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Forschergruppe (FOR) 5639: Land-Atmosphäre Feedback Initiative, Teilprojekt: Erforschung des Einflusses von Landoberflächenheterogenität auf bodennahe Zirkulationen und atmosphärische Flüsse

Die Erforschung der Land-Atmosphären-Rückkopplung für heterogene Landoberflächen benötigt die Erfassung biophysikalisch bedeutsamer Wärme- und Impulsbilanzen nahe der Unterlage, die das Projekt motivieren. Dieser Energie- und Massenaustausch ist eine essenzielle Komponente in der Prozesskette der Rückkopplungen. Trotz beachtlicher Fortschritte im Verständnis und Quantifizierung der Auswirkungen einfacher Heterogenitätssprünge bei orthogonaler und paralleler Anströmung besteht eine Wissenslücke für die am häufigsten auftretenden Queranströmungen. Weder der Prozess selbst, noch die Auswirkungen der Queranströmung auf den turbulenten Transport sind momentan verstanden oder quantifiziert. Das Zentralziel ist, diese Queranströmungen zu detektieren und ein konzeptionelles Verständnis durch Messungen über den landwirtschaftlichen LAFO-Flächen zu erlangen. Die Zentralhypothese ist, dass Queranströmung zu einer Zone systematisch erhöhten turbulenten Austausches innerhalb einer Übergangsgrenzschicht führt, in der die Land-Oberflächen-Rückkopplung verstärkt ist. Die Forschung wird durch 4 Unterhypothesen und -ziele geleitet. Mithilfe der hochauflösenden (Sekunden und Dezimeter) Fiber-Optic Distributed Sensing (FODS) Technik erfolgen räumlich kontinuierliche Messungen der Lufttemperatur in der Bodenschicht und im Pflanzenbestand, sowie der turbulenten Windgeschwindigkeit und Turbulenter Kinetischer Energie über Hunderte Meter hinweg. FODS misst ebenfalls (10er-Sekunden, Dezimeter) Bodentemperaturen und -feuchtigkeit nahe der Oberfläche, sowie die solare Lichtverteilung kombiniert mit Netzwerken klassischer Punktsensoren über der Winterweizen- und Maisparzelle von LAFO. Unter der Leitung von P5 baut das LAFI-Team die FODS-Glasfaserharfen auf und P1 betreibt sie. Das wissenschaftliche Programm besteht aus 4 eng verzahnten Arbeitspaketen (WP): WP1 führt eine Post-field Kalibration mithilfe unserer eigens entwickelten Kalibriersoftware durch. WP2 erforscht die in den Raum-Zeit-Daten enthaltenen Strukturen und Flüsse abhängig vom Anströmwinkel. Ergänzt durch die verbesserte Energiebilanz (P6), die fernerkundlichen Daten zur Landoberfläche (P2) und Verdunstung (P4) wird die Zentralhypothese überprüft. Die Lidarmessungen aus P1 schaffen einzigartige Beobachtungssynergien. In WP3 werden die Erkenntnisse u.a. mit der Hilfe von Deep Learning zu einem konzeptionellem Gesamtrahmen zusammengefügt. Für die zweite Phase sehen wir Erweiterungen hin zu anderen Landoberflächenheterogenitäten, der Kohlenstoffbilanz und messtechnische Weiterentwicklungen des FODS vor. Dieses Projekt befasst sich mit den zentralen LAFI-Zielen O1 bis O3, OS und OE im Falle eines klimatischen Extremums. Zusätzlich zu den oben genannten projektübergreifenden Kooperationen stehen wir im engen Austausch mit P11 wegen der Licht- und Temperaturvertikalprofile.

