TY  - THES
A1  - Cunha Costa, Alexandre
T1  - Analyzing and modelling of flow transmission processes in river-systems with a focus on semi-arid conditions
T1  - Wassertransferprozesse in Flusssystemen mit einem Schwerpunkt auf semi-ariden Bedingungen
N2  - One of the major problems for the implementation of water resources planning and management in arid and semi-arid environments is the scarcity of hydrological data and, consequently, research studies. In this thesis, the hydrology of dryland river systems was analyzed and a semi-distributed hydrological model and a forecasting approach were developed for flow transmission processes in river-systems with a focus on semi-arid conditions. Three different sources of hydrological data (streamflow series, groundwater level series and multi-temporal satellite data) were combined in order to analyze the channel transmission losses of a large reach of the Jaguaribe River in NE Brazil. A perceptual model of this reach was derived suggesting that the application of models, which were developed for sub-humid and temperate regions, may be more suitable for this reach than classical models, which were developed for arid and semi-arid regions. Summarily, it was shown that this river reach is hydraulically connected with groundwater and shifts from being a losing river at the dry and beginning of rainy seasons to become a losing/gaining (mostly losing) river at the middle and end of rainy seasons. A new semi-distributed channel transmission losses model was developed, which was based primarily on the capability of simulation in very different dryland environments and flexible model structures for testing hypotheses on the dominant hydrological processes of rivers. This model was successfully tested in a large reach of the Jaguaribe River in NE Brazil and a small stream in the Walnut Gulch Experimental Watershed in the SW USA. Hypotheses on the dominant processes of the channel transmission losses (different model structures) in the Jaguaribe river were evaluated, showing that both lateral (stream-)aquifer water fluxes and ground-water flow in the underlying alluvium parallel to the river course are necessary to predict streamflow and channel transmission losses, the former process being more relevant than the latter. This procedure not only reduced model structure uncertainties, but also reported modelling failures rejecting model structure hypotheses, namely streamflow without river-aquifer interaction and stream-aquifer flow without groundwater flow parallel to the river course. The application of the model to different dryland environments enabled learning about the model itself from differences in channel reach responses. For example, the parameters related to the unsaturated part of the model, which were active for the small reach in the USA, presented a much greater variation in the sensitivity coefficients than those which drove the saturated part of the model, which were active for the large reach in Brazil. Moreover, a nonparametric approach, which dealt with both deterministic evolution and inherent fluctuations in river discharge data, was developed based on a qualitative dynamical system-based criterion, which involved a learning process about the structure of the time series, instead of a fitting procedure only. This approach, which was based only on the discharge time series itself, was applied to a headwater catchment in Germany, in which runoff are induced by either convective rainfall during the summer or snow melt in the spring. The application showed the following important features: • the differences between runoff measurements were more suitable than the actual runoff measurements when using regression models; • the catchment runoff system shifted from being a possible dynamical system contaminated with noise to a linear random process when the interval time of the discharge time series increased; • and runoff underestimation can be expected for rising limbs and overestimation for falling limbs. This nonparametric approach was compared with a distributed hydrological model designed for real-time flood forecasting, with both presenting similar results on average. Finally, a benchmark for hydrological research using semi-distributed modelling was proposed, based on the aforementioned analysis, modelling and forecasting of flow transmission processes. The aim of this benchmark was not to describe a blue-print for hydrological modelling design, but rather to propose a scientific method to improve hydrological knowledge using semi-distributed hydrological modelling. Following the application of the proposed benchmark to a case study, the actual state of its hydrological knowledge and its predictive uncertainty can be determined, primarily through rejected hypotheses on the dominant hydrological processes and differences in catchment/variables responses.
N2  - Die Bewirtschaftung von Wasserressourcen in ariden und semiariden Landschaften ist mit einer Reihe besonderer Probleme konfrontiert. Eines der größten Probleme für die Maßnahmenplanung und für das operationelle Management ist der Mangel an hydrologischen Daten und damit zusammenhängend auch die relativ kleine Zahl wissenschaftlicher Arbeiten zu dieser Thematik. In dieser Arbeit wurden 1) die grundlegenden hydrologischen Bedingungen von Trockenflusssystemen analysiert, 2) ein Modellsystem für Flüsse unter semiariden Bedingungen, und 3) ein nichtparametrisches Vorhersage-verfahren für Abflussvorgänge in Flüssen entwickelt. Der Wasserverlust in einem großen Abschnitt des Jaguaribe Flusses im nordöstlichen Brasilien wurde auf Basis von Daten zu Abflussraten, Grundwasserflurabstände und mit Hilfe multitemporaler Satellitendaten analysiert. Dafür wurde zuerst ein konzeptionelles hydrologisches Modell über die Mechanismen der Transferverluste in diesem Abschnitt des Trockenflusses erstellt. Dabei ergab sich, dass der Flussabschnitt mit dem Grundwasser hydraulisch verbunden ist. Der Flussabschnitt weist in der Trockenenzeit und am Anfang der Regenzeit nur Wasserverlust (Sickerung) zum Grundwasser auf. Im Laufe der Regenzeit findet auch ein gegenseitiger Austausch vom Grundwasser mit dem Flusswasser statt. Aufgrund dieser hydraulischen Kopplung zwischen Flusswasser und Grundwasser sind für diesen Flussabschnitt hydrologische Modellansätze anzuwenden, die generell für gekoppelte Fluss-Grundwassersysteme, v.a. in feuchtgemäßigten Klimaten, entwickelt wurden. Es wurde ein neuartiges hydrologisches Simulationsmodell für Transferverluste in Trockenflüssen entwickelt. Dieses Modell ist für unterschiedliche aride und semiaride Landschaften anwendbar und hat eine flexible Modellstruktur, wodurch unterschiedliche Hypothesen zur Relevanz einzelner hydrologische Prozesse getestet werden können. Es wurde für den zuvor genannten großen Abschnitt des Jaguaribe Flusses im nordöstlichen Brasilien und für einen kleinen Flussabschnitt im „Walnut Gulch Experimental Watershed“ (WGEW) in Arizona, Südwest-USA, angewendet. Für die eine prozess-orientierte Simulation von Abflussbedingungen und Transferverlusten im Einzugsgebiet des Jaguaribe hat sich gezeigt, dass die am besten geeignete Modellstruktur sowohl den Austausch zwischen Flusswasser und Grundwasser (senkrecht zur Fließrichtung des Flusses) als auch die parallel zum Fluss verlaufende Grundwasserströmung enthält. Die Simulationsexperimente mit unterschiedlichen Modellstrukturen („Hypothesentest“) reduzierte nicht nur die Modellstrukturunsicherheit, sondern quantifizierte auch die Qualität der Modellergebnisse bei folgenden Varianten der Modellstruktur: a) Abflluss im Fluss ohne Interaktion mit dem Grundwasser (keine Transferverluste) und b) Interaktion zwischen Fluss und Grundwasser ohne parallelen Grundwasserstrom zum Flussstrom. Durch die Anwendung auf die beiden unterschiedlichen Trockenflusssysteme wurden neue Erkenntnisse über die Sensitivität des Modells unter verschiedenen Bedingungen erworben. Beispielsweise waren die Parameter der ungesättigten Zone, die von hoher Relevanz für den kleinen Flussabschnitt im WGEW waren, viel sensitiver als die Parameter der gesättigten Zone, die besonders relevant für den Jaguaribe Flussabschnitt in Brasilien waren. Die Ursache für diese sehr unterschiedliche Sensitivität liegt darin, dass beim WGEW das Flusswasser nur mit der ungesättigten Zone in Kontakt steht, da sich in diesem Gebiet, welche im Vergleich zur Jaguaribe-Region noch deutlich trockener ist, kein Grund-wasserleiter bildet. Letztlich wurde ein nicht-parametrisches Verfahren, zur Simulation der deterministischen Evolution und stochastischen Fluktuation der Abflussdynamik entwickelt. Im Unterschied zu prozessbasiertem Modellsystemen basiert dieses Verfahren nicht auf Modellkalibrierung sondern auf einem Lernprozess, basierend auf Zeitreihendaten. Als Anwendungsbeispiel wurde ein mesoskaliges Einzugsgebiet im Erzgebirge, NO-Deutschland gewählt, in dem starke Abflussereignisse entweder durch konvektive Niederschlagsereignisse oder durch Schneeschmelze generiert werden. Die folgenden wichtigsten Ergebnisse wurden erzielt: • Regressionsmodellansätze basierend auf den zeitlichen Änderungen der Abflüsse liefern bessere Ergebnisse gegenüber Ansätzen basierend auf direkten Abflussdaten; • mit zunehmendem Vorhersagehorizont wandelt sich das hydrologische System von einem mit Zufallsanteilen verrauschten dynamischen System zu einem linearen probabilistischen Zufallsprozess; • Bei zunehmendem Abfluss (ansteigenden Ganglinie) erfolgt meist eine Abflussunterschätzung, bei abnehmendem Abfluss (fallende Ganglinie) erfolgt meist eine Abflussüberschätzung. Dieses nichtparametrische Verfahren ergibt im Vergleich mit einem prozess-orientierten und flächenverteilten hydrologischen Hochwasservorhersagemodell bis zu einem Vorhersagezeitraum von 3 Stunden Ergebnisse von vergleichbar guter Qualität. Letztendlich wurde ein Vorgehen bzgl. künftiger Forschungen zu hydrologischer Modellierung vorgeschlagen. Das Ziel dabei war ein wissenschaftliches Verfahren zur Verbesserung des hydrologischen Wissens über ein Einzugsgebiet. Diese Verfahren basiert auf einem Hypothesentest zu den relevanten hydrologischen Prozessen und der Untersuchung der Sensitivitäten der hydrologischen Variablen bei unterschiedlichen Einzugsgebieten.
