Strahlungsmessungen Über einem ackerboden, einem maisfeld und einem weingarten

Agricultural Meteorology, 23 ( 1981 ) 317--330

317

Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam -- Printed in The Netherlands

STRAHLUNGSMESSUNGEN (JBER EINEM ACKERBODEN, EINEM MAISFELD UND EINEM WEINGARTEN HELMUT MAYER

Lehrstuhl filr Bioklimatologie und Angewandte Meteorologie der Universit~t Miinchen, M~nchen (Bundesrepublik Deutschland) (Eingegangen Juni 14, 1980; akzeptiert Juli 16, 1980)

ABSTRACT Mayer, H., 1981. Radiation measurements over bare soil, a maize crop and a vineyard. Agric. Meteorol., 23: 317--330. During the MESOKLIP experiment continuous measurements of global radiation, S + D, reflected short-wave radiation, r, and net all-wave radiation, Rn, were made over bare soil, over maize, and in a vineyard. Knowing S + D, r, and Rn, all the terms of the radiation budget can be then calculated for each of these different surfaces. For a sunny day the results show the diurnal variations of the radiation flux densities over bare soil, maize and vines, and in addition for the whole period of investigation the representative values of the surface albedo for bare soil (17%), maize (20%), and a vineyard (20%). Regressions between Rn and S + D, Rn and the net short-wave radiation, Rs, for the three surfaces reveal no advantage in using Rs, as often mentioned in the literature, instead of S + D. Regressions between the net long-wave radiation, R1, and R s give information about the long-wave radiation exchange at the surface of bare soil, maize, and a vineyard.

ZUSAMMENFASSUNG Mayer, H., 1981. Strahlungsmessungen fiber einem Ackerboden, einem Maisfeld und einem Weingarten. Agric. Meteorol., 23: 317--330. W~ihrend des MESOKLIP-Experimentes wurden auch kontinuierliche Messungen yon Globalstrahlung S + D, kurzwelliger Reflexstrahlung r und Gesamtstrahlungsbilanz Rn fiber einem Ackerboden, einem Maisfeld und einem Weingarten durchgefiihrt. Daraus l~i~t sich ffir jede dieser Oberfl~chenarten der Strahlungshaushalt berechnen. Die Ergebnisse zeigen ffir einen Strahlungstag die Tagesg/inge aller Strahlungshaushaltsterme fiber den drei Oberfl~chen und beinhalten representative Werte der Oberflilchenalbedo ffir den gesamten Untersuchungszeitraum (Ackerboden: 17%, Maisfeld: 20%, Weingarten: 20%). Weiterhin werden auch fiir alle drei Oberfl~ichenarten Regressionen zwischen R n und S + D bzw. Rn und der kurzwelligen Strahlungsbilanz R s aufgestellt; dabei zeigt sich, dat~ kein Vorteil entsteht, wenn, wie oft in der Literatur erw~ihnt wird, R s anstelle yon S ~- D verwendet wird. Uber Regressionen zwischen der langwelligen Strahlungsbilanz R l u n d R s ergeben sich Hinweise auf den langwelligen Strahlungsaustausch an den Oberfl~chen des Ackerbodens, des Maisfelds und des Weingartens.

0002-1571/81/0000--0000/$02.50 © 1981 Elsevier Scientific Publishing Company

318 EINLEITUNG

Im Rahmen des MESOKLIP-Experimentes (Mesoskaliges Klima-Programm im Oberrheingraben) wurden im Herbst 1979 vom Lehrstuhl f'tir Bioklimatologie und Angewandte Meteorologie der Universit~it Mfinchen Strahlungsmessungen fiber einem Ackerboden, einem Maisfeld und einem Weingarten durchgefiihrt. Damit ist es mSglich, die schon bestehenden Kenntnisse fiber den Strahlungsaustausch an den Oberfl~ichen von AckerbSden und Maisfeldern (u.a. Impens und Lemeur, 1969) zu erg~inzen und erste Absch~itzungen ffir Weing/irten bereitzustellen. METHODIK

