@phdthesis{Niehoff2001,
  author    = {Niehoff, Daniel},
  title     = {Modellierung des Einflusses der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung in der Mesoskala},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-0000148},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2001},
  abstract  = {Seit 1990 waren mehrere der großen Flussgebiete Mitteleuropas wiederholt von extremen Hochwassern betroffen. Da sowohl die Landoberfl{\"a}che als auch die Flusssysteme weiter Teile Mitteleuropas in der Vergangenheit weitreichenden Eingriffen ausgesetzt gewesen sind, wird bei der Suche nach den Ursachen f{\"u}r diese H{\"a}ufung von Extremereignissen auch die Frage nach der Verantwortung des Menschen hierf{\"u}r diskutiert. Gew{\"a}sserausbau, Fl{\"a}chenversiegelung, intensive landwirtschaftliche Bodenbearbeitung, Flurbereinigung und Waldsch{\"a}den sind nur einige Beispiele und Folgen der anthropogenen Eingriffe in die Landschaft. Aufgrund der Vielfalt der beteiligten Prozesse und deren Wechselwirkungen gibt es allerdings bislang nur Sch{\"a}tzungen dar{\"u}ber, wie sehr sich die Hochwassersituation hierdurch ver{\"a}ndert hat. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe eines hydrologischen Modells systematisch darzustellen, in welcher Weise, in welcher Gr{\"o}ßenordnung und unter welchen Umst{\"a}nden die Art der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung Einfluss nimmt. Dies wird anhand exemplarischer Modellanwendungen in der hydrologischen Mesoskala untersucht. Zu diesem Zweck wurde das deterministische und fl{\"a}chendifferenzierte hydrologische Modell wasim-eth ausgew{\"a}hlt, das sich durch eine ausgewogene Mischung aus physikalisch begr{\"u}ndeten und konzeptionellen Ans{\"a}tzen auszeichnet. Das Modell wurde im Rahmen dieser Arbeit um verschiedene Aspekte erweitert, die f{\"u}r die Charakterisierung des Einflusses der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung wichtig sind: (1) Bevorzugtes Fließen in Makroporen wird durch eine Zweiteilung des Bodens in Makroporen und Bodenmatrix dargestellt, die schnelle Infiltration und Perkolation jenseits der hydraulischen Leitf{\"a}higkeit der Bodenmatrix erm{\"o}glicht. (2) Verschl{\"a}mmung {\"a}ußert sich im Modell abh{\"a}ngig von Niederschlagsintensit{\"a}t und Vegetationsbedeckungsgrad als Verschlechterung der Infiltrationsbedingungen an der Bodenoberfl{\"a}che. (3) Das heterogene Erscheinungsbild bebauter Fl{\"a}chen mit einer Mischung aus versiegelten Bereichen und Freifl{\"a}chen wird ber{\"u}cksichtigt, indem jede Teilfl{\"a}che je nach Versiegelungsgrad in einen unversiegelten Bereich und einen versiegelten Bereich mit Anschluss an die Kanalisation aufgeteilt wird. (4) Dezentraler R{\"u}ckhalt von Niederschlagswasser kann sowohl f{\"u}r nat{\"u}rliche Mulden als auch f{\"u}r gezielt angelegte Versickerungsmulden mit definierten Infiltrationsbedingungen simuliert werden. Das erweiterte Modell wird exemplarisch auf drei mesoskalige Teileinzugsgebiete des Rheins angewandt. Diese drei Gebiete mit einer Fl{\"a}che von zwischen 100 und 500 km² wurden im Hinblick darauf ausgew{\"a}hlt, dass jeweils eine der drei Hauptlandnutzungskategorien Bebauung, landwirtschaftliche Nutzung oder Wald dominiert. F{\"u}r die drei Untersuchungsgebiete sind r{\"a}umlich explizite Landnutzungs- und Landbedeckungsszenarien entworfen worden, deren Einfluss auf die Hochwasserentstehung mit Hilfe des erweiterten hydrologischen Modells simuliert wird. Im Einzelnen werden die Auswirkungen von Verst{\"a}dterung, Maßnahmen zur Niederschlagsversickerung in Siedlungsgebieten, Stilllegung agrarisch genutzter Fl{\"a}chen, ver{\"a}nderter landwirtschaftlicher Bodenbearbeitung, Aufforstung sowie von Sturmsch{\"a}den in W{\"a}ldern untersucht. Diese Eingriffe beeinflussen die Interzeption von Niederschlag, dessen Infiltration, die oberfl{\"a}chennahen unterirdischen Fließprozesse sowie, zum Beispiel im Fall der Kanalisation, auch die Abflusskonzentration. Die hydrologischen Simulationen demonstrieren, dass die Versiegelung einer Fl{\"a}che den massivsten Eingriff in die nat{\"u}rlichen Verh{\"a}ltnisse darstellt und deshalb die st{\"a}rksten (negativen) Ver{\"a}nderungen der Hochwassersituation hervorbringt. Außerdem wird deutlich, dass eine bloße {\"A}nderung des Interzeptionsverm{\"o}gens zu keinen wesentlichen Ver{\"a}nderungen f{\"u}hrt, da die Speicherkapazit{\"a}t der Pflanzenoberfl{\"a}chen im Verh{\"a}ltnis zum Volumen hochwasserausl{\"o}sender Niederschl{\"a}ge eher klein ist. St{\"a}rkere Ver{\"a}nderungen ergeben sich hingegen aus einer {\"A}nderung der Infiltrationsbedingungen. Die Grenzen der entwickelten Methodik zeigen sich am deutlichsten bei der Simulation ver{\"a}nderter landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsmethoden, deren mathematische Beschreibung und zahlenm{\"a}ßige Charakterisierung aufgrund der Komplexit{\"a}t der beteiligten Prozesse mit großen Unsicherheiten behaftet ist. Die Modellierungsergebnisse belegen dar{\"u}ber hinaus, dass pauschale Aussagen zum Einfluss der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung aufgrund der entscheidenden Bedeutung der klimatischen und physiographischen Randbedingungen unzul{\"a}ssig sind. Zu den klimatischen Randbedingungen z{\"a}hlen sowohl Niederschlagsintensit{\"a}t und -dauer als auch die Feuchtebedingungen vor einem hochwasserausl{\"o}senden Niederschlag. Die physiographischen Randbedingungen sind von der geomorphologischen und geologischen