MORE I Experimentelle Erfassung von CO 2 Advektionsprozessen

MORE I: Experimentelle Erfassung von CO 2 -Advektionsprozessen im Tharandter Wald C. Feigenwinter 1, C. Bernhofer 2, R. Vogt 1 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 CO 2 -Flüsse CO 2 Messungen mit IRGA Vertikale Profile von Wind und CO 2 Resultate MORE I : NEE, advektive Flüsse CO 2 Schlussfolgerungen und Ausblick MORE II

Fragestellung: CO 2 Kreislauf Globaler Kohlenstoff. Kreislauf

Kohlenstoffkreislauf im (Wald-)Ökosystem EUROFLUX Site aus: Aubinet et al. , 2002 Stoffaufbau: Global change biol. Latitude Fragestellung: CO 2 Kreislauf Growing season length Annual Carbon (days) sequestration [g C m-2 y-1] (1996 -2001) In Blättern und Pflanzenteilen mit Blattgrün Assimilation, Photosynthese Hyytialla 61° 51‘ 189 -235 (Licht, Chlorophyll, 2822 k. J/mol Glucose) (conifer) 6 CO 2 + 6 H 2 O Norunda 60° 05‘ C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 150 > 400 Tharandt Stoffabbau: (conifer) 550 -670 (conifer)(chemische Energie, -2822 k. J/mol Glucose) 50° 58‘ 220 -230 Energiebedarf für Zellteilung, Nährstofftransport, etc. wird Vielsalm 50° 18‘ 240 durch Abbau von Zucker gewonnen. Dissimilation, Atmung (conifer) Bordeaux (conifer) 44° 42‘ NEE für ein Waldökosystem Soroe 55° 29‘ (NEE = Net Ecosystem Exchange) (beech) Vegetationsperiode Vielsalm (März bis Oktober) (beech) 50° 18‘ Ruhephase Hesse 44° 05‘ (beech) (November bis Februar) Collelongo (beech) 41° 52 270 Tag Nacht -200 600 -790 550 147 140 -220 210 390 -580 157 80 -300 135 440 -660

Fragestellung: CO 2 im Wald Experimentelle Erfassung des CO 2 -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))

Experimental setup: Übersicht Ankerstation Tharandter Wald Höhenmodell 50° 58‘ N, 13° 34‘ E Landnutzung 375 m a. s. l. Hangneigung Exposition Annual mean temp. 7. 7° Annual mean precip. 819 mm

Experimental setup: Situation 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 CO 2 -Konzentration Messungen: Vertikalprofile an P 1, P 2 und P 3 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

Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO 2 -Profile Vergleich der CO 2 -Messungen für 3 Kalibrierperioden (MORE I)

Das Sampling Problem während MORE I Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO 2 -Profile sampling at P 1: every 8 minutes 3 samples every 15 s (15 s purging) 30 min. mean out of 9 values sampling at P 4: every 2 minutes 14 samples every 1 s ( 6 s purging) 30 min. mean out of 210 values 1 h 6 h P 1 – P 4 2 m level P 1 – P 4 26 m level 12 h 24 h

Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO 2 -Profile Nachtsituation Konstruktion der Vertikalprofile der CO Tagsituation 2 -Konzentration ØErmitteln der Koeffizienten ai für mit den Messungen P 2, P 3 für z={0. 1, 0. 3, 0. 5, 1. 0, 2. 0, 8. 0, 26. 0} m ØKoeffizienten ai werden klassifiziert nach der Konzentrationsdifferenz c(2 m)-c(26 m), welche an P 1, P 2 und P 3 mit demselben IRGA gemessen wurde. ØMessungen für z={0. 1, 0. 3, 0. 5, 1. 0, 8. 0} m werden gemäss Formel mit den entsprechenden Koeffizienten ai modelliert. ØIn 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. ØEs wird angenommen, dass die nur bei P 1 gemessene CO 2 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.

Nicht turbulente Advektionsterme: vertikale Windkomponente Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme Vertikalprofil der mittleren vertikalen Wind-Komponente mit und Mittlere CO 2 Konzentration im Volumen unterhalb zr (Lee, 1998) 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)

Nicht turbulente Advektionsterme: vertikale Windkomponente Bestimmung von a 0= 3. 3° (offset), a 1= 2. 07° (amplitude) und a 2= 23. 1° (phase shift) Periode Januar-Dezember 2001

Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme: horizontaler CO 2 -Gradient Nicht turbulente Advektionsterme Horizontaler CO 2 -Gradient Die CO 2 Konzentrationen c 1, 2, 3 (als z-Koordinate) an den Eckpunkten P 1, 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 CO 2 -Gradient

Nicht turbulente Advektionsterme: vertikales Windprofil Theorie und Methodik Nicht turbulente Advektionsterme vertikales Windprofil Aus den Messungen in 42 m (P 1), 2. 5 m und 0. 5 m (P 1, P 2, P 3) soll ein vertikales Windprofil konstruiert werden, welches für das gesamte Kontrolvolumen repräsentativ sein soll. ØÜber dem Bestand (zd + z 0) < z < 42 m mit ØIm Bestand 0 < z < (zd + z 0) zd = 0. 7 h z 0 = 0. 08 h u*= 0. 2 U(42 m) Modifiziert mit Bremsfunktion (nach Joss, 1996; Cowan, 1968) mit k 0: max. Bremswirkung k 1: 1/Kronenlänge (normiert) k 2: Höhe der max. Bremswirkung (normiert)

Nicht turbulente Advektionsterme: vertikales Windprofil zd = 0. 7 h z 0 = 0. 08 h u*= 0. 2 U(42 m) k 0: 0. 85 (max. Bremswirkung) 85 % k 1: 5 1/Kronenlänge 8 m k 2: 0. 5 Höhe der max. Bremswirkung 21 m

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

Resultate: Meteorologische Bedingungen während der Messkampagne MORE I (20. 9. bis 9. 10. 2001) DOY 263 -282 über dem Bestand im Stammraum (2. 0 m) im Stammraum (0. 5 m) Resultate: meteorolog. Bedingungen

Vertikale Advektion: Resultate: horizontale Advektion Vertikale Windkomponente in Abhängigkeit der Stabilität (DOY 263 -282) CO 2 -Konzentrationsdifferenzen dicke Linien: dünne Linien: Symbole: [µmol s-1 m-2] c(40 m) - c(26 m) c(40 m) - c(2 m) c(40 m) - c Tag Nacht 0 5

Horizontale Advektion: Resultate: horizontale Advektion Mittlere Windverhältnisse während MORE I (DOY 263 -282) Mittlere horizontale CO 2 -Gradienten während MORE I (DOY 263 -282)

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

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

Resultate: CO 2 -Flüsse im Überblick Mittlerer Tagesgang (DOY 263 -283) [g C m 2 d-1] 00: 0008: 0016: 0024: 00 Horizontale Advektion -1. 78 0. 80 -1. 25 -2. 23 Vertikale Advektion 1. 52 -0. 20 1. 19 2. 51 Speicheränderung -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 Total day Differenz: 0. 18 g C m 2 d-1 (20 %)

Schlussfolgerungen und Ausblick Schlussfolgerungen 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 CO 2 -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 Vertikalgradienten praktisch gleich null, währendem der horizontale Gradient besteht. Durch die horizontale Advektion wird dadurch die tägliche CO 2 Senke um ca. 20 % reduziert. Eine Überschätzung der CO 2 -Senke ist deshalb nicht nur auf die Unterschätzung 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 CO 2 -Konzentrationen 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 CO 2 -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 CO 2 -budget in and above a forest canopy, submitted to Boundary-Layer Meteorology