MORE I: Experimentelle Erfassung von CO2-Advektionsprozessen im Tharandter Wald

C. Feigenwinter1, C. Bernhofer2, R. Vogt1

1 Universität Basel, Institut für Meteorologie,Klimatologie und Fernerkundung2 TU-Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie, Meteorologie

MCR LabMeteorology – Climatology – Remote Sensing

University of Basel

Fragestellung

Übersicht Ankerstation und experimental setup MORE I (More measurements in the ORE mountains)

Theorie und Methodik

Nicht turbulente advektive CO2-Flüsse

CO2 Messungen mit IRGA

Vertikale Profile von Wind und CO2

Resultate

MORE I : NEE, advektive Flüsse CO2

Schlussfolgerungen und Ausblick MORE II

Globaler Kohlenstoff-

Kreislauf

Fragestellung: CO2 Kreislauf

Stoffaufbau:In Blättern und Pflanzenteilen mit BlattgrünAssimilation, Photosynthese

(Licht, Chlorophyll, 2822 kJ/mol Glucose)

6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6  + 6 O2 

(chemische Energie, -2822 kJ/mol Glucose)

Stoffabbau:Energiebedarf für Zellteilung, Nährstofftransport, etc. wird durch Abbau von Zucker gewonnen.Dissimilation, Atmung

NEE für ein Waldökosystem(NEE = Net Ecosystem Exchange)

Tag Nacht

Vegetationsperiode(März bis Oktober) Ruhephase(November bis Februar)

Kohlenstoffkreislauf im (Wald-)ÖkosystemFragestellung: CO2 -Kreislauf

EUROFLUX Siteaus:Aubinet et al., 2002Global change biol.

Latitude Growing season length (days)

Annual Carbon sequestration [g C m-2 y-1](1996-2001)

Hyytialla(conifer)

61°51‘ 189-235 > 400

Norunda(conifer)

60°05‘ 150 -200

Tharandt(conifer)

50°58‘ 220-230 550-670

Vielsalm(conifer)

50°18‘ 240 600-790

Bordeaux(conifer)

44°42‘ 270 550

Soroe(beech)

55°29‘ 147 140-220

Vielsalm(beech)

50°18‘ 210 390-580

Hesse(beech)

44°05‘ 157 80-300

Collelongo(beech)

41°52 135 440-660

NEEdzztSrz

0

),( rz

dzt

zc

0

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rz

dzz

zczw

0

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rz

dzy

zczv

x

zczu

0

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Experimentelle Erfassung des CO2 -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))

x

y

z

Fragestellung: CO2 im Wald

Übersicht Ankerstation Tharandter Wald

Höhenmodell

Hangneigung

Landnutzung

Exposition

50°58‘ N, 13°34‘ E

375 m a.s.l.

Annual mean temp. 7.7°

Annual mean precip. 819 mm

Experimental setup: Übersicht

P1

P2

P3

P2

P3

MORE I : Sep/Oct 2001

MORE II: Mai/Oct 2003

Experimental setupSituationsplan

N

0 m 50 m50 m

ASTW

Experimental setup: Situation

Experimental setup MORE I

P1anchor station

P2

P3

Experimental setup MORE I

Gas-Multiplexerand IRGA

(LiCor 6262)

26.0 m

8.0 m

2.0 m

1.0 m

0.5 m0.3 m0.1 m

2.5 m

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

26.0 m

8.0 m

2.0 m

1.0 m

0.5 m0.3 m0.1 m

Gas-Multiplexerand IRGA

(LiCor 6262)

2.5 m

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

Gas-Multiplexerand IRGA

(LiCor 6262) q,co2

q,co2

CampbellCR23X

Data Logger

u',v',w','

u',v',w','

PIP LabviewEC data acquisition

system

u',v',w',',co2

u',v',w','

u',v',w','

u',v',w','

2 x Gill R2

Gill HSLiCor 7500

Gill R2

2 x CSat 3

Experimental setup MORE I

26.0 m

8.0 m

2.0 m

1.0 m

0.3 m

37.0 m

40.0 m

33.0 m

Gas-Multiplexerand IRGA

(LiCor 6262)

