Institut für Umweltwissenschaften und Geographie
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Analyse der Landschaftszerschneidung und -fragmentierung, Untersuchung und Anwendung verschiedener Zerschneidungsgeometrien und deren Implementierung für unterschiedliche Indikatoren. Die Ergebnisse des methodischen Vergleiches für den Landkreis Havelland sollen die Grundlage für die Auswahl der geeignetesten Methode bei einer landesweite Untersuchung in Brandenburg liefern.
To characterise the habitat preferences of ring ouzel (Turdus torquatus) and blackbird (T. merula) in Switzerland, we adopt species distribution modelling and predict the species’ spatial distribution. We model on two different scales to analyse in how far downscaling leads to a different set of predictors to describe the realised habitat best. While the models on macroscale (grid of one square kilometre) cover the entire country, we select a set of smaller plots for modelling on territory scale. Whereas ring ouzels occur in altitudes above 1’000 m a.s.l. only, blackbirds occur from the lowlands up to the timber line. The altitudinal range overlap of the two species is up to 400 m. Despite both species coexist on macroscale, a direct niche overlap on territory scale is rare. Small-scale differences in vegetation cover and structure seem to play a dominant role for habitat selection. On macroscale however, we observe a high dependency on climatic variables mainly representing the altitudinal range and the related forest structure preferred by the two species. Applying the models for climate change scenarios, we predict a decline of suitable habitat for the ring ouzel with a simultaneous median altitudinal shift of +440 m until 2070. In contrast, the blackbird is predicted to benefit from higher temperatures and expand its range to higher elevations.
The terrestrial biosphere impacts considerably on the global carbon cycle. In particular, ecosystems contribute to set off anthropogenic induced fossil fuel emissions and hence decelerate the rise of the atmospheric CO₂ concentration. However, the future net sink strength of an ecosystem will heavily depend on the response of the individual processes to a changing climate. Understanding the makeup of these processes and their interaction with the environment is, therefore, of major importance to develop long-term climate mitigation strategies. Mathematical models are used to predict the fate of carbon in the soil-plant-atmosphere system under changing environmental conditions. However, the underlying processes giving rise to the net carbon balance of an ecosystem are complex and not entirely understood at the canopy level. Therefore, carbon exchange models are characterised by considerable uncertainty rendering the model-based prediction into the future prone to error. Observations of the carbon exchange at the canopy scale can help learning about the dominant processes and hence contribute to reduce the uncertainty associated with model-based predictions. For this reason, a global network of measurement sites has been established that provides long-term observations of the CO₂ exchange between a canopy and the atmosphere along with micrometeorological conditions. These time series, however, suffer from observation uncertainty that, if not characterised, limits their use in ecosystem studies. The general objective of this work is to develop a modelling methodology that synthesises physical process understanding with the information content in canopy scale data as an attempt to overcome the limitations in both carbon exchange models and observations. Similar hybrid modelling approaches have been successfully applied for signal extraction out of noisy time series in environmental engineering. Here, simple process descriptions are used to identify relationships between the carbon exchange and environmental drivers from noisy data. The functional form of these relationships are not prescribed a priori but rather determined directly from the data, ensuring the model complexity to be commensurate with the observations. Therefore, this data-led analysis results in the identification of the processes dominating carbon exchange at the ecosystem scale as reflected in the data. The description of these processes may then lead to robust carbon exchange models that contribute to a faithful prediction of the ecosystem carbon balance. This work presents a number of studies that make use of the developed data-led modelling approach for the analysis and interpretation of net canopy CO₂ flux observations. Given the limited knowledge about the underlying real system, the evaluation of the derived models with synthetic canopy exchange data is introduced as a standard procedure prior to any real data employment. The derived data-led models prove successful in several different applications. First, the data-based nature of the presented methods makes them particularly useful for replacing missing data in the observed time series. The resulting interpolated CO₂ flux observation series can then be analysed with dynamic modelling techniques, or integrated to coarser temporal resolution series for further use e.g., in model evaluation exercises. However, the noise component in these observations interferes with deterministic flux integration in particular when long time periods are considered. Therefore, a method to characterise the uncertainties in the flux observations that uses a semi-parametric stochastic model is introduced in a second study. As a result, an (uncertain) estimate of the annual net carbon exchange of the observed ecosystem can be inferred directly from a statistically consistent integration of the noisy data. For the forest measurement sites analysed, the relative uncertainty for the annual sum did not exceed 11 percent highlighting the value of the data. Based on the same models, a disaggregation of the net CO₂ flux into carbon assimilation and respiration is presented in a third study that allows for the estimation of annual ecosystem carbon uptake and release. These two components can then be further analysed for their separate response to environmental conditions. Finally, a fourth study demonstrates how the results from data-led analyses can be turned into a simple parametric model that is able to predict the carbon exchange of forest ecosystems. Given the global network of measurements available the derived model can now be tested for generality and transferability to other biomes. In summary, this work particularly highlights the potential of the presented data-led methodologies to identify and describe dominant carbon exchange processes at the canopy level contributing to a better understanding of ecosystem functioning.
