Einfluss von Kleinkahlschlägen auf Mikroklima und Wasserhaushalt von Waldbeständen: Dreidimensionale Modellierung und Feldmessungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Effekte eines Kleinkahlschlags auf das Mikroklima und die Energie- und Wasserflüsse eines Fichtenforstes wurden mit Hilfe von meteorologischen Feldmessungen und einem 3D-SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer)-Modell beschrieben. Das Modell besteht aus mehreren Submodellen, die folgende Teilstrukturen bzw. Prozesse beschreiben: (1) die dreidimensionalen Strukturen des umgebenden Bestandes, besonders die dreidimensionale Struktur der Blattflächendichte (LAD), (2) den dreidimensionalen Transport der solaren Strahlung, (3) den dreidimensionalen turbulenten Austausch der fühlbaren Wärme, des Wasserdampfes und des CO2 innerhalb des Waldbestandes und in der bodennahen Prandtl-Schicht der Atmosphäre, (4) die Wasseraufnahme und Evapotranspiration sowie die Netto-Photosynthese und Atmung der Vegetation auf der Kahlfläche und am Boden des umgebenden Waldes, und (5) den dreidimensionalen Transport von Wärme und Wasser im Boden. Als räumliche Auflösung wurde horizontal 2 m x 2 m und vertikal 1 m gewählt, bei einem Zeitschritt von einer Stunde. Die Feldmessungen mit meteorologischen Stationen wurden verwendet, um die mikroklimatischen Bedingungen im Wald und in verschiedenen Bereichen der Freifläche sowie in einem 50m breiten Übergangsbereich von Wald und Freifläche zeitlich hoch aufgelöst zu beschreiben, und um damit das 3D-SVAT-Modell zu kalibrieren und zu validieren. Die Messungen zeigten, dass durch die durchschnittlich 11-fache Zunahme der solaren Einstrahlung am Boden der Kahlschlagfläche die Bodentemperatur (10cm) um bis zu 6°C zunahm, während sich die Lufttemperatur nur wenig (<1°C) erhöhte. Das räumliche Muster der Bodentemperaturen war sehr heterogen mit bis zu 6°C höheren Werten im nördlichen Bereich als in den südlichen Teilen der Freifläche. Diese Differenzierung war an sonnigen Tagen stärker als an wolkenreichen und im Frühjahr und Herbst größer als in den Sommermonaten. Im Frühjahr und Sommer blieben auch in der Nacht die Bodentemperaturen auf der Freifläche höher als im Wald. Temperaturprofilmessungen in zwei Höhen (2m und 20cm), an der Boden-/Vegetationsoberfläche sowie in drei Tiefen (0-10-20cm) im Mineralboden in einem 50m breiten Übergansbereich von Wald und Freifläche zeigten die stärksten lateralen Gradienten bei den Oberflächentemperaturen. Deren Tagesmaximum erreichte an sommerlichen Strahtungstagen am Waldrand Werte von mehr als 60°C und dies war doppelt so hoch wie die Lufttemperatur in 2m Höhe. Diese Differenz war deutlich geringer an wolkenreichen Tagen und über einer stark transpirierenden Oberfläche. Bei der Modellvalidierung zeigte der Vergleich der zeitlichen Dynamik der modellierten und gemessenen Werte für die Solarstrahlung am Boden und für die Bodentemperaturen eine relativ gute Übereinstimmung, wobei die größten Abweichungen im Grenzbereich von Freifläche und umgebendem Wald auftraten. Als Hauptgrund wurden hierfür zwei Ursachen entdeckt: Die räumliche und zeitliche Auflösung des Modells und der vereinfachte Modellansatz für die Beschreibung der turbulenten Strömung innerhalb und oberhalb der Baumkronen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2005) Influence of clear cutting on microclimate and water budget of forest ecosystem. Geophysical Research Abstracts, Volume 7, EGU General Assembly 2005, Vienna, Austria, EGU05-A-09692
Oltchev A., Radler K., Panferov O., Fellert D., Gravenhorst G.
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(2006) Radiation distribution on a clear-cut within a mature forest stand on a gentle slope. Geophysical Research Abstracts, Volume 8, EGU General Assembly 2005, Vienna, Austria, EGU06-A-08296
Panferov O., Oltchev A., Radler K., Fellert D., Gravenhorst G.
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(2006) Turbulent regime of the atmospheric surface layer at a small clear-cutting forest area: results of a modelling study. Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, EGU General Assembly 2006. Vienna, Austria, EGU06-A-02683
Oltchev A., Sogachev A , Radler K., Panferov O., Fellert D., Gravenhorst G.
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(2007) Influence of clearcut's size and orientation on distribution and spectral composition of solar radiation. In: A. Matzarakis and H. Meyer (Eds.) Proceedings zur 6th Workshop Biomet, Berichte des Meteorologischen Institutes der Universität Freiburg, Vol. 16, pp. 104-111
Panferov O., Olchev A., Radler K., Fellert D., Gravenhorst G.
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(2008) Effects of a small clear-cut on microclimatic conditions of a spruce forest ecosystem: results of experimental and modeling studies. Geophysical Research Abstracts, Vol. 10, EGU General Assembly 2008, Vienna, Austria, EGU2008-A-05284
Olchev, A., Radler, K., Panferov, O., Sogachev, A., Gravenhorst, G.
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(2009) Application of 3D model for describing effect of small clearcutting on solar radiation regime of a forest ecosystem. In: Mathematical modeling in ecology (Ed. A. Komarov). pp. 197-198, in Russian
Olchev A., Radler K.
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(2009) Effect of a small clear-cut on soil surface temperature patterns of a spruce forest ecosystem. Geophysical Research Abstracts, EGU General Assembly 2009, Vienna, Austria, Vol. 11, EGU2009- 5949
Radler K., Olchev A., Panferov O., Fellert D., Gravenhorst G.
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(2009). Application of a three-dimensional model for assessing effects of small clear-cuttings on radiation and soil temperature. Ecological Modelling
Olchev A., Radler K., Sogachev A., Panferov O., Gravenhorst G.
