Entwicklung von Simulationsmodellen

1. Entwicklung von Simulationsmodellen Modul: 22a WS 2007/08 Dr. Falk-Juri Knauft Mittwoch 9.15 Uhr – 10.00 Uhr S25 Praktikum zur Entwicklung von Simulationsmodellen: Mittwoch 14.00 Uhr – 17.00 Uhr GEO CIP-Pool http://www.bayceer.uni-bayreuth.de/mod/html/ws0708/geooekologie/simulationsmodelle

2. Entwicklung von Simulationsmodellen WS 2007/2008 – Überblick I http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/mod/html/ws0708/geooekologie/simulationsmodelle http://www.bayceer.uni-bayreuth.de/mod/html/ws0708/geooekologie/simulationsmodelle

3. Individuenbasierte Simulation von Wildverbiss in Tragic++ – Diplomarbeit Max Daenner –

4. Individuenbasierte Waldwachstums-Simulation

5. Individuenbasierte Waldwachstums-Simulation

6. Individuenbasierte Waldwachstums-Simulation

7. Allgemeiner Überblick: Aufgabenstellung Anpassung des Waldwachstumssimulator Tragic++ zur Simulation der Auswirkungen von Rehwildverbiss auf die Verjüngung. 1. Entwurf eines Konzeptes zur Simulation von Verbiss 2. Entwicklung der Programmprozeduren für die Simulation von Verbiss 3. Simulation von Verbiss-Szenarien

8. Allgemeiner Überblick: Modell 1 Prof. Kennel, 2003: Überlebensprognose (AFZ 25 (2003) 1302-1306) • Entwicklung des Verbisses über Binominalverteilung • Verweildauer in der verbissgefährdeten Zone (Bonität, Ertragstafeln) • Überlebenswahrscheinlichkeit (Verweildauer, Anzahl an Verbiss, Annahmen) • Entwicklung des Verbisses über Binominalverteilung • Verweildauer in der verbissgefährdeten Zone (Bonität, Ertragstafeln) • Entwicklung des Verbisses über Binominalverteilung • Annahmen: • Verbiss führt zu einem Jahr Wachstumsverzögerung • 5 x Verbiss führt zum Absterben der Pflanze

9. Allgemeiner Überblick: Modell 2 Kienast et. al, 1999: FORET/JABOWA (Forest Ecology and Management 120 (1999) 35-46) • Abschätzen der Verbissintensität (MBI und ABI in %) • Wachstumsänderung über Anpassung der Höhen und Durchmesser- wachstumskurve • Baumsterblichkeit anhand eines Minimumwertes für Höhen und Durchmesserzuwachstums • Abschätzen der Verbissintensität (MBI und ABI in %) • Wachstumsänderung über Anpassung der Höhen und Durchmesser- wachstumskurve • Abschätzen der Verbissintensität (MBI und ABI in %)

10. Konzeption und Umsetzung: Simulation des Waldwachstums in Tragic++ • Individuenbasiert, hierarchischer Aufbau • Prozessorientiert • Konkurrenz um Licht, Nährstoffe und Raum der Einzelbäume bestimmen die Gesamtstruktur und Einzelbaumwachstum • Managementstrukturen können dargestellt und durchgeführt werden Hypothesen: • Direkter Beeinflussung des Wachstumsprozesses des Einzelbaumes über den Verbiss. • Indirekte Beeinflussung der Gesamtstruktur des Waldes durch Beeinflussung der Konkurrenz.

11. Konzeption und Umsetzung: Simulation des Waldwachstums in Tragic++ Methode: Verbissintensität durch Entnahmen von Biomasse (FoliageWeight in Kg Trockengewicht) Der Ort des Verbisses ist an die Geometrie der Bäume in Tragic++ gebunden. (Einzelbaum  Stammsegment  Äste  Nadeln) Simulation des Verbisses über ein Populationsmodel mit Rehwild (capreolus capreolus) als Prototyp. Population wird individuenbasiert dargestellt Biomassenbedarf der Individuen steuert Gesamtverbiss Verbiss der einzelnen Bäume wird nach Baumart über die Höhe mit Hilfe von Wahrscheinlichkeiten bestimmt.