Soils contain a large amount of carbon (C) that is a critical regulator of the global C budget. Already small changes in the processes governing soil C cycling have the potential to release considerable amounts of CO2, a greenhouse gas (GHG), adding additional radiative forcing to the atmosphere and hence to changing climate. Increased temperatures will probably create a feedback, causing soils to release more GHGs. Furthermore changes in soil C balance impact soil fertility and soil quality, potentially degrading soils and reducing soils function as important resource. Consequently the assessment of soil C dynamics under present, recent past and future environmental conditions is not only of scientific interest and requires an integrated consideration of main factors and processes governing soil C dynamics. To perform this assessment an eco-hydrological modelling tool was used and extended by a process-based description of coupled soil carbon and nitrogen turnover. The extended model aims at delivering sound information on soil C storage changes beside changes in water quality, quantity and vegetation growth under global change impacts in meso- to macro-scale river basins, exemplary demonstrated for a Central European river basin (the Elbe). As a result this study: ▪ Provides information on joint effects of land-use (land cover and land management) and climate changes on croplands soil C balance in the Elbe river basin (Central Europe) presently and in the future. ▪ Evaluates which processes, and at what level of process detail, have to be considered to perform an integrated simulation of soil C dynamics at the meso- to macro-scale and demonstrates the model’s capability to simulate these processes compared to observations. ▪ Proposes a process description relating soil C pools and turnover properties to readily measurable quantities. This reduces the number of model parameters, enhances the comparability of model results to observations, and delivers same performance simulating long-term soil C dynamics as other models. ▪ Presents an extensive assessment of the parameter and input data uncertainty and their importance both temporally and spatially on modelling soil C dynamics. For the basin scale assessments it is estimated that croplands in the Elbe basin currently act as a net source of carbon (net annual C flux of 11 g C m-2 yr-1, 1.57 106 tons CO2 yr-1 entire croplands on average). Although this highly depends on the amount of harvest by-products remaining on the field. Future anticipated climate change and observed climate change in the basin already accelerates soil C loss and increases source strengths (additional 3.2 g C m-2 yr-1, 0.48 106 tons CO2 yr-1 entire croplands). But anticipated changes of agro-economic conditions, translating to altered crop share distributions, display stronger effects on soil C storage than climate change. Depending on future use of land expected to fall out of agricultural use in the future (~ 30 % of croplands area as “surplus” land), the basin either considerably looses soil C and the net annual C flux to the atmosphere increases (surplus used as black fallow) or the basin converts to a net sink of C (sequestering 0.44 106 tons CO2 yr-1 under extensified use as ley-arable) or reacts with decrease in source strength when using bioenergy crops. Bioenergy crops additionally offer a considerable potential for fossil fuel substitution (~37 PJ, 1015 J per year), whereas the basin wide use of harvest by-products for energy generation has to be seen critically although offering an annual energy potential of approximately 125 PJ. Harvest by-products play a central role in soil C reproduction and a percentage between 50 and 80 % should remain on the fields in order to maintain soil quality and fertility. The established modelling tool allows quantifying climate, land use and major land management impacts on soil C balance. New is that the SOM turnover description is embedded in an eco-hydrological river basin model, allowing an integrated consideration of water quantity, water quality, vegetation growth, agricultural productivity and soil carbon changes under different environmental conditions. The methodology and assessment presented here demonstrates the potential for integrated assessment of soil C dynamics alongside with other ecosystem services under global change impacts and provides information on the potentials of soils for climate change mitigation (soil C sequestration) and on their soil fertility status.
