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Messungen in der atmosphärischen Grenzschicht und Validation eines mesoskaligen Atmosphärenmodells über heterogenen Landoberflächen,

 

Abstract

 

This work reports a comprehensive investigation of the boundary layer over vegetated, non homogeneous land surfaces. The major objectives of this investigation were the experimental assessment of boundary layer structures and of energy exchange processes at the earth's surface. The investigation was conducted in the area of the "Niederrheinische Bucht", which contains a typical choice of land covers for Central Europe. The experimental results are used to validate the mesoscale atmospheric model "Lokal-Modell" (LM) of the German Weather Service with regard to boundary layer processes for different synoptical situations. The main focus of this validation are the exchange processes at the earth's surface with particular attention to evapotranspiration.
The measurements were performed using various instrumentation (profile masts and turbulence measurements, sapflow measurements, tethersondes, and radiosondes) at locations with locally representative surface types. At two days within a special measuring period, additional aircraft measurements were carried out over the investigation area near Bonn covering about 200 km2. On the one hand, this kind of measurements allowed investigations directly above forests and on the other hand, area-integrated evaluations were enabled in this way.

For this work, two case studies in summer as well as the above mentioned special measuring period in spring have been chosen for detailed analysis. During day-time conditions with high solar radiation, the typical development of a well-mixed, convective boundary layer combined with intensive exchange processes of heat and humidity at the earth's surface could be investigated at different locations (crops and bare field, orchard, clearing in a forest). Over vegetated surfaces evapotranspiration is the dominating mechanism to carry away the energy surplus by radiation at the earth's surface. In the orchard, especially the transpiration of the apple trees contributes to the latent heat flux. On bare soil, the soil heat flux exceeds the fluxes of latent and sensible heat. Comparisons of different methods to calculate the turbulent fluxes show good agreement between Bowen-ratio energy balance method and direct eddy correlation measurements. Flux values derived by Monin-Obukhov similarity theory turned out to be of inferior quality.
It was found that all aircraft measurements took place above the blending height for heterogeneities of scales smaller than 3 to 5 km. Hence interferences by this kind of surface heterogeneities to the turbulent fluxes measured using averaging lengths of 5 to 7 km can be excluded even at the lowest flight level. Nevertheless the turbulent fluxes show high variability and partly high statistical uncertainty in the convective boundary layer above the investigation area. On the one hand, these variations can result from heterogeneities with scales of more than 5 km (e. g. the change in surface conditions from farmland to forest). On the other hand, convective cells also develop above extended homogeneous surfaces (as for example widespread forests), which strongly influence the measured fluxes, too. Hence these two effects presumably are responsible for the recognized variability in the turbulent fluxes.
For comparison with the ground-based measurements and for validation purposes, the aircraft fluxes were extrapolated to the ground by the budget method (i. e. by computing vertical profiles between mixing layer and the earth's surface). The surface texture of the area was determined by aircraft-based measurements of NDVI. Thus, area-integrated investigations on regional scales were possible by calculating weighted areal means (mosaic approach). Comparisons of extrapolated aircraft fluxes and ground-based calculations (weighted by fraction of land cover) show considerable differences, which can be mostly explained by statistical uncertainty. The combination of different kinds of measurements (weighted fluxes from profile stations and extrapolated aircraft fluxes) yields to area-integrated energy fluxes for the whole investigation area.

For validation purposes, simulation and measurement results were compared regarding boundary-layer structures as well as vertical profiles and area averages of different quantities. The validation of the model calculations shows good results only for the springtime case study. In the summer cases, some shortcomings are revealed, especially concerning the simulation of the turbulent heat fluxes near the ground. The main reason seems to be a much too low soil moisture in the model, because model runs with artificially increased soil moisture lead to much better results. In some cases, the simulations could be improved by assimilating observations of precipitation and solar radiation into the model. In exchange, some deficiencies of the used assimilation scheme occur. Furthermore, the LM does not simulate the stable conditions at night-time in a completely correct way, because the net radiation in the model is too low (i. e. more negative than in reality) during the night. Considerations of the energy fluxes on regional scales for the springtime case study show good results from the LM compared to the measurements, particularly if the high variability and the statistical uncertainty of the aircraft-based measurements are taken into account.
To summarize, the simulations for the three case studies indicate that the simulation of soil moisture in the LM has to be improved, especially for conditions after long dry periods in summer. For situations in springtime the existing parameterization seems to be adequate.
 

 

Zusammenfassung

 

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Erfassung der Grenzschichtstrukturen und der oberflächennahen Energieaustauschprozesse über bewachsenen, heterogenen Landoberflächen auf dem Gebiet der Niederrheinischen Bucht. Die Meßergebnisse werden außerdem dazu verwendet, das mesoskalige Atmosphärenmodell "Lokal-Modell" (LM) des Deutschen Wetterdienstes in bezug auf Grenzschichtprozesse bei verschiedenen synoptischen Situationen zu validieren. Schwerpunkte liegen auch hier auf den Energieaustauschprozessen mit speziellem Augenmerk auf der Evapotranspiration.
Die Meßvorhaben konnten mit Hilfe von verschiedenen bodengebundenen Meßverfahren (Profil- und Turbulenzmessungen, Saftflußmessungen an Bäumen, Fesselsonden und Radiosonden) an für die Region typischen Standorten realisiert werden. Im Rahmen einer Intensivmeßphase wurden an zwei Tagen zusätzlich Flugzeugmessungen in dem ca. 200 km2 umfassenden Untersuchungsgebiet südwestlich von Bonn durchgeführt. Diese gestatteten zum einen Messungen direkt über Waldgebieten und zum anderen flächenintegrierte Untersuchungen.

