Energie- und Stoffflüsse am Horstmarer Landweg Teil 1 ... · Institut für Landschaftsökologie,...

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Energie- und Stoffflüsse am Horstmarer Landweg Teil 1: Standort Institut für Landschaftsökologie, AG Klimatologie, Praktikum Austausch Biosphäre/Atmosphäre E. Esders, W. Hörstmann-Jungemann, C. Hüttemann, C. Loschke, U. Moser, H. Wiedenhaus, M. Wissing, M. Wortmann Projektbetreuung: O. Klemm, H. Lokys, C. Schaller 1 Penman, HL. (1963): Vegetation and Hydrology. Technical Communicate 53. Commonwealth Bureau of Soils. Harpenden. 124 2 Foken, T. (2016): Angewandte Meteorologie. Mikrometeorologische Methoden. 3. Aufl. Berlin Heidelberg 3 Neftel, A., Spirig, C., and Ammann, C. (2008): Application and test of a simple tool for operational footprint evaluations. Environmental Pollution. 152 (3) 644-652 4 Webb, EK., Pearman, GI., Leuning, R. (1980): Correction of the flux measurements for density effects due to heat and water vapour transfer. Quarterly Journal of Royal Meteorological Society. 106, 85–100 Einleitung und Methoden Im Rahmen des Masterpraktikums wurden für fünf Wochen im Mai / Juni 2017 am Horstmarer Landweg Daten zu Energie- und Stoffflüssen zwischen Bio- und Atmosphäre aufgenommen. Dazu wurden CO 2 und H 2 O mittels Licor Li-7500 Open Path CO 2 /H 2 O-Analyzer, die drei Wind- komponenten mittels Gill R3-50 Ultraschallanemometer und Trocken- sowie Feuchttemperaturen mittels zweier Frankenberger-Aspirations- psychrometer in zwei verschiedenen Höhen gemessen. Zur Erfassung der Energiebilanz wurden die Strahlung und der Bodenwärmestrom gemes- sen. Zur Berechnung der Flüsse wurde unter anderem die Software EddyPro verwendet und die Auswirkung verschiedener Korrekturverfahren analysiert. Außerdem wurden die Verfahren Eddy-Kovarianz (Abb. 1 A), Bowen-Ratio (Abb. 1 B) sowie Penman 1 angewendet. Die Standorteignung wurde anhand zweier unterschiedlicher Tage bewertet. Hierbei wurden die Energiebilanz, Energie- und Wasserdampfflüsse, Footprints und Kospektren näher betrachtet. Footprintanalyse Einfluss verschiedener Korrekturverfahren auf die gemessenen CO 2 -Flüsse Die Qualität der Messungen nach der Eddy-Kovarianz-Methode hängt weniger von der Gerätetechnik, als von den Einsatzbedingungen und der richtigen Durchführung von Korrekturen ab. 2 In Tabelle 1 sind die Effekte verschiedener Korrekturverfahren auf die Messwerte der beiden Ver- gleichstage aufgeführt. Bei der WPL-Korrektur handelt es sich um eine Dichtekorrektur nach Webb, Pearman und Leuning. 4 Am 27.05. ist der nicht korrigierte CO 2 -Fluss tagsüber negativ, der Effekt der WPL-Korrektur ist jedoch so groß (95 %), dass der Fluss danach um Null fluktuiert (Abb. 3 A). Am 12.06. wurde tagsüber ein negativer CO 2 -Fluss erfasst, da die Photosynthese der Vegetation CO 2 verbraucht (Abb. 3 B). Durch die WPL-Korrektur wird eine Veränderung des Flusses um 30 % (Median) hervorgerufen. Der stärkere Effekt der Korrektur am 27.05. lässt sich auf den höheren sensiblen und latenten Wärmefluss an diesem Tag zurück- führen, der zu erhöhter Dichtefluktuation führt. Die Korrektur der Tiefpassfiltereffekte hat ebenfalls eine große Auswirkung auf den CO 2 - Fluss an beiden Tagen. Mit einem Median von 39 % ist der Effekt am 27.05. deutlich höher als am 12.06. (16 %). Die Entfernung von Spikes aus den Daten hat am 12.06. nur einen kleinen Einfluss auf den CO 2 -Fluss (0,4 %). Am 12.06. liegt der