Was kennzeichnet ein System ?Gliederung

Systemauswirkungen1

Zustandsgrößen als ‚Gedächtnis‘ des Systems2

Systemkomponenten und Systemstruktur3

Systembildung und Systemstruktur4

Skalenbasierte Systemanalyse5

Methodische Integration und Schnittstellen6

Skalenübergänge und multiskalige Systemanalyse7

Knowledge about complex interaction

Tim

e of

sys

tem

impa

ct re

spon

se

y=f(x,t)

F(y)

y=f(x,t)

Σy

?

y=f(x,t)

?

?

x=? x=?

x=?

?

Σy/n

?

mic

rom

eso

mac

ro

Degree of spatial heterogeneity

Spat

ial s

cale

Analysis Window

Was kennzeichnet ein System ?Skalenproblematik und Analysefenster

Zustandsgrößen (Zustandsvariable) sind definiert:„Voneinander unabhängige Systemparameter, aus denen sich zu jeder Zeit das Zustand des Systems einschließlich seiner daraus ableitbaren dynamischen Verhaltensgrößen ergibt.“

Bsp.: Speicherfüllung, Fließzustand, Wachstum

3

Was kennzeichnet ein System ?Systemauswirkungen

Systeme wirken über ihre Zustandsvariablen, d.h. über Austragsgrößen und Verhaltensgrößen auf die Systemumwelt.

1

Der Systemaustrag ergibt sich als Vektor aus der Summe der Veränderung der Zustandsgrößen des Systems, die auf einen Eintragsimpuls reagieren.

2

Zustandsvariablen lassen sich in verschiedenen Einheiten (Volumen, Masse) oder auch dimensionslos angeben.

4

Was kennzeichnet ein System ?Systemauswirkungen

Selbst wenn nicht alle Zustandsvariable des Systems bekannt sind, kann in der Regel die Anzahl festgelegt werden, die zu Systembeschreibung notwendig ist. Diese Anzahl bezeichnet man als die Dimensionalität des Systems.

5

Die Dimensionalität bestimmt die Anzahl der Differential- oder Differenzengleichungen, die zur Berechnung der Zustands-änderung des Systems notwendig sind.

6

Was kennzeichnet ein System ?Zustandsgrößen als “Gedächtnis” des Systems

Zustandsgrößen (Zustandsvariable) sind Angaben über den Füllzustand der „Systemspeicher“ die konzeptionell definiert werden können. Bsp.: Schneedecke – Wassergehalt

Porenvolumen – BodenfeuchteVegetation - Biomasse

1

Durch sie wird die Energie des Systems verwaltet, und ihr aktueller Zustand ergibt sich als Differenz zwischen dem ‘alten’ Zustand und der aktuellen Bilanz (Eintrag – Austrag).

2

)()(1 tAtE)S(tS(t)

Zustandsgrößen beschreiben das Ergebnis der Systemdyna-mik, bei der Prozesse Zustandsänderungen hervorrufen (Bsp.: Abnahme der Bodenfeuchte). Letztere charakterisieren den Systemdynamik aber nicht den Systemzustand.

3

Was kennzeichnet ein System ?Zustandsgrößen als “Gedächtinis” des Systems

Bei der Bestimmung der Dimensionalität (Anzahl der domi-nanten Zustandsvariablen) ist es sinnvoll, die Systemdynamik ‚schrittweise‘ ablaufen zu lassen und die Dynamik zwischen den Zeitschritten ‚einzufrieren‘.

4

Für die Systemanalyse gilt:Zustandsgrößen beschreiben Systemspeicher und werden im konzeptionellen Systemmodell definiert. Systemprozesse führen zu Änderungen der Systemspeicher (Zustandsgrößen), d.h. zu einer Zustandsänderung des Gesamtsystems.

6

Beim ‚Anhalten‘ des System lassen sich dann die Zustands-variablen, ihre Veränderungen und die verursachenden Verhaltensprozesse herausarbeiten.Bsp.: Zustandsvariable Bodenfeuchte

Veränderung AbnahmeProzess Wurzelentzug durch ET

5

Was kennzeichnet ein System ?Systemkomponenten und Systemstruktur

Ziel dieser Analyse ist es, die funktionalen Teile des Systems herauszuarbeiten. Dabei kommt es nicht darauf an, das Detail zu verstehen, sondern die Funktionsweise des Systems mit Hilfe der Hauptkomponenten darzustellen.Bsp.: Auto – Detail: Ausrücklager der Kupplung?

