| dc.contributor.advisor | Knohl, Alexander Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Bonazza, Mattia | |
| dc.date.accessioned | 2021-04-15T14:07:53Z | |
| dc.date.available | 2021-04-29T09:53:52Z | |
| dc.date.issued | 2021-04-15 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0008-57F1-6 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8501 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8501 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 630 | de |
| dc.title | Water vapor, precipitation and evapotranspiration isotopic composition in the tropical atmospheric boundary layer | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Hölscher, Dirk Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2021-03-11 | |
| dc.description.abstractger | In den tropischen Gebieten finden wichtige großräumige Klimaphänomene wie die El-Niño-Südoszillation (ENSO), die Madden-Julian-Oszillation (MJO) und der Monsun statt, die das globale Klima in hohem Maße beeinflussen.
Eines der Gebiete der Erde, in denen diese Störungen ihre Wirkung mit besonderer
Intensität entfalten, ist Indonesien. In dieser Region, in der das Klima das ganze Jahr über meist warm und feucht ist, sind diese atmosphärischen Phänomene für den Wechsel zwischen Dürreperioden und Perioden sehr intensiver Niederschläge mit Folgen für die Landwirtschaft und die Tropenwälder verantwortlich. In hydrogeologischen Studien spielt die Isotopenzusammensetzung des Wassers eine vorrangige Rolle. Unter Ausnutzung der Eigenschaft verschiedener Isotope, sich zu Molekülen mit gleichem chemischen Verhalten, aber unterschiedlichen Massen zu verbinden, liefert die Isotopenzusammensetzung von Wassermolekülen Informationen über ihren Ursprung und ihre Verteilung in Raum und Zeit. Darüber hinaus spiegelt die Entwicklung der Isotopenzusammensetzung von Feuchtigkeit und Niederschlag aufgrund der Isotopenfraktionierung, die während der Phasenübergänge auftritt, die Prozesse wider, die den Ursprung und den Transport von Luftmassen durch die Troposphäre charakterisieren. Aufgrund der großen Bedeutung, des indonesischen Klimas für die Landwirtschaft und die Erhaltung der Tropenwälder, sowie wenige direkte Messungen der Isotopenzusammensetzung von Niederschlag und Wasserdampf in diesem Gebiet haben wir im Rahmen der Projekte Bariri-Flux und EFFORTS CRC 990 diese Studie durchgeführt. Ziel dieser Studie war es
1. die Isotopenzusammensetzung des Niederschlags entlang eines Nord-Süd Gradienten in Zentralsulawesi zu messen und den Einfluss der Großwetterlage und des Wolkentyps auf die zeitliche Variabilität der Isotopenzusammensetzung zu untersuchen,
2. die Isotopenzusammensetzung von Niederschlag- und Wasserdampf in einer ausgewachsenen Ölpalmenplantage zu messen und den Einfluss der MJO auf die Isotopenzusammensetzung von Wasserdampf in Bodennähe zu untersuchen und
3. die Isotopenzusammensetzung des aus dem Boden und den Blättern extrahierten Wassers zu bestimmen und die Evapotranspiration über einer ausgewachsenen Ölpalmenplantage in seine Bestandteile zu zerlegen. Zum Erreichen der Ziele haben wir
1. für die Dauer von etwa einem Jahr Niederschlag an 3 Stationen entlang
eines Nord-Süd Gradienten in Zentralsulawesi gesammelt. Die -Werte
( dD, d18O) wurden mit einem Isotopic Ratio Mass Spectrometer (IRMS)
an der International Atomic Energy Agency (IAEA) Wien und einem Cavity Ring-Down Spectrometer (CRDS) an der Universität Göttingen gemessen.
2. über zwei Wochen hinweg dD und d18O in Wasserdampf entlang eines Vertikalprofils gemessen und Niederschlag in einer ausgewachsenen Ölpalmenplantage in der Nähe von Jambi, Sumatra, gesammelt. Ein CRDS wurde zur Analyse der -Werte verwendet.
