Jahresbericht 2010-11 zum Förderprojekt 01879 Untersuchung der Veränderung der Konzentration von Luftbeimengungen und Treibhausgasen im hohen Fichtelgebirge 2007 – 2014

UNIVERSITÄT BAYREUTH Abteilung Mikrometeorologie Jahresbericht 2010-11 zum Förderprojekt 01879 Untersuchung der Veränderung der Konzentration von Luftbeimengungen und Treibhausgasen im hohen Fichtelgebirge 2007 – 2014 Thomas Foken unter Mitwirkung von Lisa Dirks Arbeitsergebnisse Nr. 52 Bayreuth, Dezember 2012 2 Arbeitsergebnisse, Universität Bayreuth, Abt. Mikrometeorologie, Print, ISSN 1614-8916 Arbeitsergebnisse, Universität Bayreuth, Abt. Mikrometeorologie, Internet, ISSN 1614-8924 http://opus.ub.uni-bayreuth.de/opus4-ubbayreuth/solrsearch/index/search/searchtype/series/id/1 Eigenverlag: Universität Bayreuth, Abt. Mikrometeorologie Vervielfältigung: Druckerei der Universität Bayreuth Herausgeber: Prof. Dr. Thomas Foken Monographien - Einzelexemplare in Bayerischen Bibliotheken Universität Bayreuth, Abteilung Mikrometeorologie D-95440 Bayreuth Die Verantwortung über den Inhalt liegt beim Autor. 3 1. Einleitung Gemäß dem Förderungsantrag vom 12.10.2006, Punkt 2.1 und dem Bewilligungsbescheid vom 02.03.2007 sowie der Nachbewilligung von 2010 wird für die Jahre 2010 und 2011 ein Bericht vorgelegt, der neben dem üblichen Bericht zur Nassdeposition die Ergebnisse zweier abgeschlossener Projekte enthält. Dabei handelt es sich um das vom Freistaat Bayern finanzierten Klimaforschungsprojektes FORKAST „Auswirkungen des Klimas auf Ökosysteme und klimatische Anpassungsstrategien“, Teilprojekt 05 „Untersuchung der Kohlenstoffumsätze von Grünlandflächen im nordbayerischen Mittelgebirge unter extremen Klimabedingungen“ (Leitung: Prof. Foken, Prof. Kuzyakov). Zu diesem Projekt wird der Abschlussbericht vorgelegt. Mit Mitteln der Oberfrankenstiftung wurde der Stromanschluss zur Messfläche Voitsumra im Frühsommer 2009 fertig gestellt. Des Weiteren wird über den Abschluss des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Verbundprojekt „ExchanGE processes in mountainous Regions“ (EGER) unter den Projektbezeichnungen FO 226/16-1, ME 2100/4-1 und ZE 792/4-1 ab Anfang 2007 (http://www.bayceer.unibayreuth.de/eger/) berichtet. Dazu wird die 2012 erschienene Überblickspublikation beigefügt. Das Projekt wurde Ende 2009 als DFG Paketantrag PAK 446 bis 2013 verlängert. Durch die Oberfrankenstiftung wurde das Dauermessprogramm an den Messflächen am Waldstein – essentiell für beide Projekte – abgesichert und insbesondere wurden die Ozonmessungen durch ein Neugerät stabilisiert. 