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Modellbildung in der Geoökologie (G5, 103) SS 2004 -29.4. Einführung, Modelle, Modellklassen - 6.5. Zustandsmodelle, Rekursion -13.5. Beispiel Phyllotaxis,

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Präsentation zum Thema: "Modellbildung in der Geoökologie (G5, 103) SS 2004 -29.4. Einführung, Modelle, Modellklassen - 6.5. Zustandsmodelle, Rekursion -13.5. Beispiel Phyllotaxis,"—  Präsentation transkript:

1 Modellbildung in der Geoökologie (G5, 103) SS Einführung, Modelle, Modellklassen Zustandsmodelle, Rekursion Beispiel Phyllotaxis, Definition von Ökosystemen Definition von Ökosystemen Populations- und Individuenbasierte Modelle (FK) Individuenbasierte Modelle Hydrologie, zelluläre Automaten Konzeptionelle Modelle der Hydrologie, Fallbeispiel, Modelle zur Gewässerversauerung Flussnetzwerke, Modelle in der Geomorphologie

2 Zusammenfassung Die Geometrie typischer Fliessregionen (in Einzugsgebieten): – ist heterogen, erscheint als komplex –und im Detail unbekannt (Ausnahme: Oberflächenform) Die beobachteten Muster im Abflussverhalten sind relativ leicht aus den Niederschlagsdaten zu rekonstruieren –Verdacht: (rel.) geringer Informationsgehalt in Abflussdaten Was bedeutet das –Für die Datenlage? (-> Vorlesung zur Zeitreihenanalyse im HS) –Für die Verwendung weiterer Messdaten (z.B. über die Morphologie) –Ist das inverse Problem überhaupt für Einzugsgebiete lösbar? –Handelt es sich eher um technische oder um prinzipielle Probleme? –Worauf beruht die Relevanz von Modellen ?

3 Art der Problemstellung Einzugsgebiet Input- Funktion Output- Funktion ? ? ? Vorhersage direktes Problem Parameter- identifikation (inverse Modelle) inverses Problem Entspricht der Geo-Definition von Ökosystemen

4 Ansatz (Forts.) Räumliche und zeitliche Aspekte lassen sich trennen: Es existiert ein mittleres Bild der Fliesswege mit dem ein Gebiet langfristig charakterisiert werden kann –Motivation: Die langfristige Entwicklung der Fliessregion ist im Gleichgewicht (und selbstorganisiert; Geomorphologie) –oder experimentell kontrolliert –Auf der Basis einfacher stationärer Fliesswege lässt sich die Verweilzeit bestimmen Es existiert ein mittleres Bild der Verweilzeiten mit dem große Regionen der Fliessregionen zusammengefasst werden können –Motivation: Porenraumverteilung ist ähnlich –oder künstlich so kontrolliert –Auf der Basis einfacher einfacher Verweilzeit lassen sich die Fliesswege bestimmen

5 Steady State Tracer Experimente 1.Argumente für Experimente mit Ökosystemen -Reversibilität von Boden- und Gewässer- Versauerung –Identifikation interner Prozesse neben der (Ökosystem)-Reaktion eines Einzugsgebietes 2.Argumente für steady state Experimente 3.Das G1 Einzugsgebiet (Gårdsjön, Schweden) 4.Ergebnisse: –Tracer-Anwendungen und Hydrologie –Sulfat 5.Schlussfolgerungen

6 1. Das Beispiel der Dächer im Wald 1980er: -verbreitet wird Gewässer- und Bodenversauerung in Nordeuropa festgestellt -Modellrechnung lassen allenfalls eine langsame Erholung nach einem Rückgang der Deposition erwarten (Jahrzehnte bis Jahrhunderte) -Es lag nur wenig Erfahrung vor zur tatsächlichen Rate der Erholung nach der Depositions-bedingten Versauerung 1990er: -Der Rückgang der Deposition ist stärker als erwartet -Die empirischen Modelle können um eine Beschreibung der Entsauerungs-Phasen erweitert werden -Die Diskussion um die Rolle der Modell hält an

7 Monitoring sites Stoddard et. al 1999 R R R R R

8 Ladungsbilanz Summe der Kationen = Summe der Anionen: Davon hängen ab vom CO 2 -Partialdruck

9 Pufferkapazität (Alkalinität) Auf der Basis der Landungsbilanz: oder

10 Decreasing Trends in Surface Waters: 1980ies and 90ies [eq.l -1.a -1 ]

11 Das erste Dach- Experiment: Risdalsheia, Norwegen Wright et al. (1993) Canad. J. Fish. Aqua. Sci. 50(2)

12 2. Das größte Dach-Experiment: Gardsjön, Schweden Fragen: Wie schnell reagiert Sulfat ? Wie schnell reagiert die Basensättigung im Boden ?

