Advection at a forest site – an updated approach

Advektion im Wald – neue Methoden

The exchange of carbon dioxide (CO2) across the vegetation-atmosphere interface of a spruce forest was investigated. Horizontal and vertical advection are recognized as important terms of the Net Ecosystem Exchange (NEE) budget in addition to the commonly measured turbulent flux and storage flux. Direct advection measurements are challenging because of the instrumental accuracy required to observe small concentration gradients and small wind velocities and because of the spatio-temporal measuremThe exchange of carbon dioxide (CO2) across the vegetation-atmosphere interface of a spruce forest was investigated. Horizontal and vertical advection are recognized as important terms of the Net Ecosystem Exchange (NEE) budget in addition to the commonly measured turbulent flux and storage flux. Direct advection measurements are challenging because of the instrumental accuracy required to observe small concentration gradients and small wind velocities and because of the spatio-temporal measurement resolution required to observe complex 3-D flow phenomena. This work presents an experimental multi-analyzer setup for the observation of horizontal CO2 concentration gradients with high temporal resolution and good spatial resolution with no tradeoff between the two. A statistical approach was developed to correct for inter-instrument bias by applying a conditional time dependent bias correction. This approach relies on properties of probability density distributions of concentration differences between one sample point and the spatial average of the sample point field. Sub-canopy CO2 concentration gradients observed with the above presented system showed a high spatial variability which was dependent on vegetation structure. Local concentration perturbations correlated with statistical properties of coherent structures and were explained by vertical exchange between CO2 enriched sub-canopy air and low concentration above-canopy air. The small-scale variability of CO2 concentration gradients brings into question the representativity of horizontal advection measurements for the control volume if observed with a low spatial resolution. Vertical advection estimates rely on accurate measurements of vertical wind velocity (w). Different procedures were applied during coordinate rotation to align the coordinate system of the sonic anemometer with the long-term stream lines. Spatial variability of the wind field was addressed by a sector-wise coordinate rotation. An investigation of temporal aspects of vertical wind velocity showed significant contributions from low frequencies in the spectrum of w. The impact of the data set length used for coordinate rotation on w and on vertical advection was investigated and observed to be large. A sequential coordinate rotation with controlled window length was proposed. Advection contributed significantly to NEE during the night and during transition periods at the Waldstein-Weidenbrunnen (DE-Bay) FLUXNET site. Daily NEE budgets were more realistic, compared to NEE from turbulent flux and storage change alone, if direct advection measurements from continuous and bias corrected gradient sampling were included, reducing the estimated daily carbon sequestration of the forest by almost 50 %.show moreshow less
Der Austausch von Kohlendioxid (CO2) zwischen der Vegetation eines Fichtenwaldes und der Atmosphäre ist Gegenstand dieser Studie. Horizontale und vertikale Advektion sind wichtige Terme des Netto-Ökosystem-Austauschs (NEE), zusätzlich zum typischerweise gemessenen turbulenten Fluss und Speicherterm. Kleine Konzentrationsgradienten und Windgeschwindigkeiten sowie die notwendige räumlich-zeitliche Messauflösung zur Beobachtung des 3-D Strömungsfeldes stellen große Anforderungen an die Genauigkeit Der Austausch von Kohlendioxid (CO2) zwischen der Vegetation eines Fichtenwaldes und der Atmosphäre ist Gegenstand dieser Studie. Horizontale und vertikale Advektion sind wichtige Terme des Netto-Ökosystem-Austauschs (NEE), zusätzlich zum typischerweise gemessenen turbulenten Fluss und Speicherterm. Kleine Konzentrationsgradienten und Windgeschwindigkeiten sowie die notwendige räumlich-zeitliche Messauflösung zur Beobachtung des 3-D Strömungsfeldes stellen große Anforderungen an die Genauigkeit der Instrumente bei der experimentellen Erfassung der Advektion. Ein experimenteller Aufbau zur Messung horizontaler CO2-Konzentrationsgradienten wird vorgestellt, der sich durch eine hohe zeitliche und gute räumliche Auflösung auszeichnet, ohne dass sich die beiden gegenseitig einschränken. Ein statistisches Verfahren wurde entwickelt, um relative Fehler zwischen den Geräten mit einer konditionalen, zeitabhängigen Korrektur zu beseitigen. Dazu werden Eigenschaften von Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen von Konzentrationsunterschieden zwischen einem einzelnen Messpunkt und dem räumlichen Durchschnitt aller Punkte verwendet. Derart beobachtete Konzentrationsgradienten waren räumlich variabel und abhängig von der Vegetationsstruktur. Die lokalen Konzentrationsabweichungen korrelierten mit statistischen Eigenschaften kohärenter Strukturen und wurden teilweise als Ursache von vertikalem Austausch zwischen der CO2 reichen bodennahen Luft und der abgereicherten Luft oberhalb der Krone erklärt. Die Bestimmung der vertikalen Advektion erfordert genaue Messungen des Vertikalwinds (w). Unterschiedliche Ansätze wurden bei der Rotation des Ultraschallanemometer-Koordinatensystems entsprechend dem Langzeit-Strömungsfeld verwendet. Die räumliche Variabilität des Windfeldes konnte durch sektorweise Koordinatenrotation berücksichtigt werden. Eine Untersuchung zeitlicher Aspekte zeigte einen bedeutenden niederfrequenten Anteil des Vertikalwindspektrums. Die zur Koordinatenrotation verwendete Datensatzlänge hatte großen Einfluss auf den rotierten Vertikalwind und damit auf die vertikale Advektion. Daher wurde eine sequentielle Rotation mit bewusst gewählter Fensterlänge vorgeschlagen. Advektion an der Waldstein-Weidenbunnen (DE-Bay) FLUXNET Messstelle zeigte einen bedeutenden Anteil am NEE während der Nacht und während Übergangszeiten. Tagessummen des NEE waren realistischer wenn direkte Advektionsmessungen unter Verwendung kontinuierlicher und statistisch korrigierter Gradientmessungen berücksichtigt wurden im Vergleich zu NEE, welcher nur aus turbulentem Fluss und Speicherterm bestimmt wurde, und verursachten eine Verringerung der geschätzten täglichen Kohlenstoffaufnahme des Waldes um nahezu 50 %.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Geowissenschaften
Author: Lukas Siebicke
Advisor: Thomas Foken
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:19.01.2011
Year of Completion:2010
SWD-Keyword:Advektion; Gasaustausch; Kohlendioxid; Mikrometeorologie
Tag:Advection; carbon dioxide; gas exchange; micrometeorology
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-7676
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):24.01.2011