Band 16 (U. Spank, 2010)
Site Water Budget: Influences of Measurement Uncertainties on Measurement Results and Model Results
161 Seiten
ISBN 978-3-86780-256-7
http://www.qucosa.de/recherche/frontdoor/?tx_slubopus4frontend[id]=6255
Kurzfassung zur Dissertation
Standortswasserbilanz: Einflüsse von Messunsicherheiten
auf Mess- und Modellergebnisse
Vorgelegt der Fakultät für Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften
der Technischen Universität Dresden
von Dipl. Hydrol. Uwe Spank im August 2010.
Die genaue Quantifizierung des Standortswasserhaushalts ist
eine notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche und
nachhaltige Bewirtschaftung von Wäldern, Äckern und
Wasserressourcen. In dieser Studie wurde auf der Raumskala des
Bestandes und auf ver-schieden Zeitskalen, jedoch vorrangig auf
Monatsebene, die Wasserbilanz untersucht. Die Bestimmung der
einzelnen Wasserbilanzkomponenten erfolgte hauptsächlich mit
mikrometeorologischen Messmethoden. Die Eddy- Kovarianz-
Methode (EC- Methode) wurde benutzt zur Messung der
Evapotranspiration, während Xylem- Flussmessungen angewendet
wurden, um die Transpiration zu bestimmen. Die Interzeption
wurde aus Messungen des Bestandesniederschlags, des
Stammablaufs und des Freilandniederschlags abgeleitet.
Messungen der Bodenfeuchte dienten zur Abschätzung des
Bodenwasservorrats.
Die Kombination verschiedener Messmethoden und die Ableitung
von nicht direkt messbaren Wasserhaushaltkomponenten (z.B.
Versickerung und Bodenverdunstung) ist eine äußerst komplexe
Aufgabe durch verschiedenen Messskalen, Messfehler und die
Überlagerung dieser Effekte. Die Quantifizierung von
Unsicherheiten ist ein Kernpunkt in dieser Studie. Dabei werden
sowohl Unsicherheiten in Wasserhaushaltskomponenten als auch in
meteorologischen Größen, welche als Eingangsdaten in
Wasserbilanzmodellen dienen (z.B. Windgeschwindigkeit,
Temperatur, Globalstrahlung, Nettostrahlung und Niederschlag)
quantifiziert. Weiterführend wird der Einfluss von
Unsicherheiten im Zu-sammenhang mit numerischen
Wasserbilanzsimulationen untersucht. Dabei wird sowohl die
Wirkung von Unsicherheiten in Eingangsdaten als auch in
Referenzdaten analysiert und bewertet.
Die Studie beinhaltet drei Hauptthemen. Das erste Thema widmet
sich der Bereitstellung von Referenzdaten der
Evapotranspiration mittels EC- Messungen. Dabei waren die
Aufbereitung von EC- Rohdaten und insbesondere die
Dämpfungskorrektur (Spektralkorrektur) der Schwerpunkt. Vier
verschiedene Methoden zur Dämpfungskorrektur wurden getestet
und verglichen. Die bestimmten Korrekturkoeffizienten
unterschieden sich deutlich zwischen den einzelnen Methoden.
Jedoch war der Einfluss auf die Absolutwerte halbstündlicher
Datensätze gering. Im Gegensatz dazu hatte die Methode
deutlichen Einfluss auf die ermittelten Mo-natssummen der
Evapotranspiration.
Das zweite Hauptthema beinhaltet einen Vergleich der
Wasserbilanz eines Fichten- (Picea abies) mit der eines
Buchenbestands (Fagus sylvatica). Beide Bestände befinden sich
im Tharandter Wald (Deutschland). Die abiotischen Faktoren sind
an beiden Standorten sehr ähnlich. Somit bietet der Vergleich
die Möglichkeit Unterschiede in der Wasserbilanz, die durch
unterschiedliche Hauptbaumarten verursacht wurden, zu
analysieren. Das Ziel was es, die einzelnen
Wasserbilanzkomponenten durch eine Kombination der eingangs
genanten Messmethoden zu bestimmen und zu vergleichen. Ein
Hauptproblem dabei war die Umgehung der unterschiedlichen
Messskalen. Deutliche Unterschiede zwischen den beiden
Standorten traten nur unter untypischen Wetterbedingungen auf.
Unter typischen Bedingungen zeigten die Bestände jedoch ein
ähnliches Verhalten. An dieser Stelle erlangten
Mess-unsicherheiten besondere Bedeutung. So demonstrierten die
Ergebnisse, dass Unterschiede in der Wasserbilanz beider
Standorte durch Messunsicherheiten verwischt wurden.