KW  - Trockenflüsse
KW  - Transferverluste in Flüssen
KW  - Hochwasservorhersage
KW  - Unsicherheitsanalyse
KW  - hydrologische Modellierung
KW  - Dryland Rivers
KW  - Channel Transmission Losses
KW  - Flood Forecasting
KW  - Uncertainty Analysis
KW  - Hydrological Modelling
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59694
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TY  - THES
A1  - Lauterbach, Stefan
T1  - Lateglacial to Holocene climatic and environmental changes in Europe : multi-proxy studies on lake sediments along a transect from northern Italy to northeastern Poland
T1  - Spätglaziale und holozäne Klima- und Umweltveränderungen in Europa : Multiproxy-Untersuchungen an Seesedimenten entlang eines Transekts zwischen Norditalien und Nordostpolen
N2  - Sediment records of three European lakes were investigated in order to reconstruct the regional climate development during the Lateglacial and Holocene, to investigate the response of local ecosystems to climatic fluctuations and human impact and to relate regional peculiarities of past climate development to climatic changes on a larger spatial scale. The Lake Hańcza (NE Poland) sediment record was studied with a focus on reconstructing the early Holocene climate development and identifying possible differences to Western Europe. Following the initial Holocene climatic improvement, a further climatic improvement occurred between 10 000 and 9000 cal. a BP. Apparently, relatively cold and dry climate conditions persisted in NE Poland during the first ca. 1500 years of the Holocene, most likely due to a specific regional atmospheric circulation pattern. Prevailing anticyclonic circulation linked to a high-pressure cell above the remaining Scandinavian Ice Sheet (SIS) might have blocked the eastward propagation of warm and moist Westerlies and thus attenuated the early Holocene climatic amelioration in this region until the final decay of the SIS, a pattern different from climate development in Western Europe. The Lateglacial sediment record of Lake Mondsee (Upper Austria) was investigated in order to study the regional climate development and the environmental response to rapid climatic fluctuations. While the temperature rise and environmental response at the onset of the Holocene took place quasi-synchronously, major leads and lags in proxy responses characterize the onset of the Lateglacial Interstadial. In particular, the spread of coniferous woodlands and the reduction of detrital flux lagged the initial Lateglacial warming by ca. 500–750 years. Major cooling at the onset of the Younger Dryas took place synchronously with a change in vegetation, while the increase of detrital matter flux was delayed by about 150–300 years. Complex proxy responses are also detected for short-term Lateglacial climatic fluctuations. In summary, periods of abrupt climatic changes are characterized by complex and temporally variable proxy responses, mainly controlled by ecosystem inertia and the environmental preconditions. A second study on the Lake Mondsee sediment record focused on two small-scale climate deteriorations around 8200 and 9100 cal. a BP, which have been triggered by freshwater discharges to the North Atlantic, causing a shutdown of the Atlantic meridional overturning circulation (MOC). Combining microscopic varve counting and AMS 14C dating yielded a precise duration estimate (ca. 150 years) and absolute dating of the 8.2 ka cold event, both being in good agreement with results from other palaeoclimate records. Moreover, a sudden temperature overshoot after the 8.2 ka cold event was identified, also seen in other proxy records around the North Atlantic. This was most likely caused by enhanced resumption of the MOC, which also initiated substantial shifts of oceanic and atmospheric front systems. Although there is also evidence from other proxy records for pronounced recovery of the MOC and atmospheric circulation changes after the 9.1 ka cold event, no temperature overshoot is seen in the Lake Mondsee record, indicating the complex behaviour of the global climate system. The Holocene sediment record of Lake Iseo (northern Italy) was studied to shed light on regional earthquake activity and the influence of climate variability and anthropogenic impact on catchment erosion and detrital flux into the lake. Frequent small-scale detrital layers within the sediments reflect allochthonous sediment supply by extreme surface runoff events. During the early to mid-Holocene, increased detrital flux coincides with periods of cold and wet climate conditions, thus apparently being mainly controlled by climate variability. In contrast, intervals of high detrital flux during the late Holocene partly also correlate with phases of increased human impact, reflecting the complex influences on catchment erosion processes. Five large-scale event layers within the sediments, which are composed of mass-wasting deposits and turbidites, are supposed to have been triggered by strong local earthquakes. While the uppermost of these event layers is assigned to a documented adjacent earthquake in AD 1222, the four other layers are supposed to be related to previously undocumented prehistorical earthquakes.
N2  - Sedimente aus drei europäischen Seen wurden untersucht um die regionale Klimaentwicklung während des Spätglazials und Holozäns und die Reaktion der Ökosysteme auf Klimaschwankungen und menschlichen Einfluss zu rekonstruieren sowie die regionalen Besonderheiten der spätquartären Klimaveränderungen in einen überregionalen Kontext zu setzen. Die Sedimente des Jezioro Hańcza (Nordostpolen) wurden im Hinblick auf die frühholozäne Klimaentwicklung und die Identifikation möglicher Unterschiede gegenüber Westeuropa untersucht. Im Anschluss an die Erwärmung zu Beginn des Holozäns konnte eine weitere Verbesserung der Klimabedingungen zwischen 10 000 und 9000 Jahren vor heute nachgewiesen werden. Offensichtlich herrschten in Nordostpolen während der ersten 1500 Jahre des Holozäns noch relative kalte und trockene Klimabedingungen, höchstwahrscheinlich als Resultat besonderer regionaler atmosphärischer Zirkulationsverhältnisse. Eine antizyklonale Zirkulationszelle als Resultat eines Hochdruckgebiets über dem Rest des Skandinavischen Eisschilds verhinderte wahrscheinlich das Vordringen warmer und feuchter Luftmassen aus Westen und verursachte damit eine Abschwächung der frühholozänen Klimaverbesserung in dieser Region bis zum endgültigen Zerfall des Eisschilds, was grundsätzlich von der frühholozänen Klimaentwicklung in Westeuropa abweicht. Die spätglazialen Sedimente des Mondsees (Oberösterreich) wurden im Hinblick auf die regionale Klimaentwicklung und die Reaktion des Ökosystems auf abrupte Klimaschwankungen untersucht. Während die Erwärmung zu Beginn des Holozäns von einer zeitgleichen Reaktion des Ökosystems begleitet wurde, war die Reaktion des Ökosystems auf die Erwärmung zu Beginn des Spätglazials deutlich verzögert. Insbesondere die Ausbreitung von Nadelwäldern und die Reduktion des klastischen Eintrags folgten der spätglazialen Erwärmung erst mit einer Verzögerung von ca. 500–750 Jahren. Die Abkühlung zu Beginn der Jüngeren Dryas war durch eine deutliche Synchronizität zwischen Temperatur- und Vegetationsänderung gekennzeichnet, wohingegen der Anstieg des klastischen Eintrags erst 150–300 Jahre verzögert folgte. Eine komplexe Reaktion des Ökosystems zeigt sich auch während kurzfristiger spätglazialer Klimaschwankungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass abrupte Klimaveränderungen durch komplexe und zeitlich variable Reaktionsmuster des Ökosystems gekennzeichnet sind, die hauptsächlich von dessen Klimasensitivität und den ökologischen Ausgangsbedingungen abhängen. Eine zweite Studie an den Sedimenten des Mondsees konzentrierte sich auf zwei Klimaschwankungen vor ca. 8200 und 9100 Jahren, für die Schmelzwassereintrag in den Nordatlantik und ein damit verbundenes Zusammenbrechen der thermohalinen Zirkulation als Ursache angesehen wird. Durch Warvenzählungen und 14C-Datierungen konnten sowohl die Dauer (ca. 150 Jahre) als auch das absolute Alter der Kältephase vor ca. 8200 Jahren zuverlässig bestimmt werden, welche in guter Übereinstimmung mit Resultaten aus anderen Paläoklimaarchiven stehen. Darüber hinaus wurde eine kurze Warmphase direkt im Anschluss an das Abkühlungsereignis identifiziert, die auch in anderen Klimaarchiven im nordatlantischen Raum nachweisbar ist. Diese wurde wahrscheinlich durch ein Wiedererstarken der thermohalinen Zirkulation verursacht, welches darüber hinaus eine Verschiebung ozeanischer und atmosphärischer Frontsysteme zur Folge hatte. Obwohl andere Klimaarchive auch nach dem Abkühlungsereignis vor ca. 9100 Jahren auf ein Wiedererstarken der thermohalinen Zirkulation hindeuten, finden sich in den Sedimenten des Mondsees keine Anzeichen für eine solche Wärmeperiode, was die Komplexität des globalen Klimasystems verdeutlicht. Die holozänen Sedimente des Lago d’Iseo (Norditalien) wurden im Hinblick auf die regionale Erdbebenaktivität und den Einfluss von Klima und Mensch auf Erosionsprozesse im Einzugsgebiet und den klastischen Eintrag in den See untersucht. Zahlreiche kleinere detritische Lagen in den Sedimenten spiegeln Eintrag durch extreme Oberflächenabflussereignisse wieder. Während des Früh- und Mittelholozäns zeigt sich eine deutliche Übereinstimmung zwischen erhöhtem klastischen Eintrag und kühleren und feuchteren Klimaverhältnissen, was auf einen dominanten Einfluss der natürlichen Klimavariabilität hindeutet. Im Gegensatz dazu zeigen Phasen erhöhten klastischen Eintrags während des Spätholozäns teilweise auch eine Korrelation mit erhöhter Siedlungsaktivität, was die Komplexität der Einflüsse auf Erosionsprozesse im Einzugsgebiet verdeutlicht. Darüber hinaus konnten auch fünf größere Ereignislagen nachgewiesen werden, welche durch Rutschmassen und Turbidite gekennzeichnet sind und für die lokale Erdbeben als Ursache vermutet werden. Die jüngste Ereignislage kann mit einem historisch dokumentierten proximalen Erdbeben im Jahr AD 1222 korreliert werden. Für die anderen vier Ereignislagen werden bisher undokumentierte prähistorische Erdbeben als Ursache angenommen.
