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Globale Parametrisierung von LWF-Brook90 am Beispiel buchendominierter Wälder

Köhler, Michael; Schmidt-Walter, Paul; Hetkamp, Gisbert; Frühauf, Cathleen; Meesenburg, Henning; Hohenbrink, Tobias

Abstract

Globale Parametrisierung von LWF-Brook90 für buchendominierte Wälder Michael Köhler, Paul Schmidt-Walter, Gisbert Hetkamp, Cathleen Frühauf, Henning Meesenburg, Tobias Hohenbrink Im Projekt TroWaK „Trockenheitsrisiken im Wald unter Klimawandel“ werden flächendeckend für Deutschland (1 × 1 km) praxistaugliche Instrumente zur Echtzeitbewertung des Wasserhaushalts in Wäldern unterschiedlicher Bestockung entwickelt. Dafür wird das etablierte forsthydrologische Modell LWF-Brook90 schrittweise zur ebenfalls frei verfügbaren Variante dwdB90 weiterentwickelt. Dies umfasst unter anderem die Berücksichtigung mehrschichtiger Bestände sowie die Implementierung mikrometeorologischer Prozesse wie z.B. Energieflüsse zwischen Bestands- oder Bodenschichten auf stündlicher Basis. Diese Modellerweiterungen erfordern eine Anpassung bestehender Pflanzenparametrisierungen. Ein zentrales Ziel des Projekts ist deshalb die Bestimmung allgemeingültiger Parametersätze für Reinbestände von Buche, Eiche, Fichte, Kiefer und Douglasie sowie deren Kombination zur Modellierung von Mischbeständen. In diesem Beitrag wird das Parametrisierungskonzept exemplarisch für Buchenstandorte vorgestellt. Um eine möglichst breite Kalibrierungsbasis zu schaffen, wurden umfassende Monitoringdaten (Boden, Bestand, Wetter, Bestandesniederschlag, Bodenwassergehalt, Bodenmatrixpotenzial, Drainage) von Flächen des ICP Forests Level II-Programms sowie weiterer Umweltmonitoringflächen aus Deutschland zusammengetragen und mittels Vorwärtssimulationen auf Plausibilität geprüft. Nach der Identifizierung sensitiver Modellparameter erfolgten Parameterschätzungen mit einem evolutionären Markov-Chain-Monte-Carlo-Algorithmus. Das verwendete Bayes‘sche Verfahren erlaubt dabei eine komfortable Integration von Vorwissen aus anderen Anwendungen von LWF-Brook90. In aufeinander aufbauenden Kalibrierungsstufen wurden folgende Parameter geschätzt: 1. Flächenspezifische Interzeptionsparameter (Beobachtungsdaten: Bestandesniederschlag) 2. Flächenspezifische bodenhydraulische Parameter (Beobachtungsdaten: Bodenfeuchte und Matrixpotenzial) 3. Globale Interzeptionsparameter durch parallele Modellierung vieler Standorte (Beobachtungsdaten: Bestandesniederschlag) 4. Globale Pflanzenparameter durch parallele Modellierung vieler Standorte (Beobachtungsdaten: Bodenfeuchte und Matrixpotenzial) Die flächenspezifisch geschätzten Modellparameter variieren zum Teil deutlich zwischen den Einzelstandorten. Deshalb ist die parallele Kalibrierung vieler Standorte zur Ableitung allgemeingültiger Parametersätze essenziell. Die daraus resultierenden globalen Parametersätze zeigen zum Teil deutliche Abweichungen zu den üblicherweise in LWF-Brook90 verwendeten Werten. Die mit dwdB90 erzeugten Wasserhaushaltsdaten sollen der Vorhersage biotischer und abiotischer Risiken in Waldbeständen dienen. Damit trägt TroWaK zur Etablierung eines Frühwarnsystems für Dürrefolgen im Wald bei.

