Energy and GHG fluxes from urban and rural environments

Abstract

The physical complexity of turbulent exchange in the atmosphere is still not completely understood, especially in the complicated coastal or urban areas of Mediterranean south-eastern Europe, which is considered to be one, on a global level, among the regions most vulnerable to the adverse effects of climate change (IPCC, 2013). In the framework of this study two field experiments were conducted investigating the components of energy budget and water vapor fluxes, in two different landscapes in Greece; an urban regime and a coastal grassland. Firstly, the components of atmospheric energy budget were acquired over a densely built central district of Athens, under heat wave conditions which are common in this large conurbation. Tower-based micrometeorological data, net all-wave radiation, sensible heat, latent heat and momentum flux densities were derived using the eddy-covariance method (EC). The applicability of Monin–Obukhov similarity relationships in such a densely built city centre was evaluated, and the anthropogenic contribution to the energy budget was also estimated. Energy flux parameterization was effected for the city by utilizing two approaches; the Local-Scale Urban Meteorological Parameterization Scheme (LUMPS) and the Bulk Approach (BA). The tower-based data were used to validate the algorithms of these schemes and to derive coefficients applicable to the study area. Under the prevailing hot and dry conditions, sensible heat-flux was on average five times larger than the latent heat-flux and storage heat flux was elevated, especially during daylight hours. Model results from the corrected algorithms were compared with literature results for coefficients applicable to other cities and their varying construction materials. Asphalt and concrete surfaces, urban street canyons and anthropogenic heat releases were found to be the key characteristics sustaining the elevated surface and air temperatures. A relationship between storage heat flux plus anthropogenic energy flux and temperatures (surface and lower atmosphere) is presented, progressing our understanding of the interplay between them, under the occurrence of the urban heat island phenomenon. Secondly, a hydrological year of water vapor and energy exchange measurements using EC is reported for a coastal grassland which can be considered to be a clean background south-east European station. Energy partitioning of available energy to turbulent heat fluxes and evapotranspiration (ET) showed a clear seasonal variability. Throughout the growing season, available energy was transformed mainly to latent heat flux while the turbulent exchange was dominated by sensible heat flux during the senescence period. Variations in water exchange could be explained by environmental conditions and depended primarily on the available energy and the vapor pressure deficit. The monthly mean evapotranspiration had also a positive correlation with the mean Normalized Difference Vegetation Index. Bulk characteristics of canopy, decoupling coefficient and daytime mean Priestley–Taylor also exhibited seasonal variations, with higher values occurring in the rapid emergent period. Results indicated that the surface was partially decoupled with the atmosphere. The impact of wind directions on evapotranspiration was described with evapotranspiration being substantially smaller for marine winds. This was attributable to a stomatal response to large water vapor deficit and temperature associated with continental wind and the presence of coarse sea-salt particles resulting from marine winds. Verification of variance methods to evaluate turbulent fluxes is presented. Under free convection conditions, dimensionless functions were determined to predict energy fluxes. Pristley Taylor simple physical based model, appear to be unsuitable for Mediterranean climate. The results of the present study effected the explanation of the temporal patterns of ET in relation to the landscape of a Mediterranean coastal grassland and its meteorological and phenological characteristics.

