Influence of vegetation height on temperature measurements

Abstract

The environmental conditions surrounding a meteorological site influence the measurements taken at that site. To account for this, the World Meteorological Organization's (WMO) Commission for Instruments and Methods of Observation (CIMO) provides guidelines for how temperature, precipitation, wind, and radiation measuring sites should be classified in their Siting Classification for Surface Observing Stations on Land (SC). These guidelines are given in the appendix of WMO CIMO's guide. The classifications given in the SC for temperature measuring sites take into consideration the factors of distance from heat sources and water bodies, slope, shade, and height of vegetation. A site's classification impacts the way its measurements are interpreted, including adding additional estimated uncertainty to the measurements to account for the site's environmental conditions. As an increasing number of countries are utilizing the SC, issues therein have been identified, and recommendations have been made to conduct further analysis of the SC criteria. These recommendations included, among other aspects, the category height of vegetation.

This thesis aimed to analyze and examine the influence of increased vegetation height on temperature measurements. The data used are from an experiment conducted in Ås, Norway, where air temperature and humidity data were collected hourly at two locations; one where the grass was cut (C) and one where the grass remained uncut (U). Data were collected at three heights in order to better understand the temperature profile. The grass at U was 40-50 cm tall throughout the majority of the experiment's duration. The SC currently estimates the additional estimated uncertainty of vegetation taller than 25 cm to be 2°C.

This thesis' analysis of the observations showed that the most common difference between temperature measured at the two locations at 2 m was 0.0°C and that 97.4% of the differences in temperature between U and C were in the interval [-0.3°C, 0.3°C]. Furthermore, the largest observed difference in temperature between U and C at 0.55 m was 1.4°C. Of these values, 88.5% were in the ±0.3°C-interval.

As expected, the analysis also showed that weather impacted how strongly the influence of surface properties affected air temperature. Low wind and cloud cover increased the influence and made the difference between air temperature measured at U and C larger.

It is a well-known fact that increased vegetation density results in subdued diurnal temperature variation. When evaluating the difference in daily maximum and minimum temperature, this notion was demonstrated. The daily maximum temperature was generally lower over uncut grass than over cut grass, and the daily minimum was generally higher. However, the difference in daily maximum and minimum temperature between U and C at 2 m had median values of 0.0°C and 0.1°C respectively, making the differences smaller than would be expected based on the current SC guidelines.

The findings of this study indicate that increased vegetation height influences air temperature to a lesser degree than WMO CIMO suggests, and that the limits for vegetation height in the SC might be too strict.

Miljøforholdene rundt en meteorologisk stasjon påvirker målingene som blir gjort der. Verdens meteorologiorganisasjons (WMO) kommisjon for instrumenter og metoder for observasjon (CIMO), redegjør for dette ved å gi retningslinjer for hvordan målestasjoner for temperatur, nedbør, vind og stråling skal klassifiseres. Disse retningslinjene finnes i deres Siting Classification Guide (SC). Klassifiseringene som blir gitt for målestasjoner for temperatur tar hensyn til følgende kategorier for påvirkning: avstand fra varmekilder og vannmasser, helning, skygge og vegetasjonshøyde. Klassifiseringen av en målestasjon påvirker tolkingen av målingene. Dette skjer gjennom blant annet at målingene blir gitt en ytterligere estimert usikkerhet for å redegjøre for stasjonens miljøforhold. Ettersom stadig flere land tar i bruk SC er det blitt identifisert problemer med guiden, og ytterligere analyse av kriteriene i SC har blitt anbefalt. Disse anbefalingene inkluderer blant annet å gjennomføre en analyse av vegetasjonshøydekategorien.

Målet med denne oppgaven er å analysere og undersøke påvirkningen av økt vegetasjonshøyde på temperaturmålinger. Dataene som ble brukt er fra et eksperiment utført i Ås i Norge, der lufttemperatur- og fuktighetsmålinger ble samlet inn hver time på to steder. På det ene stedet ble gresset klipt (C) og på det andre stedet forble gresset uklipt (U). Data ble samlet inn i tre høyder for å få en bedre forståelse av temperaturprofilen. Gresset ved U var 40-50 cm høyt gjennom mesteparten av eksperimentet. SC anslår at den ekstra estimerte usikkerheten til stasjoner med vegetasjon høyere enn 25 cm er 2°C

Resultatene som presenteres i oppgaven viser at den vanligste forskjellen mellom temperatur målt på de to stedene i 2 m var 0,0°C, og at 97,4% av temperaturforskjellene mellom U og C var i intervallet [(-0,3°C), (0,3°C)]. Videre var 1,4°C den største observerte temperaturforskjellen mellom U og C i 0,55 m og 88,5% av disse temperaturforskjellene var mellom -0,3°C og 0,3°C.

Som forventet viste analysen også at været hadde innflytelse på hvor sterk overflatens påvirkning var på lufttemperaturen. Lav vind og lavt skydekke økte påvirkningen og gjorde forskjellen mellom lufttemperatur målt ved U og C større.

Det er et kjent faktum at økt vegetasjonstetthet resulterer i mindre daglig temperaturvariasjon. Ved evaluering av forskjellen i daglig maksimums- og minimumstemperatur ble dette observert. Den daglige maksimale temperaturen var generelt lavere over uklippet gress enn over klippet gress, og det daglige minimum var generelt høyere. Forskjellen i daglig maksimal og minimumstemperatur mellom U og C ved 2 m hadde imidlertid medianverdier på henholdsvis 0,0°C og 0,1°C. Disse forskjellene er mindre enn forventet basert på gjeldende retningslinjer i SC.

Funnene fra denne studien indikerer at økt vegetasjonshøyde påvirker lufttemperaturen i mindre grad enn WMO CIMO antyder, og at grensene for vegetasjonshøyde i SC kan være for strenge.