Die Strahlungsmessungen fanden von 17.9.1979--29.9.1979 im rechts des Rheins gelegenen Kraichgau nahe der Ortschaft Eschelbach (49°14'25"N, 8°47'08"E, 226 m fiber NN) statt. Im einzelnen wurden jeweils fiber einem Ackerboden, einem Maisfeld und einem Weingarten kontinuierlich die Globalstrahlung S + D, die kurzweUige Reflexstrahlung r und die Gesamtstrahlungsbilanz Rn gemessen. An allen drei Megstellen fanden die gleichen MelSsysteme Verwendung. Sie bestanden aus einem "Strahlungsgalgen", einem vertikalen Teleskopmast (Durchmesser: 4 cm) und einem, an dessen Spitze horizontal angeschraubten Leichtmetallrohr (Durchmesser: 3 cm). Je MelSsystem waren zwei Sternpyranometer der Firma Schenk (fiir S + D und r) zu einem Albedometer zusammengebaut und in ca. 2 m Entfernung vom Teleskopmast an das Leichtmetallrohr montiert worden. Daran anschlie/$end war in ca. 1 m Entfernung vom Albedometer ein Strahlungsbilanzmesser der Firma Schenk (fiir Rn ) befestigt. Die jweils horizontal justierten Megfiihler (Fehler: ca. +1 °) befanden sich immer 2 m fiber den verschiedenen Oberfl~ichen bzw. den BestandshShen. Die Registrierung der Me~signale (Gleichspannungen) erfolgte an jeder MelSstelle auf 3-Farben-Punktdruckem mit Batteriegangwerk. Dadurch waren die Messungen zwar unabh~ingig vom elektrischen StromanschlulS, abet es bestand der Nachteil, dais die mit einem Kurvendigitalisierer durchgeffihrte Auswertung besonders an bewSlkten Tagen ungenauer als an sonnigen oder bedeckten Tagen war. Die Meggerh'te waxen vor der experimentellen Untersuchung genau geeicht worden (im Meteorologischen Observatorium Hamburg des Deutschen Wetterdienstes) und w~ihrend der Messungen wurden sie und die Registrierger~te t~glich mehrmals gewartet, so dais yon den Messungen her ein groge Genauigkeit erzielt worden ist. Beriicksichtigt man jedoch die Auswertung mit dem Kurvendigitalisierer, der aktueUe Werte im zeitlichen Abstand yon 6 Minuten lieferte, so mul5 bei den Einzelwerten ein absoluter Fehler von ca. 2 W m -2 an sonnigen Tagen bzw. ca. 6 W m -2 an den fibrigen Tagen veranschlagt werden. Alle drei MelSfl~ichen befanden sich auf einer AnhShe, die in derem Bereich relativ eben wax; so wies sie beim Ackerboden lediglich eine Neigung

319

yon ca. 2 ° nach NE und beim Maisfeld yon ca. 2 ° nach NW auf. Die BestandshShe betrug beim Maisfeld und beim Weingarten ca. 2 m; bei beiden Vegetationen stand die Ernte bzw. die Lese kurz bevor. Das Maisfeld bildete eine relativ dicht geschlossene Bestandsoberfl~iche aus, w~ihrend beim Weingarten, in dem die Sorte "Miiller--Thurgau" angebaut worden war, die Zeilen in NE/SW-Richtung verliefen, und die Zeilenweite bei ca. 1,8 m lag. Alle drei Strahlungsgalgen standen in den Eckpunkten eines etwa gleichseitigen Dreiecks, dessen Seitenlfinge ca. 1 0 0 m betrug. Ober jeder verschiedenen Oberflfichenart waren die Me~stellen so errichtet worden, da~ unter Beriicksichtigung der Offnungswinkel der Me~ger~ite die einzelnen Me/~ergebnisse repr~isentativ flit die jeweilige Oberfl~ichenart sind. Bei allen Me~stellen war nahezu keine HorizontiiberhShung festzustellen. Von den Termen der Strahlungshaushaltsgleichung R n

=

S + D + r + E + C + R

(1)

wurden also die Gesamtstrahlungsbilanz Rn, die Globalstrahlung S + D (S: direkte Sonnenstrahlung, D: diffuse Himmelsstrahlung) und die kurzwellige Reflexstrahlung r direkt gemessen. Daraus konnten die kurwellige Strahlungsbilanz R~ R~ = S + D + r

(2)

und die langweUige Strahlungsbilanz R~ = E + C + R

(3)

(E: langwellige Ausstrahlung der Oberfl~ichen, C: a t m o s p h ~ i s c h e Gegenstrahlung, R: langwellige Reflexstrahlung) als Differenzterm aus R~ = R . - - R ~

(4)

berechnet werden. Fiir alle StrahlungsstrSme gilt dabei die bekannte Vereinbarung, nach der sie positiv sind, wenn sie den Energietransport zu den Oberfl~ichen hin beinhalten, und andernfalls negativ gez~ihlt werden. Die flit den Strahlungsumsatz an verschiedenen Oberfl~ichen so bedeutende GrS~e "Oberfl~ichenalbedo a " wurde in Prozent aus r

a = s +----D"100%

(5)

ermittelt. Dabei konnte jedoch wegen fehlender Me~ger~iteeigenschaften nicht n~iher auf die spektral selektiven Unterschiede yon a eingegangen werden, was bei Vegetationen eigentlich besonders bedeutungsvoll w ~ e (Sauberer und H~irtel, 1959), sondern es mu~te der gesamte kurzwellige Bereich yon 300--3000 nm integral betrachtet werden.

