Umweltmeteorologie

Umweltmeteorologie

Prof. Dr. Otto Klemm

3. Wasserdampffluss

Wasserdampffluss - Übersicht

Der vertikale Fluss von Wasserdampf zwischen Oberfläche und Atmosphäre ist von sehr großer Bedeutung weil

• sehr viel Energie umgesetzt wird

• der Transpirationsstrom im Stoffwechsel der Pflanzen eine zentrale Rolle einnimmt

• der Evapotranspirationsstrom ein zentrales Element im Wasserhaushalt des Ökosystem ist

• der Wassergehalt der Troposphäre dadurch ansteigt.

Wasserdampffluss - Übersicht

Die Messung beschäftigt Hydrologen und andere Wissenschaftler seit vielen Jahren. Es gibt unterschiedliche methodische Ansätze und Verfahren

• Eddy – Kovarianz: ein direktes Verfahren (besprechen wir später)

• Bowen – Ratio - Verfahren

• Lysimeter - Verfahren

• Penman – Verfahren + Penman - Monteith

• Dalton - Verfahren

• Turk - Verfahren

• Haude - Verfahren

• Wassereinzugs – Bilanz - Verfahren

• SVAT - Modelle

Bowen – Ratio - Verfahren

Anwendungsfall (Normalfall):

Der Wasserdampffluss W kann nicht direkt gemessen werden

Bowen - Verhältnis Bo:

E

HBo

Das Verhältnis des fühlbaren zum latenten Wärmefluss ist normalerweise

positiv (d.h. die Flüsse gehen in die selbe Richtung).

In unseren Breiten ist 0 < Bo < 1

über dem Meer gilt: Bo 0.1, über bewässerten Kulturen ist Bo 0.2, über

Wiese Bo 0.5, in semiariden Gebieten Bo 5, Wüste: Bo 10.

Bowen – Ratio – Verfahren: Durchführung

E

HBo

0EHBQS

dz

dKcH zpturb

dz

dqKρLE W

Energiebilanz wird = 0 gesetzt

Die Strahlungsbilanz Qs ist messbar

fühlbarer Wärmefluss

latenter Wärmefluss

q = spezifische Feuchte:

Bo

BQE S

1

e378,0p

e622,0

MM

Mq

WL

W


E

HBo dz

dKcH zpturb

dz

dqKρLE W

Bo

BQE S

1

der Bodenwärmestrom B wird gemessen (wird häufig als B = 0.1·QS (tagsüber) und B = 0.5·QS (nachts) approximiert)

dzdq

KL

dzd

KcBo

W

Zp

zW KK Annahme!

dqL

dcBo p


cp = 1004 J kg-1 K-1

L = 2.50 · 106 J kg-1 (bei 0°C

2.5749 bei 30 °C; 2.4300 bei +30 °C)

.667,0622,0

1 erkonstPsychrometKhPaL

pcp

e

T667.0Bo

dqL

dcBo p

p

e

ep

e

MM

Mq

WL

W 622,0378,0

622,0

Bo

BQE S

1

Bo

BoBQH S

1

)(

L

EW

W: Wasserdampffluss

H: fühlbarer Wärmefluss

23

12105.2ˆ1

m

W

sm

g

21245ˆ1

m

W

sm

molm

eL

pc

ep

L

c

p

eL

cBo ppp

622.01622.0622.0

T


man beachte dass:

• Bo nur für Zeiträume > 1d anwendbar ist. Hier ist eine Genauigkeit von 30 % zu erwarten

• die gemessene Energiebilanz nicht immer geschlossen ist

• die Annahme KZ = KW nicht immer richtig ist

• Temperaturen (und e) sehr präzise gemessen werden müssen.

Für die Qualitätssicherung ist es zu erwägen Zeiten mit kleinen T – Werten aus der Auswertung auszuschließen

• das Verfahren keinen „Wind“ enthält, obwohl gerade der Wind für den turbulenten Austausch sorgt.

Für die Qualitätssicherung ist es zu erwägen, Zeiten mit kleinen Windgeschwindigkeiten (z.B. U < 1 m s-1) aus der weiteren Auswertung auszuschließen

• das Gelände muss im Luv ausreichend homogen sein, so dass keine internen Grenzschichten entstehen können.

