Umweltmeteorologie
Prof. Dr. Otto Klemm
3. Wasserdampffluss
Wasserdampffluss - Übersicht
Der vertikale Fluss von Wasserdampf zwischen Oberfläche und Atmosphäre ist von sehr großer Bedeutung weil
• sehr viel Energie umgesetzt wird
• der Transpirationsstrom im Stoffwechsel der Pflanzen eine zentrale Rolle einnimmt
• der Evapotranspirationsstrom ein zentrales Element im Wasserhaushalt des Ökosystem ist
• der Wassergehalt der Troposphäre dadurch ansteigt.
Wasserdampffluss - Übersicht
Die Messung beschäftigt Hydrologen und andere Wissenschaftler seit vielen Jahren. Es gibt unterschiedliche methodische Ansätze und Verfahren
• Eddy – Kovarianz: ein direktes Verfahren (besprechen wir später)
• Bowen – Ratio - Verfahren
• Lysimeter - Verfahren
• Penman – Verfahren + Penman - Monteith
• Dalton - Verfahren
• Turk - Verfahren
• Haude - Verfahren
• Wassereinzugs – Bilanz - Verfahren
• SVAT - Modelle
Bowen – Ratio - Verfahren
Anwendungsfall (Normalfall):
Der Wasserdampffluss W kann nicht direkt gemessen werden
Bowen - Verhältnis Bo:
E
HBo
Das Verhältnis des fühlbaren zum latenten Wärmefluss ist normalerweise
positiv (d.h. die Flüsse gehen in die selbe Richtung).
In unseren Breiten ist 0 < Bo < 1
über dem Meer gilt: Bo 0.1, über bewässerten Kulturen ist Bo 0.2, über
Wiese Bo 0.5, in semiariden Gebieten Bo 5, Wüste: Bo 10.
Bowen – Ratio – Verfahren: Durchführung
E
HBo
0EHBQS
dz
dKcH zpturb
dz
dqKρLE W
Energiebilanz wird = 0 gesetzt
Die Strahlungsbilanz Qs ist messbar
fühlbarer Wärmefluss
latenter Wärmefluss
q = spezifische Feuchte:
Bo
BQE S
1
e378,0p
e622,0
MM
Mq
WL
W
Bowen – Ratio – Verfahren: Durchführung
E
HBo dz
dKcH zpturb
dz
dqKρLE W
Bo
BQE S
1
der Bodenwärmestrom B wird gemessen (wird häufig als B = 0.1·QS (tagsüber) und B = 0.5·QS (nachts) approximiert)
dzdq
KL
dzd
KcBo
W
Zp
zW KK Annahme!
dqL
dcBo p
Bowen – Ratio – Verfahren: Durchführung
cp = 1004 J kg-1 K-1
L = 2.50 · 106 J kg-1 (bei 0°C
2.5749 bei 30 °C; 2.4300 bei +30 °C)
.667,0622,0
1 erkonstPsychrometKhPaL
pcp
e
T667.0Bo
dqL
dcBo p
p
e
ep
e
MM
Mq
WL
W 622,0378,0
622,0
Bo
BQE S
1
Bo
BoBQH S
1
)(
L
EW
W: Wasserdampffluss
H: fühlbarer Wärmefluss
23
12105.2ˆ1
m
W
sm
g
21245ˆ1
m
W
sm
molm
eL
pc
ep
L
c
p
eL
cBo ppp
622.01622.0622.0
T
Bowen – Ratio - Verfahren
man beachte dass:
• Bo nur für Zeiträume > 1d anwendbar ist. Hier ist eine Genauigkeit von 30 % zu erwarten
• die gemessene Energiebilanz nicht immer geschlossen ist
• die Annahme KZ = KW nicht immer richtig ist
• Temperaturen (und e) sehr präzise gemessen werden müssen.
Für die Qualitätssicherung ist es zu erwägen Zeiten mit kleinen T – Werten aus der Auswertung auszuschließen
• das Verfahren keinen „Wind“ enthält, obwohl gerade der Wind für den turbulenten Austausch sorgt.
Für die Qualitätssicherung ist es zu erwägen, Zeiten mit kleinen Windgeschwindigkeiten (z.B. U < 1 m s-1) aus der weiteren Auswertung auszuschließen
• das Gelände muss im Luv ausreichend homogen sein, so dass keine internen Grenzschichten entstehen können.