320 ERGEBNISSE

Tagesgiz'nge der StrahlungsstrSme Fiir einen sonnigen Tag, den 17.9.1979, sind in den Abb. 1 bis 3 die aus Halbstundenmittelwerten gebildeten Tagesgiinge der verschiedenen Terme der Strahlungshaushaltsgleichung, exakt der Strahlungsstromdichten, fiir den Ackerboden, das Maisfeld und den Weingarten dargestellt. Der 17.9.1979 war zwar nach eigenen Beobachtungen kein reiner Strahlungstag, weil teilweise 1/8--2/8 hohe BewSlkung vorhanden war; im gesamten Untersuchungszeitraum konnte jedoch kein wolkenloser Strahlungstag festgestellt werden, so da~ auf den 17.9.1979 zuriickgegriffen werden mu6te. Die Ergebnisse zeigen bei allen drei Oberfl~ichenarten die bekannte Form der Tagesg~inge. Am Verlauf yon S + D ist die Wirkung der hohen BewSlkung zu erkennen; dadurch ergeben sich bei diesem Strahlungsstrom geringe Abweichungen yon der f[ir einen reinen Strahlungstag giiltigen Glockenform. Auch die tageszeitlichen Differenzen von S + D zwischen den drei doch relativ nahe beieinander liegenden Stationen diirften darauf zuriickzufiihren sein. Sie /iu6ern sich dann in unterschiedlichen Tagessummen von S + D fiir den Ackerboden und den Weingarten einerseits und das Maisfeld andererseits (Tabelle I), wobei hier auch die Auswerteungenauigkeiten miteinzukalkulieren sind. Auffallend ist beim Maisfeld (Abb. 2), da6 dort der Tagesgang yon Rn nicht symmetrisch zur Mittagszeit verl~iuft, was im wesentlichen v o n d e r

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129 1979 Bare Soil /i

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18 20 22 24

A b b . 1. Tagesgange der G l o b a l s t r a h l u n g S + D, der k u r z w e l l i g e n R e f l e x s t r a h l u n g r, der kurzwelligen S t r a h l u n g s b i l a n z Rs, der langwelligen S t r a h l u n g s b i l a n z Rl, der G e s a m t s t r a h lungsbilanz R n u n d der O b e r f l / i c h e n a l b e d o a a m 1 7 . 9 . 1 9 7 9 ( s o n n i g e r Tag) ~iber e i n e m Ackerboden. Diurnal v a r i a t i o n s o f global r a d i a t i o n S + D, r e f l e c t e d short-wave r a d i a t i o n r, n e t s h o r t wave r a d i a t i o n Rs, n e t long-wave r a d i a t i o n RI, n e t all-wave r a d i a t i o n R n , a n d surface alb e d o a for S e p t e m b e r 17, 1 9 7 9 ( s u n n y d a y ) over bare soil.

321 70C

17.91979 Maize

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Abb. 2. Tagesg~nge der Globalstrahlung S + D, der kurzwelligen Reflexstrahlung r, der kurzwelligen Strahlungsbilanz Rs, der langwelligen Strahlungsbilanz Ri, der Gesamtstrahlungsbilanz R n und der Oberfl~ichenalbedo a am 17.9.1979 (sonniger Tag) iiber einem Maisfeld. Diurnal variations of global radiation S + D, reflected short-wave radiation r, net shortwave radiation Rs, net long-wave radiation R1, net all-wave radiation Rn, and surface albedo a for September 17, 1979 (sunny day) over maize. 17 9 1 9 7 9

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Abb. 3. Tagesgange der Olobalstrahlung S + D, der kurzwelligen Reflexstrahlung r, der kurzwelligen Strah|ungsbilanz Rs, der langwelligen Strahlungsbilanz RI, der Gesamtstrahlungsbilanz R n und der Oberfl&chenalhedo a a m 17.9.1979 (sonniger Tag) uher einem Weingarten. Diurnal variations of global radiation S + D, reflected short-wave radiation r, net shortwave radiation Rs, net long-wave radiation R1, net all-wave radiation Rn, and surface albedo a for September 17, 1979 (sunny day) over a vineyard.

ungleichm~igen ErwRrmung der inhomogenen Maisoberfl~iche herriihren diirfte. Beim Weingarten (Abb. 3) machen sich diese Einfliisse der Bestandsgeometrie auf Rn nicht so sehr bemerkbar. Bei Rl ergeben sich ftir den Weingarten, im Gegensatz zu den beiden anderen Oberflfichenarten, am Vormittag positive Werte, was bedeutet, da~ in diesem Zeitraum die atmosphRrische Gegenstrahlung C betragsm~ilSig iiber

