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MUSCATELLA: Multiscale Spatiotemporal Forest Landscape Modeling

English title MUSCATELLA: Multiscale Spatiotemporal Forest Landscape Modeling
Applicant Lischke Heike
Number 122434
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Swiss Federal Research Inst. WSL Direktion
Institution of higher education Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research - WSL
Main discipline Ecology
Start/End 01.01.2010 - 30.04.2013
Approved amount 161'000.00
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All Disciplines (6)

Discipline
Ecology
Mathematics
Botany
Agricultural and Forestry Sciences
Environmental Research
Information Technology

Keywords (8)

spatiotemporal vegetation model; tree species migration; forest landscape modeling; multiscale modeling; model upscaling; coarse graining; metamodeling; multiresolution modeling

Lay Summary (German)

Lead
Lay summary
Die durch das Klima und dessen Veränderung beeinflusste Veränderung der Wälder, sowohl zeitlich alsauch räumlich, spielt eine wichtige Rolle für die Biodiversität, die Kohlenstoffspeicherung und andere Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Biosphäre. So ist zu erwarten, dass mit dem Klimawandel die Verbreitunsgrenzen der Baumarten nach oben bzw. polwärts verschoben werden. Diese Veränderungen können mit Modellen abgeschätzt werden, die sowohl die Dynamik am Ort (z.B. Wachstum, Konkurrenz, Mortalität) alsauch die Ausbreitung durch Samentransport simulieren. In MUSCATELLA wird ein solches räumliches Wald-Modell (weiter)entwickelt, das über grosse Gebiete, z.B. die gesamte boreale Zone, angewendet werden kann, aber noch hinreichend ökologisch detailliert ist, um verlässliche Aussagen zu treffen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Schnelligkeit des Computercodes und der Flexibilität hinsichtlich der räumlichen Auflösung, d.h. der Grösse der einzelnen Zellen des Simulationsgitters. Wichtig ist auch der Diskretisierungs-Fehler: Bei zu gross gewählten Zellen erreichen in jedem Jahr einige simulierte Samen den gegenüberliegenden Rand der Zelle egal wie langsam sie sich ausbreiten, d.h. die Bäume wandern zu schnell. Verschiedene Methoden zur Beschleunigung des Modelles und Reduzierung des Diskretisierungs-Fehlers werden getestet: Die Parallelisierung des Codes, oder die Simulation der Ausbreitung innerhalb einer grossen Zelle mit Hilfe einer Geschwindigkeit, die entweder aus einem theoretischen oder empirischen Wanderungsmodell, oder aus Simulationen auf wenigen kleineren Zellen innerhalb der grossen Zelle abgeleitet wird. Die beiden am besten geeigneten Methoden werden dann untersucht, hinsichtlich ihrer Rechenzeit und der Genauigkeit der Ergebnisse mit verschiedenen Auflösungen. Schliesslich wird das Modell benutzt, um die zukünftige Ausbreitung der Baumarten in Europa und der borealen Zone zu simulieren.Neben der direkten Anwendung werden in MUSCATELLA auch Methoden des wissenschaftlichen Rechnens in die Ökologie übertragen, was zu einem deutlichen Fortschritt in der ökologischen Modellierung führen kann.
Direct link to Lay Summary Last update: 21.02.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Interannual climate variability and population density thresholds can have a substantial impact on simulated tree species’ migration
NabelJulia E.M.S., ZurbriggenNatalie, LischkeHeike (2013), Interannual climate variability and population density thresholds can have a substantial impact on simulated tree species’ migration, in Ecological Modelling, 257, 88-110.
Impact of species parameter uncertainty in simulations of tree species migration with a spatially linked dynamic model
Nabel Julia E.M.S., Zurbriggen Natalie, Lischke Heike (2012), Impact of species parameter uncertainty in simulations of tree species migration with a spatially linked dynamic model, in International Environmental Modelling and Software Society (iEMSs) 2 2012 International Congress on , Leipzig, Germany.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
International BIOME BOUNDARY SHIFT INITIATIVE (DIVERSITAS/Global Land Project/ TRY Database) France (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
ADVANCING CONCEPTS AND MODELS OF SPECIES’ RANGE DYNAMICS: UNDERSTANDING AND DISENTANGLING PROCESSES ACROSS SCALES 19.08.2012 Villa Cassel, Riederalp
TRY / BBS 2nd Joint Workshop* - Vegetation Modeling Session Paris, 27-29 March 2011 27.03.2011 Paris, Frankreich
6th Ginkgo Network Meeting 30.09.2010 Frankfurt
Swiss DGVM workshop 08.09.2010 Bern


Self-organised

Title Date Place
ADVANCING CONCEPTS AND MODELS OF SPECIES’ RANGE DYNAMICS: UNDERSTANDING AND DISENTANGLING PROCESSES ACROSS SCALES 19.08.2012 Villa Cassel, Riederalp
TRY / BBS 2nd Joint Workshop* - Vegetation Modeling Session Paris, 27-29 March 2011 27.03.2011 Paris, Frankreich

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
153544 FORHYCS: FORest and HYdrology Change in Switzerland - a simulation study 01.06.2014 Project funding (Div. I-III)

Abstract

BackgroundSpatiotemporal vegetation dynamics, including plant species migration, plays an important role for carbon sequestration, climate-biosphere-feedbacks and biodiversity in the context of climate change. To assess future vegetation dynamics, large scale, spatio-temporal vegetation models simulating plant migration are indispensable. The models currently available either simulate vegetation in a oversimplified way, neglect spatial processes, or are too complex and computationally inefficient to be applied on a large, e.g. continental scale. Goal Goal of this project is to obtain a model of spatiotemporal vegetation dynamics with sufficient ecological detail which runs on large scales.Specifically, we want to derive a multiscale version of the regional forest landscape model TreeMig that can be applied reliably and efficiently with changing resolution.Working HypothesisThis goal can be reached with appropriate multiscale approaches.MethodsWe will evaluate and adapt multiscale methods addressing the spatial and the involved hierarchical upscaling of small scale models. Such methods are multiresolution simulations or coarse graininig. Coarse graining can e.g. be done by a combination of simulations on a subset of fine-scale grid cells within each coarse grid-cell and interpolation of the results to the coarse cell (2-transect-method), or by the development of metamodels and their application to assess within-cell patterns. The two most promising methods of the evaluation will be selected and implemented into the spatio-temporal forest landscape model TreeMig. The validity and efficiency of the chosen methods will then be assessed in a comparative study on different scales. Expected value of the projectThe resulting model will be applicable at different scales, e.g. the entire Alpine arch, temperate and Northern Europe, and particularly the boreal zone. Furthermore, we expect that the studied multiscale approaches will be applicable for other ecological models requiring different scales.
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