Interactions between a solitary semi-arid forest and the Atmospheric Boundary Layer
Creators: name: Brugger, Peter
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019

description: Aufgrund von vorhergesagten Trends zur Erwärmung und Trockenheit für Teile der globalen Landoberfläche und Aufforstungsmaßnahmen im mediterranen Raum ist zu erwarten, dass semi-aride Wälder in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Um die Auswirkungen dieser Ökosysteme auf das Klima korrekt zu modellieren, ist es wichtig, deren Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Oberfläche zu verstehen. Daher wurden in dieser Doktorarbeit die zugrunde liegenden Mechanismen des Austausches von Wärme und Impuls zwischen Oberfläche und Atmosphäre für semi-aride Wälder untersucht und deren Auswirkungen auf die atmosphärische Grenzschicht. Meteorologische Messungen am isolierten, semi-ariden Yatir Wald in Israel (7 km Ausdehnung in Hauptwindrichtung, Fläche 2800 ha) werden verwendet, um diese Ziele zu erreichen.

Die Messkampagne beinhaltete drei Messstandorte: einer im Luv des Waldes in einer Dornensavanne, einer im Zentrum des Waldes und einer im Lee des Waldes. Der Luv- und Waldstandort waren jeweils mit einem Ultraschallanemometer und einem Doppler Lidar ausgestattet. Am Leestandort wurde ein Ceilometer eingesetzt. Aus diesen Messungen wurden Informationen über die Turbulenzstruktur, die turbulente Transporteffizienz und Energetik, die Windgeschwindigkeit und Richtung sowie die Grenzschichthöhe abgeleitet.

Die Ergebnisse zeigen, dass die großen turbulenzgenerierenden Skalen am Waldstandort eine isotropere Turbulenzstruktur im Vergleich zur Dornensavanne haben. Während zu erwarten ist, dass isotrope Turbulenz weniger effizient im Transport von Impuls ist, wurde am Waldstandort trotzdem ein energetischerer und effizienterer Impulstransport beobachtet. Dies wurde mit einer größeren Wirbelstärke aufgrund der größeren Rauigkeit des Waldes und daraus resultierendem größeren Windgeschwindigkeitsgradienten erklärt. Diese Turbulenzeigenschaften des Waldes führen zu einem fühlbaren Wärmestrom, der durch stärkere Turbulenz, aber nicht durch einen effizienteren Transportprozess erzeugt wird. Diese Separierung der Prozesse für die Erhaltung von größeren turbulenten Flüssen für einen gegebenen mittleren Gradienten am Waldstandort im Vergleich zur Dornensavanne (was in der Literatur schon bekannt war) erlaubt die Identifizierung der wichtigen Prozesse für Modellierungsanwendungen.  Im Fall der fühlbaren Wärmeströme am Yatir Wald ist der Effekt einer modifizierten Turbulenzstruktur mehr als fünf mal kleiner als der Effekt durch energetischere Turbulenz.

Die Auswirkung des größeren Impuls- und fühlbaren Wärmestroms des Waldes auf die atmosphärische Grenzschicht wurde untersucht. Es wurde beobachtet, dass der Wald die Tiefe der Grenzschicht vergrößert, es sei denn, der Effekt wurde durch eine stark stabile Schichtung der freien Atmosphäre unterdrückt. Die Höhe der Grenzschichtvertiefung konnte zu den Ausmaßen des Waldes in Verbindung gesetzt werden, weil die Zeit zur Anpassung der Grenzschicht an den Wald von der Windgeschwindigkeit und der Größe des Waldes in Windrichtung abhing.
Des Weiteren zeigten die Ergebnisse die höchsten Windgeschwindigkeiten am Nachmittag aufgrund eines Seewindes, welcher die Tagesgangspitzen von Turbulenzstatistiken, die der mechanischen Produktion nahestehen, verzögerte. Dagegen haben Turbulenzstatistiken, die der Produktion durch Auftrieb nahestehen, ihre Tagesspitzen dichter am lokalen Mittag während der maximalen Strahlungsbilanz und damit verbundener Bodenerwärmung.
Zuletzt wurden Hinweise auf die frühere Bildung einer Restluftschicht über dem Wald im Vergleich zur Dornensavanne beobachtet. Dies wurde durch die Bedeutung der mechanischen Turbulenzproduktion für den fühlbaren Wärmestrom am Wald in Kombination mit dem späten Windgeschwindigkeitsmaximum und der Advektion einer wärmeren Grenzschicht von der Dornensavanne erklärt.