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Spatio-temporal soil moisture variability in Southwest Germany observed with a new monitoring network within the COPS domain

Krauss, Liane; Hauck, Christian; Kottmeier, Christoph

Meteorologische Zeitschrift Vol. 19 No. 6 (2010), p. 523 - 537

published: Dec 1, 2010

DOI: 10.1127/0941-2948/2010/0486

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ArtNo. ESP025011906001, Price: 29.00 €

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Abstract

Within the 'Convective and Orographically-induced Precipitation Study' (COPS) 2007 in Southwest Germany and Northeast France a soil moisture monitoring network was installed. The aim of the network is to identify the interaction between the temporal and spatial variability of the soil moisture field and its influence on the energy balance and the moisture availability in the planetary boundary layer. The network is comprised of a large number of newly developed low-cost soil moisture sensors based on the frequency-domain reflectometry method (FDR). In total 47 soil moisture stations within the COPS domain were each equipped with two to four sensors simultaneously measuring vertical profiles of soil moisture and soil temperature down to 50 cm depth. This contribution describes the soil moisture network, its installation procedure and the calibration of the sensor output signal. Furthermore we discuss the soil texture distribution within the study area and present first analyses of the spatio-temporal soil moisture variability during a 13 month period from June 2007 till June 2008 based on regional differences and site specific properties (altitude and soil texture). Results show that the altitude plays a key role for the overall soil moisture pattern relative to the area mean due to the direct linkage to precipitation patterns. Soil texture controls the vertical soil moisture gradient relative to the near surface soil moisture, as their properties control water storage and drainage characteristics. Both factors significantly influence regional soil moisture patterns in Southwest Germany.

Kurzfassung

Im Rahmen der 'Convective and Orographically-induced Precipitation Study' (COPS) 2007 in Südwestdeutschland und Nordostfrankreich wurde ein Messnetz zur Beobachtung der Bodenfeuchte eingerichtet. Ziel des Messnetzes ist es Wechselwirkungen zwischen zeitlicher und räumlicher Variabilität der Bodenfeuchte zu identifizieren sowie deren Einfluss auf die Energiebilanz und Verfügbarkeit von Feuchte in der atmosphärischen Grenzschicht. Das Messnetz besteht aus einer sehr großen Anzahl an neu entwickelten, kostengünstigen Bodenfeuchtesensoren, die auf der Frequenzbereich-Reflektometrie (FDR) basieren. Insgesamt wurden im COPS Gebiet 47 Bodenfeuchtestationen mit jeweils zwei bis vier Sensoren ausgestattet, die gleichzeitig Vertikalprofile der Bodenfeuchte und Bodentemperatur bis zu einer Tiefe von 50 cm messen. In diesem Beitrag wird das Bodenfeuchtemessnetz, das Vorgehen bei dessen Einrichtung und die Kalibrierung des Ausgabesignals der Sensoren beschrieben. Außerdem diskutieren wir die Verteilung der Bodenarten im Untersuchungsgebiet und stellen erste Analysen der räumlich- und zeitlichen Bodenfeuchtevariabilität bezogen auf regionale Unterschiede sowie standortspezifische Eigenschaften (Höhe und Bodenart) während eines 13-monatigen Zeitraums von Juni 2007 bis Juni 2008 vor. Die Ergebnisse zeigen, dass die Höhenlage durch seine direkte Kopplung an das Niederschlagsmuster eine Schlüsselrolle für die Verteilung von Bodenfeuchtestrukturen spielt. Die Bodenart wiederum reguliert den vertikalen Bodenfeuchtegradient ausgehend von der oberflächennahen Bodenfeuchte, da sie über ihre Eigenschaften die Fähigkeit zur Wasserspeicherung und Dränage steuert. Beide Faktoren beeinflussen deutlich die regional unterschiedlichen Verteilungsstrukturen der Bodenfeuchte.