On the multi-scale analysis of land-surface mass and energy exchanges for the tropical Andean páramo of Southern Ecuador

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.