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Forstmeteorologische Messstelle Hartheim

  

Ziele und Aufgaben der Messstelle

Die Forstmeteorologische Messstelle Hartheim der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg  (Fluxnet ID: "DE-Har") 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 40 begutachtete Publikationen über Messungen und Modellierungen, die an der Messstelle durchgeführt wurden, in der wissenschaftlichen Literatur veröffentlicht worden.

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

Standort

Bestandesstruktur 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: 17,3 m hoch). Der Bestand ist charakterisiert durch eine homogene Struktur. Der Forst wurde in den letzten 50 Jahren mehrfach durchforstet:

Die Entwicklung der Bestandeshöhe (grün, linke Achse in m) und der Bestandsdichte (blau, rechte Achse in Bäume / ha) an der forstmeteorologischen Messstelle Hartheim von 1969 bis 2019.

Klima

Besondere Eigenschaften der Hartheimer Messstelle sind regelmäßig wiederkehrende sommerliche Trockenperioden:

 

Standorteigenschaften und Klima an der Forstmeteorologischen Messstelle Hartheim

Geogr. Länge 
(WGS-84)
7.59814°E Jahresmittel der Lufttemperatur (1978 -2018) 10,6°C
Geogr. Breite 
(WGS-84)
47.93391°N Mittlere Jahresniederschlagssumme (1978 - 2018) 641 mm / Jahr
Höhe über NN 201 m Mittlere Globalstrahlung (1978 - 2018) 4,25 MJ / (Jahr m2)

 

Die Entwicklung der Jahresmitteltemperatur an der forstmeteorologischen Messstelle Hartheim von 1978 bis 2018relativ zum 41-jährigen Mittel 1978 - 2018. Rote Jahre waren überdurchschnittlich warm, blaue Jahre kühl.

Die Entwicklung des Jahresniederschlages an der forstmeteorologischen Messstelle Hartheim von 1978 bis 2018 relativ zum 41-jährigen Mittel 1978 - 2018. Blaue Jahre waren niederschlagsreich, gelbe Jahre trocken.

Die Anomalien im Jahr 2018 (in rot) im Bezug auf das 41-jährigen Mittel 1978 - 2018 in Hartheim.

Die Entwicklung der Globalstrahlung an der forstmeteorologischen Messstelle Hartheim von 1978 bis 2018 relativ zum 41-jährigen Mittel 1978 - 2018. Blaue Jahre waren strahlungsärmer, gelbe Jahre haben mehr Sonnenstrahlung erhalten.

In den letzten Jahren (2014, 2015 und 2018) litt der Kiefernwald unter extremen Trockenstress und erhöhten Temperaturen, 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.

Bodenverhältnisse

Schäfer (1977) spricht den Bodentyp im Bereich der Forstmeteorologischen Messstelle Hart- heim als anthropogene Kalkpaternia-Pararendzina an. Wegen der vergleichsweise geringen Niederschläge, woraus eine eingeschränkte Lösungsverwitterung resultiert, und wegen der hohen Carbonatgehalte stagniert die Bodenentwicklung. Der pH-Wert des Mineralbodens liegt zwischen 7.6 und 8.3; der Stickstoffgehalt in der Deckschicht schwankt zwischen 0.23 und 0.14 % (Hädrich und Stahr, 1992).

Die edaphischen Gegebenheiten lassen bereits vermuten, dass Fein- und Mittelwurzeln haupt- sächlich in der Deckschicht zu finden sind. Obwohl der Boden eine bodenartbedingte hohe Wasserkapazität aufweist, kann er wegen der Flachgründigkeit der Deckschicht nur geringe Wasservorräte bilden. Trotz hoher Nährelementvorräte ist das Nährstoffangebot aufgrund der eingeschränkten chemischen Verwitterung relativ gering (Schäfer, 1977).

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 (CSAT3B Campbell Scientific Inc., Logan, USA) kombiniert mit einem Gasanalysator für Kohlendioxid und Wasserdampf (Li-7200 Closed Path Analyzer, Licor Inc., Lincoln, USA) bestimmt auf 23 m Höhe die tubulenten Flüsse 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.