Für die Qualitätssicherung kann es nötig sein, die Windrichtung mitzumesssen und entsprechende Sektoren aus der Auswertung auszuschließen.
Bowen – Ratio - Verfahren
Standortwahl:• Der Standort für Messungen muss ein ebenes, homogenes Gelände sein.
• Die beiden Messpunkte müssen möglichst weit (vertikal) auseinander montiert werden, so dass T und e möglichst groß und damit präzise bestimmbar sind.
Die untere Höhe sollte etwa das Doppelte der Bestandeshöhe betragen. Als Höhenverhältnis wird Faktor 8 empfohlen.
während der Vegetationsperiode können Höhenanpassungen notwendig sein.
• Die maximal mögliche Höhe ergibt sich aus der Länge x des ungestörten Windfeldes: zmax 0.3 · x½
Penman - Verfahren
Das Penman - Verfahren hat „große Tradition“, es gibt
unterschiedliche Varianten. Sogar die Herleitungen sind in der
Literatur nicht einheitlich. In Abhängigkeit von den aktuellen
Randbedingungen können unterschiedliche Varianten vorteilhaft sein.
Das Penman - Verfahren bestimmt die potentielle Evapotranspiration
von einer freien Wasseroberfläche bzw. die potenzielle
EvapotranspirationDie entscheidenden Faktoren sind
1. die durch die einfallende Stahlungsbilanz bereitgestellte Energie
für die Verdunstung, und
2. der Abtransport des Wasserdampfs von der Wasseroberfläche;
dieser wird durch die Windgeschwindigkeit und den
Dampfdruckgradienten bestimmt.
Penman - Verfahren
Das Penman - Verfahren hat „große Tradition“, es gibt
unterschiedliche Varianten. Sogar die Herleitungen sind in der
Literatur nicht einheitlich. Wiederum in Abhängigkeit von den
aktuellen Randbedingungen können unterschiedliche Varianten
vorteilhaft sein. Hier wird die Original-Version nach Penman (1948)
vorgestellt (nach Arya, 1988) .
„Energieterm“ „Ventilationsterm“
L
e)*(e f(U)
L
BQET S
pot
ETpot potentielle Evapotranspiration kg m-2 s-1
e* Sättigungs-Wasserdampfdruck hPa
= Steigung der Wasserdampfsättigungskurve hPa K-1
Psychrometerkonstante 0,667 hPa K-
1
U horizontale Windgeschwindigkeit in Höhe z m s-1
f(U) „Transferkoeffizient für Wasserdampf“, in Analogie zum Diffusionskoeffizienten
m s-1
dTde*
Penman - Verfahren
)53.00.1(43.6)( UUf
000116.0)8072.0)15.273(80073.0(20.0 7 T empirisch angepasst
empirisch angepasst
für die Anwendung werden benötigt: Messungen von T, Qs, B, U
und e
Die Messungen werden normalerweise in einer Höhe von z = 2
m über Grund durchgeführt.
Genauigkeit der Ergebnisse: ca. 20 - 40 % für Integrationszeiten
zwischen Tagen und Jahren.
In Spezialfällen können auch zeitliche Auflösungen im Bereich von
Stunden erreicht werden. Dafür muss allerdings der Ventilationsterm
aufwändiger parameterisiert werden.
14.06.2003 15.06.2003 16.06.2003 17.06.2003 18.06.2003
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
ET
po
t / g
m-2 s
-1
Datum
Energieterm Ventilationsterm ET
pot
Penman - Verfahren
Praktikum „Rieselfelder“, Sommer 2003
eine andere Variante besteht darin, den Ventilationsterm einfach
wegzulassen:
Penman – Verfahren
diese Version den Penman-Gleichung wird relativ viel angewandt. Man
benötigt lediglich Daten von T und Qs - B.
