Fortbildungsveranstaltung "Landoberflächenprozesse"
Die erste Fortbildungsveranstaltung des ZV Leipzig im Jahr 2000 fand am 17. Mai 2000 auf Einladung des Instituts für Hydrologie und Meteorologie der Universität Dresden im Hörsaal A2 in Tharandt statt. Da die Energieumsetzungen an Landoberflächen und die Haushalte von Vegetationsgebieten ein wesentliches Problem in der Meteorologie darstellen, bestand deutliches Interesse an diesem Thema. Während der Veranstaltung wurden 4 Vorträge gehalten:
sowie eine Exkursion durchgeführt.
Mit dem Ziel einer weiteren Verbesserung der lokalen und kurzfristigen Wettervorhersage hat der Deutsche Wetterdienst (DWD) das Projekt LITFASS initiiert. LITFASS ist ein Akronym für 'Lindenberg Inhomogeneous Terrain - Fluxes between Atmosphere and Surface: a Long-term Study'. Der wissenschaftliche Schwerpunkt von LITFASS liegt auf der Bestimmung und Parametrisierung der Austauschströme von Impuls, fühlbarer Wärme und Wasserdampf zwischen der Atmosphäre und der Erdoberfläche, so daß diese repräsentativ für eine Fläche der Größenordnung von 10*10 km2 sind (dies entspricht dem gegenwärtigen Gitterabstand des operationellen Wettervorhersagemodells des DWD) insbesondere für heterogene Landoberflächen. Das LITFASS-Projekt umfaßt drei Komponenten:
Der experimentelle Teil von LITFASS umfaßt neben den laufenden Routine-Meßprogrammen am Meteorologischen Observatorium Lindenberg den Betrieb eines Monitoring-Meßnetzes für ausgewählte Landoberflächen- und Modellantriebsparameter (Niederschlag, Globalstrahlung, Abfluß, Landnutzung) und den Langzeitbetrieb von Energiebilanzstationen über verschiedenen Oberflächentypen (Wasser, Wiese, landwirtschaftliche Kulturen, Wald) im Untersuchungsgebiet.
Während des Feldexperimentes LITFASS-98 im Mai/Juni 1998 wurde die gesamte Meßstrategie über einen mehrwöchigen Zeitraum erprobt und ein erster komplexer Datensatz für LLM-Simulationen bereitgestellt. Das Experiment wurde in Kooperation mit einer Vielzahl deutscher und ausländischer Partner realisiert und ausgewertet (u.a. GKSS, KNMI, DLR, Universitäten Wageningen, Dresden, Hannover, Bayreuth, Hamburg). Von diesen externen Teilnehmern wurde dabei das Instrumentarium des DWD durch zusätzliche Turbulenzmeßtechnik, indirekte Sondierungssyteme (u.a. Lidar, Scintillometer) sowie flugzeuggestüzte Meßsysteme ergänzt.
Im Vortrag wurden ausgewählte Ergebnisse aus dem LITFASS-98 Experiment präsentiert und diskutiert. So zeigt sich bei den meteorologischen Antriebsgrößen (Globalstrahlung, Niederschlag) innerhalb des Untersuchungsgebietes eine Variabilität, die auch über längere Zeitscalen (Tagessummen der Globalstrahlung, Monatssummen des Niederschlages) typischerweise 10-30 % beträgt. Die turbulenten Flüsse von Impuls und fühlbarer Wärme weisen signifikante Differenzen zwischen den einzelnen Landnutzungsformen auf, die auch für verschiedene Typen niedriger Vegetation eine Größenordnung von 10-25 % erreichen können. Die Größenordnung der mit verschiedenen Methoden ermittelten regional repräsentativen turbulenten Wärmeflüsse entspricht einem flächengewichteten Mittel der lokal über unterschiedlichen Landnutzungsformen gemessenen Werte.
Zu Beginn muß klar festgestellt werden, daß mit Hilfe von Fernerkundungsmethoden nicht die Prozesse an der Erdoberfläche, sondern nur die Ergebnisse dieser Prozesse fernerkundet werden können. Erst im Zusammenspiel mit meteorologischen Modellen können lokale, regionale oder auch globale Prozeßstudien durchgeführt werden. Mit der Fernerkundung, ob passiv oder aktiv, können aber auch die Ergebnisse der Modelle validiert und gegebenenfalls deren Parametrisierungen verbessert werden. Damit sind unterschiedlichste Studien an der Erdoberfläche mit Satellitendaten möglich, so z.B. Studien zum lokalen Energie- und Wasserkreislauf, oder Studien hinsichtlich der Nutzung von Landoberflächen und deren Veränderungen mit der Zeit.