Ausstattung des Gebiets vorgegeben. Weiterhin muss der r{\"a}umliche und zeitliche Maßstab, {\"u}ber den Aussagen getroffen werden, klar definiert sein, da sich mit steigender Einzugsgebietsgr{\"o}ße die relative Bedeutung sowohl der verschiedenen Niederschlagstypen als auch der physiographischen Eigenschaften verschiebt. Dies wird in der vorliegenden Arbeit im Gegensatz zu vielen anderen Untersuchungen konsequent ber{\"u}cksichtigt. In Abh{\"a}ngigkeit von Randbedingungen und r{\"a}umlichen Maßstab sind aufgrund der gewonnen Erkenntnisse folgende Aussagen zum Einfluss von Landnutzungs{\"a}nderungen auf die Hochwasserentstehung m{\"o}glich: (1) F{\"u}r intensive konvektive Niederschlagsereignisse mit tendenziell geringer Vorfeuchte ist der Einfluss der Landnutzung gr{\"o}ßer als f{\"u}r langanhaltende advektive Niederschl{\"a}ge geringer Intensit{\"a}t, da im ersten Fall ver{\"a}nderte Infiltrationsbedingungen st{\"a}rker zum Tragen kommen als bei kleinen Niederschlagsintensit{\"a}ten. (2) In kleinen Einzugsgebieten, wo kleinr{\"a}umige Konvektivzellen zu Hochwassern f{\"u}hren k{\"o}nnen, ist der Einfluss der Landnutzung dementsprechend gr{\"o}ßer als in großen Flussgebieten wie dem Rheingebiet, wo vor allem langanhaltende advektive Ereignisse (unter Umst{\"a}nden verbunden mit Schneeschmelze) relevant sind. (3) In Gebieten mit guten Speichereigenschaften wie m{\"a}chtigen, gut durchl{\"a}ssigen B{\"o}den und gut durchl{\"a}ssigem Gesteinsuntergrund ist der Einfluss der Landnutzung gr{\"o}ßer als in Gebieten mit geringm{\"a}chtigen B{\"o}den und geringdurchl{\"a}ssigem Festgestein. Dies ist darin begr{\"u}ndet, dass in Gebieten mit guten Speichereigenschaften bei einer Verschlechterung der Infiltrationsbedingungen mehr Speicherraum f{\"u}r Niederschlag verloren geht als in anderen Gebieten.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Gutsch2016,
  author    = {Gutsch, Martin},
  title     = {Model-based analysis of climate change impacts on the productivity of oak-pine forests in Brandenburg},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-97241},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {vii, 148},
  year      = {2016},
  abstract  = {The relationship between climate and forest productivity is an intensively studied subject in forest science. This Thesis is embedded within the general framework of future forest growth under climate change and its implications for the ongoing forest conversion. My objective is to investigate the future forest productivity at different spatial scales (from a single specific forest stand to aggregated information across Germany) with focus on oak-pine forests in the federal state of Brandenburg. The overarching question is: how are the oak-pine forests affected by climate change described by a variety of climate scenarios. I answer this question by using a model based analysis of tree growth processes and responses to different climate scenarios with emphasis on drought events. In addition, a method is developed which considers climate change uncertainty of forest management planning. As a first 'screening' of climate change impacts on forest productivity, I calculated the change in net primary production on the base of a large set of climate scenarios for different tree species and the total area of Germany. Temperature increases up to 3 K lead to positive effects on the net primary production of all selected tree species. But, in water-limited regions this positive net primary production trend is dependent on the length of drought periods which results in a larger uncertainty regarding future forest productivity. One of the regions with the highest uncertainty of net primary production development is the federal state of Brandenburg. To enhance the understanding and ability of model based analysis of tree growth sensitivity to drought stress two water uptake approaches in pure pine and mixed oak-pine stands are contrasted. The first water uptake approach consists of an empirical function for root water uptake. The second approach is more mechanistic and calculates the differences of soil water potential along a soil-plant-atmosphere continuum. I assumed the total root resistance to vary at low, medium and high total root resistance levels. For validation purposes three data sets on different tree growth relevant time scales are used. Results show that, except the mechanistic water uptake approach with high total root resistance, all transpiration outputs exceeded observed values. On the other hand high transpiration led to a better match of observed soil water content. The strongest correlation between simulated and observed annual tree ring width occurred with the mechanistic water uptake approach and high total root resistance. The findings highlight the importance of severe drought as a main reason for small diameter increment, best supported by the mechanistic water uptake approach with high root resistance. However, if all aspects of the data sets are considered no approach can be judged superior to the other. I conclude that the uncertainty of future productivity of water-limited forest ecosystems under changing environmental conditions is linked to simulated root water uptake. Finally my study aimed at the impacts of climate change combined with management scenarios on an oak-pine forest to evaluate growth, biomass and the amount of harvested timber. The pine and the oak trees are 104 and 9 years old respectively. Three different management scenarios with different thinning intensities and different climate scenarios are used to simulate the performance of management strategies which explicitly account for the risks associated with achieving three predefined objectives (maximum carbon storage, maximum harvested timber, intermediate). I found out that in most cases there is no general management strategy which fits best to different objectives. The analysis of variance in the growth related model outputs showed an increase of climate uncertainty with increasing climate warming. Interestingly, the increase of climate-induced uncertainty is much higher from 2 to 3 K than from 0 to 2 K.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Holsten2013,
