Untersuchungen zum Kohlendioxid-Austausch über einem Fichtenwaldbestand: Hyperbolic-Relaxed-Eddy-Accumulation Messungen für das stabile Kohlenstoffisotop 13C und Waveletanalysen des turbulenten Kohlendioxid-Austauschs
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Erlangen
Gruner
2009
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung.............................................................................................7
Summary
.....
,
......................................................................................................9
1 Einleitung..................................................
,
..........................................11
2 Stand der Forschung...........................,...............................................15
2.1 Bilanzen und Flüsse von Kohlendioxid, stabilem Kohlenstoffisotop
C-13 und Energie zwischen Ökosystem und Atmosphäre..............................17
2.1.1 Bilanzen und Flüsse von Kohlendioxid.......................................................17
2.1.2 Bilanzen und Flüsse des stabilen Kohlenstoffisotops C-13........................22
2.1.3 Bilanzen und Flüsse von Energie...............................................................26
2.2 Stabile Kohlenstoffisotope in der Ökosystemforschung..................................31
2.2.1 Einflussfaktoren auf das Verhältnis stabiler Kohlenstoffisotope von
atmosphärischem Kohlendioxid..................................................................32
2.2.2 Isotopenverhältnisse von atmosphärischem Kohlendioxid als
Informationsquelle in der Ökosystemforschung.........................................38
2.3 Der turbulente Austausch von Kohlendioxid, stabilem
Kohlenstoffisotop C-13 und Energie zwischen Ökosystem und
Atmosphäre.....................................................................................................39
2.3.1 Die raue Unterschicht über hohen Pflanzenbeständen..................,...........41
2.3.2 Kohärente Strukturen über hohen Pflanzenbeständen..............................44
2.3.3 Die Mischungsschichtanalogie........................................,...........,..............47
2.4 Fragestellungen..............................................................................................52
3 Methoden............................................................................................55
3.1 Separation von Quellen und Senken des Kohlendioxid-
Nettoökosystemaustauschs mit Hilfe der Kombination von Flüssen
des stabilen Kohlenstoffisotops C-13 und von Kohlendioxid..........................55
3.2 Flussmessungen für Kohlendioxid und Energie..............................................60
3.2.1 Die Eddy-Kovarianz-Methode (EG)............................................................60
3.2.2 Das EC-Messsystem..........,........................................................,..............61
3.2.3 Durchführung und Auswertung der EC-Flussmessungen..........................68
3.3 Flussmessungen für das stabile Kohlenstoffisotop C-13................................77
3.3.1 Die Hyperbolic-Reiaxed-Eddy-Accurnulation-Methode <HREA).............„..77
3.3.2 Das HREA-Messsystem................................................................,............86
3.3.3 Durchführung und Auswertung der HREA-Flussmessungen.....................93
3.3.4 Analyse der Proben des stabilen Kohienstoffisotops C-13.......................101
Inhaltsverzeichnis
3.4 Qualitätskontrolle der Flussmessungen.......................................................103
3.4.1 Piausibilitätsprüfung der Turbulenzmesszeitreihen.................................104
3.4.2 Qualitätskontrolle der Turbuienzmesszeitreiherv. Test auf
Stationarität und auf entwickelte Turbulenz im Messzeitraum.................104
3.4.3 Standortbezogene Qualitätsbewertung der Messergebnisse..................108
3.4.4 Gesamtbeurteilung der Datenqualität mit einem
Qualitätskennzeichnungssystem.............................................................109
3.5 Die
Wavelet-Transformation:
Analyse von Frequenzen und Strukturen
in Zeitreihen turbulenter Parameter..............................................................110
3.5.1 Berechnung von Waveletspektren...........................................................110
3.5.2 Ermittlung von Skalenlängen kohärenter Strukturen und
Berechnung von Mischungsschichtparametern.......................................114
4 Messungen........................................................................................117
4.1 Der Messstandort Waldstein/Weidenbrunnen..............................................117
4.1.1 Standortbeschreibung..............................................................................117
4.1.2 Klimatische Randbedingungen am Messstandort...................................121
4.1.3 Repräsentativität von Flussmessungen am Messstandort......................122