13 The Roofed Catchment at Gårdsjön, S 58°04 N, 12°01E 6300 m 2 gneissic granodiorite podzolic soils soil depth: cm Norway spruce (85 years) : covered by roof

14 Soil depth at G1 (area: 6300 m 2 ) Runoff

15 3. Argumente für Steady State Experimente. Gut definierte, reproduzierbare hydrologische Bedingungen -Randbedingungen (Wetter) beobachtet und/oder kontrolliert -Möglichkeiten für wiederholte Beobachtungen (Messfehler kann geschätzt werden) -Einfachere Modelle (stationäre Bedingungen) Liefert Referenz-Bedingungen für die Identifikation eines langfristigen Trends -Aber: mögliche Interferenzen mit Entsauerungs- Experiment

16 Messprinzipien für ein Problem der inverser Modellierung Bekannt und gesucht: Einzugsgebiet Input- Funktion Output- Funktion einfach ? ? ? komplex Vorhersage direktes Problem Parameter- identifikation (inv. Modell) inverses Problem

17 Experimental Setup sprinkled area: 1000 m 2 flow region: 2000 m 2 water storage: 530 m 3 steady state (> 3 days) tracers applied: Br, Cl, 2 H, 34 S

18 4. Results

19 4. Ergebnisse

20 Tracer Puls 1996

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22 4% 15% 58% Recovery 1996er Experiment

23 1-D Two Region Convection-Dispersion Model: Transport Equations

24 Ergebnisse der ersten drei Experimente

25 H [C/C 0 ] days since tracer application measured v = 0.01 m d -1, = , r 2 = 0.98 v = 5.00 m d -1, = , r 2 = H-Breakthrough Curve Gårdsjön 1996

26 CXTFIT-results for the 2 H-breakthrough 1996 dots: calculated parameter- sets triangles: optimal fits (all resulting in max r 2 = 0.984)

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29 Schlussfolgerungen G1 Hydrologie Reproduzierbare Aspekte: -Das Leck: Bilanzdefizit von 680 l/hr -Br Wiederfindung < 20% -Parameter übertragbar innerhalb eines Ereignisses Undichtigkeiten identifiziert Zeitlich aufgelöste Messungen der Verdunstungs- und Transpirationsraten für das Einzugsgebiet Die Transit Zeiten unter stationären und transienten Bedingungen ohne Korrelationen?

30 Modellierung der gelösten Inhaltsstoffe Verdünnungsreihen –Chlorid hängt nur ab vom Anfangswert ? –... noch von weiteren Randbedingungen ? Kationen mit Austauschreaktionen im Boden -Ca, Mg erreichen ein charakteristisches Niveau ? -Charakteristische Verhältnisse zwischen Kationen? Anionen mit Adsorption im Boden –SO 4 wie Cl oder Verhalten wie die Kationen ?

31 Beispiele für den Verlauf von gelösten Inhaltsstoffen

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34 Transient and steady-state sulphate levels in G1-runoff (Moldan, Lischeid pers. com.) Treatment starts

35 Schlussfolgerungen Dachexperiment Pech gehabt: -Das erste steady state Experiment wurde zu spät durchgeführt -Die Kontrollflächen erfuhren ungefähr denselben Depositionsrückgang wie die behandelten Flächen Einfache Antwort des Einzugsgebietes -Vorher: unmöglich vorherzusagen -Nachher: trivial zu modellieren Prozess Identifikation bleibt umstritten Keines der Dächer zeigt eine biologische Reaktion, die auf Erholung hinweist

36 Zusammenfassung: Zeitreihen-Modelle Erzeugung und Rekonstruktion von Mustern in –Zeitreihen zum Populationswachstum –Hydrologischen Zeitreihen Modelltypen –Empirisch (logistisches Wachstum, Verweilzeitmodell): keine interpretierbaren Parameter, aber angemessen an die tatsächlich Datenlage –Prozess-orientiert (explizite Geburtenraten, Richards- Gleichung): Lösungen gestatten keine Interpretation der Parameter, nicht invers modellierbar Ökosystem-Experimente –Auch unter kontrollierten Bedingungen bisher keine erfolgreiche inverse Modellierung von Prozessmodellen


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