Das Verbundprojekt "Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel" hat Methoden und Werkzeuge entwickelt, welche zur Bewertung alternativer Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel mit dem Ziel der Verbesserung der Gewässergüte dienen. Neben den naturräumlichen Gegebenheiten dieses typischen, langsam fließenden Tieflandflusses mit eingelagerten Flachseen, weit gespannten Auen und der direkten Kopplung von Grund- und Oberflächenwasser galt das Interesse einer Reihe von Nutzungsansprüchen mit ihren Auswirkungen auf den Wasser- und Stoffhaushalt. Im Mittelpunkt stehen hierbei die Stoffeinträge aus Landwirtschafts- und Siedlungsflächen sowie Aspekte der wasserwirtschaftlichen Steuerung. Es werden die Auswirkungen verschiedener Bewirtschaftungsoptionen der Gewässer und ihrer Einzugsgebiete auf die Wassermenge und -qualität untersucht. Damit werden die wissenschaftlichen Grundlagen für die Bewertung des Zustandes der Gewässer sowie künftiger Handlungsoptionen und Entwicklungsszenarios nach der EG-Wasserrahmenrichtlinie (EG-WRRL) geschaffen. Neben den methodischen Aufgaben zur Erstellung, Anpassung und Kopplung von Modellwerkzeugen (Systemmodelle, Szenarientechniken) werden naturraumspezifische und sozioökonomische Bewertungsmaßstäbe, umsetzungsorientierte Handlungsoptionen sowie Werkzeuge für die Verwertung der Ergebnisse durch die Fachverwaltung erarbeitet.
Interdisziplinäres Zentrum für Musterdynamik und Angewandte Fernerkundung Workshop vom 9. - 10. Februar 2006
Mit der politischen Wende in den Staaten des ehemaligen Ostblockes wurde für viele militärisch genutzte Flächen ein tiefgreifender Nutzungswandel eingeleitet. Truppenübungsplätze als stark gestörte Bestandteile unserer Kulturlandschaft weisen auf großen Flächen naturschutzfachlich wertvolle Habitatmosaike mit speziellen Lebensgemeinschaften auf. Der Nutzungswandel ist mit einer Veränderung der Vegetationsstrukturen (Sukzession) und weiteren landschaftsökologischen Prozessen verbunden. Der ehemalige Truppenübungsplatz Döberitz im Norden der Landeshauptstadt Potsdam kann auf eine lange militärische Nutzungsgeschichte verweisen (erste Manöver des Soldatenkönigs im Jahr 1713). Nach 1992 wurden das NSG Döberitzer Heide (3.415 ha) und das NSG Ferbitzer Bruch (1.155 ha) ausgewiesen. Als Schutzgebiete nach der Vogelschutzrichtlinie sind sie Bestandteile des kohärenten Schutzgebietssystems Natura 2000 der europäischen Gemeinschaft. Trotz des Schutzstatus und der militärischen Altlasten unterliegt das Gebiet als größte zusammenhängende Naturfläche im engeren Verflechtungsraum des Landes Brandenburg einem hohen Nutzungsdruck. <hr> Interdisziplinäres Zentrum für Musterdynamik und Angewandte Fernerkundung Workshop vom 9. - 10. Februar 2006
Problemstellung • Geoökologische Prozessforschung versucht für große Landschaftsausschnitte, die in der Natur ablaufenden und vom Menschen beeinflussten Prozesse mit Hilfe von Modellen nachzuvollziehen • exakte Erfassung der Ausstattung des Untersuchungsraumes ist wesentliche Voraussetzung für eine wirklichkeitsnahe Abbildung • Modelle derzeit weder in der Lage, alle ablaufenden Prozesse in die Betrachtung einzubeziehen, noch präzise Eingangsdaten bei der Beschreibung des Ausgangszustandes zu verarbeiten • häufig liegen Modelleingangsdaten nicht in der notwendigen Präzision vor • In Modellen wird Ausstattung eines Untersuchungsgebietes über den Boden, den Grundwassereinfluss und die Flächennutzung beschrieben • Flächennutzung besitzt weitgehend statische Elemente (Nutzungstypen Wald, Gewässer, Siedlung) und hochdynamische Elemente (jährlicher Wechsel der Fruchtart