Offensichtlich spielt die Schneedecke eine besonders wichtige Rolle für die Länge der Vegetationsperiode (Baptist und Choler, 2008). Die Relevanz für die phänologischen Phasen in Regionen mit ausgeprägten saisonalen Veränderungen liegt daher auf der Hand (vgl. White et al., 1997).
Aufbereitung von Wetterdaten
Georeferenzierung von Wetterdaten
Systemumgebung
Zur Interpolation der Temperatur wird der enge Zusammenhang mit der Höhe genutzt (siehe Schaumberger, 2005). Das auch Georegression genannte Verfahren wird auch von BLöschl und Merz (2002) zur Niederschlagsinterpolation mit Höhenabhängigkeit verwendet.
Implementierung eines Zweischichtmodells
Im aktuellen Projekt wird gemäß der in der Literatur angegebenen Methodik ein starker linearer Zusammenhang zwischen Temperatur und Höhe in den Monaten der Vegetationsperiode verwendet. Für die Anwendung der Geogression wird die unterschiedliche Stärke des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Meeresspiegel in den einzelnen Monaten der Vegetationsperiode und in den Berechnungsgebieten (Berge und Täler) genutzt.
Modell des Zusammenhangs von Topographie und Temperatur
Für die Studie wurde der Normalklimazeitraum 1971 bis 2000 herangezogen, um alle Auswertungen auf einen Klimamittelwert zu beziehen. Aus dieser Beziehung wird der Temperaturänderungswert ΔT aus der Globalstrahlung abgeleitet und mit der topographiebedingten Strahlungsänderung (Rf - 1) gewichtet (siehe Gleichung 3.1-1).
Räumliche Implementierung der Standardmethode
Die Vegetationsperiode wird durch klimatische Einflüsse bestimmt und ist sowohl für Bewirtschaftungsmaßnahmen als auch für die Biomasseentwicklung landwirtschaftlicher Nutzpflanzen von entscheidender Bedeutung. Der Algorithmus zur technischen Umsetzung dieser Methode wurde in Visual C# unter Verwendung von ArcObjects-Klassen aus der ESRI GIS-Bibliothek programmiert.
Räumliche Implementierung einer Teil-Kern-Perioden-Methode
Durch Addition aller fünf Temperaturflächen erhält man für alle Zellen, die den Beginn oder das Ende der thermischen Wachstumsperiode markieren, den Wert „5“. Der Algorithmus plant Ende Mai bis Anfang und Ende November bis zum Ende der Vegetationsperiode. In der Beispielzelle wird der Beginn der Vegetationsperiode als der Tag am Anfang eines Fünf-Tage-Zeitraums markiert, an dem an allen Tagen eine Temperatur über 5 °C herrscht.
Als Beginn der Vegetationsperiode gilt der Tag zu Beginn einer Teilperiode, in der der Schwellenwert überschritten wird und die mehr Tage dauert als die Summe der Tage aller Teilperioden, in denen der Schwellenwert überschritten wird. Das Ende der Kernperiode folgt dem gleichen Prinzip in umgekehrter Reihenfolge; Die Grenzen liegen bei 1. Ist dies in einer Zelle der Fall, wird der aktuelle Tag des Jahres in dieser Zelle in einem eigenen Ergebnisraster aufgezeichnet.
Abbildung 15 zeigt anhand eines Beispiels die Konsequenz der in Kapitel 4.1.1 und hier beschriebenen Definition des Vegetationsbeginns. Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass der Partial-Core-Period-Ansatz zu deutlich plausibleren Ergebnissen führt als die Standardmethode. Diese Methode ermöglicht eine bessere räumliche Beschreibung, insbesondere bei der Definition des Vegetationsbeginns in Berggebieten und der dort oft länger anhaltenden Schneedecke.
Räumliche Implementierung eines Ansatzes der Kriterienkombination
Bei der Akkumulation binärer Gitter wird geprüft, ob y aufeinanderfolgende Gitter in ihren Zellen jeweils den Wert 1 haben, die gebildete Summe also gleich dem y-Wert ist. Wenn dies bei einer Zelle der Fall ist, wird ihr der Tag des Jahres zugewiesen, der dem ersten Raster in y entspricht. Anschließend wird aus den einzelnen Temperaturdatensätzen ein Durchschnittsgitter erstellt und anhand des k-Kriteriums überprüft.
Das Ergebnis wird als binäres Raster gespeichert und mit dem Ergebnis des vorherigen Schritts kombiniert. Somit bleiben diejenigen Zellen mit den Tagen des Jahres erhalten, die auch das Kriterium k erfüllen (aufgrund der Multiplikation mit 1 und 0). Durch die abschließende multiplikative Kombination mit dem vorherigen Zwischenergebnis bleiben die eingegebenen Datumswerte nur in den Zellen erhalten, die alle Kriterien erfüllten.
