Adoption of footprint methods for the quality control of eddy-covariance measurements

Einsatz von Footprint-Methoden zur Qualitätskontrolle von Eddy-Kovarianz Messungen

Footprint models determine the spatial context of a measurement by defining a transfer function between sources or sinks of the signal and the sensor position. The resulting source area provides an important quality control tool to improve the interpretation of micrometeorological data sets. However, to date no approaches have been presented in the literature that provide a standardised footprint-based methodology that allows observers to include terrain characteristics into quality assessment aFootprint models determine the spatial context of a measurement by defining a transfer function between sources or sinks of the signal and the sensor position. The resulting source area provides an important quality control tool to improve the interpretation of micrometeorological data sets. However, to date no approaches have been presented in the literature that provide a standardised footprint-based methodology that allows observers to include terrain characteristics into quality assessment and quality control strategies. One problem in this context is the small number of studies that concentrate on the validation of footprint models under the non-ideal conditions in which they are frequently being used. Therefore, for many applications, the accuracy of the source areas computed by the footprint models cannot be evaluated. To further increase the acceptance of footprint-based studies, a stronger focus on footprint validation studies for a wide variety of experimental designs is needed. This dissertation focuses on the development of a footprint-based evaluation tool for complex measurement sites that allows the combination of quality assessment results for micrometeorological measurements with characteristics of the surrounding terrain. The standardised method is easy-to-use in order to encourage its application on a large number of sites. To improve the interpretation of the obtained results, a second objective of this thesis was to develop and test approaches to validation experiments for footprint models. Göckede et al. (2004) presented an approach for the evaluation of micrometeorological measurement sites in complex terrain, which combined a method for quality assessment of eddy-covariance measurements with an analytic footprint model. Their software package provided micrometeorologists a practical tool for determining the average flux contributions from the land use type intended to observe at a specific site, or to identify footprint areas for which a high data quality could be assumed. Rebmann et al. (2005) proved the efficiency of this evaluation approach for extensive studies on a large number of sites organised in a network. Their results may serve as a tool for an improved determination of yearly sums of the net ecosystem exchange, because fluxes originating from sectors of minor quality could be excluded from the analysis. Because of these important contributions to quality control, Foken et al. (2004) integrated the site evaluation approach into a comprehensive survey on micrometeorological post-field data quality control techniques. The experiences obtained during the extensive study by Rebmann et al. (2005) allowed us identification of the major weak points of the approach, which we were able to improve in subsequent studies. Using remote sensing methods Reithmaier et al. (2005) studied the influence of the characteristics of the land use maps and different roughness length assignment schemes on the performance of the site evaluation approach. Finally, Göckede et al. (2005a) developed an updated version of the site evaluation approach, which improved the basic method by replacing the analytic footprint model with a Lagrangian stochastic footprint model that is more suitable for studies above high vegetation, and by applying a more sophisticated microscale flux aggregation method for the determination of areally-averaged roughness lengths. Although the implemented models are far more sophisticated than in the original version, the approach by Göckede et al. (2005a) still permits a practical application that allows for comparative studies of a large number of sites. With respect to the development of validation methods for footprint models using natural tracer measurements from field scale experiments, Göckede et al. (2005b) presented two different experimental approaches. Firstly, a comparison of measured flux differences and modelled land use differences for pairs of measurement positions revealed general correlations between measurement data and model results. Secondly, Göckede et al. (2005b) tested a correlation analysis between measured and modelled parameters using reference measurements and footprint results. This approach resulted in an objective quantitative evaluation of the accuracy of the footprint model. The study by Reth et al. (2005) could not be employed for footprint validation purposes because of a large systemic scatter between these measurement systems. Overall, both the paper by Göckede et al. (2005b) and by Reth et al. (2005) provided successful methods to testing the suitability of natural tracer experiments in the validation of footprint models. Although experimental deficits prevented the working out of significant differences between the results of the employed footprint models, their studies developed an improved design for natural tracer experiments that are especially designed for footprint validation purposes.show moreshow less