auf jedem Acker) • Bedarf nach detaillierter (lage- und zeitkonkreter) Eingabe der Verteilung der Ackerfrüchte im Modellzeitraum, da Landwirtschaft als eine der bedeutenden Quellen für diffusen Nährstoffeintrag ins Ökosystem angesehen wird Stand der Forschung • bei Erfassung von Kulturen der Landwirtschaft aus Fernerkundungsdaten hat sich multitemporale Klassifizierung als sinnvoll erwiesen, weil sich anhand einer Einzelaufnahme die verschiedenen Kulturen nicht sicher trennen lassen • Klassifizierung erfolgt mit überwachten Methoden unter Verwendung von Trainingsflächen im Datensatz, von denen die dort angebaute Frucht bekannt ist • in die Klassifizierung werden zusätzliche Informationen einbezogen (Fuzzy), die Auskunft über die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Frucht geben (Anbaueignung in Abhängigkeit von Hangneigung, Niederschlag, Höhenlage, Boden) Die Ergebnisse dieser Klassifikationen sind meist nicht auf andere Landschaftsausschnitte und Anbaujahre übertragbar, weil die Ausprägung der Spektralsignatur einer Kultur durch veränderte Boden- und Witterungsbedingungen variiert. Lösungsansatz • auf Basis von Satellitendaten und Anbauinformationen aus 15 aufeinander folgenden Jahren (35 Aufnahmetermine) sollten von Witterung und Boden unabhängige Jahreskurven der spektralen Charakteristik wichtiger Ackerkulturen gewonnen werden, die den Wachstumsverlauf der Pflanzen beschreiben • diese Kurven sollen anstelle von Trainingsgebieten zur multitemporalen Klassifizierung von Daten eines Anbaujahres herangezogen werden Schlussfolgerungen und Ausblick • Prinzipiell erscheint Vorgehen erfolgreich, jedoch in Abhängigkeit von der Brauchbarkeit der herangezogenen Szenen schwankt Güte des Ergebnisses noch • Verfahren stellt wesentlichen Fortschritt zu bisherigem Vorgehen auf Trainingsflächenbasis dar • ist zumindest im Untersuchungsgebiet immer wieder ohne weitere Kenntnis von Anbauinformationen anwendbar, lediglich exakte phänologische Datierung der dann verwendeten Aufnahmen erforderlich • für andere Gebiete (Variation in Niederschlag und Boden) ist Anpassung der phänologischen Datierung der Kurven erforderlich (Form ist weiter verwendbar) • optimale Bildkombination zur Trennung aller Kulturen ist: Anfang/Mitte April – Mitte Mai – Anfang Juli – Mitte August – Mitte September • Kombination sollte bei verbesserter Verfügbarkeit von Daten beschaffbar sein • problematisch scheinen Trockensituationen im Mai und Juni zu sein, so dass zu schnell reifende Wintergetreide nicht richtig erkannt werden, Bedarf Bodeninformationen einzubeziehen • Trennung von Hackfrüchten weiterhin problematisch (wie schon in bisherigen Verfahren), führt zu übermäßigen Anteilen im Ergebnis, in Abhängigkeit vom Anbauanteil besser vernachlässigen • Einbeziehung von Fuzzyinformationen erscheint sinnvoll • Zusammenhang von Bodengüte und Frucht (Anbaueignung eines Bodens für eine Frucht) • Wasserverfügbarkeit am Standort (in Abhängigkeit von Speichervermögen des Bodens, Grundwasseranschluss und Niederschlag) • Summe der Niederschläge bis zum Aufnahmezeitpunkt (Trockenheitsindex) <hr> Dokument 1: Foliensatz | Dokument 2: Abstract <hr> Interdisziplinäres Zentrum für Musterdynamik und Angewandte Fernerkundung Workshop vom 9. - 10. Februar 2006
Stand des IMAF zu Beginn des Jahres 2006