Evaluierung und Validierung der Temperatur
- Kreuzvalidierung der Temperaturinterpolation
- Validierung mit unabhängigen Temperaturbeobachtungen
- Evaluierung des Zweischichtmodells
- Evaluierung des Temperaturkorrekturwertes
Die Validierung wurde mit dieser Auswahl von insgesamt 60 Tagesrastern durchgeführt und ist für die Tagesdurchschnittstemperatur in Abbildung 17 und für die Tagesminimumtemperatur in Abbildung 18 dargestellt. Abbildung 19 zeigt die geografische Verteilung aller ZAMG-Stationen mit Temperaturmessungen in diesem Zeitraum sowie der zur Validierung herangezogenen HZB-Stationen. Neben der räumlichen „Vermischung“ zwischen den Kalibrierungs- und Validierungsdatensätzen, die, wie in Abbildung 19 zu sehen ist, optimal ist, muss auch eine Vergleichbarkeit gewährleistet sein.
Aus dem sehr geringen quadratischen Mittelfehler (RMSE) von 1,6 °C und dem hohen Bestimmtheitsmaß kann geschlossen werden, dass die Temperaturinterpolation weitgehend die tatsächlichen Verhältnisse widerspiegeln kann – eine wichtige Voraussetzung für die Einbeziehung in andere Modelle. Um die Unterschiede zwischen den Zwei- und Einschichtmodellen zu veranschaulichen, wurden die Interpolationsergebnisse beider Methoden verwendet und auf die in Abbildung 22 definierten Vektoren aufgetragen. Die Meeresspiegelkurve zeigt ein etwa 10 km breites Tal zwischen zwei ähnlichen Hochebenen mit einem 300 Meter hoher Hügel in der Mitte des Tals, dessen Kuppe bis zum für die Interpolation definierten Berggebiet reicht.
Die Farbklassifizierung in Abbildung 25 entspricht einem niedrigen Korrekturwert für Blauwerte und einem hohen Korrekturwert für Rot. Der Korrekturwert im Enntal, dargestellt in Abbildung 26, variiert stärker als im Zillertal (siehe Abbildung 27), da hier die Nord-Süd-Ausrichtung einen wesentlich größeren Einfluss hat. Obwohl dies keinen großen Einfluss auf die Temperaturverteilung eines Tages hat, werden die topografischen Unterschiede deutlich sichtbar, wenn man sie addiert (z. B. zur Berechnung der Vegetationsperiode).
Evaluierung der thermische Vegetationsperiode
Vegetationsbeginn
Bei der hier berechneten Standardmethode muss die durchschnittliche tägliche Lufttemperatur (gemessen in einer Höhe von 2 m über dem Boden) an fünf aufeinanderfolgenden Tagen 5 °C überschreiten. Die zweite Methode (Teilkernperiode) unterscheidet sich deutlich von der Standardmethode (siehe Abbildung 29), da die Temperaturverhältnisse vom Beginn der Kernperiode an rückwärts gerichtet sind, wobei die Temperatur bis zum Beginn konstant über 5 °C untersucht wird März (vgl. Der Vorteil besteht darin, dass die Temperatur in der eigentlichen Vegetationsperiode berücksichtigt wird, während bei den Standard- und kombinierten Methoden nur die Temperaturverhältnisse vor der eigentlichen Vegetationsperiode eine Rolle spielen.
In der aktuellen Umsetzung wurde ein Zeitfenster von sechs Tagen gewählt, wie in Abschnitt 4.1.3 beschrieben. Durch die Kombination mehrerer Schwellenwerte ergibt sich bei der räumlichen Umsetzung in der Regel ein deutlich heterogeneres Bild als bei den anderen Verfahren (siehe Abbildung 30). Exemplarisch ist der Verlauf des Vegetationsbeginns entlang des bereits definierten Vektors im steirischen Ennstal (siehe Abbildung 22) dargestellt.
Das Standardverfahren reagiert besonders empfindlich auf den Wert der belichtungsabhängigen Temperaturkorrektur (siehe Abschnitt 3.3.2) – dies ist deutlich an der geringen Höhe in der Talmitte zu erkennen. Der kombinierte Ansatz verhält sich an Hängen ähnlich wie die Standardmethode, führt jedoch nicht zu einer „Überreaktion“ am Südhang in der Talmitte. Einerseits hängt die Definition des Eintrags stark von der betrachteten Fläche und deren Pflanzenzusammensetzung ab; Andererseits kann eine gewisse Subjektivität in der Beurteilung des Beobachters nicht ausgeschlossen werden.