KW  - Spätglazial
KW  - Holozän
KW  - Seesedimente
KW  - Paläoklima
KW  - Europa
KW  - Lateglacial
KW  - Holocene
KW  - lake sediments
KW  - palaeoclimate
KW  - Europe
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-58157
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TY  - THES
A1  - Sietz, Diana
T1  - Dryland vulnerability : typical patterns and dynamics in support of vulnerability reduction efforts
T1  - Vulnerabilität in Trockengebieten: typische Muster und Dynamiken als Beitrag für Ansätze zur Verminderung von Vulnerabilität
N2  - The pronounced constraints on ecosystem functioning and human livelihoods in drylands are frequently exacerbated by natural and socio-economic stresses, including weather extremes and inequitable trade conditions. Therefore, a better understanding of the relation between these stresses and the socio-ecological systems is important for advancing dryland development. The concept of vulnerability as applied in this dissertation describes this relation as encompassing the exposure to climate, market and other stresses as well as the sensitivity of the systems to these stresses and their capacity to adapt. With regard to the interest in improving environmental and living conditions in drylands, this dissertation aims at a meaningful generalisation of heterogeneous vulnerability situations. A pattern recognition approach based on clustering revealed typical vulnerability-creating mechanisms at global and local scales. One study presents the first analysis of dryland vulnerability with global coverage at a sub-national resolution. The cluster analysis resulted in seven typical patterns of vulnerability according to quantitative indication of poverty, water stress, soil degradation, natural agro-constraints and isolation. Independent case studies served to validate the identified patterns and to prove the transferability of vulnerability-reducing approaches. Due to their worldwide coverage, the global results allow the evaluation of a specific system’s vulnerability in its wider context, even in poorly-documented areas. Moreover, climate vulnerability of smallholders was investigated with regard to their food security in the Peruvian Altiplano. Four typical groups of households were identified in this local dryland context using indicators for harvest failure risk, agricultural resources, education and non-agricultural income. An elaborate validation relying on independently acquired information demonstrated the clear correlation between weather-related damages and the identified clusters. It also showed that household-specific causes of vulnerability were consistent with the mechanisms implied by the corresponding patterns. The synthesis of the local study provides valuable insights into the tailoring of interventions that reflect the heterogeneity within the social group of smallholders. The conditions necessary to identify typical vulnerability patterns were summarised in five methodological steps. They aim to motivate and to facilitate the application of the selected pattern recognition approach in future vulnerability analyses. The five steps outline the elicitation of relevant cause-effect hypotheses and the quantitative indication of mechanisms as well as an evaluation of robustness, a validation and a ranking of the identified patterns. The precise definition of the hypotheses is essential to appropriately quantify the basic processes as well as to consistently interpret, validate and rank the clusters. In particular, the five steps reflect scale-dependent opportunities, such as the outcome-oriented aspect of validation in the local study. Furthermore, the clusters identified in Northeast Brazil were assessed in the light of important endogenous processes in the smallholder systems which dominate this region. In order to capture these processes, a qualitative dynamic model was developed using generalised rules of labour allocation, yield extraction, budget constitution and the dynamics of natural and technological resources. The model resulted in a cyclic trajectory encompassing four states with differing degree of criticality. The joint assessment revealed aggravating conditions in major parts of the study region due to the overuse of natural resources and the potential for impoverishment. The changes in vulnerability-creating mechanisms identified in Northeast Brazil are well-suited to informing local adjustments to large-scale intervention programmes, such as “Avança Brasil”. Overall, the categorisation of a limited number of typical patterns and dynamics presents an efficient approach to improving our understanding of dryland vulnerability. Appropriate decision-making for sustainable dryland development through vulnerability reduction can be significantly enhanced by pattern-specific entry points combined with insights into changing hotspots of vulnerability and the transferability of successful adaptation strategies.
N2  - Die Grenzen ökologischer Funktionen und menschlicher Lebensweisen in Trockengebieten werden häufig durch natürlichen und sozio-ökonomischen Stress, wie extreme Wetterereignisse und ungerechte Handelsbedingungen, weiter verengt. Zur Förderung der Entwicklung in Trockengebieten ist es daher wichtig, die Beziehung zwischen den Stressfaktoren und den sozio-ökologischen Systemen besser zu verstehen. Das Konzept der Vulnerabilität, welches in der vorliegenden Dissertation angewandt wird, beschreibt dieses Verhältnis durch die Exposition, Sensitivität und Anpassungsfähigkeit von Systemen im Hinblick auf Klima-, Markt- und anderen Stress. Bezüglich des Interesses, die Umwelt- und Lebensbedingungen in Trockengebieten zu verbessern, zielt diese Dissertation darauf ab, die vielschichtigen Ursachen und Veränderungen von Vulnerabilität sinnvoll zu verallgemeinern. Eine clusterbasierte Mustererkennung zeigte typische Mechanismen auf, welche Vulnerabilität auf globaler und lokaler Ebene verursachen. Dabei stellt die globale Studie die erste flächendeckende Untersuchung von Vulnerabilität in Trockengebieten mit sub-nationaler Auflösung dar. Die Clusteranalyse identifizierte sieben typische Muster basierend auf der quantitativen Beschreibung von Armut, Wasserknappheit, Bodendegradation, natürlichen Produktionshemmnissen und Isolation. Die Gültigkeit der ermittelten Cluster und die Übertragbarkeit von Anpassungsmaßnahmen innerhalb ähnlicher Gebiete wurden anhand unabhängiger Fallstudien belegt. Die flächendeckende Erfassung erlaubt es, die Vulnerabilität eines Systems in seinem größeren Kontext zu bewerten, auch in weniger gut durch Fallstudien dokumentierten Gebieten. Weiterhin wurde die Klimavulnerabilität von Kleinbauern bezüglich ihrer Nahrungsmittelsicherung im peruanischen Altiplano untersucht. In diesem lokalen Kontext wurden vier Cluster von Haushalten gemäß ihrer Produktionsrisiken, landwirtschaftlichen Ressourcen, der Bildung und ihres nicht-landwirtschaftlichen Einkommens unterschieden. Eine erweiterte Gültigkeitsprüfung unter Nutzung unabhängig erhobener Informationen stellte heraus, dass wetterbedingte Schäden mit den ermittelten Clustern korrelieren und dass haushaltsspezifische Schadensursachen mit den durch die Muster angezeigten Mechanismen übereinstimmen. Die lokale Studie liefert wertvolle Hinweise auf bedarfsgerechte Eingriffe unter Beachtung der Heterogenität innerhalb der sozialen Gruppe der Kleinbauern. Die notwendigen Bedingungen zur Erkennung typischer Muster ergaben fünf methodische Schritte. Ihre Darlegung soll die Anwendung der gewählten Methode in zukünftigen Vulnerabilitätsstudien anregen und erleichtern. Die fünf Schritte umfassen die Ableitung relevanter Ursache-Wirkungs-Hypothesen, die Quantifizierung der Mechanismen, die Bewertung von Robustheit und Gültigkeit sowie die Ordnung der ermittelten Muster nach dem Grad der Vulnerabilität. Dabei ist die genaue Beschreibung der Hypothesen eine wesentliche Voraussetzung für die Quantifizierung der grundlegenden Prozesse sowie eine einheitliche Interpretation, Gültigkeitsprüfung und Ordnung der ermittelten Muster. Besondere Beachtung finden skalenbedingte Aspekte, wie beispielsweise die ergebnisorientierte Gültigkeitsprüfung in der lokalen Studie. Weiterhin wurden die in Nordostbrasilien ermittelten Cluster im Hinblick auf wichtige endogene Prozesse in den dort vorherrschenden kleinbäuerlichen Nutzungssystemen untersucht. Diese Prozesse umfassen die Aufteilung der Arbeitskraft, die landwirtschaftliche Produktion sowie Einkommens- und Ressourcendynamiken. Sie wurden in einem qualitativen dynamischen Modell erfasst, welches eine zyklische Trajektorie mit vier unterschiedlich problematischen Entwicklungszuständen ergab. Als besonders problematischer Aspekt verschärfte sich die Vulnerabilität in weiten Teilen des Untersuchungsgebietes durch die Übernutzung natürlicher Ressourcen und die Möglichkeit weiterer Verarmung. Die in Nordostbrasilien gezeigten Veränderungen sind dazu geeignet, groß angelegte Entwicklungsprogramme, wie zum Beispiel “Avança Brasil”, angemessen an lokale Gegebenheiten anzupassen. Insgesamt ermöglicht es die Kategorisierung einer begrenzten Anzahl typischer Muster und Veränderungen, die Vulnerabilität in Trockengebieten besser zu verstehen. Eine nachhaltige Entwicklung von Trockengebieten basierend auf der Minderung von Vulnerabilität kann durch musterspezifische Ansätze zusammen mit Hinweisen zu Veränderungen im Schweregrad und zur Übertragbarkeit erfolgreicher Anpassungsstrategien wirkungsvoll unterstützt werden.
