Projekt EVA-Grips
Ein Beitrag zum Klimaforschungsprogramm DEKLIM
Räumliche Integration der Energieflüsse über heterogenem Gelände, bestimmt mittels Kombination von Satellitenergebnissen und Modellsimulationen
- Regionale Verdunstung auf der Gitterpunkt/Pixel-Skala über heterogenen Landoberflächen -
Gesamtprojekt
Das Gesamtziel des EVA-GRIPS-Vorhabens ist die Bestimmung der Verdunstung über heterogenen Landoberflächen aus Beobachtungen und durch numerische Modellierung. Die räumliche Skala ist die Gitterbox eines atmosphärischen regionalen Zirkulationsmodells oder ein Satellitenbildpixel. Es sollen Parameterisierungsansätze für atmosphärische und hydrologische Modelle entwickelt werden, die den Austausch von Wasser, Wärme und Impuls am Erdboden repräsentativ für Gitterelemente beschreiben. Da die Verdunstung eine Komponente der Energie- und Wasserbilanz der Landoberfläche darstellt, müssen notwendigerweise auch die turbulenten Flüsse von Wärme und Impuls sowie die Gebietsmittel der Strahlungskomponenten und des Niederschlages betrachtet werden. Die Ergebnisse des Projektes werden für die regionale numerische Wettervorhersage und für die Klimamodellierung zur Verfügung gestellt (Schnittstellen LM des DWD, BALTIMOS Projekt im Rahmen von DEKLIM). Das Gesamtziel dieses Vorhabens widmet sich daher einer zentralen Fragestellung von DEKLIM und insbesondere von BALTEX.
Bekannte Strategien zur Bestimmung gebiets-gemittelter turbulenter Flüsse werden kombiniert zur Ableitung eines Konzeptes, das räumliche Heterogenitäten bezüglich der Vegetation (Albedo, Rauhigkeit, Emissivität, Blattflächenindex), des Bodentyps (Wasserspeicherkapazität) und der atmosphärischen Grenzschicht (Niederschlag, Strahlung, Temperatur, Feuchte, Windgeschwindigkeit) berücksichtigt. Die Ansätze werden getestet mit Daten aus Feldexperimenten und für die Implementierung in Regionalmodelle bereitgestellt.
Das Verbundprojekt vereinigt Feldmessungen, die Analyse von Satellitendaten und numerische Modellierung. Das Konsortium umfaßt Arbeitsgruppen mit ausgewiesener Expertise in jeweils einem oder mehreren dieser drei Forschungsbereiche. Messungen aller wesentlichen Parameter, die den Austausch von Wasser und Energie zwischen der Landoberfläche und der Atmosphäre beeinflussen, werden in einer heterogenen Landschaft über den Zeitraum eines hydrologischen Jahres durchgeführt. Während eines Feldexperiments im Jahre 2003 wird dieses Basis-Messprogramm ergänzt durch direkte Messungen der Verdunstung mit Eddy-Korrelations-Verfahren an mehreren Orten innerhalb des Testgebietes, durch Messungen in der atmosphärischen Grenzschicht mit der Hubschrauber-Schleppsonde HELIPOD, durch zusätzliche Radiosondenaufstiege und durch Profilmessungen mittels Lidar und Radar. Die Landoberflächeneigenschaften Albedo, Emissivität, Rauhigkeit und Blattflächenindex werden aus Satellitendaten abgeleitet. Die Verteilung der Bodenfeuchte wird mit einem hydrologischen Modell (TOPLATS) simuliert, das einseitig an das atmosphärische Mesoskalamodell (LM) gekoppelt ist. Mit Hilfe dieses umfangreichen Datensatzes werden auf der Gitterboxskala die Flüsse bestimmt und der Einfluß der Heterogenität auf die Grenzschichtstruktur untersucht.
Die numerischen Modelle umfassen drei 1-dimensionale SVAT-Schemata, ein detailliertes hydrologisches Modell, ein 3-dimensionales nicht-hydrostatisches Mesoskala Modell und ein large-eddy Simulationsmodell (LES). In off-line Simulationen werden die SVAT-Schemata zunächst anhand von Flußmessungen an einzelnen Stationen über unterschiedlicher Vegetation vergleichend getestet, bevor verschiedene Mittelungsstrategien für turbulente Flüsse in die SVAT Modelle implementiert und mit Beobachtungsdaten vergleichend getestet werden.