4 2. Nassdeposition Die Beschreibung der Messungen der nassen Deposition erfolgte bereits in den vorausgegangenen Berichten 2008 und 2009. Die Probennahme erfolgte immer für vierwöchige Abschnitte entsprechend der Festlegung des Bayerischen Landesamtes für Umwelt. Somit gibt es pro Jahr 12 bis 13 Messperioden. Die nachfolgenden Tabellen zeigen für die Jahre 2010 und 2011 die gemessenen Niederschlagsmengen und Probemengen des Wet-Only-Sammlers sowie die Spurenstoffanalyse, die wieder im Bayerischen Landesamt für Umwelt durchgeführt wurde. Weitere Daten enthält auch Teil 4. Tabelle 1: Probenahmezeiträume 2010 Probennummer Beginn Ende Probenmenge [ml] Probenmenge [mm] Niederschlag [mm] 1 23.12.2009 20.01.2010 2197 44 68,9 2 20.01.2010 24.02.2010 3107 62 61,5 3 24.02.2010 17.03.2010 1240 25 36,6 4 17.03.2010 21.04.2010 2827 57 75,3 5 21.04.2010 12.05.2010 1873 37 44,2 6 12.05.2010 09.06.2010 3840 77 98,4 7 09.06.2010 07.07.2010 1788 36 42,4 8 07.07.2010 04.08.2010 6222 124 134,4 9 04.08.2010 01.09.2010 8840 177 216,8 10 01.09.2010 29.09.2010 3329 67 84,8 11 29.09.2010 24.10.2010 1092 22 34,8 12 24.10.2010 24.11.2010 5150 103 126,4 13 24.11.2010 22.12.2010 4815 96 89,7 Tabelle 2: Ergebnisse Ionenchromatographie [mg m-2] im Jahr 2010 Probe: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Chlorid 14,50 24,23 11,90 9,61 5,24 7,68 6,79 24,89 45,97 16,75 9,17 26,78 21,19 Nitrit < 2,20 < 3,11 < 1,24 < 2,83 < 1,87 < 3,84 < 1,79 < 6,22 < 8,84 < 7,99 < 2,18 < 10,30 < 9,63 Nitrat 82,61 185,19 89,03 148,13 99,64 179,71 84,04 230,21 297,02 111,85 69,67 140,08 160,82 Phosphat < 8,79 < 12,43 < 4,96 < 11,31 < 7,49 < 15,36 < 7,15 < 4,89 < 35,36 < 13,32 < 4,37 < 20,60 < 19,26 Sulfat 39,99 76,43 36,70 92,73 59,56 116,73 53,28 110,75 176,80 59,26 30,58 78,28 55,85 Natrium 11,86 19,26 8,43 9,05 < 3,75 < 7,68 < 4,29 < 12,44 < 17,68 11,32 2,62 12,36 14,44 Ammonium 13,62 25,49 35,46 89,90 40,08 80,64 37,91 100,80 137,90 35,29 28,83 43,26 28,89 Kalium < 8,79 < 12,43 < 4,96 < 11,31 < 7,492 < 15,36 < 7,15 < 24,89 < 35,36 < 13,32 < 4,37 < 20,60 < 19,26 Magnesium < 2,20 < 3,11 1,24 < 2,83 < 1,873 < 3,84 < 3,58 < 12,44 < 17,68 5,40 < 2,18 < 10,30 < 9,63 Calcium 4,39 6,21 3,22 18,09 10,498 8,45 15,73 19,910 < 17,68 9,99 5,02 23,69 20,22 5 Tabelle 3: Ergebnisse der ICP-MS [μg m-2] im Jahr 2010 probe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Al 300,55 448,03 250,48 250,47 636,82 678,91 206,42 1021,65 489,74 201,74 96,53 295,61 324,53 As 7,07 9,82 3,52 10,35 5,92 6,84 4,18 9,58 13,97 4,66 3,01 9,167 8,57 Bi 0,35 0,50 0,30 0,34 0,26 0,46 0,18 1,12 0,88 0,33 0,11 0,721 0,67 Ca 1937,9 3138,1 2852,0 9272,6 7716,8 8294,4 16699,9 18043,8 10714,1 6032,2 1956,86 17963,2 17719,2 Cd 1,71 4,16 1,34 3,45 2,73 4,53 2,18 3,11 8,13 2,26 1,070 2,99 2,99 Co 1,23 1,06 0,52 1,13 4,23 2,00 2,57 7,84 2,83 1,20 0,52 1,44 0,77 Cr 5,10 4,04 1,98 3,28 3,60 6,68 2,50 9,08 11,14 5,13 1,57 < 5,15 < 4,81 Cu 217,94 161,56 55,06 77,46 136,73 163,58 243,17 211,5 302,33 84,56 34,94 140,08 103,04 Fe 260,12 471,64 379,44 208,07 610,60 466,18 201,69 1170,98 578,14 279,64 159,43 475,86 416,02 