KW  - Kausalstruktur
KW  - Archetyp
KW  - mehrfache Stressfaktoren
KW  - ländliche Entwicklung
KW  - räumlich explizit
KW  - Causal structure
KW  - archetype
KW  - multiple stress factors
KW  - rural development
KW  - spatially explicit
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-58097
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TY  - THES
A1  - Wolff, Christian Michael
T1  - East African monsoon variability since the last glacial
T1  - Ostafrikanische Monsunvariabilität seit dem letztem Glazial
N2  - The impact of global warming on human water resources is attracting increasing attention. No other region in this world is so strongly affected by changes in water supply than the tropics. Especially in Africa, the availability and access to water is more crucial to existence (basic livelihoods and economic growth) than anywhere else on Earth. In East Africa, rainfall is mainly influenced by the migration of the Inter-Tropical Convergence Zone (ITCZ) and by the El Niño Southern Oscillation (ENSO) with more rain and floods during El Niño and severe droughts during La Niña. The forecasting of East African rainfall in a warming world requires a better understanding of the response of ENSO-driven variability to mean climate. Unfortunately, existing meteorological data sets are too short or incomplete to establish a precise evaluation of future climate. From Lake Challa near Mount Kilimanjaro, we report records from a laminated lake sediment core spanning the last 25,000 years. Analyzing a monthly cleared sediment trap confirms the annual origin of the laminations and demonstrates that the varve-thicknesses are strongly linked to the duration and strength of the windy season. Given the modern control of seasonal ITCZ location on wind and rain in this region and the inverse relation between the two, thicker varves represent windier and thus drier years. El Niño (La Niña) events are associated with wetter (drier) conditions in east Africa and decreased (increased) surface wind speeds. Based on this fact, the thickness of the varves can be used as a tool to reconstruct a) annual rainfall b) wind season strength, and c) ENSO variability. Within this thesis, I found evidence for centennialscale changes in ENSO-related rainfall variability during the last three millennia, abrupt changes in variability during the Medieval Climate Anomaly and the Little Ice Age, and an overall reduction in East African rainfall and its variability during the Last Glacial period. Climate model simulations support forward extrapolation from these lake-sediment data, indicating that a future Indian Ocean warming will enhance East Africa’s hydrological cycle and its interannual variability in rainfall. Furthermore, I compared geochemical analyses from the sediment trap samples with a broad range of limnological, meteorological, and geological parameters to characterize the impact of sedimentation processes from the in-situ rocks to the deposited sediments. As a result an excellent calibration for existing μXRF data from Lake Challa over the entire 25,000 year long profile was provided. The climate development during the last 25,000 years as reconstructed from the Lake Challa sediments is in good agreement with other studies and highlights the complex interactions between long-term orbital forcing, atmosphere, ocean and land surface conditions. My findings help to understand how abrupt climate changes occur and how these changes correlate with climate changes elsewhere on Earth.
N2  - Änderungen des Klimas in einer sich erwärmenden Erde haben große Auswirkungen auf den globalen und lokalen Wasserhaushalt und rücken anhand starker Extremereignisse immer häufiger in den Fokus der Öffentlichkeit. Besonders die Regionen der Tropen sind von derartigen Einschnitten stark gefährdet. Der jährliche Niederschlag in Ostafrika ist stark mit der saisonalen Wanderung der ITCZ (Innertropischen Konvergenzzone) sowie mit dem El Niño/Southern Oscillation (ENSO) Phänomen verbunden. Extreme Regenfälle und Überschwemmungen während El Niño Jahren stehen Trockenheit und Dürren in La Niña Jahren gegenüber. Prognosen über zukünftige Veränderungen der ostafrikanischen Niederschläge erfordern ein verbessertes Verständnis der ENSO antreibenden Faktoren. Unglücklicherweise sind die vorhandenen meteorologischen Datenreihen nicht lang genug oder besitzen nicht die benötigte Homogenität. Einen hilfreichen Beitrag können jährlich geschichtete Seesedimente des am Fuße des Kilimandscharo gelegenen Lake Challa leisten. Anhand einer monatlich aufgelösten Sedimentfalle konnte ich nachweisen, dass die rund 25.000 Jahre zurückreichenden Sedimente eine jährliche Struktur besitzen sowie die Dicke dieser jährlichen Schichtung (Warve) stark mit der Dauer und Intensität der saisonal windreichen/trockenen Jahreszeit verbunden ist. Dickere Warven repräsentieren windige/trockene Jahre, wohingegen dünnere Warven für windschwache und feuchte Jahre stehen. Stärkere Winde und kaum Niederschläge treten oft im Zusammenhang mit einem La Niña Ereignis in Ostafrika auf, wohingegen während eines El Niño Ereignisses häufig extreme Niederschläge mit wenig Wind zu beobachten sind. Anhand der Vermessung der Warven kann man verschiedene Klimaparameter rekonstruieren: a) den jährlichen Niederschlag b) jährliche Windgeschwindigkeiten und ihre Intensitäten sowie c) ENSO Variabilitäten. Die in meiner Arbeit gewonnenen klimatischen Informationen zeigen starke Änderungen der ENSO Variabilität innerhalb der letzten 3.000 Jahre mit starken Unterschieden während der Kleinen Eiszeit und während der Mittelalterlichen Warmzeit sowie deutlich trockene und windige Bedingungen mit sehr geringen ENSO Aktivitäten im glazialem Zeitraum (18.500 und 21.000 Jahren). Modellberechnungen unterstützen diese Ergebnisse einer Zunahme von Extremereignissen und feuchteren Bedingungen im Zuge einer Erwärmung des Indischen Ozeans. Mittels geochemischer Analysen der Sedimentfallenproben sowie die daraus resultierende Verknüpfung mit limnologischen und meteorologischen Parametern, konnte ich einen entscheidenden Beitrag zur erfolgreichen Interpretation der existierenden 25.000 Jahre langen μXRF Datensätze leisten. Der Anteil an allochthonem und autochthonem Eintrag kann so genau klassifiziert werden. Das dadurch gewonnene Bild der Klimaentwicklung der letzten 25.000 Jahre deckt sich hervorragend mit anderen Studien und ermöglicht Einblicke in das komplexe Zusammenspiel zwischen Ozean-Atmosphäre und Umwelt auf dem afrikanischen Kontinent. Besonders die für die Ostafrikaforschung extrem hohe Auflösung der Daten wird helfen, die abrupten Klimawechsel und Interaktionen besser verstehen zu können.
KW  - Lake Challa
KW  - Sedimentfalle
KW  - Warve
KW  - ENSO
KW  - Monsun
KW  - Lake Challa
KW  - sediment trap
KW  - varve
KW  - ENSO
KW  - monsoon
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-58079
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TY  - THES
A1  - Wulf, Hendrik
T1  - Seasonal precipitation, river discharge, and sediment flux in the western Himalaya
T1  - Saisonaler Niederschlag, Wasserabfluss und Sedimentationsfluss im westlichen Himalaya
N2  - Rainfall, snow-, and glacial melt throughout the Himalaya control river discharge, which is vital for maintaining agriculture, drinking water and hydropower generation. However, the spatiotemporal contribution of these discharge components to Himalayan rivers is not well understood, mainly because of the scarcity of ground-based observations. Consequently, there is also little known about the triggers and sources of peak sediment flux events, which account for extensive hydropower reservoir filling and turbine abrasion. We therefore lack basic information on the distribution of water resources and controls of erosion processes. In this thesis, I employ various methods to assess and quantify general characteristics of and links between precipitation, river discharge, and sediment flux in the Sutlej Valley. First, I analyze daily precipitation data (1998-2007) from 80 weather stations in the western Himalaya, to decipher the distribution of rain- and snowfall. Rainfall magnitude frequency analyses indicate that 40% of the summer rainfall budget is attributed to monsoonal rainstorms, which show higher variability in the orogenic interior than in frontal regions. Combined analysis of rainstorms and sediment flux data of a major Sutlej River tributary indicate that monsoonal rainfall has a first order control on erosion processes in the orogenic interior, despite the dominance of snowfall in this region. Second, I examine the contribution of rainfall, snow and glacial melt to river discharge in the Sutlej Valley (s55,000 km2), based on a distributed hydrological model, which covers the period 2000-2008. To achieve high spatial and daily resolution despite limited ground-based observations the hydrological model is forced by daily remote sensing data, which I adjusted and calibrated with ground station data. The calibration shows that the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) 3B42 rainfall product systematically overestimates rainfall in semi-arid and arid regions, increasing with aridity. The model results indicate that snowmelt-derived discharge (74%) is most important during the pre-monsoon season (April to June) whereas rainfall (56%) and glacial melt (17%) dominate the monsoon season (July-September). Therefore, climate change most likely causes a reduction in river discharge during the pre-monsoon season, which especially affects the orogenic interior. Third, I investigate the controls on suspended sediment flux in different parts of the Sutlej catchments, based on daily gauging data from the past decade. In conjunction with meteorological data, earthquake records, and rock strength measurements I find that rainstorms are the most frequent trigger of high-discharge events with peaks in suspended sediment concentrations (SSC) that account for the bulk of the suspended sediment flux. The suspended sediment flux increases downstream, mainly due to increases in runoff. Pronounced erosion along the Himalayan Front occurs throughout the monsoon season, whereas efficient erosion of the orogenic interior is confined to single extreme events. The results of this thesis highlight the importance of snow and glacially derived melt waters in the western Himalaya, where extensive regions receive only limited amounts of monsoonal rainfall. These regions are therefore particularly susceptible to global warming with major implications on the hydrological cycle. However, the sediment discharge data show that infrequent monsoonal rainstorms that pass the orographic barrier of the Higher Himalaya are still the primary trigger of the highest-impact erosion events, despite being subordinate to snow and glacially–derived discharge. These findings may help to predict peak sediment flux events and could underpin the strategic development of preventative measures for hydropower infrastructures.
