Applicability of weight-shift microlight aircraft for measuring the turbulent exchange above complex terrain

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Metzger, Stefan:
Applicability of weight-shift microlight aircraft for measuring the turbulent exchange above complex terrain.
Bayreuth , 2013 . - 145 S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The possibility to reliably observe the exchange of heat and moisture between the land surface and the atmosphere is vital to our understanding of the regional and global cycling of energy and water. While ground-based flux measurements can be made continuously for long periods, they only represent a small landscape unit. On the other hand, aircraft-based measurements have the ability to directly measure the exchange over large areas. Especially over heterogeneous landscapes the spatio-temporal characteristics of both approaches complement each other. However, complex terrestrial ecosystems are sparsely investigated to date, in particular over topographically structured terrain. This can be attributed to; (i) limitations in the description of boundary layer processes over non-homogenous terrain, and (ii) a lack of applicable measurement platforms and techniques to study these processes. In pursue of a resolution strategy, this dissertation investigates the applicability of weight-shift microlight aircraft (WSMA) to gain new insights in the spatial variability of heat and moisture exchange over complex terrain. WSMA are comparatively cheap in procurement and maintenance, and their unique structure provides exceptional transportability and climb rate. These structural features qualify the WSMA for terrain-following flight over complex and inaccessible terrain, but potentially influence measurements aboard the aircraft. In this dissertation a WSMA with a scientific payload enabling fast measurements of the 3D wind, temperature, water vapor concentration, position, and the radiative flux is used to; (i) Quantify the WSMA wind measurement uncertainty. A novel time-domain procedure is developed, which improves the accuracy of the WSMA wind measurement by 63% for the horizontal- and 72% for the vertical wind components. The resulting precisions are ±0.09 m s−1 and ±0.04 m s−1, and the agreement with ground-based measurements is in the order of ±0.4 m s−1 and ±0.3 m s−1 (root mean square deviation), respectively. (ii) Quantify the WSMA eddy-covariance flux measurement uncertainty. From uncertainty propagation the smallest resolvable changes in friction velocity (0.02 m s−1), and sensible- (5 W m−2) and latent (3 W m−2) heat flux are estimated. In comparison to tower measurements, the WSMA observes higher fluxes (17–21%). The differences are not statistically significant, and can be explained by the tower setup and non-propagating eddies. (iii) Spatially resolve and regionalize the heat and moisture exchange above a complex landscape. Wavelet decomposition of the turbulence data is used to yield a flux observation each 90 m along the flight path. For each flux observation the biophysical surface properties in the flux footprint are determined. An environmental response function between the flux observations and biophysical and meteorological drivers is then inferred using a machine learning technique. This function is used to produce regional maps of the heat and moisture exchange to an accuracy of ≤18% and a precision of ≤5% for individual land covers. Hence this dissertation provides the necessary basis for using WSMA to investigate the mechanisms of turbulent exchange over heterogeneous and topographically structured terrain. Moreover, the developed algorithms are generally applicable to (i) partitioning flux uncertainty and environmental variability, (ii) extrapolating flux measurements, (iii) assessing the spatial representativeness of long-term tower flux measurements, and (iv) designing, constraining and evaluating flux algorithms for remote sensing and numerical modeling applications.