4.2 Messkampagnen..........................................................................................128
4.2.1 Messungen im Jahr 1999........................................................................128
4.2.2 Messungen im Jahr 2000........................................................................130
4.3 Ergänzende Messungen.............................................................................. 131
5 Ergebnisse und Diskussion................................................................135
5.1 Die Anwendbarkeit von HREA-Messungen über einem
Fichtenbestand................■............................................................................136
5.1.1 Vergleich von
EC-
und HREA-Messungen für CCVFiüsse.....................136
5.1.2 Funktion des HREA-Messsystems..........................................................141
5.1.3 Häufigkeitsverteilungen der auf- und abwärtsgerichteten
Komponenten des Vertikalaustauschs...............,....................................147
5.2 Flüsse von Kohlendioxid, stabilem Kohlenstoffisotop C-13 und
Energie über einem Fichtenbestand............................................................151
5.2.1 EC-Fiüsse von Kohlendioxid....................................................................151
5.2.2 HREA-Differenzen und Flüsse des stabilen
Kohíenstofñsotops
C-13.........................................................................................................157
5.2.3 Flüsse von Energiebilanzgrößen.................................................„.......... 177
5.3 Eigenschaften des turbulenten Austausche zwischen einem
Fichtenwaldbestand und der Atmosphäre.............................................,......180
5.3.1 Nachweis kohärenter Strukturen mit Hilfe der Waveletanalyse......,........180
5.3.2 Faiistudien zu Austauschprozessen............................................„..........186
5.3.3 Gültigkeit der Mischungsschichtanalogie.................................................196
Inhaltsverzeichnis
5.4 Turbulente Austauschmechanismen zwischen Ökosystem und
Atmosphäre...................................................................................................201
5.4.1 Austauschmechanismus 1: Mischungsschichteigenschaften für
den Vertikaltransfer und kohärente Strukturen für den
Kohlendioxid-Austausch („Übergang kohärente Strukturen-
Mischungsschicht )...................................................................................203
5.4.2 Austauschmechanismus 2: Vollständig ausgeprägte
Mischungsschichteigenschaften für den Vertikaltransfer und für
den Kohlendioxid-Austausch („Mischungsschicht )..................................204
5.4.3 Austauschmechanismus 3: Kohärente Strukturen mit
unterschiedlichen Längenskalen für den Vertikaltransfer und den
Kohlendioxid-Austausch („Entkopplung Bestand-Atmosphäre )..............205
5.4.4 Austauschmechanismus 4: Kohärente Strukturen mit
vergleichbaren Längenskalen für den Vertikaltransfer und für den
Kohlendioxid-Austausch („Lange Wellen )...............................................206
6 Zusammenfassung und Ausblick....................................................... 209
7 Literatur.............................................................................................215
8 Anhang..............................................................................................239
Anhang A. Massenbilanz in einem Volumen zwischen Ökosystem und
Atmosphäre..........................................................................................239
Anhang B. Bilanzen und Flüsse von Kohlendioxid - Herleitung der
Bilanzgleichungen................................................................................243
Anhang
С
Bilanzen und Flüsse des stabilen Kohlenstoffisotops C-13 -
Herleitung der Bilanzgleichungen........................................................247
Anhang D. Bilanzen und Flüsse von Energie — Herleitung der
Bilanzgleichungen................................................................................253
Anhang E. Keeling-Plot-Methode: Bestimmung des Isotopenverhältnisses
stabiler Kohlenstoffisotope in respiriertem Kohlendioxid -
Herleitung aus der C-1
3
-Massenbilanż
................................................257
Anhang F. Frequenzanalyse und Frequenzkorrektur von
Turbulenzzeitreihen.............................................................................263
Anhang G. Mikrometeorologische Randbedingungen der Messungen im
Jahr 1999........................-....................................................................271
Anhang H. Mikrometeoroiogische Randbedingungen der Messungen im
Jahr 2000.............................................................................................277
Anhang i. Resultate der Waveletanalysen für den 22. Juni 2000............................283
Verzeichnis der Symbole, Abkürzungen und Operatoren..............................289
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