Hydrologisches Modell J2000g
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Zusammenfassung
Das Modell J2000g wurde als vereinfachtes hydrologisches Modell entwickelt um zeitlich aggregierte, räumlich verteilte hydrologische Zielgrößen zu berechnen. Die Darstellung und Berechnung der hydrologischen Vorgänge erfolgt dabei eindimensional für eine beliebige Anzahl von Punkten im Raum. Durch diese Modellpunkte können unterschiedliche Distributionskonzepte (Response Units, Rasterzellen, Teileinzugsgebiete) gleichermaßen ohne weitere Modellanpassung eingesetzt werden.
Die zeitliche Diskretisierung der Modellierung kann entweder in Tagesschritten oder Monatschritten erfolgen. Während der Modellierung werden folgende Prozesse für jeden Zeitschritt berechnet: Regionalisierung von punktuell vorliegenden Klimadaten auf die jeweiligen Modelleinheiten, Berechnung von Global- und Nettostrahlung als Eingang für die Verdunstungsberechnung, Berechnung der landbedeckungsspezifischen potentiellen Verdunstung nach Penmam-Monteith, Schneeakkumulation und Schmelze, Bodenwasserhaushalt, Grundwasserneubildung, Abflussverzögerung (Translation und Retention). Die einzelnen Prozesse werden unten detailliert beschrieben.
Distribution und Attributtabellen
Das Modell J2000g ist an kein spezifisches Distributionskonzept gebunden, da die Prozesse an voneinander unabhängigen Punkten im Raum berechnet werden (1D-Modellkonzept). Diese Punkte können unterschiedliche Raumeinheiten repräsentieren, z.B. einzelne Stationsstandorte, Polygone, Rasterzellen, (Teil)Einzugsgebiete, aber auch eher administrative Einheiten wie Feldblöcke oder Landkreise. Im folgenden Text wird der Begriff "Modelleinheit" für diese Punkte genutzt.
Modelleinheitenattributtabelle
Jede Modelleinheit muss für die Modellierung durch spezifische Attribute beschrieben werden. Dies sind:
- ID - eine eindeutige numerische Identifikationsnummer
- X - der Rechtswert des Mittelpunkts (Zentroid) als Gauss-Krüger Koordinate
- Y - der Hochwert des Mittelpunkts (Zentroid) als Gauss-Krüger Koordinate
- area - die Fläche der Modelleinheit in m²
- elevation - die mittlere Höhe der Modelleinheit in m über Normalnull
- slope - die mittlere Neigung der Modelleinheit in Grad
- aspect - die Exposition der Modelleinheit in Grad von Nord im Uhrzeigersinn
- soilID - eine eindeutige numerische Identifikationsnummer für den Bodentyp (dient als Zuordnung zur Bodenattributtabelle)
- landuseID - eine eindeutige numerische Identifikationsnummer für den Landnutzungs/Landbedeckungstyp (dient als Zuordnung zur Landnutzungstabelle)
- hgeoID - eine eindeutige numerische Identifikationsnummer für die hydrogeologische Einheit der Modelleinheit (dient als Zuordnung zur Hydrogeologietabelle)
Die Modelleinheitenattributtabelle enthält in der ersten Zeile die Attributname. Diese dürfen nicht geändert werden, da sie bei der dynamischen Attributerzeugung während der Modellparametrisierung als Variablenname eingesetzt werden. Die zweite Zeile enthält die minimal mögliche Ausprägung des jeweiligen Attributs, die dritte Zeile die maximal mögliche Ausprägung. In der vierten Zeile wird die physikalische Einheit des Attributs eingetragen. Nun folgen beliebig viele Zeilen, die die Attributwerte für die einzelnen Modelleinheiten enthalten. Die Tabelle muss durch eine Kommentarzeile abgeschlossen werden, die mit dem Kommentarzeichen (#) beginnt. Als Spaltentrenner muss der Tabulator (\t) eingesetzt werden.
Bodenattributtabelle
Die Bodenattributtabelle enthält bodenphysikalische Kennwerte für jede im Gebiet vorkommende Bodeneinheit. In der derzeitigen Modellversion wird lediglich die nutzbare Feldkapazität für jeden Dezimeter benötigt. Aus dieser wird während der Modellparametrisierung die maximale Speicherkapazität des Bodenwasserspeichers in Abhängigkeit der effektiven Durchwurzelungstiefe der Vegetation auf der Modelleinheit berechnet.
Das Format der Bodenattributtabelle ist dem der Modelleinheitenattributtabelle sehr ähnlich. Die Tabelle kann mit einer beliebigen Anzahl von Kommentarzeilen eingeleitet werden, die mit dem Kommentarzeichen (#) begonnen werden müssen. In der ersten interpretierten Zeile müssen die Attributnamen stehen. Hier muss wieder exakt auf die Schreibweise geachtet werden. Folgende Attribute müssen enthalten sein:
- SID - eindeutige numerische ID mit der die Verbindung mit der Modelleinheitentabelle erstellt wird
- depth - Mächtigkeit des Bodens in cm
- fc_sum - gesamte nutzbare Feldkapazität des Bodens in mm
- fc_1 bis fc_n - nutzbare Feldkapazität für jeden Dezimeter in mm/dm
Den Abschluss der Tabelle muss wieder eine Kommentarzeile (eingeleitet mit #) bilden. Als Spaltentrenner muss der Tabulator (\t) eingesetzt werden.
Landnutzungsattributtabelle
Die Landnutzungsattributtabelle enthält Vegetationsparameter, die nahezu ausschließlich für die Verdunstunsgsberechnung nach Penman-Monteith benötigt werden. In der Tabelle müssen für jede im Gebiet vorkommende Landnutzungs/Landbedeckungseinheit folgende Attribute angegeben werden:
- LID - eine eindeutige numerische ID mit der die Verbindung zur Modelleinheitentabelle hergestellt wird.
- description - eine Beschreibung als Text
- albedo - die Albedo [0 ... 1]
- RSC0_1 bis RSC0_12 - die Stomatawiderstände bei guter Wasserverfügbarkeit für die Monate Januar (RSC0_1) bis Dezember (RSC0_12) in s/m
- LAI_d1 bis LAI_d4 - Der Blattflächenindex in m²/m² für die julianischen Tage 110 (d1), 150 (d2), 250 (d3) und 280 (d4) bei einer Geländehöhe von 400 m ü.N.N.
- effHeight_d1 bis effHeight_d4 - effektive Wuchshöhe in Meter für die julianischen Tage 110 (d1), 150 (d2), 250 (d3) und 280 (d4) bei einer Geländehöhe von 400 m ü.N.N.
- rootDepth - die effektive Durchwurzelungstiefe in dm
