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UFZ Modellzentrum: Angewandte Landschaftsökologie
Dr. Karsten Schulz
Fachbereich UmweltsystemmodellierungUFZ - Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle
Die Bedeutungräumlicher Strukturen und Muster
für das hydrologische Prozessgeschehen
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Inhalt
• Bedeutung hydrologischer Prozesse
• Einfluss von Strukturen– Infiltration
– Oberflächenabfluss
– Verdunstung
• Forschungsbedarf
• Zukünftige Aktivitäten
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Bedeutung hydrologischer Prozesse
(aus Miller, 1990)
Niederschlag
Oberflächenabfluss
Infiltration
GW-Fluss
Verdunstung
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Bedeutung hydrologischer Prozesse
• Trinkwasser
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Bedeutung hydrologischer Prozesse
• Trinkwasser
• Landwirtschaftliche Produktion
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Bedeutung hydrologischer Prozesse
• Trinkwasser
• Landwirtschaftliche Produktion
• Transport und Verlagerung von Schad-und Nährstoffen
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Bedeutung hydrologischer Prozesse
• Trinkwasser
• Landwirtschaftliche Produktion
• Transport und Verlagerung von Schad-und Nährstoffen
• Klima und Wetter
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
• Trinkwasser
• Landwirtschaftliche Produktion
• Transport und Verlagerung von Schad-und Nährstoffen
• Klima und Wetter
• Hochwasser
Bedeutung hydrologischer Prozesse
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Landschaftswasserhaushalt
(aus Miller, 1990)
Wassergehalte an der Bodenoberfläche
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Skalenproblematik
uS KK ,,ψuS KK ,,ψ
Labor (REV)
Einzugsgebiet
Feld
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Räumliche Variabilität - Skalen
Blöschl (1995)
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Inhalt
••• Bedeutung hydrologischer ProzesseBedeutung hydrologischer ProzesseBedeutung hydrologischer Prozesse
• Einfluss von Strukturen– Infiltration
– Oberflächenabfluss
– Verdunstung
••• ForschungsbedarfForschungsbedarfForschungsbedarf
••• Zukünftige AktivitätenZukünftige AktivitätenZukünftige Aktivitäten
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Skalenproblematik
• Tracerexperimente
Tracer Infiltrations-ExperimenteFlury (1992), Stamm (1995)
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Strukturen - Infiltration
Vogel & Babel (2004)
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Abflussbildung 1
Oberflächenabflussim
Tropischen Regenwald
Elsenbeer & Godsey (2003)
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
0
10
20
30
40
50
60
0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10
Time (hh:min)
Run
off (
mm
/h)
Infiltration Rate
Rate of Irrigation
Abflussbildung 1
Elsenbeer & Godsey (2003)
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
0
10
20
30
40
50
60
0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10
Time (hh:min)
Run
off (
mm
/h)
Rate of Irrigation
Infiltration Rate i
Elsenbeer & Godsey (2003)
Abflussbildung 2
Event 1Event 2 (2 hours later)
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
0
10
20
30
40
50
60
0:00 0:15 0:30 0:45 1:00 1:15 1:30 1:45 2:00 2:15 2:30 2:45 3:00
Time (hh:min)
Run
off (
mm
/h)
Rate of Irrigation
ii
Elsenbeer & Godsey (2003)
Abflussbildung 3
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
0
10
20
30
40
50
60
0:00 1:30 3:00 4:30 6:00
Time (hh:min)
Run
off (
mm
/h)
Rate of Irrigation
i
Elsenbeer & Godsey (2003)
Abflussbildung 4
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Hydrophobizität
Durner (2000)
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Strukturen - Runoff
Blöschl & Grayson (1995)
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Strukturen - Runoff
30mm/1h
Blöschl & Grayson (1995)
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Strukturen - Runoff
Blöschl & Grayson (1995)
5mm/1h
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Strukturen - Verdunstung
Vogel & Babel (2004)
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Strukturen - Verdunstung
Avissar & Pielke (1989)
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Inhalt
••• Bedeutung hydrologischer ProzesseBedeutung hydrologischer ProzesseBedeutung hydrologischer Prozesse