Hangsystem – Detail: Wo liegt Schuttblock?Vegetation – Detail: Wo ist Blatt?

1

Die funktionalen Systemelementen der Systemstruktur werden folgendermaßen differenziert:

2

Unteilbare Systemelemente ohne innere Struktur, die durch Merkmale (Parameter) beschrieben werden.

Bsp.: Talauenlehm mit Korngrößenverteilung

1

Systemelemente, die eigenständige Subsysteme darstellen und weiter differenziert werden können.

Bsp.: Vegetation mit Verdunstungsdynamik

2

Was kennzeichnet ein System ?Systemkomponenten und SystemstrukturErst wenn die Hauptkomponenten und die Wirkungsstrukturen zwischen ihnen festgelegt sind, kann man daran gehen, diese weiter zu untergliedern.

3

Diese Differenzierung der Systemstruktur wird von den Aufgabestellungen für die Systemanalyse bestimmt.

4

Am Ende des Vorgangs liegen ‚kopfgroße‘ Teilkomponenten des Systems vor, die Gegenstand der Systemsynthese sind, und das Systemverständnis über die Prozessdynamik ausmachen.

5

Die Verknüpfungen (Wirkungsbeziehungen, Systemrelationen) zwischen den Systemelementen werden wie folgt differenziert:

6

Statische Ordnungsrelationen, die sich aus der Anordnung der Systemelemente zueinander ergeben.

Bsp.: Talauenlehm mit Sedimentschichtung

1

Was kennzeichnet ein System ?Systemkomponenten und Systemstruktur

In der Systemanalyse werden beide Relationen berücksichtigt, um die Systemdynamik in ihrer räumlichen Verteilung realistisch abzubilden.

7

Dynamische Wirkungsrelationen, bei denen Prozesse in den Subsystemen sich gegenseitig beeinflussen.

Bsp.: Bodenwassergehalt und Verdunstungsdynamik

2

Bei der Anordnung der Systemkomponenten in der Wirkungs-struktur des Systems unterscheidet man zwischen

Hierarchischer Struktur RingstrukturSternstrukturNetzstruktur

8

In realen Umweltsystemen treten diese Strukturen auch mit-einander gemischt auf.

9

Was kennzeichnet ein System ?Systemkomponenten und Systemstruktur

Hierarchische Struktur

Ringstruktur

Sternstruktur Netzstruktur

Was kennzeichnet ein System ?Ableitung von Systemkomponenten

Impervious/Interception

Act

ual E

vapo

tran

spir

atio

n (E

T)

River Runoff

Litter/Interception

Vegetation/Interception

Dp

Interflow

Groundwater flow

Surface runoff

E

E

Pe Cr

CrPe

Soil surface

Recharge Zone

Lower Zone

Groundwater Zone

CrIn

Sm

Ponding

Lf

ATMOSPHERETemperaturePrecipitation Direct runoff

Snow pack/Sublimation

Radiation

P P

Df Sf Tf Snow pack/Sublimation

Sm

Sm

T

Was kennzeichnet ein System ?Systembildung und Systemstruktur

Die Differenzierung von Systemen in eigenständige Subsysteme ist ein wichtiges Element der skalenbasiert Systemanalyse und ermöglicht es, die Systemkomplexität in Bezug zu Zeit und Raum aufzulösen.

1

Horizontal angeordnete Subsysteme differenzieren die räumliche Heterogenität im gewählten Maßstab, z.B. die räumlich verteilte Landnutzung eines Einzugsgebiets.

1

Dabei müssen Umweltsysteme für jede Skalenauflösung (Level) nach folgenden Kriterien differenziert werden:

2

Vertikal angeordnete Subsysteme differenzieren die ver-schiedenen Ebenen der Systemhierarchie, z.B. für die Abbildung des vertikalen Wasser- und Stofftransports.