L
BQET S
pot
je richtiger und genauer man die reale Evapotranspiration
quantifizieren möchte, desto ausführlicher muss man auf die
Verfügbarkeit des Wassers im Boden, auf die Wasserleitfähigkeit der
Pflanzen, und auf den Abtransport in der Grenzschicht eingehen. Eine
sehr häufig verwendete Version ist die nach Monteith:
Penman – Verfahren
Quelle: Häckel. 1999
Penman – Monteith - Verfahren
Dieses Verfahren wird sehr viel angewendet
)1((
)*(cB)Q(
ETpS
a
s
a
r
rL
ree
ET aktuelle Evapotranspiration kg m-2 s-1
ra aerodynamischer Widerstand s m-1
rs „surface resistance“, Widerstand der Oberflächen s m-1
Dichte der Luft kg m-3
Die Schwierigkeit besteht in der Bestimmung von ra und rs
Penman – Monteith - Verfahren
wz
H
H
w
w
Uk
zdz
z
dz
2
00a
lnln
r
zw Höhe der Windmessung m
zH Höhe der Temperatur- und Feuchtemessung m
z0w Rauhigkeitslänge für den Impulstransport m
z0H Rauhigkeitslänge für den Wärme und Wasserdampftransport
m
d Verdrängungshöhe m
U Windgeschwindigkeit in Höhe zw m s-1
k von Karmann - Konstante 0.40d wird abgeschätzt mit d = 0.666 · Bestandeshöhe
z0w wird abgeschätzt mit z0w = 0.123 · Bestandeshöhe
z0H wird abgeschätzt mit z0H = 0.1 z0w
diese Art der Parameterisierung ist für neutrale Schichtung vorgesehen
Penman – Monteith - Verfahren
Der Widerstand rs hängt von der Vegetation ab (LAI, Jahreszeit, …).
Es gibt sehr aufwändige Verfahren zur Bestimmung von rs, aber dies nicht im Sinne der Durchführung eines einfachen Verfahrens.
Deshalb wird rs abgeschätzt für
Wiese: rs = 70 s m-1
alfalfa: rs = 45 s m-1
Wasserdampf - Fluss: Dalton - Verfahren
Das Dalton - Verfahren bestimmt die Evaporation von Wasser von
freien Wasserflächen:
zc e*eubaW
Das Turk - Verfahren, ebenfalls zur Bestimmung der Evaporation von
Wasseroberflächen, verlässt sich auf Messung von Temperatur und
Globalstrahlung:
Wasserdampf - Fluss: Turk - Verfahren
258T
273)(T0.0933209)(KWW
Wasserdampf - Fluss: Haude - Verfahren
Das vielleicht einfachste Verfahren ist das Haude - Verfahren. Es
bestimmt auch die potentielle Evapotranspiration
)e*(efW 1414i
Obwohl Tageswerte benötigt werden, ist das Verfahren bestenfalls für
die Bestmmung monatlicher Mittel der Verdunstung geeignet.
Mon
at
Wie
se
Rasen
Mais
Zu
cker
rüb
ern
Win
ter
Weize
n
Bu
ch
e
Fic
hte
Hafe
r
Rog
- g
en
Win
ter-
Gers
te
1 0.20 0.20 0.11 0.11 0.11 0.01 0.08 0.11 0.11 0.11
2 0.20 0.20 0.11 0.11 0.11 0.00 0.04 0.11 0.11 0.11
3 0.25 0.23 0.11 0.11 0.17 0.04 0.14 0.11 0.17 0.17
4 0.29 0.24 0.17 0.15 0.24 0.10 0.35 0.15 0.23 0.24
5 0.29 0.29 0.21 0.23 0.33 0.23 0.39 0.34 0.30 0.37
6 0.28 0.29 0.24 0.30 0.41 0.28 0.34 0.44 0.36 0.38
7 0.26 0.28 0.25 0.37 0.37 0.32 0.31 0.45 0.36 0.32
8 0.25 0.26 0.26 0.33 0.28 0.26 0.25 0.30 0.27 0.22
9 0.23 0.23 0.21 0.26 0.15 0.17 0.20 0.19 0.15 0.15
10 0.22 0.20 0.18 0.20 0.11 0.10 0.13 0.11 0.11 0.11
11 0.20 0.20 0.11 0.11 0.11 0.01 0.07 0.11 0.11 0.11
12 0.20 0.20 0.11 0.11 0.11 0.00 0.05 0.11 0.11 0.11
Haude – Faktoren fi: (mm d-1)
Wasserdampf - Fluss: Haude - Verfahren
aus: Häckel, 1999