Einfluss bei 8,4 % (Median). Für die Korrektur der Hochpassfiltereffekte liegt der Median am 27.05. bei 8,3 % und am 12.06. bei 7,3 %. Die Kompensation des Zeitversatzes zwischen den unter- schiedlichen Messgeräten führt zu einem Effekt mit einem Median von 8,2 % am 27.05. und 6,4 % am 12.06. Tabelle 1: Median des Einflusses verschiedener Korrekturverfahren auf den CO 2 -Fluss am 27.05. und 12.06. Der Footprint stellt das Quellgebiet der gemessenen Turbulenzen dar und liegt auf der windzugewandten Seite des Messstandortes. 2 Die Lage des Footprints ist von verschiedenen Faktoren, wie der Windgeschwindigkeit Verfahren Effekt auf den Betrag des Flusses 27.05. 12.06. WPL-Korrektur negativ 95 % 30 % Zeitversatz-Kompensation positiv/negativ 8,2 % 6,4 % Spike-Entfernung positiv/negativ 8,4 % 0,4 % Korrektur von Hochpassfiltereffekten negativ 8,3 % 7,3 % Korrektur von Tiefpassfiltereffekten negativ 39 % 16 % Die Energiebilanz zeigt einen Energiefluss von durchschnittlich 34 W m - ² zur Erdoberfläche über den Messzeitraum vom 23.05.2017 bis 18.06.2017. Sie wird aus Strahlungsbilanz, Bodenwärmestrom, latentem und fühl- barem Wärmestrom berechnet. Die relative Energiebilanz liegt für den Messzeitraum bei 0,72. Sie berechnet sich aus der Summe des fühlbaren und latenten Wärmestroms dividiert durch die Differenz von Strahlungs- bilanz und Bodenwärmestrom. Ein Verhältnis von 1 würde einen voll- ständigen Ausgleich aller Energieflüsse anzeigen. Das Verhältnis von 0,72 weist darauf hin, dass ein Großteil der positiven durch negative Energieflüsse ausgeglichen wurde. Für den Messzeitraum gibt es jedoch keinen vollständigen Ausgleich. Eine Annäherung an den Idealwert von 1 ist über den Verlauf eines oder mehrerer Jahre möglich. Energiebilanz Abb. 3: CO 2 -Fluss mit und ohne Anwendung der WPL-Korrektur am 27.05. (A) und am 12.06. (B). -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 CO 2 -Fluss [μmol m -2 s -1 ] Uhrzeit [UTC] A CO₂-Fluss ohne WPL CO₂-Fluss mit WPL -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 CO 2 -Fluss [μmol m -2 s -1 ] Uhrzeit [UTC] B CO₂-Fluss ohne WPL CO₂-Fluss mit WPL und -richtung, der Stabilität der Atmosphäre sowie der Messhöhe, abhängig. Zur Berechnung des Footprints wurde das Modell von Kormann und Meixner verwendet, bei dem die meteorologischen Daten mit Daten der Umgebung des Messstandortes kombiniert werden. 3 Daraus wird ein 2-dimensionaler Footprint berechnet. Für den 27.05. liegt der Footprint südöstlich vom Messstandort (Abb. 2 A). Der 80-%-Footprint ist mehr als 50 m lang und liegt größtenteils innerhalb des Grünlandes. Durch den angrenzenden Zaun und Weg kann der Footprint durch Bildung einer internen Grenzschicht beeinflusst werden. Für den 12.06. (Abb. 2 B) befindet sich der Footprint westlich bis südwestlich des Messstandortes. Dabei werden hauptsächlich die Ackerfläche, aber auch Teile des Grün- streifens erfasst. Das Windfeld kann durch Zäune und Gehölzstrukturen beeinträchtigt werden. Abb. 1: Versuchsaufbau. Aus Südwest: Eddy-Kovarianz-Verfahren mit Wind-, CO 2 -, H 2 O-Messung sowie Strahlung (A) . Aus Südost: Bowen-Ratio-Verfahren mit zwei Aspirationspsychrometern und ein Temperatursensor sowie eine Niederschlagswaage im Vordergrund (B). A B Abb. 2: Footprint für den 27.05. (A) und den 12.06. (B) für 40 %, 60 % und 80 % (von innen nach außen). Die rote Markierung zeigt den Messstandort. N A 10 m B 10 m N Quelle: Google Earth Quelle: Google Earth