2

Subsysteme die entsprechend ihrer kybernetischen Grundfunktion angeordnet sind, z.B. Feuchtgebiete.

3

Landnutzung

Geologie

RU-ModelparameterGIS-Datenflächen

Böden

Digitales Geländemodel

Form, Gradient, Exposition, Länge, Fläche, TopologieDGM

Versiegelte Fläche, Vegetation,Blattflächenindex, VerdunstungLandnutzung

Porenvolumen, Feldkapazität,Textur, Durchlässigkeit Böden

Speicherkapazität, Pororität,TransmissivitätGeologie

Hydrologische RU als homogene, prozess- basierte Modeleinheiten

Overlay-Analyse (GIS)

Horizontal und vertikal angeordnete Subsysteme werden im HRU-Ansatz prozessorientiert kombiniert.

3

Grundwasser

Kondensation

Niederschlag

Transpiration

Evaporation

Abfluss

Ozeanströ

mung

S

S

S

SS

S

S

S

S

S

S

S

Die kybernetische Grundfunktion ist Basis für die Ableitung von Subsystemen in der integrierten Landschaftssystemanalyse.

4

Was kennzeichnet ein System ?Methodische Integration und Schnittstellen

Die skalenbasierte Systemanalyse liefert so im Ergebnis wissensbasierte Schnittstellen (Interfaces) für ein skalenübergreifendes, integrierte Systemverständnis.

2

Für jede Skale müssen die horizontale als auch für die vertikale Systemstruktur durch methodische Kombination von Techniken der Geoinformatik angepasst aufgelöst werden.

1

Jeder Skalenauflösung von Umweltsystemen ist gemein, dass im Zentrum der Systemanalyse die folgenden drei elementaren Klassen mit ihren Komponenten angeordnet sind:

3

Abiotische Komponenten des Naturpotenzials. 1

Biotische Komponenten des Lebensraums. 2

Sozio-ökonomische Komponenten der anthropogenen Nutzung von Naturpotenzial und Lebensraum.

3

global scale

micro scale

macro scal e

meso scale

Remote Sensing

DBMS

GIS

Models Quality

Quantity

downscaling downscaling

upscalingupscaling

Basin System Component Class

abioticclass

atmospheregeospherepedospheretopographyhydrosphere

bioticclass

biosphere• flora• faunawetlandsresources

socio-econ.class

agricultureindustrygendersettlementspolicies

I

I

I

II

II

I

Was kennzeichnet ein System ?Skalenübergänge und multiskalige Systemanalyse

Mikroskala für die jeweils kleinste Auflösung, z.B. die HRU als distributive Modelleinheiten eines Einzugsgebiets.

1

Je nach der Richtung des Skalengradienten wird er als ‚Bottom-up‘ Ansatz beim ‚upscaling‘ oder ‚Top-down‘ Ansatz beim ‚downscaling‘ bezeichnet, wobei die folgenden Skalen durchlaufen werden:

2

Mesoskala z.B. für die Abbildung des vertikalen Wasser- und Stofftransports in Landschaftseinheiten.

2

Methodische Integration und Schnittstellen ermöglichen es, skalenbasierte Wirkungsstrukturen von Umwelstystemen zu erstellen und sie in ihrer Komplexität durch einen integrierten, multiskaligen Ansatz zu erfassen.

1

Makroskala z.B. für die Abbildung des vertikalen Wasser- und Stofftransports in Flusseinzugsgebieten.

3

Top down A

pproach (Disaggregation)

Macroscale River Basin

System Information Objects (SIO)Topographic Land Objects Water Demand Objects Community Objects

Integrated System Management Objects (SMO)

Bot

tom

up

App

roac

h (A

ggre

gatio

n)

Human DimensionNatural Environment

RU RU RU HRU ERU RU RU RU RU

Thür. Schiefergebirge:Weida = 102 km²

Leipziger Loess-Gebiet:Parthe = 311 km²

Harz: Bere = 62 km²

Thüringer Schiefergebirge:Orla = 255 km²

Thüringer Wald: Ilm bis Pegel Gräfinau-Angstedt = 155 km²

Elbe

Was kennzeichnet ein System ?Multiskalige Flusseinzugsgebietsanalyse der Saale