Zur Beobachtung der Landoberflächeneigenschaften mittels Satelliten stehen unterschiedliche Systeme zur Verfügung, die sich aber grundlegend in ihrer zeitlichen Auflösung und in ihrer räumlichen Auflösung unterscheiden. Für passive System im solaren und infraroten Spektralbereich gilt dabei: Je höher die räumliche Auflösung ist, desto geringer ist dabei die zeitliche Auflösung. Als klassische Erderkundungssatelliten mit einer hohen räumlichen Auflösung kennt man Landsat TM (30 m) oder auch Spot (panchromatisch 10m). Bei den aktuellen meteorologischen Satelliten mit passiven Systemen stehen NOAA-AVHRR, ERS-1/2 ATSR und Meteosat zur Verfügung. Die letztgenannten werden in den nächsten Jahren durch verbesserte Satellitensysteme mit einer verbesserten räumlich, zeitlichen aber auch spektralen Auflösung ersetzt (EPS, Envisat und MSG).
Mit Hilfe der Radar-Altimetrie oder auch konventionellen Meßmethoden an der Erdoberfläche kann die Topographie des Untersuchungsgebietes bestimmt werden, wobei diese unbedingt für Strahlungs- und Energiehaushaltstudien mit kleinen räumlichen und zeitlichen Skalen benötigt wird. Aktuelle Ergebnisse liegen global in einer 1km Auflösung und regional in einer Auflösung weniger Meter vor. Nach dieser ersten Charakterisierung der Erdoberflächen können mit Hilfe weiterer Satellitendateninformationen, meistens passive VIS/IR Systeme, die Landnutzung global und/oder regional erkannt und die Veränderungen detektiert werden. Darüber hinaus kann der Pflanzenbedeckungsgrad in einem einzelnen Satellitenbildelement oder auch das Pflanzenwachstum in diesem Bildelement quantifiziert werden. Wesentlich dabei bleibt aber immer die eindeutige Interpretierbarkeit der Ergebnisse bzw. die eindeutige Nutzung dieser Information für weiterführende Untersuchungen.
Für meteorologische Prozeßstudien sind aber die physikalischen, radiometrischen Eigenschaften der Oberflächen von großem Interesse, da sie insbesondere beim Strahlungshaushalt benötigt werden. Hierbei können Strahlungstransfersimulationen genutzt werden, um z.B. aus der am Satelliten gemessenen Strahldichte die Erdoberflächenreflexion bestimmen zu können, oder auch einfache Verfahren angewandt werden, um das Emissionsvermögen von Landoberflächen quantifizieren zu können. Ein Problem hierbei ist jedoch, daß in Mitteleuropa z.B. mehr als 60 Prozent der Bildelemente bewölkt sind und daher nicht direkt genutzt werden können. Abhilfe schafft ein Sampling über mehrere Tage, wobei es natürlich auch vorkommen kann, daß einzelne Bildelemente nie wolkenfrei sind und damit auch nicht berücksichtigt werden können.
Zur Bestimmung der Strahlung am Erdboden, den einzelnen Komponenten sowie der Bilanz, existieren verschiedenen Methoden, von empirisch bis physikalisch. Aktuelle physikalische Methoden basieren dabei auf einer inversen Fernerkundung, wobei intensive Simulationen des Strahlungstransfers zu Beginn der Analyse der Satellitendaten durchgeführt werden müssen. Ergänzt werden diese Analysen auch durch die Charakterisierung des Wolkeneinflusses, durch die Bestimmung der Wolkentypen und/oder ihrer optischen und radiometrischen Eigenschaften. Dabei hat es sich gezeigt, daß für Strahlungshaushaltsuntersuchungen die mikrophysikalischen Wolkeneigenschaften nicht primär von Bedeutung sind. Entscheidend ist die möglichst exakte Bestimmung der optischen Dicke der Wolken, insbesondere im Intervall von 1 bis 40 optischer Dicke. Schwierig ist zur Zeit im bewölkten Atmosphären noch immer die Bestimmung der langwelligen Strahlungsflußdichten am Erdboden, wobei mit Mikrowellenfernerkundung oder auch mit einfachen Verfahren mittels passiver VIS/IR-Fernerkundung der Einfluß der Wolken in einer ersten Näherung bestimmt werden kann.