Eddy Covariance System Hartheim

Das Eddy-Kovarianz-System über dem Wald misst kontinuierlich den Austausch von Wärme und Spurengasen, hier auch ein  Sensor für die Bestimmung der Aufnahme / Abgabe von Methan (Photo: A. Christen)

Bodenmessungen

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

Publikationen mit Daten der Forstmeteorologischen Messstelle Hartheim

Begutachtete Zeitschriftenbeiträge

Doktorarbeiten 

  • Maier M, 2011: Die kurz- und mittelfristigen Veränderungen des CO2-Vorrats in Böden. Doktorarbeit an der Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Imbery F, 2005: Langjährige Variabilität der aerodynamischen Oberflächenrauhigkeit und Energieflüsse eines Kiefernwaldes in der südlichen Oberrheinebene (Hartheim). Berichte des Meteorologischen Instituts der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 14 (Zugl. Dissertation  an der Geowissenschaftlichen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg).
  • Rost J, 2004: Vergleichende Analyse der Energiebilanz zweier Untersuchungsflächen der Landnutzungen "Grasland" und "Wald" in der südlichen Oberrheinebene. Berichte des Meteorologischen Instituts der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg,  9 (Zugl. Dissertation  an der Geowissenschaftlichen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg). 
  • Schindler D, 2004: Characteristics of the atmospheric boundary layer over a Scots pine forest. Berichte des Meteorologischen Instituts der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Band 11 (Zugl. Dissertation  an der Geowissenschaftlichen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg). 
  • Haggagy, M E-N A, 2003: A sodar-based investigation of the atmospheric boundary layer. Berichte des Meteorologischen Instituts der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Band 8 (Zugl. Dissertation  an der Geowissenschaftlichen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg). 
  • Königer P, 2002: Tracerhydrologische Ansätze zur Bestimmung der Grundwasserneubildung an einem Trockenstandort.Freiburger Schriftenreihe zur Hydrologie, Band 16, (Zugl. Dissertation an der Geowissenschaftlichen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg).
  • Sturm N, 1998: Steuerung, Skalierung und Umsatz der Wasserflüsse im Hartheimer Kiefernforst (Pinus sylvestris L.) - eine Synthese aus Freilanduntersuchung und Modellierung physiologischer Prozesse. Doktorarbeit an der Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften der Universität Bayreuth.
  • Vogt R, 1995: Theorie, Technik und Analyse der experimentellen Flussbestimmung am Beispiel des Hartheimer Kiefernwaldes. Stratus, Band 3 (Zugl. Dissertation Universität Basel).
  • Garthe H-J, 1985: Über das langjährige Verhalten der Energiehaushaltskomponenten eines mitteleuropäischen Kiefernwaldes. Doktorarbeit an der Geowissenschaftlichen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Keding IW, 1985: Klimatologische Untersuchung der atmosphärischen Gegenstrahlung und Vergleich von Berechnungsverfahren anhand langjähriger Messungen im Oberrheintal. Doktorarbeit an der Geowissenschaftlichen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Schott R, 1978: Untersuchungen über die Energiehaushaltskomponenten in der atmosphärischen Grenzschicht am Beispiel eines Kiefernbestandes in der Oberrheinebene (Hartheim/Rh.). Doktorarbeit an der Geowissenschaftlichen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.