••• Einfluss von StrukturenEinfluss von StrukturenEinfluss von Strukturen––– InfiltrationInfiltrationInfiltration
––– OberflächenabflussOberflächenabflussOberflächenabfluss
––– VerdunstungVerdunstungVerdunstung
• Forschungsbedarf
••• Zukünftige AktivitätenZukünftige AktivitätenZukünftige Aktivitäten
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Forschungsbedarf
• Erfassen von Strukturen und ihrer Dynamik– Fernerkundung
ENVISAT
©ESA
Launch: 01. March 2002Data since 2003
ENVISAT
©ESA
ENVISAT
©ESA
Launch: 01. March 2002Data since 2003
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Forschungsbedarf
• Erfassen von Strukturen und ihrer Dynamik– Fernerkundung– Geophysikalische Methoden
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Forschungsbedarf
• Erfassen von Strukturen und ihrer Dynamik– Fernerkundung– Geophysikalische Methoden
Schlaeger (2005)Schädel (2003) 20 24 28 32 36 40 44 48
Volumetrischer Wassergehalt
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Forschungsbedarf
• Erfassen von Strukturen und ihrer Dynamik– Fernerkundung– Geophysikalische Methoden
Binley (2004)
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Forschungsbedarf
• Erfassen von Strukturen und ihrer Dynamik– Fernerkundung– Geophysikalische Methoden
• Mathematische Beschreibung– Topologie, Mathematische Morphologie
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Variabilität
µ„Realität“
Mittelwert Varianz
σ
Semivarianz
γ
Topologie/Struktur?
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Forschungsbedarf
• Erfassen von Strukturen und ihrer Dynamik– Fernerkundung– Geophysikalische Methoden
• Mathematische Beschreibung– Geostatistik, Topologie, Mathematische Morphologie
• Zeitliche Dynamik
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Verdunstung
• Optische Systeme
• Thermalscanner
(aus Enthekabi et al., 2004) Zeit [h]
Tem
per
atur
[°C] Trockener Boden
feuchter Boden
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Strukturen - Verdunstung
Grayson et al. (1997)
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Strukturen - Verdunstung
Grayson et al. (1997)
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Forschungsbedarf
• Erfassen von Strukturen und ihrer Dynamik– Fernerkundung– Geophysikalische Methoden
• Mathematische Beschreibung– Geostatistik, Topologie, Mathematische Morphologie
• Zeitliche Dynamik
• Zusammenhang zwischen Strukturen
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Forschungsbedarf
Wassergehalt
Textur,
Oberflächen-temperatur
PRI, Wetness Index
…
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Variabilität
µ„Realität“
Mittelwert Varianz
σ
Semivarianz
γ
Topologie/Struktur?
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Inhalt
••• Bedeutung hydrologischer ProzesseBedeutung hydrologischer ProzesseBedeutung hydrologischer Prozesse
••• Einfluss von StrukturenEinfluss von StrukturenEinfluss von Strukturen––– InfiltrationInfiltrationInfiltration
––– OberflächenabflussOberflächenabflussOberflächenabfluss
––– VerdunstungVerdunstungVerdunstung
••• ForschungsbedarfForschungsbedarfForschungsbedarf
• Zukünftige Aktivitäten
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Aktivitäten
• DFG-Forschergruppe– BAT IIa (O) 50%
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Aktivitäten
• DFG-Forschergruppe– BAT IIa (O) 50%
• „Vision“-Paper WRR
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Aktivitäten
• DFG-Forschergruppe– BAT IIa (O) 50%
• „Vision“-Paper WRR
• UFZ – Projekt
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Aktivitäten
• DFG-Forschergruppe– BAT IIa (O) 50%
• „Vision“-Paper WRR
• UFZ – Projekt
• Einbindung TERENO
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
Aktivitäten
• DFG-Forschergruppe– BAT IIa (O) 50%
• „Vision“-Paper WRR
• UFZ – Projekt
• Einbindung TERENO
• …
UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung
TERENO - Maßnahmen
• Einrichtung von Observatorien an 3 Standorten mit unterschieden demographischen und wirtschaft-lichen Entwicklungen
• Je Standort 4 Intensivmessflächen entlang eines Gradienten „städtisch-stadtnah-ländlich-naturnah“
• Ausstattung mit modernen Messsytemen, z.B. zur– Erfassung von Wasser-, Stoff- und Energieflüssen in
verschiedenen Umweltkompartimenten– Bestimmung ökologischer Kenngrößen/Proxies– Erfassung sozioökonomischer Daten
• Abstimmung mit Behörden und anderen Netzwerken (IEOS)