Detaillierte Information über ViWA
Modelle in ViWa
PROMET (Processes of Energy and Mass Transfer)
PROMET ist ein hydrologisches Landoberflächenprozessmodell (Mauser und Bach (2007)), das durch eine bio-physikalische, dynamische Vegetationskomponente erweitert wurde, um das Pflanzenwachstum und die potenzielle Ertragsbildung zu simulieren (Hank (2008), Hank (2015)). Es nutzt physikalische und physiologische Prinzipien erster Ordnung zur Bestimmung von gekoppelten Wasserflüssen und der Primärproduktion (NPP) und Respiration auf der Grundlage von Ansätzen von Farquhar et al. (1980) und Ball et al. (1987), kombiniert mit einer Phänologiekomponente, (Xing & van Laar (2005)) und einer 4-Schicht Bodenkomponente. PROMET berücksichtigt die Abhängigkeit von NPP und Phänologie von Umweltfaktoren wie Meteorologie, CO2-Konzentration für C3- und C4-Wege, Wasser- und Temperaturstress sowie Nährstoffdefizite. Die Masse- und Energiebilanz des Bestandes und der darunter liegenden Bodenoberfläche wird für jeden Simulationszeitschritt iterativ geschlossen. Die Bestandes- und Phänologiekomponente verteilt in Abhängigkeit von der phänologischen Entwicklung Assimilate in die verschiedenen Pflanzenorgane des Bestandes. Assimilate, die innerhalb der Fruchtfraktion während der Wachstumsphase angesammelt werden, bestimmen die trockene Biomasse, die für die Ertragsbildung zur Verfügung steht. Eine Baseline-Dokumentation der verwendeten Algorithmen finden Sie hier.
PROMET enthält Parameter, die die Sensitivität der Kulturen gegenüber Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur- oder Bodensaugspannung) abbilden oder die phänologische Entwicklung bestimmen.
PROMET wurde im Rahmen von GLOWA-Danube (http://www.glowa-danube.de) intensiv für regionale Klimaimpaktstudien zur Untersuchung der Veränderung der Hydrologie der Oberen Donau durch den Klimawandel genutzt (Mauser und Prasch (2015)). PROMET wurde im Rahmen von Präzisionslandwirtschaftsstudien auf der Feld-, Hof- und Einzugsgebietsskala unter verschiedenen klimatischen Bedingungen umfangreich angewendet und sorgfältig validiert. Hank benutzte Fernerkundungsdaten, um Modellparameter so anzupassen, dass sie räumliche Heterogenität auf der Feldskala realistisch repräsentieren (Hank (2012), Hank (2015)). PROMET wurde darüber hinaus erfolgreich für globalen Studien über landwirtschaftliche Ertragspotenziale unter Verwendung von 30 arcsecond Raster- und Stichproben (Mauser et al., 2015) angewendet.
PROMET wurde bisher mit Rasterauflösungen von 10m bis 2 km betrieben. In ViWA kommt PROMET für zwei Zwecke zum Einsatz: 1) zur Simulation der globalen 250 Mitglieder-Ensembles von Kulturen und landwirtschaftlichen Praktiken auf einer 30 Bogensekunden (~1km) räumlichen Auflösung, 2) zur Simulation der Landoberflächenprozesse und Abfluss für die ausgewählten Referenz-Einzugsgebieten. Zu diesem Zweck ist PROMET dynamisch mit dem Grundwassermodell MDOFLOW gekoppelt. Die Ergebnisse werden mit denen von mhM verglichen. In beiden Fällen werden globale Daten zum Klima verwendet, die mit REMO dynamisch auf die verwendete Skala herunterskaliert werden. Die Bodeninformation stammt aus der Harmonisierten Welt Bodendatenbank (HWSD, FAO (2012)) und Topographie wird aus der SRTM (Farr (2007)) abgeleitet.