K 4437,9 2491,8 1249,9 2629,1 3011,8 4815,6 2492,5 5836,2 10590,3 5652,6 2926,6 19673,0 3254,9 Mg 935,92 1920,12 1135,84 1673,58 1150,02 1628,16 2739,22 8549,03 9741,68 3263,94 1755,94 6025,5 1877,8 Mn 41,92 88,86 56,05 87,64 123,99 211,2 111,57 186,66 169,728 75,90 32,98 125,66 80,02 Mo 1,93 1,86 3,74 3,56 2,17 3,53 2,90 6,60 4,7736 3,06 1,20 3,605 2,99 Na 11424,4 18331,3 7812,0 8594,1 3266,5 4869,1 4720,3 8486,8 10272,1 10652,8 2904,7 12051,0 13674,6 Ni 13,36 61,27 8,18 14,70 23,86 45,47 13,52 34,22 63,1176 29,892 6,46 18,437 42,28 Pb 43,41 77,68 20,93 26,57 42,70 55,53 21,03 58,98 71,4272 32,16 17,04 50,676 62,30 Sb 3,87 5,84 3,03 7,01 3,90 7,45 3,61 9,58 10,0776 5,13 3,80 9,476 5,49 Ti < 8,79 7,58 7,02 6,73 12,89 < 15,36 6,94 < 24,89 15,2048 < 13,32 1,53 20,909 23,69 V 5,01 8,58 6,89 15,27 6,86 20,20 8,87 25,76 17,33 6,72 2,58 9,27 6,16 Zn 364,70 532,54 280,24 416,70 378,35 512,26 1680,72 1256,84 1479,81 610,54 186,29 727,18 630,76 Tabelle 4: Probenahmezeiträume 2011 Probennummer Beginn Ende Probenmenge [ml] Probenmenge [mm] Niederschlag [mm] 1 22.12.2010 19.01.2011 2950 59 122,9 2 19.01.2011 16.02.2011 1547 31 46,8 3 16.02.2011 16.03.2011 86 2 4,5 4 16.03.2011 13.04.2011 1052 21 28,7 5 13.04.2011 11.05.2011 917 18 21,8 6 11.05.2011 08.06.2011 690 14* 101,5* 7 08.06.2011 06.07.2011 4309 86 89,5 8 06.07.2011 03.08.2011 3280 66 62,4 9 03.08.2011 31.08.2011 2935 59 40,2 10 31.08.2011 28.09.2011 4551 91 104,5 11 28.09.2011 26.10.2011 2795 56 82,5 12 26.10.2011 23.11.2011 59 1 1,2 13 23.11.2011 21.12.2011 5433 109 107,4 14 21.12.2011 18.01.2012 3171 63 103,8 * Die offensichtliche Diskrepanz konnte nicht geklärt werden 6 Tabelle 5: Ergebnisse Ionenchromatographie [mg m-2] im Jahr 2011 Probe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Chlorid 5,9 11,76 0,41 2,95 1,83 2,21 12,07 35,42 10,57 24,58 17,16 0,54 40,2 46,54 Nitrit 5,9 3,09 0,17 2,1 1,83 1,38 8,62 6,56 5,87 9,1 5,59 0,12 10,87 6,34 Nitrat 90,27 99,01 7,17 64,17 50,25 68,31 182,7 110,21 78,66 104,67 83,3 2,15 116,26 104,34 Phosphat 11,8 6,19 0,34 4,21 3,67 2,76 17,24 13,12 11,74 18,2 11,18 0,68 21,73 12,68 Sulfat 33,04 40,22 7,41 43,13 60,89 35,6 107,73 91,18 54 61,89 44,3 1,35 41,73 46,37 Natrium 5,9 9,28 0,57 2,1 1,83 2,21 8,62 6,56 5,87 12,74 9,25 0,33 24,88 30,66 Ammonium 20,06 27,23 3,54 39,13 35,95 34,91 105,14 65,6 45,79 47,33 35,9 2,84 18,91 29,2 Kalium 11,8 6,19 0,34 4,21 10,45 4,69 17,24 13,12 11,74 18,2 11,18 0,33 10,87 12,68 Magnesium 5,9 3,09 0,17 2,1 1,83 1,38 8,62 10,5 5,87 9,1 5,59 0,21 10,87 6,34 Calcium 5,9 3,09 0,31 5,26 4,77 5,24 22,41 13,78 19,96 11,83 5,68 0,92 14,43 6,34 Tabelle 6: Ergebnisse der ICP-MS [μg m-2] im Jahr 2011 Probe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Al 370,52 245,97 44,89 86,05 126,55 75,35 480,88 217,14 294,67 232,06 150,22 88,88 664,82 363,87 As 3,07 2,91 0,85 