3. für eine Dauer von 3 Tagen Ölpalmenblätter in 2 verschiedenen Höhen
und Bodenproben in 2 verschiedenen Tiefen in derselben Ölpalmenplantage
gesammelt. Das Wasser aus den Blättern und den Bodenproben
wurde mit Hilfe einer Tieftemperatur-Vakuumleitung extrahiert.
Die Isotopenzusammensetzung des Niederschlags und des Wassers aus
Blättern und Bodenproben wurde mit einem CRDS gemessen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Isotopenzusammensetzung des Niederschlags an den 3 Standorten signifikant durch die geographische Höhe der Standorte beeinflusst wurde und dass d D und d 18O durch die Intensität der konvektiven Bewölkung in dem Gebiet reguliert wurde. Darüber hinaus deutet ein Vergleich unseres Datensatzes mit der Station Mulu (Borneo) darauf hin, dass die Isotopenzusammensetzung des Niederschlags hauptsächlich
vom Bedeckungsgrad der stratiformen Bewölkung abhängt, welchedurch
die Intensität der konvektiven Bewölkung beeinflusst wird. Das Jambi-Gebiet wurde während unserer Kampagne hauptsächlich mit Wasserdampf aus dem Südchinesischen Meer (77,5% Vorkommen) versorgt. Unter diesen Bedingungen bewegen sich die Luftpakete in niedriger Höhe (1000 m ü.d.M.) mit großen Mengen isotopisch angereichertemWasserdampf
( dD -100 permill). Während der aktiven Phase der Madden-Julian -Oszillation wurde die Entwicklung einer konvektiven Wolkenzelle im Indischen Ozean mit Luftpaketen in höheren Höhen (> 2000 m ü.d.M.) in Verbindung gebracht.
Dies führte zum Transport von abgereichertem Wasserdampf aus der oberen Troposphäre in die atmosphärische Bodenschicht. Die rasche Abreicherung
des Wasserdampfes ( -60 permill innerhalb von 3 Tagen), die mit der Intensität
der konvektiven Bewölkung verbunden war, zeigte sich nicht nur an
der Isotopenzusammensetzung vom Wasserdampf und Niederschlag, sondern
auch am Deuteriumüberschuss. Die zeitliche Variabilität der Isotopenzusammensetzung des Wasserdampfs in der Bodenschicht wurde hauptsächlich durch den Anteil der Wiederverdampfung des Niederschlags dominiert (bis zu 50%). In der ausgewachsenen Ölpalmenplantage machte die Transpiration während der Mittagszeit einen Anteil von 50 bis 60% der Evapotranspiration aus. Dieses Ergebnis ist in enger Übereinstimmung mit Ergebnissen, die für denselben Standort veröffentlicht und mit mikrometeorologischen Methoden abgeschätzt wurden. Trotz großer technischer und logistischer Probleme liefert unsere Studie einige kleine Verbesserungen und neue Erkenntnisse zum Verständnis der Wechselwirkungen zwischen der MJO, der großräumigen Konvektion und der Isotopenzusammensetzung des Niederschlags und Wasserdampfs auf Süd-Sumatra und in Zentralsulawesi. In Zukunft könnten eine systematischere Probenahmestrategie und das Hinzufügen anderer Messtechniken helfen die Rolle konvektiver und stratiformer Wolken auf die Isotopenzusammensetzung von Niederschlag und Wasserdampf in der atmosphärischen Bodenschicht an beiden Standorten besser zu beschreiben. | de |
| dc.description.abstracteng | The tropical areas are home to important large-scale climatic phenomena,
like the El-Niño Southern Oscillation (ENSO), the Madden-Julian Oscillation
(MJO) and the monsoons, that influence the global climate to a large extent.
