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Across scale temperature modelling using a simple approach for the characterization of high mountain ecosystem complexity

DOI: 10.3112/erdkunde.2004.04.04
Year: 2004
Vol: 58
Issue: 4
Pages: 331- 348
Summary:

A modelling approach was practised to characterize the complexity of high mountain ecosystems using a new simple model to simulate near-surface temperature variations. The heterogeneity of the investigated landscape led to an across scale procedure that combined vertical interactions at single locations (nano-scale), micro-spatial differentiations within small catchments (micro-scale), and altitudinal changes of an entire mountain system (meso-scale). The model was calibrated on detailed measurements for different sites. Simulation runs were satisfactory according to model validation based on data with high temporal resolution. In all cases, more than 80% of the variance of observed temperatures was explained by the model. We analysed correlations between general meteorological trends and local climatic differentiations. The hypothesis was that different overlying meteorological phenomena (i.e. different weather situations) would find their expression in micro-climatic conditions (especially in the variation of near-surface temperatures) superiorly determining ecosystem functioning. It turned out that the micro-spatial conditions resulted in complex principles of thermal changes along altitudinal broad-scale gradients. So, the adiabatic lapse rate, commonly used to describe the altitudinal zonation, did not explain the different mosaics of ecosystems. We illustrated the biases between measurements and common assumptions by means of correlation matrices. To conclude, the complexity of the ecosystem determining energy balance was described by complex differences of temperature gradients that were achieved from across scale multi-regression analysis. It was shown to which degree local site conditions corresponded with meteorological assumptions under different spatio-temporal conditions.

Zusammenfassung:

Ein einfacher Modellierungsansatz wurde zur Charakterisierung der Komplexität von Hochgebirgsökosystem verwendet, um die Dynamik der oberflächennahen Temperaturen zu simulieren. Die Heterogenität der untersuchten Landschaft führte zu einem skalenübergreifenden Vorgehen, das die vertikalen Interaktionen am Standort (Nano-Skala), die kleinräumige Differenzierung innerhalb von Einzugsgebieten (Mikro-Skala) und den Höhenstufenwandel eines gesamten Gebirgsmassivs (Meso-Skala) verknüpfte. Das Modell wurde anhand detaillierter Messungen an verschiedenen Standorten kalibriert. Nach einer Modellvalidierung mit Daten sehr hoher zeitlicher Auflösung waren die Simulationsläufe zufrieden stellend. In allen Fällen konnte das Modell die Varianz der gemessenen Temperaturen mit einer Genauigkeit von über 80% erklären. Nachfolgend wurden Korrelationen zwischen generellen meteorologischen Trends und der mikroklimatischen Differenzierung untersucht. Die Hypothese war, dass übergeordnete Witterungsverläufe als meteorologische Phänomene ihre Entsprechung in der mikroklimatischen Situation (v.a. in der Dynamik der oberflächennahen Temperaturen) finden und somit für die Steuerung der ökosystemaren Funktionsweise verantwortlich gemacht werden können. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass die kleinräumigen Verhältnisse ihren Ausdruck in komplexen Grundzügen des Temperaturwandels entlang großräumiger Höhengradienten finden. Der generell zur Beschreibung der Höhenwandels herangezogene adiabatische Koeffizient konnte deshalb nicht zur Interpretation des vorgefundenen ökosystemaren Wirkungsgefüges verwendet werden. Die Abweichungen zwischen den Messwerten und den allgemeinen Annahmen wurden in Korrelationsmatrizen aufgezeigt. Schließlich konnte die Komplexität der ökosystemaren Steuerung durch den Energiehaushalt mit Hilfe von Temperaturgradienten erklärt werden, die durch eine skalenübergreifende Multiregressionsanalyse ermittelt wurden. Es wurde somit gezeigt, unter welchen raum-zeitlichen Rahmenbedingungen und mit welchen Abweichungen die standörtlichen Verhältnisse den generellen meteorologischen Annahmen entsprechen.

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