Modellierung der Bodentemperatur als Bestandteil eines Baumwachstumsmodells : Modellierung von Bestandeswachstum, Stoff- und Energieumsaetzen mit TREEDYNam Beispiel Solling F1
In dieser Arbeit wurde ein prozessorientiertes eindimensionales Temperaturmodell des Waldbodens entwickelt. Dabei wurde der Boden in seinen thermischen Eigenschaften als heterogen betrachtet. Es wurde der mit der bodennahen Luftschicht stattfindende Energieaustausch an der Bodenoberfläche modelliert. Das Modell wurde mit Hilfe der impliziten Finite Differenzen-Methode gelöst. Die numerische Lösung für einfache Randbedingungen und homogenen Boden wurde mit einer analytischen Lösung verglichen und validiert. Anhand von Solling F1-Daten wurde das Modell parametrisiert. Die Kommunikation zwischen einem Bodentemperatur- und einem - prozessmodell wurde für gleich grosse und für verschieden grosse Modellzeitschritte beschrieben. Es wurde vorgeschlagen zur Beurteilung der Güte der Bodentemperaturprädiktion die Wirkung der Temperatur auf ein Bodenprozessmodell bei van't Hoff'scher Temperaturabhängigkeit heranzuziehen. Auf dieser Grundlage wurde eine Familie von Wirkungsmassen definiert. In der weiteren Untersuchung waren diese Masse Grundlage der Interpretation und Beurteilung von Simulationsexperimenten. In einer Sensitivitätsanalyse der wichtigsten Modellparameter wurde für einen typischen Sommer- und Wintertag die Verhaltensgültigkeit des Modells festgestellt. Der Verlauf der Bodentemperatur folgt dem der Lufttemperatur sehr eng, auf Grund der niedrigen auf den Waldboden eindringenden Globalstrahlung. Der Fluss latenter Wärme ist deutlich grösser als der der sensiblen. Es wurde gezeigt, dass die Mächtigkeit einer Humusauflage sowie ihre thermischen Eigenschaften entscheidend für das Bodentemperaturregime sind. Die thermischen Eigenschaften des Mineralbodens haben einen deutlich geringeren Einfluss. Die Wirkung eines intensiven Sonnenflecks auf dem Boden wurde für verschieden mächtige Humusauflagen mit unterschiedlichem volumetrischem Wassergehalt untersucht. Die Oberflächentemperatur steigt durch den Sonnenfleck deutlich um über 20 K an. Die Temperatur tieferer Schichten wird bei Anwesenheit einer Humusauflage wenig beeinflusst. Ohne Humusauflage dringt die Temperaturwelle wesentlich weiter in den Boden ein. Prozessorientierte Temperaturmodelle mit verschieden umfangreichen Eingabedaten wurden gegen ein semiempirisches Modell mit verschiedenen Temperaturreduktionsfaktoren verglichen. Die Vergleichsfläche war der Solling F1, der Vergleichszeitraum das Jahr 1991/1992. Der Wasserhaushalt wurde nicht berücksichtigt. Zuerst wurde mit einem Modellzeitschritt von einer Stunde simuliert. Alle Modelle zeigten gute Übereinstimmung der simulierten mit den gemessenen Daten. Es wurde daraus auf die prinzipielle empirische Validitaet der Bodentemperaturmodelle geschlossen. Für den Mineralboden ergab sich ein systematischer Fehler. Die Temperatur wurde im Winter um ca. 2 K überschätzt und im Sommer etwas unterschätzt. Dies wurde zurückgeführt auf die zu hoch eingeschätzte Temperaturleitfähigkeit des Mineralbodens. Im Vergleich war das Modell mit dem vollständigen atmosphärischen Datensatz den anderen Modellen unterlegen. Dies kann teilweise erklaert werden durch Inkonsistenzen im Solling F1-Datensatz. Beurteilt mit der durchschnittlichen maximalen Gesamtwirkungsabweichung, gibt ein semiempirisches Modell mit einem Temperaturreduktionsfaktor von -0,1 oder ein prozessorientiertes Modell mit teilweise gemittelten atmosphärischen Daten die Bodentemperatur am besten wieder. Im zweiten Schritt wurde zunächst die Wirkung, die durch eine Mittelung der Solling F1-Bodentemperaturdaten über Zeitschritte von einem Tag, einer Woche und einem Monat verursacht wird, untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Wirkungsabweichung, bzw. der Fehler, immer klein und meistens deutlich unter 5% liegt. Begründet wurde dies durch die geringe tägliche Amplitude der Bodentemperatur.
