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LULUCFmod

Name

LULUCFmod

Version des Modells

1.3.1

Betreibende Organisation

Johann Heinrich von Thünen-Institut, Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei

Zweck des Modells

LULUCFmod ist das Berechnungsmodell zur nationalen Treibhausgasberichterstattung für den Sektor LULUCF (gemäß UN-Klimarahmenkonvention, Verordnung (EU) 2018/1999, Bundesklimaschutzgesetz). Es setzt IPCC-Richtlinien und andere Vorgaben (wie Beschlüsse der UNFCCC Conference of the Parties oder aus EU-Recht) um. Das Modell wurde erweitert um die Möglichkeit, Landnutzungsänderungstrends in die Zukunft zu extrapolieren und die Wirkung von Maßnahmen auf Landnutzungsänderungen und Emissionen abzubilden. Dadurch ist das Modell in der Lage, Zukunfsszenarien in sich konsistent für den LULUCF-Sektor abzubilden.

Akteure

Das Modell hat einen Flächenbezug. Akteure sind implizit die Flächeneigentümer und -bewirtschafter.

Dokumentation

Nationales Inventardokument, https://unfccc.int/ghg-inventories-annex-i-parties/2024

Räumliche Abdeckung

Landfläche Deutschlands

Zeithorizont

1990 - 2050, bestimmte Variablen gehen ab 1971 oder bis 2069 ein

Zeitliche Auflösung

Kalenderjahr

Konzeptionelle Gestaltungsprinzipien

Das Modell ist räumlich explizit: Landnutzung, Landnutzungsänderungen, Kohlenstoffvorratsänderungen und Emissionen werden auf einem dreidimensionalen Raum-Zeit-Gitter (zwei Raumdimensionen gleich Koordinaten plus eine Zeitdimension) berechnet. Dieser Ansatz stellt räumliche und zeitliche Konsistenz sicher. Die Berechnungen an den Gitterpunkten sind räumlich unabhängig, aber zeitlich abhängig. Das Modell verwendet keine Optimierung: Ergebnisse werden nach Rechenregeln aus Inputdaten abgeleitet. Bestimmte Aktivitätsdaten sind am Punkt nicht verfügbar sondern nur als aggregierte Flächenstatistiken. Das Modell verwendet einen stochastischen Ansatz, um Flächenstatistiken auf die einzelnen Punkte herunterzubrechen. Dabei werden die Bundesländer separat berechnet, um Konsistenz innerhalb der Bundesländer sicherzustellen. Die Projektion von Landnutzungsänderungen erfolgt über einen stochastischen Ansatz auf Basis der Wahrscheinlichkeiten für alle möglichen Landnutzungsänderungen in einer Referenzperiode. Diese Wahrscheinlichkeiten werden konstant in die Zukunft fortgeschrieben. Maßnahmen werden über die Modifikation der Landnutzungsänderungswahrscheinlichkeiten und/oder Modifikationen der Emissionsberechnung implementiert.

Methodischer/mathematischer Ansatz

Siehe Nationales Inventardokument (National Inventory Document).

Übergangswahrscheinlichkeiten der Landnutzung für die Zukunft werden abgeleitet als \(P_{i,j} = \frac{n_{i,j}}{n_i}\) mit \(P_{i,j}\) der gesuchten Wahrscheinlichkeit, \(n_{i,j}\) der Anzahl von Punkten mit Landnutzungskategorie i zu Beginn der fünfjährigen Referenzperiode und Landnutzungskategorie j am Ende der Periode, \(n_i\) der Anzahl von Punkten mit Landnutzungskategorie i zu Beginn der Referenzperiode.

OpenSource

Das Modell ist bisher nicht Open Source. Es wären einige Vorarbeiten notwendig, um das Modell Open Source zu stellen. Dazu gehört die Bereitstellung einer Datenbank mit Input-Daten, die Sicherstellung von IT-Sicherheit (z.B. Prävention von SQL-Injection-Angriffen) und die Überarbeitung der Code-Dokumentation, um sie allgemeinverständlicher zu machen. Bisher standen dazu keine ausreichenden Resourcen zur Verfügung.

Parameter

Parameter werden verwendet zur Beschreibung von Biomassewachstumskurven, zur Modellierung von Wasserstands-Emissions-Beziehungen in organischen Böden, zur Modellierung von Bodenkohlenstoff und -stickstoff in Mineralböden, etc. Die Parameter wurden in wissenschaftlichen Veröffentlichungen beschrieben oder aus solchen abgeleitet. Siehe Nationales Inventardokument (NID).

