ClimSoil-GIS

Allgemeine Projektinformationen

Titel (deutsch)

Räumliche Modellierung von Bodentemperaturen für Österreich

Titel (englisch)

Spatial Modelling of Soil Temperatures for Austria

Abstract (deutsch)

Räumliche Aufbereitung meteorologischer Parameter für deren Integration in einem Bodentemperaturmodell
Erstellung eines Geodatenbestandes zur Beschreibung der täglichen Bodentemperaturen in ausgewählten Jahren für agrarisch genutzte Flächen in Österreich
Bodentemperaturen als Geodatenbasis dienen der Verwendung in phänologischen Modellen, in dynamischen und statistischen Ertrags- und Wachstumsmodellen, einer genaueren und kulturartenbezogenen Berechnung von Vegetationsbeginn und -ende, der Berechnung von Ausbreitungsszenarien von bodentemperaturempfindlichen Schädlingen und Krankheiten, usw.

Abstract (englisch)

The aim of the project is to develop a GIS data base of daily soil temperatures, based on meteorological data and physical soil properties derived from the Austrian Digital Soil Map. A developed and tested soil temperature model adjusted to numerical parameters has to be modified and integrated in a Geographical Information System. Numerical input parameters are substituted to their raster data equivalents, e.g., instead of a single air temperature value a continuous surface of air temperatures for the entire area of Austria is the input of the GIS model. The surfaces have to be prepared by geostatistical interpolation methods and combined with raster algebra algorithms for calculation of daily soil temperature surfaces for different soil horizons. Spatial information about soil temperatures is not yet available in Austria but a crucial input for many models (dynamics of soil nitrogen, organic matter, soil chemical processes; greenhouse gas emissions from soils; crop root growth and limitations; pest, diseases and weed development and risks, etc.). The GIS database to be implemented provides the background for spatial analysis of impact of climate change on soil temperatures and their relevance for many biological and physical systems.

Schlagwörter (deutsch)

GIS, Klimafolgen, Pflanzenwachstum, Boden

Projektleitung

Schaumberger Andreas

Forschungseinrichtung

LFZ Raumberg-Gumpenstein

Finanzierungspartner

Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft

Projektnummer

100841

Projektlaufzeit

-

Projektziele

Für die regionale Beschreibung von bodentemperaturabhängigen Prozessen, welche für viele agrarmeteorologische Fragestellungen eine wichtige Rolle spielen, werden möglichst hoch aufgelöste räumliche und zeitliche Daten benötigt. Um diese auf Tagesbasis, generieren zu können, braucht es entweder entsprechende Beobachtungen oder vereinfachende Annahmen mit Hilfe geeigneter Modelle. Die Beobachtung in Form von Messungen der Bodentemperaturen ist hinsichtlich des zeitlichen (mehrere Jahre) bzw. räumlichen (sämtliche landwirtschaftliche Nutzflächen Österreichs) Bedarfs nicht möglich. Zudem können Beobachtungen nur vergangenheitsorientierte Ergebnisse liefern und nicht, wie im Projekt angestrebt, die Auswirkungen möglicher Klimaveränderungen aufzeigen. Dazu braucht es Modelle, welche in der Lage sind, allgemein gültige Zusammenhange zwischen meteorologischen Daten und Bodenkennwerten herzustellen, um daraus Bodentemperaturen ableiten zu können. Datenbasis dafür können sowohl meteorologische Aufzeichnungen als auch von Klimamodellen berechnete Szenarien sein. Ein Ziel der Entwicklungen im Rahmen dieses Projektes ist es daher, eine Grundlage für die regionalisierte Berechnung von Bodentemperaturen zu schaffen, die auch auf Klimaszenarien angewendet werden können.
Die Bereitstellung der mittels Modell gerechneten Bodentemperaturen als kontinuierliche Oberflächen, welche sich sowohl auf vergangene als auch zukünftige Perioden beziehen können, ist die primäre Zielsetzung. Anwendungen, welche auf die hier generierten Daten aufbauen, sind nicht Gegenstand des vorliegenden Projektes (ClimSoil-GIS), sondern werden im Rahmen von CLIMSOIL exemplarisch dargestellt.
Für die GIS-Implementierung von SoilTempSimV2 sind eine Reihe von Modellparametern einer räumlichen Aufbereitung zu unterziehen. Temperatur, Evapotranspiration, Niederschlag, usw. müssen als tägliche Karten vorliegen und die gesamte Fläche Österreichs beschreiben. Sekundärziel des vorliegenden Projektes ist die Erstellung möglichst realistischer Oberflächen der erforderlichen Parameter, welche für sich und eigenständig wieder in unterschiedlichstem Kontext Verwendung finden können. Temperaturkarten werden beispielsweise für temperatursummenabhängige phänologische Modelle benötigt, Globalstrahlungsdaten können für die Berechnung von landwirtschaftlichen Erträgen herangezogen werden, die Evapotranspiration für die Berechnung von Trockenindizes, usw.