Vegetationsende
Diese Beschreibung bezieht sich nicht auf Experimente, sondern versucht lediglich, plausible Erklärungen für die in Abbildung 34 dargestellte Situation zu finden. Bei der Teilkernperiodenmethode wird zunächst das Ende der Periode mit einer Dauertemperatur über 5 °C ermittelt. Wie in Abbildung 36 zu sehen ist, führt dieser Algorithmus im Vergleich zur Standardmethode zu einem etwas späteren Vegetationsabschluss auf einer großen Fläche.
Topografische Veränderungen sind bei diesem Ansatz nicht mehr so deutlich erkennbar, da bereits Anfang November 1999 in weiten Teilen des Landes niedrigere Temperaturen herrschten. Zunächst wurde nicht nur der Tagesmittelwert, sondern auch die Tagesminimumtemperatur verwendet und kombiniert (Menzel et al., 2003). Die drei Methoden zur Berechnung des Vegetationsendes unterscheiden sich noch stärker als beim Vegetationsbeginn.
Der detaillierte Verlauf des Vegetationsendes ist analog zum Vegetationsbeginn in Abbildung 38 anhand eines Querschnitts durch das steirische Ennstal dargestellt. Die Teilkernperiode verläuft ohne Berücksichtigung der Topographie – dies entspricht auch der Darstellung in Abbildung 36 – und wird daher als problematisch angesehen. Über alle Stationen gemittelt zeigt die Teilkernperiode in den meisten Jahren deutlich mehr Frosttage vor Vegetationsende als die beiden anderen Methoden.
Vegetationsdauer
Im Vergleich zur partiellen Kernperiode, dargestellt in Abbildung 41, unterscheidet sich die Standardmethode deutlich stärker je nach Höhenlage – ein Effekt der homogenen Vegetation dieser Methode. Die kombinierte Methode in Abbildung 42 zeigt ein sehr ausgewogenes Verhältnis zwischen den einzelnen Regionen Österreichs. Zur Laufzeit wurde zusätzlich eine Auswertung entlang des Ennstal-Vektors durchgeführt, deren Ergebnisse in Abbildung 43 dargestellt sind.
Besonders interessant an diesen Kurven ist die Tatsache, dass sich die teilweise erheblichen Unterschiede zwischen den drei Methoden zu Beginn (siehe Abbildung 38) weitgehend gegenseitig aufheben. Das Verhalten bezüglich der Topographie ist ähnlich; etwas glatter im partiellen Kernperiodenansatz – ein Effekt des homogenen Vegetationsendes bei dieser Berechnungsart.
Langjähriger Verlauf der Vegetationsperiode
Die Teilkernperiode zeigt hier deutlichere Schwankungen – die unterschiedliche Berechnung mit einer Analyse von warmen und kalten Teilperioden ist nicht mit den Temperaturschwellenmethoden vergleichbar. Dies zeigt sich insbesondere im kombinierten Ansatz – die Kombination mehrerer Kriterien führt zu einer sehr späten Erfüllung der Kriterien für die Durchschnittstemperaturen. Um Exposition und Neigungsgradient zu berücksichtigen, wurde der Zusammenhang zwischen dem täglichen Temperaturzyklus und der Strahlung mit ihren geometrischen Eigenschaften anhand eines Langzeitmittels untersucht.
Um einen phänologischen Beginn der Vegetationsperiode abzubilden, sollten einfache Temperaturschwellenansätze nur mit großer Vorsicht verwendet werden; Die tatsächlichen Prozesse in der Natur sind zu komplex. Bei den hier durchgeführten Berechnungen der thermischen Vegetationsperiode wird die Schneedecke aufgrund des sehr hohen Zeit- und Berechnungsaufwands nicht berücksichtigt. Ein ähnlicher Zusammenhang muss sicherlich in zukünftigen Forschungsprojekten angestrebt werden, um eine entsprechende Verbesserung der Qualität der Vorhersage für die thermische Vegetationsperiode zu erreichen.
Obwohl die Phänologie bei der Bestimmung des Vegetationsbeginns eine wichtige Hilfestellung leisten kann, lässt sich das Ende der Vegetation nur schwer beurteilen. Insbesondere die Beschreibung der Vegetationsperiode der Grünlandkulturen stellt aufgrund der heterogenen Pflanzenzusammensetzung und der unterschiedlichen Wärme- und Kältebedürfnisse eine große Herausforderung dar. Insbesondere solche Modelle für die zukünftige Entwicklung, die sich nicht nur mit einem Temperaturanstieg befassen, sondern auch in Begriffe von ... Die Untersuchung ihrer Auswirkungen auf einen Wechsel der Vegetationsperiode bildet eine wichtige Grundlage für die Entwicklung von Anpassungsstrategien in der Landwirtschaft.