3,56 5,72 2,9 34,64 8,27 4,93 30,54 2,7 0,41 4,26 7,67 Bi 0,59 0,28 0,04 0,19 0,2 0,11 0,6 0,33 0,41 1,47 0,28 0,05 0,94 0,46 Ca 1976,5 2738,2 354,3 3576,8 4915,1 5630,4 19476,7 10955,2 13970,6 12876,5 6310,4 1052,67 18968,2 3928,3 Cd 2,54 1,39 0,33 2,8 3,69 1,95 4,65 4,72 2,29 2,58 1,27 1,09 3,75 4,79 Co 0,65 0,59 0,1 0,34 0,66 0,59 23,87 16,86 2,52 6,04 1,74 0,28 2,31 1,71 Cr 3,54 2,01 0,35 1,47 1,17 1,46 7,07 4,79 43,79 127,16 27,95 0,55 5,43 4,79 Cu 89,09 64,36 19,09 23,56 36,68 36,43 212 93,15 72,79 103,82 44,32 41,44 157,81 161,42 Fe 506,22 226,48 41,8 84,37 77,03 70,79 510,19 211,23 285,87 541,9 93,84 113,23 953,24 463,62 K 2436,7 1615,1 225,3 1188,8 9977,1 4084,8 8014,7 6822,4 5870,0 4986,0 2158,8 346,7 5200,5 3810,7 Mg 1038,4 1079,8 75,7 492,3 981,2 814,2 3085,2 14760,0 1749,3 2963,6 1713,4 273,3 4030,8 3536,0 Mn 41,42 59,1 8,6 41,45 108,39 93,01 199,08 156,78 163,19 147,21 105,3 4,23 185,69 109,05 Mo 2,24 2,2 0,19 2,8 1,28 2,46 3,71 2,56 7,57 35,91 2,07 0,43 4,02 2,78 Na 6372,0 8539,4 555,6 1923,1 977,5 2139,0 7204,6 6533,8 4707,7 14174,6 8886,7 379,3 25848,9 26405,2 Ni 39,06 9 4,7 9,24 9,28 10,27 31,37 29,59 50,6 196,35 12,84 1,12 17,55 9,62 Pb 40,12 31,87 5,49 5,93 15,53 12,5 33,78 23,81 10,92 21,02 12,3 2,99 68,37 30,7 Sb 3,13 3,96 0,52 3,24 3,61 2,43 6,29 5,9 5,4 4,97 3,68 0,33 5,06 4,43 Ti 11,8 6,19 0,53 4,21 3,67 2,76 17,24 13,12 11,74 18,2 11,18 2,25 21,73 12,68 V 7,14 5,82 0,49 5,76 3,56 4,15 12,5 8,2 11,8 18,43 5,73 0,96 7,06 5,98 Zn 590 249,38 58,14 100,99 177,71 169,74 844,56 630,42 375,68 535,18 660,86 59,68 721,21 853,91 7 3. Projektergebnisse 3.1. FORKAST-Projekt Als wesentliches Ergebnis – neben der erstmaligen Kombination aus 13C-Dotierung und direkten Flussmessungen – konnte gezeigt werden, dass extensiv genutzte Wiesenflächen in Mittelgebirgslagen bei nur einbis zweimaliger Mahd im Jahresdurchschnitt trotzdem noch eine Kohlenstoffsenke darstellen. Dieses Ergebnis ist umso bemerkenswerter, da die Senken/Quellenfunktionen im europäischen Maßstab nicht eindeutig festgelegt werden konnte. Dieser Landnutzungstyp, der in Oberfranken ein beachtliches Areal einnimmt, kann nun positiv in der Kohlenstoffbilanz des Freistaates Bayern zugute geschrieben werden, zumal das Untersuchungsjahr keine besonderen Auffälligkeiten bezüglich der Witterung zeigte. Bei Dürre wird mehr Kohlenstoff im Boden und teilweise in den Wurzeln eingelagert. Demgegenüber ist die Sprossatmung reduziert. Selbst wenn dies nur eine zeitliche Verschiebung der der Bodenatmung bedeutet, so führt Dürre nach den bisherigen Studien nicht zu einer verstärkten Freisetzung von Kohlendioxid. 