FAQ
© 2015 Staats- und Universitätsbibliothek
Hamburg, Carl von Ossietzky

Öffnungszeiten heute09.00 bis 24.00 Uhr alle Öffnungszeiten

Eingang zum Volltext in OPUS

Hinweis zum Urheberrecht

Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-54928
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5492/


Assessing Near Surface Variability with a Wireless Sensor Network on the Small Scale

Erfassung kleinskaliger bodennaher Variabilität mit einem drahtlosen Sensornetzwerk

Lengfeld, Katharina

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (9.761 KB) 


SWD-Schlagwörter: Meteorologische Messung , Bodennahe Luftschicht , Messtechnik
Freie Schlagwörter (Deutsch): kleinskalige Variabilität , Modellevaluierung , Austauschprozesse Boden-Atmosphäre , drahtloses Sensornetzwerk
Basisklassifikation: 38.81
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Ament, Felix (Jun-Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.01.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 20.01.2012
Kurzfassung auf Englisch: In this study, atmospheric conditions near the surface, e.g. air temperature, specific humidity, surface temperature and wind speed, are investigated using a low cost wireless sensor network. A sensor intercomparison demonstrates that the measurements of the network, although not highly accurate, are consistent. Thus, it is an appropriate tool to study the small-scale spatial and temporal variabilities in the near surface atmosphere.

The influence of the heterogeneous surface on the atmospheric conditions is examined by deploying the network in a heterogeneous and a homogeneous area. The first campaign took place in western Germany as part of the project FLUXPAT2009 in August 2009. The deployment consisted of 13 stations set up as a 2.3 km double transect covering various surface types, including a small river. The latter campaign took place at Hamburg Airport in April and May 2010. Twelve stations were deployed over homogeneous grassland along both runways.

At the airport, the stations in the northern, more rural, environment are colder than the stations in the southern urban region, leading to a mean difference in air temperature of 0.5 K across a distance of 2.7 km. At the FLUXPAT site, the river is the predominant source of influence on air temperature. Stations close to the river are colder than stations far away from the river. The inter-station variation is distinctly higher with a difference of 0.8 K across a distance of only 0.8 km. The variability in air temperature is mainly influenced by the wind speed for both sites. For specific humidity, the mean difference between the driest and the wettest station at the heterogeneous site is five times the mean difference at the homogeneous site. The driving factors are wind speed and the distance to open waters (the river at the FLUXPAT site and a water reservoir at the airport). The two sites are particularly distinguishable through surface temperature. Different vegetation types at the heterogeneous site cause a mean difference of more than 3 K across a distance of 1.9 km. At the homogeneous grassland site, the mean difference is three times smaller and is primarily influenced by wind speed. Wind speed at a height of 2 m is unaffected by land-use heterogeneities, but is influenced by nearby obstacles.

Setting up a network of stations in a relatively small area is not always feasible. Cluster analysis identifies stations that are more or less redundant in both set-ups. For air temperature, the stations at the FLUXPAT site are clustered according to their distance to river; at the airport, according to their position (in the north, at the centre or in the south of the airport). The clustering of surface temperature is similar to air temperature at the airport. At the heterogeneous site, however, it depends on the land-use type. An estimation of the error made by considering the effect of a reduced quantity of stations is given. For example, using only one station for observing air temperature results in an error of 0.9 K at the heterogeneous site and 0.7 K at the homogeneous site.

The observations carried out during the FLUXPAT campaign are compared to air temperature and specific humidity simulations of the mesoscale atmospheric model FOOT3DK. This comparison indicates that the FOOT3DK model simulates either air temperature or specific humidity satisfactorily at the lowest model level depending on the dominating land use classes at each grid cell. The influence of heterogeneous forcing and vegetation on heat flux modeling is studied using the soil-vegetation-atmosphere transfer scheme TERRA. The measurements of the FLUXPAT campaign are used as input for four different runs with homogeneous and heterogeneous forcing and vegetation. Heterogeneous vegetation reduces the bias between the stations, heterogeneous forcing reduces the variability for each station.
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Arbeit werden bodennahe atmosphärische Größen, z.B. Lufttemperatur, spezifische Feuchte, Oberflächentemperatur und Windgeschwindigkeit, mit Hilfe eines kostengünstigen, drahtlosen Sensornetzwerks untersucht. Ein Vergleich der verwendeten Sensoren zeigt, dass die Messungen des Netzwerks zwar nicht exakt, aber konsistent sind. Folglich ist das hier verwendete Netzwerk ein probates Mittel um kleinskalige räumliche und zeitliche Variabilitäten in der bodennahen Atmosphäre zu beobachten.