12. Konzeption und Umsetzung: Schematischer Ablauf des simulierten Verbisses Iteration • Biomassenbedarf der Population pro Fläche • Populationsmodell • Verbiss der Bäume • Seitentrieb (Needle:FoliageWeight) • Terminaltrieb (Segment:FoliageWeight, Segment:Height) • Biomassenbedarf des Individuums • Individuum • Regelsätze zum Verbiss • Maximale Verbisshöhe • Wahrscheinlichkeiten

13. Steuerung des Verbisses Steuerung der Populationsentwicklung Konzeption und Umsetzung: Parameter des Populationsmodells

14. Konzeption und Umsetzung: Verbissintensität Das Populationsmodell dient zur Berechnung der Verbissintensität

15. Konzeption und Umsetzung: Interaktion mit dem Benutzer

16. Baumart 1..n Höhenstufe • Verbiss • Wahrscheinlichkeit • Häufigkeit • Terminaltriebverbiss • Wahrscheinlichkeit Konzeption und Umsetzung: Parameter der Verbissprozedur

17. User Interface Simulated Forest Cutting() Conditional Parameters Initial Parameters Planting() Hunting() Cylcle Replanting() Regeneration() • Manipulation von: • Needle::FoliageWeight • Tree::Height HerbivoreBrowsing() HerbivoreDying() FoliageWeight, Height Shadowing() FoliageWeight, Height CalcSigmaC() FoliageWeight Photosynthesis() Photosynthesis Dying() Litterfall() Height GeoConstraintXYZ() RootDeath() Wuseling() Photosynthesis Partition() Photosynthesis RootGrowth() Thinning() FoliageWeight Decomposition() HerbivoreBreeding() HerbivoreAgeing() Konzeption und Umsetzung: Manipulation des Baum/Waldwachstums

18. Konzeption und Umsetzung: Schlüsselposition von N:FoliageWeight

19. 1 CHerbHeightClass 0..n 1 0..n 1 CHerbProb 1 CHerbivoreSpec 0..n 1 0..n 1 CHerbIndiv CHerbivoreSpecParams 1 CHerbIndivParams Konzeption und Umsetzung: UML Klassenübersicht CTRAGICRoot ... ... 1 1 0..n 1 1 CForest ... ... 1 0..n 1 CTreeSpeciesParams 1 CTreeSpecies ... 1 1 0..n 1 CTreeParams CTree ... 1 0..n CSegment 1 0..n CBranch 1 0..n CNeedle

20. Baum1: kein Verbiss Baum2: 4. Lebensjahr Terminal- und Seitentriebverbiss (20% Blattmassenverlust) Baum3: 5. Lebensjahr Seitentriebverbiss (22% Blattmassenverlust) Baum4: 4. Lebensjahr Terminaltrieb- und Seitentriebverbiss (23% Blattmassenverlust), 7. Und 9. Lebensjahr Seitentriebverbiss (10, 52% Blattmassenverlust) Baum5: 4. Lebensjahr durch Terminal- und Seitentriebverbiss (50% Blattmassenverlust) Simulationsergebnisse : Einfluss des Verbisses auf das Baumwachstum Wachstumsverzögerung durch Terminaltriebverbiss (5, 10, 15 Jahre)

21. Variation der Anteile an verbissenen Bäumen Verringerung der Bestandesdichte durch den Einfluss des Verbisses Durchforstungsähnlicher Effekt: Zunahme der Baumhöhen und Durchmesser Simulationsergebnisse : Einfluss des Verbissesverhaltens auf die Bestandesstruktur I Über die Anzahl der Individuen lässt sich der Biomassenverbrauch und dadurch die Gesamtverbissintensität steuern. • Simulation der Bestandesentwicklung mit 0, 20, 40, 60, 80, 100 und 120 Individuen

22. Simulationsergebnisse : Einfluss des Verbissesverhaltens auf die Bestandesstruktur II Die Parameter MeanBrowsingTimes und MaxDBrowsingtimes legen fest, wie viele Nadeln ein Baum pro Seitentriebverbiss verliert. Startparameter: • MeanBrowsingTimes von 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 25, 50 und 100 • MaxDBrowsingtimes von 0 • 35 und 50 Individuen • Simulationszeitraum von 100 Jahre

23. Variation von einem flächendeckenden Verbiss hin zu konzentriertem Verbiss einzelner Bäume Größter Einfluss des Verbisses auf die Bestandesstruktur bei mittleren Verbissintensitäten. Simulationsergebnisse : Einfluss des Verbissesverhaltens auf die Bestandesstruktur III

24. Simulationsergebnisse : Entmischung durch Verbiss I Im Rahmen dieses Szenariums wurde untersucht, wie stark sich unterschiedliche Populationsdichten auf die Entmischung eines Bestandes mit zwei Baumarten auswirken. Startparameter: • 500 Jahre alter Bestand mit zwei identisch parametrisierten „Baumarten“. • Verbisswahrscheinlichkeiten ähnlich derer von Tanne und Fichte • Variierende Anzahl an Individuen

25. Beeinflussung der Baumarten-zusammensetzung der Bestände durch Verbiss. Veränderung der Bestandesstruktur, hin zu offeneren Beständen mit „höheren“ Bäumen mit größeren Stammdurchmessern. Simulationsergebnisse : Entmischung durch Verbiss II

26. Simulationsergebnisse: Entmischung durch Verbiss III Verschiebung des Konkurrenzgefüges zweier Baumarten Entwicklung der Artenzusammensetzung bei unterschiedlicher Verbissbelastung