  author    = {Holsten, Anne},
  title     = {Climate change vulnerability assessments in the regional context},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-66836},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2013},
  abstract  = {Adapting sectors to new conditions under climate change requires an understanding of regional vulnerabilities. Conceptually, vulnerability is defined as a function of sensitivity and exposure, which determine climate impacts, and adaptive capacity of a system. Vulnerability assessments for quantifying these components have become a key tool within the climate change field. However, there is a disagreement on how to make the concept operational in studies from a scientific perspective. This conflict leads to many still unsolved challenges, especially regarding the quantification and aggregation of the components and their suitable level of complexity. This thesis therefore aims at advancing the scientific foundation of such studies by translating the concept of vulnerability into a systematic assessment structure. This includes all components and implies that for each considered impact (e.g. flash floods) a clear sensitive entity is defined (e.g. settlements) and related to a direction of change for a specific climatic stimulus (e.g. increasing impact due to increasing days with heavy precipitation). Regarding the challenging aggregation procedure, two alternative methods allowing a cross-sectoral overview are introduced and their advantages and disadvantages discussed. This assessment structure is subsequently exemplified for municipalities of the German state North Rhine-Westphalia via an indicator-based deductive approach using information from literature. It can be transferred also to other regions. As for many relevant sectors, suitable indicators to express the vulnerability components are lacking, new quantification methods are developed and applied in this thesis, for example for the forestry and health sector. A lack of empirical data on relevant thresholds is evident, for example which climatic changes would cause significant impacts. Consequently, the multi-sectoral study could only provide relative measures for each municipality, in relation to the region. To fill this gap, an exemplary sectoral study was carried out on windthrow impacts in forests to provide an absolute quantification of the present and future impact. This is achieved by formulating an empirical relation between the forest characteristics and damage based on data from a past storm event. The resulting measure indicating the sensitivity is then combined with wind conditions. Multi-sectoral vulnerability assessments require considerable resources, which often hinders the implementation. Thus, in a next step, the potential for reducing the complexity is explored. To predict forest fire occurrence, numerous meteorological indices are available, spanning over a range of complexity. Comparing their performance, the single variable relative humidity outperforms complex indicators for most German states in explaining the monthly fire pattern. This is the case albeit it is itself an input factor in most indices. Thus, this meteorological factor alone is well suited to evaluate forest fire danger in many Germany regions and allows a resource-efficient assessment. Similarly, the complexity of methods is assessed regarding the application of the ecohydrological model SWIM to the German region of Brandenburg. The inter-annual soil moisture levels simulated by this model can only poorly be represented by simpler statistical approach using the same input data. However, on a decadal time horizon, the statistical approach shows a good performance and a strong dominance of the soil characteristic field capacity. This points to a possibility to reduce the input factors for predicting long-term averages, but the results are restricted by a lack of empirical data on soil water for validation. The presented assessments of vulnerability and its components have shown that they are still a challenging scientific undertaking. Following the applied terminology, many problems arise when implementing it for regional studies. Advances in addressing shortcomings of previous studies have been made by constructing a new systematic structure for characterizing and aggregating vulnerability components. For this, multiple approaches were presented, but they have specific advantages and disadvantages, which should also be carefully considered in future studies. There is a potential to simplify some methods, but more systematic assessments on this are needed. Overall, this thesis strengthened the use of vulnerability assessments as a tool to support adaptation by enhancing their scientific basis.},
  language  = {en}
}