Was kennzeichnet ein System ? Gliederung Systemauswirkungen 1 Zustandsgrößen als ‚Gedächtnis‘ des Systems 2 Systemkomponenten und Systemstruktur 3 Systembildung und Systemstruktur 4 Skalenbasierte Systemanalyse 5 Methodische Integration und Schnittstellen 6 Skalenübergänge und multiskalige Systemanalyse 7

Was kennzeichnet ein System ? Skalenproblematik und Analysefenster Knowledge about complex interaction Time of system impact response micro meso macro Degree of spatial heterogeneity Spatial scale ? Σy/n y=f(x,t) F(y) Σy ? x=? Analysis Window

Was kennzeichnet ein System ? Systemauswirkungen Systeme wirken über ihre Zustandsvariablen, d.h. über Austragsgrößen und Verhaltensgrößen auf die Systemumwelt. 1 Der Systemaustrag ergibt sich als Vektor aus der Summe der Veränderung der Zustandsgrößen des Systems, die auf einen Eintragsimpuls reagieren. 2 Zustandsgrößen (Zustandsvariable) sind definiert: „Voneinander unabhängige Systemparameter, aus denen sich zu jeder Zeit das Zustand des Systems einschließlich seiner daraus ableitbaren dynamischen Verhaltensgrößen ergibt.“ Bsp.: Speicherfüllung, Fließzustand, Wachstum 3 Zustandsvariablen lassen sich in verschiedenen Einheiten (Volumen, Masse) oder auch dimensionslos angeben. 4

Was kennzeichnet ein System ? Systemauswirkungen Selbst wenn nicht alle Zustandsvariable des Systems bekannt sind, kann in der Regel die Anzahl festgelegt werden, die zu Systembeschreibung notwendig ist. Diese Anzahl bezeichnet man als die Dimensionalität des Systems. 5 Die Dimensionalität bestimmt die Anzahl der Differential- oder Differenzengleichungen, die zur Berechnung der Zustands-änderung des Systems notwendig sind. 6

Was kennzeichnet ein System ? Zustandsgrößen als “Gedächtnis” des Systems Zustandsgrößen (Zustandsvariable) sind Angaben über den Füllzustand der „Systemspeicher“ die konzeptionell definiert werden können. Bsp.: Schneedecke – Wassergehalt Porenvolumen – Bodenfeuchte Vegetation - Biomasse 1 Durch sie wird die Energie des Systems verwaltet, und ihr aktueller Zustand ergibt sich als Differenz zwischen dem ‘alten’ Zustand und der aktuellen Bilanz (Eintrag – Austrag). 2 Zustandsgrößen beschreiben das Ergebnis der Systemdyna-mik, bei der Prozesse Zustandsänderungen hervorrufen (Bsp.: Abnahme der Bodenfeuchte). Letztere charakterisieren den Systemdynamik aber nicht den Systemzustand. 3

Was kennzeichnet ein System ? Zustandsgrößen als “Gedächtinis” des Systems Bei der Bestimmung der Dimensionalität (Anzahl der domi-nanten Zustandsvariablen) ist es sinnvoll, die Systemdynamik ‚schrittweise‘ ablaufen zu lassen und die Dynamik zwischen den Zeitschritten ‚einzufrieren‘. 4 Beim ‚Anhalten‘ des System lassen sich dann die Zustands-variablen, ihre Veränderungen und die verursachenden Verhaltensprozesse herausarbeiten. Bsp.: Zustandsvariable Bodenfeuchte Veränderung Abnahme Prozess Wurzelentzug durch ET 5 Für die Systemanalyse gilt: Zustandsgrößen beschreiben Systemspeicher und werden im konzeptionellen Systemmodell definiert. Systemprozesse führen zu Änderungen der Systemspeicher (Zustandsgrößen), d.h. zu einer Zustandsänderung des Gesamtsystems. 6

