Details

(alle Dokumentationen sind in englisch verfügbar)

• TreeMig-Kern-Modell
• TreeMig Fortran Code
  • als Überblick
  • und detailliert
• TreeMig-R-Paket und GUI

• Eingangsdaten
• Artparameter
• Kontroll-Einstellungen (engl.)
• Ausgabe Dateien
• Statefiles
• Immigration files

• Beispieldaten für die Schweiz

Benötigte Eingabedaten

Wir stellen Ihnen Eingabedaten für die Schweiz zur Verfügung, bestehend aus einem Klimaänderungsszenario, Teilen der Schweizer Bodeneignungskarte zur Berechnung der Wasserspeicherfähigkeit ("bucketsize") und der Arealstatistik zum Erzeugen von Landnutzungsmasken ("stockability"). Daraus werden die eigentlichen Eingangsdaten, die bioklimatischen Variablen, automatisch berechnet.
Sie können in der Benutzeroberfläche aber auch eigene Eingabedaten für Hangneigung, Aspekt, Temperatur, Niederschlag und Wasserspeicherkapazität ("bucket size") sowie die Bestockbarkeit angeben. Wenn Sie eine Simulation mit zeitlich und räumlich konstanten Eingaben durchführen wollen, ist das ganz einfach. Unter Simulation/Studienbereich und Bioklima/Neues Bioklima erstellen können Sie für jeden Datentyp die Registerkarte "constant" verwenden und einfach einen konstanten Wert eingeben. Ansonsten müssen Sie die Eingabedateien und deren Speicherorte unter Eingabedaten im Bereich "Input" definieren. Dort können Sie die Pfade zu weiteren Eingabedateien für Temperatur, Niederschlag, DHM, Neigung, Aspekt, Wasserspeicherkapazität und Bestockbarkeit eingeben. Diese Daten werden dann von den in der Benutzeroberfläche aufgerufenen Funktionen des TreeMig-R-Pakets in Umfang und Auflösung harmonisiert.

Table 1: Formate und Bereiche der Eingabedaten. Netcdf und raster files müssen mit dem R-Paket "terra" lesbar sein, text files mit der data.table::fread Funktion (e.g. .txt, .csv, .xlxs).

Zusätzliche raum-zeitliche Eingabedaten

Neben dem Bioklima und der Bestockbarkeit können Sie der Simulation auch 4 zusätzliche, zeitlich und/oder räumlich variierende Eingabevariablen geben (Tabelle 2). Diese müssen Sie jedoch selbst bereitstellen. Fügen Sie dazu der Bioklima-Datei zusätzliche Spalten hinzu. Benennen Sie die Bioklimadatei um und legen Sie sie in den Ordner E der neuen Simulation, die Sie ausführen wollen. Verwenden Sie dann diese Bioklimadatei in Ihren Simulationen.

Tabelle 2:  Weitere raum-zeitliche Eingabedaten, die im "TM-R-Skript" geändert werden können.

Die Parameter der Arten bestimmen ihre Eigenschaften in den Simulationen. Eine Erklärung der Artparameter gibt es hier. Die Parameter werden über einen .txt file definiert, wobei jede Zeile einer Art entspricht. Die Parameter files müssen sich im Ordner P des TMEnvironment befinden. Beispiele für Artparameter finden sich im TMEnvironment im Beispiel-Setup. Diese bilden die 30 häufigsten Baumarten Mitteleuropas ab.

Die Simulationsergebnisse werden entweder in einer einzigen Netcdf-Datei oder als separate Textdateien gespeichert.

Jede der Textdateien enthält Spalten für die relativen Koordinaten lat und lon (beginnend bei 0 bis zur maximalen Anzahl von Zeilen und Spalten der Simulation), das Simulationsjahr, beginnend bei Null bis zur Anzahl der Simulationsjahre, und dann für jede Art die Ausgabevariable. Die letzte Spalte enthält die Summe über alle Arten. Die Einheiten der Variablen sind in der Tabelle unten angegeben.

Die Standardausgaben werden als Summe über alle Höhenklassen angegeben. Wenn "Write species height structures" gewählt wird, werden für jede Höhenklasse die Baumanzahlen in dieser Höhenklasse in einer eigenen Datei im Ordner HCL gespeichert.

