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Titel:On the multi-scale analysis of land-surface mass and energy exchanges for the tropical Andean páramo of Southern Ecuador
Autor:Carrillo Rojas, Galo José
Weitere Beteiligte: Bendix, Jörg (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2019
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0214
DOI: https://doi.org/10.17192/z2019.0214
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2019-02146
Publikationsdatum:2019-11-05
DDC:550 Geowissenschaften
Titel(trans.):Zur multiskaligen Analyse von Land-Oberflächen-Massen- und Energieaustausch für das tropische Anden-Páramo im Süden Ecuadors

Dokument

Schlagwörter:
Páramo, Páramo, Landoberflächenmodellierung, Land-Surface Modelling, Ecuador, Carbon Dioxide, Tropische Anden, Eddy covariance, Evapotranspiration, Ecuador, Tropical Andes, Wirbelkovarianz, Remote Sensing, Kohlendioxid, Evapotranspiration, Fernerkundung

Summary:
Studies on the atmosphere-surface exchange processes over montane regions represent a growing field. This is particular on the scope of ecohydrological investigations, which assess the estimation and prediction of water, carbon and energy fluxes, among other functional key-indicators of the biomes. Therefore, the understanding of the complexity of energy-driven processes such as actual evapotranspiration (ETa) and carbon dioxide (CO2) exchange is fundamental, particularly for the biodiverse tropical highlands, which are exposed to human-induced treats (e.g., global warming and land cover change). Herein, the Andean páramo region of Ecuador (3200-5000 m a.s.l.) supports vital ecosystem services, such as water supply, carbon storage and biodiversity. This biome is crucially important for the sustainability of the inter-Andean valleys’ inhabitants, mainly due to its role as a massive water reservoir. Atmosphere-surface exchange processes in the páramo are largely unknown. The aim of this thesis is to analyze the water, energy and carbon flux transfer mechanisms in páramo catchments of Southern Ecuador, by a multi-scale approach, which considers point-scale (ecosystem) and spatial-scale (catchment), through ground-level (instrumental-based) and remote sensing level (model-based). This methodology allows to quantify the accuracy of each technique, and to identify the most appropriate method according to site characteristics. This work has contemplated: (i) The analysis of the spatial dynamics of ETa derived from satellite products (Landsat and MODIS) with a calibrated energy balance-based model (METRIC), and the evaluation with a global ETa product (MOD16) and with ETa obtained as water balance residual (WB); (ii) the detection and analysis of ground-level and ecosystem-scale ETa, energy and CO2 fluxes (through eddy covariance (EC) and micrometeorological methods), their interaction with environmental controls, and the comparison of EC ETa with widely applied reference ET models (ETr); and finally, (iii) the evaluation of simulated ETa and energy fluxes obtained from a state-of-art land-surface model (CLM) parameterized to the biophysical and climate conditions of two páramo catchments. The CLM outcomes evaluation was performed with METRIC ETa, energy fluxes observations (EC) and with WB-derived ETa. The findings of the first analysis reveal that spatial ETa can be successfully estimated when a proper calibration of the model parameters and a high resolution satellite product is used simultaneously. The ETa temporal dynamics from this approach showed consistent results with WB ETa. The results of the second part, demonstrate the plausibility of EC for gas and energy flux detection on this mountain ecosystem. The CO2 budget (at different time scales) reveals the ‒carbon source‒ behavior of the páramo, which constitutes an outstanding discovery in the knowledge about this region. Mathematical functions between carbon fluxes and biophysical controls (available light and soil temperature) are also reported. The quantification of water loss in the form of ETa, and its comparison with modeled ETr, allowed for the first time, to report truthful crop coefficients for the páramo grasslands. Finally, the third analysis revealed the plausibility of CLM for ETa prediction, in spite of a poor performance of the model for the simulation of specific energy fluxes (net radiation, sensible and soil heat). The evaluation between methods, also demonstrated that METRIC ETa values are closer to the EC ETa observations, and revealed that WB ETa rendered poorly. These analyses provide insights on the methods’ selection for future studies in similar locations. The current investigation provides solid answers to unsolved questions about the dynamics of the ETa, CO2 and energy fluxes of the páramo, and the multiscale approach adopted enhance our understanding of the ecohydrological processes of this unique Andean ecosystem.