322 TABELLEI T a g e s s u m m e n der G l o b a l s t r a h l u n g , S + D; der kurzwelligen R e f l e x s t r a h l u n g , r; der kurzwelligen S t r a h l u n g s b i l a n z , Rs; der langwelligen S t r a h l u n g s b i l a n z , Rl; u n d der G e s a m t s t r a h lungsbilanz, Rn, a m 1 7 . 9 . 1 9 7 9 (J c m -2 ) Daily totals of global r a d i a t i o n , S + D; reflected s h o r t - w a v e radiation, r; n e t s h o r t - w a v e r a d i a t i o n , R • n e t long-wave r a d i a t i o n , R1; a n d n e t all-wave r a d i a t i o n , R n, for S e p t e m b e r

17, 1979 (J cm-~)

S + D r Rs R1 Rn

Ackerboden

Maisfeld

Weingarten

1833,4 - 303,8 1529,6 .... 518,7 1010,9

1749,3 --346,1 1403,2 .... 583,7 819,5

1834,3 --363,6 1470,7 -380,6 1090,1

der Summe von E und R liegt. Dieser Effekt diirfte primiir eine Wirkung des Bestandsaufbaus -- besonders der Zeilenrichtung und der Zeilenweite -- sein, weft durch die Ausbildung yon Schattenzonen E m i t zunehmendem S + D nicht in dem Ma~ wie C anw~ichst. Die Tagesschwankungen yon R1 sind, wie auch aus der Literatur (u.a. Dirmhirn, 1964) bekannt ist, bei allen drei Mel~stellen immer kleiner als die yon S + D oder Rs. So betragen sie beim Ackerboden ca. 16% (yon S + D) bzw. ca. 18% (von Rs), beim Maisfeld ca. 26% bzw. ca. 31% und beim Weingarten ca. 13% bzw. ca. 16%. Aus den Tagessummen der einzelnen StmhlungsstrSme (Tabelle I) ist zu entnehmen, dal~ den Oberfl~ichen, fiber den Tag integriert, durch R~ zwar Strahlungsenergie entzogen wird, insgesamt gewinnen sie jedoch Energie, was dutch Rn ausgedriickt wird und eine Folge der Betr~ige yon R~ ist; diese Energie steht dann zur Umsetzung in andere Energieformen, wie z.B. latente oder fiihlbare W~irme, zur Verfiigung. Bei den Untersuchungen yon Impens und Lemeur (1969} fiber den Strahlungshaushalt verschiedener Ackerfrfichte ergab sich, daJ~ bei all diesen Vegetationsformen das Verh~iltnis der Tagessummen (gemessen von 7.00--19.00 Uhr) yon R n / S + D in etwa immer gleich gro~ war (ca. 58%), was bedeutet, da/~ bei gleichem S + D die Gesamtstrahlungsbilanz fiber verschiedenen Feldfrfichten immer den gleichen Weft annimmt. Die hier vorgenommene Nachprfifung dieses Ergebnisses (TabeUe II) zeigte beim Maisfeld, das eine ~ihnliche Bestandsstruktur wie die Feldfriichte bei Impens und Lemeur (1969) aufwies, fast keine Abweichung, w~iba:end beim Ackerboden und Weingarten mehr Strahlungsenergie Rn, prozentual gemessen an S + D, vorhanden, und somit der Energiegewinn grSi~er war. Aus der Tabelle II folgt auch, da~ bei allen drei Me~stellen R n / S + D kleiner wird, wenn sich die Strahlungssummen fiber den ganzen Tag erstrecken, weft sich dann die nachts negativen Werte yon Rn auswirken. Die Tabelle II gibt Aufschlul~ dariiber, welche GrSi~enordnung der

323 TABELLE II Verh~iltnisse yon verschiedenen StrahlungsstrSmen (%) am 17.9.1979; S + D: Globalstrahlung; Rs: kurzwellige Strahlungsbilanz; Rl: langwellige Strahlungsbilanz; Rn: Gesamtstrahlungsbilanz Ratios of different radiation fluxes (%) for September 17, 1979. S + D: Global radiation; Rs: net short-wave radiation; Rl: net long-wave radiation; Rn: net all-wave radiation Ackerboden