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Energie- und Stoffflüsse am Horstmarer LandwegTeil 1: Standort

Institut für Landschaftsökologie, AG Klimatologie, Praktikum Austausch Biosphäre/Atmosphäre

E. Esders, W. Hörstmann-Jungemann, C. Hüttemann, C. Loschke, U. Moser, H. Wiedenhaus, M. Wissing, M. Wortmann

Projektbetreuung: O. Klemm, H. Lokys, C. Schaller

1 Penman, HL. (1963): Vegetation and Hydrology. Technical Communicate 53. Commonwealth Bureau of Soils. Harpenden. 1242 Foken, T. (2016): Angewandte Meteorologie. Mikrometeorologische Methoden. 3. Aufl. Berlin Heidelberg3 Neftel, A., Spirig, C., and Ammann, C. (2008): Application and test of a simple tool for operational footprint evaluations. Environmental Pollution. 152 (3) 644-6524 Webb, EK., Pearman, GI., Leuning, R. (1980): Correction of the flux measurements for density effects due to heat and water vapour transfer. Quarterly Journal of Royal Meteorological Society. 106, 85–100

Einleitung und Methoden

Im Rahmen des Masterpraktikums wurden für fünf Wochen im Mai / Juni2017 am Horstmarer Landweg Daten zu Energie- und Stoffflüssenzwischen Bio- und Atmosphäre aufgenommen. Dazu wurden CO2 und H2Omittels Licor Li-7500 Open Path CO2/H2O-Analyzer, die drei Wind-komponenten mittels Gill R3-50 Ultraschallanemometer und Trocken-sowie Feuchttemperaturen mittels zweier Frankenberger-Aspirations-psychrometer in zwei verschiedenen Höhen gemessen. Zur Erfassung derEnergiebilanz wurden die Strahlung und der Bodenwärmestrom gemes-sen. Zur Berechnung der Flüsse wurde unter anderem die SoftwareEddyPro verwendet und die Auswirkung verschiedener Korrekturverfahrenanalysiert. Außerdem wurden die Verfahren Eddy-Kovarianz (Abb. 1 A),Bowen-Ratio (Abb. 1 B) sowie Penman1 angewendet. Die Standorteignungwurde anhand zweier unterschiedlicher Tage bewertet. Hierbei wurden dieEnergiebilanz, Energie- und Wasserdampfflüsse, Footprints undKospektren näher betrachtet.

Footprintanalyse

Einfluss verschiedener Korrekturverfahren auf die gemessenen CO2-Flüsse

Die Qualität der Messungen nach der Eddy-Kovarianz-Methode hängtweniger von der Gerätetechnik, als von den Einsatzbedingungen und derrichtigen Durchführung von Korrekturen ab.2 In Tabelle 1 sind die Effekteverschiedener Korrekturverfahren auf die Messwerte der beiden Ver-gleichstage aufgeführt. Bei der WPL-Korrektur handelt es sich um eineDichtekorrektur nach Webb, Pearman und Leuning.4 Am 27.05. ist dernicht korrigierte CO2-Fluss tagsüber negativ, der Effekt der WPL-Korrekturist jedoch so groß (95 %), dass der Fluss danach um Null fluktuiert(Abb. 3 A). Am 12.06. wurde tagsüber ein negativer CO2-Fluss erfasst, dadie Photosynthese der Vegetation CO2 verbraucht (Abb. 3 B). Durch dieWPL-Korrektur wird eine Veränderung des Flusses um 30 % (Median)hervorgerufen. Der stärkere Effekt der Korrektur am 27.05. lässt sich auf

