On the determination of the ground heat flux in micrometeorology and its influence on the energy balance closure

Titelangaben

Liebethal, Claudia:
On the determination of the ground heat flux in micrometeorology and its influence on the energy balance closure.
Bayreuth , 2005
( Dissertation, 2006 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The ground heat flux (heat exchange between the atmosphere and the soil), plays a major role in micrometeorology. This is especially true for bare soils in the morning hours, but also for agricultural sites at any time of the day. Thus, this dissertation focuses on three issues: firstly, to establish a reliable and accurate measurement method for the ground heat flux. Secondly, to assess the quality of parameterisation approaches. And thirdly, to study the impact of the ground heat flux on the energy balance closure at the earth's surface. Regarding the measurement of the ground heat flux, different methods are tested. It is concluded that the safest way to determine the ground heat flux is calorimetry (to calculate the ground heat flux as the temporal change in the soil heat storage). The second best so-lution is to directly measure or to calculate the soil heat flux at several decimeters depth (the deeper the better) and to apply calorimetry to the soil layer above. All of the tested approaches strongly react to errors in soil temperature measurements; hence, it is ge-nerally recommended to calibrate, install and maintain soil thermometers as accurately as possible. The measurement approaches for the ground heat flux also require knowledge about soil properties characterising the heat transport within the soil. These can be de-termined either indirectly (from other soil properties) or directly (using e.g. heated sen-sors). Generally, the direct measurement revealed several difficulties during the tests presented in this thesis. Their application is only recommended with restrictions. Whenever the ground heat flux cannot be measured directly with the methods identified as accurate, parameterising is the second-best choice. Here, six different para-meterisation approaches are tested. The main finding is that acceptable quality of ground heat flux data can only be achieved with parameterisations including at least some measurements made directly in the soil. All other approaches, relying only on at-mospherical data such as the sensible heat flux or net radiation, exhibit severe drawbacks in the comparison. Finally, the impact of ground heat flux determination on the closure of the energy balance at the earth's surface is found to be large. On the one hand, a correct determination of the ground heat flux cannot solve the problem of energy imbalance; even with the highest quality of ground heat flux data, a considerable lack in the energy balance re-mains. On the other hand, this must not lead to the conclusion that an exact determination of the ground heat flux is unimportant. Using data from simplified determination methods results in an additional energy imbalance. Taking into account all the results of this thesis, three main conclusions can be drawn: firstly, a correct determination of the ground heat flux is possible and easily applicable to experimental data sets. Secondly, a parameterisation exclusively relying on meteorological data and delivering high quality data for the ground heat flux could not be found. For an accurate estimation, at least some soil data are required. And thirdly, determining the ground heat flux accurately plays a major role in closing the energy balance with measured data. Still, the ground heat flux alone cannot explain the energy imbalance of experimental data sets.

Abstract in weiterer Sprache

Der Bodenwärmestrom (Energietransfer zwischen Atmosphäre und Boden) spielt eine wichtige Rolle in der Mikrometeorologie. Dies gilt vor allem für unbewachsene Böden in den Vormittagsstunden, aber auch für landwirtschaftlich genutzte Flächen zu allen Tageszeiten. Deshalb beschäftigt sich diese Dissertation hauptsächlich mit drei Punkten: erstens, eine verlässliche und genaue Methoden für die Messung des Bodenwärmestroms zu identifizieren. Zweitens, die Qualität von Parametrisierungsansätzen zu bewerten. Und drittens, den Einfluss des Bodenwärmestroms auf die Energiebilanzschließung zu bestimmen. Es werden verschiedene Methoden zur Messung des Bodenwärmestroms getestet. Als sicherste Berechnungsmethode erweist sich dabei die Kalorimetrie (Bodenwärmestrom als Trend der Wärmespeicherung im Boden). Die zweitbeste Alternative ist, den Bodenwärmestrom in einigen Dezimetern Tiefe direkt zu messen oder zu berechnen und die Kalorimetrie nur auf die darüber liegende Bodenschicht anzuwenden. Da alle getesteten Methoden am stärksten auf Messfehler in der Bodentemperatur reagieren, wird empfohlen, Thermometer so exakt wie möglich zu kalibrieren, einzubauen und zu warten. In die Messmethoden für den Bodenwärmestrom gehen zusätzlich Bodenparameter ein, die den Wärmetransport im Boden charakterisieren. Diese können entweder indirekt (aus anderen Bodeneigenschaften) oder direkt bestimmt werden (z. B. mit beheizten Sensoren). Die direkten Messungen zeigten generell Schwächen während der Tests, die dieser Dissertation zugrunde liegen. Ihre Anwendung kann nicht ohne Einschränkungen empfohlen werden. Immer dann, wenn der Bodenwärmestrom nicht mit den als geeignet eingestuften Methoden erfasst werden kann, ist seine Parametrisierung eine Alternative. In dieser Arbeit werden sechs Methoden getestet. Dabei stellte sich heraus, dass eine akzeptable Datenqualität nur dann erreicht werden kann, wenn zumindest einige Bodendaten in die Berechnung eingehen. Alle Ansätze, die nur meteorologische Daten benutzen, offenbaren Schwächen. Schließlich kommt diese Arbeit zu dem Ergebnis, dass die Bestimmung des Bodenwärmestroms einen starken Einfluss auf die Schließung der Energiebilanz an der Erdoberfläche hat. Einerseits kann seine korrekte Bestimmung noch nicht das Problem der Nichtschließung lösen; auch unter Verwendung qualitativ hochwertiger Daten für den Bodenwärmestrom bleibt eine beachtliche Schließungslücke zurück. Andererseits darf daraus nicht gefolgert werden, dass eine genaue Bestimmung des Bodenwärmestroms unwichtig ist. Werden vereinfachte Verfahren für seine Bestimmung angewendet, führt das zu einer noch größeren Nichtschließung. Berücksichtigt man alle Ergebnisse dieser Arbeit, können drei Schlussfolgerungen gezogen werden: Erstens ist es möglich, den Bodenwärmestrom genau und ohne größeren Berechnungsaufwand zu bestimmen. Zum zweiten gibt es keine Parametrisierungsmethode, die lediglich auf meteorologische Daten zurück greift und gleichzeitig Bodenwärmestromdaten mit hoher Qualität liefert; dafür werden zumindest einige in-situ Daten benötigt. Drittens spielt die korrekte Bestimmung des Bodenwärmestrom eine wichtige Rolle für die Energiebilanzschließung. Hochwertige Bodenwärmestromdaten alleine können das Problem der Nichtschließung jedoch nicht lösen.