Langjährige Variabilität der aerodynamischen Oberflächenrauhigkeit und Energieflüsse eines Kiefernwaldes in der südlichen Oberrheinebene (Hartheim)

Die in dieser Arbeit durchgeführte statistische Analyse der langjährigen Variabilität der aerodynamischen und energetischen Eigenschaften eines mitteleuropäischen Waldstandorts will einen Beitrag zum Verständnis der Wechselbeziehungen zwischen sich ändernden klimatologischen Faktoren und einem durch den Menschen beeinflussten Ökosystem liefern. <br>An der Forstmeteorologischen Messstelle Hartheim des Meteorologischen Instituts der Universität Freiburg werden seit über 26 Jahre kontinuierlich sämtliche Parameter gemessen, die für die Bestimmung des Strahlungs-, Wärme- und Wasser- und Impulshaushalts des dortigen Kiefernwaldes (Pinus sylvestris L.) erforderlich sind. <br>Für die Analyse der langfristigen Entwicklung der Kenngrößen der Oberflächenrauhigkeit sowie der Energieflussdichten des Hartheimer Kiefernwaldes wurden aus den Zeitreihen mikrometeorologischer Variablen im Zeitraum 1978 bis 2003 sämtliche Terme der Strahlungs- und Wärmebilanz sowie fundamentale Windprofilparameter bestimmt. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Datenqualität wurde ein Testverfahren entwickelt, das fehlende und kritische Werte detektiert und diese mit einem Quality-flag kennzeichnet. Es wurde ein Datensatz geprüfter mikrometeorologischer und forstmeteorologischer Zeitreihen auf Stundenbasis erstellt, der u. a. als Input für zukünftige numerische Modellierungen und als Validierungsgrundlage von SVAT-Modellen zur Verfügung steht. <br>Bei der Analyse der Windprofilparameter zur Beschreibung der Oberflächeneigenschaften des Hartheimer Kiefernwaldes wurden sowohl die natürliche langjährige Wuchsdynamik als auch kurzfristige Bestandesdichteänderungen durch Durchforstungsmaßnahmen untersucht. Dafür wurden charakteristische Windprofilparameter (Rauhigkeitslänge z0, Nullpunktverschiebung d und Schubspannungsgeschwindigkeit u*) für den gesamten Untersuchungszeitraum mit Hilfe eines iterativen Verfahrens aus Windprofilparametern bestimmt. <br>Für z0 und d konnte eine lineare Zunahme in Abhängigkeit vom natürlichen Bestandeswachstum nachgewiesen werden. Weiterhin wurde ein funktionaler Zusammenhang zwischen zunehmender Windgeschwindigkeit, abnehmender Nullpunktsverschiebung und zunehmender Rauhigkeitslänge festgestellt. <br>Neben der Bestimmung der Strahlungsbilanzterme, des Bodenwärmeflusses und des Bestandeswärmeflusses wurde mit verschiedenen Parametrisierungsansätzen die Berechnung der turbulenten Wärmeflüsse für die gesamte Messdauer auf Stundenbasis durchgeführt. Dabei wurden sowohl das Bowen-Ratio-Energy-Balance (BREB) Verfahren als auch die aerodynamische Profilmethode angewandt. Messunsicherheiten bei der Bestimmung der Feuchtegradienten führten zu einer kontinuierlichen Unterschätzung des turbulenten latenten Wärmeflusses durch das BREB-Verfahren. Daher wurde für den gesamten Untersuchungszeitraum der turbulente fühlbare Wärmestrom H nach der aerodynamischen Profilmethode aus vertikalen Lufttemperatur- und Windgeschwindigkeitsgradienten bestimmt. Der turbulente latente Wärmestrom lE ergab sich dann als Restglied aus der Energiebilanzgleichung. <br>Für den Hartheimer Kiefernwald konnte sowohl eine Zunahme der mittleren Lufttemperaturen insbesondere in den Wintermonaten als auch eine nicht signifikante Abnahme der mittleren Strahlungsbilanzwerte für den Untersuchungszeitraum 1978 bis 2003 ermittelt werden. Sommerliche Tagesmittelwerte der Strahlungsbilanz weisen in den Jahren 1988 bis 1991 ein Maximum (> 180 W×m-2) auf, mit einer abnehmenden Tendenz bis zum Jahr 2001. <br>Der mit dem Wasserhaushaltsmodell BROOK90 berechnete Transpirationsindex (Quotient aus aktueller und potentieller Transpiration Tact/Tpot) stellt einen Indikator für Trockenbedingungen eines Standorts dar. Mittlere Tageswerte des Transpirationsindexes wurden mit dem langjährigen Verhältnis der fühlbaren und latenten Wärmeflüsse an der forstmeteorologischen Messstelle Hartheim verglichen. Übereinstimmend konnten bei hoher interanueller Variabilität regelmäßig wiederkehrende Trockenbedingungen für den Hartheimer Kiefernwald in den Monaten Juli und August festgestellt werden. Während für die restlichen Monate ein mittleres Bowenverhältnis H/lE < 1 (d. h. höhere latente als fühlbare Wärmeflüsse) bestimmt wurden, erreicht im langjährigen Mittel H/lE im August ein Wert von 1.4. <br>Die interanuelle Variabilität der turbulenten Flüsse wird energetisch durch die Strahlungsbilanz und hydrologisch durch das aus dem Freilandniederschlag zur Verfügung stehenden Wasserangebot gesteuert. Sowohl die Tendenz der leicht abnehmenden mittleren Strahlungsbilanzwerte als auch die hohe Variabilität der jährlichen Freilandniederschlagssummen wirken sich stärker auf die Monats- und Jahresmittelwerte des fühlbaren Wärmeflusses als auf den latenten Wärmefluss aus. Dies unterstreicht die Bedeutung der saisonalen Trockenbedingungen für die forstökologische Standortfaktoren des Hartheimer Kiefernwaldes.

Author dc:creator

• Imbery, Florian

Contributors dc:contributor

• Mayer, Helmut

• Grenzschichtmeteorologie
• Bowen-Ratio-Verfahren
• Profilmethode
• Windprofilparameter
• Boundary layer climatology
• Bowen-ratio-energy-balance
• aerodynamic profile method
• wind profile parameter

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