Numerische Modellierung von geomorphologischen Prozessen

GFZ German Research Centre for Geosciences, Section 5.1 Geomorphology >> Environmental Seismology Numerische Modellierung von geomorphologischen Proz...
Author: Manfred Pfaff
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GFZ German Research Centre for Geosciences, Section 5.1 Geomorphology >> Environmental Seismology

Numerische Modellierung von geomorphologischen Prozessen Michael Dietze

GFZ German Research Centre for Geosciences, Section 5.1 Geomorphology

JUNGE GEOMORPHOLOGEN

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Prozessmodelle

| Ziele

| Einzelprozessmodelle

| Multiprozessmodelle

| Landschaftsentwicklungsmodelle

Numerische Modellierung von geomorphologischen Prozessen Michael Dietze

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| Resümee

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Prozessmodelle

| Ziele

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| Resümee

Typen qualitativ

t3

t2

t1

physikalisch/experimentell

numerisch

t0

nach Carson & Kirkby (1972)

Sklar & Dietrich (2001)

eigene Darstellung

nach Pazzaglia (2003)

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Typen qualitativ

physikalisch/experimentell

numerisch

Einzelprozessmodell

Multiprozessmodell

Landschaftsentwicklungsmodell

z.T. nach Pazzaglia (2003)

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Zweck numerischer Prozessmodellierung Untersuchung langzeitlich bedeutsamer Prozesse Quantifizierung von Prozessen und Unsicherheiten

explorativ

Sedimentbudgetierung Testen geomorphologischer Hypothesen

erklärend

Abschätzung von (zukünftigen) Szenarios Verknüpfung von rezenter und vergangener Dynamik

prognostisch

Untersuchung von Prozessinteraktionen/kopplungen “Unabhängiger” Erklärungsansatz

interpolierend

Raum-zeitliche Interpolation z.T. nach van de Wiel

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Eine Vielzahl von Modellen und Anwendungsbereichen Wassererosion

Verwitterung

Takken et al. (1999)

Heimsath et al. (1997)

Frostverwitterung Williams & Robinson (2001)

Bodenkriechen Minasny & McBratney (2006)

Pflugerosion Heuvelink et al. (2006)

Dünenbildung Baas (2007)

Gletscherfließen

Winderosion

Egholm et al. (2012)

Okin et al. (2006)

Rutschungen Claessens et al. (2007)

Solifluktion Matsuoka et al. (2005)

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Dynamik von Steinpflastern in ariden Gebieten

slope aspect 20 cm

20 cm

Laterale Wiederbedeckung von gestörten Flächen

Fehlende Bedeckung hinter Hindernissen

ϕ = 40 ± 14 °

Steinpflaster mit präferentieller Einregelung

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Orientation angle [°] 20 40

60

Laborexperimente zum Einregelungsmuster

0.9

10.7

6.3

2.9

+

∆ φ [ ° ] : 6.6

10 cm

10 cm

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Konzeptionelles und numerisches Modell Randbedingungen Ebener, feinkörniger Untergrund Transport durch Wasser Rotation nach Kollision

Schubkraft

Reibungskraft

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Konzeptionelles und numerisches Modell

Schubkraft

Reibungskraft

Einregelungswinkel [°] 0 20 40 60 80

Randbedingungen Ebener, feinkörniger Untergrund Transport durch Wasser Rotation nach Kollision

a

b

c

k

γµ ρ ρ o f

cd

Modellparameter

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D50

P

alle

Dietze et al. (2013)

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Numerische Multi-Prozess-Modelle

Ein physikalisch basiertes prozessorientiertes Modell zur Entwicklung des oberflächennahen Untergrundes

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Konzeptionelles Modell Ein physikalisch basiertes prozessorientiertes Modell zur Entwicklung des oberflächennahen Untergrundes

Interaktion der Geokomponenten Transformation von Festgestein in “Regolith” Transportprozesse am Hang Veränderung der Materialeigenschaften Pfadabhängigkeit Vielschichtigkeit der Verwitterung Anderson et al. (2013)

Unterschiedliche Zeitskalen

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Numerisches Modell Ein physikalisch basiertes prozessorientiertes Modell zur Entwicklung des oberflächennahen Untergrundes Klima/Temperatur

Materialveränderung

Frostsprengung

Hangprozesse

Anderson et al. (2013)

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Adäquater Reduktionismus? Ein physikalisch basiertes prozessorientiertes Modell zur Entwicklung des oberflächennahen Untergrundes