den höheren sensiblen und latenten Wärmefluss an diesem Tag zurück-führen, der zu erhöhter Dichtefluktuation führt. Die Korrektur derTiefpassfiltereffekte hat ebenfalls eine große Auswirkung auf den CO2-Fluss an beiden Tagen. Mit einem Median von 39 % ist der Effekt am27.05. deutlich höher als am 12.06. (16 %). Die Entfernung von Spikes ausden Daten hat am 12.06. nur einen kleinen Einfluss auf den CO2-Fluss(0,4 %). Am 12.06. liegt der Einfluss bei 8,4 % (Median). Für die Korrekturder Hochpassfiltereffekte liegt der Median am 27.05. bei 8,3 % und am12.06. bei 7,3 %. Die Kompensation des Zeitversatzes zwischen den unter-schiedlichen Messgeräten führt zu einem Effekt mit einem Median von8,2 % am 27.05. und 6,4 % am 12.06.Tabelle 1: Median des Einflusses verschiedener Korrekturverfahren auf den CO2-Fluss am 27.05. und 12.06.

Der Footprint stellt das Quellgebiet der gemessenen Turbulenzen dar undliegt auf der windzugewandten Seite des Messstandortes.2 Die Lage desFootprints ist von verschiedenen Faktoren, wie der Windgeschwindigkeit

VerfahrenEffekt auf den Betrag des Flusses 27.05. 12.06.

WPL-Korrektur negativ 95 % 30 %

Zeitversatz-Kompensation positiv/negativ 8,2 % 6,4 %

Spike-Entfernung positiv/negativ 8,4 % 0,4 %

Korrektur von Hochpassfiltereffekten negativ 8,3 % 7,3 %

Korrektur von Tiefpassfiltereffekten negativ 39 % 16 %

Die Energiebilanz zeigt einen Energiefluss von durchschnittlich 34 W m-²zur Erdoberfläche über den Messzeitraum vom 23.05.2017 bis 18.06.2017.Sie wird aus Strahlungsbilanz, Bodenwärmestrom, latentem und fühl-barem Wärmestrom berechnet. Die relative Energiebilanz liegt für denMesszeitraum bei 0,72. Sie berechnet sich aus der Summe des fühlbarenund latenten Wärmestroms dividiert durch die Differenz von Strahlungs-

bilanz und Bodenwärmestrom. Ein Verhältnis von 1 würde einen voll-ständigen Ausgleich aller Energieflüsse anzeigen. Das Verhältnis von 0,72weist darauf hin, dass ein Großteil der positiven durch negativeEnergieflüsse ausgeglichen wurde. Für den Messzeitraum gibt es jedochkeinen vollständigen Ausgleich. Eine Annäherung an den Idealwert von 1ist über den Verlauf eines oder mehrerer Jahre möglich.

Energiebilanz

Abb. 3: CO2-Fluss mit und ohne Anwendung der WPL-Korrektur am 27.05. (A) und am 12.06. (B).

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Uhrzeit [UTC]

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CO₂-Fluss ohne WPL

CO₂-Fluss mit WPL

und -richtung, der Stabilität der Atmosphäre sowie der Messhöhe,abhängig. Zur Berechnung des Footprints wurde das Modell von Kormannund Meixner verwendet, bei dem die meteorologischen Daten mit Datender Umgebung des Messstandortes kombiniert werden.3 Daraus wird ein2-dimensionaler Footprint berechnet. Für den 27.05. liegt der Footprintsüdöstlich vom Messstandort (Abb. 2 A). Der 80-%-Footprint ist mehr als50 m lang und liegt größtenteils innerhalb des Grünlandes. Durch denangrenzenden Zaun und Weg kann der Footprint durch Bildung einerinternen Grenzschicht beeinflusst werden. Für den 12.06. (Abb. 2 B)befindet sich der Footprint westlich bis südwestlich des Messstandortes.Dabei werden hauptsächlich die Ackerfläche, aber auch Teile des Grün-streifens erfasst. Das Windfeld kann durch Zäune und Gehölzstrukturenbeeinträchtigt werden.

Abb. 1: Versuchsaufbau. Aus Südwest: Eddy-Kovarianz-Verfahren mit Wind-,CO2-, H2O-Messung sowie Strahlung (A) . Aus Südost: Bowen-Ratio-Verfahrenmit zwei Aspirationspsychrometern und ein Temperatursensor sowie eineNiederschlagswaage im Vordergrund (B).

