung, G Bodenwärmestrom, J Speicherung im Bestand, H turbulenter sensibler Wärmestrom, L.E turbulenter latenter Wärmestrom. Einer Einschätzung des Einflusses der Advektion auf die Energiebilanzschließungslücke sollte jedoch eine sorgfältige Bestimmung der verfügbaren Energie (Rn G J) voran gehen. Ziel dieser Studie war es daher die verfügbare Energie möglichst umfassend für vier Standorte in Europa (Tharandt, Deutschland; Ritten, Italien; Wetzstein, Deutschland; Norunda, Schweden) zu bestimmen und den damit verbundenen Fehler abzuschätzen. Die hierbei verwandten Daten wurden im Rahmen der Advektionsexperimente MORE II (Tharandt, 23) und ADVEX (Ritten, Wetzstein, Norunda, 25/26) erhoben. Jedoch waren diese Experimente auf eine möglichste genaue Erfassung der advektiven Komponenten der CO 2 - Bilanz ausgelegt, daher konnte nur auf eine begrenzte Anzahl von Vergleichsdaten für Energiebilanzuntersuchungen zurückgegriffen werden. 2. STANDORTE Alle, in dieser Studie betrachteten Standorte, sind im europäischen Forschungsprogramm Carbo-Europe-IP integriert. ADVEX war eine spezielle Messkampagne zu advektiven Flüssen in der CO 2 -Bilanz innerhalb von Carbo-Europe-IP in den Jahren 25 und 26 mit vier zusätzlichen, identisch instrumentierten Messtürmen (Ritten, Wetzstein, Norunda). MORE II war ebenfalls ein Advektionsexperiment mit drei zusätzlichen Messtürmen und fand bereits 23 am Standort Tharandt im Rahmen des Forschungsprojektes VERTIKO statt. Einen kurzen schematischen Überblick über die Standorte gibt Tabelle 1. 3. METHODIK Die Nettostrahlung wurde an zwei Standorten mit Pyrradiometern vom Typ Schulze-Däke (Tharandt, Norunda) und an zwei Standorten mit dem Pyrradiometer CNR 1 (Kipp&Zonen) erfasst. Nur für einen der untersuchten Standorte (Tharandt) war eine redundante Bestimmung der Nettostrahlung über ihre vier Komponenten verfügbar. Daher konzentrierten sich die C. Feigenwinter (1,7), B. Heinesch (1), M. Yernaux (1), U. Eichelmann (2), R. Queck (2), O. Kolle (3), M. Hertel (3), M. Zeri (3), W. Ziegler (3), A. Lindroth (4), M. Mölder (4), F. Lagergren (4), L. Montagnani (5), S. Minerbi (5), L. Minach (5), D. Janous (6), M. Pavelka (6), M. Acosta (6), M. Aubinet (1) et al. (1) Gembloux Agricultural University, Physique des Biosystèmes, Gembloux, Belgium, (2) TU Dresden, Institute of Hydrology and Meteorology, Department of Meteorology, Dresden, Germany, (3) Max Planck Institute for Biogeochemistry, Jena, Germany, (4) University of Lund, Physical Geography and Ecosystems Analysis, Lund, Sweden, (5) Autonomous Province of Bolzano, Forest Service, Agency of Environment, Bolzano, Italy, (6) Institute of Systems Biology and Ecology, Laboratory of Plants Ecological Physiology, Brno, Czech Republic, (7) University of Basel, Institute of Meteorology, Climatology and Remote Sensing, Basel, Switzerland
Untersuchungen auf die kurzwellige Strahlung, die den bedeutendsten Input der Nettostrahlung ausmacht. Die gemessenen Globalstrahlungsdaten wurden mit modellierten Daten (ausgewählte Strahlungstage) und Messdaten benachbarter Stationen verglichen. Das Strahlungstransfermodell Streamer (Key, 21) wurde für die Modellierung von Globalstrahlungsdaten genutzt. Weiterhin wurde das Verhältnis von Nettostrahlung zu Globalstrahlung RG betrachtet. Tabelle 1: Kurzer Überblick über die Standorte mit Schwerpunkt auf der Bestandesbeschreibung Tharandt (TH) Ritten (RE) Wetzstein (WS) Norunda (NO) Lage 5 58 N 13 34 E 46 35 N 11 26 E 5 27 N 11 27 E 6 5 N 17 28 E Höhe über NN 38 173 782 45 [m] Topographie Baumart Picea abies 85% Picea abies Picea abies Picea abies Pinus sylvestris Bestandesalter [a] 115 variabel 5 5-1 Der Bodenwärmestrom G wurde an allen vier Standorten mit oberflächlich in den Boden eingebrachten Bodenwärmestromplatten bestimmt. Aufgrund der messtechnischen Gegebenheiten konnte die Wärmespeicherung zwischen Bodenoberfläche und Wärmestromplatte nicht berechnet werden und wurde daher vernachlässigt. Jedoch wird dieser Fehler durch die oberflächennahe Installation der Bodenwärmestromplatten minimiert. Der Bestandesspeicher J wurde in seine Teilkomponenten J H (Speicherung sensibler Wärme im Bestand), J E (Speicherung latenter Wärme im Bestand), J veg (Speicherung von Wärme in der Biomasse) und J C (Speicheränderung aufgrund Photosynthese) zerlegt. Für die Bestimmung von J H und J E standen Profilmessungen an einem Turm (Tharandt) bzw. vier Türmen zur Verfügung, die linear interpoliert wurden. Das gesamte Profil wurde dafür in Schichten mit einer Dicke von.5 m unterteilt, die Speicherung für jede Schicht separat berechnet und zur Gesamtspeicheränderung aufsummiert. J veg wurde einschichtig berechnet mit einer mittleren Biomassetemperatur und der feuchten oberirdischen Biomasse des jeweiligen Standortes. Für die Bestimmung von J C wurden nach Laubach (1996) Daten der Brutto-Primärproduktion von CO 2 (GPP) des jeweiligen Standortes verwandt. 4. ERGEBNISSE 4.1 STRAHLUNG Der Vergleich von modellierten Globalstrahlungsdaten als auch der Vergleich mit gemessenen Globalstrahlungsdaten benachbarter Stationen ergaben keine Hinweise für unplausible Werte in den Strahlungsdaten. Dies wird durch die Ergebnisse der Betrachtung des Verhältnisses von Nettostrahlung zu Globalstrahlung auf Halbstundenwertbasis unterstützt (Abb. 1).