Maisfeld

Weingarten

68,6 83,4 14,7

57,1 80,2 23,1

73,3 80,2 6,9

55,1 28,3 33,9 66,1 51,3

46,8 33,4 41,6 58,4 71,2

59,4 20,7 25,9 74,1 34,9

6.00--19.00 Uhr Rn/S + D Rs/S + D RI/S + D

0.00--24.00 Uhr Rn/S + D RI/S + D RI/R s Rn/R s RI/R n

Strahlungsaustausch an den verschiedenen Oberfl~ichenarten annimmt. So ist beim Maisfeld das VerhRltnis R1/Rs grSlSer als beim Ackerboden und beim Weingarten am kleinsten, was zur Folge hat, daft die zur Umsetzung in andere Energiearten zur Verfiigung stehende Energie Rn, prozentual gemessen an der absorbierten Energie Rs, beim Maisfeld am kleinsten u n d beim Weingarten am grS~ten ist.

Oberfliichenalbedo Die Tagesg~inge der Oberfl~ichenalbedo a weisen a m sonnigen Tag bei allen drei MelSstellen (Abb. I--3) die gleiche F o r m auf. So nehmen sie morgens und abends hohe Werte an, was nach Dirmhirn (1964) u.a. damit zusammenh~ingt, daJ~ r haupts~chlich diffus,S + D aber an Strahlungstagen weitgehend gerichtet ist,und da~ dann bei niedrigem Sonnenstand die Me~ge~te nicht mehr exakt das Cosinus-Gesetz erfiillen. Zur Ermittlung des Wertes yon a, der allgemein giiltigfiir die jeweilige Oberfl~ichenart ist, wird a l~ufig aus den Tagessummen yon r und S + D berechnet, weil dadurch der Einflu~ der hohen Werte von a am Morgen und am Abend, die sicherlich nicht als repr~isentativ anzusehen sind (Fritschen, 1967), gering wird. Der in der Tabelle III enthaltene Vergleich der nach verschiedenen Methoden berechneten a-Werte fdr die drei Oberfl~ichenarten zeigt, da~ die Werte ffir a kaum voneinander abweichen, wenn a aus den Tagessummen von r u n d S + D an Strahlungstagen ermittelt bzw. wenn als repfiisentativer a-Wert der w~ihrend des MelSzeitraums h~iufigste Weft angesehen wird. Bildet man jedoch fdr a einen linearen Mittelwert, wie hier aus t~glichen Halbstundenmittelwerten, so ergeben sich infolge des nun gro~en

324 T A B E L L E III Oberfl~ichenalbedo (%): a, a m 1 7 . 9 . 1 9 7 9 als linearer M i t t e l w e r t aus H a l b s t u n d e n m i t t e l w e r t e n ; b, aus d e n T a g e s s u m m e n y o n r u n d S + D a m 1 7 . 9 . 1 9 7 9 ; c, h/iufigster Wert im Zeitraum 17.9.1979--29.9.1979 S u r f a c e a l b e d o (%): a, for S e p t e m b e r 17, 1979 as linear m e a n value f r o m h a l f - h o u r m e a n values; b, f r o m t h e daily t o t a l s o f r a n d S + D for S e p t e m b e r 17, 1 9 7 9 ; c, m o s t f r e q u e n t value for t h e p e r i o d S e p t e m b e r 1 7 - - 2 9 , 1979

a b c

Ackerboden

Maisfeld

Weingarten

18,4 16,6 16--17

25,5 19,8 19--20

24,0 19,8 18--19

Gewichts der morgendlichen und abendlichen a-Werte insgesamt grS~ere Werte als zuvor. Bei der Darstellung der H~iufigkeitsverteilung der einzelnen, aus aktuellen 6-Minuten-Werten yon r und S + D gebildeten a-Werte (Abb. 4) zeigt sich flit den Weingaxten ein deutlicheres H~ufigkeitsmaximum als bei den beiden anderen Oberfl~ichenarten. Bei allen drei Me~stellen sind jedoch, wie aufgrund der Morgen- und AbendverhRltnisse zu erwarten war, schiefe H~iufigkeitsverteilungen zu hSheren a-Werten hin zu erkennen. Stellt man die hier nach der Tagessummen- bzw. der Hiiufigkeitsmethode erzielten Werte fiir a den aus der Literatur bekannten (u.a. Kondratyev, 1972) gegeniiber, so ergibt sich eine gute Obereinstimmung beim Ackerboden und beim Maisfeld; f'tir den Weingarten waren keine Vergleichswerte zu finden.