Was kennzeichnet ein System ? Systemkomponenten und Systemstruktur Ziel dieser Analyse ist es, die funktionalen Teile des Systems herauszuarbeiten. Dabei kommt es nicht darauf an, das Detail zu verstehen, sondern die Funktionsweise des Systems mit Hilfe der Hauptkomponenten darzustellen. Bsp.: Auto – Detail: Ausrücklager der Kupplung? Hangsystem – Detail: Wo liegt Schuttblock? Vegetation – Detail: Wo ist Blatt? 1 Die funktionalen Systemelementen der Systemstruktur werden folgendermaßen differenziert: 2 Unteilbare Systemelemente ohne innere Struktur, die durch Merkmale (Parameter) beschrieben werden. Bsp.: Talauenlehm mit Korngrößenverteilung 1 Systemelemente, die eigenständige Subsysteme darstellen und weiter differenziert werden können. Bsp.: Vegetation mit Verdunstungsdynamik 2

Was kennzeichnet ein System ? Systemkomponenten und Systemstruktur Erst wenn die Hauptkomponenten und die Wirkungsstrukturen zwischen ihnen festgelegt sind, kann man daran gehen, diese weiter zu untergliedern. 3 Diese Differenzierung der Systemstruktur wird von den Aufgabestellungen für die Systemanalyse bestimmt. 4 Am Ende des Vorgangs liegen ‚kopfgroße‘ Teilkomponenten des Systems vor, die Gegenstand der Systemsynthese sind, und das Systemverständnis über die Prozessdynamik ausmachen. 5 Die Verknüpfungen (Wirkungsbeziehungen, Systemrelationen) zwischen den Systemelementen werden wie folgt differenziert: 6 Statische Ordnungsrelationen, die sich aus der Anordnung der Systemelemente zueinander ergeben. Bsp.: Talauenlehm mit Sedimentschichtung 1

Was kennzeichnet ein System ? Systemkomponenten und Systemstruktur Dynamische Wirkungsrelationen, bei denen Prozesse in den Subsystemen sich gegenseitig beeinflussen. Bsp.: Bodenwassergehalt und Verdunstungsdynamik 2 In der Systemanalyse werden beide Relationen berücksichtigt, um die Systemdynamik in ihrer räumlichen Verteilung realistisch abzubilden. 7 Bei der Anordnung der Systemkomponenten in der Wirkungs-struktur des Systems unterscheidet man zwischen Hierarchischer Struktur Ringstruktur Sternstruktur Netzstruktur 8 In realen Umweltsystemen treten diese Strukturen auch mit-einander gemischt auf. 9

Was kennzeichnet ein System ? Systemkomponenten und Systemstruktur Hierarchische Struktur Ringstruktur Netzstruktur Sternstruktur

Was kennzeichnet ein System ? Ableitung von Systemkomponenten

Vegetation/Interception Snow pack/Sublimation Impervious/Interception Actual Evapotranspiration (ET) River Runoff Litter/Interception Vegetation/Interception Dp Interflow Groundwater flow Surface runoff E Pe Cr Soil surface Recharge Zone Lower Zone Groundwater Zone In Sm Ponding Lf ATMOSPHERE Temperature Precipitation Direct runoff Snow pack/Sublimation Radiation P Df Sf Tf T

Was kennzeichnet ein System ? Systembildung und Systemstruktur Die Differenzierung von Systemen in eigenständige Subsysteme ist ein wichtiges Element der skalenbasiert Systemanalyse und ermöglicht es, die Systemkomplexität in Bezug zu Zeit und Raum aufzulösen. 1 Horizontal angeordnete Subsysteme differenzieren die räumliche Heterogenität im gewählten Maßstab, z.B. die räumlich verteilte Landnutzung eines Einzugsgebiets. 1 Dabei müssen Umweltsysteme für jede Skalenauflösung (Level) nach folgenden Kriterien differenziert werden: 2 Vertikal angeordnete Subsysteme differenzieren die ver-schiedenen Ebenen der Systemhierarchie, z.B. für die Abbildung des vertikalen Wasser- und Stofftransports. 2 Subsysteme die entsprechend ihrer kybernetischen Grundfunktion angeordnet sind, z.B. Feuchtgebiete. 3

