Charakterisierung von Landoberfläche-Atmosphäre-Austauschprozessen und Feedbacks

Im Rahmen dieses Projektes werden drei verschiedene und sich ergänzende Verfahren zur Quantifizierung von lokalen bis regionalen Verdunstungs- und Energieflüssen genutzt und weiterentwickelt. Der erste Ansatz verwendet die Penman-Monteith-Beziehung in Kombiantion mit weiteren Schließungsansätzen um aus räumlich hochauflösenden Thermal-Fernerkundungsdaten Abschätzungen der flächigen Evapotranspiration durchführen zu können. Der zweite Ansatz nutzt hydro-meteorologische Simulationen auf Basis des WRF-NOAH-MP Modellsystems bis hinunter zu einer räumlichen Auflösung von 100m. Diese Simulation erlauben es, den Effekt von Boden-Pflanze- Atmosphäre-Wechselwirkungen und mesoskaligen Zirkulationsmustern auf die regionale Verdunstung auf neuartige Weise zu analysieren. Der dritte Ansatz nutzt die Konditionierung des konvektiven Austauschs in der Atmosphäre über thermodynamische Limitierungen um darüber die Wechselwirkungen im System Boden-Pflanze-Atmosphäre, atmosphärische Mischungsprozesse sowie lokale bis regionale Verdunstungsmuster abzuleiten. Eine umfangreiche Feldmesskampagne während der über mikrometeorologische Messverfahren die Energiebilanz an der Landoberfläche erfasst wird und mit Hilfe der dauerhaften CAOS Messeinrichtungen werden die oben genannten Verfahren getestet und evaluiert. Das WRF-NOAH-MP Model wird zudem für die quantitative Vorhersage des Niederschlags unter Assimilation der Polarisations-Radardaten verwendet, um die Anfangsbedingungen/-zustände für die Wasserhaushaltskomponenten abzuschätzen. Alle Ansätze werden im Rahmen einer Synthese-Aktivität in Bezug auf die Beschreibung und Prognose der Energiebilanzkomponenten sowie der Schließungsansätze von der lokalen bis zur Einzugsgebietsskale evaluiert. Die Synthese der drei unterschiedlich komplexen Ansätze hat das Potential unser Verständnis und die Prognosemöglichkeiten zur Ableitung der regionalen Verdunstungsraten und Energiebilanzkomponenten entscheidend zu verbessern.

Die Topographie und die räumliche Verteilung der Vegetation und Böden erzeugen sichtbare Muster und Strukturen in der Landschaft. Diese steuern und beeinflussen viele lebenswichtige Prozesse in der Umwelt. Dazu gehören z.B. die Wasserbewegung in einem hydrologischen Einzugsgebiet, die Verlagerung von darin gelösten Nähr- und Schadstoffe, sowie die Wasser -und Nährstoffverfügbarkeit für Wald und landwirtschaftliche Anbaufrüchte im Boden. Aufgrund dieser räumlichen Unterschiede können die Wasserqualität, sowie die Fotosyntheseleistung in Forst und Landwirtschaft sehr stark variieren. Es ist daher enorm wichtig, diese Muster und Strukturen in der Landschaft zu erfassen und zu verstehen, wie diese sich entwickeln und gegenseitig beeinflussen. Im Rahmen des Projektes haben wir uns damit beschäftigt, wie mit dem Einsatz von Fernerkundung über Satelliten und Drohnen solche Muster und Strukturen verbessert quantifiziert werden können. Das Hauptaugenmerk lag auf der Analyse der thermalen Abstrahlung (TIR, Thermal InfraRed) der Landoberfläche und ihrer messtechnischen Erfassung und Analyse. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Integration von TIR-Daten mit Informationen aus den sichtbaren Wellenlängenbereichen, eine deutlich verbesserte Erfassung und Klassifikation der Land-nutzung sowie ihrer zeitlichen Dynamik erzielt werden kann. Die Analyse von Zeitreihen thermaler Satellitendaten über einen Zeitraum von 10 Jahren mit Hilfe einer Hauptkomponentenanalyse ermöglichte es, "funktionelle Einheiten" im Attert-Einzugsgebiet (Luxemburg) zu identifizieren, die sich "ähnlich" in Bezug auf den Energiehaushalt verhalten - ein wichtiger vorbereitender Schritt für eine effiziente Modellbildung zur Prognose der Prozesse. Die Zeitreihen der TIR-Daten konnten ebenfalls für eine deutlich verbesserte Erfassung der Bodentextur-Daten genutzt werden, die wiederum eine wichtige Grundlage für modellgestützte Prognosen der Wasserbewegung im Gebiet sind. Die Konstruktion einer Drohne und deren Ausstattung mit Sensoren/Kameras im sichtbaren sowie im TIR - Wellenlängenbereich ermöglichte die zeitlich und räumlich hochaufgelöste Erfassung von Pflanzenbedeckung und Oberflächentemperaturen (hier) landwirtschaftlicher Flächen. Aus diesen Daten, in Verbindung mit unterschiedlich komplexen Modellen zum turbulenten Energieaustausch zwischen Boden und Atmosphäre, können sehr präzise und flächendifferenzierte Aussagen zu Trockenstress und Evapotranspirationsprozessen gemacht werden. Die entwickelte Drohnentechnologie und die dazugehörigen Auswertemodelle stellen damit ein wichtiges Werkzeug in Hinblick auf Bewässerungs- und auch Düngesteuerung für die Landwirtschaft dar und können ganz allgemein formuliert sehr wichtige Beiträge zum Energie- und Wasserhaushalt der Landschaft innerhalb komplexer interdisziplinärer Ökosystemforschung liefern.