Für die Qualitätssicherung kann es nötig sein, die Windrichtung mitzumesssen und entsprechende Sektoren aus der Auswertung auszuschließen.


Standortwahl:• Der Standort für Messungen muss ein ebenes, homogenes Gelände sein.

• Die beiden Messpunkte müssen möglichst weit (vertikal) auseinander montiert werden, so dass T und e möglichst groß und damit präzise bestimmbar sind.

Die untere Höhe sollte etwa das Doppelte der Bestandeshöhe betragen. Als Höhenverhältnis wird Faktor 8 empfohlen.

während der Vegetationsperiode können Höhenanpassungen notwendig sein.

• Die maximal mögliche Höhe ergibt sich aus der Länge x des ungestörten Windfeldes: zmax 0.3 · x½

Penman - Verfahren

Das Penman - Verfahren hat „große Tradition“, es gibt

unterschiedliche Varianten. Sogar die Herleitungen sind in der

Literatur nicht einheitlich. In Abhängigkeit von den aktuellen

Randbedingungen können unterschiedliche Varianten vorteilhaft sein.

Das Penman - Verfahren bestimmt die potentielle Evapotranspiration

von einer freien Wasseroberfläche bzw. die potenzielle

EvapotranspirationDie entscheidenden Faktoren sind

1. die durch die einfallende Stahlungsbilanz bereitgestellte Energie

für die Verdunstung, und

2. der Abtransport des Wasserdampfs von der Wasseroberfläche;

dieser wird durch die Windgeschwindigkeit und den

Dampfdruckgradienten bestimmt.

Penman - Verfahren

Das Penman - Verfahren hat „große Tradition“, es gibt

unterschiedliche Varianten. Sogar die Herleitungen sind in der

Literatur nicht einheitlich. Wiederum in Abhängigkeit von den

aktuellen Randbedingungen können unterschiedliche Varianten

vorteilhaft sein. Hier wird die Original-Version nach Penman (1948)

vorgestellt (nach Arya, 1988) .

„Energieterm“ „Ventilationsterm“

L

e)*(e f(U)

L

BQET S

pot

ETpot potentielle Evapotranspiration kg m-2 s-1

e* Sättigungs-Wasserdampfdruck hPa

= Steigung der Wasserdampfsättigungskurve hPa K-1

Psychrometerkonstante 0,667 hPa K-

1

U horizontale Windgeschwindigkeit in Höhe z m s-1

f(U) „Transferkoeffizient für Wasserdampf“, in Analogie zum Diffusionskoeffizienten

m s-1

dTde*

Penman - Verfahren

)53.00.1(43.6)( UUf

000116.0)8072.0)15.273(80073.0(20.0 7 T empirisch angepasst

empirisch angepasst

für die Anwendung werden benötigt: Messungen von T, Qs, B, U

und e

Die Messungen werden normalerweise in einer Höhe von z = 2

m über Grund durchgeführt.

Genauigkeit der Ergebnisse: ca. 20 - 40 % für Integrationszeiten

zwischen Tagen und Jahren.

In Spezialfällen können auch zeitliche Auflösungen im Bereich von

Stunden erreicht werden. Dafür muss allerdings der Ventilationsterm

aufwändiger parameterisiert werden.

14.06.2003 15.06.2003 16.06.2003 17.06.2003 18.06.2003

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

ET

po

t / g

m-2 s

-1

Datum

Energieterm Ventilationsterm ET

pot

Penman - Verfahren

Praktikum „Rieselfelder“, Sommer 2003

eine andere Variante besteht darin, den Ventilationsterm einfach

wegzulassen:

Penman – Verfahren

diese Version den Penman-Gleichung wird relativ viel angewandt. Man

benötigt lediglich Daten von T und Qs - B.

