Das Zusammenspiel von Klima und Boden sowie Faktoren wie Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit haben einen entscheidenden Einfluss auf die Eignung landwirtschaftlicher Nutzpflanzen für den Anbau, ihre Entwicklung und Ertragsleistung (vgl. DeLucia et al., 1992, Keller et al. al., 1997). Im komplexen Gefüge unterschiedlichster Umwelteinflüsse ist es schwierig, bei der Berechnung der Bodentemperaturen eine Balance zwischen der Komplexität und den für GIS-Anwendungen notwendigen Vereinfachungen zu finden. Neben dem Einfluss von Bodenfeuchtigkeit und Verdunstung (vgl. Boulet et al., 2007) sind auch Oberflächeneigenschaften entscheidend für den Wärmehaushalt (vgl.
Daher ist es sinnvoll, die Modellierung an bestimmte landwirtschaftliche Nutzpflanzen anzupassen und ist auch für bestimmte Anwendungen von Bodentemperaturdaten erforderlich (vgl. Stone et al., 1999).
Verfügbare Geobasisdaten
Zur Berechnung der Bodentemperatur wird der relative Sandanteil im Boden benötigt. Für die Berechnung der Bodentemperatur sind neben konstanten Geodaten vor allem dynamische Informationen aus Wetter- und Klimabeobachtungen wichtig.
Aufbereitung von Basisdaten für das Bodentemperaturmodell
- Allgemeines
- Räumliches Modell der Globalstrahlung
- Räumliches Modell der Lufttemperatur
- Räumliches Modell der Vegetationsperiode
- Räumliches Modell der Referenz-Evapotranspiration
- Räumliches Modell der Entwicklung oberirdischer Biomasse
- Räumliches Modell des Niederschlags
- Räumliches Modell der Schneebedeckung
- Räumliches Modell des Bodenwasserhaushalts
Die Referenzevapotranspiration ist eine wichtige Voraussetzung für die Berechnung des Bodenwasserhaushalts und Grundlage für dessen räumliche Umsetzung. Hierzu sind Angaben zum Vegetationsbeginn (siehe Abschnitt 2.2.4), zur Anzahl der Schnitte und zu den Mähzeiten erforderlich. Für die Kulturart Mais wird zur Bestimmung der oberirdischen Biomasse ebenfalls der Verlauf des Pflanzenfaktors herangezogen, allerdings wird hier der Faktor vervielfacht.
Aus Vereinfachungsgründen werden für die einzelnen phänologischen Phasen konstante Zeiträume festgelegt (in Abbildung 5 werden sie mit d1 bis d5 bezeichnet). Die Faktorwerte und die Bestimmung der Dauer für die einzelnen Phasen (Anfangsphase d1, Entwicklungsphase d2, Mittelphase d3, Spätphase d4, Endphase d5) basieren auf Allen et al. Bei der Berechnung der oberirdischen Maisbiomasse (Pflanzenfaktor * 8000) erfolgt selbstverständlich keine Korrektur, da vor Beginn der Initialisierungsphase (d0 = Beginn der Vegetation) keine oberirdische Biomasse vorhanden ist.
GIS-Implementierung des Bodentemperaturmodells
Aufbereitung der standortbasierten Algorithmen im GIS
Die Größe des Untersuchungsgebiets (Österreich), seine Auflösung (250 Meter) und die große Anzahl unterschiedlicher Bodentiefen führen zu einem System, das eine ressourcen- und zeitintensive Anwendung der einzelnen Berechnungs- und Datenverwaltungsalgorithmen erfordert. Aufgrund der enormen Datenmengen, die bei jedem Rechendurchlauf verarbeitet werden müssen, besteht nach Baeumer (1978, 44f) ein dringender Bedarf an einer effizienten und effektiven Gestaltung der Algorithmen, die die verfügbaren Ressourcen möglichst schonend nutzt. ) Die Hauptmasse liegt in den Wurzeln verschiedener Kulturpflanzen oberhalb einer Tiefe von 40 cm, wo der Boden unter einer Grasnarbe besonders intensiv in der Nähe der Oberfläche verankert ist.
Lediglich die Endergebnisse und die Zwischenergebnisse, die Informationen enthalten, die zum Start des Programms zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbar sein müssen, werden persistent gespeichert.
Struktur und Funktionalität der implementierten GIS-Software
Im vorliegenden Projekt wurden Bodentemperaturen für zwei verschiedene Nutzpflanzen, Gräser und Mais, berechnet. Damit erreichen wir eine deutliche Beschleunigung der Rechenzeit, die bei großen Datenmengen notwendig ist. Zur Berechnung der Bodentemperatur in 19 verschiedenen Bodenhorizonten (siehe Abbildung 8) für österreichische Agrarflächen benötigen die in Abbildung 9 aufgeführten Methoden eine durchschnittliche Berechnungszeit von 60 Minuten.
