Meteorologische Treiber des Stoff- und Energieaustauschs zwischen Binnengewässern und der Atmosphäre

• Antragsteller: Dr. Matthias Koschorreck; Dr. Uwe Spank
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ; Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445326344

Die genaue Quantifizierung des Stoff- und Energieaustausches zwischen Binnengewässern und der Atmosphäre ist von großer wissenschaftlicher und praktischer Bedeutung. Exakte, direkte Messungen sind möglich aber teuer und technisch aufwendig. Daher werden diffusive Gasflüsse, Energieflüsse und Verdunstungsraten meist mit Hilfe von Gradientenansätzen aus leicht messbaren limnologischen und atmosphärischen Variablen abgeschätzt. Die Genauigkeit derartig bestimmter Flüsse ist jedoch sehr stark abhängig von (i) der Parametrisierung des Transferkoeffizienten sowie (ii) der Repräsentativität der Eingangsdaten. Mit dem Ziel Stoff- und Energieflüsse von Binnengewässer genauer bestimmen zu können, sollen in diesem Projekt Austauschprozesse intensiv untersucht werden. Insbesondere wollen wir Methoden entwickeln, um (A) die Verlässlichkeit der Gradientenansätzen zu erhöhen und (B) die Beeinflussung durch die zeitliche und räumliche Variabilität der Steuergrößen zu quantifizieren.Im Rahmen von zwei Langzeitexperimenten und vier zusätzlichen Intensivmesskampagnen auf der Talsperre Bautzen (Deutschland) wird der Stoff- und Energieaustausch unter unterschiedlichen meteorologischen und limnologischen Bedingungen gemessen. Ein schwimmendes Messlabor dient zum Monitoring von Flüssen sowie atmosphärischen und limnologischen Variablen, die von umgebenden Landflächen unbeeinflusst sind. Ein Eddy-Kovarianz-Messsystem sowie weitere meteorlogische, hydrochemische und hydrophysikalische Sensoren stellen dabei kontinuierliche Messdaten in hoher zeitlicher Auflösung bereit. Die räumliche Variabilität der limnologischen und atmosphärischen Bedingungen wird mit drei zusätzlichen Satellitenplattformen entlang der Hauptwindrichtung detektiert. Laboruntersuchungen und ergänzende hydrochemische Feldmessungen vervollständigen unser Messprogramm im Hinblick auf die Effekte von Oberflächenfilmen und Mikroschichtungen an der Wasseroberfläche.Die Kombination von experimentellen, statistischen und modellbasierten Analysen sowie die Verknüpfung von mikrometeorologischen und limnologischen Untersuchungsverfahren bilden die methodischen Grundlagen unseres Projekts und helfen den Stoff- und Energieaustausch von Binnengewässern besser zu verstehen. Insbesondere können die Prozesse eruiert werden, die auf unterschiedlichen Zeit- und Raumskalen wirksam sind. Letztendlich wollen wir (a) verbesserte Ansätze zur Parametrisierung des atmosphärischen Transferkoeffizienten bereitstellen, (b) limnologische Erscheinungen wie Mikroschichtung und Oberflächenfilme quantitativ evaluieren und (c) die Einflüsse der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Steuergrößen numerisch beschreiben. Vervollständigend werden (d) Untersuchungen der atmosphärischen Turbulenzstrukturen durchgeführt und Modelle zur Beschreibung der Spektren und Kospektren atmosphärischer Variablen entwickelt, um die Dämpfungskorrektur und damit die Genauigkeit von Eddy-Kovarianz-Messungen über Wasserflächen zu erhöhen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation, Spanien, USA
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Christian Bernhofer; Dr. Karsten Rinke
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Jake Beaulieu, Ph.D.; Dr. Rafael Marcé; Professorin Dr. Irina Repina, bis 3/2022; Dr. Victor Stepanenko, bis 3/2022