0.5 m

2.5 m

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

q,co2

u',v',w','42.0 m

Rs ,Rn,,u,rh

Rl ,,u,rh,,RR

Rs ,Rn,,rhRR

,rh,u

,rh,u

CampbellCR 21X

Data Logger

EdiSol PCEC data

acquisitionsystem

IRGA (LiCor 6262)

q',co2'

u',v',w','

u',v',w','

3x METEK

Experimental setup: Instrumentation

Experimental setup: Instrumentation

Design by Andi Christen, MCR Lab

Experimental setup: Instrumentation

Theorie und MethodikNicht turbulente Advektionsterme

rz

dzz

zczw

0

)()(

rz

dzy

zczv

x

zczu

0

)()(

)()(

)(zc

)(zcVertikalprofile der CO2-Konzentration

Messungen: Vertikalprofile an P1, P2 und P3

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 CO2-Profile

Vergleich der CO2 -Messungen für 3 Kalibrierperioden (MORE I)

Das Sampling Problem während MORE I

sampling at P1: every 8 minutes 3 samples every 15 s (15 s purging) 30 min. mean out of 9 values

sampling at P4: every 2 minutes 14 samples every 1 s ( 6 s purging) 30 min. mean out of 210 values

1 h 6 h

12 h 24 h

P1 – P4 2 m level

P1 – P4 26 m level

Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO2-Profile

)(zc

)(zcKonstruktion der Vertikalprofile der CO2-Konzentration

Es wird angenommen, dass die nur bei P1 gemessene CO2-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.

Ermitteln der Koeffizienten ai für mit den Messungen P2, P3 für z={0.1,0.3,0.5,1.0,2.0,8.0,26.0} m

)(ln)ln()( 2110 zazaazc

Koeffizienten ai werden klassifiziert nach der Konzentrationsdifferenz c(2 m)-c(26 m), welche an P1, P2 und P3 mit demselben IRGA gemessen wurde.

Messungen für z={0.1,0.3,0.5,1.0, 8.0} m werden gemäss Formel mit den entsprechenden Koeffizienten ai modelliert.

In 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.

TagsituationNachtsituation

Nicht turbulente Advektionsterme: Vertikale CO2-Profile

)()(

)(0

ccwdzz

zczw rr

r

zz

z

mit

rz

r

dzzcz

c0

)(1

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)

)sin(tan 210

22aaavuww

rrrr zzmeasuredzz

rzw

Theorie und MethodikNicht turbulente Advektionsterme

rz

dzz

zczw

0

)()(

rz

dzy

zczv

x

zczu

0

)()(

)()(

)(zw Vertikalprofil der mittleren vertikalen Wind-Komponente

undr

z

z

w

z

zw r

)( (Lee, 1998)

Mittlere CO2 Konzentrationim Volumen unterhalb zr

Nicht turbulente Advektionsterme: vertikale Windkomponente

Bestimmung von

a0= 3.3° (offset), a1= 2.07° (amplitude) und a2= 23.1° (phase shift)

Periode Januar-Dezember 2001

)sin(tan 210

22aaavuww

rrrr zzmeasuredzz

Nicht turbulente Advektionsterme: vertikale Windkomponente

Die CO2 Konzentrationen c1,2,3 (als z-Koordinate) an den Eckpunkten P1,2,3 spannen zusammen mit den räumlichen Koordinaten (als x(north),y(east)-Koordinaten) eine Ebene auf, welche mit der folgenden Gleichung beschrieben werden kann:

Theorie und MethodikNicht turbulente Advektionsterme

rz

dzz

zczw

0

)()(

rz

dzy

zczv

x

zczu

0

)()(

)()(

Horizontaler CO2-Gradient

Nicht turbulente Advektionsterme: horizontaler CO2-Gradient

y

zc

x

zc

)(

,)(

C

zB

y

zc

C

zA

x

zc

zDCzyzBxzAzczczcz

PPPy

PPPx

yyy

xxx

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)()(

0)()()(0

1111

)()()(

321

321

321

mit der Einheit [ppm m-1] oder [mol m-4]

Nicht turbulente Advektionsterme: horizontaler CO2-Gradient

Aus den Messungen in 42 m (P1), 2.5 m und 0.5 m (P1,P2,P3) soll ein vertikalesWindprofil konstruiert werden, welches für das gesamte Kontrolvolumen repräsentativ sein soll.