Beziehungen zwischen verschiedenen Strahlungsstr6men In den letzten Jahren sind zahlreiche Untersuchungen fiber Beziehungen zwischen verschiedenen StrahlungsstrSmen publiziert worden (u.a. Nkemdirim, 1973; Mayer und Walk, 1974}, wobei das zentralle Thema der Zusammenhang zwischen S + D und Rn war. Ein Grund dafiir liegt darin, da~ zur Berechnung der Evapotranspiration Angaben fiber Rn benStigt werden. W~ihrend jedoch nur sehr wenige geeignete Messungen von R , fiber verschiedenen Oberfliichenarten vorliegen, sind yon S + D wesentlich mehr Daten vorhanden. Ober den Zusammenhang zw'tschen S + D und Rn existieren im wesentlichen zwei Modelle:

Rn = A ' ( S + D) + B

(6)

und Rn -- A " ( 1 - - a ) ' ( S

+D) +B'

(7)

mit A, B, A' und B' als Regressionskonstanten. Ober den Weft der beiden

325 /4ESQKLIP 17.9.1979 - 29.9,t979 Bore Soil

Moize

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12

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Surfoce

Albedo

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Abb. 4. H~iufigkeiten yon Werten der Oberfl~chenalbedo a yon e i n e m A c k e r b o d e n , einem Maisfeld und e i n e m Weingarten. Frequencies o f values of the surface albedo a for bare soil, maize, and a vineyard.

ModeUe liegen unterschiedliche Meinungen vor. So behaupten Impens und Lemeur (1969), dag die Regressionsmodelle (6) und (7) in etwa yon gleicher Giite sind; Davies und Buttimor (1969) halten den Albedoterm in (7) sogar fiiriiberfliissig.Beirn M o d e U (6) ist dessen Einfachheit yon Vorteil; augerdem enth~ilt es nicht die Problematik yon (7), welcher Weft fdr a -- der stiindliche Mittelwert oder ein allgemein rep~sentativer W e f t - verwendet werden soil. Nkemdirim (1972) dagegen zieht das Model] (7) vor, weil darin die Bedeutung von S + D etwas abgeschw~icht wird, denn S + D tragen nach seiner Auffassung nicht direkt zur Bodenerw~irmung bei. Nach Gay (1971) sollte auch das Modell (7) verwendet werden, weft dutch die Beriicksichtigung yon a die Regressionsbeziehungen fiir Oberflhchen mit unterschiedlichem a mehr generalisiert werden kSnnten. Zur Priifung, welche Unterschiede bei den Regressions- und Korrelationskoeffizienten bestehen, wurden hier beide ModeUe herangezogen. Basierend auf den Halbstundenmittelwerten von S + D , a und Rn a m 17.9.1979 wurden die Regressionskoeffizienten A, B, A' und B' nach der Methode der kleinsten Quadrate berechnet (Tabelle IV); dabei ergeben sich beim Modell (6) immer geringfdgig hShere Korrelationskoeffizienten r'. Die Tatsache, dag generell sowohl bei (6) als auch bei (7) r' hoch liegt,beruht nach Gay (1971) nicht so sehr auf der Richtigkeit der an~ewandten Modelle sond e m primRr auf den, im Vergleich zu S + D, geringen Tagesschwankungen yon R1. Allgemein ergibt sich aus den Regressionen (Abb. 5), daJ~ an Straldungstagen at) ca. ;S + D = 200 W m -2 der Strahlungsgewinn, ausgedriickt dutch Rn, an der Bestandsobeffl~iche des Weingartens am gr~lSten und an der Maisoberfl~iche am ldeinsten ist; dieses Ergebnis wird dutch die Angaben in den Tabellen II und IV bes~tigt. Die Werte fiir die Regressionskoeffizienten A, B, A' und B' veriindern sich, wenn man anstelle der Halbstundenmittelwerte die Tagessummen von S + D,

326 IvE$OKLIP Izg, t979 506 = Bore Soil =Moize =Vineyard

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Abb. 5. Regressionen zwischen der Gesamtbilanz R n und der Globalstrahlung S + D am 17.9.1979. Regressions between net all-wave radiation R n and global radiation S + D for September 17, 1979. TABELLE IV Regressionskoeffizienten A, B, A' und B' sowie dazugehSrige Korrelationskoeffizienten r' am 17.9.1979 Regression coefficients A, B, A', and B' as well as correlation coefficients r' for September 17, 1979 Ackerboden

Maisfeld

Weingarten

A B ( W m -2 ) r

0,787 --39,487 0,991

0,747 --65,731 0,953

0,877 --56,621 0,995

A'