Der Einfluss von heterogenen Landoberflächen auf die atmosphärischen Größen wird untersucht, indem das Netzwerk in einem heterogenen und einem homogenen Gebiet aufgebaut wird. Die erste Messkampagne fand im Westen Deutschlands als Teil des FLUXPAT2009 Projekts im August 2009 statt. Das Netzwerk bestand aus 13 Stationen, die als 2.3 km langer Doppeltransekt angeordnet wurden. Dieser Transekt umfasste verschiedene Landoberflächen und einen kleinen Fluss. Die zweite Kampagne fand am Flughafen Hamburg im April und Mai 2010 statt. Zwölf Stationen wurden auf homogenen Wiesenflächen entlang der beiden Startbahnen aufgebaut.

Die Stationen im Norden des Flughafens befinden sich in eher ländlicher Umgebung und sind kälter als die Stationen im südlichen städtischen Bereich. Das führt zu einer mittleren Temperaturdifferenz von 0.5 K auf einer Distanz von 2.2 km. Im FLUXPAT Gebiet wird die Lufttemperatur hauptsächlich von dem Fluss beeinflusst. Stationen in Flussnähe sind kälter als weit entfernte Stationen. Die Variation in der Lufttemperatur ist deutlich größer mit einer mittleren Differenz von 0.8 K auf einer Distanz von nur 0.8 km. Die Variabilität ist bei beiden Messkampagnen stark von der Windgeschwindigkeit beeinflusst. Für spezifische Feuchte ist die mittlere Differenz zwischen der trockensten und der feuchtesten Station im heterogenen Gebiet fünfmal so groß wie im homogenen Gebiet. Die entscheidenden Einflussfaktoren sind die Windgeschwindigkeit und die Gewässer (der Fluss im FLUXPAT Gebiet und ein Löschwasserbecken am Flughafen). Der Unterschied zwischen beiden Messgebieten ist jedoch für die Oberflächentemperatur am deutlichsten. Unterschiedliche Vegetation im heterogenen Gebiet führt zu einer mittleren Differenz von über 3 K auf einer Distanz von 1.9 km. Auf dem homogenen Wiesenland am Flughafen ist die mittlere Differenz nur ein Drittel davon und wird hauptsächlich von der Windgeschwindigkeit beeinflusst. Die Windgeschwindigkeit wird von der Heterogenität in der Landnutzung nicht beeinflusst, aber durch nahe gelegene Hindernisse.

Ein Netzwerk von Stationen in einem relativ kleinen Gebiet aufzubauen ist oft nicht möglich. Daher werden mit Hilfe von Clusteranalyse in beiden Messaufbauten Stationen bestimmt, die mehr oder weniger überflüssig sind. Für die Lufttemperatur werden die Stationen im FLUXPAT Gebiet gemäß ihres Abstands zum Fluss in Gruppen eingeteilt, am Flughafen gemäß ihrer geographischen Lage (im Norden, im Zentrum oder im Süden des Flughafens). Die Gruppeneinteilung für Oberflächentemperatur ist am Flughafen ähnlich der für Lufttemperatur. In dem heterogenen Gebiet basiert sie jedoch auf der unterschiedlichen Vegetation. Außerdem wird eine Schätzung des Fehlers vorgenommen, der entsteht, wenn die Anzahl der Stationen verringert wird. Wird für Lufttemperatur nur eine Station genutzt, beträgt der Fehler 0.9 K im heterogenen und 0.7 K im homogenen Gebiet.

Die Messungen der FLUXPAT Kampagne werden mit Simulationen der Lufttemperatur und spezifischen Feuchte des mesoskaligen Atmosphärenmodells FOOT3DK verglichen. Dieser Vergleich deutet darauf hin, dass das Modell im untersten Level nur entweder die Lufttemperatur oder die Feuchte zufriedenstellend simulieren kann, abhängig von der dominierenden Landnutzungsklasse in der Gitterzelle. Der Einfluss von heterogenem Antrieb und Vegetation auf die Modellierung der Wärmeflüsse wird mit Hilfe des Boden-Vegetation-Atmosphären Transferschemas TERRA untersucht. Die Messungen der FLUXPAT Kampagne werden als Antrieb für vier verschiedene Modelläufe mit heterogenem und homogenem Antrieb und Vegetation verwendet. Heterogene Vegetation verringert die Abweichungen der Mittelwerte zwischen den Stationen, heterogener Antrieb verringert die Variabilität an jeder Station.

Zugriffsstatistik

keine Statistikdaten vorhanden
Legende