Die Simulationen werden mit stündlicher Auflösung durchgeführt, um nichtlineare Reaktionen des Pflanzenwachstums auf Umweltfaktoren (vor allem Licht, Wasser, Temperatur, Wind und CO2) zu berücksichtigen. Abhängig von der Reaktion der betrachteten Nutzpflanze auf meteorologische und bodenspezifische Bedingungen kann die Ernte entweder durch Wasser-, Hitze- oder Kältestress sterben, bevor sie geerntet wird. Sie kann aber auch nicht abreifen. In allen Fällen ergibt sich ein Totalausfall des Ertrags. Wenn lokale Bedingungen eine erfolgreiche Ernte ermöglichen, ist die Simulationsergebnisse der potentielle agroökologische Ertrag für den jeweiligen Standort und das angenommene Düngungsniveau. Dabei wird von einer potentiellen Produktion der Nutzpflanzen mit einer definierten Nährstoffversorgung, optimalen Saat- und Ernteterminen, keinerlei Ernteverlusten aufgrund von Schädlingen, Krankheiten etc. ausgegangen. Ein Vergleich des simulierten Ensembles von Wachstumskurven mit den aus SENTINEL-Daten abgeleiteten Messungen des aktuellen Wachstumsverlaufs bestimmt die tatsächlich angewandten Nährstoff- und Landwirtschaftspraktiken (z. B. Bewässerung) an den weltweit verteilten SENTINEL-Teststandorten.
Die Aussaatdaten und die Anzahl der Ernten pro Saison werden durch die Dauer der Wachstumsperiode bestimmt, die wiederum vom saisonalen Verlauf der Temperatur- und Wasserversorgung abhängt. Die optimalen Aussaatdaten stammen von Zabel et al. (2014). Aus diesen Daten wird die potentielle Anzahl von Aussaaten pro Jahr für jede Ernte an jedem Probenort bestimmt. Abhängig von der simulierten phänologischen Entwicklung entscheidet PROMET, ob die potentielle Anzahl von Erntezyklen realisiert ist oder nicht. Dabei nehmen wir eine definierte Pflanzen-spezifische Ruhephase zwischen Ernte und Wiederbepflanzung, die technische Feldarbeit, wie z.B. Pflügen, Eggen usw. beinhaltet, an.
Mehrere Ernten und Evapo-Transpiration werden im Laufe des Jahres akkumuliert, um die jährliche Ertrags- und Wassernutzung zu erzeugen.
mhM
Das mesoskalige hydrologische Modell (mHM) ist ein räumlich explizites, verteiltes, regionales und kontinentales hydrologisches Modell, das Gitterzellen als primäre hydrologische Einheit verwendet und die folgenden Prozesse berücksichtigt: Bestandesinterzeption, Schneeakkumulation und -schmelze, Bodenfeuchtedynamik, Infiltration und Oberflächenabfluss, Evapotranspiration, Grundwasserspeicherung und Abflussbildung, tiefe Perkolation und Basisfluss- und Abflussdämpfung und Hochwasserroutine (Samaniego et al., 2010). MHM zeigt eine sehr gute Übertragbarkeit (Kumar et al., 2013) auf andere Einzugsgebiete und räumliche Skalen.
Das Modell wird durch stündliche oder tägliche meteorologische Daten (z.B. Niederschlag, Temperatur) angetrieben, und es verwendet beobachtbare Einzugsgebiets-physikalische Eigenschaften (z. B. Bodentextur, Vegetation und geologische Eigenschaften) um die räumliche Variabilität der erforderlichen Parameter zu ermitteln. Bisher wurde das Modell in mehr als 300 pan-EU-Einzugsgebieten sowie in Indien und USA mit verschiedenen räumlichen Auflösungen (oder Rastergrösse), die zwischen 1 km und 100 km variieren, erfolgreich gestestet und angewendet.
MODFLOW
MODFLOW ist das dreidimensionale (3D) Finite-Differenzen Grundwassermodell der USGS. Es gilt als internationaler Standard für die Simulation und Vorhersage von Grundwasserbedingungen und Grundwasser / Oberflächen-Wechselwirkungen. Das Projekt VIVA zielt auf die Entwicklung einer gekoppelten Version von mHM-MODFLOW und PROMET-MODFLOW zur Vorhersage von Grundwasserflüssen und Lagerungen unter dynamischen Wasserbewirtschaftungsszenarien ab.
DART-Water
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