Modellentwicklung zur regionalen Vorhersage der N2O-Emissionen aus bodenchemischen und bodenphysikalischen Parametern unter spezieller Berücksichtigung des oberflächennahen N2O-Gehaltes in Böden

Bisherige Ansätze zu Modellierung von Lachgasemissionen haben noch zu keinen zufriedenstellenden Ergebnissen geführt bzw. die Validierung von Modellen steht noch aus, da u.a. die Bestimmung der Gasdiffusion im Oberboden sowie der Gasübergang in Atmosphäre schwierig bestimmbar ist. Wir stellen für diesen Schritt einen empirischen Modellansatz zur Vorhersage von Lachgasemissionen aus oberflächennahen N2O-Gehalten des Bodens vor, der im Rahmen des Projektes zu einer allgemeinen Anwendbarkeit weiterentwickelt werden soll. Hierbei werden über empirische Transferfaktoren, die in Abhängigkeit von Bodenart, Wassergehalt und Temperatur ermittelt werden, die Emissionen aus Gasgehalten im Boden berechnet. Zur einfachen Bestimmung des N2O-Gehaltes im Oberboden steht ein in unserem Hause entwickeltes neuartiges Bodenprobenahmegerät zur Verfügung. Die Einfachheit der Probenahme und gleichzeitige Erfassung von Gas im Boden sowie den steuernden Größen Nmin und DOC, erlaubt zudem ein Monitoring der Spurengasemissionen auf regionaler Ebene sowie die Validierung bestehender Modelle.

Effekt des Klimawandels auf die Bodenatmung

Die Vorhersage der Kohlenstoff(C)bilanz von Wäldern bei geänderten Klimabedingungen ist eine komplexe Aufgabe. Es bedarf des Verständnisses des Abbaus der organischen Substanz (SOM) im Boden wie etwa der Temperatur- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit und der Substratqualität für Bodenmikroorganismen. Für eine Abschätzung der künftigen C-Speicherung in Waldökosystemen ist die Kenntnis der langfristigen Entwicklung des organischen Boden-Kohlenstoffvorrats entscheidend. Erhöhte Bodentemperaturen ermöglichen den Bodenmikroorganismen die organische Substanz schneller abzubauen. Das führt zu einer erhöhten Freisetzung von Bodenkohlenstoff in Form von CO2 (Bodenatmung). Sobald der leicht abbaubare Bodenkohlenstoff verbraucht ist, kann sich der temperaturbedingte Anstieg der Bodenatmung längerfristig wieder abschwächen. Die Rolle der Bodenmikroorganismen in diesem Zusammenhang ist noch nicht geklärt. So würde eine Verschiebung von einer bakterien-dominierten Gemeinschaft zu einer pilz-dominierten Gemeinschaft den Umsatz schwer abbaubaren organischen Materials fördern und den Effekt einer Erwärmung auf die CO2-Emission verstärken. Andererseits kann die physiologische Anpassung von Mikroorganismen an geänderte Umweltbedingungen den Temperatureffekt abschwächen. Eine weitere Unsicherheit ist die mikrobielle Aktivität im Winter und die damit verbundene CO2-Ausgasung aus dem Boden. Gerade in wenig produktiven Bergwäldern stellt die winterliche CO2-Emission einen beträchtlichen Teil des C-Flusses des ganzen Jahres dar. Neben der Bodentemperatur wirken sich auch Veränderungen der Niederschlagsmenge bzw. der zeitlichen Verteilung des Niederschlags unmittelbar auf den Bodenkohlenstoff-Umsatz aus. Klimasimulationen sagen für das Untersuchungsgebiet trockenere Sommer, mehr Niederschlag im Winter und eine Verlängerung der Schneedeckendauer vorher. Diese Effekte könnten den stimulierenden Effekt des Temperaturanstieges auf die Bodenatmung abschwächen. In unserer Studie soll ein bereits bestehendes Bodenerwärmungsexperiment adaptiert werden um die CO2-Emissionen aus dem Boden unter verschiedenen Niederschlagsszenarien auf Kontrollflächen und Erwärmungsflächen zu messen. Während der Vegetationsperiode beträgt die Temperaturerhöhung auf den Erwärmungsflächen konstante 3 C. Mit einer Dachkonstruktion soll im Sommer temporär eine Dürreperiode erzeugt werden. Erhöhter Niederschlag im Spätwinter wird durch Schneezugabe auf die Versuchsflächen simuliert. Die bestehende Versuchsanordnung ermöglicht die Unterscheidung zwischen autotropher und heterotropher Bodenatmung. Die Organismen, die für die heterotrophe Atmung zuständig sind, werden mit molekularen Methoden der Mikrobiologie untersucht. Die Ergebnisse des Experiments werden zeigen, ob die Böden von Bergwäldern in einer wärmeren Umwelt eine potentielle Quelle oder doch eine Senke von C sind. usw.

