Links between local scale and catchment scale measurements and modelling of gas exchange processes over land surfaces
Final Report Abstract
Das Projekt beruht auf der Beobachtung, dass etablierte Mess- und Modellieransätze für den Gasaustausch zwischen Landoberflächen und der Atmosphäre kaum zur Charakterisierung räumlicher Unterschiede im Maßstabsbereich zwischen 1 m und 100 m geeignet sind. Unser Ansatz zur Minderung dieses Problem beruhte auf einer Kombination von lokalen und Grenzschichtmessungen, wie Kammern, Eddy-Kovarianz-Stationen, Flugmessungen und mehreren Modellieransätzen für die gesamte Grenzschicht. Räumlich verteilte Kammermessungen sind zwar zur Charakterisierung z.B. der Bodenatmung unentbehrlich, können unseren Untersuchungen zufolge jedoch durch Nutzung statistischer Methoden zur Reduktion der Messpunkte langfristig kaum effizienter gestaltet werden. Als aussichtsreich erwiesen sich hingegen ein Ansatz zum Downscaling verteilter Eddy-Kovarianz-Messungen und die Entwicklung einer großen (1.7 m² Grundfläche) Kammer für den Nettoaustausch von CO2 und die Evapotranspiration; insbesondere der letztgenannte Ansatz erwies sich als robust. Die resultierenden Datensätze und Diskussionen ihrer Unsicherheiten trugen zu mehreren Studien über die Bodenatmung, Photosynthese, Evapotranspiration und Energiebilanzschließung bei. Zudem konnten wir zeigen, dass Prozesse und Zustandsvariablen aus der oberen Grenzschicht wie z.B. Entrainment oder die Mitteltemperatur der Mischungsschicht einen deutlichen Einfluss auf Turbulenzmessungen an der Oberfläche ausüben können. Der Einfluss auf die gemessenen Flüsse bleibt zwar gering, ist jedoch deutlich in einigen andere Statistiken höherer Ordnung nachweisbar, wie z.B. der Fluss-Varianz-Ähnlichkeit oder der Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung turbulenter Schwankungen. Es wurden sowohl einfache Modellansätze zur Beschreibung solcher Abhängigkeiten entwickelt, als auch Weiterentwicklungen atmosphärischer Modelle wie COSMO und zugehöriger Oberflächenmodelle, die eine prozessbasierte Beschreibung der stomatären Leitfähigkeit beinhalten.
Publications
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(2011): Temporal down-scaling of soil CO2 efflux measurements based on time-stable spatial patterns. Vadose Zone J. 10:239-251
Graf A, Prolingheuer N, Schickling A, Schmidt M, Schneider K, Schüttemeyer D, Herbst M, Huisman JA, Weihermüller L, Scharnagl B, Steenpass C, Harms R, Vereecken H
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(2012): Analyzing spatiotemporal variability of heterotrophic soil respiration at the field scale using orthogonal functions. Geoderma 181:91-101
Graf A, Herbst M, Weihermüller L, Huisman JA, Prolingheuer N, Bornemann L, Vereecken H
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(2012): Improved initial conditions of soil moisture for mesoscale models using a new data assimilation approach. AGU Fall Meeting, H33F-1383, San Francisco, USA, 03.-07.12.2012
Willms D, Keller JD, Masbou M, Ohlwein CA, Simmer C
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(2013): Gas exchange and surface heterogeneity in numerical weather prediction models. TR32-HOBE International Symposium, Bonn, 11.-14.03.2013
Willms D, Masbou M, Schüttemeyer D, Graf A, Simmer C
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(2013): Sensitivity and uncertainty of analytical footprint models according to a combined natural tracer and ensemble approach. Agricultural and Forest Meteorology 169:1-11
van de Boer A, Moene AF, Schüttemeyer D, Graf A
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(2013): Validation of a minimum microclimate disturbance chamber for net ecosystem flux measurements. Agricultural and Forest Meteorology 174-175:1-14
Graf A, Werner J, Langensiepen M, van de Boer A, Schmidt M, Kupisch M, Vereecken H
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(2014): A modeling approach of vegetable gas exchange in numerical weather prediction models. COSMO User Seminar, Offenbach, 17.-19.03.2014
Willms D, Masbou M, Simmer C
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(2014): Detection of Entrainment Influences on Surface-Layer Measurements and Extension of Monin-Obukhov Similarity Theory. Boundary-Layer Meteorology 152:19-44
van de Boer A, Moene AF, Graf A, Schüttemeyer D, Simmer C
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(2014): Intercomparison of methods for the simultaneous estimation of zero-plane displacement and aerodynamic roughness length from single-level eddy-covariance data. Boundary-Layer Meteorology 151:373-387
Graf A, van de Boer A, Moene AF, Vereecken H
