Zum Inhalt

LULUCFmod

Name

LULUCFmod

Version des Modells

1.4.1

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, Kapitel 6 beschreibt die implementierten Methoden detailliert.

Räumliche Abdeckung

Landfläche Deutschlands

Zeithorizont

1990 - 2055, bestimmte Variablen gehen ab 1971 oder bis 2075 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, Kapitel 6 wo die Methodik des Modells detailliert beschrieben ist.

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, sowie
  • \(n_i\) der Anzahl von Punkten mit Landnutzungskategorie \(i\) zu Beginn der Referenzperiode.

Open Source

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 des altersabhängigen Kohlenstoffvorrats in mehrjähriger lebender Biomasse (Nationales Inventardokument, Kapitel 6.1.2.3), zur Modellierung von Wasserstands-Emissions-Beziehungen in organischen Böden (Nationales Inventardokument, Kapitel 6.1.2.2), zur Modellierung von Bodenkohlenstoff und -stickstoff in Mineralböden (Nationales Inventardokument, Kapitel 6.1.2.1), etc. Die Parameter wurden in wissenschaftlichen Veröffentlichungen beschrieben oder aus solchen abgeleitet (siehe Referenzen im Nationalen Inventardokument).

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, Temperatur und Niederschlag
  • 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.

Zielsystem

LULUCF Deutschland gemäß UNFCCC/IPCC

Literaturverzeichnis

Modellierungsprozess

Datenflüsse im Kontext des Modellierungsprozesses von LULUCFmod

Dieser Graph zeigt woher (und wieviele) Datensätze direkt oder indirekt in LULUCFmod fließen. Er zeigt auch, welche Datensätze durch LULUCFmod augegeben werden.

flowchart LR
classDef default text-decoration:none
lulucfmod__capri(["1"])
click lulucfmod__capri href "/Modellierungsprozess/lulucfmod__capri/"
data_instrumentenwirkung(["Treibhausgasminderungswirkung der Instrumente der Treibhausgas-Projektion 2026 für Deutschland (Datentabelle)"])
click data_instrumentenwirkung href "/Datensatz/data_instrumentenwirkung/"
lulucfmod["LULUCFmod"]
click lulucfmod href "/Modell/lulucfmod/"
style lulucfmod fill:#9d579a,stroke:#9d579a;
output(("Ergebnisdaten"))
lulucfmod__output(["9"])
click lulucfmod__output href "/Modellierungsprozess/lulucfmod__output/"
input__lulucfmod(["9"])
click input__lulucfmod href "/Modellierungsprozess/input__lulucfmod/"
capri["CAPRI"]
click capri href "/Modell/capri/"
data_parametrisierungstabelle(["Instrumentenausgestaltung für die Treibhausgas-Projektionen 2026 (Datentabelle)"])
click data_parametrisierungstabelle href "/Datensatz/data_parametrisierungstabelle/"
lulucfmod__powerflex(["7"])
click lulucfmod__powerflex href "/Modellierungsprozess/lulucfmod__powerflex/"
enusem["ENUSEM"]
click enusem href "/Modell/enusem/"
powerflex["PowerFlex"]
click powerflex href "/Modell/powerflex/"
lulucfmod__pygasem(["1"])
click lulucfmod__pygasem href "/Modellierungsprozess/lulucfmod__pygasem/"
input(("Eingangsdaten"))
matrix__lulucfmod(["1"])
click matrix__lulucfmod href "/Modellierungsprozess/matrix__lulucfmod/"
matrix["Matrix"]
click matrix href "/Modell/matrix/"
data_datentabelle(["Datentabelle für die Treibhausgas-Projektionen 2026 für Deutschland"])
click data_datentabelle href "/Datensatz/data_datentabelle/"
pygasem["Py-GAS-EM"]
click pygasem href "/Modell/pygasem/"
lulucfmod__enusem(["1"])
click lulucfmod__enusem href "/Modellierungsprozess/lulucfmod__enusem/"
matrix --> matrix__lulucfmod
input --> input__lulucfmod
matrix__lulucfmod --> lulucfmod
lulucfmod__output --> output
lulucfmod__powerflex --> powerflex
lulucfmod --> data_instrumentenwirkung
input__lulucfmod --> lulucfmod
lulucfmod --> lulucfmod__output
lulucfmod --> data_datentabelle
lulucfmod__pygasem --> pygasem
lulucfmod__capri --> capri
lulucfmod --> lulucfmod__capri
data_parametrisierungstabelle --> lulucfmod
lulucfmod --> lulucfmod__pygasem
lulucfmod__enusem --> enusem
lulucfmod --> lulucfmod__powerflex
lulucfmod --> lulucfmod__enusem