0,924 --33,219 0,989

0,862 --30,545 0,920

1,047 --41,861 0,994

B' ( W m -2 ) r'

r und Rn in die Modelle (6) und (7) einsetzt. Beim Zeitraum 17.9.1979-2 9 . 9 . 1 9 7 9 ergeben sich jetzt hShere Korrelationskoeffizienten im ModeU (7), wobei jedoch insgesamt die Regressionsbeziehungen etwas lockerer als am 17.9.1979 sind (Tabelle V). Die sich schon in der Abb. 5 abzeichnende Tendenz, daft von einem Grenzwert bei S + D an aufw~irts dem Weingarten strahlungsm~i~ig wegen seines Energiegewinns eine grSlSere Bedeutung als dem Maisfeld oder dem Ackerboden zukommt, zeigt sich auch in der Abb. 6; als Grenzwert wird hier S + D = 550 J cm-: • d -~ angesetzt. Die in den Abb. 1--3 dargesteUten MeJSergebnisse weisen, im Gegensatz zu den Annahmen bei den ModeUen (6) und (7), daraufhin, da~ auch Rl t~glichen Schwankungen unterworfen ist. Schreibt man die Strahlungshaushaltsgleichung in der Form

327 MESOKLIP17.9.1979-29.9.1979 120C ' = Bore Soil . . . . . =Maize . . . . . . . = Viheyard

lOOC

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80C

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Abb. 6. Regressionen zwischen den Tagessummen der Gesamtstrahlungsbilanz R n und der Globalstrahlung S + D i m Zeitraum 17.9.1979--29.9.1979. Regressions between the daily totals of net all-wave radiation R n and global radiation S + D in the period September 17--29, 1979.

TABELLE V Regressionskoeffizienten A, B, A' und B' sowie dazugeh6rige Korrelationskoeffizientenr' im Zeitraum 17.9.1979--29.9.1979 Regression coefficients A, B, A', and B' as well as correlation coefficients r r in the period September 17--29, 1979 Ackerboden

Maisfeld Weingarten

A B (J cm-:) r

0,584 --11,593 0,983

0,500 32,188 0,872

0,608 --23,682 0,981

A' B ' ( J cm -2)

0,709 --28,640 0,987

0,629 27,334 0,889

0,760 --28,366 0,983

r'

Rn = ( 1 - - a ) ' ( S + D ) + R ~

(8)

wobei beriicksichtigt ist, da~ r fdr die Oberfl~ichen i m m er einen Energieverlust b ed eu tet, d.h. negativist, ersetzt damit R , im Ansatz (7) und verw endet Rs = (1 - - a ) ' ( S + D)

(9)

so folgt fiir R1 R~ = (A' -- 1 ) ' R s + B'

(10)

Den F a k t o r A' -- 1 n e n n t Gay (1971) den langweUigen Austauschkoeffizienten X. Die Regressionskoeffizienten k und D der allgemeineren Beziehung Rl = k ' R s + D

(11)

wurden sowohl aus den H a l b s t u n d e n m i t t e l w e r t e n am 17.9.1979 als auch aus

328 HESOKL IP 17.9.1979 I00~

= BareSoit

i

"e 0

. . . . . . = Maize Vineyard . . . . . . .

.

_._

=

. . . . . - ..............................................

.

-tOO I

-200

L.. 0

J~___ L 200

tOO

L

~

_

~

300 400 500 S+D m WIm'

I

600

L

700

Abb. 7. Regressionen zwischen der langwelligen Strahlungsbilanz RI und der Globalstrahlung S + D am 17.9.1979. Regressions between net long-wave radiation R 1 and global radiation S + D for September 17, 1979. TABELLE VI Regressionskoeffizienten ~ und D sowie dazugehbrige Korrelationskoeffizienten r' Regression coefficients ~ and D as well as correlation coefficients r' Ackerboden

Maisfeid

Weingarten

--0,072 --33,829 --0,480

--0,105 --54,933 --0,359

0,047 --41,857 0,369

17.9.1979 D (W m -2 ) r' 17.9.1979--29.9.1979

}~ D (Jcm -2 ) r

--0,291 --28,640 --0,931

--0,371 27,334 --0,752

--0,240 --28,366 --0,864

den Tagessummen van S + D, r und Rl w~ihrend des Untersuchungszeitraums berechnet. Die in der Tabelle VI zusammengefa~ten Ergebnisse zeigen, da~ am 17.9.1979 die Korrelationskoeffizienten bei allen drei Oberfl~ichenarten auf kaum gesicherte Regressionen hinweisen, was sich auch dadurch bemerkbar macht, da~ X nicht mit A' -- 1 und D nicht mit B', wie es aus (10) und (11) folgt, iibereinstimmt. Die aus den Tagessummen errechneten Regressionen sind dagegen wesentlich anger, was schon durch r' angedeutet wird; hier ist dann X = A' -- 1 und D = B' exakt erfiillt. Den in der Abb. 7 enthaltenen Regressionsgeraden fiir den 17.9.1979 ist zu entnehmen, da~ R~ immer negativ ist, dais aber mit zunehmendem S + D beim Weingarten R1 leicht ansteigt, beim Ackerboden und Maisfeld dagegen abnimmt. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit den tatsiichlichen Strahlungs. werten in den Abb. 1--3 und die Beriicksichtigung van r' in Tabelle VI weisen jedoch daraufhin, da~ Regressionen in der Form (10) zur Bestimmung der Tagesschwankungen van R1 in Abh~ingigkeit van Rs nicht verwendet warden sollten. Bei den auf den Tagessummen basierenden Regressionen (Abb. 8) gilt flit