Das dritte Hauptthema behandelt die Wirkung von Unsicherheiten
auf Wasserbilanzsimulationen mittels numerischer Modelle. Die
Analysen basierten auf Da-ten von drei Messstationen (Fichten-,
Grasland- und Agrarstandort). Es wurde eine Art
Monte-Carlo-Simulation eingesetzt, um die Wirkung von
Messunsicherheiten zu simulieren. Ferner wurden auch der
Einfluss der Modellkomplexität und die Effekte von
Unsi-cherheiten in Referenzdaten auf die Bewertung von
Modellergebnissen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass
komplexe Wasserhaushaltsmodelle wie BROOK90 in der Lage sind,
das Verhalten und Tendenzen der Wasserbilanz abzubilden. Jedoch
wurden zufriedenstellende quantitative Ergebnisse nur unter
üblichen Wetterbedingungen erzielt. Unter untypischen
Wetterbedingungen (Dürreperioden, Extremniederschläge) wichen
die Ergebnisse deutlich vom tatsächli-chen (gemessenen) Wert
ab. Im Gegensatz zu komplexen Modellen zeigte sich, dass Black
Box Modelle (HPTFs) nicht für Wasserhaushaltssimulation an den
drei genannten Messstandorten geeignet sind.
Abstract relating to the doctoral thesis
Site Water Budget: Influences of Measurement
Uncertainties on Measurement Results and Model
Results
Submitted to the Faculty of Forest, Geo and Hydro Sciences of
Technische Universität Dresden by Uwe Spank, Dipl.-Hydrol., in
August 2010.
The exact quantification of site water budget is a necessary
precondition for successful and sustainable management of
forests, agriculture and water resources. In this study the
water balance was investigated at the spatial scale of canopies
and at different temporal scales with focus on the monthly time
scale. The estimation of the individual water balance
components was primarily based on micrometeorological
measurement methods. Evapotranspiration was assessed by the
eddy-covariance (EC) method, while sap flow measurements were
used to estimate transpiration. Interception was assessed by a
combination of canopy drip, stem flow and precipitation (gross
rainfall) measurements and soil moisture measurements were used
to estimate the soil water storage.
The combination of different measurement methods and the
derivation of water balance components that are not directly
measurable e.g. seepage and soil evapora-tion is a very complex
task due to different scales of measurement, measurement
uncertainties and the su-perposition of these effects. The
quantification of uncertainties is a core point of the present
study. The uncertainties were quantified for water balance
compo-nent as well as for meteorological variables (e.g. wind
speed, temperature, global radiation, net radiation and
precipitation) that served as input data in water balance
models. Furthermore, the influences of uncertainties were
investigated in relation to numerical water bal-ance
simulations. Here, both the effects of uncertainties in input
data and in reference data were analysed and evaluated.
The study addresses three main topics. The first topic was the
providing of reference data of evapotranspira-tion by EC
measurements. Here, the processing of EC raw-data was of main
concern with focus on the correc-tion of the spectral
attenuation. Four different methods of spectral correction were
tested and compared. The estimated correction coefficients were
significantly different between all methods. However, the
effects were small to absolute values on half-hourly time
scale. In contrast to half-hour data sets, the method had
sig-nificant influence to estimated monthly totals of
evapotranspiration.
The second main topic dealt with the comparison of water
balances between a spruce (Picea abies) and a beech (Fagus
sylvatica) site. Both sites are located in the Tharandter Wald
(Germany). Abiotic conditions are very similar at both sites.
Thus, the comparison of both sites offered the opportunity to
reveal differences in the water balance due to different
dominant tree species. The aim was to estimate and to compare
all individual components of the water balance by a combination
of the above mentioned measurement methods. A major challenge
was to overcome problems due different scales of measurements.
Significant differ-ences of the water balances between both
sites occurred under untypical weather conditions. However,
under typical condition the sites showed a similar behaviour.
Here, the importance of involved uncertainties de-served
special attention. Results showed that differences in the water
balance between sites were blurred by uncertainties.
The third main topic dealt with the effects of uncertainties on
simulations of water balances with numerical models. These
analyses were based on data of three sites (Spruce, Grass and
Agricultural site). A kind of Monte-Carlo-Simulation
(uncertainty model) was used to simulate effects of measurement
uncertainties. Fur-thermore, the effects of model complexity
and the effect of uncertainties in reference data on the
evaluation of simulation results were investigated. Results
showed that complex water balance models like BROOK90 have the
ability to describe the general behaviour and tendencies of a
water balance. However, satisfying quantitative results were
only reached under typical weather conditions. Under untypical
weather e.g. droughts or extreme precipitation, the results
significantly differed from actual (measured) values. In
contrast to complex models, it was demonstrated that simple
Black Box Models (e.g. HPTFs) are not suited for water balance
simulations for the three sites tested here.