Footprint-Modelle bestimmen den Einfluss des umgebenden Geländes auf eine Messung durch die Definition einer Transferfunktion zwischen Quellen oder Senken einer erfassten Größe und der Position des Sensors. Das auf diese Weise berechnete Quellgebiet stellt ein wichtiges Werkzeug für die Qualitätskontrolle mikrometeorologischer Datensätze dar. Allerdings wurde bislang noch kein Ansatz für ein standardisiertes Verfahren veröffentlicht, das mit Hilfe von Footprint-Modellen die Eigenschaften des GelFootprint-Modelle bestimmen den Einfluss des umgebenden Geländes auf eine Messung durch die Definition einer Transferfunktion zwischen Quellen oder Senken einer erfassten Größe und der Position des Sensors. Das auf diese Weise berechnete Quellgebiet stellt ein wichtiges Werkzeug für die Qualitätskontrolle mikrometeorologischer Datensätze dar. Allerdings wurde bislang noch kein Ansatz für ein standardisiertes Verfahren veröffentlicht, das mit Hilfe von Footprint-Modellen die Eigenschaften des Geländes bei der Bestimmung und Kontrolle der Datenqualität berücksichtigt. Einen problematischen Aspekt stellt in diesem Zusammenhang die geringe Anzahl von Studien dar, die auf die Validierung von Footprint-Modellen unter den komplexen Bedingungen abzielen. Aus diesem Grunde kann die Qualität von Footprint-Berechnungen für viele Anwendungen nicht eindeutig bestimmt werden. Um die Akzeptanz von Footprint-Ergebnissen weiter zu erhöhen, ist daher eine verstärkte Durchführung von Validierungsexperimenten unter Berücksichtigung einer Vielzahl verschiedener Messbedingungen notwendig. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung eines Verfahrens zur Bewertung komplexer Standorte unter Verwendung von Footprint-Berechnungen. Dieses Verfahren ermöglicht die Verbindung von Ergebnissen der Qualitätsbewertung mikrometeorologischer Messungen mit den Eigenschaften des umliegenden Geländes. Als standardisiertes und praktisches Werkzeug ist es zur Bearbeitung einer großen Anzahl von Stationen einsetzbar. Um die Interpretation der berechneten Ergebnisse zu verbessern, wurden zusätzlich Validierungsansätze für Footprint-Modelle entwickelt und getestet. Göckede et al. (2004) entwickelten ein Verfahren zur Bewertung mikrometeorologischer Standorte in komplexem Gelände, das eine Methode zur Qualitätsbestimmung von Eddy-Kovarianz-Messungen mit einem analytischen Footprint-Modell verband. Das entwickelte Programm ermöglichte unter anderem die einfache Berechnung der Flussanteile der Ziel-Landnutzungsart oder die Identifikation von Teilen des umliegenden Geländes, aus denen eine generell hohe Datenqualität zu erwarten war. Rebmann et al. (2005) demonstrierten die Effizienz dieses Verfahrens für Studien mit einer hohen Anzahl von Stationen. Derartige Untersuchungen können eingesetzt werden zur verbesserten Bestimmung der CO2-Bilanz eines Ökosystems, indem fehlerhafte oder gestörte Messdaten von den Berechnungen ausgeschlossen werden. Aufgrund dieses wichtigen Beitrags zur Interpretation von Messdaten integrierten Foken et al. (2004) dieses Verfahren in eine umfassende Zusammenstellung mikrometeorologischer Ansätze zur Qualitätskontrolle von Datensätzen. Durch die Erfahrungen aus der umfangreichen Studie von Rebmann et al. (2005) konnten einige Schwachpunkte im Verfahren identifiziert werden, von denen die wichtigsten in nachfolgenden Studien verbessert wurden. Unter Verwendung von Fernerkundungsmethoden untersuchten Reithmaier et al. (2005) den Einfluss der Eigenschaften der Geländedaten sowie die Auswirkungen des Einsatzes verschiedener Rauhigkeits-Klassifikationen auf die Durchführung des Bewertungsverfahrens. Eine grundlegend überarbeitete Version des Ansatzes wurde schließlich von Göckede et al. (2005a) vorgelegt. Diese ersetzte das analytische Footprint-Modell durch ein Vorwärts-Trajektorienmodell mit Lagrange’scher Stochastik, das zur Berechnung von Quellgebieten über hoher Vegetation besser geeignet ist. Zusätzlich wurde zur Bestimmung von flächengemittelten Rauhigkeitslängen ein hochentwickeltes mikroskaliges Flächenmittelungsmodell eingesetzt. Obwohl die implementierten Modelle deutlich aufwändiger sind als in der Grundvariante des Ansatzes, kann auch dieses Verfahren routinemäßig eingesetzt werden im Rahmen von vergleichenden Studien für eine große Anzahl von Standorten. Göckede et al. (2005b) präsentierten zwei experimentelle Ansätze zur Validierung von Footprint-Modellen mit Hilfe von Messungen natürlicher Tracer. Ein Vergleich zwischen gemessenen Fluss-Differenzen der betrachteten Größe und modellierten Landnutzungs-Differenzen ermöglichte den Nachweis eines generellen Zusammenhangs zwischen Messdaten und Modellergebnissen. Der Zusammenhang zwischen gemessenen Daten und modellierten Daten, die mit Hilfe von Referenzmessungen und Footprint-Ergebnissen erstellt worden waren ermöglichte eine Korrelationsanalyse zur objektiven quantitativen Bewertung der Güte der Footprint-Ergebnisse. Eine Studie von Reth et al. (2005) konnte durch starke Streuung der Ergebnisse aufgrund systemischer Unterschiede zwischen den eingesetzten Messtechniken nicht zur Footprint-Validierung eingesetzt werden. Obwohl es aufgrund von experimentellen Schwierigkeiten bisher nicht möglich war, signifikante Qualitätsunterschiede zwischen den Ergebnissen der eingesetzten Footprint-Modelle nachzuweisen, bilden die gewonnenen Erfahrungen eine Grundlage für die Durchführung verbesserter Validierungsexperimente mit natürlichen Tracern.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS
  • frontdoor_exportcitavi

Additional Services

    Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Institutes:Geowissenschaften
Author: Mathias Göckede
Advisor:Prof. Dr. Thomas Foken
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:04.05.2005
Year of Completion:2004
SWD-Keyword:Footprinting; Heterogenität; Mikrometeorologie; Qualitätskontrolle; Quellgebiet
Tag:Eddy-Kovarianz; Flächenmittelung; Footprint-Modelle; Standortbewertung
Micrometeorology; eddy-covariance; footprint modelling; quality control; site evaluation
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-1499
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):01.06.2005