3.2. EGER-Projekt Die Kombination aus luftchemischen und mikrometeorologischen Messungen hat sich als außerordentlich vielversprechend erwiesen. Es konnte gezeigt werden, dass die Atmosphäre oberhalb des Waldes nur in wenigen Stunden am Tag mit der Luft im Stammraum gekoppelt ist. In den anderen Stunden – sieht man von einzelnen stärkeren vertikalen Luftbewegungen ab – stellt der Stammraum ein abgeschlossenes Luftvolumen dar, in dem sich chemische Beimengungen z.T. stark anreichern können. Das entwickelte Schema zur Bestimmung der Kopplungszustände hat sich als wichtiges Mittel erwiesen, um luftchemische Messungen interpretieren zu können und Reaktionen von Transporten zu trennen. Die im Fichtelgebirge vorhandenen Ozonkonzentrationen sind so groß, dass das aus dem Boden emittiertes Stickstoffmonoxid bereits unmittelbar bodennah oxidiert wir. Die Ergebnisse wurden berücksichtigt bei einem Nachfolgeexperiment im Jahr 2011, wobei gegenwärtig die entsprechenden Auswertarbeiten laufen. 8 Volumes in the series ‚University of Bayreuth, Department of Micrometeorology, Arbeitsergebnisse’ Nr Author(s) Title Year 01 Foken Der Bayreuther Turbulenzknecht 01/1999 02 Foken Methode zur Bestimmung der trockenen Deposition von Bor 02/1999 03 Liu Error analysis of the modified Bowen ratio method 02/1999 04 Foken et al. Nachfrostgefährdung des ÖBG 03/1999 05 Hierteis Dokumentation des Experimentes Dlouhá Louka 03/1999 06 Mangold Dokumentation des Experimentes am Standort Weidenbrunnen, Juli/August 1998 07/1999 07 Heinz et al. Strukturanalyse der atmosphärischen Turbulenz mittels Wavelet-Verfahren zur Bestimmung von Austauschprozessen über dem antarktischen Schelfeis 07/1999 08 Foken Comparison of the sonic anemometer Young Model 81000 during VOITEX-99 10/1999 09 Foken et al. Lufthygienisch-bioklimatische Kennzeichnung des oberen Egertales, Zwischenbericht 1999 11/1999 10 Sodemann Stationsdatenbank zum BStMLU-Projekt Lufthygienisch-bioklimatische Kennzeichnung des oberen Egertales 03/2000 11 Neuner Dokumentation zur Erstellung der meteorologischen Eingabedaten für das Modell BEKLIMA 10/2000 12 Foken et al. Dokumentation des Experimentes VOITEX-99 10/2000 13 Bruckmeier et al. Documentation of the experiment EBEX-2000, July 20 to August 24, 2000 01/2001 14 Foken et al. Lufthygienisch-bioklimatische Kennzeichnung des oberen Egertales 02/2001 15 Göckede Die Verwendung des Footprint-Modells nach Schmid (1997) zur stabilitätsabhängigen Bestimmung der Rauhigkeitslänge 03/2001 16 Neuner Berechnung der Evaporation im ÖBG (Universität Bayreuth) mit dem SVAT-Modell BEKLIMA 05/2001 17 Sodemann Dokumentation der Software zur Bearbeitung der FINTUREX-Daten 08/2002 18 Göckede et al. Dokumentation des Experiments STINHO-1 08/2002 19 Göckede et al. Dokumentation des Experiments STINHO-2 12/2002 20 Göckede et al Characterisation of a complex measuring site for flux measurements 12/2002 21 Liebethal Strahlungsmessgerätevergleich während des Experiments STINHO-1 01/2003 9 22 Mauder et al. Dokumentation des Experiments EVA_GRIPS 