Universität zu Köln

Simulierte CO2- und H2O-Flüsse über heterogenem Gelände - Kopplung eines Photosynthese-Modells mit dem meteorologischen Modell FOOT3DK

Reyers, Mark (2011) Simulierte CO2- und H2O-Flüsse über heterogenem Gelände - Kopplung eines Photosynthese-Modells mit dem meteorologischen Modell FOOT3DK. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist eine realistische Darstellung von Massen-Fl{\"u}ssen {\"u}ber heterogenem Gel{\"a}nde. F{\"u}r diese Zielsetzung wird das mesoskalige meteorologische Modell FOOT3DK mit einem Photosynthese-Modell gekoppelt um Oberfl{\"a}chen-Fl{\"u}sse von CO$_2$ und H$_2$O {\"u}ber verschiedenen Vegetationsarten zu simulieren. Das Photosynthese-Modell besteht aus einem C3 single-leaf Modell und einem erweiterten big-leaf Modell (sun/shade) zur Hochskalierung von der Blatt- auf die Pflanzenbestands-Skala. Bei dieser Skalierungs-Prozedur wird der Pflanzenbestand in einen sonnenbeschienenen und einen im Schatten liegenden Anteil unterteilt. Die Offline-Version des Photosynthese-Modells wird f{\"u}r zwei verschiedene Vegetationsarten validiert (Zuckerr{\"u}be und Weizen). F{\"u}r mehrere Tage der Jahre 2008 und 2009 stimmen die simulierten Fl{\"u}sse von CO$_2$ gut mit Eddy-Kovarianz Messungen in einem l{\"a}ndlich gepr{\"a}gten Untersuchungsgebiet im Westen Deutschlands {\"u}berein.\\ Das gekoppelte FOOT3DK-Photosyntese Modell simuliert f{\"u}r einzelne Gitterpunkte CO$_2$- und H$_2$O-Fl{\"u}sse, die gut zu gemessenen Fl{\"u}ssen passen. Neben dem generellen Tagesgang werden auch die Gr{\"o}{\ss}enordnungen von dem Modell erfasst. Die {\"u}ber die stomatale Leitf{\"a}higkeit an die Photosynthese gekoppelten latenten W{\"a}rmefl{\"u}sse werden realistischer wieder gegeben als mit dem urspr{\"u}nglich verwendeten Jarvis-Schema. Dennoch zeigen die mit dem gekoppelten Modell simulierten Fl{\"u}sse teilweise deutliche Defizite, die haupts{\"a}chlich in Initialisierungs- und Randproblemen begr{\"u}ndet sind.\\ Der Einfluss der Oberfl{\"a}chen-Heterogenit{\"a}t auf die simulierten Oberfl{\"a}chen-Fl{\"u}sse wird von dem gekoppelten Modell gut wieder gegeben. Erwartungsgem{\"a}{\ss} werden die Fl{\"u}sse {\"u}berwiegend von der dominierenden Landnutzungsklasse bestimmt. Die CO$_2$-Fl{\"u}sse sind hierbei hoch mit dem jeweiligen Blattfl{\"a}chen-Index korreliert, w{\"a}hrend diese Korrelation f{\"u}r den latenten W{\"a}rmefluss schw{\"a}cher ausf{\"a}llt. Die photosynthetische CO$_2$-Aufnahme durch die Stomata ist bekannterma{\ss}en an die Transpiration der Pflanzen gekoppelt. Das Modell ist in der Lage, die dadurch miteinander verbundenen Fl{\"u}sse von CO$_2$ und H$_2$O zu repr{\"a}sentieren. Der Netto CO$_2$-Fluss und die Transpiration (und in einem geringeren Ma{\ss}e der Netto CO$_2$-Fluss und der latente W{\"a}rmestrom) sind in dem gekoppelten Modell stark anti-korreliert.\\ Die simulierten Oberfl{\"a}chen-Fl{\"u}sse haben einen Einfluss auf die Struktur der planetaren Grenzschicht. Die generellen Strukturen werden von dem gekoppelten Modell realistisch erfasst, w{\"a}hrend gemessene mikroskalige Strukturen nicht zufriedenstellend wieder gegeben w$ So stimmen aus dem Modell abgeleitete Haushaltsgleichungen f{\"u}r ein ganzes Luftpaket gut mit Flugzeug-Messungen {\"u}berein, w{\"a}hrend Punkt-zu-Punkt Vergleiche von simulierten Konzentrationen von atmosph{\"a}rischem CO$_2$ und H$_2$O mit Messungen einige Defizite der f{\"u}r die Simulationen ben{\"o}tigten Eingangs- und Randdaten aufdecken.\\ Das in der Literatur h{\"a}ufig untersuchte Verschlie{\ss}en der Pflanzen-Stomata unter erh{\"o}htem atmosph{\"a}rischen CO$_2$ wird von dem gekoppelten Modell gut wieder gegeben. Die Abnahme der simulierten stomatalen Leitf{\"a}higkeit f{\"u}hrt zu einer verminderten Transpiration und damit zu einer Abnahme des gesamten latenten W{\"a}rmeflusses. Das zeigt, dass f{\"u}r die Modellierung realit{\"a}tsnaher H$_2$O-Fl{\"u}sse der in dieser Arbeit ber{\"u}cksichtigte photosynthetische CO$_$ auch in zuk{\"u}nftigen Untersuchungen mit simuliert werden sollte. Da sich diese Ergebnisse mit denen anderer Studien decken, bildet das gekoppelte Modell ein n{\"u}tzliches Werkzeug f{\"u}r die Untersuchung der Austauschprozesse zwischen Biosph{\"a}re und Atmosph{\"a}re in zuk{\"u}nftigen Klima-Szenarien.