Zur genaueren Betrachtung wurden zwei Fallbeispiele im Sommer sowie die Intensivmeßphase mit den Flugzeugmessungen im Frühjahr ausgewählt. Dabei konnten die typische Entwicklung einer gut durchmischten, konvektiven Grenzschicht tagsüber bei Strahlungsbedingungen und die intensiven Wärme- und Feuchteaustauschprozesse an der Erdoberfläche an den verschiedenen Meßstandorten (bewachsenes und unbewachsenes Feld, Obstbestand, Waldlichtung) untersucht werden. Die Evapotranspiration stellt beim Energieaustausch an der Erdoberfläche bei den bewachsenen Oberflächen die dominierende Größe in bezug auf den Abtransport der zur Verfügung stehenden Strahlungsenergie dar. Der latente Wärmefluß im Obstbestand wird dabei entscheidend von der Transpiration der Obstbäume bestimmt. Bei unbewachsenem Boden hingegen überwiegt der Bodenwärmestrom gegenüber den turbulenten Flüssen latenter und fühlbarer Wärme. Vergleiche unterschiedlicher Meßmethoden zur Bestimmung der turbulenten Energieflüsse zeigen gute Übereinstimmungen zwischen der Bowen-Verhältnis-Methode und direkten Eddy-Korrelations-Messungen. Dagegen offenbaren sich Schwächen bei der Anwendung der Monin-Obukhov-Ähnlichkeitstheorie.
Wie die Untersuchungen zeigen, lagen sämtliche Flugzeugmessungen oberhalb der Mischungshöhe für Heterogenitätsskalen kleiner als ca. 3 bis 5 km. Beeinträchtigungen durch Oberflächenheterogenitäten dieser Größenordnung können damit für die über 5 bis 7 km Mittelungslänge gemessenen Energieflüsse auch im untersten Flugniveau ausgeschlossen werden. Die turbulenten Flüsse weisen in der konvektiven Grenzschicht über dem Untersuchungsgebiet dennoch eine starke Variabilität und erhebliche Schwankungsbreiten bei den Einzelwerten auf. Diese Variationen können einerseits durch Heterogenitäten auf Skalen oberhalb von 5 km (z. B. Wechsel der Oberflächenbeschaffenheit von landwirtschaftlichen Nutzflächen zu Waldgebieten) verursacht werden. Andererseits bilden sich aber auch über großskalig homogenen Oberflächen, wie z. B. den ausgedehnten Waldgebieten, Konvektionszellen aus, die Auswirkungen auf die dort gemessenen Flüsse besitzen. Die beobachtete Variabilität der Flüsse setzt sich somit aus beiden Effekten zusammen.
Zum Vergleich mit den bodengebundenen Messungen und den Modellsimulationen wurden die turbulenten Flüsse mit Hilfe der Haushaltsmethode (durch Berechnung von Vertikalprofilen zwischen Mischungsschicht und Erdoberfläche) zur Oberfläche hin extrapoliert. Die Oberflächenstruktur des Untersuchungsgebietes konnte durch Flugzeugmessungen des Vegetationsindex NDVI detailliert erfaßt werden. Damit wurden flächengemittelte Untersuchungen auf regionalen Skalen durch Wichtung der betrachteten Größen nach Oberflächentypen (Mosaikmethode) möglich. Vergleiche der extrapolierten Flugzeugmessungen mit den gewichteten bodengebundenen Messungen zeigen für die einzelnen Energiebilanz-Komponenten deutliche Differenzen, die aber größtenteils innerhalb der Schwankungsbreiten der Meßwerte liegen. Die Kombination von bodengebundenen und flugzeuggestützten Messungen durch Wichtung liefert schließlich Flächenmittel der Energieflüsse für das gesamte Untersuchungsgebiet.

Zur Validation des LM wurden gemessene und simulierte Grenzschichtstrukturen, Vertikalprofile sowie Flächenmittel verschiedener Größen im Untersuchungsgebiet miteinander verglichen. Nur für das Fallbeispiel im Frühling ergeben sich durchweg gute Simulationsergebnisse. Anhand der Sommerbeispiele offenbaren sich Schwächen speziell bei der Simulation der turbulenten Energieflüsse in Bodennähe. Als Hauptursache dafür erweist sich die zu geringe Bodenfeuchte im Modell, da sich durch eine künstliche Erhöhung der initialisierten Feuchte deutliche Verbesserungen bei der Simulation erzielen lassen. Auch durch die Assimilation von Beobachtungsdaten (Niederschlag und solare Strahlung) in das Modell gelingt in einigen Fällen eine realistischere Modellierung. Hier zeigen sich allerdings auch Defizite im verwendeten Assimilationsschema. Nachts simuliert das LM des weiteren in Bodennähe eine nicht so stabile Temperaturschichtung wie in der Realität, weil in diesem Zeitraum auch die Simulation der Strahlungsbilanz Defizite aufweist. Die abschließende Betrachtung der Energieflüsse auf regionalen Skalen für das Fallbeispiel im Frühling zeigt gute Simulationsergebnisse des LM, insbesondere wenn auch die starke Variabilität und die auftretenden Schwankungsbreiten der flugzeuggestützt gewonnenen Meßwerte berücksichtigt werden.
Die Simulationen für die drei ausgewählten Fallbeispiele machen deutlich, daß die Simulation der Bodenfeuchte im LM insbesondere nach längeren trockenen Phasen im Sommer erheblicher Verbesserungen bedarf. Im Frühling hingegen scheint die vorhandene Parametrisierung ausreichend zu sein.
 

 

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