A B

Abb. 2: Footprint für den 27.05. (A) und den 12.06. (B) für 40 %, 60 % und 80 % (von innen nach außen).Die rote Markierung zeigt den Messstandort.

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Energie- und Stoffflüsse am Horstmarer LandwegTeil 2: Gute Zeiten, schlechte Zeiten

Institut für Landschaftsökologie, AG Klimatologie, Praktikum Austausch Biosphäre/Atmosphäre

Unser Dank gilt Familie Hessing, Petra Steffen und dem Botanischen Garten Münster.

Methodenvergleich Wasserdampffluss und fühlbarer Wärmefluss

Die Frage nach der Standorteignung für Flussmessungen kann nicht ab-schließend beantwortet werden. Es zeichnen sich bezüglich des sensiblenBowen-Ratio-Verfahrens gute (Beispiel 12.06.) und schlechte (Beispiel27.05.) Tage ab. Insgesamt sind die Windrichtungen Südwest bis Nordwestgünstig. Die Windrichtung Ost ist für das Verfahren ungünstig. Mittels derKospektren wird für den 27.05. ein gestörtes Windfeld festgestellt. Diese

Fazit

Energiebilanz

27.05.2017 12.06.2017

Methodenvergleich Wasserdampffluss und fühlbarer Wärmefluss

Kospektren des CO2-Flusses

Abb. 8: Kospektrum des 27.05. 12:00 - 12:30 UTC. Dieinertial subrange liegt im Bereich von 0,1 Hz bis 5 Hz. Dieblaue Ellipse markiert einen gestörten Bereich.

Abb. 9: Kospektrum des 12.06. 12:00 - 12:30 UTC. Dieinertial subrange liegt im Bereich von 0,1 Hz bis 5 Hz.

Kospektren können zum einenüber die Qualität einer MessungAufschluss geben und zum ande-ren darüber, welcher Teil der Fre-quenzen (Größe der Turbulenz-elemente) zum Gesamtfluss bei-trägt. An den zwei Tagen zeigensich Unterschiede in den Kospek-tren für den CO2-Fluss. Am 27.05.in der Zeit von 12:00 Uhr bis12:30 Uhr zeigt sich ein gestörtesWindfeld (Abb. 8). Im Bereich der inertial subrange fällt die Dichte derFrequenzen mit einer flacheren Steigung als -4/3. Zudem zeigt sich immarkierten Bereich ein Anstieg der Frequenzdichte. Dies lässt auf den Ein-trag von kleineren Turbulenzelementen durch ein Hindernis im Footprintschließen.

Am 12.06. in der Zeit von 12:00Uhr bis 12:30 Uhr ist das Fre-quenzspektrum im Gegensatzzum 27.05. ungestört (Abb. 9).Die Frequenzdichte fällt mit einerSteigung von ca. -4/3. Maßgeblichfür die Qualität des Kospektrumsist die Herkunft der Turbulenz-elemente, also der Footprint.Dieser liegt am 27.05. südöstlich

Die Strahlungsbilanz (Qs) mit ihrem symmetrischen Verlauf indiziert einenwolkenlosen Himmel mit permanenter Sonneneinstrahlung. Ein Maximum

Aus den Schwankungen der Strahlungsbilanz (Qs) des 12.06. lässt sichfolgern, dass die Erdoberfläche durch die Wolkenbedeckung von der

Am 27.05. gibt das Bowen-Ratio-Verfahren falsche Flüsse aus. DerWasserdampffluss (W) ist größer, als er nach Penman maximal möglichwäre (Epot) und zeigt keine Übereinstimmung mit jenem aus dem Eddy-Kovarianz-Verfahren (Abb. 4 A). Auch der negative fühlbare Wärmefluss(H) verweist auf große Probleme bei der Anwendung des Verfahrens. DerWind kam am 27.05. tagsüber aus Südost (Abb. 4 B). In dieser Richtungbefinden sich unweit der Messstation ein asphaltierter Weg und eineGrünfläche. Diese Inhomogenität dürfte das Windfeld und damit dieTemperaturschichtung maßgeblich beeinflussen. Der potentielle Fluss nachPenman (Epot) ist höher als der mittels Eddy-Kovarianz gemessene Fluss(W). Die Graphen beider Methoden zeigen einen plausiblen Verlauf.