Zum 1. April 2005 wurde per Beschluss des Rektorats der Universität Potsdam das Interdisziplinäre Zentrum für Musterdynamik und Angewandte Fernerkundung (IMAF) an der Universität Potsdam eingerichtet. Diesem Beschluss gingen knapp zwei Jahre konzeptionelle, organisatorische und administrative Vorarbeiten voraus. Inzwischen ist das IMAF also offiziell gegründet, der Vorstand wurde „bestellt“ (Prof. M. Mutti. Prof. E. Zehe, Prof. A. Bronstert), der Geschäftsführer bzw. wissenschaftliche Koordinator Dr. M. Kühling arbeitet in dieser Funktion seit Sommer 2005 und seit kurzem ist auch die 1. Version der Homepage des IMAF (http://www.uni-potsdam.de/imaf/) frei geschaltet. Auch die Infrastruktur des IMAF ist in der Entstehungsphase: Büroräume sind versprochen (wenn auch noch nicht bezugsfertig) im Haus 13 auf dem Campus Golm der Universität Potsdam und der 1. erfolgreiche Drittmittelantrag erbrachte 8 leistungsfähige Tischrechner und einen Server für das IMAF aus EU-Mitteln. Wichtiger als die administrativen und organisatorischen Arbeiten sind aber die inhaltlichen Forstschritte. Hier ist die große Resonanz, die die Gründung des IMAF sowohl innerhalb als auch außerhalb der Universität gefunden hat, besonders erfreulich. Über 30 Angehörige des Zentrums sind inzwischen zu verzeichnen und es gibt bereits eine Reihe von wissenschaftlichen Projektinitiativen und Ideen für dieses Zentrum. Neben den wissenschaftlichen Arbeiten am IMAF ist ein zweites Hauptziel für dieses Zentrum die Entwicklung und der Ausbau eines strukturierten Ausbildungsangebotes für Musterdynamik und angewandte Fernerkundung. Dies sollen gleichermaßen Masterstudenten als auch Doktoranden der Universität Potsdam und der mit ihr assoziierten außeruniversitären Institute nutzen. Zudem werden Kurse und Weiterbildungsveranstaltungen mit nationalen und internationalen Experten angestrebt. Neben diesen positiven Entwicklungen gibt es auch (noch ??) über einige Mängel zu berichten:
Das Sekretariat ist nach wie vor unbesetzt, die Finanzausstattung des Zentrums ist völlig ungenügend und die im Konzept für das Zentrum beantragte Wissenschaftlerstelle für Softwareanwendung ist nicht in Sicht. Für einen Erfolg des Zentrums ist es unbedingt notwendig, dass sich diese Situation deutlich verbessert!!
Forschungsschwerpunkte des IMAF
Räumliche Muster und deren Struktur in der Umwelt
Räumliche Muster sind in vielen naturwissenschaftlichen Disziplinen (Hydrologie, Ökologie, Geologie, Biologie, Chemie, Physik) von zentraler Bedeutung. Z.B. bestimmen die räumlichen (und zeitlichen) Muster von Bodeneigenschaften und Vegetation in ihrem Zusammenspiel mit den Mustern von Niederschlag und Strahlungsinput maßgeblich den Wasser- und Stoffhaushalt auf unterschiedlichsten Skalen und führen über Rückkopplung wiederum zu Veränderungen in Klima, Vegetation und Ökosystemen. Vom kleinräumigen Transport von Schadstoffen und von der Hochwasserentstehung bis zur Frage nach den regionalen und globalen Veränderungen von Klima, Vegetation und Landnutzung seien hier nur einige Problemkreise genannt, in denen Muster und Musterdynamik eine zentrale Stellung einnehmen. Darüber hinaus liefert die Betrachtung der zeitlichen Veränderung von räumlichen Mustern, in Ergänzung zur klassischen Erfassung dynamischer Prozesse in Form von Messungen lokaler zeitlicher Änderungen, eine völlig neue Perspektive auf Dynamik und eröffnet damit völlig neue wissenschaftliche Möglichkeiten. Aktuelle und sehr drängende Fragen innerhalb dieses Forschungsschwerpunktes sind unter anderem:
• Analyse der generelle Raumstruktur von Geodaten (Variabilität, Struktur, Konnektivität);
• Thematische Verbindungen verschiedener Datenebenen und Möglichkeiten für deren Assimilation;
• Möglichkeiten und Grenzen des Skalenübergangs zwischen verschiedenen räumlichen Auflösungen und Informationsquellen;
• Ableitung der zeitlichen Dynamik bzw. Entwicklung von großen flächenhaften Datenfeldern.