Bei einem Forschungszeitraum von drei Jahren (2009 bis 2011) bedeutet dies eine Dauer von mehr als 1.100 Stunden, was etwas mehr als 45 Tagen kontinuierlicher Rechenzeit entspricht.
Geodaten als Parameter des GIS-Bodentemperaturmodells
Zur Berücksichtigung der Topographie (Hangklima) wird der Zusammenhang zwischen Strahlung und Temperatur berücksichtigt, wie in Schaumberger (2011) beschrieben. Dieser Parameter ist die Grundlage für die räumliche Umsetzung der aktuellen Evapotranspiration und des damit verbundenen Bodenwassergehalts. Als rein meteorologisch definierter Parameter eignet sich die Referenz-Evapotranspiration sehr gut zur Beschreibung der klimatischen Bedingungen eines Ortes.
Wie in Kapitel 2.2.6 gezeigt, sind Informationen über den Grad der Pflanzenentwicklung erforderlich, um die oberirdische Biomasse zu berechnen und die Transpirationsverdunstung zu berücksichtigen. In einer abstrakten Modellwelt kann dies entweder durch die direkte Berücksichtigung der Oberfläche mithilfe des Leaf Area Index (LAI) oder durch die Verwendung eines Anpassungsfaktors für die Referenz-Evapotranspiration nach Allen et al. erfolgen. 2010) verglichen in ihrer Arbeit beide Ansätze und kamen zu dem Schluss, dass sich die als LAI-Methode bekannte Variante etwas besser zur Berechnung der tatsächlichen Verdunstung eignet als die Kc-Methode mit dem Anpassungsfaktor (Erntekoeffizient). Hinsichtlich der räumlichen Umsetzung ist die Kc-Methode jedoch wesentlich einfacher zu implementieren und vor allem kompatibel mit den in dieser Arbeit entwickelten grundlegenden Referenz-Evapotranspirationsdaten (siehe Abschnitt 2.2.5) (Schaumberger, 2011).
Die Niederschlagsinterpolation basiert wie andere Oberflächen auf Daten aus Messungen an Wetterstationen, die geostatistisch interpoliert werden (siehe Kapitel 2.2.7). Im Gegensatz zur Referenz-Evapotranspiration, die mit dem Pflanzenfaktor an eine bestimmte Kulturart angepasst wird (im vorliegenden Projekt handelt es sich um Grünland und Mais), berücksichtigt die aktuelle Evapotranspirationsberechnung die tatsächlich im Boden vorhandene Feuchtigkeit Zeitpunkt der Berechnung (siehe Abschnitt 2.2.9). Um die Evapotranspiration an die tatsächliche Wasserverfügbarkeit anzupassen, wurde das Bodenwasserhaushaltsmodell von Allen et al.
Die aktuelle Verdunstungsanzeige ist eine Momentaufnahme eines bestimmten Tages, an dem sich die Grundwasserbedingungen abhängig von der Verdunstungsrate ändern. Aufgrund der hohen Verdunstungsraten im Waldviertel und Mühlviertel (siehe Abbildung 17) nimmt der Grundwassergehalt in diesen Gebieten deutlich ab.
Evaluierung der modellierten Bodentemperaturen
Im Sommer gibt es nur geringe Abweichungen, wie die hohen Temperaturwerte in Abbildung 19 deutlich zeigen. Wie die Kurve in Abbildung 20 zeigt, wird ein abrupter Temperaturabfall im Herbst vom Modell etwas zu intensiv interpretiert, was dann dazu führt eine Unterschätzung. Allerdings zeigt der Winter mit Schneedecke auch hier Abweichungen, insbesondere in der obersten Bodenschicht.
Wie bereits in Abbildung 20 zu erkennen ist, kommt es auch im Herbst 2010 zu einer anhaltenden Unterschätzung, die vermutlich auf die unterschiedliche Vegetationsbedeckung und die daraus resultierenden Abweichungen in der Biomasse zurückzuführen ist. Wie im Jahr 2010 ist der Jahreszyklus von moderaten Höhen und Tiefen geprägt und weist daher einen starken Zusammenhang auf. Der gesamte Wertebereich wird durch das Modell ohne gravierende systematische Verzerrungen abgebildet; Erst im Herbst offenbart das Modell erneut eine Unterschätzung.
Abschlussbericht ClimSoil-GIS 22 Abbildung 23: Vergleich der modellierten und beobachteten Bodentemperaturen am Standort Gumpenstein für Bodentiefen von 10, 20 und 50 cm im Jahr 2011. Der Vergleich von Modell und Beobachtung zeigt einen sehr starken Zusammenhang über alle Studienjahre hinweg , obwohl das Modell oszilliert. Die Temperaturentwicklung ist etwas stärker als in der Realität zu beobachten ist. Abgesehen von einer systematischen Unterschätzung im Herbst werden die Charakteristika des Temperaturtrends vom Modell gut abgebildet.