Somit kann die Strahlungsbilanz für wolkenfreie Atmosphären, aber auch für bewölkte Atmosphären genutzt werden, um in weiteren Arbeitsschritten die Energieflüsse an der Erdoberfläche bestimmen zu können. Der Bodenwärmestrom einer homogenen Grasfläche kann als Funktion der Nettostrahlung und des normalisierten Differenzen-Vegetationsindex (NDVI) bestimmt werden. Der Dalton-Ansatz kann wiederum genutzt werden um die sensiblen Wärmestromdichten abzuleiten. Es ist aber auch möglich, die sensiblen Wärmestromdichten als Residuum der Energiebilanzgleichung abzuleiten, wobei die latenten Wärmestromdichten zur Verfügung stehen müssen. Möglichkeiten in der Bestimmung der latenten Wärmestromdichten sind unter anderem die Bestimmung der potentiellen Verdunstung nach Priestley-Taylor oder die Bestimmung der aktuellen Verdunstung nach Penman-Monteith. Dazu müssen jedoch mit Hilfe einfacher empirischer Beziehungen aus VIS/IR Satellitendaten ergänzende Pflanzeneigenschaften, wie z.B. der Blattflächenindex zur Quantifizierung des Bestandeswiderstandes oder die Rauhigkeitshöhe, bestimmt werden. Dabei zeigte es sich, daß die Genauigkeit in der Bestimmung der einzelnen Energieflußkomponenten sehr stark von einer möglichst exakten Charakterisierung der Landnutzung abhängt. Um diesen Einfluß nicht berücksichtigen zu müssen, kann die aus der Penman-Monteith Beziehung abgeleitete Gras-Referenz Verdunstung bestimmt werden, bei der eben nur eine fest definierte Grasfläche Berücksichtigung findet. Trotz der Ungenauigkeiten in der Bestimmung der Energieflüsse existiert eine erste effiziente Möglichkeit um diese aus Satellitendaten ableiten zu können. Weiterführende Studien mit Hilfe von ein- oder mehrdimensionalen Modellen, aber auch weitere Feldmeßexperimente werden dazu beitragen, daß die Bestimmung der Energieflüsse, aber auch der einzelnen Landoberflächeneigenschaften verbessert werden kann.
Landoberflächenmodelle werden in verschiedenen Bereichen (z.B. Meteorologie, Klimaforschung, Hydrologie, Agrarwissenschaften, Luftchemie, Geoökologie, Biogeophysik, etc.) eingesetzt, um den Austausch von Energie, Wasser und Spurenstoffen an der Grenzfläche Erde-Atmosphäre zu beschreiben. Sie beruhen auf Systemen gekoppelter nicht-linearer Differentialgleichungen zur Beschreibung dieser Austauschprozesse. Bei der Modellierung der Landoberflächenprozesse gibt es im wesentlichen drei Strategien,
Im ersten Fall werden Felder der Albedo, der Rauigkeitslänge und des Bowen-Verhältnisses vorgegeben und während der gesamten Simulation konstant gehalten. Wesentliche Annahmen sind dabei u.a., dass horizontale Homogenität herrscht und die Oberflächentemperatur gleich der Temperatur der obersten (dünnen) Bodenschicht sei. Die Nachteile dieser Vorgehensweise sind, dass
Die sogenannten konzeptionellen Modelle berücksichtigen einige Rückkopplungsmechanismen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre. Im allgemeinen bleibt die Form der Gleichungen erhalten, wie sie schon bei der Vorgabe von Oberflächeneigenschaften eingesetzt wird, aber die Parameter in diesen Gleichungen werden nun als von den Landoberflächenbedingungen abhängig betrachtet. Oft wird beispielsweise die Bodenfeuchte durch einen Speicher (Eimer, engl. bucket) repräsentiert, der sich durch Niederschlag füllt und durch Evaporation und Abfluss entleert. So kann nun z.B. die Albedo in Abhängigkeit von der Bodenfeuchte variieren. Als weitere bekannte konzeptionelle Modelle seien die Penman-Monteith-Gleichung oder die Force-Restore-Methode genannt. Wesentliche Nachteile einer konzeptionellen Behandlung bestehen darin, dass
Die bedeutenden Vorteile von konzeptionellen Modellen liegen jedoch in ihrem
Biophysikalisch basierte Landoberflächenmodelle enthalten Komponenten zur
Ein biophysikalisch basiertes Landoberflächenmodell weist folgende Vorteile auf:
Als Nachteile der biophysikalisch basierten Landoberflächenmodelle erscheinen
Die Ergebnisse des PILPS-Vergleichs (Project for Intercomparison of Land Surface Parameterization Schemes), an dem verschieden komplexe (und unterschiedliche Kombinationen von) konzeptionell und biophysikalisch basierten Landoberflächenmodellen beteiligt waren, belegen, dass die Formulierung von den Zeit- und Raumskalen des Anwendungsbereichs abhängt, für den das jeweilige Landoberflächenmodell entwickelt wurde, und dass verschiedene Landoberflächenmodelle verschiedene Sensitivitäten aufweisen.