Diplom, B.Sc. und M.Sc. Arbeiten

  • Grün M, 2019: BVOC-emissions of Scots pine 13C-metabolic tracing and changes under drought. M.Sc. Thesis in Environmental Sciences, Chair of Ecosystem Physiology, Faculty of Environment and Natural Resources.
  • Gundlach H-C, 2008: Untersuchungen zu Biegemechanischen Eigenschaften und dem Schwingungsverhalten von Waldkiefern. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Harsch J, 2008: Respiration von Wäldern. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Maier M, 2007: Die mittelfristige Dynamik des gasförmigen Kohlenstoffvorrats des Bodens an der Forstmeteorologischen Messstelle Hartheim. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Egner J-P, 2006: Biegemechanische Eigenschaften von Waldbäumen. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Ehler C, 2005: Untersuchung zur Anwendbarkeit des schottischen Sturmschadensrisikomodells ForestGALES für Waldbestände in Baden-Württemberg. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Müller J, 2005: Forstmeteorologische Analyse der Dürre 2003 in Baden-Württemberg. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Türk M, 2004: Jahresbilanz des turbulenten CO2-Flusses über dem Hartheimer Kiefernwald. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Wellpott A, 2003: Vergleichende Analyse der Wasserhaushaltsmodelle WBS3 und BROOK90. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Dabrowski C, 2002: Auswirkungen von Durchforstungen auf den Wasserhaushalt eines Kiefernwaldes. Diplomarbeit an der Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Schindler D, 2001: CO2-, Wasserdampf- und Ozonflußdichten über dem Hartheimer Kiefernwald. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Holzkämpfer S, 2000: Isotopenhydrologische Ansätze zur Ermittlung der Evaporation aus dem Bodenspeicher im Hartheimer Kiefernwald. Diplomarbeit an der Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Lautenschlager K, 1999: Isotopenhydrologische Untersuchung des Bodenwassers zur Beurteilung von Versickerungsprozessen im Hartheimer Kiefernwald. Diplomarbeit an der Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Kaiser T, 1998: Witterungsinformationen aus Jahrringen. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Berenguer SC, 1997: Wasserhaushalt eines Kiefernwaldes der Oberrheinebene. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Linser S, 1996: Human-biometeorologische Funktionen in Wäldern. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Schilli A, 1996: Vergleich der Verdunstung dreier Waldstandorte. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Kühl K, 1995: Freiland-Untersuchungen zum Thiolhaushalt an Waldkiefern (Pinus sylvestris) unter Trockenstress. Diplomarbeit am Institut für Forstbotanik und Baumphysiologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Wisshak K, 1995: Evatranspiration der Unterwuchsvegetation eines Kiefernforstes in der Oberrheinebene bei Freiburg. Diplomarbeit an der Lehrstuhl der Pflanzenökologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Peck AK, 1995: Verdunstung von Wäldern in Abhängigkeit von Bestandesparametern. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Sturm N, 1993: Untersuchung zum Wasserhaushalt der Bodendeckschicht eines Kiefernwaldes bei Hartheim am Oberrhein. Diplomarbeit an der Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Brake C 1992: Komponenten des Waldniederschlags Analyse langjähriger Messungen an einem Kiefernwald in der Oberrheinebene. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Weikl J, 1991: Bestandsniederschlag und Interzeption in Abhängigkeit von Bestandsparametern. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Heiderich SU, 1989: Die Bedeutung und Verwendung von Blattflächenindex und Blattflächendichte unter besonderer Berücksichtigung der Forstmeteorologie, nebst einer praktischen Bestimmung dieser Größen in einem Kiefern- (Pinus silvestris L.) bestand. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Wicke W, 1988: Studien zu einem Verdunstungsmodell für einen Wald. Diplomarbeit an der Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Kröner E 1988: Auswirkungen von Temperatur und Niederschlag auf die Jahrringstruktur der Gemeinen Kiefer (Pinus sylvestris L.) in verschiedenen Höhenlagen Südbadens. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Vogt R, 1988: Die aktuelle Verdunstung eines Kiefernwaldes berechnet für eineinhalb Jahre. Diplomarbeit am Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Müller R, 1987: Interzeption in einem Kiefernforst der Oberrheinebene. Diplomarbeit am Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Butz H, 1984: Das Thermische Milieu eines jungen Kiefernbestandes in der Rheinaue bei Hartheim unter besonderer Berücksichtigung der Strahlungstemperaturen verschiedener Oberflächen. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Merkel H, 1981: Unregelmäßigkeiten in der Jahrringstruktur junger Kiefern (Pinus silvestris L. und Pinus nigra ARNOLD) und deren klimatologische Interpretation. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.

Buchkapitel, Berichte und Konferenzbeiträge