RG [W m -2 ] RG [W m -2 ] RG [W m -2 ] 1 a 75 5 25-2 2 4 6 8 1 12 Rn [W m -2 ] 3 b 2 1 1 2 3 RG Grillenburg [W m -2 ] 1 8 c 6 4 2 2 4 6 8 1 RG modelled [W m -2 ] Abb. 1: a) Verhältnis Nettostrahlung zu Globalstrahlung auf halbstündlicher Basis. b) Vergleich der gemessenen RG mit gemessener RG einer benachbarten Station, Tagesmittelwerte. c) Vergleich mit modellierten RG-Daten für ausgewählte Strahlungstage, Halbstundenwerte (Messung) bzw. Momentanwerte (Modell). Alle drei Diagramme beziehen sich auf den Standort Tharandt. 4.2 SPEICHERTERME J H and J E konnten für verschiedene Orte innerhalb eines betrachteten Bestandes berechnet werden. Dabei zeigte sich eine recht gute Übereinstimungen für die unterschiedlichen Türme. Für J H waren die Korrelationskoeffizienten >.98 (NO, WS). In Ritten, dem Standort mit der größten Heterogenität, lagen die Werte zwischen.85 and.92. Bei J E wurden leicht geringere Werte erreicht mit einem minimalen Wert von.84 und maximalen Werten.96. Eventuell kommen bei J E Unterschiede in den Standortseigenschaften um die einzelnen Türme mehr zum Tragen. J E stellte sich als der variabelste Term in der Bestandesspeicherung heraus. Der Tagesgang von J H ist durch ein Maximum am Vormittag und ein Minimum am späten Nachmittag bzw. frühen Abend gekennzeichnet (Abb. 2). W m -2 5 4 Tharandt 3 2 1-1 -2-3 -4-5 6 12 18 G J H J E J veg J C 5 Ritten Wetzstein Norunda 4 6 12 18 6 12 18 3 2 1-1 -2-3 -4 6 12 18 24-5 Abb. 2: Mittlere Tagesgänge von Bodenwärmestrom und Speichertermen im Bestand. Stundenmittel, gemittelt jeweils über die gesamte betrachtete Periode.