329

MESOKLIP 129.19?9-2~9.1979 200

"d

0

.~ -2oo ~ -400

. . . . . = MOize . . . . . . . . Vine¥ord

"

~

~'~'~ - ~

-600 0

400

800 1200 S÷ O in J/cm2.d

1600

2000

Abb. 8. Regressionen zwischen den Tagessummen der ]angwelligen Btrahlungsbilanz R ! und der Olobalstrahlun¢ S + D i m Zeitraum 17.9.1979--29.9.1979. Regressions between the daily totals of net long-wave radiation R l and global radiation S + D in the period September 17--29, 1979.

age drei Oberfliichenarten: )~ < 0, was nach Gay (1971) am hiiufigsten vorkommt und wie folgt erk]~rt werden kann: Die absorbierte G]oba]strahlung nimmt schneller zu als der Energieanteil, der ftir die Evapotranspiration benStigt wird. Die dadurch fibrig bleibende Energie wird teilweise ~iber die fdhlbare W~rrne in Konvektionsenergie transforrniert und teilweise irn Boden bzw. allgemein im Bestandsraum gespeichert. Steigt dann mit zunehmendem Rs die Oberfl~ichentempemtur, so w~ichst E, zumindest an Strahlungstagen und auch im Mittel fiber einen l~ingeren Zeitraum, schneller als C an und Rl wird st~irkernegativ. SCHLUSSFOLGERUNG Die w~ihrend des MESOKLIP-Experimentes in Jahre 1979 durchgeftihrten Strahlungsmessungen fiber einem Ackerboden, einem Maisfeld und einem Weingarten geben Aufschluf5 fiber den Strahlungsumsatz an diesen Oberfl~ichenarten, was im Hinblick auf die gesamte Energiebilanz von gro~er Bedeutung ist. Die Ergebnisse fdr den Ackerboden haben dabei aufgrund seiner relativ gleichm~igen Oberfl~ichenstruktur eine aUgemeinere Gfiltigkeit, w~ihrend sie beim Maisfeld und ganz besonders beim Weingarten den Einflu~ der Bestandsgeometrie und des Entwicklungsstadiums enthalten. Im Hinblick auf die zur Charakterisierung des Strahlungsumsatzes an verschiedenen Oberfl~ichen wichtige GrSl~e Oberfl~chenalbedo a ergibt sich, da~ die repr'dsentativen Werte fdr Mais und Weingarten dicht zusamrnenliegen und ca. 2 0 % betragen, w~ihrend a ffirden Ackerboden ca. 17% ausmacht. Aus den Ergebnissen ftir die Regressionen zwischen Rn und S + D bzw. I~ n und Rs folgt ffirjede Oberfl~ichenart, da~ sowohl mit den Halbstundenmittelwerten a m Strahlungstag als auch mit den Tagessummen aus d e m gesamten Untersuchungszeitraum k a u m nennenswerte Unterschiede in den Korrelationskoeffizienten zwischen den beiden Modellen auftreten. So erscheint es eigentlich fdr energetische Probleme nicht erforderlich zu sein,

330

mit Rs und damit mit a zu arbeiten, was kompliziert ist, da allgemein nur MefSwerte yon S + D leicht verfiigbar sind. Regressionen zwischen R~ und Rs erweisen sich, wie hier bei den drei Oberfl~ichen gezeigt worden ist, nur dann als sinnvoll, wenn als Grundlage Tagessummen yon Rs bzw. Rl zu untersuchen sind. In dieser Arbeit k o n n t e n erstmalig die Strahlungsums~itze an der BestandsoberhShe eines Weingartens vergleichend quantifiziert werden, was nur mSglich war, weft alle drei MefSstellen relativ nahe beieinander lagen. FUr Weing~irten sollten aber noch mehr Ergebnisse erarbeitet werden, damit der so dominierende Einflu~ der Bestandsgeometrie genau erfa~t werden kann, und allgemein giiltige Angaben zum Strahlungsumsatz mSglich sind. ANMERKUNG

Fiir die Unterstiitzung dieser Untersuchung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Ma 749/2 und 749/3) sei hier vielmals gedankt.

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