Site-specific modelling of turbulent fluxes on the Tibetan Plateau

Titelangaben

Babel, Wolfgang:
Site-specific modelling of turbulent fluxes on the Tibetan Plateau.
Bayreuth , 2013 . - 168 S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The Tibetan Plateau attracts attention in recent decades due to its influence on the East-Asian Monsoon and regional hydrology. Therefore estimates of the regional energy and water balance have come into the focus, utilising remote sensing and regional model approaches, but such attempts require surface-specific flux data of high quality for validation. Eddy-covariance measurements are qualified for this task, but these are scarce on the Tibetan Plateau, incomplete due to quality filtering and potentially biased due to the well-known closure gap of the observed energy balance as well as small-scale heterogeneity. This thesis is related to the infrastructural EU project CEOP-AEGIS, aiming at a standardised processing of eddy-covariance data – including correction of the energy balance closure and gap-filling – on the Tibetan Plateau. In a pre-analysis step, particular issues about data quality of turbulent fluxes (sensible heat flux and latent heat flux/evapotranspiration) at Tibetan Plateau sites have been addressed. One of them is the degradation of data quality due to the frequent occurrence of near-ground free convective conditions. Another issue arises from coordinate rotation for non-omnidirectional sonic anemometer, which requires a careful handling. In consequence, a sector-wise planar-fit is recommended, disregarding the sector influenced by the anemometer's mounting structure. This can reduce occurrences of invalid momentum flux data, whilst no effect on scalar fluxes can be seen. As a main topic, this thesis investigates the application of process-based modelling to estimate turbulent flux exchange between the surface and the atmosphere for typical surface types on the Tibetan Plateau. Therefore a case study has been carried out at Nam Co, Tibetan Plateau. Turbulent flux measurements over dry and wet grassland as well as over a shallow lake have been conducted during the summer monsoon season of 2009, and modelled with the land surface scheme SEWAB and a hydrodynamic multilayer model for the lake. Adaptations were implemented to the land surface scheme with regard to the special conditions on the Tibetan Plateau, such as extreme diurnal variation of surface temperature and variation in soil moisture, further called TP version. The analysis includes a consequent model comparison with eddy-covariance data, using model parameters derived independently rather than applying optimisation strategies. Specific attention has been devoted to the impact of observed energy balance closure and its correction, establishing a new correction method according to the Buoyancy flux. The land surface model reasonably represented the dry and the wet grassland site by only setting the site-specific model parameters, and the TP version performed overall better than the original version, while laboratory measurements of soil parameters failed to improve model performance in comparison to standard parameter values. Soil temperature and moisture measurements as well as field based knowledge of the soil type have been identified as minimum requirements for model parameter acquisition. Lake surface fluxes have been modelled reliably, the lake depth has been taken into account. These results can be transferred to any lake on the Tibetan Plateau given the required forcing data including a representative lake surface temperature. The choice of the surface model and the selection of the energy balance closure correction method are inter-related problems. The correction partitions the balance residual to the sensible and latent heat flux. This can be typically done according to the Bowen ratio, or according to the presented new method which attributes a larger fraction to the sensible heat flux. Testing both methods leads to partly ambiguous model performance, especially with respect to the used parameter sets. It clearly leads to shifts in model bias, while the R² metric suggests higher model compatibility to the Bowen ratio correction. The latter agrees with previous findings with respect to SEWAB modelling, but is in contradiction with recent experimental findings, attributing the closure gap to secondary circulations, driven by buoyancy. Future research on model structure should account for such processes. As expected, the flux measurements showed distinct differences between the investigated land use types in magnitude and dynamics. The used models were able to resolve these differences in general with contrasts between surface types exceeding model errors. This must be considered when validating regional flux estimates with eddy-covariance data from the dry Nam Co station. The findings from this thesis provide the basis to process eddy-covariance data on the required level as described above.