One of the areas of the planet where these perturbations exert their effect
with a particular intensity is Indonesia. In this region, where the climate is
mostly warm and humid throughout the year, these atmospheric phenomena
are responsible for the alternation between periods of drought and periods
of very intense rainfall with consequences for the agriculture and the tropical
forests. In hydrogeological studies, the isotopic composition of water plays
a role of primary importance. By exploiting the property that different isotopes
have of combining into molecules having the same chemical behavior
but different masses, the isotopic composition of water molecules provides
information about their origin and their distribution in space and time. Furthermore,
due to the isotopic fractionation that occurs during phase transitions,
the evolution of the isotopic composition of moisture and precipitation
reflects the processes that characterize the origin and transport of air masses
through the troposphere. Due the importance that the Indonesian climate has for the agriculture and for the conservation of tropical forests and due to the scarcity of direct measurements of the isotopic composition of rainfall and water vapor in this
area, in the framework of the Bariri-Flux and the EFFORTS CRC 990 projects
we performed a study aiming at
1. measure the precipitation isotopic composition along a transect in Central
Sulawesi and evaluate the sources of its variability concerning the
effects of large-scale weather phenomena and cloud type,
2. measure the precipitation and moisture isotopic composition in a mature
oil palm plantation and determine the effect of the Madden-Julian
Oscillation on the surface layer moisture isotopic composition,
3. measure the isotopic composition of water extracted from the soil and
leaves and partition the evapotranspiration flux into transpiration and
evaporation in a mature oil palm plantation. Using the most common methods available nowadays in this research
field, we
1. sampled, for about 1 year, rainfall in 3 stations along a north to south
transect in Central Sulawesi. The dD and d 18O were measured using
an Isotope Ratio Mass Spectrometer (IRMS) and a Cavity Ring-Down
Spectrometer (CRDS) at the University of Göttingen and at the International
Atomic Energy Agency (IAEA) Vienna,
2. measured continuously, for 2 weeks, the dD and d18O of moisture along
a profile and sampled precipitation in a mature oil palm plantation near
Jambi, Sumatra using a CRDS on site,
3. sampled, during 3 days, oil palm leaves at 2 different heights and soil
at 2 different depths in the same oil palm plantation. Precipitation,
leaves and soil samples were transported to the University of Göttingen
where, using a cryogenic vacuum line, the water content was extracted
and the isotopic composition measured with a CRDS. Our results revealed that the rainfall isotopic composition at the 3 measuring sites was not only characterized by a significant elevation effect but also that the dD and d18O were modulated by the intensity of the convective activity in the area. Moreover, a comparison between our dataset and Mulu station (Borneo), suggests that the precipitation isotopic composition might principally depends on the stratiform clouds fraction associated to the convective activity. The principal moisture source for the Jambi area during our
campaign was the South China Sea (77,5% occurrences). Under these conditions,
air parcels travel at low altitude (on average 1000 m a.s.l.) carrying large amounts of isotopically enriched moisture ( dD -100 permill). During the active phase of the Madden-Julian Oscillation the development of a convective cloud cluster in the Indian Ocean was associated with higher air parcels altitudes (> 2000 m a.s.l.) that resulted in an injection of upper tropospheric depleted moisture into the surface atmospheric layer. The rapid depletion in heavy isotopes of the water vapor ( -60 permill within 3 days) associated with the convective activity was not only evident from the isotopic composition of moisture and precipitation, but also from the deuterium excess. However, the main source of surface water vapor isotopic composition variability was the proportion of moisture derived from the precipitation re-evaporation (up to 50%). The transpiration might accounts for up to the 60% of the evapotranspiration flux during midday, in close agreement with the results published for the same site and estimated using micrometeorological methods. Despite suffering from major technical and logistic issues, our study provides some improvements and new insights in the understanding of the interactions between the MJO, the large-scale convection and the local precipitation
and moisture isotopic composition in South Sumatra and in Central Sulawesi. In the future a more systematic sampling strategy and the addition of other measuring techniques could also better disentangle the role of convective and stratiform clouds on the surface layer moisture and precipitation isotopic composition at both sites. | de |
| dc.contributor.coReferee | Dyckmans, Jens Dr. | |
| dc.subject.ger | Isotopenzusammensetzung des Wassers, Wasserdampf, Niederschlag, Klimatologie, Ökosysteme Wasserflussaustausch | de |
| dc.subject.eng | Water stable isotopes, water vapor, precipitation, climatology, ecosystems water flux exchange | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0008-57F1-6-4 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.description.embargoed | 2021-04-21 | |
| dc.identifier.ppn | 1755104375 | |