Programmiersprache

R, C++, Python, PostgreSQL

Programmtechnische Gestaltungsprinzipien

LULUCFmod hat eine (weitgehend) funktionale Struktur: Module sind als Funktionen implementiert. Datenimport und -export ist über eine Schnittstelle zu einer PostgreSQL-Datenbank implementiert. Schnittstellen zu anderen Modellen sind über diese Datenbank realisiert.

Räumliche Auflösung

100 m x 100 m Grid

Sektoren

Es wird ausschließlich der LULUCF-Sektor (CRT 4) modelliert.

Software

Programmierumgebung: RStudio Server

Versionskontrolle: GitLab

Datenbank: PostgreSQL und pgadmin

Zusammenstellung und Ausgabe von Ergebnissen: Microsoft Excel

Techniken

Definition auf LULUCF Sektor nicht anwendbar

Treibhausgasemissionen

CO2, CH4, N2O

Unsicherheit

Unsicherheiten entstehen strukturell durch die Modellansätze, durch die Eingangsdaten zur Landnutzung, durch Inter- und Extrapolation, durch die Unsicherheit der Eingangsdaten zur Emissionsberechnung (z.B. Emissionsfaktoren). Das Modell hat bisher aus Performancegründen noch keine eigene Unsicherheitsberechnung implementiert. Unsicherheiten werden für die Treibhausgasberichterstattung durch den vereinfachten IPCC-Ansatz (IPCC 2006 Vol.1 3.2.3.1) fortgeplanzt.

Wesentliche endogene und exogene Strukturen/Variablen

Exogene Variablen:

  • Kohlenstoffvorratsänderung der Waldbiomasse
  • Flächenkulisse der organischen Böden
  • Klimatische Wasserbilanz
  • Räumliche Verortung von Entwässerungsgräben
  • Fläche des Waldbrands (historisch)
  • Produktionsstatistik Torf und Torfprodukte (historisch)
  • Vorrat von Kohlenstoff und Stickstoff in Mineralböden
  • Landnutzung (historisch)
  • Emissionsfaktoren (teilweise)

Endogene Variablen:

  • Landnutzungsänderungskategorien (ohne und mit 20 a Übergangszeit)
  • Zeit seit Landnutzungsänderung
  • Zeit seit Etablierung von mehrjähriger Biomasse außerhalb des Waldes
  • Moorwasserstand
  • Emissionsfaktoren (teilweise)
  • THG-Emissionen (positiv = Quelle, negative = Senke) für verschiedene Kohlenstoffpools bzw. Senken und Quellen

Wesentliche Konzepte und Annahmen

Das Modell unterstellt für die Zukunft zeitlich konstante Wahrscheinlichkeiten für spezifische (Brutto-) Landnutzungswechsel. Real sind diese Wahrscheinlichkeiten abhängig von politischen, rechtlichen und ökonomischen Rahmenbedingungen.

Modellierungsprozess

Datenflüsse im Kontext des Modellierungsprozesses von LULUCFmod

Dieser Graph zeigt woher (und wieviele) Datensätze direkt oder indirekt in LULUCFmod fließen.

