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Forstmeteorologische Messstelle Hartheim

  

Forschungsschwerpunkte

Die Forstmeteorologische Messstelle Hartheim der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg wird von der Professur für Umweltmeteorologie (zuvor "Meteorologisches Institut") seit 1969 betrieben. Diese Messstelle ist eine Freilandeinrichtung, an der Wechselwirkungen zwischen Boden, Wald und Atmosphäre auf einem extremen Trockenstandort wissenschaftlich erforscht werden. Das Ziel dieser Forschungsinfrastruktur ist es langfristig und intensiv meteorologische, hydrometeorologische und waldwachstumskundliche Messungen zu den Wechselwirkungen zwischen Boden, Wald und Atmosphäre wissenschaftlich zu erfassen, Prozesse zu studieren und Modelle zu entwickeln oder zu testen. Im Fokus der Forschung steht die Wassernutzung von Wäldern, Prozesse des Waldwachstums, die Prozesse, die zu Sturmschäden führen und der Austausch von Spurengasen (z.B. Treibhausgasen) zwischen Wald und Atmosphäre. Seit ihrem Bestehen sind mehr als 200 Publikationen über Messungen und Modellierungen, die an der Messstelle durchgeführt wurden, veröffentlicht worden.

Hartheim Trockenheit

Der trockenheitsgeschädigte Wald mit dem grossen Messturm (vorne) und dem kleinen Messturm im Herbst 2018 (Photo: D. Redepenning)

Standort und Entwicklung

Die Messstelle (umzäunte Fläche: 0.7 ha)  ist ein Waldbestand, der vorwiegend aus Waldkiefer (Pinus sylvestris) mit vereinzelt eingestreuten Schwarzkiefern (Pinus nigra) besteht (2019: 18 m hoch). Besondere Eigenschaften der Hartheimer Messstelle sind regelmäßig wiederkehrende sommerliche Trockenperioden und eine  homogene Struktur des Kiefernwaldes.

In den letzten Jahren (2016, 2017 und 2018) litt der Kiefernwald unter extremen Trockenstress, was das Absterben vieler Kiefernbäume zur Folge hatte. Diese Situation bietet eine aussergewöhnliche Gelegenheit, Auswirkungen des regionalen Klimawandels auf Waldökosysteme an einem extremen Trockenstandort wissenschaftlich zu begleiten. Diese Forschung schafft wichtige Grundlagen für eine Einschätzung zur zukünftigen Entwicklung der Landnutzung Wald unter zukünftigen Extrembedingungen in Deutschland und Mitteleuropa und daher sind die erfassten Daten nicht nur für den lokalen Kontext, sondern auch zur Planung von Anpassungsmaßnahmen anderer Wälder von Bedeutung.

Messsysteme

Auf der Messstelle befinden sich zwei Messtürme (Höhe: 18 m und 30 m), die als Messgeräteträger dienen. Im Rahmen von aufwändigen Messprogrammen werden an den Messtürmen im und über dem Kieferwald mehr als 100 Messgrößen kontinuierlich erfasst. Zu den Messgrößen gehören Luftdruck, Niederschlag, Lufttemperatur, Bodentemperatur, Bodenfeuchte, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Gaszusammensetzung. Die Messstelle verfügt über einen Strom- und Telefonanschluss. Der Stromanschluss stellt den Permanentbetrieb der Messstelle sicher. Durch die verfügbare Infrastruktur (u. a. Messhütte) wird die Messstelle regelmäßig für die Durchführung von Forschungsvorhaben genutzt.

Hartheim Main Tower

Der grosse Messturm 30 m erlaubt Profilmessungen der Temperatur, Feuchte, und des Windes, sowie Strahlungs- und Flussmessungen im und über dem Bestand (Photo: A. Christen)

Niederschlagsmessungen

Der Freilandniederschlag (Niederschlag über dem Wald) wird mit einem Niederschlagsgeber HP (Ombrometer nach dem Tropfenzählerprinzip) auf dem kleinen Messturm gemessen. Ein CS125 Sensor erfasst die Intensität und die Form des Niederschlagsgeber und ggf. Nebels. Der Kronendurchlass (abtropfender und durchfallender Niederschlag am Waldboden) wird mit vier Regenrinnen erfasst. Durch spiralförmige PVC-Manschetten mit Sammelgefäßen wird an sieben Bäume mit wöchentlicher Leerung der Sammelgefäße der Stammabfluss erfasst.

Strahlungsmessungen

Auf der Turmspitze werden Strahlungsmessungen der eingehenden und ausgehenden Strahlung jeweils separat für kurzwellige Strahlung (Pyranometer) und langwellige Strahlung (Pyrgeometer) gemessen. Mit einer Photozelle wird die photosynthetisch aktive Strahlung erfasst. Zwei Phenocams registrieren die jahreszeitliche Entwicklung des Waldes im sichtbaren und nahen Infrarotbereich.

  

Die jeweils aktuellsten Bilder der Phenocams auf 30 m Höhe (links) und auf 8 m Höhe im Stammraum (rechts). Die Daten werden über das globale PhenoCam Netzwerk automatisch ausgewertet.

Profilmessungen Temperatur / Feuchte

Am grossen Turm werden Profile der Temperatur, Feuchte im und über dem Wald gemessen. Bei der Temperatur- und Feuchtemessung kommen auf 5 Höhen aktiv ventilierte Psychrometer nach Frankenberger (Pt 100) zum Einsatz. 

Wind, Turbulenz, Baumschwingungen

Die Profile des Windes und der Turbulenz werden mit einem Profil mit Ultraschallanemometern erfasst. Die Ultraschallanemometer messen die dreidimensionalen Windvektor auf 5 Höhen zwanzig mal pro Sekunde. Mit speziellen Inklimometern und Beschleunigungssensoren wird die Bewegung der Bäume aufgezeichnet.

Energie- und Spurengasflüsse

Ein Ultraschallanemometer-thermometer kombiniert mit einem Gasanalysator für Kohlendioxid und Wasserdampf bestimmt die tubulente Flusses fühlbarer und latenter Wärme sowie den Austausch von Kohlendioxid mit der Eddy-Kovarianz-Methode. An viel Bäumen kommen zusätzlich Dendrometer zum Aufzeichnen des Baumwachstums Einsatz.

Bodenmessungen

Bodentemperaturen werden in 1, 3, 5,10, 20, und 40 cm Tiefe gemessen. Bodenfeuchte wird mittels TDL (Time Domain Reflectomerty) bestimmt. Mittels vergrabenen und selbstkalibrierenden Bodenwärmeflussplatten wird der Bodenwärmestrom in den Waldboden gemessen.

Ausgewählte Forschungsarbeiten an der Forstmeteorologischen Messstelle Hartheim