Geschichtete Struktur des oberflächennahen Untergrundes Art der Hangprozesse (Kriechen vs. Gleiten, Spülprozesse) Äolische Sedimentzufuhr Reduktion der Steuerfunktion des Reliefs auf die Neigung

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Landschaftsentwicklungsmodelle

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Landschaftsentwicklungsmodelle - Prinzip t0

DEM

t0

t1

t2

Materialeigensch. t0

t1

t2

tn

tn

Tektonik

t0

t1

t2

tn

Klima

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Landschaftsentwicklungsmodelle - Prinzip t0

Massenerhaltung Niederschlag & Verteilung

DEM

t0

t1

t2

Materialeigensch. t0

t1

t2

tn

tn

Hangprozesse (Entstehung & Verlagerung)

tn

Gerinneprozesse (Erosion, Transport, Akkumul.)

Tektonik

t0

Klima

t1

t2

Hebung/Senkung, Erosionsbasis

Transportgesetze

z(x, y, t) Geländehöhe

=

U(x, y, t) Hebung

-

Q(x, y, t) Σ Sedimentflüsse

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Landschaftsentwicklungsmodelle - Prinzip t0

Massenerhaltung Niederschlag & Verteilung

DEM

t0

t1

t2

Materialeigensch. t0

t1

t2

tn

tn

Tektonik

t0

Klima

t1

t2

tn

Hebung/Senkung, Erosionsbasis

Transportgesetze

z(x, y, t) Geländehöhe t0

Hangprozesse (Entstehung & Verlagerung)

Gerinneprozesse (Erosion, Transport, Akkumul.)

=

t1

U(x, y, t)

-

Hebung t2

Q(x, y, t) Σ Sedimentflüsse

tn

DEM Erosionsraten Niederschlag/ Abfluss

Fluss- und Hangprofile

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Sedimentkörper

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Landschaftsentwicklungsmodelle - Prinzip t0

Massenerhaltung Niederschlag & Verteilung t0

t1

t2

Materialeigensch. t0

t1

t2

tn

tn

Tektonik

t0

Klima

t1

t2

tn

Hebung/Senkung, Erosionsbasis

Hangprozesse (Entstehung & Verlagerung)

Gerinneprozesse (Erosion, Transport, Akkumul.)

Transportgesetze

z(x, y, t)

=

Geländehöhe

U(x, y, t) Hebung

-

Q(x, y, t) Σ Sedimentflüsse

Sedimentfluss

DEM

Howard (1994)

Hangneigung

e.g. Tucker & Hancock (2010)

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Bearbeitete Skalenbereiche

Raum [m]

106 4

10

102 100 0

10

2

10

4

6

10 10 Zeit [a]

8

10

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Bearbeitete Skalenbereiche CAESAR

CHILD

Raum [m]

106 4

10

Welsh et al. (2009)

van Balen et al. (2010)

Coulthard et al. (2012)

Instanbulluoglu et al. (2005)

102 100 0

10

2

10

4

6

10 10 Zeit [a]

8

10

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Bearbeitete Skalenbereiche CAESAR

CHILD

Raum [m]

106 4

10

Welsh et al. (2009)

van Balen et al. (2010)

Coulthard et al. (2012)

Instanbulluoglu et al. (2005)

102 100 0

10

2

10

4

6

10 10 Zeit [a]

8

10

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Prozessmodelle

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Evaluation - numerische Prozessmodelle

Unabhängig, auf “Gesetzen” aufbauend

“Gesetze” (transport laws) oft kaum empirisch untermauert

Skalierbar durch empirische Parameter

Parameterisierung benötigt Geländedaten

Möglichkeit der Quantifizierung und Unsicherheitsabschätzung

Unsicherheitsabschätzung erst am Anfang

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Offene Fragen Wie stark ist die Brückenfunktion von Landschaftsentwicklungsmodellen zwischen “funktionaler” und “historisch genetischer Geomorphologie”?

Welche Bedeutung können numerische Prozessmodelle haben für Fragestellungen zu “Emergentismus”, “Pfadabhängigkeit” oder “Formenkonvergenz”?

In welchem Rahmen können Geomorphologen Kenntnisse zur Verbesserung von Modellen einbringen?

Welche Bedeutung haben raum-zeitlich aufgelöste Informationen zu Prozessen, Materialflüssen usw. als Schnittstelle zu Nachbarwissenschaften?

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