Detection and Analysis of Coherent Structures within and above Tall-vegetated Canopies

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Thomas, Christoph:
Detection and Analysis of Coherent Structures within and above Tall-vegetated Canopies.
Bayreuth , 2005
( Dissertation, 2005 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Coherent structures are an inherent phenomenon of the atmospheric turbulent flow in the proximity to tall-vegetated canopies. Although coherent structures have called increasing attention of the turbulence community during the past decades, the basic mechanisms of their emergence, their contributions to exchange processes and their importance for conventional flux determination methods remain poorly understood or even unknown. In particular, no studies have been published yet dealing with long-term observations rather than exemplary case studies using short-term data. This dissertation aims at the enhanced understanding of the driving mechanisms and statistical properties of coherent structures within and above tall-vegetated canopies through an extensive analysis using long-term observations. Thereby, it places a specific emphasis on the implications of coherent structures for exchange processes and assesses their impact on conventional flux determination methods such as the eddy covariance and relaxed eddy accumulation techniques. Data were mainly obtained using tower-based single-point turbulence measurements and acoustic remote sensing technique (Sodar-Rass) during extensive field campaigns conducted in summer 2003. The developed wavelet software tool for detection and analysis of coherent structures is verified to extract coherent structures objectively under varying environmental conditions and thus allows determining their statistics in long-term datasets. In the proximity to the plant canopy, the temporal scales of coherent structures typically range between 20 s and 35 s. The temporal scales of coherent structures in the horizontal wind velocity, the sonic temperature and the concentration of carbon dioxide and water vapour exceed those of the vertical wind velocity. Within the canopy, the temporal scales of all vector and scalar variables collapse at approx. 24 s to 28 s resulting in an enhanced symmetry. Besides this, coherent structures with temporal scales up to 220 s are evidenced well above the canopy with the aid of acoustic remote sensing. The application of the canopy mixing-layer analogy to the data partially yields departures of the ratio m between the streamwise structures spacing of coherent structures and the canopy shear scale from the prediction m = 7...10. The departures are due to the influence of the terrain affecting the shape of the canopy wind profile and therefore the vertical wind shear. An agreement is found for flows which are forced to reorganise downstream of flow obstacles. The vertical wind shear is identified as the main driving force from which coherent structures emerge close to the canopy. In the layer well above the canopy diabatic processes facilitate the generation of coherent structures of large temporal scales. Clearcuts in a fairly homogeneous canopy cause additional structures in the turbulent flow with large temporal scales. Coherent structures contribute about 16 % to total the momentum transfer and about 26 % to the total fluxes of buoyancy, carbon dioxide and latent heat. A scheme for the qualitative classification of exchange regimes between the atmosphere and the canopy is developed analysing the ejection and sweep phases of coherent structures along the vertical profile in the canopy. The presence of coherent structures causes flux errors in the eddy covariance method below 4 %. The effect of this flux error for long-term observations is negligible as individual flux errors average out. Coherent structures of large temporal scales significantly influence the scalar similarity required for the relaxed eddy accumulation technique. These flow structures are responsible for the diurnal changes of the scalar similarity observed in the traces of acoustic temperature and concentration of carbon dioxide and water vapour.

