Turbulent Fluxes of CO2, H2O and Energy in the Atmospheric Boundary Layer above Tropical Vegetation investigated by Eddy-Covariance Measurements
Turbulente Flüsse von CO2, H2O und Energie in der Atmosphärischen Grenzschicht untersucht mittels Eddy-Kovarianz Messungen
by Ulrike Falk
Date of Examination:2004-02-20
Date of issue:2005-02-09
Advisor:Prof. Dr. Andreas Tilgner
Referee:Prof. Dr. Gode Gravenhorst
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
The conversion of tropical rainforest to agriculturally used land is a spreading process throughout Indonesia and South-East Asia. Besides the effects on the biological diversity and the hydrological functions of a forest, this also has an impact on the turbulent exchange processes between vegetation and atmosphere, the radiative properties of the surface and therefore on atmospheric boundary layer and local climate. Within the framework of the research project STORMA "Stability of rain forest margins" (SFB 552, University Goettingen, financed by the German Research Foundation), the carbon dioxide, energy and water fluxes between a Cocoa plantation and the atmospheric boundary layer were investigated using the Eddy-Covariance (EC) technique. Simultaneous measurements of meteorological variables and the components of the radiation budget were conducted to investigate the dependencies of the turbulent exchange processes on canopy and atmospheric boundary layer conditions. A SVAT model was used to compute the heat exchange between canopy and atmosphere, to conduct a plausibility test to the measured fluxes, and to investigate the component fluxes. Measurements were conducted for 15 months.The sensible heat flux showed an unexpected large contribution to the total turbulent heat transport compared to investigations of natural tropical rainforests, and equaled the latent heat flux. This resulted in an averaged day-time Bowen ratio of approximately 1. The seasonal course of Bowen ratio coincided with that of precipitation. The comparison to measurements above undisturbed rainforest indicates a significantly different atmospheric boundary layer above the Cocoa plantation. This work assesses the hypothesis that net exchange of carbon dioxide and partitioning of energy fluxes between surface layer of the atmosphere and vegetation differs fundamentally from that of primary rainforests. The conclusion is that conversion of rainforest to land-use types as Cocoa plantations leads to enhanced heating of the convective atmospheric boundary layer, and to a significant difference in net uptake of carbon by the vegetation.
Keywords: turbulent energy fluxes; carbon dioxide; land-use change; tropical atmospheric boundary layer
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Die Umwandlung von tropischen Regenwäldern in landwirtschaftlich genutzte Flächen ist ein weitverbreiteter Prozess in Indonesien und Südost-Asien. Neben den Effekten auf die biologische Diversität und die hydrologischen Funktionen eines Waldes, hat dies auch Einfluss auf die turbulenten Austauschprozesse zwischen Vegetation und Atmosphäre, die Strahlungseigenschaften der Oberfläche und daher auf die atmospärische Grenzschicht und lokales Klima. Im Rahmen des Forschungsprojektes STORMA "Stabilität von Regenwaldrandzonen" (SFB 552, Universität Göttingen, finanziert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft) wurden die Flüsse von Kohlendioxid, Wasser und Energie zwischen einer Kakao-Plantage und der atmosphärischen Grenzschicht mittels Eddy-Kovarianz Methode untersucht. Gleichzeitige Messungen der meteorologischen Variablen und Strahlungskomponenten wurden durchgeführt zur Untersuchung der Abhängigkeit der turbulenten Austauschprozesse von Vegetation und atmosphärischen Randbedingungen. Ein SVAT Modell wurde benutzt um die Plausibilität der gemessenen Flüsse zu überprüfen und die Komponentenflüsse zu untersuchen. Die Messungen in der Kakaoplantage dauerten 15 Monate.Der Fluss sensibler Wärme zeigte einen unerwartet hohen Beitrag zum totalen turbulenten Wärmetransport im Vergleich mit Messungen über tropischen Regenwäldern, und entsprach dem Beitrag des latenten Wärmeflusses. Daraus resultierte ein Tages-Bowenverhältnis von ungefähr 1. Der saisonale Verlauf stimmt mit dem saisonalen Verlauf des Niederschlags überein. Der Vergleich mit Messungen über ungestörtem Regenwald weist auf eine signifikant unterschiedliche atmosphärische Grenzschicht als über der Kakao-Plantage. Diese Arbeit untersucht die Hypothese, dass Netto-Austauschrate von Kohlendioxid und die Aufteilung der Energie-Flüsse zwischen Vegetation und Atmosphäre sich fundamental unterscheiden von primären Regenwäldern. Die Folgerung ist, dass Konversion von Regenwald zu Landnutzungs-Typen wie Kakao-Plantagen zu einer verstärkten Erwärmung der konvektiven atmosphärischen Grenzschicht führt und zu einem signifikanter Unterschied in der Netto-Aufnahme von Kohlenstoff der Vegetation.
Schlagwörter: turbulenter Energieaustausch; Kohlendioxid; Landnutzungsänderung; tropische atmosphärische Grenzschicht