Beobachtungen an Straßenwetterstationen (Glättemeldeanlagen)

Beobachtungen an deutschlandweit verteilten Straßenwetterstationen. Meteorologische Parameter wie Temperatur, Niederschlag usw. werden alle 15 Minuten gemessen.

Improved Estimates of Monthly Land Surface Temperature from MODIS using a Diurnal Temperature Cycle (DTC) Model

The data associated with the experiment to construct monthly Land Surface Temperature(LST) using a diurnal temperature cycle (Duan et al 2013, 2014, Göttsche and Olesen 2001) from MODIS observations at the 32 sites of flux towers over relatively homogenous sites globally. The methodology is summarized in the manuscript under review. The data include three files of monthly LST estimates in Celsius Degree over the land and coordinates are included in each file.

openSenseMap: Sensor Box Wetterstation Listerfehrda

Die Wetterstation basiert auf einem ESP8266 mit folgenden I2C Sensoren. Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck: BME280 Beleuchtung: BH1750 Gemessen wird in 2m über dem Boden, freistehend im Gelände. Die Niederschläge werden stundenweise gesendet.

Einfluss der Vegetationsstruktur auf die Invasibilität von subarktischen Heidesystemen

Der aktuelle Klimawandel hat bereits Auswirkungen auf eine Reihe natürlicher Prozesse (z.B. Walther et al. 2002, Nature 416: 389-395; Walker et al. 2006, PNAS 103: 1342-1346). Ansteigende Temperaturen haben die Phänologie von Arten verändert mit bedeutenden Auswirkungen für komplexe direkte und indirekte Interaktionen zwischen Arten und es gibt deutliche Hinweise auf aktuelle Arealverschiebungen als Reaktion auf Erwärmung (Walther et al. 2002; 2005, P Roy Soc B-Biol Sci 272: 1427-1432). Die Ergebnisse des International Tundra Experiment (ITEX) Forschungsprogramms zu Auswirkungen von Temperaturerhöhung auf die Struktur von Pflanzengemeinschaften deuten an, dass (1) die Produktivität ansteigen wird, (2) der Deckungsgrad toter Pflanzenteile (Streu) und der Deckungsgrad von Zwergsträuchern und Gräsern zunehmen wird, während (3) der Deckungsgrad von Moosen in arktischen Regionen abnehmen wird (Walker et al. 2006). Die für die Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften und die Verbreitungsreale von Arten erwarteten Veränderungen als Folge des Klimawandels hängen von der Invasibilität von Pflanzengemeinschaften ab. Obgleich letztere wiederum unter anderem durch die Vegetationsstruktur (z.B. Deckung, Höhe der Vegetation) bestimmt wird, ist die Bedeutung verschiedener Komponenten der Vegetationsstruktur (Sträucher, Moose, Gräser, Krautige) noch wenig erforscht. Im Lichte der klimainduzierten Veränderungen dieser Komponenten können empirische Studien zur Invasibilität von Pflanzengemeinschaften wichtige Informationen für die realistische Modellierung bezüglich der erwarteten Veränderung der Zusammensetzung von Vegetation und der Verbreitung von Arten liefern. Daher ist es Ziel dieses Projektes die Auswirkungen von Veränderungen verschiedener Komponenten der Vegetationsstruktur (Lebende Pflanzen, Moose, Streu) auf die Etablierung von Keimlingen in einem subarktischen Heidesystem zu analysieren.

