Modeling the exchange of energy and matter within and above a spruce forest with the higher-order closure model ACASA

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Staudt, Katharina:
Modeling the exchange of energy and matter within and above a spruce forest with the higher-order closure model ACASA.
Bayreuth , 2010
( Dissertation, 2010 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Multilayer SVAT-models that contain an advanced turbulence scheme are necessary for the detailed simulation of all relevant exchange processes above and within a forest canopy. The Advanced Canopy-Atmosphere-Soil Algorithm (ACASA) model incorporates such an advanced turbulence scheme, the third-order turbulence closure. This study presents the application of the ACASA model for a spruce forest at the Waldstein-Weidenbrunnen site in the Fichtelgebirge (Germany). The comprehensive micrometeorological and plant physiological measurements performed during the EGER project (ExchanGE processes in mountainous Regions) provided the necessary data base for this purpose, particularly eddy-covariance and sap flux measurements at several heights within the canopy. Thorough model tests were a main focus of this study and led to an improvement of the investigated model. This included both the exploration of the sensitivity and predictive uncertainty of the modeled fluxes and the analysis and correction of model errors that were encountered while working with the model. Furthermore, the ability of the ACASA model to reproduce measured quantities within and above the forest canopy was assessed, with an emphasis on the vertical structure of evapotranspiration and its components. To study the sensitivity and predictive uncertainty of the ACASA model, the Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) methodology was employed for two five day fair weather periods. Here, the sensitivity of the sensible heat flux, the latent heat flux and the net ecosystem exchange above the forest canopy was assessed. This analysis allowed the identification of influential parameters for the three fluxes. The fluxes were strongly sensitive to only a few parameters while the problem of equifinality was revealed for many parameters. Equifinality is a common problem for complex process-based SVAT-models. The calculated uncertainty bounds showed the ability of the ACASA model to well reproduce the fluxes for two periods with different meteorological conditions. Furthermore, the results of the GLUE analysis indicated weaknesses in the model structure concerning the soil respiration calculations. The latest ACASA version includes multiple improvements in comparison to older model versions which were introduced after a comparison of modeled within- and above-canopy fluxes and turbulence statistics with measurements. The former version of the ACASA model did not explicitly close the energy balance. Rather, an error was included in the model output. This modeled error, however, did not agree with the measured residual at our site and was shown to reach substantial magnitudes depending on the value of the leaf area index. Thus, a method to ensure a closed energy balance for all layers in ACASA was introduced. Measured third-order velocity statistics were largely underestimated by the former ACASA version, which required correcting the calculation algorithms for the third-order moments in the latest ACASA version. Comparisons of third- and second-order velocity statistics showed that simulations of the latest ACASA version were improved but only partly reproduced measurements. Sap flux and eddy-covariance measurements at several heights within the profile provided estimates of all components of evapotranspiration of the forest and its vertical distribution. Canopy transpiration of the stand measured with the eddy-covariance technique delivered larger estimates than measured with the sap flux technique. Possible reasons for this mismatch are discussed, such as a contribution of evaporation from intercepted water that was still present at the beginning of the study period and differences between the eddy-covariance footprint and the area to scale up sap flux measurements. The modeled evapotranspiration components by ACASA compared well to these measurements when taking the uncertainties of these measurements into account. Also, modeled in-canopy profiles of canopy (evapo-) transpiration agreed well with measurements, with a better agreement of mean profiles for daytime, a partly and completely coupled canopy than for nighttime and a decoupled canopy. Largest contributions to canopy (evapo-) transpiration stem from the upper half of the canopy at daytime, whereas during nighttime, the contribution shifted towards lower parts of the canopy. Additionally, model simulations of the 3D model STANDFLUX were included in this study. This study revealed that the ACASA model is a powerful tool to simulate in detail a large range of the relevant exchange processes within and above a spruce forest site. At the same time existing weaknesses in the model code were identified that should be improved in future ACASA versions.

