Uncertainty in forest-atmosphere exchange of energy and carbon dioxide based on two vertically displaced eddy covariance set-ups

Abstract

This thesis is a study of the uncertainties related to the eddy covariance measurement technique on a forest ecosystem that is located in Hyytiälä, Southern Finland. The aim of this study is to analyze carbon dioxide and energy fluxes measured at two vertically displaced eddy covariance set-ups. In particular, to determine if the observed deviations between the set-ups could be linked with micrometeorological or biological variations or if they are resulted just by the stochastic nature of turbulence. The magnitude of uncertainties linked to eddy covariance technique are still under discussion and this thesis attempts to shed a light on these questions.

The analysis is done to half hourly mean flux and meteorological data that was measured at the Hyytiälä SMEAR II –site in 2015 at the heights of 23.3 m and 33.0 m. Monthly, diurnal and cumulative variations of the fluxes are analyzed. A footprint model is used to analyze the flux correlation with the underlying vegetation. The flux dependence on atmospheric stability is also determined.

The analysis shows that the annual cumulative difference of net ecosystem exchange (CO_2 exchange) between the two measurement heights is estimated to be 49 gC m^(-2) year^(-1) (17 % difference). The annual cumulative evapotranspiration difference is estimated to be 105 mm (29 % difference). There are no significant differences between the sensible heat fluxes.

The difference between the measurement heights does not seem to influence significantly the flux estimations made with the eddy covariance method. However, the measurement results for latent heat flux acquired from the 33.0 m set-up are continuously smaller than those of the 23.3 m set-up.

Tässä Pro gradu -tutkielmassa tutkitaan pyörrekovarianssimenetelmällä mitattujen suomalaisen mäntymetsän ja ilmakehän välisen hiilidioksidin, vesihöyryn sekä havaittavan lämmön voita, ja pyritään selvittämään mittauksiin liittyvien virhelähteiden suuruudet. Voihin liittyvien virheiden suuruutta analysoidaan vertailemalla saman mittaustornin kahdelta eri korkeudelta saatuja mittaustuloksia. Analyysissa pyritään identifioimaan mikäli tuloksissa havaittavat eroavaisuudet aiheutuvat mikrometeorologisista ja biologisista muuttujista vai turbulenttisten virtausten kaoottisuudesta johtuvista mittausvirheistä. Pyörrekovarianssimenetelmän virhelähteet ovat osana aktiivista tieteellistä keskustelua, jossa pyritään parantamaan meteorologisia mittausmenetelmiä.

Tutkimus tehtiin käyttämällä meteorologista aineistoa sekä vuoaineistoa, joka on kerätty Hyytiälän SMEAR II -metsäntutkimusasemalla vuonna 2015. Mittaukset tehtiin 23,3 m sekä 33,0 m korkeudella maanpinnasta. Vuoaineistoa tarkastellaan aina päivittäisestä vaihtelusta koko vuoden kestävään kumulatiiviseen analyysiin. Aineistolle tehdään myös sekä meteorologisiin muuttujiin että kasvillisuusjakaumaan perustuva tarkastelu.

Tutkimuksessa havaittiin mittauskorkeuksien välisen kumulatiivisten hiilidioksidivoiden eron suuruudeksi 49 gC m^(-2) vuodessa (17 % erotus). Kokonaishaihdunnan kumulatiivisen eron arvioidaan olevan 105 mm vuodessa (29 % erotus). Havaittavan lämmön voissa ei ilmennyt merkittävää eroa mittauskorkeuksien välillä.

Hiilidioksidivuossa tai havaittavan lämmön vuossa ei havaita merkittävää eroa, joka aiheutuisi käytettävistä mittauskorkeuksista. Kuitenkin latentin lämmön vuossa ero on havaittavissa, sillä 33,0 m mittaustulokset ovat jatkuvasti pienempiä kuin 23,3 m vastaavat tulokset.