Das Modell ist nicht in der Lage, die Temperaturen in den Wintermonaten, insbesondere in den oberen Bodenschichten, ausreichend genau abzuschätzen. Die modellierten Bodentemperaturen liegen während der Vegetationsperiode und insbesondere im Zeitraum für den Anbau bzw
Räumliche Anwendung des Bodentemperaturmodells
Da der Boden sehr empfindlich auf Strahlung reagiert, werden die unteren Bodenschichten mit zunehmender Tiefe stabiler hinsichtlich ihrer Temperaturentwicklung. Aus diesem Grund ist die Temperaturvariabilität in Abbildung 25 deutlich höher als in den beiden anderen Abbildungen. Die entwickelten Algorithmen können auf Berechnungen für beliebige Zeiträume angewendet werden, Voraussetzung hierfür ist jedoch die vollständige Verfügbarkeit aller Modellparameter, wie in der Übersicht in Abbildung 3 dargestellt.
Die Aufbereitung dieser Daten erfordert viel Arbeit und übersteigt den Aufwand zur tatsächlichen Berechnung der Bodentemperaturen bei weitem. Im Rahmen dieses Projektes werden die als GIS-Datenbank erstellten Ergebnisse für die Anträge der Projektpartner für den gewählten Zeitraum (2009 bis 2011) benötigt. Die Ergebnisse können daher problemlos für die von den Projektpartnern unterschiedlich definierten anwendungsspezifischen und kleineren Forschungsbereiche genutzt werden.
Applikationen des GIS-Bodentemperaturmodells
Bodentemperatursummen für phänologische Phasen
Als Projektpartner untersuchte die Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit (AGES) den Zusammenhang zwischen Bodentemperaturen und phänologischen Phasen von Diabrotica virgifera virgifera. März, eine Basistemperatur von 11,7 °C und eine Bodentemperatursumme von 6 cm, wenn die Bodenschicht die Phase von 279 Gradtagen erreicht. Sie werden ab dem Starttag (1. März) addiert, wobei nur Werte über 11,7 °C (Basistemperatur) relevant sind.
Dieser Tag ist der Zeitpunkt des Phaseneintritts und wird in der entsprechenden Zelle der Rasteroberfläche gespeichert. Wie gut die Abschätzung des Phaseneintritts letztendlich ist, hängt in erster Linie von der Genauigkeit der modellierten Bodentemperaturen ab, aber auch von der Qualität der Modellparameter, die als Starttag, Basistemperatur und Temperaturschwelle eingestellt sind.
GIS-Bodentemperaturen für einfache lineare Modelle
Die hier gezogenen Schlussfolgerungen beziehen sich daher auf diesen eher technischen Fokus und nicht auf die Bodentemperaturmodellierung selbst, die von der BOKU in einem eigenen Bericht diskutiert wird. Das von der BOKU im Rahmen dieses Projekts entwickelte Modell zielt darauf ab, Daten an einzelnen Standorten zu nutzen. Unter der Annahme, dass ganz Österreich das Untersuchungsgebiet ist, bedeutet dies, dass jeder einzelne Wert durch eine Matrix mit mehr als 3 Millionen Werten ersetzt wird.
Das Untersuchungsgebiet zur Berechnung der Bodentemperatur hätte daher auf diese kleinen Gebiete beschränkt werden können. Obwohl die Verfahren zur Bestimmung der Bodentemperaturen selbst sehr aufwändig sind und für Berechnungen für das gesamte Gebiet Österreichs etwa eine Stunde Berechnungszeit pro Tag erfordern (über drei Jahre sind das fast 1100 Tage), sind sie dennoch deutlich weniger arbeitsintensiv. -intensiver als die Generierung der notwendigen Input-Geodaten. Bei einer zu engen Abgrenzung der Gebiete gäbe es zwangsläufig nur wenige Wetterstationen und damit stünden nur wenige Daten für die räumliche Modellierung zur Verfügung.
Aus diesem Grund ist für die Berechnung von Klimaszenarien für kleine Untersuchungsgebiete die Verwendung der ortsbezogenen Variante des Bodentemperaturmodells, wie sie von der BOKU entwickelt wurde, sinnvoller als die Verwendung der hier vorgestellten GIS-Anwendung. Müssen große Untersuchungsgebiete (z. B. ganz Österreich) in hoher Auflösung berechnet werden, ist dies möglich, sofern alle Modellparameter als Rasterdaten vorliegen (für 30 Jahre und 10 Parameter sowie 3 verschiedene Klimamodelle, das ist mehr als 30.000 Gitter), aber sehr rechenintensiv. Erfahrungsgemäß werden in den drei Studienjahren ca. 21.000 Ergebniskarten erstellt, die für ganz Österreich bei einer Auflösung von 250 Metern ca. 50 volle Tage Rechenzeit in Anspruch nehmen.
Der Aufwand für die Vorabaufbereitung dieser Daten ist nicht abschätzbar. Einfaches Modell für 10 cm Bodentemperatur in verschiedenen Böden mit kurzem Gras. 2007): GIS zur Grünlandertragsermittlung: Implementierung eines Ertragsmodells.