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Pflanzenparameter Fazit ➢Simultane Schätzung globaler Pflanzenund lokaler Bodenparameter führt zu besseren Gütemaßen als die alleinige lokale Optimierung der Bodenparameter ➢Global optimierte Pflanzenparameter fließen in die Webanwendung ➢Ausblick ●Unsicherheitsabschätzung durch Posteriorsampling ●Leave-One-Out-Kreuzvalidierung (Interzeptionsparameter) ●Validierung mit Split-Sample-Design (Pflanzenparameter) Projekt TroWaK ●Bereitstellung einheitlicher Karten von biotischen und abiotischen Schadrisiken von Wäldern in einer deutschlandweiten Webanwendung ●Weiterentwicklung von LWF-Brook901 und LWFBrook90R2 für stündliche Daten, mehrschichtige Bestände, Grundwasser und mikrometeorologische Prozesse ●Schätzung optimaler Parametersätze für Reinund Mischbestände von Buche, Eiche, Fichte, Kiefer und Douglasie Methodik ●Datengetriebene Parametrisierung mit Bodenwassergehalten, -potentialen, Kronentraufe (täglich bis 4-wöchentlich) sowie Bestandesinformationen aus Flächen des forstlichen Umweltmonitorings ●Parameterschätzung (Markov-Chain Monte-Carlo) in einem Bayes-Setup3 ●Simultane Schätzung flächenspezifischer Bodenparameter (lokal) und flächenübergreifender Pflanzenparameter (global) Interzeption Globale Parametrisierung von LWF-Brook90 am Beispiel buchendominierter Wälder Michael Köhler1, Paul Schmidt-Walter2, Gisbert Hetkamp2, Cathleen Frühauf2, Henning Meesenburg1, Tobias Hohenbrink2 1Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt, 2Deutscher Wetterdienst Gefördert durch:Beteiligte Institutionen: Literatur: 1 Hammel, K. & Kennel, M. (2001): Forstl. Forschungsberichte München, 185. 2 Schmidt-Walter, P. et al. (2020): https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2020.108023 3 Hartig, F. et al. (2023): https://CRAN.R-project.org/package=BayesianTools 4 Federer, C.A. 2002. BROOK 90: A simulation model for evaporation, soil water, and streamflow ●Posteriorverteilungen für globale (rot) und lokale Optimierungen (grau) der Parameter des Interzeptionsmodells von LWF-Brook90 ●cintrl: max. Regenspeicher pro LAI (mm) ●cintrs: max. Regenspeicher pro SAI (mm) ●frintlai: Anteil interzeptierter Regen pro LAI (-) ●frintsai: Anteil interzeptierter Regen pro SAI (-) ●Standardwerte nach Federer4 (Standard) und Maximuma-posteriori-Schätzung (MAP) ●34 Buchenflächen mit Messdaten zu Kronentraufe und Stammablauf (Level-II u.ä.) ●Lokale Optimierung erzielt sehr gute Ergebnisse, global optimierte Parameter führen zu besserer Modellgüte als der Standard ➢Parameterraum muss stark eingeschränkt werden, weil physikalisch unplausible Parameterwerte die besten Anpassungen erreichen. Gründe: •Äquifinalität erlaubt gleiche Interzeption durch verschiedene Parameterkombinationen −hoher Speicher + geringe Interzeption −kleiner Speicher + hohe Interzeption −Interzeption auf LAI oder SAI möglich •Übersimplifiziertes Interzeptionmodell ohne „Canopy wetting phase“ •Überschätzung der Interzeptionsverdunstung Fazit ➢Globale Interzeptionsparameter fließen in die Webanwendung ➢Lokale Interzeptionsparameter werden bei der flächenübergreifenden Schätzung globaler Pflanzenparameter verwendet Danksagung: ➢Ines Chmara, Philipp Mundhenk und Simon George (Forstliches Forschungsund Kompetenzzentrum Gotha) ➢Martin Greve und Tillmann Sauer (Forschungsanstalt für Waldökologie und Forstwirtschaft Rheinland-Pfalz) ➢Nadine Eickenscheidt (Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen) ➢Rainer Hentschel (Landeskompetenzzentrum Forst Eberswalde) ➢Lothar Zimmermann, Stefan Raspe und Wolfgang Falk (Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft) ➢Heike Puhlmann, Andrea Hölscher und Raphael Habel (Forstliche Versuchsund Forschungsanstalt Baden-Württemberg) ➢Henning Andreae und Jacob Frank (Staatsbetrieb Sachsenforst) ➢Marco Nathkin (Thünen-Institut für Waldökosysteme) ➢Birte Scheler, Stefan Fleck und Markus Wagner (Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt) Kontakt: [email protected] ●Posteriorverteilungen für globale (rot) und lokale Optimierungen (grau) von Pflanzenparametern in LWF-Brook90 ●alb: Albedo von Boden/Vegetation (-) ●betaroot: Formparameter der Wurzeltiefenverteilung (-) ●cvpd: Dampfdruckdefizit bei halber Blattleitfähigkeit (kPa) ●glmax: max. Blattleitfähigkeit bei offenen Stomata (m s-1) ●mxkpl: max. interne Wasserleitfähigkeit der Pflanze (mm d-1 MPa-1) ●r5: Strahlungsniveau bei halber Blattleitfähigkeit (W m-2) ●rssa:Bodenverdunstungswiderstand bei Feldkapazität (s m-1) ●Standardwerte nach Federer4 (Standard) und Maximum-a-posterioriSchätzung (MAP) ●15 Buchenflächen mit Messdaten der Bodenwassergehalte und -potentiale (Level-II) sowie lokal optimierten Interzeptionsparametern ●Lokale Optimierung der van Genuchten-Mualem Parameter θs und n (flächenspezifische Lage und Form der hydraulischen Funktionen) ●Globale Optimierung sensitiver Pflanzenparameter ●Simultane Parameterschätzung anhand medianzentrierter sensorspezifischer Zeitreihen für Bodenwassergehalt und -potential in allen Bodentiefen