N2  - Regen, Schnee- und Gletscherschmelze speisen die Flüsse des Himalajas, die eine große Bedeutung für die Landwirtschaft, Trinkwasserversorgung und Wasserkraftnutzung in Südasien aufweisen. Welchen Anteil die einzelnen Abflusskomponenten am Gesamtabfluss in Raum und Zeit besitzen, ist jedoch kaum quantifiziert, da es in der entlegenen Region an Bodenmessstationen mangelt. Aus diesem Grund ist auch wenig über die Auslöser und Herkunftsgebiete von hohen Sedimentaustragsereignissen bekannt, die im erheblichen Maße dazu beitragen, dass die Kapazität vonWasserkraftreservoiren abnimmt undWasserkraftturbinen abradieren. Daher fehlen bisher grundlegende Informationen zur räumlichen Verteilung von Wasserressourcen und zu den Ursachen von Erosionsprozessen. In dieser Arbeit benutze ich verschiedene Methoden um die Eigenschaften von und die Beziehungen zwischen Niederschlag, Abflussmenge und Sedimentaustrag im Sutlej-Tal zu untersuchen. In einer ersten Studie analysiere ich Tagesniederschläge (1998-2007) von 80 Wetterstationen aus dem westlichen Himalaja, um die räumliche Verteilung von Regen- und Schneeniederschlägen zu charakterisieren. Die weitere Analyse der Magnituden-Häufigkeitsverteilung von Regenfällen zeigt, dass 40% der sommerlichen Niederschläge auf monsunale Starkregenereignisse zurückgehen, die eine höhere Variabilität im Gebirgsinneren aufweisen als an der Gebirgsfront. Die Kombination von Niederschlagsdaten mit Sedimentaustragsdaten für einen der größten Zuflüsse des Sutlejs zeigt, dass monsunaler Niederschlag der primäre Auslöser von Erosionsprozessen im Gebirgsinneren ist, ungeachtet größerer Abflussmengen durch Schnee- und Gletscherschmelze. In einer zweiten Studie untersuche ich den Beitrag von Regen, Schnee- und Gletscherschmelze zur Abflussmenge im Sutlej-Tal (s55.000 km2) mit Hilfe eines hydrologischen Modells für den Jahreszeitraum 2000-2008. Um trotz der begrenzten Bodenmessungen eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung zu erzielen, basiert das Modell auf täglichen Fernerkundungsdaten, die ich mit allen verfügbaren Bodenstationsdaten kalibriert und an diese angepasst habe. Die Kalibrierung zeigt, dass das Regenniederschlagsprodukt 3B42 der „Tropical Rainfall Measuring Mission“ (TRMM) den Bodenniederschlag in den semi-ariden bis ariden Gebirgsregionen mit zunehmender Trockenheit systematisch überschätzt. Die Modellierungsergebnisse verdeutlichen, dass die Schneeschmelze den bedeutendsten Beitrag zur Abflussmenge (74 %) zwischen April und Juni aufbringt, während Regen (56%) und Gletscherschmelze (17%) die Monsunsaison (Juli-September) prägen. Daher ist anzunehmen, dass der Klimawandel zu einer Verringerung der Abflussmenge zwischen April und Juni führen wird, was sich besonders auf das Gebirgsinnere auswirkt. In einer dritten Studie untersuche ich mit Hilfe von täglichen Messdaten der letzten Dekade die Ursachen und Eigenschaften des Sedimentaustrags in verschiedenen Bereichen des Sutlej-Einzugsgebietes. Auf der Grundlage von meteorologischen Daten, Erdbebenaufzeichnungen und Gesteinsfestigkeitsmessungen identifiziere ich Starkregenereignisse als häufigste Ursache für extreme Erosionsereignisse, die einen Großteil des gesamten Sedimentaustrags ausmachen. Großräumig betrachtet nimmt der Sedimentaustrag flussabwärts zu, was hauptsächlich auf den Anstieg der Abflussmenge zurückzuführen ist. Zur Monsunzeit treten Erosionsprozesse entlang der Himalajafront besonders häufig auf, während im Gebirgsinneren die Erosion auf einzelne Extremereignisse beschränkt ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit untersteichen die Bedeutung von Schnee- und Gletscherschmelze im westlichen Himalaja, in dem große Gebiete nur vereinzelt von monsunalen Niederschlägen erreicht werden. Diese Gebiete sind daher besonders anfällig für den Klimawandel mit weitreichenden Konsequenzen für den Wasserhaushalt in der Region. Die Analyse von Sedimentaustragsdaten zeigt jedoch, dass vereinzelte monsunale Regenstürme, welche die topographische Barriere des Himalaja überqueren, die primäre Ursache von extremen Erosionsereignissen sind, trotz der größeren Abflussmengen von Schnee- und Gletscherschmelze im Gebirgsinneren. Diese Ergebnisse können dazu beitragen, große Erosionsereignisse vorherzusagen und vorbeugende Maßnahmen zum Schutz von Wasserkraftanlagen zu entwickeln.
KW  - Klimawandel
KW  - Erosion
KW  - Monsun
KW  - Regensturm
KW  - Suspendsionsfracht
KW  - climate change
KW  - erosion
KW  - monsoon
KW  - rainstorm
KW  - suspended sediment
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57905
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pourteau, Amaury
T1  - Closure of the Neotethys Ocean in Anatolia : structural, petrologic and geochronologic insights from low-grade high-pressure metasediments, Afyon Zone
T1  - Die Schließung des Neotethyschen-Ozeans in Anatolien : strukturelle, petrologische und geochronologische Erkenntnisse von niedriggradigen hochdruckmetamorphen Sedimenten, Afyon-Zone (Türkei)
N2  - The complete consumption of the oceanic domain of a tectonic plate by subduction into the upper mantle results in continent subduction, although continental crust is typically of lower density than the upper mantle. Thus, the sites of former oceanic domains (named suture zones) are generally decorated with stratigraphic sequences deposited along continental passive margins that were metamorphosed under low-grade, high-pressure conditions, i.e., low temperature/depth ratios (< 15°C/km) with respect to geothermal gradients in tectonically stable regions. Throughout the Mesozoic and Cenozoic (i.e., since ca. 250 Ma), the Mediterranean realm was shaped by the closure of the Tethyan Ocean, which likely consisted in numerous oceanic domains and microcontinents. However, the exact number and position of Tethyan oceans and continents (i.e., the Tethyan palaeogeography) remains debated. This is particularly the case of Western and Central Anatolia, where a continental fragment was accreted to the southern composite margin of the Eurasia sometime between the Late Cretaceous and the early Cenozoic. The most frontal part of this microcontinent experienced subduction-related metamorphism around 85-80 Ma, and collision-related metamorphism affected more external parts around 35 Ma. This unsually-long period between subduction- and collision-related metamorphisms (ca. 50 Ma) in units ascribed to the same continental edge constitutes a crucial issue to address in order to unravel how Anatolia was assembled. The Afyon Zone is a tectono-sedimentary unit exposed south and structurally below the front high-pressure belt. It is composed of a Mesozoic sedimentary sequence deposited on top of a Precambrian to Palaeozoic continental substratum, which can be traced from Northwestern to southern Central Anatolia, along a possible Tethyan suture. Whereas the Afyon Zone was defined as a low-pressure metamorphic unit, high-pressure minerals (mainly Fe-Mg-carpholite in metasediments) were recently reported from its central part. These findings shattered previous conceptions on the tectono-metamorphic evolution of the Afyon Zone in particular, and of the entire region in general, and shed light on the necessity to revise the regional extent of subduction-related metamorphism by re-inspecting the petrology of poorly-studied metasediments. In this purpose, I re-evaluated the metamorphic evolution of the entire Afyon Zone starting from field observations. Low-grade, high-pressure mineral assemblages (Fe-Mg-carpholite and glaucophane) are reported throughout the unit. Well-preserved carpholite-chloritoid assemblages are useful to improve our understanding of mineral relations and transitions in the FeO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O system during rocks’ travel down to depth (prograde metamorphism). Inspection of petrographic textures, minute variations in mineral composition and Mg-Fe distribution among carpholite-chloritoid assemblages documents multistage mineral growth, accompanied by a progressive enrichment in Mg, and strong element partitioning. Using an updated database of mineral thermodynamic properties, I modelled the pressure and temperature conditions that are consistent with textural and chemical observations. Carpholite-bearing assemblages in the Afyon Zone account for a temperature increase from 280 to 380°C between 0.9 and 1.1 GPa (equivalent to a depth of 30-35 km). In order to further constrain regional geodynamics, first radiometric ages were determined in close association with pressure-temperature estimates for the Afyon Zone, as well as two other tectono-sedimentary units from the same continental passive margin (the Ören and Kurudere-Nebiler Units from SW Anatolia). For age determination, I employed 40Ar-39Ar geochronology on white mica in carpholite-bearing rocks. For thermobarometry, a multi-equilibrium approach was used based on quartz-chlorite-mica and quartz-chlorite-chloritoid associations formed at the expense of carpholite-bearing assemblages, i.e., during the exhumation from the subduction zone. This combination allows deciphering the significance of the calculated radiometric ages in terms of metamorphic conditions. Results show that the Afyon Zone and the Ören Unit represent a latest Cretaceous high-pressure metamorphic belt, and the Kurudere-Nebiler Unit was affected by subduction-related metamorphism around 45 Ma and cooled down after collision-related metamorphism around 26 Ma. The results provided in the present thesis and from the literature allow better understanding continental amalgamation in Western Anatolia. It is shown that at least two distinct oceanic branches, whereas only one was previously considered, have closed during continuous north-dipping subduction between 92 and 45 Ma. Between 85-80 and 70-65 Ma, a narrow continental domain (including the Afyon Zone) was buried into a subduction zone within the northern oceanic strand. Parts of the subducted continent crust were exhumed while the upper oceanic plate was transported southwards. Subduction of underlying lithosphere persisted, leading to the closure of the southern oceanic branch and to subduct the front of a second continental domain (including the Kurudere-Nebiler Unit). This followed by a continental collisional stage characterized by the cease of subduction, crustal thicknening and the detachment of the subducting oceanic slab from the accreted continent lithosphere. The present study supports that in the late Mesozoic the East Mediterranean realm had a complex tectonic configuration similar to present Southeast Asia or the Caribbean, with multiple, coexisting oceanic basins, microcontinents and subduction zones.
