Prediction of aerodynamic parameters of plant canopies and of soil heating in ridges covered with plastic mulch as contributions to SVAT modelling
Creators: name: Gräfe, Jan
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Landwirtschaftlich-Gärtnerische Fakultät
Year: 2006
Subjects: subject: Pflanzenbestand
subject: Modell
subject: Turbulenz
subject: Energiebilanz
subject: Boden
subject: Erddamm
subject: Folien
subject: canopy
subject: model
subject: turbulence
subject: energy balance
subject: soil
subject: ridge
subject: plastic
subject: 630 Landwirtschaft, Veterinärmedizin
subject: 39 Landwirtschaft, Garten

description: Die Implementierung und Anwendung von Soil-Vegetation-Atmosphere-Transport-Modellen (SVAT) in der Landwirtschaft erfordert die Kenntnis der aerodynamischen Eigenschaften der Unterlage. Diese sind die Verschiebungslänge d, die Rauhigkeitslänge z0 und weitere Parameter welche den Effekt der Rauhigkeitsschicht unmittelbar über dem Pflanzenbestand beschreiben, wie die Schichthöhen für den Transfer von Impuls Zm* und Skalaren Zs*. Umfangreiche Literaturangaben über einen weiten Bereich von Bestandsmerkmalen wurden zur Entwicklung und Ableitung neuer Schätzfunktionen der genannten Parameter genutzt. Ein neues Modell wird für d als Funktion der Bestandeshöhe hc und dem Plant Area Index PAI vorgeschlagen. Ein semi¬empirisches Vorhersagemodell wird für die Längenskale Ls in Abhängigkeit von hc, PAI, der relativen Kronenhöhe und dem mittleren Abstand zwischen Rauhigkeitselementen entwickelt. Mit Schätzwerten für d, Ls, Zm* und anderen Inputs wurde eine Gleichung für z0 entwickelt und geprüft. Unter Berücksichtigung der Rauhigkeitsschicht werden geschlossene analytische Lösungen für die Schubspannungsgeschwindigkeit, das Windprofil und den aerodynamischen Widerstand präsentiert. Es wird ein Energiebilanzmodell für teilweise mit Folien bedeckten Erddämmen vorgestellt. Bekannte Vorgehensweisen aus der Literatur wurden hinsichtlich der Effekte des peripheren Strahlungsanteils der Sonne, der Modifizierung des kurzwelligen und langwelligen Strahlungstransfers durch den Damm selbst und der winkelabhängigen Transmission und Reflexion von Folien erweitert. Nur 3 Parameter mussten aus stündlichen Messwerten der Bodentemperatur über einen Monat bestimmt werden. Beim Gesamttest des Modells zeigte sich eine mittlere quadratische Abweichung zwischen Simulationen und Messungen der Dammtemperatur von 1.5-1.9 K in Abhängigkeit vom Standort. Testsimulationen zeigten, dass für strahlungsundurchlässige Folien eine präzise Darstellung der winkelabhängigen Reflexion nicht notwendig ist. Für transparente Folien sind zur Beschreibung von Transmission und Reflexion auch einfache Ansätze ausreichend. Nur wenige Inputs sind zur Simulation erforderlich wie die Gehalte an Humus, Sand und Ton, die Dammgeometrie und die Transmissions- und Reflexionsgrade der eingesetzten Folien.
description: Implementation and application of Soil Vegetation Atmosphere Transport Models (SVAT) in agriculture require knowledge of aerodynamic properties of the exchanging surface. These are the zero plane displacement d, the roughness length for momentum z0, and additional parameters describing the roughness layer just above the canopy as the height of the roughness layer for momentum and scalars (Zm*, Zs*), and parameters of the modified diffusivity profile functions. Several data summaries from the literature on aerodynamic properties over a broad range of plant canopies are used to develop and test predictive models for a number of needed aerodynamic parameters. A new model for d is presented as a function of canopy height hc and Plant Area Index PAI. A semi-empirical equation for the canopy length scale Ls is derived from hc, PAI, fractional crown height, and inter-element spacing of roughness elements. Having estimates of d, Ls, Zm* and other inputs one can derive predictive equations for z0. Closed form analytical expressions are given for the friction velocity, the horizontal wind speed profile and the aerodynamic resistance, which account for both stability and roughness layer effects. An energy balance model for a two-dimensional ridge surface partly covered by a plastic mulch is presented. Previous approaches are modified and extended to include (1) the circumsolar part of diffuse radiation and (2) the altered interception of diffuse short- and long-wave radiation due to horizon obstructions and surface slope and (3) the directional dependence of transmissivity and reflectivity of plastic mulches. Only three parameters had to be estimated from data taken over one month at one site. Overall, simulated data fitted with the whole data set on soil temperatures, with root mean square errors of 1.5 K and 1.9 K for both sites, respectively. Test simulations established that for opaque plastics, detailed analysis of directional radiative properties is not necessary, and for transparent plastics, rather simpler approaches are sufficient. Only a few inputs have to be provided to apply the model: the soil humus content and texture, the shape of the ridge, and the transmissivities and reflectivities of the used plastic mulches in the short-wave and long-wave range.