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
data_instrumentenwirkung(["Treibhausgasminderungswirkung der Instrumente der Treibhausgas-Projektion 2026 für Deutschland (Datentabelle)"])
click data_instrumentenwirkung href "/Datensatz/data_instrumentenwirkung/"
lulucfmod["LULUCFmod"]
click lulucfmod href "/Modell/lulucfmod/"
style lulucfmod fill:#9d579a,stroke:#9d579a;
lulucfmod_klimatischewasserbilanz_rcp45(["Klimatische Wasserbilanz RCP4.5"])
click lulucfmod_klimatischewasserbilanz_rcp45 href "/Datensatz/lulucfmod_klimatischewasserbilanz_rcp45/"
data_parametrisierungstabelle(["Instrumentenausgestaltung für die Treibhausgas-Projektionen 2026 (Datentabelle)"])
click data_parametrisierungstabelle href "/Datensatz/data_parametrisierungstabelle/"
lulucfmod_result(["LULUCF database (Projection)"])
click lulucfmod_result href "/Datensatz/lulucfmod_result/"
interface_4_lulucf(["Interface LULUCF zwischen ENUSEM und LULUCFmod: historisch und Projektion"])
click interface_4_lulucf href "/Datensatz/interface_4_lulucf/"
matrix_output_lulucfmod_input(["Emissionsfaktoren für die Treibhausgasberechnung der Biomasse im Wald"])
click matrix_output_lulucfmod_input href "/Datensatz/matrix_output_lulucfmod_input/"
data_datentabelle(["Datentabelle für die Treibhausgas-Projektionen 2026 für Deutschland"])
click data_datentabelle href "/Datensatz/data_datentabelle/"
lulucfmod_submission2026(["LULUCF database"])
click lulucfmod_submission2026 href "/Datensatz/lulucfmod_submission2026/"
lulucfmod_result_crt3(["LULUCF database (Projection)"])
click lulucfmod_result_crt3 href "/Datensatz/lulucfmod_result_crt3/"
interface_4_lulucf_nur_historisch(["Interface LULUCF zwischen ENUSEM und LULUCFmod: nur historisch"])
click interface_4_lulucf_nur_historisch href "/Datensatz/interface_4_lulucf_nur_historisch/"
data_parametrisierungstabelle --> lulucfmod
interface_4_lulucf_nur_historisch --> interface_4_lulucf
interface_4_lulucf_nur_historisch --> lulucfmod
lulucfmod_submission2026 --> lulucfmod
matrix_output_lulucfmod_input --> lulucfmod
matrix_output_lulucfmod_input --> lulucfmod_result
lulucfmod_klimatischewasserbilanz_rcp45 --> lulucfmod
lulucfmod_klimatischewasserbilanz_rcp45 --> lulucfmod_result_crt3
lulucfmod_klimatischewasserbilanz_rcp45 --> lulucfmod_result
lulucfmod --> data_instrumentenwirkung
lulucfmod --> data_datentabelle
lulucfmod --> lulucfmod_result_crt3
lulucfmod --> lulucfmod_result
lulucfmod --> interface_4_lulucf