L

BQET S

pot

je richtiger und genauer man die reale Evapotranspiration

quantifizieren möchte, desto ausführlicher muss man auf die

Verfügbarkeit des Wassers im Boden, auf die Wasserleitfähigkeit der

Pflanzen, und auf den Abtransport in der Grenzschicht eingehen. Eine

sehr häufig verwendete Version ist die nach Monteith:

Penman – Verfahren

Quelle: Häckel. 1999

Penman – Monteith - Verfahren

Dieses Verfahren wird sehr viel angewendet

)1((

)*(cB)Q(

ETpS

a

s

a

r

rL

ree

ET aktuelle Evapotranspiration kg m-2 s-1

ra aerodynamischer Widerstand s m-1

rs „surface resistance“, Widerstand der Oberflächen s m-1

Dichte der Luft kg m-3

Die Schwierigkeit besteht in der Bestimmung von ra und rs


wz

H

H

w

w

Uk

zdz

z

dz

2

00a

lnln

r

zw Höhe der Windmessung m

zH Höhe der Temperatur- und Feuchtemessung m

z0w Rauhigkeitslänge für den Impulstransport m

z0H Rauhigkeitslänge für den Wärme und Wasserdampftransport

m

d Verdrängungshöhe m

U Windgeschwindigkeit in Höhe zw m s-1

k von Karmann - Konstante 0.40d wird abgeschätzt mit d = 0.666 · Bestandeshöhe

z0w wird abgeschätzt mit z0w = 0.123 · Bestandeshöhe

z0H wird abgeschätzt mit z0H = 0.1 z0w

diese Art der Parameterisierung ist für neutrale Schichtung vorgesehen


Der Widerstand rs hängt von der Vegetation ab (LAI, Jahreszeit, …).

Es gibt sehr aufwändige Verfahren zur Bestimmung von rs, aber dies nicht im Sinne der Durchführung eines einfachen Verfahrens.

Deshalb wird rs abgeschätzt für

Wiese: rs = 70 s m-1

alfalfa: rs = 45 s m-1

Wasserdampf - Fluss: Dalton - Verfahren

Das Dalton - Verfahren bestimmt die Evaporation von Wasser von

freien Wasserflächen:

zc e*eubaW

Das Turk - Verfahren, ebenfalls zur Bestimmung der Evaporation von

Wasseroberflächen, verlässt sich auf Messung von Temperatur und

Globalstrahlung:

Wasserdampf - Fluss: Turk - Verfahren

258T

273)(T0.0933209)(KWW

Wasserdampf - Fluss: Haude - Verfahren

Das vielleicht einfachste Verfahren ist das Haude - Verfahren. Es

bestimmt auch die potentielle Evapotranspiration

)e*(efW 1414i

Obwohl Tageswerte benötigt werden, ist das Verfahren bestenfalls für

die Bestmmung monatlicher Mittel der Verdunstung geeignet.

Mon

at

Wie

se

Rasen

Mais

Zu

cker

rüb

ern

Win

ter

Weize

n

Bu

ch

e

Fic

hte

Hafe

r

Rog

- g

en

Win

ter-

Gers

te

1 0.20 0.20 0.11 0.11 0.11 0.01 0.08 0.11 0.11 0.11

2 0.20 0.20 0.11 0.11 0.11 0.00 0.04 0.11 0.11 0.11

3 0.25 0.23 0.11 0.11 0.17 0.04 0.14 0.11 0.17 0.17

4 0.29 0.24 0.17 0.15 0.24 0.10 0.35 0.15 0.23 0.24

5 0.29 0.29 0.21 0.23 0.33 0.23 0.39 0.34 0.30 0.37

6 0.28 0.29 0.24 0.30 0.41 0.28 0.34 0.44 0.36 0.38

7 0.26 0.28 0.25 0.37 0.37 0.32 0.31 0.45 0.36 0.32

8 0.25 0.26 0.26 0.33 0.28 0.26 0.25 0.30 0.27 0.22

9 0.23 0.23 0.21 0.26 0.15 0.17 0.20 0.19 0.15 0.15

10 0.22 0.20 0.18 0.20 0.11 0.10 0.13 0.11 0.11 0.11

11 0.20 0.20 0.11 0.11 0.11 0.01 0.07 0.11 0.11 0.11

12 0.20 0.20 0.11 0.11 0.11 0.00 0.05 0.11 0.11 0.11

Haude – Faktoren fi: (mm d-1)

Wasserdampf - Fluss: Haude - Verfahren

aus: Häckel, 1999

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