Theorie und MethodikNicht turbulente Advektionsterme

rz

dzz

zczw

0

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rz

dzy

zczv

x

zczu

0

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vertikales Windprofil

Nicht turbulente Advektionsterme: vertikales Windprofil

)(),( zvzu

Über dem Bestand (zd + z0) < z < 42 m

0

* ln)(z

zz

k

uzU d

zd = 0.7 hmit z0 = 0.08 h

u*= 0.2 U(42m)

Im Bestand 0 < z < (zd + z0) )(ln)( 10 zfzaazU

Modifiziert mit Bremsfunktion(nach Joss, 1996; Cowan, 1968)

2

22

10 exp1)( kz

zkkzf

r

k0: max. Bremswirkungmit k1: 1/Kronenlänge (normiert)

k2: Höhe der max. Bremswirkung (normiert)

2

22

10 exp1)( kz

zkkzf

r

Nicht turbulente Advektionsterme: vertikales Windprofil

0

* ln)(z

zz

k

uzU d

)(ln)( 10 zfzaazU

k0: 0.85 (max. Bremswirkung) 85 %k1: 5 1/Kronenlänge 8 mk2: 0.5 Höhe der max. Bremswirkung 21 m

zd = 0.7 hz0 = 0.08 hu*= 0.2 U(42m)

Theorie und MethodikNicht turbulente Advektionsterme

rz

dzz

zczw

0

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rz

dzy

zczv

x

zczu

0

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Nicht turbulente Advektionsterme: Zusammenfassung

ccwdzz

zczw rr

r

zz

z

0

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rz

dzy

zczv

x

zczu

0

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Vertikale Advektion

Horizontale Advektion

Resultate:Meteorologische Bedingungen während der MesskampagneMORE 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:

Vertikale Windkomponente in Abhängigkeit der Stabilität (DOY 263-282)

CO2-Konzentrationsdifferenzendicke Linien: c(40 m) - c(26 m)dünne Linien: c(40 m) - c(2 m)Symbole: c(40m) - c

[µmol s-1 m-2]

Tag Nacht

0 5

ccw rr zz

ccwdzz

zczw rr

r

zz

z

0

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Resultate:horizontale Advektion

Horizontale Advektion:

rz

dzy

zczv

x

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0

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)()(

Mittlere Windverhältnisse während MORE I (DOY 263-282)Mittlere horizontale CO2-Gradienten während MORE I (DOY 263-282)

Resultate:horizontale Advektion

Horizontale Advektion:

Mittlere horizontale Advektion während MORE I DOY 263-282

Resultate:horizontale Advektion

rz

dzy

zczv

x

zczu

0

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)()(

Total

Tagcanopy

trunk space

* = * = 0

* = * =

Nachtcanopy

trunk space

* = 0

* = * = * =

x

zczu

)(

)(y

zczv

)(

)(

Horizontale Advektion:

Mittlerer Tagesgang

Resultate:horizontale AdvektionTotal

Tagcanopy

trunk space

* = * = 0

* = * =

Nachtcanopy

trunk space

* = 0

* = * = * =

x

zczu

)(

)(y

zczv

)(

)(

Resultate:CO2-Flüsse

CO2-Flüsse im Überblick

Mittlerer Tagesgang (DOY 263-283)

[g C m2 d-1]00:00-08:00

08:00-16:00

16:00-24:00

Total day

Horizontale Advektion

-1.78 0.80 -1.25 -2.23

Vertikale Advektion

1.52 -0.20 1.19 2.51

Speicher-änderung

-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

Differenz: 0.18 g C m2 d-1 (20 %)

SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen und Ausblick

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 CO2-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 Vertikal-gradienten praktisch gleich null, währendem der horizontale Gradient besteht. Durch die horizontale Advektion wird dadurch die tägliche CO2-Senke um ca. 20 % reduziert.

Eine Überschätzung der CO2-Senke ist deshalb nicht nur auf die Unter-schätzung 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.

AusblickSchlussfolgerungen 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 CO2-Konzentra-tionen 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 CO2-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 CO2-budget in and above a forest canopy, submitted to Boundary-Layer Meteorology