Horizontal und vertikal angeordnete Subsysteme werden im HRU-Ansatz prozessorientiert kombiniert. 3 Digitales Geländemodel Hydrologische RU als homogene, prozess- basierte Modeleinheiten Overlay-Analyse (GIS) RU-Modelparameter GIS-Datenflächen Form, Gradient, Exposition, Länge, Fläche, Topologie DGM Versiegelte Fläche, Vegetation, Blattflächenindex, Verdunstung Landnutzung Porenvolumen, Feldkapazität, Textur, Durchlässigkeit Böden Speicherkapazität, Pororität, Transmissivität Geologie Landnutzung Böden Geologie

Die kybernetische Grundfunktion ist Basis für die Ableitung von Subsystemen in der integrierten Landschaftssystemanalyse. 4 Grundwasser Kondensation Niederschlag Transpiration Evaporation Abfluss Ozeanströmung S

Was kennzeichnet ein System ? Methodische Integration und Schnittstellen Für jede Skale müssen die horizontale als auch für die vertikale Systemstruktur durch methodische Kombination von Techniken der Geoinformatik angepasst aufgelöst werden. 1 Die skalenbasierte Systemanalyse liefert so im Ergebnis wissensbasierte Schnittstellen (Interfaces) für ein skalenübergreifendes, integrierte Systemverständnis. 2 Jeder Skalenauflösung von Umweltsystemen ist gemein, dass im Zentrum der Systemanalyse die folgenden drei elementaren Klassen mit ihren Komponenten angeordnet sind: 3 Abiotische Komponenten des Naturpotenzials. 1 Biotische Komponenten des Lebensraums. 2 Sozio-ökonomische Komponenten der anthropogenen Nutzung von Naturpotenzial und Lebensraum. 3

global scale meso scale macro scal e micro scale Quantity downscaling Remote Sensing DBMS GIS Models I Quality Quantity Basin System Component Class abiotic class atmosphere geosphere pedosphere topography hydrosphere biotic biosphere flora fauna wetlands resources socio-econ. agriculture industry gender settlements policies upscaling

Was kennzeichnet ein System ? Skalenübergänge und multiskalige Systemanalyse Methodische Integration und Schnittstellen ermöglichen es, skalenbasierte Wirkungsstrukturen von Umwelstystemen zu erstellen und sie in ihrer Komplexität durch einen integrierten, multiskaligen Ansatz zu erfassen. 1 Je nach der Richtung des Skalengradienten wird er als ‚Bottom-up‘ Ansatz beim ‚upscaling‘ oder ‚Top-down‘ Ansatz beim ‚downscaling‘ bezeichnet, wobei die folgenden Skalen durchlaufen werden: 2 Mikroskala für die jeweils kleinste Auflösung, z.B. die HRU als distributive Modelleinheiten eines Einzugsgebiets. 1 Mesoskala z.B. für die Abbildung des vertikalen Wasser- und Stofftransports in Landschaftseinheiten. 2 Makroskala z.B. für die Abbildung des vertikalen Wasser- und Stofftransports in Flusseinzugsgebieten. 3

Bottom up Approach (Aggregation) Top down Approach (Disaggregation) Macroscale River Basin Integrated System Management Objects (SMO) Bottom up Approach (Aggregation) Human Dimension Natural Environment RU HRU ERU Top down Approach (Disaggregation) System Information Objects (SIO) Topographic Land Objects Water Demand Objects Community Objects

Was kennzeichnet ein System ? Multiskalige Flusseinzugsgebietsanalyse der Saale Thür. Schiefergebirge: Weida = 102 km² Leipziger Loess-Gebiet: Parthe = 311 km² Harz: Bere = 62 km² Thüringer Schiefergebirge: Orla = 255 km² Thüringer Wald: Ilm bis Pegel Gräfinau-Angstedt = 155 km² Elbe