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    The main goal of the presented study is the realistic simulation of mass fluxes over heterogeneous terrain. With this aim the mesoscale meteo$ FOOT3DK is coupled with a photosynthesis model to simulate surface fluxes of CO$_2$ and H$_2$O over different vegetation types. The photosynthesis model consists of a C3 single leaf model and an extended big leaf model (sun/shade) for the upscaling from leaf to canopy scale. The sun/shade upscaling procedure divides the canopy into a sunlit and a shaded fraction. The stand alone version of the photosynthesis model is validated for two vegetation types (sugar beet and wheat). Simulated CO$_2$ fluxes correspond well to eddy covariance measurements for several days of the years 2008 and 2009 at a test site in a rural area in the West of Germany.\\ Simulated fluxes of CO$_2$ and H$_2$O at singular grid points of the coupled FOOT3DK-photosynthesis model show good agreement with measuremen$ It delivers realistic fluxes with respect to the general daily course and the order of magnitude. Compared to the Jarvis based big leaf scheme, simulations of latent heat fluxes with a photosynthesis based scheme for stomatal conductance are more realistic. Nevertheless, for some situations the coupled model displaces several deficiencies, which are mainly caused by problems in initialising the model.\\ The impact of surface heterogeneity on simulated surface fluxes is well represented. As expected, flux averages are strongly influenced by the underlying land cover. While the simulated net CO$_2$ fluxes are highly correlated with the leaf area index, this correlation is weaker for the latent heat flux. Photosynthetic CO$_2$ uptake is associated with transpirational water loss via the stomata. The resulting opposing surface fluxes of CO$_2$ and H$_2$O are reproduced with the model approach. In the coupled model net CO$_2$ fluxes and transpiration (and to a lesser extend net CO$_2$ fluxes and latent heat fluxes) are highly anti-correlated.\\ While the influence of the simulated surface fluxes to the general structure of the planetary boundary layer seems to be reasonable, microscale structures are not captured by the model. Budget analyses for an atmospheric column correspond well to airborne measurements, whereas point-to-point comparisons of simulated concentrations of atmospheric CO$_2$ and H$_2$O with measurements reveal some inaccuracies of initialising and boundary values.\\ The well established closure of the plant stomata under elevated atmospheric CO$_2$ is captured well by the coupled model. The decline of the simulated stomatal conductance leads to a decrease of the transpiration and thus to a weaker simulated latent heat flux. Hence, to simulate realistic fluxes of H$_2$O, the photosynthetic CO$_2$ flux should also be considered in prospective investigations. Since these results correspond well to other studies, the coupled model provides a useful tool for the investigation of exchange processes between biosphere and atmosphere under climate change.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Reyers, Markmreyers@meteo.uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-44683
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Earth sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Photosynthese, CO2-Flüsse, H2O-Flüsse, mesoskalige Modellierung, stomataler WiderstandGerman
    photosynthesis, CO2-fluxes, H2O-fluxes, mesoscale modelling, stomatal resistanceEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Geophysik und Meteorologie
    Language: German
    Date: January 2011
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 01 February 2011
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 28 Dec 2011 14:59:47
    Referee
    NameAcademic Title
    Kerschgens, MichaelProf. Dr.
    Shao, YapingProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4468

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