Original paper

Impact of post-field data processing on eddy covariance flux estimates and energy balance closure

Mauder, Matthias; Foken, Thomas

Meteorologische Zeitschrift Vol. 15 No. 6 (2006), p. 597 - 609

published: Dec 20, 2006

DOI: 10.1127/0941-2948/2006/0167

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ArtNo. ESP025011506003, Price: 29.00 €

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Abstract

This study evaluates the impact of post-field data processing methods on eddy covariance flux estimates and the resulting energy balance residual. To that end, a dataset from the LITFASS-2003 field campaign was analysed using an experimental software package. Widely discussed issues in data processing like an adequate flux averaging time, coordinate transformations and alternative approaches for the correction of density effects were examined. The impact of all the single processing steps on the turbulent flux estimates of sensible heat, latent heat and CO2 as well as the impact on the resulting energy balance residual is demonstrated. The mean energy balance residual could be reduced by 17 % compared to 30-min covariances without any conversions or corrections if all necessary procedures were applied to the test dataset. Important procedures for the reduction of the experimental energy balance closure problem were the correction for spectral loss and the correction for density effects. Furthermore, the energy balance residual vanished almost completely if the covariance averaging time was extended from 30 minutes over 24 hours to five days. The low-frequency flux contributions could be explained through effects which were caused by the strong heterogeneity of the landscape surrounding the measurement site. The dependence of CO2 flux estimates on the post-field data processing was stronger. Their mean value was changed by a factor of 2 through the correction for density effects.

Kurzfassung

Diese Studie untersucht den Einfluss von Methoden zur Datennachbearbeitung auf Eddy-Kovarianz Flusswerte und das resultierende Energiebilanz-Residuum. Dazu wurde ein Datensatz der Feldkampagne LITFASS-2003 mit einem experimentellen Softwarepaket analysiert. Viel diskutierte Themen der Datenanalyse, wie eine geeignete Fluss-Mittelungszeit, Koordinatentransformationen und alternative Ansätze zur Korrektur von Dichteeffekten werden geprüft. Der Einfluss aller Einzelbearbeitungsschritte auf die turbulenten Flüsse von fühlbarer Wärme, latenter Wärme, CO2 und das Residuum der Energiebilanz wird demonstriert. Verglichen mit 30-min-Kovarianzen ohne jegliche Konversionen und Korrekturen konnte das mittlere Energiebilanz-Residuum um 17 % reduziert werden, wenn alle notwendigen Bearbeitungsschritte auf den Testdatensatz angewendet wurden. Wichtige Bearbeitungsschritte zur Reduzierung von Problemen mit der experimentellen Energiebilanzschließung waren die Korrektur spektraler Verluste und die Korrektur von Dichteeffekten. Weiterhin verschwand das Energiebilanz-Residuum fast vollständig, wenn man die Kovarianz-Mittelungszeit von 30 Minuten über 24 Stunden bis zu fünf Tagen ausdehnte. Die langwelligen Flussbeiträge konnten mit Effekten erklärt werden, die durch die starke Heterogenität der den Messstandortes umgebenden Landschaft hervorgerufen wurden. CO2-Flusswerte hingen stärker von der Datennachbearbeitung ab. Ihr Mittelwert wurde durch die Korrektur von Dichteeffekten um einen Faktor 2 verändert.