Abstract in weiterer Sprache

Mehrschicht-SVAT-Modelle die ein hochentwickeltes Turbulenzmodell beinhalten werden benötigt um alle relevanten Austauschprozesse in und über einem Wald detailliert simulieren zu können. Das Advanced Canopy-Atmosphere-Soil Algorithm (ACASA) Modell beinhaltet ein solch hochentwickeltes Turbulenzmodell, die Schließung dritter Ordnung. Diese Arbeit zeigt die Anwendung des ACASA Modells für einen Fichtenwald am Standort Waldstein-Weidenbrunnen im Fichtelgebirge (Deutschland). Die umfangreichen mikrometeorologischen und pflanzenphysiologischen Messungen im Rahmen des EGER Projekts (ExchanGE processes in mountainous Regions) lieferten die dazu nötige Datengrundlage, insbesondere Eddy-Kovarianz und Saftflussmessungen in mehreren Höhen im Bestand. Einen Schwerpunkt dieser Arbeit bilden Modelltests, die schließlich zu einer Verbesserung des untersuchten Modells führten. Hierbei wurden die Sensitivität und Vorhersageunsicherheit der modellierten Flüsse untersucht, sowie Modellfehler, die während der Arbeit entdeckt wurden, analysiert und korrigiert. Des Weiteren wurde die Fähigkeit des ACASA Modells zur korrekten Simulation in und über dem Wald gemessener Größen, insbesondere der vertikalen Struktur der Evapotranspiration und der Komponenten der Evapotranspiration, untersucht. Zur Untersuchung der Sensitivität und Vorhersageunsicherheit des ACASA Modells wurde die Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) Methode für zwei Schönwetterperioden à fünf Tagen angewendet. Damit wurde die Sensitivität des fühlbaren und latenten Wärmestroms und des Netto-Ökosystemaustauschs über dem Bestand beurteilt. Diese Untersuchung erlaubte die Identifizierung der für die drei Flüsse einflussreichen Parameter. Nur hinsichtlich einiger Parameter konnte eine starke Sensitivität der Flüsse beobachtet werden. Dagegen zeigte sich für viele Parameter das in komplexen, prozessbasierten SVAT-Modellen verbreitete ‚Equifinality‘ Problem. Die berechneten Unsicherheitsgrenzen machten deutlich, dass das ACASA Modell in der Lage ist, die Flüsse aus zwei Perioden mit unterschiedlichen meteorologischen Bedingungen gut zu simulieren. Die Ergebnisse der GLUE Analyse zeigte desweiteren Schwächen in der Modellstruktur auf, die die Berechnung der Bodenrespiration betrafen. Die neueste ACASA Version beinhaltet eine Reihe von Verbesserungen gegenüber älteren Versionen, die nach einem Vergleich von modellierten Flüssen und Turbulenzstatistiken in und über dem Bestand mit Messungen eingefügt wurden. Die ältere ACASA Version beinhaltete keine explizite Schließung der Energiebilanz, stattdessen war eine Fehlergröße Teil des Modelloutputs. Dieser Fehler stimmte jedoch nicht mit dem gemessenen Residuum unseres Standorts überein und konnte, abhängig vom Blattflächenindex, eine beträchtliche Größe erreichen. Daher wurde eine Methode zur Sicherung einer geschlossenen Energiebilanz für alle Modellschichten in ACASA eingeführt. Gemessene dritte Momente der Komponenten der Windgeschwindigkeit wurden durch die ältere ACASA Version stark unterschätzt, was eine Korrektur der Berechnungen der dritten Momente für die neueste ACASA Version nötig machte. Der Vergleich von dritten und zweiten Momenten der Komponenten der Windgeschwindigkeit zeigte, dass die Simulationen der neuesten ACASA Version die Messungen zwar besser, aber dennoch nur teilweise reproduzieren konnten. Saftfluss und Eddy-Kovarianz Messungen in verschiedenen Höhen im Profil lieferten Abschätzungen für alle Komponenten der Evapotranspiration des Waldes und deren vertikale Verteilung. Die mit der Eddy-Kovarianz Technik gemessene Transpiration der Bäume lieferte höhere Werte als die mit der Saftflussmethode gemessenen. Mögliche Gründe für diese Diskrepanz werden diskutiert, wie der Beitrag der Evaporation von zu Beginn der Untersuchungsperiode noch vorhandenem Interzeptionswasser, und die Unterschiede zwischen dem Eddy-Kovarianz Footprint und der Fläche, die für das Up-Scaling der Saftflussmessungen verwendet wurde. Unter Berücksichtigung der Messunsicherheiten waren die von ACASA modellierten Komponenten der Evapotranspiration mit den Messungen vergleichbar. Auch stimmten modellierte (Evapo-) Transpirationsprofile im Bestand gut mit Messungen überein, wobei eine bessere Übereinstimmung der mittleren Profile für Tagwerte und einen teilweise bzw. komplett gekoppelten Bestand als für Nachtwerte und einen entkoppelten Bestand festgestellt wurde. Die größten Beiträge zur (Evapo-) Transpiration der Bäume stammten tagsüber aus der oberen Hälfte der Krone, nachts dagegen aus tieferen Bestandesschichten. Modellsimulationen mit dem 3D Modell STANDFLUX waren zusätzlich Teil dieser Arbeit. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass das ACASA Modell ein leistungsfähiges Instrument zur detaillierten Simulation einer großen Anzahl relevanter Austauschprozesse in und über einem Fichtenstandort ist. Gleichzeitig zeigt sie bestehende Schwächen im Modellcode auf, die in zukünftigen ACASA Versionen verbessert werden sollten.