Die netcdf-Datei wird entsprechend mit lat, lon, Jahr, Höhe (falls gewählt) und Art als Dimensionen (jedoch als Variablen gespeichert) und den gewählten Variablen (z. B. Biomasse und LAI) als tatsächliche Variablen aufgebaut.

Die Datei "heights.txt" im Ordner HCL enthält zudem die Untergrenzen der Höhenklassen in Meter, beginnend mit der niedrigsten Höhenklasse 0 (die Setzlinge, erste Zeile) bis zur Höhenklasse 15 (letzte Zeile). Beachten Sie, dass die Spalten lat, lon, year hier bedeutungslos sind, und die Höhenklassenhöhen für alle Arten gleich sind.

In HCL werden weitere lookup-Tabellen für die artspezifische Biomasse, dbh, lai und Samenproduktion pro Baum in den Höhenklassen ausgegeben. Auch bei diesen reichen die Höhenklassen von 0 bis 15, und lat, lon und year sind dummy-Spalten. Durch Multiplikation der Werte dieser lookup-Tabellen mit der Anzahl der Bäume pro Höhenklasse können Biomasse, DBH, Basalfläche, LAI und Samenproduktion pro Höhenklasse für jede Art und Höhenklasse berechnet werden.

Statefiles sind Textdateien zur Ausgabe des Simulations-Zustands an einem Zeitpunkt. Sie werden in einem festen Format geschrieben und gelesen. Wenn Sie selbst Statefiles für die Initialisierung bereitstellen oder für eine Modellkopplung modifizieren wollen, müssen Sie dieses Format einhalten.

• Spalte 1: Art
• Spalte 2: Jahr der Statefile-Ausgabe bzw. -Eingabe. Wenn Sie eine Simulation starten, sollte dieses Jahr das erste Jahr Ihrer Simulation sein.
• Spalte 3, 4: relative Breiten- und Längenkoordinaten (d.h. beginnend mit 0)
• Spalte 5: # Anzahl der Samen pro Patch (833 m²)
• Spalte 6: Populationsdichte der Saatgutantagonisten. Wird nur benötigt, wenn die Antagonisten-Dynamik simuliert wird, was selten der Fall ist; setzen Sie den Wert auf eine beliebige Zahl.
• Spalte 7: Index der höchsten Höhenklasse für diese Art. Sie können dies in der Datei "heights.txt" sehen, in der Zeile mit dem letzten Wert ungleich Null.
• Spalte 8: Anzahl der Bäume pro Flächengrösse (833 m²) der Art in der 0. Höhenklasse
• Spalte 9: Anzahl der Bäume pro Flächengrösse (833 m²) der Arten in der 1. Höhenklasse
• usw., bis die höchste Höhenklasse dieser Art erreicht ist.

Immigrationsdateien sind Textdateien, die angeben, wann und wo welche Art in das Simulationsgebiet einwandert. Sie werden in einem spezifischen Format gelesen. Wenn Sie eine Immigrationsdatei bereitstellen möchten, achten Sie darauf, dieses Format einzuhalten.

• Zeile 1: beliebiger Text oder leer
• Zeile 2: Dauer der einzelnen Einwanderungsereignisse.
• Zeile 3: beliebiger Text oder leer
• ab Zeile 4: für alle Arten, je eine Zeile pro Art
  • Spalte1:    Arten
  • Spalte 2:   Anzahl der Einwanderungsereignisse
  • ab Spalte 3: für jedes Einwanderungsereignis drei Werte: Jahr (aktuelles Jahr, z.B. 2001), Koordinaten (lat, lon) der Zelle, zwischen 0 und 1, wobei (0,0) die untere linke, (1,1) die obere rechte Ecke des Simulationsbereichs ist.

TreeMig benötigt hochaufgelöste Eingangsdaten zu Klima, Hangneigung und Aspekt, Boden und Landnutzung. Hier beschreiben wir die Datenquellen und wie die Beispieldatensätze im Ordner TMInputData daraus erstellt wurden.

