Analysis of eddy covariance data measured in terrestrial ecosystem

Mensah Caleb

Doctoral thesis

Analýza eddy kovariančních dat měřených v terestrickém ekosystému

Abstract:

Zvyšování koncentrace skleníkových plynů a aerosolů, způsobené především antropogenní činností, mění radiační bilanci Země, což vedlo ke zvýšení průměrné povrchové teploty Země o 1.2 °C v porovnání s obdobím před průmyslovou revolucí. Proto je intenzivně studována výměna CO2 mezi vegetací a atmosférou, abychom určili potenciál výdeje a příjmu CO2 různých ekosystémů. Hodnocení těchto aspektů bylo prováděno řadou různých metod, ale jednou z nejefektivnějších a šířeji používaných se v nedávné době stala eddy kovarianční metoda. Metoda je založena na přímém a rychlém měření koncentrace CO2 a vertikální složky větru ve vrstvě konstantního toku hraniční vrstvy atmosféry. Tato dlouhodobá měření se provádí na stovkách ekosystémových stanic napříč celým světem a umožnují charakterizovat ekosystémovou výměnu stopových plynů, vody a energie a validovat procesní modely. Tato disertační práce má za cíl poskytnout nové poznatky z analýzy a porovnání víceleté řady eddy kovariančních dat měřených v různých lesních ekosystémech v rámci České observační sítě uhlíku (CzeCOS). Bukový (ve Štítné) a dva smrkové porosty (na Bílém Kříži a v Rájci) jako typické dřeviny střední Evropy byly studovány na zmíněných lokalitách s kontrastním klimatem. Aby bylo možno porovnat chod hrubé primární produkce (GPP) s chodem potenciální GPP (GPPpot) očekávaném za téměř optimálních podmínek prostředí, vypočítali jsme normalizovanou GPP (GPPnorm) s hodnotami mezi 0 a 1 odpovídající poměru stanovené denní sumy GPP a GPPpot. Prezentované výsledky dále ukazují dopady letního sucha ve střední Evropě v roce 2015 na GPP dvou porostů smrku ztepilého které reprezentují kontrastní klimatické podmínky – chladné a vlhké na Bílém Kříži (CZ-BK1) oproti mírně teplým a sušším podmínkám v Rájci (CZ-RAJ).

Abstract:

Increase in the concentration of greenhouse gases and aerosols, mainly caused by anthropogenic activities, alters the earth radiation budget that has led to the increase of the earth's mean surface temperature by 1.2 °C since the preindustrial era. Carbon dioxide (CO2) is the main suspect of causing global warming because combustion of fossil fuel injects CO2 into the atmosphere. Thus, vegetation- atmosphere exchange of CO2 is being studied intensively to determine the source and sink potentials of different ecosystems. Many methods have been used to successfully carry out such research works but the Eddy Covariance method is one of the most efficient recent techniques commonly used. The method depends on direct and fast measurements of CO2 concentration and vertical wind component within the constant flux layer of the atmospheric boundary layer. These measurements are carried out over several hundreds of sites all over the world on a long-term basis to characterize ecosystem exchanges of trace gases, water and energy and to validate process-based models. This thesis aims to provide a novel insight into the analysis and comparison of eddy covariance data measured at different forest ecosystems within the Czech Carbon Observatory system (CzeCOS) over several years. Central European beech (at Štítná) and spruce species (at Bílý Kříž and Rájec), growing under contrasting climatic conditions, were studied. To demonstrate how actual gross primary productivity (GPP) courses compare to potential GPP (GPPpot) courses expected under near-optimal environmental conditions, we computed normalized GPP (GPPnorm) with values between 0 and 1 as the ratio of the estimated daily sum of GPP to GPPpot. Furthermore, the presented results also show the impacts of a central European summer drought in 2015 on GPP at the two Norway spruce forest sites that represented two contrasting climatic conditions – cold and humid climate at Bílý Kříž (CZ-BK1) vs. moderately warm and dry climate at Rájec (CZ-RAJ).

Keywords

sucho, lesní ekosystém, eddy kovariance

Keywords

forest ecosystems, eddy covariance, drought

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 10. 2021

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Ing. Michal Vladimír Marek, DrSc.
• Reader: Irena Marková, CSc., doc. RNDr., János Balogh, externi, Janusz Olejnik, externi

Mendel University in Brno

Faculty of AgriSciences

Doctoral programme / field:
Ecology and Environmental Protection / Applied Bioclimatology