Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf der Lysimeterskala

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1 Fakultät Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften - Institut für Grundwasserwirtschaft Dipl.-Ing. Norbert Böttcher Univ.-Doz. Dr. Johann Fank Prof. Dr. Rudolf Liedl Dipl.-Ing. Thomas Reimann Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf der Lysimeterskala ein Modellvergleich Seminar Wasserkreislaufparameter Schloss Seggau. April 8 EINLEITUNG EINLEITUNG & ZIELSTELLUNG Klimawandel findet statt Modellrechnungen des IPCC belegen globale Erwärmung Quelle: Deutsches Klimarechenzentrum Auswirkungen auf Bodenzone und Landwirtschaft kleinskalige Betrachtung notwendig Simulation mit D Modellen: Anwendbarkeit? Prognosefähigkeit? Quelle: NASA Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala

2 MODELLVORSTELLUNG MODELLPROGRAMME HYDRUS D COUPMODEL STOTRASIM Wassertransport Wärmetransport Pflanzenentwicklung Stickstoff- Kohlenstoffdynamik kons. Stofftransport ( ) Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala Lysimeterdaten ARBEITSSCHRITTE. einheitliche Kalibrierung der Modelle Variation der Klimadaten. Langzeitsimulation verschiedener Szenarien. Modellvergleich Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala

3 LYSIMETERDATEN cm 6 cm DATENGRUNDLAGE Forschungsstation Wagna (Steiermark, Österreich) Wassergehalt, Saugspannung, Bodentemperatur 9 cm 8 cm Waage Lysimetergewicht, Sickerwassermenge & -beschaffenheit Klimadaten Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala. KALIBRIERUNG DER MODELLE BODENPROFIL 9 cm 6 cm 8 cm cm Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala 6

4 . KALIBRIERUNG DER MODELLE MODELLKONZEPT cm Modellkalibrierung anhand pf-kurven (α,n) Evapotranspiration Klima Bodenbearbeitung Tracerapplikation θ, T, C 8 cm q w q h q m Bilanzierungsebene cm ψ = cm = const. T = C = const. C = mg/l = const. Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala 7. KALIBRIERUNG DER MODELLE TEILPROZESSE: HYDRUS D COUPMODEL STOTRASIM Wassertransport Wärmetransport konservativer Stofftranport Stickstoffumsatz Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala 8

5 . KALIBRIERUNG DER MODELLE ERGEBNISSE DER KALIBRIERUNG -SICKERWASSERFLUSS allgemein 6 gute Anpassung an Messwerte HYDRUS D Abweichung bei Bodenfrost Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala 9. KALIBRIERUNG DER MODELLE BODENWASSERGEHALT OBERER HORIZONT 6 Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala

6 . KALIBRIERUNG DER MODELLE BODENWASSERGEHALT UNTERER HORIZONT 6 Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala. KALIBRIERUNG DER MODELLE Wärmetransport: Bodentemperatur in 8 cm Tiefe CoupModel-Temperatur zu gedämpft Hydrus-Kurve reagiert zu früh ca. d Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala

7 . KALIBRIERUNG DER MODELLE kum. Pflanzen-N-aufnahme [kg N/ha] STICKSTOFFAUFNAHME DURCH VEGETATION Ernte 6 (Mais): STOTRASIM N-gemessen: 8,6 kg/ha CoupModel Ernte (Kürbis): N-gemessen:, kg/ha Jun Okt Feb Jun Okt Feb 6 Jun 6 Okt 6 Feb 7 Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala. VARIATION DER KLIMADATEN Klimavariation Szenario Beschreibung S S S S S S Referenz- Szenario wärmer & trockener kälter & feuchter Extremereignisse küstennaher Standort kontinentaler Standort Extrapolation vorhander Klimadaten über Jahre-Zeitraum Temp. um K; P um % Temp. um,k; P um % Starkregenereignisse und lange Trockenheiten Sommertemp. um K Wintertemp. um K häufigere, heftige Niederschläge Sommertemp. um K Wintertemp. um K schwache, lange Niederschläge Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala

8 . LANGZEITSIMULATIONEN S: S: SICKERWASSERFLUSS IM -JÄHRIGEN MITTEL Sickerwasserfluss [mm] Sickerwasserfluss [mm] Szenario - Hydrus D Szenario - Hydrus D kein ausgeprägter Jahreszeitlicher Verlauf Szenario - CoupModel Szenario - STOTRASIM Szenario - CoupModel saisonale Schwankungen gut erkennbar Szenario - STOTRASIM Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala. LANGZEITSIMULATIONEN ØT cm [ C] Szenario S CoupModel Hydrus D BODENTEMPERATUREN cm deckungsgleich bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt - -.Jan.Mrz.Mai.Jul.Sep.Nov starke Abweichung bei Frost Szenario S CoupModel Hydrus D Grund: Wärmeleitung durch Konvektion bei Hydrus ØT cm [ C].Jan.Mrz.Mai.Jul.Sep.Nov Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala 6

9 . LANGZEITSIMULATIONEN STICKSTOFFUMSATZ MITTLERER PFLANZENERTRAG STOTRASIM Gerste: keine Änderung im Ernteertrag Kürbis: geringfügig höhere Erträge Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala 7. MODELLVERGLEICH MODELLVERGLEICH - ANWENDBARKEIT HYDRUS D COUPMODEL STOTRASIM Mais: Produktionseinbußen Langzeitsimulationen Klimawandelprognosen landwirtsch. Produktivität Pflanzenentwicklung ++ sehr gut, + gut, -schlecht, -- sehr schlecht, keine Aussage + ++ Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala 8

10 VERGLEICH DER MODELLERGEBNISSE FAZIT: STOTRASIM für betrachtete Kriterien am besten geeignet Vorteile: hervorragende Eignung für landwirtschaftliche Standorte einfache Durchführung von Langzeitsimulationen hohe Prognosegenauigkeit bei geringer Modellkomplexität Nachteile: Teilprozesse sind nicht transparent noch nicht ausreichend dokumentiert Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala 9 ZUSAMMENFASSUNG Auswirkungen des Klimawandels können realistisch untersucht werden trotz einheitlicher Modellkalibrierung weichen Modellergebnisse z. T. stark voneinander ab detaillierte Standortinformationen notwendig zu hohe Modellkomplexität kann Genauigkeit der Modelle einschränken Dienstag,. April 8 Simulation von Wasserfluss, Wärme- und Stofftransport auf Lysimeterskala