Abstract:
Die Wechselwirkung zwischen Vegetation und Atmosphäre (V-A) erfolgt durch den
Austausch von Energie, Wasser und Kohlenstoff zwischen der Blattoberfläche und der
Atmosphäre. Die von den Blättern absorbierte Sonnenstrahlung wird in fühlbare Wärme,
latente Wärme (Wasserdampf) und ausgehende langwellige Strahlung aufgeteilt. Analog
zum Ohm;schen Gesetz wird die fühlbare Wärme üblicherweise durch eine
Flussgradientenbeziehung ausgedrückt, die durch den Temperaturunterschied zwischen
der Oberfläche und der Atmosphäre mit einem Widerstand bestimmt wird, der durch die
Physik der konvektiven Übertragung bestimmt wird. ... mehrDieser aerodynamische
Kronenwiderstand wird im Allgemeinen durch Windbedingungen,
Lufttemperaturgradienten (Auftrieb) und die Kronenrauhigkeit parametrisiert. Für die
Modellierung von Transpiration und CO 2 Aufnahme wird ein zusätzlicher Widerstand
hinzugefügt, um die stomatäre Kontrolle des Gasaustauschs in der Baumkrone
darzustellen, so dass der aerodynamische Widerstand der Baumkrone die physikalische
Kontrolle mit der biologischen Kontrolle (stomatäre Kontrolle) des Wasser- und
Kohlenstoffaustauschs in der Baumkrone verbindet. Das begrenzte prozessbasierte
Verständnis dieser Widerstände führt jedoch zu einer weit verbreiteten Verwendung
halbempirischer, standortspezifischer Parametrisierungen des aerodynamischen
Kronenwiderstands, die auf einer konzeptionellen quot;aerodynamischen Temperatur quot;
anstelle der tatsächlichen Temperatur der Blattoberfläche basieren. Durch diese Vereinfachung
werden die Prozesse auf der Blattoberfläche von den Beobachtungen auf der Ebene des
Ökosystems abgekoppelt, was zu inkonsistenten und potenziell ungenauen Vorhersagen
von Energie-, Wasser- und CO 2 Flüssen führt und damit unsere Fähigkeit einschränkt, die
Reaktion des Ökosystems auf Umweltveränderungen wie zunehmende CO 2
Konzentrationen, steigende Temperaturen und veränderte Niederschlags- und
Windmuster vorherzusagen.
Flusstürme messen den ein- und ausgehenden Strahlungsenergieaustausch mit einem
Radiometer und den turbulenten Austausch von latenter und fühlbarer Wärme zwischen
dem Ökosystem und der Atmosphäre mit Hilfe der Wirbelkovarianztechnik. Zur Schätzung
der Oberflächentemperatur werden in der Regel die beobachtete langwellige Strahlung
und die aus der Ferne erfassten regionalen Werte des Oberflächenemissionsgrads
verwendet. Aufgrund der räumlichen Heterogenität der Landoberfläche führen die
regionalen Emissionswerte zu einer potenziellen Verzerrung der Oberflächentemperatur in
Bezug auf die beobachteten turbulenten Ströme. Dies führt außerdem zu einer falschen
Interpretation der Ökosystemprozesse. Für eine direkte Schätzung des
Gesamtwiderstands der fühlbaren Wärmeübertragung anhand der beobachteten fühlbaren
Wärmeströme und der Lufttemperatur sind genaue Schätzungen der
Oberflächentemperatur erforderlich, die die Oberfläche, die die fühlbare Wärme liefert,
angemessen repräsentieren.
Um den V-A-Austausch auf Ökosystem-Ebene konsistent zu untersuchen, habe ich
selbstkonsistente, physikalisch begründete mathematische Modelle entwickelt, um mit
Hilfe von Flussturm-Beobachtungen die Triebkräfte und Widerstände im Zusammenhang
mit der fühlbaren Wärmeübertragung zu bewerten.
Die hier vorgestellten Forschungsarbeiten befassen sich mit den folgenden
übergreifenden Forschungsfragen:
1. Wie können wir die Messungen des Flussturms nutzen, um den Emissionsgrad und die
Oberflächentemperatur auf Ökosystemebene zu schätzen?
2. Wie wirkt sich die Heterogenität der Oberfläche auf die Kompatibilität der Eddy-
Kovarianz-Messungen mit den radiometrischen Messungen an den Flussturmstandorten
aus?
3. Wie können wir den Widerstand gegen den Wärmeaustausch im Ökosystem anhand
von Flussturmbeobachtungen quantifizieren und wie können wir ihn anhand erster
Prinzipien vorhersagen?