03/2003 23 Mauder et al. Dokumentation des Experimentes LITFASS-2003, Dokumentation des Experimentes GRASATEM-2003 12/2003 24 Thomas et al. Documentation of the WALDATEM-2003 Experiment 05/2004 25 Göckede et al. Qualitätsbegutachtung komplexer mikrometeorologischer Messstationen im Rahmen des VERTIKO-Projekts 11/2004 26 Mauder & Foken Documentation and instruction manual of the eddy covariance software package TK2 12/2004 27 Herold et al. The OP-2 open path infrared gas analyser for CO2and H2O 01/2005 28 Ruppert ATEM software for atmospheric turbulent exchange measurements using eddy covariance and relaxed eddy accumulation systems and Bayreuth whole-air REA system setup 04/2005 29 Foken (Ed.) Klimatologische und mikrometeorologische Forschungen im Rahmen des Bayreuther Institutes für Terrestrische Ökosystemforschung (BITÖK), 1989-2004 06/2005 30 Siebicke & Serafimovich Ultraschallanemometer-Überprüfung im Windkanal der TU Dresden 2007 04/2007 31 Lüers & Bareiss The Arctic Turbulence Experiment 2006 PART 1: Technical documentation of the ARCTEX 2006 campaign, May, 2nd to May, 20th 2006 07/2007 32 Lüers & Bareiss The Arctic Turbulence Experiment 2006 PART 2: Visualization of near surface measurements during the ARCTEX 2006 campaign, May, 2nd to May, 20th 2006 07/2007 33 Bareiss & Lüers The Arctic Turbulence Experiment 2006 PART 3: Aerological measurements during the ARCTEX 2006 campaign, May, 2nd to May, 20th 2006 07/2007 34 Metzger & Foken et al. COPS experiment, Convective and orographically induced precipitation study, 01 June 2007 – 31 August 2007, Documentation 09/2007 35 Staudt & Foken Documentation of reference data for the experimental areas of the Bayreuth Centre for Ecology and Environmental Research (BayCEER) at the Waldstein site 11/2007 36 Serafimovich et al. ExchanGE processes in mountainous Regions (EGER) - Documentation of the Intensive Observation Period (IOP1), September, 6th to October, 7th 2007 01/2008 37 Serafimovich et al. ExchanGE processes in mountainous Regions (EGER) - Documentation of the Intensive Observation Period (IOP2), June, 1st to July, 15th 2008 10/2008 38 Siebicke Footprint synthesis for the FLUXNET site Waldstein/Weidenbrunnen (DE-Bay) during the EGER experiment. 12/2008 39 Lüers & Foken Jahresbericht 2008 zum Förderprojekt 01879 - Untersuchung der Veränderung der Konzentration von Luftbeimengungen und Treibhausgasen im hohen Fichtelgebirge 2007 – 2013 01/2009 40 Lüers & Foken (Eds.) Proceedings of the International Conference of "Atmospheric Transport and Chemistry in Forest Ecosystems" Castle of Thurnau, Germany, Oct 5 to Oct 8, 2009 10/2009 41 Biermann et al. Mesoscale circulations and energy and gas exchange over the Tibetan Plateau – Documentation of the micrometeorological experiment, Nam Tso, Tibet , 25 June 2009 – 08 August 2009 12/2009