Die Rolle von gekoppelten versus ungekoppelten Reanalysen für die Initialisierung der dekadischen Klimaprognosen

Die Nachfrage nach zuverlässigen Klimaprognosen in verschiedenen sozioökonomischen Sektoren wird in der Zukunft steigen. Untersuchungen der Vorhersagbarkeit des Klimasystems auf zwischenjährlichen bis dekadischen Zeitskalen zeigen, dass eine Initialisierung der Erdsystemmodelle (ESM) mit Ozean- und Atmosphärenbeobachtungen die Vorhersage regionaler Klimagrößen verbessert. Jedoch leiden dekadische Klimaprognosen unter Initialisierungsschocks und systematischen Modellfehlern, welche die Vorhersagefähigkeit einschränken. Die Größe des Problems ist jedoch unbekannt. Zur Reduktion von Initialisierungsschocks in dekadischen Klimaprognosen sind ESM-Assimilationen, die Anfangsbedingungen dynamisch konsistent abschätzen können, ein möglicher Ansatz. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, den Einfluss von dynamisch konsistenten Anfangsbedingungen auf die Vorhersagegüte dekadischer Klimaprognosen zu quantifizieren.Unter einer Vielzahl von gekoppelten Datenassimilationsmethoden (GDA) ist die adjungierte Methode eine der vielversprechendsten. Da ihr Resultat die dynamischen ESM-Gleichungen respektiert, kann man damit eine dynamisch selbstkonsistente räumliche und zeitliche Evolution des Klimazustands erstellen, die für die Initialisierung der dekadischen Klimaprognosen anwendbar ist. Zu diesem Zweck wird das gekoppelte adjungierte Modell mittlerer Komplexität CESAM (Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit Erd-System Assimilations-Modell) verwendet werden, um eine gekoppelte Ozean-Atmosphäre-Reanalyse zu erzeugen. Die Reanalyse wird als Anfangsbedingung für retrospektive Klimasimulationen dienen. Die Klimasimulationen werden mit verfügbaren Beobachtungen des Erdsystems verglichen werden, um die Vorhersagegüte des CESAMs zu evaluieren. Das in der CESAM implementierte dekadische Vorhersagekonzept wird sich auf die mehrjährige Variabilität der großskaliger Prozesse und Feedbacks innerhalb des gekoppelten Klimasystems konzentrieren. Der Vorteil des Vorhabens liegt in der Verfügbarkeit und der rechnerischen Effizienz des adjungierten CESAM-Modells. Da die Programmierung der adjungierten Codes für ESMs jedoch keine triviale Aufgabe ist, hat die adjungierte GDA-Methode im dekadischen Klimaprognosebereich bisher keine weitverbreitete Anwendung gefunden. Daher ist die Nützlichkeit adjungierter GDA für die Initialisierung der dekadischen Klimaprognosen noch zu verstehen und zu demonstrieren; dies ist das Hauptziel dieses Forschungsvorhabens. Innerhalb des modellkonsistenten Ansatzes werden Initialisierungsmethoden verglichen werden, die sowohl auf der gekoppelten Reanalyse als auch auf der einzelnen Ozean und Atmosphäre Reanalysen (einer weit verbreiteten Strategie) basieren. Diese Ergebnisse werden als Richtschnur für zukünftige Initialisierungsentwicklungen in komplexeren ESMs dienen.

Soil- moisture and temperature from the PhytOakmeter plot DKr (Kreinitz, Germany) from 2016

As part of PhytOakmeter (www.phytoakmeter.de), time-domain transmission, soil moisture and -temperature sensors with custom-made logger systems were used to measure time series of soil state variables. The aim of these investigations was to provide data on environmental properties used in a cross-disciplinary approach. The measurement device consisted of two sensors at three different depths. The dataset contains the values of time (UTC), relative permittivity, soil moisture (in % vol) derived from permittivity and soil temperature (in °C). Determination of soil moisture was done using the formula of Topp et al. (1980). As sensors, the SMT100 soil moisture sensors with integrated temperature measurement were used. All sensors were installed within the upper 50cm below ground. The exact depths for each sensor are listed in the dataset and parameter comment.

Verhalten von Chorkohlenwasserstoffen im Boden unter Witterungseinfluessen

Temperaturveraenderungen in Bodennaehe bei ploetzlichen Temperaturstuerzen oder Warmlufteinbruechen wirken sich verzoegert auf die Bodentemperatur aus. Es kommt zu Kondensations- bzw. Verdampfungsvorgaengen und damit Reduzierung oder Steigerung der LCKW-Konzentration in der Bodenluft. Entsprechende Zusammenhaenge unter Einbeziehung der Bodenfeuchte werden theoretisch und praktisch untersucht.

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