Klimadaten

Die CH2018 Klimaszenarien für die Schweiz[1][2] stellen tägliche Zeitreihen an einzelnen Schweizer Stationen und auf einem regelmässigen 2km-Gitter zur Verfügung (DAILY-LOCAL und DAILY-GRIDDED)[3]. Beide Datensätze enthalten Daten von 68 EURO-CORDEX-Simulationen für die Szenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5. Alle Daten sind unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0 verfügbar.

Da für einen Beispieldatensatz eine höhere Auflösung von 200m erforderlich war, verwendeten wir ein digitales 200m-Höhenmodell (siehe unten) und die Interpolationssoftware Daymet von Thornton, et al. (1997)[4], um die DAILY-LOCAL-Daten der einzelnen Schweizer Stationen der Simulation CLMCOM_CCLM4_MPIESM_EUR11_RCP85 zu interpolieren.

Die neuen täglichen 200m-Rasterdaten wurden in das NetCDF-Format konvertiert und anschliessend mit Hilfe des Climate Data Operators CDO zu monatlichen Mittelwerten (Temperaturen) und Summen (Niederschlag) aggregiert.

Digitales Höhenmodell, Neigung und Aspekt

Das digitale Höhenmodell DHM25/200[5] des Bundesamtes für Landestopografie swisstopo wurde zunächst auf das aktuelle offizielle Schweizerische Bezugssystem CH1903+ reprojiziert. Die Höhenangaben wurden auf ganze Meter gerundet. Das resultierende DHM wurde anschliessend entlang eines 1km-Puffers ausserhalb der Schweizer Grenze ausgeschnitten und ins GeoTIFF-Format exportiert. Aspekt und Neigung wurden aus dem DEM mit der Software ArcGIS von ESRI abgeleitet.

Boden-Daten

Um die in TreeMig benötigte Eimergrösse abzuleiten, wurden die absoluten Werte der Eigenschaften Wasserspeicherung "WASSERSPEI" und Vernässung "VERNASS" der Bodeneignungskarte der Schweiz [6] [7] verwendet.

\( \begin{equation} bucketsize= \begin{cases} 0.78+5.43 * WASSERSPEI , & \text{if}\ VERNASS<4 \\ 10.78+5.43 * WASSERSPEI, & \text{otherwise} \end{cases} \end{equation} \)

Landnutzungs-/Bodenbedeckungsdaten für die Schweiz

TreeMig verwendet eine Bestockbarkeits-Maske, um Gitterzellen auszublenden, die nicht bewaldet werden können, z.B. weil sie unter einer anderen Landnutzung stehen. Diese Bestockbarkeit kann für die Schweiz aus den Landnutzungs-/Bodenbedeckungsdaten der Schweizerischen Arealstatistik NOAS04, 72 Kategorien [8], abgeleitet werden.

Referenzen

[1] CH2018 (2018), CH2018 - Klimaszenarien für die Schweiz, Technischer Bericht, Nationales Zentrum für Klimadienste, Zürich, 271 S. ISBN: 978-3-9525031-4-0.

[2] CH2018 Project Team (2018): CH2018 - Klimaszenarien für die Schweiz. Nationales Zentrum für Klimadienste. doi: 10.18751/Klima/Szenarien/CH2018/1.0

[3] Kotlarski S., Rajczak J. (2018): CH2018 - Climate Scenarios for Switzerland, Documentation of the localized CH2018 datasets - Transient daily time series at the local scale: DAILY-LOCAL, DAILY-GRIDDED.

[4] Thornton, P.E., Running, S.W., White, M.A. (1997): Generating surfaces of daily meteorological variables over large regions of complex terrain. J. Hydrol. 190: 214-251. https://doi.org/10.1016/S0022-1694(96)03128-9.

[5] © Federal Office of Topography swisstopo.

[6] © Bundesamt für Statistik (BFS), GEOSTAT, 2020, Bodeneignungskarte der Schweiz, Geodaten.

[7] Frei, E., U. Voegt, R. Flueckiger, H. Brunner, F. Schai, and R. Haeberli. 1980. Bodeneignungskarte der Schweiz. Eidg. Forschungsanstalt für landwirtschaftlichen Pflanzenbau, Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL), Bern.

[8] © BFS 1992/1997 Arealstatistik der Schweiz. Bundesamt für Statistik, editor, CH-Neuchatel.