Für Test-Simulationen mit dem Mesoskala Modell wird ein vollständiger Datensatz aus dem Experiment LITFASS-98 bereitgestellt. Mit dem large-eddy Simulationsmodell werden für ausgesuchte Episoden die turbulenten Flüsse mit hoher Auflösung explizit simuliert. Diese Rechnungen werden zum Vergleich mit den unterschiedlichen Parameterisierungsansätzen für die subskaligen turbulenten Prozesse herangezogen.
Alle Aktivitäten werden sich auf das Gebiet des LITFASS Projektes konzentrieren, das vom Deutschen Wetterdienst (MOL) kontinuierlich im Bereich Lindenberg durchgeführt wird. Für die Modellierungen werden zunächst Datensätze aus dem LITFASS-98 Experiment bereitgestellt, die bereits aufbereitet sind. Die mit diesen Daten entwickelten Ansätze werden in der 2. Hälfte des Projektes anhand der Daten aus dem Feldexperiment LITFASS-2003 überprüft und ggf. weiterentwickelt oder angepasst.
Teilprojektziele
Teilprojektziele TU Dresden
1. Ableitung von Landoberflächeneigenschaften, wie Vegetationstypen, Blattflächenindex und Rauhigkeitslängen, sowie radiometrischer Eigenschaften wie Albedo und Emissionsvermögen aus Satellitendaten unterschiedlicher räumlicher (und zeitlicher) Auflösung (Landsat TM : 30 m, NOAA-AVHRR, ERS-2 ATSR und Envisat AATSR: 1km und Meteosat/Meteosat Second Generation: größer 2km) sowie unter Verwendung gegenwärtig verfügbarer Landnutztungsklassifikationen (Global Land Cover Characterization GLCC, Corine)
2. Anwendung inverser Fererkundungsverffahren zur Ableitung der Strahlungsbilanzkomponenten an der Erdoberfläche für unterschiedliche atmosphärische Zustände (Temperatur- und Feuchteprofile, Sichtweite, wolkenlose und bewölkte Bedingungen) sowie Vergleich mit Bodenmessungen
3. Bestimmung der einzelnen Energieflüsse am Erdboden aus den oben genannten Satellitendaten und Ableit ung der Verdunstung (nach Priestley-Taylor, Penman-Monteith sowie Gras-Referenzverdunstung) und Validierung mit Bodenmessungen
4. Mittelung der räumlich höher aufgelösten Satellitendaten (Landsat TM, NOAA-AVHRR) bzw. der abgeleiteten Größen unter Anwendung verschiedener Verfahren (Krigging) und Vergleich mit den räumlich schlechter aufgelösten Ergebnisssen (ENVISAT AATSR, Meteosat, MSG), sowie mit den Modellergebnissen und Bodenmessungen.
5. Anwendung der Koppelung eines 3-dimensionalen mesoskalen Modells (DWD Lokalmodell LM) mit einem 1,5-dimensionalen Atmosphärischen Grenzschicht (AGS-) Modell (HIRVAC) mit integrierter hochaufgelöster Vegetationsschicht zur Untersuchung der Engerieflüsse variabler mikro- und mesoskaliger Atmosphären- bzw. Vegetationsstrukturen unter Verwendung der Landoberflächencharakteristika des Standortes Lindenberg
6. Bestimmung der effektiven Heteogenität von Landschaftselementen der typischen Auflösung von 1km² am Standort Lindenberg zur Evaluierung der flächengemittelten Ergenisse von Satelliten- und Bodenmessung sowie der Modellergenisse von DWD LM (1km²) und HIRVAC (30m)
7. Vergleich der räumlich integrierten Engergieflüsse aus den Ergebnissen der Satellitendatenauswertung und den gekoppelten Modellläufen (DWD LM und HIRVAC) für die Kernmessphasen der begleitenden Feldexperimente
8. Berechnung der Energieflüsse für ausgewählte Perionden aus BALTEX/BRIDGE sowie Validierung mit Bodenmessungen
Projektmitarbeiter:
Diplomarbeiten:
Antje Tittebrand, 2002: Ermittlung der langwelligen Ausstrahlung am Erdboden aus ERS 1/2-ATSR- und NOAA-AVHRR- Satellitendaten
Bettina Ketzer, 2002: Vergleich von Landoberflächeneigenschaften abgeleitet aus NOAA-14 AVHRR und ERS-2 ATSR Satellitendaten