Angewandte Fernerkundung
Wie keine andere Technik bietet die Fernerkundung in jeglicher Form (unter anderem Satelliten, flugzeuggetragene Sensoren, Wetterradar und auch geophysikalische Methoden) umfangreiche Möglichkeiten, räumliche Muster und deren zeitliche Veränderungen zu erfassen. Allen Methoden der Fernerkundung gemein ist, dass sie nur indirekte Ergebnisse liefern. Das heißt, es besteht nur ein mittelbarer Zusammenhang zwischen dem beobachteten Signal, meist der Reflektivität oder Emissivität elektromagnetischer Strahlung in verschiedenen Spektralbereichen (optisch oder Radar), und der eigentlich interessierenden Größe, wie dem Feuchtezustand der Vegetation, der Bodenfeuchte oder Bodenrauhigkeit, der Niederschlagsintensität, dem Zustand der Schneedecke oder der Ausdehnung eines Oberflächenfilms auf Gewässern. Ein Satellitenbild enthält beispielsweise immer die spektrale Signatur des räumlichen Musters mehrerer der oben genannten Einflussgrößen, was die Extraktion oder Diskriminierung der eigentlich interessierenden Größe erschwert. Dieser „vermischte“ Charakter der Fernerkundungsdaten bietet aber auch immense Chancen. So lassen sich durch geeignete Interpretationsverfahren aus jedem mit hohem finanziellem und technischem Aufwand erstellten Satellitenbild zahlreiche und im Detail völlig unterschiedliche Fragestellungen bearbeiten. Die Extraktion der gewünschten Information aus dem Fernerkundungssignal führt mathematisch gesehen meist auf die Lösung so genannter inverser, schlecht gestellter Probleme. Somit beinhaltet die interdisziplinäre Nutzung von Fernerkundung auch ein hohes methodisches Synergiepotential. Durch die heutigen technischen Möglichkeiten zur Archivierung auch sehr umfangreicher raumbezogener Informationen ist die Bearbeitung zu jedem beliebigen Zeitpunkt nach der Aufnahme möglich – zum Beispiel bis entsprechend lange Zeitreihen und/oder geeignete Interpretationsverfahren zur Verfügung stehen. Tatsächlich dürfte der weitaus größte Teil der raumbezogenen Informationen, die in den bisher erhobenen Fernerkundungsdaten stecken, nur in Ansätzen ausgewertet sein. Einer bereits sehr hoch entwickelten technischen Dimension der Fernerkundung steht ein gewisses Defizit im Umfang ihrer Anwendung in den verschiedenen naturwissenschaftlichen Disziplinen gegenüber. Aktuelle und sehr drängende Fragen innerhalb dieses Forschungsschwerpunktes sind unter anderem:
• Nutzung der räumlichen und inhaltlichen Breite von Fernerkundungsinformationen;
• Verbindung mit automatisierten, u.a. geophysikalischen Methoden des „ground-truthings“;
• Identifizierung der Grenzen bzgl. Repräsentanz der Daten (spektral, raum-zeitliche Auflösung);
• Verbindung unterschiedlicher Methoden der Fernerkundung und der Geophysik.
Dieser Beitrag illustriert die o.g. Fragestellungen anhand einiger Darstellungen aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen und erläutert 2 Beispiele zu beabsichtigten Forschungsprojekten:
• Erfassung und Bedeutung von Boden-Oberflächeneigenschaften auf die Abflussbildung von Landschaften;
• Phänomene des Stofftransportes in homogenen vs. heterogenen Böden.