flowchart LR
classDef default text-decoration:none
matrix["Matrix"]
click matrix href "/Modell/matrix/"
lulucfmod__powerflex(["9"])
click lulucfmod__powerflex href "/Modellierungsprozess/lulucfmod__powerflex/"
lulucfmod__output(["15"])
click lulucfmod__output href "/Modellierungsprozess/lulucfmod__output/"
matrix__lulucfmod(["2"])
click matrix__lulucfmod href "/Modellierungsprozess/matrix__lulucfmod/"
input__lulucfmod(["7"])
click input__lulucfmod href "/Modellierungsprozess/input__lulucfmod/"
wood_carbon_monitor["WoodCarbonMonitor"]
click wood_carbon_monitor href "/Modell/wood_carbon_monitor/"
parametrisierungstabelle(["Instrumentenausgestaltung für die Treibhausgas-Projektionen 2025 (Datentabelle)"])
click parametrisierungstabelle href "/Datensatz/parametrisierungstabelle/"
datentabelle(["Datentabelle für die Treibhausgas-Projektionen 2025 für Deutschland"])
click datentabelle href "/Datensatz/datentabelle/"
wood_carbon_monitor__lulucfmod(["1"])
click wood_carbon_monitor__lulucfmod href "/Modellierungsprozess/wood_carbon_monitor__lulucfmod/"
input(("Eingangsdaten"))
instrumentenwirkung(["Treibhausgasminderungswirkung der Instrumente der Treibhausgas-Projektion 2025 für Deutschland (Datentabelle)"])
click instrumentenwirkung href "/Datensatz/instrumentenwirkung/"
powerflex["PowerFlex"]
click powerflex href "/Modell/powerflex/"
lulucfmod__enusem(["8"])
click lulucfmod__enusem href "/Modellierungsprozess/lulucfmod__enusem/"
enusem["ENUSEM"]
click enusem href "/Modell/enusem/"
lulucfmod["LULUCFmod"]
click lulucfmod href "/Modell/lulucfmod/"
style lulucfmod fill:#9d579a,stroke:#9d579a;
output(("Ergebnisdaten"))
lulucfmod__enusem --> enusem
lulucfmod__output --> output
wood_carbon_monitor --> wood_carbon_monitor__lulucfmod
lulucfmod --> lulucfmod__powerflex
wood_carbon_monitor__lulucfmod --> lulucfmod
input --> input__lulucfmod
lulucfmod__powerflex --> powerflex
lulucfmod --> lulucfmod__enusem
matrix__lulucfmod --> lulucfmod
matrix --> matrix__lulucfmod
lulucfmod --> lulucfmod__output
lulucfmod --> instrumentenwirkung
input__lulucfmod --> lulucfmod
parametrisierungstabelle --> lulucfmod
lulucfmod --> datentabelle

Direkte Datenflüsse zu LULUCFmod

Dieser Graph zeigt an, welche Datensätze direkt in LULUCFmod fließen oder durch LULUCFmod ausgegeben werden.

flowchart LR
classDef default text-decoration:none
wood_carbon_monitor_result(["Holzprodukte (Projection)"])
click wood_carbon_monitor_result href "/Datensatz/wood_carbon_monitor_result/"
interface_4_lulucf_mms(["MMS Interface zwischen ENUSEM und LULUCFmod"])
click interface_4_lulucf_mms href "/Datensatz/interface_4_lulucf_mms/"
matrix_result_table(["Emissionsfaktoren für die Treibhausgasberechnung und Nutzungszahlen für die Einschlagsprojektion der Biomasse im Wald"])
click matrix_result_table href "/Datensatz/matrix_result_table/"
parametrisierungstabelle(["Instrumentenausgestaltung für die Treibhausgas-Projektionen 2025 (Datentabelle)"])
click parametrisierungstabelle href "/Datensatz/parametrisierungstabelle/"
datentabelle(["Datentabelle für die Treibhausgas-Projektionen 2025 für Deutschland"])
click datentabelle href "/Datensatz/datentabelle/"
interface_4_lulucf_mwms(["MWMS Interface zwischen ENUSEM und LULUCFmod"])
click interface_4_lulucf_mwms href "/Datensatz/interface_4_lulucf_mwms/"
lulucf_submission2025(["LULUCF database"])
click lulucf_submission2025 href "/Datensatz/lulucf_submission2025/"
klimatischewasserbilanz_rcp45(["Klimatische Wasserbilanz RCP4.5"])
click klimatischewasserbilanz_rcp45 href "/Datensatz/klimatischewasserbilanz_rcp45/"
instrumentenwirkung(["Treibhausgasminderungswirkung der Instrumente der Treibhausgas-Projektion 2025 für Deutschland (Datentabelle)"])
click instrumentenwirkung href "/Datensatz/instrumentenwirkung/"
lulucfmod["LULUCFmod"]
click lulucfmod href "/Modell/lulucfmod/"
style lulucfmod fill:#9d579a,stroke:#9d579a;
klimatischewasserbilanz_rcp45 --> lulucfmod
matrix_result_table --> lulucfmod
matrix_result_table --> wood_carbon_monitor_result
interface_4_lulucf_mms --> lulucfmod
wood_carbon_monitor_result --> lulucfmod
lulucfmod --> interface_4_lulucf_mms
lulucfmod --> instrumentenwirkung
lulucfmod --> interface_4_lulucf_mwms
lulucfmod --> datentabelle
interface_4_lulucf_mwms --> lulucfmod
parametrisierungstabelle --> lulucfmod
lulucf_submission2025 --> lulucfmod
lulucf_submission2025 --> wood_carbon_monitor_result