English
Interactions between the biosphere and the atmosphere have profound effects on the global climate and the future trajectory of the Earth system.
Understanding the dynamics and controls of these interactions requires continuous monitoring of the surface-atmosphere exchange of energy and matter (the flux).
Eddy covariance (EC) has become the state-of-the-art method to directly observe the fluxes of energy, momentum and several important atmospheric constituents such as CO2 and H2O.
However, the EC method is limited to a few atmospheric constituents for which fast-response gas analyzers are available.
True eddy accumulation (TEA) provides an alternative method to measuring fluxes with slow-response gas analyzers.
TEA uses conditional sampling of air to overcome the need for fast measurements of scalar concentration.
The TEA method has many promising applications for direct micrometeorological measurements.
Nevertheless, several challenges in theory and implementation have prevented the wide adoption of the TEA method.
This thesis aims to improve the theory and implementation of the TEA method to make it a reliable tool to study the land-atmosphere exchange.
First, a new proof-of-concept implementation of a TEA system is presented.
The new system is based on a new dynamic mass flow controller that can resolve turbulence at a frequency of 10 Hz and higher.
Flux measurements of CO2 using the new system showed a good match against a
reference conventional EC system (R^2 of 0.86, slope of 0.98).
The new system solved multiple implementation challenges including automatic gas handling and the real-time processing of wind statistics.
The work presented in this thesis contributed to the field verification of the new mass flow controller, the characterization of density effects on air sampling and the processing of measured fluxes.
Secondly, we investigate the problem of TEA under non-ideal conditions where the mean vertical wind velocity is nonzero.
We propose a new TEA formulation that effectively isolates and minimizes the systematic error in the flux under non-ideal conditions.
We analyze the magnitude of the systematic error and propose two methods to estimate and correct the error.
We then show how the conventional formulations for the TEA method are related to
the new formula and evaluate them with the newly proposed correction methods.
Thirdly, we explore the limitations of the fixed accumulation time in the conventional TEA formulation.
We propose a new variation of the eddy accumulation method that overcomes this limitation.
The new method, termed short-time eddy accumulation (STEA), enables more robust and flexible treatments of sample accumulation and allows for realizing a continuous flow-through accumulation system.
A flow-through TEA system has been developed earlier to limit the complexity and nonstationarities associated with bag-based accumulation systems.
The STEA formulation extends the flow-through TEA system to allow a rigorous treatment of continuous sample accumulation.
An STEA system was implemented and evaluated against a reference EC system over an agricultural field.
The measured fluxes matched very well between the two systems yielding an R^2 of 0.86 and a slope of 1.04.
The use of buffer volumes with the STEA method was analyzed and an empirical correction was proposed.
Finally, we analyze the problem of spectral attenuation in measured atmospheric signals with the aim to develop a direct spectral correction method that can be used with TEA measurements.
The analysis showed that the conventional spectral correction methods introduce systematic errors and increased uncertainty to the corrected fluxes due to the assumptions of spectral similarity, the use of inappropriate transfer functions, and due to ignoring the non-linear phase contributions.
We propose a novel direct correction scheme based on Wiener deconvolution.
The new approach brings multiple advantages and does not require the assumption of an ideal spectrum for each averaging interval. Therefore, it can be used to restore attenuated atmospheric signals measured with the TEA method where an assumption about the ideal spectra is hard to justify.
In conclusion, the developments presented in this thesis provide the next level of an improved implementation and theory of the TEA method.
This work demonstrated in practice the actual fitness and the potential for wider applications of the TEA method as a reliable direct method to measure atmospheric fluxes.
Keywords: Eddy covariance; True eddy accumulation; Atmopsheric fluxes; Biosphere-atmosphere interactions; Conditional sampling; Spectral corrections
German
Wechselwirkungen zwischen der Biosphäre und der Atmosphäre haben weitreichende Auswirkungen auf das globale Klima und die zukünftige Entwicklung der Erde. Um die Dynamik und die Einflussgrößen dieser Wechselwirkungen zu verstehen, ist es notwendig, den Energie- und Materieaustausch (oder -fluss) zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre kontinuierlich zu erfassen. Die Eddy-Kovarianz (EK) Methode ist die State-of-the-Art Methode zur direkten Messung des Energie- und Impulsaustauschs, sowie des Austauschs verschiedener wichtiger atmosphärischer Komponenten wie zum Beispiel CO2 und H2O. Die EK Methode kann jedoch nur für einige wenige Komponenten der Atmosphäre verwendet werden, für die Gasanalysatoren mit ausreichend hoher Messfrequenz vorhanden sind. Eine alternative Methode zur Messung von Flussgrößen bietet die auf langsamen Gasanalysatoren basierende sogenannte echte Eddy Akkumulation (oder: true eddy accumulation, TEA). Diese Methode nutzt die konditionale Entnahme einer Luftprobe, um die Notwendigkeit einer hohen Messfrequenz der skalaren Konzentration zu überwinden. Diese Methode hat etliche vielversprechende Anwendungen für mikrometeorologische Messungen. Allerdings haben verschiedene Herausforderungen, sowohl im Bereich der Theorie als auch in der Umsetzung eine weitreichende Einführung der TEA Methode verhindert.
Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, sowohl die Theorie als auch die Implementierung der TEA Methode zu verbessern, um diese zu einem verlässlichen Werkzeug zur Analyse von Austauschprozessen zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre zu machen. Zuerst wird als Machbarkeitsnachweis eine neue Implementierung eines TEA Systems vorgestellt. Das neue System basiert auf neuen dynamischen Massenflussreglern, mit denen die turbulenten Prozesse mit Messfrequenzen von 10 Hz oder mehr aufgelöst werden können.
Flussmessungen des Spurengases Kohlenstoffdioxid mit dem neuen System zeigten eine gute Übereinstimmung mit einem konventionellen EK-Referenzsystem. (R^2 = 0.86, Steigung 0.98). Das neue System stellte sich mehrerer Herausforderungen bei der Umsetzung der TEA Methode, wie zum Beispiel die Automatisierung des Gastransports und die Echtzeitberechnung der Windstatistik.
Die Arbeit, die hier präsentiert wird, hat zur Verifikation des neuen Massenflussreglers im Feld, zur Charakterisierung von Dichteeffekten bei der Entnahme einer Luftprobe und zur Berechnung der gemessenen Flüsse beigetragen.
Zweitens untersuchen wir die Problematik der TEA Methode unter nicht idealen Bedingungen, in denen die mittlere vertikale Windgeschwindigkeit nicht Null beträgt. Wir schlagen eine neue Formulierung der TEA vor, in welcher die systematischen Fehler des berechneten Flusses unter nicht-idealen Bedingungen isoliert und minimiert werden. Wir analysieren die Größe dieser systematischen Fehler und stellen zwei Methoden zur Fehlerabschätzung und Fehlerkorrektur vor. Anschließend zeigen wir, wie die unterschiedlichen Formulierungen der TEA Methode mit den neuen Formeln zur Fehlerabschätzung zusammenhängen und evaluieren sie mit den hier vorgestellten Korrekturmethoden.
Drittens untersuchen wir die Beschränkungen, die sich durch die feste Akkumulationszeit in der konventionellen Formulierung der TEA ergeben. Wir stellen eine neue Variation der Eddy-Akkumulation vor, die diese Beschränkungen überwindet. Diese neue Methode, im Folgenden bezeichnet als Kurzzeit-Eddy-Akkumulations (oder: short-time eddy accumulation – STEA), ermöglicht robustere und flexiblere Verfahren der Probennahme und erlaubt die Realisierung eines Akkumulationssystems mit kontinuierlichem Durchfluss. Ein TEA System mit kontinuierlichem Durchfluss (oder: flow-through TEA) wurde bereits früher entwickelt, um die Komplexität und die Nichtstationarität zu begrenzen, die mit einem auf variablen Probevolumen basierenden Akkumulationssystem (Luftakkumulation in Probenahmetüten) zusammenhängen. Die STEA Formulierung erweitert das flow-through TEA System und ermöglicht eine gründliche Behandlung kontinuierlicher Probenakkumulation. Ein STEA System wurde über einer Agrarfläche implementiert und mit einem EC-Referenzsystem evaluiert. Die mit den beiden verschiedenen Systemen gemessenen Flüsse stimmten sehr gut überein und ergaben ein R^2 von 0.87 bei einer Steigung von 1.04. Die Verwendung von Puffervolumen mit der STEA Methode wurde analysiert und hierfür wurde eine empirische Korrektur aufgestellt.
Zum Schluss analysieren wir das Problem der spektralen Dämpfung in gemessenen Atmosphärensignalen, um eine direkte Methode zur spektralen Korrektur zu entwickeln, die für TEA Messungen verwendet werden kann. Diese Analyse zeigt, dass durch die konventionellen Methoden zur spektralen Korrektur systematische Fehler und Unsicherheiten in den korrigierten Flüssen entstehen, die sich auf die Annahmen spektraler Ähnlichkeiten, die Nutzung ungeeigneter Transferfunktionen und auf die Vernachlässigung nichtlinearer Phasenbeiträge zurückführen lassen. Wir stellen eine neue, direkte, auf Wiener-Dekonvolution basierende Korrekturmethode vor. Diese neue Methode hat viele Vorteile und ist frei von der Annahme eines idealen Spektrums für jedes Mittelungsintervall. Aus diesem Grund kann sie verwendet werden, um die mit dem TEA System gemessenen Atmosphärensignale zu korrigieren, während hier die Annahme eines idealen Spektrums schwer zu rechtfertigen ist.
Die Entwicklungen, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, heben die TEA Methode durch Verbesserungen in Umsetzung und Theorie schlussendlich auf die nächste Ebene. Diese Arbeit zeigte im Praxistest die tatsächliche Eignung der TEA Methode als eine zuverlässige direkte Methode zur Messung von Austauschprozessen in der Atmosphäre mit Potenzial für breitere Anwendungsgebiete.