Zusammenfassung:
Studien über Austauschprozesse zwischen Landoberfläche und Atmosphäre in Gebirgsregionen stellen ein wachsendes Feld dar. Das trifft vor allem auf ökohydrologische Untersuchungen zu, die die Schätzung und Vorhersage von Wasser-, Kohlenstoff- und Energieströmen sowie andere funktionale Schlüsselindikatoren der Biome bewerten. Daher ist das Verständnis der Komplexität energiegetriebener Prozesse wie der tatsächliche Austausch von Evapotranspiration (ETa) und Kohlendioxid (CO2) von grundlegender Bedeutung, insbesondere für das biologisch vielfältige tropische Hochland, das anthropogenen Einflüssen (z.B. globale Erwärmung und Landnutzungsänderung) stark ausgesetzt ist. Die andine Páramo-Region Ecuadors (3200-5000 m ü.d.M.) unterstützt wichtige Ökosystemdienstleistungen wie Wasserversorgung, Kohlenstoffspeicherung und Biodiversität. Dieses Biom ist für die Nachhaltigkeit der Bewohner der Andentäler von entscheidender Bedeutung, vor allem aufgrund seiner Rolle als riesiger Wasserspeicher. Die Austauschprozesse zwischen Atmosphäre und Oberfläche im Páramo sind weitgehend unbekannt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Wasser-, Energie- und Kohlenstofffluss-Transfer-Mechanismen in Páramo-Einzugsgebieten im Süden Ecuadors. Dies soll durch einen Multi-Skalen-Ansatz erreicht werden, der die Punkt-Skala (Ökosystem) und die räumliche Skala (Einzugsgebiet) durch Bodenmessungen (instrumentell) und Fernerkundung(modellbasiert) berücksichtigt. Diese Methodik ermöglicht es, die Genauigkeit jeder Technik zu quantifizieren und die am besten geeignete Methode entsprechend den Eigenschaften des Standorts zu identifizieren. Diese Arbeit hat folgendes zum Ziel gehabt: (i) Die Analyse der räumlichen Dynamik von ETa, die von Satellitenprodukten (Landsat und MODIS) mit einem kalibrierten energiebilanzbasierten Modell (METRIC) abgeleitet wurde, und die Bewertung mit einem globalen ETa-Produkt (MOD16) und mit ETa, das als Wasserhaushaltsrest (WB) erhalten wurde; (ii) das Erkennen und Analysieren von bodenebenen und ökosystemaren ETa-, Energie- und CO2-Flüssen (durch Wirbelkovarianz (EC) und mikrometeorologische Methoden), ihre Wechselwirkung mit Umweltkontrollen und der Vergleich von EC ETa mit weit verbreiteten ET-Referenzmodellen (ETr); und schließlich (iii) die Bewertung von simulierten ETa- und Energieflüssen, die aus einem hochmodernen Landoberflächenmodell (CLM) gewonnen wurden, das auf die biophysikalischen und klimatischen Bedingungen von zwei Páramo-Einzugsgebieten parametrisiert wurde. Die CLM-Ergebnisauswertung wurde mit metrischem ETa, Energieflussbeobachtungen (EC) und mit WB-basiertem ETa durchgeführt. Die Ergebnisse der ersten Analyse zeigen, dass räumliches ETa erfolgreich geschätzt werden kann, wenn eine ordnungsgemäße Kalibrierung der Modellparameter und ein hochauflösendes Satellitenprodukt gleichzeitig verwendet werden. Die zeitliche ETa Dynamik aus diesem Ansatz zeigte konsistente Ergebnisse mit WB ETa. Die Ergebnisse des zweiten Teils zeigen die Plausibilität der EG für die Gas- und Energieflussdetektion in diesem Bergökosystem. Das CO2-Budget (in verschiedenen Zeitskalen) zeigt das Verhalten des Páramo als Kohlenstoffquelle, was eine hervorragende Entdeckung im Wissen über diese Region darstellt. Mathematische Funktionen zwischen Kohlenstoffflüssen und biophysikalischen Kontrollen (verfügbare Licht- und Bodentemperatur) werden ebenfalls berichtet. Die Quantifizierung des Wasserverlustes in Form von ETa und sein Vergleich mit dem modellierten ETr ermöglichte es erstmals, wahrheitsgetreue Erntekoeffizienten für das Páramo-Grasland zu melden. Die dritte Analyse ergab, dass das CLM für die Eta-Vorhersage plausibel eingesetzt werden kann, trotz einer schlechten Leistung des Modells für die Simulation der spezifischen Energieflüsse (Netto-Strahlung, sensible und Bodenwärme). Die Bewertung zwischen den Methoden zeigte auch, dass die metrischen ETa-Werte näher an den EC ETa-Beobachtungen liegen, und zeigte, dass WB ETa schlecht abschneidet. Diese Analysen geben Aufschluss über die Auswahl der Methoden für zukünftige Studien an ähnlichen Standorten. Die aktuelle Untersuchung liefert solide Antworten auf ungelöste Fragen zur Dynamik der ETa-, CO2- und Energieflüsse des Páramo, und der multiskalige Ansatz verbessert unser Verständnis der ökohydrologischen Prozesse dieses einzigartigen andinen Ökosystems.


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