N2  - Kontinentale Subduktion resultiert aus dem Abtauchen des ozenanischen Gebiets einer tektonischen Platte in den Oberen Erdmantel. Dies geschieht obwohl die kontinentale Erdkruste normalerweise eine geringere Dichte besitzt als der Obere Erdmantel. Die Lage ehemaliger ozeanischer Gebiete (auch als Suturzonen bezeichnet) ist dementsprechend durch stratigraphische, sedimentäre Gesteinsabfolgen gekennzeichnet, die entlang des passiven Kontinentalrandes abgelagert wurden. Anschließend wurden diese Gesteine unter niedrigen Temperaturen und hohem Druck umgewandelt, auch niedrig-gradige Hochdruckmetamorphose genannt. Während der gesamten Zeitspanne des Mesozoikums und Känozoikums (seit etwa 250 Millionen Jahren bis heute) wurde der mediterrane Raum durch die kontinuierliche Schließung des Tethyschen Ozeans (dem heutigen Mittelmeer) geprägt, der vermutlich in zahlreichen kleineren Ozeanen und Mikrokontinenten aufgeteilt war. Dennoch bleiben die genaue Anzahl und Lage der tethyschen Ozeane und Kontinente (die Paläogeographie der Tethys) bis heute umstritten. Das ist insbesondere der Fall in West- und Zentral-Anatolien, wo im Zeitraum zwischen der Oberen Kreide (vor 98 bis 65 Mio. J.) und dem unteren Känozoikum (vor 65 bis 40 Mio. J.) ein kontinentales Fragment am südlichen Kontinentalrand der Eurasischen Platte angelagert wurde (auch als Akkretion bezeichnet). Der vorderste Bereich von diesem Fragment erfuhr vor etwa 85-80 Millionen Jahren eine metamorphe Umwandlung, die mit den Prozessen der fortschreitenden Subduktion assoziiert werden können. Hingegen wurden die hinteren Bereiche erst später vor ca. 40-30 Mio. J. durch die Kollison der zwei Platten metamorph überprägt. Die ungewöhnlich lange Zeitspanne von etwa 40-50 Mio. J. zwischen den metamorphen Prozessen der Subduktion und der Kollision, stellt eine entscheidende Frage zum Verständnis der Entstehung von Anatolien dar. Die Afyon Zone repräsentiert hierbei eine tektonisch-beanspruchte sedimentäre Gesteinseinheit, die in einer strukturell tieferen Position bezüglich des frontalen metamorphen Hochdruckgürtels liegt und südlich von ihm anzutreffen ist. Die Afyon Zone besteht aus mesozoischen sedimentären Einheiten (250 bis 65 Mio. J. alt), die auf präkambrischem (älter als 545 Mio. J.) bis paläozoischem Untergrund (bis vor 250 Mio J.) abgelagert wurden, und vom nordwestlichen bis zentralen Anatolien, entlang der vermutlichen Tethys-Suturzone, verfolgt werden können. Obwohl die Afyon-Zone als eine niedrig-temperierte metamorphe Gesteinseinheit bezeichnet wird, wurde in letzter Zeit von Vorkommen von Hochdruckmineralen (v.a. Eisen(Fe)-Magnesium(Mg)-Karpholith in metamorphen Sedimenten) im zentralen Bereich berichtet. Diese neuen Erkenntnisse stellen die bisherigen Interpretationen zur tektonisch-metamorphen Entstehung der gesamten Region in Frage, insbesondere der der Afyon-Zone. Deshalb war eine erneute gründliche Überarbeitung und Untersuchung der wenig studierten metamorph-überprägten Sedimentgesteine in diesem Gebiet notwendig. Deshalb, überarbeitete ich die metamorphe Entwicklung der gesamten Afyon Zone, beginnend mit intensiver Geländearbeit und -beobachtungen. Mineralvergesellschaftungen aus Karpholith und Glaukophan, die unter niedrigen Temperaturen und hohem Druck entstanden sind, wurden in der gesamten Gesteinseinheit gefunden. Guterhaltene Mineralvergesellschaftungen aus Karpholith und Chloritoid sind nützlich für das Verständnis unter welchen Temperatur- und Druck-Bedingungen die Gesteine in die Tiefe gelangen (prograde Metamorphose). Durch die Untersuchungen von Gesteinsgefügen und der Eisen-Magnesium-Verteilung zwischen den Mineralien Karpholith und Chloritoid lassen sich Aussagen zu der Bildungstemperatur und dem Druck dieser Minerale machen. Dafür benutzte ich eine verbesserte Datenbank mit Mineraleigenschaften, die mir die Modellierung von Temperatur und Druck erlaubte und im Einklang mit den chemischen und mikroskopischen Beobachtungen steht. Es ergab sich, dass die Karpholith-haltigen Gesteine in der Afyon-Zone einen Temperaturanstieg von 280 zu 380°C (bei einer Tiefe von 30-35 km) erfahren haben. Um noch bessere Aussagen über die Entstehung zu treffen, wurden auch radiometrische Datierungen an Proben aus der Afyon-Zone, sowie an zwei weiteren Sedimentgesteinseinheiten (Ören- und Kurudere-Nebiler-Einheit aus SW Anatolien) gemacht. Für die Altersbestimmung benutzte ich die weitverbreitete 40Ar-39Ar Datierungsmethode an Hellglimmer-Mineralien in den Karpholith-haltigen Gesteinen. Temperatur und Druck können auch bestimmt werden, wenn man den Übergang von einer Mineralvergesellschaftung zu einer anderen Vergesellschaftung beobachtet. Dies gilt zum Beispiel für den Übergang von einer Karpholith-haltigen Zusammensetzung zu einer Quartz-Chlorit-Glimmer und Quartz-Chlorit-Chloritoid Mineralvergesellschaftung wenn tief subduzierte Gesteine wieder nach oben gelangen (Exhumation). Damit lassen sich die radiometrischen Alter den metamorphen Prozessen zu bestimmten Temperaturen und Drücken zuordnen. Mit diesen Erkenntnissen lassen sich die Afyon-Zone und die Ören-Einheit einem Hochdruck-Gebirgsgürtel in der späten Kreidezeit zuordnen, während die Kurudere-Nebiler Einheit durch die mit der Subduktion in Verbindung stehende Metamorphose vor ca. 45 Mio. J. beeinflusst wurde. Später wurde diese Einheit durch die Metamorphose, resultierend aus der Kollision vor 26 Mio. J., abgekühlt. Die Ergebnisse dieser und anderer Arbeiten erlauben es die Anlagerung von Kontinenten in West-Anatolien besser zu verstehen. Es wird gezeigt, dass mindestens zwei (im Gegensatz zu vorher einem) voneinander unabhängige Ozeanarme während der Subduktion von 92 bis 45 Millionen Jahren geschlossen wurden. Zwischen 85-80 und 70-65 Millionen Jahren, wurde ein schmales kontinentales Gebiet (welches die Afyon-Zone beinhaltet) in die Subduktionszone hineingzogen. Teile der subduzierten kontientalen Kruste kamen wieder an die Oberfläche (Exhumation), während die obere ozeanische Platte südwärts transportiert wurde. Die anhaltende Subduktion im oberen Bereich des Erdmantels (Lithosphäre) führte zu der Schließung des südlichen Ozeanarms und zu der Subduktion des zweiten kontinentalen Gebietes (welches die Kurudere-Nebiler-Einheit beinhaltete). Darauf folgte die kontinentale Kollisionsphase unter dem Ausklingen der Prozesse der Subduktion, der Krustenverdickung und der Abtrennung der subduzierten ozeanischen Platte von der akkretionierten kontientalen Lithosphäre (auch als Delamination bezeichnet). Die hier präsentierte Arbeit unterstüzt die Annahme das während der Oberen Kreidezeit das Ost-Mediterrane Gebiet tektonsich komplex angeordnet war, vergleichbar mit dem heutigen Südost-Asien oder der Karibik, mit ihren vielen gleichzeitig existierenden ozeanischen Becken, Mikrokontinenten und Subduktionszonen.