Abstract in weiterer Sprache

Die experimentelle Untersuchung der Austauschströme von Wärme und Feuchte zwischen Landoberfläche und Atmosphäre trägt ausschlaggebend zu unserem Verständnis der regionalen und globalen Kreisläufe von Energie und Wasser bei. Bodengestütze Flussmessungen ermöglichen die Erfassungen langer Zeitreihen, repräsentieren aber lediglich kleine Landschaftsausschnitte. Auf der anderen Seite kann der Austausch über größeren Gebieten direkt aus flugzeuggestützte Messungen bestimmt werden. Insbesondere über heterogenem Gelände ergänzen sich diese raum-zeitlichen Eigenschaften beider Messverfahren. Die Wärme und Feuchteströme über komplexen terrestrischen Ökosystemen sind bis dato spärlich untersucht, insbesondere über topografisch geprägtem Gelände. Dies ist zurückzuführen auf; (i) die über heterogenem Gelände eingeschränkte Gültigkeit der vorhandenen Formulierungen von Austauschprozessen, und (ii) einen Mangel an geeigneten Messplattformen und -techniken zur weitergehenden Untersuchung dieser Prozesse. Die vorliegend Dissertation verfolgt eine mögliche Strategie zur Lösung dieser Zwangslage. Dazu wird die Eignung von schwerkraftgesteuerten Ultraleichtflugzeugen (WSMA) untersucht, neue Einsichten in die räumliche Variabilität von Wärme- und Feuchteaustausch über komplexem Gelände zu gewinnen. WSMA sind vergleichsweise preiswert in Anschaffung und Unterhalt, und ihre charakteristische Bauweise resultiert in ausgezeichneter Transportfähigkeit und exzellenten Steigeigenschaften. Dies prädestiniert WSMA für dem Gelände folgende Flugmuster über komplexen und schwer zugänglichen Regionen. Zugleich muss aber ausgeschlossen werden, dass vorgenannte Eigenschaften die Messungen an Bord eines WSMA verfälschen. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein mit Messinstrumenten zur schnellen Erfassung des 3D Windfeldes, der Lufttemperatur, des Wasserdampfgehalts, der Position und der Strahlungsflüsse ausgestattetes WSMA genutzt um: (i) Den Eingangsfehler in der WSMA Windmessung zu quantifizieren. Ein neuartiges Verfahren im Zeitbereich wird entwickelt, welches die Genauigkeit der WSMA Windmessung um 63% für den Horizontalwind, und um 72% für den Vertikalwind verbessert. Die resultierende Präzision ist ±0.09 m s−1 beziehungsweise ±0.04 m s−1, und die Übereinstimmung mit bodengestützen Messungen liegt bei ±0.4 m s−1 beziehungsweise ±0.3 m s−1 (Wurzel aus dem mittleren quadratischen Fehler). (ii) Den Eingangsfehler in der WSMA Eddy-Kovarianz Flussmessung zu quantifizieren. Anhand von Fehlerfortpflanzung wird die Auflösung der Schubspannungsgeschwindigkeit (0.02 m s−1), dem fühlbaren- (5 W m−2) und dem latenten Wärmestrom (3 W m−2) bestimmt. Im Vergleich zu Turmmessungen misst das WSMA um 17–21% höhere Flüsse. Die Unterschiede sind nicht statistisch signifikant, und können an Hand der Sensoreigenschaften am Turm und stationären Wirbeln erklärt werden. (iii) Den Wärme- und Feuchteaustausch über einer komplexen Landschaft räumlich aufzulösen und zu regionalisieren. Die Wavelet Zerlegung der Turbulenzdaten ermöglicht eine räumliche Auflösung der Flussmessung von 90 m entlang des Flugpfades. Für eine jede Messungen werden die biophysikalischen Oberflächeneigenschaften im jeweiligen Quellgebiet bestimmt. Mit Hilfe von stochastischen Entscheidungsbäumen wird eine Antwortfunktion zwischen den gemessenen Flüssen und ihren biophysikalischen und meteorologischen Treibern abgeleitet. Diese Antwortfunktion wird genutzt um regionale Karten des Wärme- und Feuchteaustausches zu generieren. Hierbei liegt die Genauigkeit bei ≤18%, und die Präzision bei ≤5% für einzelne Landnutzungsklassen. Die vorliegende Dissertation schafft die wissenschaftliche Basis um turbulente Austauschvorgänge über komplexem und topografisch geprägten Gelände mit WSMA untersuchen zu können. Des Weiteren sind die in der Dissertation entwickelten Algorithmen generell anwendbar um (i) Fehler und natürliche Variabilität in der Flussmessung zu partitionieren, (ii) Flussmessungen zu extrapolieren, (iii) die räumliche Repräsentativität von Langzeit-Flussmessungen zu bestimmen, und (iv) in der Fernerkundung und in numerischen Modellen genutzte Parametrisierungen für den turbulenten Austausch zu entwerfen, zu beschränken, und zu evaluieren.