Es wird eine neuartige Methode zur gleichzeitigen Schätzung des Emissionsgrads und der
Temperatur auf Ökosystemebene unter Verwendung des beobachteten fühlbaren
Wärmeflusses und der langwelligen Strahlung vorgeschlagen. Ich habe festgestellt, dass
die Heterogenität der Oberfläche zu einer Fehlanpassung des Fußabdrucks zwischen den
Messungen des Strahlungsflusses und des fühlbaren Wärmestroms führen kann, was zu
Inkonsistenzen bei der Darstellung der Beziehungen zwischen Energiefluss und
Temperatur führt. Trotz dieser Inkonsistenz führten die beobachtete Steigung der
fühlbaren Wärme und die geschätzte Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Luft
zu robusten Schätzungen des Widerstands gegen die fühlbare Wärmeübertragung auf
Ökosystemebene. Auf der Grundlage erster Prinzipien wurde ein Widerstandsmodell auf
Ökosystemebene entwickelt, das die Oberflächeneigenschaften und
mikrometeorologischen Bedingungen berücksichtigt. Das vorgeschlagene
Widerstandsmodell ist robust und schätzt den Oberflächen-Atmosphären-Widerstand
gegen die fühlbare Wärmeübertragung wesentlich besser ab als bestehende
Parametrisierungen. Die in dieser Studie vorgestellte Methodik kann verwendet werden,
um die Verbindungen zwischen Energie-, Wasser- und Kohlenstoffaustausch in
Landoberflächenmodellen zu verbessern und den Bedarf an empirischer Parametrisierung
und standortspezifischer Parameterabstimmung erheblich zu verringern.
Abstract (englisch):
Vegetation-atmosphere (V-A) interaction occurs through the exchange of energy, water, and carbon dioxide between the leaf surface and the atmosphere. The solar radiation absorbed by the leaves is partitioned into sensible heat, latent heat (water vapor), and outgoing longwave radiation. In analogy to Ohm’s law, sensible heat is commonly expressed using a flux gradient relationship driven by the temperature difference between the surface and the atmosphere with a resistance determined by the physics of convective transfer. This aerodynamic canopy resistance is generally parameterized using wind conditions, air temperature gradients (buoyancy), and bulk canopy roughness. ... mehrFor modelling transpiration and CO2 uptake, an additional resistance is added to represent stomatal control on canopy gas exchange, such that the aerodynamic canopy resistance connects the physical control to the biological control (stomatal control) of canopy water and carbon exchange. However, limited process-based understanding of these resistances results in a widespread use of semi-empirical, site-specific parameterizations of aerodynamic canopy resistance based on a conceptual “aerodynamic temperature” instead of the actual leaf surface temperature. This simplification disconnects the leaf surface processes from ecosystem-scale observations, resulting in inconsistent and potentially inaccurate prediction of energy, water, and CO2 fluxes, thereby limiting our ability to predict ecosystem response to environmental change, such as increasing CO2 concentrations, rising temperatures, and changing precipitation and wind patterns.
Flux towers measure the incoming and outgoing radiative energy exchange using a radiometer and turbulent exchange of latent and sensible heat between the ecosystem and the atmosphere using the eddy covariance technique. Commonly, observed longwave radiation and remotely sensed regional values of surface emissivity are used to estimate surface temperature. Due to spatial heterogeneity of the land surface, the regional emissivity values result in potential bias of the surface temperature with respect to the observed turbulent fluxes. This further leads to wrong interpretation of ecosystem processes. For direct estimation of the total resistance to sensible heat transfer from observed sensible heat flux and air temperature, accurate estimates of surface temperature, adequately representing the sensible heat contributing surface, are required.
To investigate V-A exchange consistently at ecosystem scale, I developed self-consistent, physics-based mathematical models for the use of flux tower observations to evaluate the drivers and resistances related to sensible heat transfer.
The research presented here addresses the following overarching research questions:
1. How can we use flux tower measurements to estimate ecosystem-scale emissivity and surface temperature?
2. How does surface heterogeneity affect the compatibility of eddy covariance measurements with the radiometric measurements at the flux tower sites?
3. How can we quantify ecosystem-scale resistance to sensible heat exchange using flux tower observations and how can we predict it from first principles?
A novel method is proposed to estimate the ecosystem-scale emissivity and temperature simultaneously using observed sensible heat flux and longwave radiation. I found that surface heterogeneity can result in a footprint mismatch between radiative and sensible heat flux measurements, which leads to inconsistency in the representation of the energy flux vs. temperature relationships. Despite this inconsistency, the observed slope of the sensible heat and estimated surface to air temperature difference resulted in robust estimates of ecosystem-scale total resistance to sensible heat transfer. Based on first principles, an ecosystem-scale total resistance model was developed that considers the surface characteristics and micro-meteorological conditions. The proposed resistance model is robust and estimates the surface-atmosphere resistance to sensible heat transfer substantially better than existing parameterizations. The methodology presented in this study can be used to improve the links between energy, water, and carbon exchange in land surface models, and greatly reduce the need for empirical parameterization and site-specific parameter tuning.
