was kennzeichnet ein system ? gliederung systemauswirkungen 1 zustandsgrößen als ‚gedächtnis‘...
Post on 06-Apr-2016
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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
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y=f(x,t)
F(y)
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Σy
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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.
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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.
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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
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