KW  - Anatolien
KW  - hochdruckmetamorphe Sedimente
KW  - Karpholithe
KW  - 40Ar-39Ar Datierungsmethode
KW  - Anatolia
KW  - high-pressure metasediments
KW  - carpholite
KW  - Ar-Ar geochronology
KW  - multi-equilibrium thermobarometry
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57803
ER  - 
TY  - THES
A1  - Junginger, Annett
T1  - East African climate variability on different time scales : the Suguta Valley in the African-Asian Monsoon Domain
T1  - Ostafrikanische Klimavariabilität auf unterschiedlichen Zeitskalen : das Suguta Valley in der Afrikanisch-Asiatischen Monsun Region
N2  - Motivation | Societal and economic needs of East Africa rely entirely on the availability of water, which is governed by the regular onset and retreat of the rainy seasons. Fluctuations in the amounts of rainfall has tremendous impact causing widespread famine, disease outbreaks and human migrations. Efforts towards high resolution forecasting of seasonal precipitation and hydrological systems are therefore needed, which requires high frequency short to long-term analyses of available climate data that I am going to present in this doctoral thesis by three different studies. 15,000 years - Suguta Valley | The main study of this thesis concentrated on the understanding of humidity changes within the last African Humid Period (AHP, 14.8-5.5 ka BP). The nature and causes of intensity variations of the West-African (WAM) and Indian Summer monsoons (ISM) during the AHP, especially their exact influence on regional climate relative to each other, is currently intensely debated. Here, I present a high-resolution multiproxy lake-level record spanning the AHP from the remote Suguta Valley in the northern Kenya Rift, located between the WAM and ISM domains. The presently desiccated valley was during the AHP filled by a 300 m deep and 2200 km2 large palaeo-lake due to an increase in precipitation of only 26%. The record explains the synchronous onset of large lakes in the East African Rift System (EARS) with the longitudinal shift of the Congo Air Boundary (CAB) over the East African and Ethiopian Plateaus, as the direct consequence of an enhanced atmospheric pressure gradient between East-Africa and India due to a precessional-forced northern hemisphere insolation maximum. Pronounced, and abrupt lake level fluctuations during the generally wet AHP are explained by small-scale solar irradiation changes weakening this pressure gradient atmospheric moisture availability preventing the CAB from reaching the study area. Instead, the termination of the AHP occurred, in a non-linear manner due to a change towards an equatorial insolation maximum ca. 6.5 ka ago extending the AHP over Ethiopia and West-Africa. 200 years - Lake Naivasha | The second part of the thesis focused on the analysis of a 200 year-old sediment core from Lake Naivasha in the Central Kenya Rift, one of the very few present freshwater lakes in East Africa. The results revealed and confirmed, that the appliance of proxy records for palaeo-climate reconstruction for the last 100 years within a time of increasing industrialisation and therefore human impact to the proxy-record containing sites are broadly limited. Since the middle of the 20th century, intense anthropogenic activity around Lake Naivasha has led to cultural eutrophication, which has overprinted the influence of natural climate variation to the lake usually inferred from proxy records such as diatoms, transfer-functions, geochemical and sedimentological analysis as used in this study. The results clarify the need for proxy records from remote unsettled areas to contribute with pristine data sets to current debates about anthropologic induced global warming since the past 100 years. 14 years - East African Rift | In order to avoid human influenced data sets and validate spatial and temporal heterogeneities of proxy-records from East Africa, the third part of the thesis therefore concentrated on the most recent past 14 years (1996-2010) detecting climate variability by using remotely sensed rainfall data. The advancement in the spatial coverage and temporal resolutions of rainfall data allow a better understanding of influencing climate mechanisms and help to better interpret proxy-records from the EARS in order to reconstruct past climate conditions. The study focuses on the dynamics of intraseasonal rainfall distribution within catchments of eleven lake basins in the EARS that are often used for palaeo-climate studies. We discovered that rainfall in adjacent basins exhibits high complexities in the magnitudes of intraseasonal variability, biennial to triennial precipitation patterns and even are not necessarily correlated often showing opposite trends. The variability among the watersheds is driven by the complex interaction of topography, in particular the shape, length and elevation of the catchment and its relative location to the East African Rift System and predominant influence of the ITCZ or CAB, whose locations and intensities are dependent on the strength of low pressure cells over India, SST variations in the Atlantic, Pacific or Indian Ocean, QBO phases and the 11-year solar cycle. Among all seasons we observed, January-September is the season of highest and most complex rainfall variability, especially for the East African Plateau basins, most likely due to the irregular penetration and sensitivity of the CAB.
N2  - Motivation | Die sozialen und ökonomischen Bedürfnisse Ostafrikas sind in erster Linie von der Wasserverfügbarkeit abhängig, welche durch das regelmäßige Einsetzen der Regenzeiten bestimmt wird. Jegliche Veränderungen der Wasserverfügbarkeit innerhalb der Regenzeiten verursachen Hungersnöte, Ausbruch von Krankheiten oder auch Bevölkerungswanderungen. Klärung der Ursachen von Niederschlagsvariabilitäten erfordert die Auswertung von hochauflösenden Kurz- als auch Langzeitanalysen, welche ich in dieser Arbeit durch drei Studien präsentieren werde. 15,000 Jahre - Suguta Valley | Die Hauptstudie dieser Doktorarbeit befasste sich mit dem Verständnis von Feuchtigkeitsschwankungen innerhalb der Afrikanischen Feuchtperiode (AHP, 5.5 - 14.8 ka BP). In dieser Studie präsentiere ich einen hoch-auflösenden Seespiegel Datensatz aus dem abgeschiedenen, unbewohnten Suguta Tal im nördlichen Grabenbruch in Kenia. Das momentan extrem trockene Tal war während der AHP mit einem 300 m tiefen und 2200 km2 großen Paläo-See bedeckt, was aus nur 26% zusätzlichem Niederschlag resultierte. Diese Erhöhung wurde vermutlich aus der Kombination aus erhöhter atmosphärer Feuchteverfügbarkeit infolge erhöhter früh-Holozäner präzessionsgesteuerten Einstrahlung auf der nördlichen Hemisphere sowie der Verschiebung der feuchten Kongo Luftmassengrenze (CAB) ostwärts über das Ostafrikanische und Äthiopische Plateau erreicht als direkte Folge eines erhöhten atmosphärischen Druckgradienten. Abrupte, starkte Seespiegelschwankungen innerhalb der generellen Feuchtphase sind auf geringe Veränderungen in der solaren Ausstrahlung zurückzufühen, welche zu einer Schwächung des Druckgradienten führten und damit den Einfluss der CAB im Untersuchungsgebiet verhinderten zusammen mit einer allgemeinene Reduktion der atmosphärischen Feuchteverfügbarkeit. Das Ende der AHP erfolgte im Gegensatz dazu eher nicht-linear aufgrund des Wechsels zu einem äquatorialen Einstrahlungsmaximum vor 6.5 ka, welches die AHP in Äthiopien und West-Afrika verlängerte. 200 Jahre - Lake Naivasha | Der zweite Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Analyse eines Sedimentkern des Naivasha See aus dem zentralen Kenia Rift über die letzten 200 Jahre, einem der wenigen Frischwasserseen in Ostafrika. Die natürliche Klimavariabilität sollte mittels Proxy-Datensätzen von Diatomeen, Transferfunktionen, geochemischen und sedimentologischen Analysen in dieser Studie aufgedeckt werden. Die Ergebnisse zeigten, dass seit Mitte des 20. Jahrhundert der zunehmende Einfluss des Menschen um den Naivasha See zu kultureller Eutrophierung geführt, welche den Einfluss der natürlichen Klimavariabilität auf den See überprägte. Die Gründe liegen in der Zeit, welche von steigender Industrialisierung und deshalb erhöhtem menschlichen Einfluss auf die Proxy-Daten enthaltenden Seen geprägt ist. Die Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit von Proxy-Daten aus unbesiedelten Gebieten, wenn man ,reine‘ Daten zur momentanen Debatte über den anthropogen gesteuerten Klimawandel der letzten 100 Jahre beitragen will. 14 Jahre - Ostafrikanisches Rift | Um räumliche Unregelmäßigkeiten in Proxy-Daten von Ostafrika richtig zu verstehen, konzentrierte sich der dritte Teil dieser Arbeit auf die Auswertung von ausschließlich fernerkundlich erworbenen heutigen, täglichen Niederschlagsreihen (1996-2010). Dies erlaubt ein besseres Verständnis über die möglichen klimatischen Einflussmechanismen und die Abschätzung ihres Einflusses auf die Paläo-Variabilität. Die Studie beschäftigt sich mit der Dynamik saisonaler Niederschlagsverteilung innerhalb der Einzugsgebiete von elf Seebecken im Ostafrikanischen Riftsystem, welche oft für Paläo-Klimastudien benutzt werden. Die Studie ergab, dass Niederschläge in angrenzenden Becken tatsächlich höchst unterschiedlich in ihrer Intensität sein können und dabei zwei- bis dreijährigen Niederschlagsmuster folgen oder sogar gegensätzliche Trends zeigen. Die Variabilität der einzelnen Seebecken wird durch die komplexe Wechselwirkung der Topographie, Form, Länge und Höhe des Einzugsgebietes, der relativen Lage im EARS, sowie dem Einfluss und Intensität der ITCZ und CAB bestimmt, welche z.B. abhängig von der Entwicklung besonders starker Tiefdruckgebiet über Indien, Veränderungen der Meeres-oberflächentemperaturen, QBO und dem 11-Jahres Sonnenzyklus sind. Im direkten Vergleich aller untersuchten Monate stellte sich heraus, dass Juli-September die Jahreszeit mit komplexester Niederschlagsvariabilität ist, besonders für die Becken des Ostafrikanischen Plateau, was durch den unregelmäßigen Einfluss der CAB verursacht wird.