Η πολυπλοκότητα της τυρβώδους εναλλαγής στην ατμόσφαιρα δεν έχει ακόμα κατανοηθεί πλήρως, ιδιαίτερα στις πολύπλοκες παράκτιες ή αστικές περιοχές της νοτιοανατολικής Μεσογείου, η οποία θεωρείται μια από τις πιο ευάλωτες περιοχές του πλανήτη έναντι των αρνητικών επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής (IPCC, 2013). Στο πλαίσιο αυτής της μελέτης διεξήχθησαν δύο πειράματα πεδίου με σκοπό τη διερεύνηση των συντελεστών του ενεργειακού ισοζυγίου και των ροών υδρατμών, σε ένα αστικό και ένα παράκτιο φυσικό περιβάλλον της Ελλάδας. Αρχικά, προσδιορίστηκαν οι συντελεστές του επιφανειακού ενεργειακού ισοζυγίου για μια πυκνοδομημένη κεντρική περιοχή της Αθήνας υπό συνθήκες καύσωνα. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της τυρβώδους συνδιακύμανσης (ΕC) μετρήθηκαν μικρο-μετεωρολογικά δεδομένα, η αισθητή (QH) και λανθάνουσα (QE) ροή θερμότητας καθώς και οι εναλλαγές της ορμής. Ελέγχθει η καταλληλότητα των σχέσεων ομοιότητας κατά τη θεωρία Monin–Obukhov και εκτιμήθηκε η συνεισφορά της ανθρωπογενούς ροής θερμότητας (QF) στο ενεργειακό ισοζύγιο. Τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιήθηκαν για να αξιολογηθούν οι αλγόριθμοι δύο μοντέλων αστικού θόλου, α) Local-Scale Urban Meteorological Parameterization Scheme (LUMPS) και β) Bulk Approach (BA), καθώς και να προσδιοριστούν οι κατάλληλοι, αντιπροσωπευτικοί συντελεστές τους για την περιοχή ερεύνης. Η QH ήταν πέντε φορές μεγαλύτερη από τη QE και η αποθηκευμένη ροή θερμότητας (ΔQs) ήταν αυξημένη, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της ημέρας. Τα αποτελέσματα των παραμετροποιημένων μοντέλων συγκρίθηκαν με αντίστοιχα άλλων πόλεων ως προς τα διαφορετικά υλικά κατασκευής και την ύπαρξη πρασίνου. Οι επιφάνειες σκυροδέματος, ασφάλτου, οι αστικές χαράδρες και οι εκλύσεις θερμότητας από ανθρωπογενείς δραστηριότητες ήταν τα κύρια χαρακτηριστικά που συντηρούσαν υψηλές τις τιμές θερμοκρασίας αέρα και επιφανείας. Παρουσιάζεται μια σχέση μεταξύ της ΔQs αθροισμένη με την QF και των θερμοκρασιών αέρα και επιφανείας, εξελίσσοντας την κατανόηση των αλληλοσχετίσεων μεταξύ αυτών των παραμέτρων υπό το πρίσμα της αστικής θερμικής νησίδας. Επίσης, περιγράφονται οι ετήσιες τυρβώδεις εναλλαγές των ροών των υδρατμών και θερμότητας για ένα μεσογειακό παράκτιο φυσικό περιβάλλον, στο Δασοχώρι Καβάλας, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο EC. Κατά τη διάρκεια της ανθοφορίας το 67% της διαθέσιμης ενέργειας (Rnet-G) μετετράπη σε QE ενώ τη χειμερινή περίοδο η QH αποτελούσε το 80.42% της Rnet-G. Η μέγιστη τιμή της εξατμισιοδιαπνοής (ΕΤ) ήταν 8.2 mm/ημέρα, το μήνα Ιούλιο, και αμελητέα το χειμώνα. Το ετήσιο υδρολογικό πλεόνασμα ισούτο με 200 mm/ημέρα. Οι διακυμάνσεις της εναλλαγής των υδρατμών εξαρτώνταν κυρίως από τη Rnet-G και το έλλειμμα πίεσης ατμών (VPD). Η μηνιαία ΕΤ είχε σημαντική θετική γραμμική συσχέτιση με την Rnet-G καθώς και με το φαινολογικό δείκτη βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI). Ο συντελεστής απόζευξης (Ω) και ο μέσος ημερήσιος συντελεστής Priestley–Taylor (α) εξήγαγαν εποχιακές διακυμάνσεις με μεγαλύτερες τιμές κατά την περίοδο της ανθοφορίας. Ο ετήσιος συντελεστής Ω ήταν περίπου 0.50, καταδεικνύοντας τη μερική απόζευξη των υδρατμών μεταξύ της επιφανείας και της ατμόσφαιρας. Παρατηρήθηκε η επίδραση της θαλλάσιας και ηπειρωτικής προέλευσης του αέρα στις μετρήσεις της εξατμισιοδιαπνοής. Η ET ήταν στατιστικά σημαντικά μικρότερη από ότι αναμενόταν για ανέμους προερχόμενους από τη θάλασσα, εξαιτίας της απόκρισης της ΕΤ σε μικρά VPD και της ύπαρξης μεγάλων αερομεταφερομένων σωματιδίων, πιθανότατα θαλασσινού αλατιού. Επαληθεύονται οι μέθοδοι διακυμάνσεων για τον υπολογισμό των τυρβωδών ροών, ενώ η εφαρμογή της μεθόδου Priestley Taylor φαίνεται αναποτελεσματική για τον προσδιορισμό της ακριβούς ET σε Μεσογειακά κλίματα. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης προήγαγαν την εξήγηση των χρονικών διακυμάνσεων της ET σε σχέση με ένα μεσογειακό παράκτιο οικοσύστημα και τα μετεωρολογικά και φαινολογικά του χαρακτηριστικά.