Praxisrelevanz

Die Verfügbarkeit von Bodentemperaturdaten in beliebigen Regionen Österreichs und für beliebige Zeiträume (inklusive Klimaszenarien) ermöglicht eine räumliche Anwendung zahlreicher Basismodelle der Agrarmeteorologie. Mit der Schaffung einer Möglichkeit der Verrechnung von Klimaszenarien wird ein wichtiges Instrument für die Abschätzung von Klimafolgen für die Landwirtschaft geschaffen. Dies kann sich auf die Verbreitung von Krankheiten und Schädlingen sowie auch auf Veränderungen der Ertragslage, des kulturartenspezifischen Standortpotenzials, der Entwicklung von trockenheitsbezogenen Schäden und der Verschiebung von phänologischen Phasen beziehen. Mit der Verwendung von Bodentemperaturen ist im Gegensatz zur weit verbreiteten Einbeziehung der Lufttemperatur die Möglichkeit gegeben, komplexere und damit genauere agrarmeteorologische Modelle zu betreiben.

Berichte

Abschlussbericht

Anbaueignung, Entwicklung und letztendlich der Ertrag vieler landwirtschaftlicher Kulturen hängen eng mit dem Standortfaktor Bodentemperatur zusammen. Ein entsprechende Modellierung der Temperaturen in unterschiedlichen Bodentiefen bildet die Grundlage für eine Analyse des kulturartspezifischen Leistungspotenzials, der Anfälligkeit für Krankheiten und Schädlingen und deren Ausbreitungspotenzial. Für regionale Untersuchungen ist es notwendig, der räumlichen und zeitlichen Dimension von Bodentemperaturen Rechnung zu tragen. Als adäquates Werkzeug ist hier ein Geografisches Informationssystem (GIS) zu sehen, welches die zeitliche, aber vor allem die räumliche Komponente der auf die Bodentemperatur einwirkenden Faktoren von Atmosphäre, Pflanze und Boden in den Mittelpunkt einer systematischen Auseinandersetzung stellt. Die Grundlage für die vorliegende Implementierung einer GIS-Datenbank mit Bodentemperaturen für Österreich in einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung sind Informationen über die Witterung (Temperatur, Globalstrahlung, Niederschlag, Wind, Luftfeuchte, Schneebedeckung), den Boden (Feldkapazität, Sandanteil) und die von Bewirtschaftungseffekten beeinflusste Entwicklung ausgewählter Kulturen (Grünland und Mais). Die räumliche Auflösung beträgt in der vorliegenden Entwicklung 250 Meter, die zeitliche bezieht sich auf einer täglichen Kombination der Wetterdaten mit Bodeninformationen zur Berechnung der Bodenfeuchte sowie der Entwicklung der oberirdischen Biomasse. Ausgangsbasis für die GIS-Anwendung ist ein standortbasiertes Bodentemperaturmodell, bei dem statt numerischer Einzelwerte kontinuierliche Rasteroberflächen des gesamten Untersuchungsgebietes (Österreich) auf Tagesbasis verwendet werden. Der Verwendung im Bodentemperaturmodell selbst geht demzufolge die Aufbereitung der Modellparameter zu Rasteroberflächen voraus. Benötigt werden dafür die täglichen Oberflächen von Tagesminimum-, Tagesmaximum- und Tagesmitteltemperatur der Luft, Globalstrahlung, Niederschlag, der nach Penman-Monteith berechneten und interpolierten Referenz-Evapo¬transpiration, der modellierten Schneebedeckung sowie statische Informationen zu Nutzbarer Feldkapazität, Sandanteil im Boden und kulturspezifischer Albedo. Die einzelnen Parameter werden als Rasterdaten in Raster-Algebra-Operationen gemäß den Vorgaben des Bodentemperaturmodells, entwickelt von der Universität für Bodenkultur), miteinander kombiniert und resultieren in täglichen Ergebnisoberflächen für 19 verschiedene Bodenschichten und für die gesamte landwirtschaftliche Nutzfläche Österreich, angepasst an die Kulturarten Grünland und Mais. Pro Kulturart entstehen im Untersuchungszeitraum 2009 bis 2011 somit knapp 21.000 Bodentemperaturkarten für ganz Österreich. Eine Validierung der Ergebnisse mit Bodentemperaturbeobachtungen am Standort Gumpenstein für 10, 20 und 50 cm Bodentiefe ergab einen starken Zusammenhang mit R² von 0,92 bis 0,98. Systematische Überschätzungen des Modells ergeben sich im Frühjahr, Unterschätzungen im Herbst. Die Höhe der Abweichungen wird wesentlich davon beeinflusst, wie abrupt Temperaturänderungen verlaufen. Große Schwankungen werden vom Modell etwas träger nachvollzogen, woraus sich die größeren Unterschiede ergeben. Für die Aufbereitung der einzelnen Modellparameter als Geodaten ist zusätzlich zur eigentlichen Berechnung der Bodentemperaturen ein erheblicher Rechenaufwand notwendig. Die Anwendung mit Klimamodellen, bei denen üblicherweise Klimanormalperioden von mindestens 30 Jahren berücksichtigt werden, ist mit den in diesem Projekt gemachten Erfahrungen, wo lediglich drei Jahre berechnet wurden, praktisch kaum durchführbar.

Anhänge

Dateiname

Abschlussbericht_ClimSoil-GIS.pdf

Beschreibung

Abschlussbericht: Räumliche Modellierung von Bodentemperaturen für Österreich

Autor/innen

Andreas Schaumberger

Dateiname

DissSchaumberger.pdf

Beschreibung

Dissertation: Räumliche Modelle zur Vegetations- und Ertragsdynamik im Grünland

Autor/innen

Andreas Schaumberger