Abstract in weiterer Sprache

Kohärente Strukturen sind ein inhärenter Bestandteil der atmosphärischen Turbulenz über hoher Vegetation. Obwohl die Turbulenzforschung innerhalb der letzten Jahrzehnte kohärente Strukturen zunehmend in den Mittelpunkt ihres Interesses gerückt hat, blieben die grundlegenden Mechanismen ihrer Entstehung, ihr Beitrag zu Austauschprozessen und ihre Bedeutung für konventionelle Austauschbestimmungsverfahren weitgehend unverstanden. Vor allem die Untersuchung umfangreicher Datensätze anstelle von Einzelstudien fehlte bislang. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist ein erweitertes Verständnis der Entstehungsmechanismen und der statistischen Eigenschaften kohärenter Strukturen in und über hoher Vegetation durch die Untersuchung umfangreicher Zeitreihen. Besondere Bedeutung kommt dabei den Auswirkungen kohärenter Strukturen auf den Gesamtaustauschprozess und Austauschbestimmungsverfahren wie die Eddy-Kovarianz-Methode und die Relaxed-Eddy-Akkumulations-Technik zu. Die Datengrundlage wurde hauptsächlich im Rahmen umfangreicher Feldexperimente im Sommer 2003 erhoben. Dabei kamen Verfahren zur Turbulenzmessung auf Türmen und akustische Fernerkundung zur Anwendung. Das selbstentwickelte Softwareprogramm, das die Wavelet-Transformation für die Erkennung und Untersuchung verwendet, gewährleistet eine objektive Bestimmung kohärenter Strukturen in Zeitreihen unter wechselnden meteorologischen Umweltbedingungen. Es schafft damit die Voraussetzung für eine Langzeitstudie über kohärente Strukturen. Kohärente Strukturen über hoher Vegetation haben charakteristische Zeitskalen zwischen 20 s und 35 s. Die Zeitskalen im Horizontalwind und in den Skalaren der akustischen Temperatur und der Konzentration von Kohlendioxid und Wasserdampf sind dabei größer als im Vertikalwind. Innerhalb hoher Vegetation gleichen sich die Zeitskalen der vektoriellen und skalaren Größen, die zwischen 24 s und 28 s liegen. Die Vegetation führt damit zu einer Erhöhung der Symmetrie kohärenter Strukturen. In größerer Entfernung zur Oberfläche konnten ebenfalls kohärente Strukturen mit deutlich längeren Zeitskalen von bis zu 220 s mithilfe der akustischen Fernerkundung nachgewiesen werden. Die Anwendung der Verwirbelungsschicht-Analogie auf die Datensätze ergab teilweise erhebliche Abweichungen des berechneten Verhältnisses m von der Vorhersage m = 7...10. Das Verhältnis m ist definiert als mittlerer Abstand kohärenter Strukturen entlang der Strömung zur Scherungslängenskala im Bestand. Die Abweichungen können auf die Oberflächengestalt zurückgeführt werden, die Einfluss auf das Windprofil im Bestand und damit auf die Windscherung nehmen. Eine Übereinstimmung wird für Strömungen erzielt, die sich im Nachlauf von Strömungshindernissen neu formieren müssen. Die große Windscherung an der Oberkante hoher Vegetation ist im hohen Maße verantwortlich für die Entstehung kohärenter Strukturen nahe der Vegetation. In größerer Entfernung zur Oberfläche können zunehmend diabatische Prozesse Einfluss nehmen. Kahlschläge in sonst homogener Vegetation erzeugen zusätzliche turbulente Flussstrukturen, die große zeitliche Skalen aufweisen. Kohärente Strukturen haben einen mittleren Flussbeitrag von 16 % am Impulsaustauscb und von 26 % am Auftriebsstrom, dem Kohlendioxidfluss und dem Austausch latenter Wärme. Zur Klassifikation typischer Austauschzustände zwischen der Atmosphäre und hoher Vegetation wurde ein Schema entwickelt, das eine qualitative Bewertung erlaubt. Es basiert auf dem physikalischen Prozess des Energietransportes, der durch die Phasen der Auf- und Abwärtsbewegung kohärenter Strukturen hervorgerufen wird. Kohärente Strukturen verursachen bei Anwendung der konventionellen Eddy-Kovarianz-Methode über hoher Vegetation einen Flussbestimmungsfehler von unter 4 %. Dieser Fehler mittelt sich für längere Zeitabschnitte heraus und wird damit vernachlässigbar. Kohärente Strukturen mit großen Zeitskalen üben einen deutlichen Einfluss auf die skalare Ähnlichkeit aus, die Voraussetzung für die Anwendung der Eddy-Akkumulations-Technik ist. Sie sind verantwortlich dafür, dass sich die skalare Ähnlichkeit zwischen akustischer Temperatur und der Konzentration von Kohlendioxid und Wasserdampf im Tagesverlauf verändert.