LAFE und LAFO: Neue experimentelle und observationelle Untersuchungen von Land-Atmosphäre-Austauschprozessen

Der Austausch von Energie, Feuchte und Impuls zwischen der Atmosphäre und der Landoberfläche sowie die damit verbundenen Rückkopplungsprozesse sind maßgeblich für die Entwicklung der planetarischen Grenzschicht. Eine ungenaue Darstellung und Parametrisierung dieser Prozesse stellen eine Schwäche der heutigen Wetter- und Klimamodelle dar. Verbesserungen in diesen Bereichen werden einen signifikanten Beitrag zu besseren Simulationen der Wolkenbildung auf allen zeitlichen und räumlichen Skalen leisten. Dazu ist es notwendig, das System Land-Atmosphäre simultan in allen Kompartimenten zu vermessen. Dazu haben sowohl das LAFE- als auch das neue LAFO-Design mit deren Messgerätesynergien schon wichtige Beiträge geliefert. Mit Vergleichen zwischen Modellparametrisierungen und Beobachtungen können z.B. die Anwendbarkeit der Monin-Obukhov Ähnlichkeitstheorie (MOST) bei natürlicher heterogener Landoberfläche überprüft oder neue Parametrisierungen entwickelt werden.

Das LAFE (Land-Atmosphere Feedback Experiment, Wulfmeyer et al. 2018) wurde im August 2017 als Messkampagne am Standort des Atmospheric Radiation Measurements (ARM) Program Southern Great Plains in Oklahoma, USA, umgesetzt. Für Grenzschichtbeobachtungen kamen scannende Dopplerlidar-Systeme für Windmessungen, Rotations-Ramanlidar für Temperatur- und Feuchtemessungen und Differentielles Absorptionslidar zur Wasserdampfmessung in der Grenzschicht zum Einsatz. An der Landoberfläche wurden meteorologische und pflanzendynamische Variablen, Energiebilanz, sowie Bodenfeuchte und -temperatur an Eddy-Kovarianz-Stationen erfasst. Diese Messungen verfolgen wir auch am Land-Atmosphäre Feedback Observatorium (LAFO, lafo.uni-hohenheim.de) an der Universität Hohenheim in Stuttgart (Deutschland) um neben Feldexperimenten auch lange Zeitreihen zu erfassen. Hier werden Lidarmessungen operationell betrieben und ergänzt durch Messungen eines Doppler-Wolkenradars. An der Landoberfläche messen Eddy-Kovarianz-Stationen und ein Netzwerk von Bodenfeuchte- und -temperatursensoren, sowie wird der Vegetationsstatus im Untersuchungsgebiet erfasst. Diese Sensorsynergie im LAFO ist Prototyp für GLAFOs (Gewex LAFOs, Wulfmeyer et al. 2020) zur Etablierung dieser Messungen in verschiedenen Klimaregionen der Erde.

In diesem Beitrag stellen wir das Messkonzept vor und wie Beobachtungen für die Untersuchung und Verbesserung von Grenzschicht- und Turbulenz-Parametrisierungen eingesetzt werden können. Dies zeigen wir mit Messergebnissen von LAFE und LAFO mit Abschätzungen der Flüsse, die durch Kombination der Feuchte-, Temperatur- und Windprofile in Bodennähe bestimmt werden und die Ableitung entsprechenden Ähnlichkeitsbeziehung sowohl für Entrainment-Flüsse als auch für MOST ermöglichen.