J veg und J C sind durch klare Tagesgänge gekennzeichnet mit maximalen Flüssen um die Mittagszeit. J veg ist nachts negativ. J C ist nachts Null, da keine Photosynthese stattfindet. Betrachtet man die Werte der Speicherterme gemittelt über die jeweils gesamte Periode, so sind J H, J E und J veg für alle Standorte vom Betrag her < 1 W m -2. J veg ist für TH, WS, NO größer als J E und J H. In Relation zur Nettostrahlung ist J veg nachts häufig der bedeutendste Speicherterm. Dies unterstreicht die Bedeutung dieses Terms relativ zu J E und J H. J C führt tagsüber dem Speicher Wärme zu und ist nachts Null. Weiterhin fanden die Experimente im Frühjahr und Sommer statt, wo die Photosynthese ihre maximalen Werte erreicht. Dies sind mögliche Ursachen dafür, dass J C für drei der betrachteten Standorte gemittelt über die jeweils gesamte Periode größer als der Bodenwärmestrom G ist. Jedoch sind beide Terme G und J C klein (< 5 W m -2 ). 4.3 VERFÜGBARE ENERGIE Aus den einzelnen Termen der linken Seite von Gleichung 1 wurde die verfügbare Energie errechnet. Bei der Abschätzung des Fehlers wurde auf Werte in der Literatur (Halldin und Lindroth, 1992; Kohsiek et al. 27; Vogt et al., 1996) zurückgegriffen. Zur Bestimmung der Fehlergrenzen wurde ein Verfahren gewählt wie es z.b. in Vogt et al. (1996) zu finden ist. Für den Standort Tharandt konnte die Nettostrahlung auf eine Referenzmessung bezogen und entsprechend einem u.a. in Vogt et al. (1996) vorgestellten Verfahren korrigiert werden. Die Unterschiede in den Fehlergrenzen (Abb. 3) beruhen vor allem auf der Verwendung von korrigierter (TH) und unkorrigierter Nettostrahlung (RE, WS, NO). Für letztere wurden die Fehler entsprechend höher eingeschätzt. Der Gesamtfehler wird somit primär durch den Fehler in der Nettostrahlung bestimmt. Während der Mittagszeit ist der absolute Fehler am größten mit mittleren Werten zwischen 27 W m -2 (TH) und 57 W m -2 (RE). Der relative Fehler erreicht maximale Werte in den Perioden zwischen Tag und Nacht bzw. Nacht und Tag, wenn die Nettostrahlung nahe Null ist. 6 Tharandt Ritten Wetzstein Norunda 45 W m -2 3 15-15 6 12 18 6 12 18 6 12 18 6 12 18 24 Abb. 3: Zwei-Stundenmittel der verfügbaren Energie gemittelt über jeweils die gesamte Periode mit oberer und unterer geschätzter Fehlergrenze (grau hinterlegte Bereiche) 5. ZUSAMMENFASSUNG UND SCHLUSSFOLGERUNGEN Für vier Nadelwaldstandorte in Europa wurde die verfügbare Energie einschließlich der Speicherterme im Bestand bestimmt und deren Fehler abgeschätzt. In Bezug auf die Nettostrahlung konnten für drei von vier Standorten nur Plausibilitätschecks und Vergleiche mit Ergebnissen von Strahlungstransfermodellierungen durchgeführt werden, da keine redundanten Messungen zur Verfügung standen. Es wurden jedoch keine groben Fehler bzw.
Unregelmäßigkeiten festgestellt, ohne dass die Kalibrierung der Geräte direkt überprüft werden konnte. Der Fehler in der verfügbaren Energie wird vornehmlich durch den Fehler in der Nettostrahlung bestimmt. Während der Mittagszeit erreicht der absolute Fehler sein Maximum mit mittleren Werten zwischen 27 W m -2 und 57 W m -2. Ein Vergleich von J H und J E berechnet für verschiedene Orte innerhalb eines Bestandes zeigte gute Übereinstimmungen. Jedoch fielen diese für J E etwas geringer aus. Zumindest für Standorte mit gering ausgeprägter Heterogenität könnten Punktmessungen für die Bestimmung von J H und J E repräsentativ sein. J veg ist häufig nachts der bedeutendste Speicherterm. J C weist tagsüber positive Werte auf und ist nachts Null. Gemittelt über die gesamte Periode war dieser Term teilweise größer als der Bodenwärmestrom G. Beide Terme sind hierbei allerdings klein (< 5 W m -2 ). Die Ergebnisse zeigen, dass Strahlungsbilanz und Speicherterme nicht a priori als vernachlässigbare Ursache der Schließungslücke anzusehen sind. LITERATUR Baldocchi DD, Rao KS (1995) Intra-field variability of scalar flux densities across a transition between a desert and an irrigated potato field. Bound-Layer Meteor 76: 19-136 Bernhofer C (1992) Applying a simple three-dimensional eddy correlation system for latent and sensible heat flux to contrasting canopies. Theor Appl Climatol 46: 163-172 Halldin S, Lindroth A (1992) Errors in net radiometry: Comparison and evaluation of six radiometer designs. J Atmos Oceanic Technol 9: 762-783 Key J (21) Streamer User s Guide, Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies, University of Wisconsin, 96 pp Kohsiek W, Liebethal C, Foken T, Vogt R, Oncley SP, Bernhofer C, Debruin HAR (27) The energy balance experiment EBEX-2. Part III: Behaviour and quality of radiation measurements. Bound-Layer Meteor 123: 55-75 Laubach J (1996) Charakterisierung des turbulenten Austausches von Wärme, Wasserdampf und Kohlendioxid über niedriger Vegetation anhand von Eddy-Korrelations-Messungen. Wissenschaftliche Mitteilungen aus dem Institut für Meteorologie der Universität Leipzig und dem Institut für Troposphärenforschung e.v., Leipzig, Band 3, pp 139 Vogt R, Bernhofer C, Gay LW, Jaeger L, Parlow E (1996) The available energy over a Scots pine plantation: What s up for partitioning? Theor Appl Climatol 53: 23-31 Wilson K, Goldstein A, Falge E, Aubinet M, Baldocchi D, Berbigier P, Bernhofer C, Ceulemanns R, Dolman H, Field C, Grelle A, Ibrom A, Law BE, Kowalski A, Meyers T, Moncrieff J, Monson R, Oechel W, Tenhunen J, Valentini R, Verma S (22) Energy balance closure at FLUXNET sites. Agric Forest Meteorol 113: 223-243