Für den 12.06. ergeben sich sinnvolle Werte für das Bowen-Ratio-Verfahren. Die Flüsse der verschiedenen Methoden zeigen gute Überein-stimmung. Der ermittelte Wasserdampffluss (W) des Bowen-Ratio-Verfahrens gleicht dem potentiellen Fluss nach Penman (Epot). Der Theorienach sollte er jedoch dem geringeren Fluss des Eddy-Kovarianz-Verfahrensähneln (Abb. 5 A). Der Vergleich der Wärmeflüsse (H) aus Bowen-Ratiound Eddy-Kovarianz funktioniert an diesem Tag mit Windrichtung West gut(Abb. 5 B). In dieser Richtung liegt eine Ackerfläche. Diese ermöglichtaufgrund der Größe des Footprints ein ungestörtes Windfeld.

einfallenden kurzwelligen solarenStrahlung abgeschirmt wird.Hierdurch zeigt die Energiebilanztagsüber nur etwa halb so hoheWerte wie am wolkenfreien27.05. Der Energiefluss zur Erd-oberfläche ist deutlich geringer,sodass eine mittlere Energie-zunahme von 18 W m-² zuverzeichnen ist.

der Energiebilanz ist um ca. 11Uhr ersichtlich, da zu dieser Zeitdie kurzwellige Einstrahlung be-sonders hoch ist. Am 27.05. wur-den durchschnittlich 57 W m-²von der Erdoberfläche aufgenom-men. Dieser Wert ist höher alsder durchschnittliche Energieflussvon 34 W m-², der für dengesamten Messzeitraum ermitteltwurde.

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fCo

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'CO

2'

f = n(z-d)/U [Hz]

der Messstation und am 12.06. westlich der Messstation. Der in süd-östlicher Richtung liegende Weg bewirkt eine Störung im Windfeld undkönnte Ursache für die erhöhte Dichte an kleinen Frequenzen sein. ImWesten der Station befindet sich eine Ackerfläche. Über dieser entwickeltsich ein ungestörtes Windfeld.

Abb. 4: Methodenvergleich zwischen Penman-Verfahren, Bowen-Ratio und Eddy-Kovarianz für denWasserdampffluss (A) und den fühlbaren Wärmefluss (B) mit Windrichtungsmessung am 27.05.

Abb. 5: Methodenvergleich zwischen Penman-Verfahren, Bowen-Ratio und Eddy-Kovarianz für denWasserdampffluss (A) und den fühlbaren Wärmefluss (B) mit Windrichtungsmessung am 12.06.

Abb. 6: Energiebilanz des 27.05. mit Strahlungsbilanz(Qs), Bodenwärmestrom (B), fühlbarem Wärmestrom (H)und latentem Wärmestrom (LE).

Abb. 7: Energiebilanz des 12.06. mit Strahlungsbilanz(Qs), Bodenwärmestrom (B), fühlbarem Wärmestrom (H)und latentem Wärmestrom (LE).

Kospektren des CO2-Flusses

Energiebilanz

Störung könnte durch eine Änderung des Untergrundes (Weg, Grünland)induziert sein. Die Footprintanalyse zeigt, dass weitere Störelemente imQuellgebiet liegen. Die Methoden nach Penman1 und Eddy-Kovarianzkönnen insgesamt erfolgreich angewendet werden. Auch für die Erstellungeiner Energiebilanz ist der Standort geeignet. Der ermittelte Wert ist derJahreszeit und den Wetterbedingungen entsprechend plausibel.

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Bowen-Ratio (H)Eddy-Kovarianz (H)Windrichtung

E. Esders, W. Hörstmann-Jungemann, C. Hüttemann, C. Loschke, U. Moser, H. Wiedenhaus, M. Wissing, M. Wortmann

Projektbetreuung: O. Klemm, H. Lokys, C. Schaller