Impact of time and spatial averages on the energy balance closure

Titelangaben

Charuchittipan, Doojdao:
Impact of time and spatial averages on the energy balance closure.
Bayreuth , 2013 . - 101 S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Secondary circulations are large and relatively stationary eddies, which are caused by the surface heterogeneity and normally reside away from the ground. They are believed to be the cause of the energy balance closure problem at the earth's surface, because their contribution to the turbulent fluxes is missed by a fixed eddy-covariance tower measurement that has a typical averaging time of 30 minutes. In this thesis, data from the LITFASS-2003 experiment was used to investigate the impact of time and spatial averages on the energy balance closure. This data consisted of many observations over a large heterogeneous landscape that could generate secondary circulations; some of which might be still near the earth's surface. For the time average analysis, the averaging time was extended to increase the possibility that secondary circulations were picked up by the sensor. Two approaches, which were the modified ogive analysis and the block ensemble average, were applied to analyze the data from ground-based measurements. The modified ogive analysis requiring a steady state condition, could extend the averaging time up to a few hours and suggested that an averaging time of 30 minutes was still overall sufficient for the eddy-covariance measurement over low vegetation. The block ensemble average, on the contrary, did not require a steady state condition, but could extend the averaging time to several days. However, this approach could only improve the energy balance closure for some sites during specific periods, when secondary circulations existed in the vicinity of the sensor. Based on this approach, it was found that the near-surface secondary circulations mainly transported sensible heat, which led to an alternative energy balance correction by the buoyancy flux ratio approach, in which the attribution of the residual depended on the relative contribution of the sensible heat flux to the buoyancy flux. The fraction of the residual attributed to the sensible heat flux by this energy balance correction was larger than in the energy balance correction that preserved the Bowen ratio. In the spatial average analysis, two energy balance correction approaches, the buoyancy flux ratio and the Bowen ratio approaches, were applied to the area-averaged fluxes (composite fluxes) in order to include contribution from secondary circulations. These composite fluxes were aggregated from multiple ground-based measurements. The energy balance corrected fluxes were validated against the spatial average fluxes, which were measured by an aircraft and a large aperture scintillometer (LAS). In this validation, the backward Lagrangian footprint model was used to estimate the source area of the measurement. It was found that both energy balance correction approaches did improve the agreement between time and spatial averages fluxes. This suggested that the contribution from secondary circulations could be properly accounted by the energy balance correction. All findings in this thesis, therefore, depict that secondary circulations significantly transport energy in the atmospheric surface layer. The energy balance correction, accomplished by using either the Bowen ratio approach or the buoyancy flux ratio approach, is necessary to estimate the actual vertical transport of energy at the earth's surface.

Abstract in weiterer Sprache

Sekundäre Zirkulationen sind große, nahe zu stationäre Eddies, die durch Oberflächenheterogenitäten verursacht werden und sich normalerweise entfernt vom Boden befinden. Es wird angenommen, dass sie die Ursache für das Energiebilanzschließungsproblem an der Erdoberfläche sind, da ihre Beiträge zu den turbulenten Flüssen nicht von den räumlich stationären Masten der Eddy-Kovarianz-Messung, deren typisches Mittelungsintervall 30 Minuten ist, erfasst werden. In dieser Arbeit werden Daten aus dem LITFASS-2003 Experiment verwendet, um den Einfluss der zeitlichen und räumlichen Mittelung auf die Energiebilanzschließung zu untersuchen. Das Experiment bestand aus umfassenden Messungen über stark heterogener Landschaft und bot somit die Möglichkeit, eine Vielzahl an Aspekten sekundärer Zirkulationen zu untersuchen. In Bezug auf die zeitliche Mittelung wurde das Mittelungsintervall ausgedehnt, um den Beitrag potentieller sekundärer Zirkulationen zu berücksichtigen. Zwei Ansätze wurden mit Hilfe der Bodenmessungen angewandt: die modifizierte Ogivenanalyse und die Blockmittelungsmethode. Die modifizierte Ogivenanalyse, die stationäre Bedingungen benötigt, kann die Mittelungszeit bis zu mehreren Stunden ausdehnen und zeigt, dass die Mittelungszeit von 30 Minuten im Allgemeinen für Eddy-Kovarianz-Messungen ausreicht. Die Blockmittelungsmethode, die keine station ären Bedingungen bentigt, kann die Mittelungszeit auf mehrere Tage ausdehnen. Jedoch kann sie die Energiebilanzschließung nur für einige Standorte und nur zu bestimmten Zeiten, in denen sich die sekundären Zirkulationen in der Nähe des Sensors befinden, verbessern. Diese bodennahen sekundären Zirkulationen transportieren hauptsächlich fühlbare Wärme. Diese Ergebnisse führen zu einer alternativen Korrektur der Energiebilanzschließung durch die Methode des Auftriebsstromverhältnisses, welches den größeren Anteil des Residuums dem fühlbaren Wärmestrom zuordnet. Bei der räumlichen Mittelung wurde die Energiebilanzschließungskorrektur auf die flächengemittelten oder zusammengesetzten Flüsse, die aus mehreren Bodenmessungen zusammengefasst wurden, angewandt, um Beiträge von sekundären Zirkulationen mit einzubeziehen. Diese energiebilanzkorrigierten Flüsse wurden gegen Flugzeugmessungen und einem Grossflächen-Scintillometer (LAS), die beide flächengemittelte Flüsse liefern, unter Zuhilfenahme eines Footprintmodells validiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Energiebilanzkorrektur die Übereinstimmung zwischen zeitlich und räumlich gemittelten Flüssen verbessert. Alle Ergebnisse dieser Arbeit lassen darauf schließen, dass sekundäre Zirkulationen einen signifikanten Anteil der Energie in der Bodenschicht transportieren. Folglich ist eine Energiebilanzkorrektur notwendig, um den tatsächlichen vertikalen Transport in der Bodenschicht zu bestimmen.