Abstract in weiterer Sprache

Durch seine Höhe und Ausdehnung hat das Hochland von Tibet erheblichen Einfluss auf den ostasiatischen Monsun und den Wasserhaushalt in Ostasien. Daher sind regionale Wasser- und Energiebilanzen schon länger im Blickpunkt der Forschung. Übliche Ansätze der regionalen Modellierung stützen sich auf Fernerkundungsdaten, die wiederum durch hochwertige Flussmessungen über repräsentativen Unterlagen validiert werden. Messungen mit Eddy-Kovarianz bieten zwar die benötigte Genauigkeit, bringen aber typische Nachteile mit sich, wie z.B. Datenlücken oder systematische Abweichungen aufgrund der ungeschlossenen Energiebilanz oder Heterogenität des Messgebiets. Innerhalb des EU Projekts CEOP-AEGIS soll eine einheitliche Bearbeitung von tibetischen Eddy-Kovarianz-Daten festgelegt werden, die sowohl eine Flusskorrektur aufgrund der ungeschlossenen Energiebilanz vorsieht als auch das Füllen von Datenlücken. In der Dissertation werden zunächst zwei Aspekte der Datenqualität turbulenter Flüsse (fühlbare Wärme und latente Wärme/Verdunstung) auf dem tibetischen Hochland näher untersucht. Zum einen kann in den Messungen häufig bodennahe freie Konvektion nachgewiesen werden, was die Datenqualität beeinträchtigt. Zum anderen konnte gezeigt werden, dass gestörte Windsektoren, wie sie bei manchen Ultraschallanemometern vorkommen, von der Koordinatenrotation mit Planar-fit ausgeschlossen werden sollten. Anderenfalls treten vermehrt unrealistische Messungen des Impulsflusses auf, ein Einfluss auf Skalare wie fühlbare Wärme konnte jedoch nicht bestätigt werden. Der zentrale Punkt dieser Dissertation ist die prozessorientierte Modellierung turbulenter Flüsse über typischen Unterlagen auf dem tibetischen Hochland. In einer Fallstudie am Nam Co wurden im Sommer 2009 Energiebilanzmessungen über trockener alpiner Steppe und etwas feuchterem Grasland sowie über einem flachen See durchgeführt. Die turbulenten Flüsse über Land wurden anschließend mit dem Energie- und Wasserbilanzmodell SEWAB simuliert, für den See kam ein hydrodynamisches Mehrschichtenmodell zum Einsatz. Die außergewöhnliche Höhenlage erzeugt besondere Bedingungen, vor allem auf trockenen Böden treten extrem hohe Oberflächentemperaturen auf. Deshalb war eine Anpassung von SEWAB an diese Bedingungen notwendig (TP Version). Ein Modellvergleich mit den Eddy-Kovarianz-Daten wurde unter Beachtung der Energiebilanzschließungslücke, wie sie bei Messungen typischerweise auftritt, durchgeführt. SEWAB konnte die Flüsse auf beiden Graslandflächen konsistent simulieren, d.h. die Unterschiede zwischen der feuchten und der trockenen Fläche wurden nur durch Benutzung der standortspezifischen Modellparameter zufriedenstellend erreicht. Die Modellanpassung (TP Version) kann als Verbesserung angesehen werden. Dies trifft nicht zu für Labormessungen der Modellparameter. Standardparameter für den jeweiligen Vegetations- und Bodentyp lieferten eher bessere Ergebnisse, eine herkömmliche Bodenansprache direkt am Messfeld sowie Messungen der Bodentemperatur und Feuchte sind jedoch Voraussetzung für den Erfolg. Auch mit dem Seemodell konnten gute Ergebnisse erzielt werden. Durch die Berücksichtigung der Seetiefe kann das Modell auf andere Seen übertragen werden, solange die meteorologischen Antriebsdaten sowie eine repräsentative Wasseroberflächentemperatur gegeben sind. Erwartungsgemäß beeinflusst die ausgewählte Korrektur zur Energiebilanzschließung auch die Modellanpassung an die „Mess-“ Daten. Die Korrektur verteilt das Residuum der Energiebilanz auf die turbulenten Flüsse. Neben der bekannten Methode der Verteilung nach dem Bowenverhältnis wurde auch eine neue Korrektur eingeführt, die das Residuum gemäß der prozentualen Anteile der turbulenten Flüsse am Auftriebsstrom verteilt, was im Vergleich zur vorigen Methode höhere fühlbare Wärmeströme erzeugt. Dadurch wird der Modell-Bias natürlich verändert, was die Ergebnisse teilweise uneindeutig macht. Nach dem Bestimmtheitsmaß zu urteilen, scheint die Aufteilung der Energieflüsse in SEWAB eher zu den Messungen zu passen, die durch das Bowenverhältnis korrigiert wurden. Dies bestätigt Ergebnisse aus der Literatur in Bezug auf Modellierung mit SEWAB, widerspricht aber neueren Erkenntnissen aus experimenteller Sicht, die sekundäre Zirkulationen als Ursache für die Schließungslücke sehen und die Korrektur nach dem Auftriebsstrom favorisieren. Die verschiedenen Unterlagen am Nam Co unterscheiden sich erwartungsgemäß deutlich, wie die Messungen belegen und die Simulationen auch adäquat abbilden. Diese Heterogenität muss berücksichtigt werden, wenn die Nam Co-Station zur Validierung mesoskaliger Anwendungen herangezogen wird. Aufgrund der Ergebnisse dieser Arbeit kann die oben genannte Datenbearbeitung erfolgreich durchgeführt werden.