Die Wechselwirkung zwischen der Atmosphäre und der Erdoberfläche wird durch die Bilanzen von Wärme, Feuchte und Impuls bestimmt und wird. Dabei spielt die Energiebilanzgleichung eine wesentliche Rolle, da sie die Umsetzung der einfallenden Strahlungsenergie an der Erdoberfläche auf die drei weiteren Komponenten der Energiebilanz, den fühlbaren und latenten Wärmestrom sowie den Bodenwärmestrom beschreibt. Die Umsetzung der Energie an der Erdoberfläche hängt wiederum von verschiedenen Faktoren ab. So treten bei unterschiedlicher Landnutzung Unterschiede in den Oberflächeneigenschaften (z. B. Bodenbewuchs, Rauhigkeit, Albedo, Emissionsvermögen) auf, die entsprechende Änderungen bei der Energieumsetzung zur Folge haben. Diese Eigenschaften sind anthropogenen Einflüssen unterworfen und unterliegen damit einem stetigen Wandel. Darüber hinaus beeinflussen zeitlich invariante Klimafaktoren, wie Bodenart, Hangneigung und Höhenlage die Energieumsetzung und somit das lokale und regionale Klima.
Neben der Bedeutung der Energiebilanz für das Klima sind einzelne Komponenten der Energiebilanz für andere Prozesse von entscheidender Bedeutung. So nimmt der latente Wärmestrom über die Verdunstung Einfluss auf den Wasserhaushalt. Der fühlbare Wärmestrom wiederum bestimmt das Wachstum der konvektiven Grenzschicht und damit den Höhenbereich der Atmosphäre, über den die am Boden freigesetzten Schadstoffe im Verlauf des Tages verteilt werden. Und schließlich führen regionale Unterschiede in der Energieumsetzung zu regionalen Unterschieden der Temperatur und damit zur Ausbildung thermischen Windsysteme, die zum Horizontaltransport von Feuchte und Luftschadstoffen führen. Um sowohl die lokalen als auch die regionalen Phänomene richtig beschreiben zu können, enthalten meteorologische Modelle daher die Energiebilanzgleichung für die Erdoberfläche.
Das Ziel des Vortrags war es, anhand von Modellrechnungen den Einfluss der Landoberflächen auf das lokale und regionale Klima aufzuzeigen, wobei dies für Gebiete mit unterschiedlich komplexer Oberflächenstruktur geschehen sollte, angefangen bei homogenem Gelände bis hin zu orographisch stark strukturiertem Gelände. Daher wurde zunächst die Energiebilanzgleichung für verschiedene versiegelte Oberflächen gelöst, um die räumlichen Unterschiede beobachteter Oberflächentemperaturen eines Stadtgebietes interpretieren zu können.
Im zweiten Beispiel wurde für ein ebenes, aber inhomogen strukturiertes Gebiet der Einfluss der unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften auf das lokale und regionale Klima aufgezeigt. Dazu wurden die Ergebnisse von Modellrechnungen herangezogen, die mit dem gekoppelten Boden-Vegetations-/Atmosphären Modell KAMM (Adrian und Fiedler, 1991) durchgeführt wurden. Es sollte insbesondere demonstriert werden, bis in welche Höhen der Einfluss der unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften auf Größen wie die Temperatur und Feuchte nachzuweisen ist (Kalthoff et. al., 1993).
Danach wurde ein Modellsystem vorgestellt (Wenzel und Kalthoff, 2000), das eine flächendeckende Berechnung der Energieflüsse für ein orographisch strukturiertes Gebiet mit unterschiedlicher Landnutzung auf der Basis von Jahresmittelwerten durchführt und welches in der Lage ist, die beobachtete räumliche Verteilung der Energieumsetzung richtig zu beschreiben.
Abschließend wurden Modellergebnisse diskutiert, die mit dem KAMM-Modell für eine chilenische Küstenregion durchgeführt wurden. Hierbei wurde besonders auf die Ausbildung thermischer Windsysteme eingegangen, die sich aufgrund der räumlichen Unterschiede der Energiebilanz ausbilden und auf die mit den thermischen Windsystemen verbundenen Transporte von Feuchte und Luftschadstoffen (Fiedler et al., 2000).
Literatur:
Adrian, G. und F. Fiedler, 1991: Simulation of unstationary wind and temperature fields over complex terrain and comparison with observations. Beitr. Phys. Atmos., 64, 27-48.
Fiedler, F., N. Kalthoff, I. Bischoff-Gauß, M. Fiebig-Wittmack und L. Gallardo, 2000: The influence of meteorological phenomena on trace gas concentrations at the Cerro Tololo global watch station (Chile), Sixth Int. Conf. on Southern Hemisphere, Santiago, Chile, 3-7 April 2000.
Kalthoff, N., G. Schädler, F. Fiedler und G. Adrian, 1993: Land surface processes over flat agricultural terrain. Meteorol. Zeitschr. (N. F.), 2, 51-69.
Wenzel, A. und N. Kalthoff, 2000: Method for calculating the whole-area distribution of sensible and latent heat fluxes based on climatological observations. Theor. Appl. Climatol., (in press).
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letzte Änderung: 28.11.2000