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Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften

Lehrstuhl für Ökologische Modellbildung - Prof. Dr. Michael Hauhs

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Physik des Wasser- und Stofftransportes in Waldökosystemen - Theorie und Modellierung

BITÖK-M 5

Von 01/1995 bis 12/1997

Projektleiter: Michael Hauhs
Mitarbeiter: Holger Lange
Bewilligung: 0339476 B Vorhersage und Erklärung des Verhaltens und der Belastbarkeit von Ökosystemen unter veränderten Umweltbedingungen

Bewaldete Einzugsgebiete wurden anhand abiotischer Flüsse über ihre Ränder charakterisiert. Dazu wurden Zeitreihen vieler Observablen mit verschiedenen Methoden untersucht. Hierbei erwiesen sich die Konzepte Zufälligkeit und Komplexität als geeignet. Die Filterhypothese für Ökosysteme konnte bestätigt werden, wenn unter Filterung die Abnahme von Zufälligkeit verstanden wird. Die Komplexität von Input und Output hängt aber von der gewählten Zeitauflösung ab. Um maximale Information bei maximaler Komplexität zu bekommen, sollte man z.B. Niederschlag alle paar Stunden, Abfluß alle wenige Tage messen. Die Maße (z.B. algorithmische Komplexität oder metrische Entropie) können auch zum eindeutigen Nachweis evtl. Datenmanipulationen dienen. Vergleiche von Einzugsgebieten zeigen Ähnlichkeiten in bzgl. des Informationsabstands zwischen Input und Output; deutlicher werden die Unterschiede bei Maßen, die die Geschichte des Systems berücksichtigen (Wiederkehrdiagramme, Leistungsspektren, Hurst-Koeffizienten).Die Analyse von Durchbruchskurven aus einer von uns durchgeführten Serie von Tracerversuchen auf Einzugsgebietsebene ergab, daß Bromid ein unter diesen Bedingungen nicht inerter Tracer ist; Deuterium kann dagegen mit scharf definierten Transportparametern rekonstruiert werden.Eine explizite Simulation des Lehstenbach-Abflusses zeigte deutlich das Vorhandensein zweier beitragender Komponenten. Eine verläßliche Abschätzung effektiver Transportparameter ist für dieses Gebiet anscheinend nicht möglich.Die effektive Dimensionalität der Lehstenbach-Abflußchemie ist niedrig, wie durch eine Hauptkomponentenanalyse gezeigt werden konnte. Ein neuronales Netz war in der Lage, bei Eingabe von nur vier Hauptkomponenten 16 verschiedene Ionen abzubilden.Die Charakterisierung von Zeitreihen aus Ökosystemen mit Komplexitätsmaßen und ähnlichen Größen hat sich als wertvolles Instrument bewährt. Innerhalb von bestimmten Empfindlichkeitsschranken werden Einträge vom System benutzt, um Information zu extrahieren sowie Entropie zu exportieren; die Eingangsgrößen werden gefiltert und verwandeln sich in Richtung Systemausgang zu weniger zufälligen, aber u.U. strukturreicheren Signalen. (Abschlußbericht 1998)

Publikationsliste dieses Projekts

Lange, H; Lischeid, G; Hauhs, M: Complexity analysis of time series from two headwater catchments in South Germany in European Academy, Bozen: Hydrology, Water Resources and Ecology of Mountain Areas, Tappeiner, U; Ruffini, FV; Fumai, M, 103-106 (1998)
Hauhs, M; Hornung, U; Lange, H: A Model of Multicomponent Diffusion in a Reactive Acid Soil in Bourgeat,AP; Carasso,C; Luckhaus,S and Mikelic,A (eds.): Proceedings of the Conference "Mathematical Modelling of Flow Through Porous Media" Sant Etienne, World Scientific, Singapore, 231-247 (1995) -- Details
Lange, H; Hauhs, M; Schmidt, S: Long-Term Sulfate Dynamics at Lange Bramke (Harz) used for testing two Acidification Models, Water, Air and Soil Pollution, 79, 339-351 (1995), doi:10.1007/978-94-011-0261-2_20 -- Details
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