KW  - Ostafrikanisches Grabensystem
KW  - Suguta Tal
KW  - Kongo Luftmassengrenze
KW  - Solare Austrahlung
KW  - Naivasha See
KW  - East African Rift System
KW  - Suguta Valley
KW  - Congo Air Boundary
KW  - Solar irradiation
KW  - Lake Naivasha
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-56834
ER  - 
TY  - THES
A1  - Olaka, Lydia Atieno
T1  - Hydrology across scales : sensitivity of East African lakes to climate changes
T1  - Sensitivität auf Ostafrikanischen Riftseen zu Klimawandel
N2  - The lakes of the East African Rift System (EARS) have been intensively studied to better understand the influence of climate change on hydrological systems. The exceptional sensitivity of these rift lakes, however, is both a challenge and an opportunity when trying to reconstruct past climate changes from changes in the hydrological budget of lake basins on timescales 100 to 104 years. On one hand, differences in basin geometrics (shape, area, volume, depth), catchment rainfall distributions and varying erosion-deposition rates complicate regional interpretation of paleoclimate information from lacustrine sediment proxies. On the other hand, the sensitivity of rift lakes often provides paleoclimate records of excellent quality characterized by a high signal-to-noise ratio. This study aims at better understanding of the climate-proxy generating process in rift lakes by parameterizing the geomorphological and hydroclimatic conditions of a particular site providing a step towards the establishment of regional calibrations of transfer functions for climate reconstructions. The knowledge of the sensitivity of a lake basin to climate change furthermore is crucial for a better assessment of the probability of catastrophic changes in the future, which bear risks for landscapes, ecosystems, and organisms of all sorts, including humans. Part 1 of this thesis explores the effect of the morphology and the effective moisture of a lake catchment. The availability of digital elevation models (DEM) and gridded climate data sets facilitates the comparison of the morphological and hydroclimatic conditions of rift lakes. I used the hypsometric integral (HI) calculated from Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) data to describe the morphology of ten lake basins in Kenya and Ethiopia. The aridity index (AI) describing the difference in the precipitation/evaporation balance within a catchment was used to compare the hydroclimatic of these basins. Correlating HI and AI with published Holocene lake-level variations revealed that lakes responding sensitively to relatively moderate climate change are typically graben shaped and characterized by a HI between 0.23-0.30, and relatively humid conditions with AI >1. These amplifier lakes, a term first introduced but not fully parameterized by Alayne Street-Perrott in the early 80s, are unexceptionally located in the crest of the Kenyan and Ethiopian domes. The non-amplifier lakes in the EARS either have lower HI 0.13-0.22 and higher AI (>1) or higher HI (0.31-0.37) and low AI (<1), reflecting pan-shaped morphologies with more arid hydroclimatic conditions. Part 2 of this work addresses the third important factor to be considered when using lake-level and proxy records to unravel past climate changes in the EARS: interbasin connectivity and groundwater flow through faulted and porous subsurface lithologies in a rift setting. First, I have compiled the available hydrogeological data including lithology, resistivity and water-well data for the adjacent Naivasha and Elmenteita-Nakuru basins in the Central Kenya Rift. Using this subsurface information and established records of lake-level decline at the last wet-dry climate transitions, i.e., the termination of the African Humid Period (AHP, 15 to 5 kyr BP), I used a linear decay model to estimate typical groundwater flow between the two basins. The results suggest a delayed response of the groundwater levels of ca. 5 kyrs if no recharge of groundwater occurs during the wet-dry transition, whereas the lag is 2-2.7 kyrs only using the modern recharge of ca. 0.52 m/yr. The estimated total groundwater flow from higher Lake Naivasha (1,880 m a.s.l. during the AHP) to Nakuru-Elmenteita (1,770 m) was 40 cubic kilometers. The unexpectedly large volume, more than half of the volume of the paleo-Lake Naivasha during the Early Holocene, emphasizes the importance of groundwater in hydrological modeling of paleo-lakes in rifts. Moreover, the subsurface connectivity of rift lakes also causes a significant lag time to the system introducing a nonlinear component to the system that has to be considered while interpreting paleo-lake records. Part 3 of this thesis investigated the modern intraseasonal precipitation variability within eleven lake basins discussed in the first section of the study excluding Lake Victoria and including Lake Tana. Remotely sensed rainfall estimates (RFE) from FEWS NET for 1996-2010, are used for the, March April May (MAM) July August September (JAS), October November (ON) and December January February (DJF). The seasonal precipitation are averaged and correlated with the prevailing regional and local climatic mechanisms. Results show high variability with Biennial to Triennial precipitation patterns. The spatial distribution of precipitation in JAS are linked to the onset and strength of the Congo Air Boundary (CAB) and Indian Summer Monsoon (ISM) dynamics. while in ON they are related to the strength of Positive ENSO and IOD phases This study describes the influence of graben morphologies, extreme climate constrasts within catchments and basins connectivity through faults and porous lithologies on rift lakes. Hence, it shows the importance of a careful characterization of a rift lake by these parameters prior to concluding from lake-level and proxy records to climate changes. Furthermore, this study highlights the exceptional sensitivity of rift lakes to relatively moderate climate change and its consequences for water availability to the biosphere including humans.
N2  - Die Seen des Ostafrikanischen Riftsystems (EARS) wurden bereits intensiv untersucht, um den Einfluss des Klimawandels auf das hydrologische Systeme besser verstehen zu können. Dabei stellt die außergewöhnliche Sensitivität dieser Riftseen sowohl eine Herausforderung als auch eine Möglichkeit dar, um den historischen Klimawandel von dem hydrologischen Budget der Seebecken auf Zeitskalen von 10 bis 10000 Jahre abzuleiten. Auf der einen Seite verkomplizieren verschiedene Beckengeometrien (Form, Fläche, Volumen, Tiefe), unterschiedliche Niederschlagsverteilungen der einzelnen Zuflüsse und variierende Erosions- und Sedimentationsraten, die aus den Informationen von Seesedimenten generierten, regionalen Interpretationen des Paleoklimas. Andererseits ergibt sich aus der hohen Sensitivität der Riftseen eine exzellente Datenqualität, was sich in dem hohen Signal - Rausch-Verhältnis widerspiegelt. Das Ziel meiner Untersuchungen ist das verbesserte Verständlichkeit der Klimainformationen generierenden Prozesse in den Riftseen als Voraussetzung für weitere Klimarekonstruktion. Fortschritte gab es vor allem in der Entwicklung von regionalen Kalibrationen durch die Parametrisierung der geomorphologischen und hydroklimatischen Gegebenheiten einer wichtigen Lokalität, wodurch es jetzt möglich ist, von Sedimentfunden auf die Umgebungsbedingungen Rückschlüsse zu ziehen. Das Wissen um die Reaktion der Seebecken auf Klimaschwankungen ist unerlässlich für eine bessere Abschätzung der Wahrscheinlichkeit von katastrophalen Änderungen in der Zukunft:ein Szenario das sowohl für Umwelt, Ökosysteme und Organismen, einschließlich des Menschen, Risiken birgt. Im ersten Teil meiner Doktorarbeit untersuche ich den Effekt der Morphologie und der effektiven Feuchtigkeit auf das Einzugsgebiet eines Sees. Die Verfügbarkeit von digitalen Höhenmodellen (DEM) und gerasterten Klimadatensätzen ermöglicht den Vergleich von morphologischen und hydroklimatischen Bedingungen der Riftseen. Ich nutzte das hypsometrische Integral (HI), berechnet aus Daten der “Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)”, um die Morphologie von zehn Seebecken in Kenia und Äthopien zu beschreiben. Der Dürreindex (AI), der die Differenz von Niederschlag zu Verdunstung innerhalb eines Einzugsgebietes beschreibt, wurde benutzt, um das Hydroklima dieser Becken zu vergleichen. Die Korrelation von hypsometrischem Integral und Dürreindex mit publizierten holozänen Seespiegelschwankungen zeigte, dass vor allem Seen mit kleiner Oberfläche und großer Tiefe (Grabenform), charakterisiert durch ein HI von 0.23-0.30 und feuchte Bedingungen mit einem AI > 1, empfindlich auf relativ moderate Klimaänderungen reagieren. Diese “verstärkenden” Seen (amplifier lakes), ein Begriff der von Alayne Street-Perrott in den Achzigerjahren eingeführt wurde aber bis heute nicht völlig quantitativ definiert ist, sind ohne Ausnahme in den tiefen Gräben der kenianischen und äthiopischen Dome zu finden. Seen innerhalb des EARS, die nicht derart empfindlich reagieren, haben entweder ein niedrigeres HI von 0.13-0.22 und einen höheren AI (>1) oder ein höherers HI (0.31-0.37) aber einen niedrigen AI (<1) und zeigen großflächige, flache Morphologien (Pfannenform) unter trockenen klimatischen Bedingungen. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem weiteren wichtigen Faktor innerhalb der Klimarekonstruktion, wenn Seespiegelschwankungen und indirekte Messungen (Proxies) betrachtet werden:den störungsbezogenen und porösen Gesteinsschichten geschuldeten Grundwasserverbindungen zwischen den Becken. Als erstes habe ich die vorhandenen hydrogeologischen Daten bestehend aus den Gesteinsformationen, deren Widerstandsfähigkeit und den wasserbezogenen Bohrdaten für die Seen Naivasha und Elementaita-Nakuru zusammengestellt. Mit diesen bereits etablierten Untergrunddaten, z.B. zum Seespiegelrückgang am letzten Übergang von feuchtem zum trockeneren Klima am Ende der afrikanischen Feuchtperiode (AHP) um 15000 bis 5000 Jahre vor heute, schätzte ich den typischen Grundwasserfluss zwischen den beiden benachbarten Becken mittels eines linearen Modells ab. Die Ergebnisse zeigen eine Zeitverzögerung der Grundwasserspiegelanpassung um ca. 5000 Jahre an, falls keine Auffüllung der Grundwasserzufuhr zum Ende der letzten Feuchtperiode eintrat. In heutiger Zeit, ist bedingt durch die Grundwassererzufuhr von ca. 0.52 m/Jahr, nur eine Zeitverzögerung um ca. 2000-2700 Jahre zu sehen. Der geschätzte totale Grundwasserfluss vom höher gelegenden Naivasha See (1880 m über dem Meeresspiegel zum Ende der AHP) zum Elementaita-Nakuru See (1770 m) betrug 40 km3. Dieses unerwartet große Volumen, mehr als die Hälfte des Volumens vom Naivasha See während des frühen Holozäns, verdeutlicht, dass das Grundwasser für die hydrologische Modellierung von Paleoseen in Riftgebieten unbedingt mit einbezogen werden muss. Darüber hinaus führt die Grundwasserverbindung dieser Riftseen zu einer Zeitverzögerung in deren Reaktionen, was eine nichtlineare Komponente darstellt und bei jeder Interpretation von Paleoseespiegeldaten beachtet werden muss. Der dritte Teil dieser Arbeit untersucht die intrasaisonale Niederschlagsvariabilität innerhalb von 11 Einzugsgebieten die im ersten Teil Arbeit vorgestellt wurden, mit Ausnahme des Viktoriasees, aber inklusive des Tanasees. Aus Satellitenbilddaten des FEWS NET der Jahre 1996-2010 wurden Niederschlagsabschätzungen für die Monatsreihen März-April-Mai (MAM), Juli-August-September (JAS), Oktober-November (ON) und Dezember-Januar-Februar (DJF) berechnet. Der jahreszeitliche Niederschlag wurde gemittelt und mit den dominierenden regionalen und lokalen Klimafaktoren korreliert. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche zwei- bis dreijährige Niederschlagsvariabilität. Die räumliche Niederschlagsverteilung innerhalb des Ostafrikanische Rifts im JAS ist an die Ausbildung und Stärke der Kongoluftmassengrenze (CAB) und an die Dynamik des Indischen Sommermonsuns gekoppelt, während sie im ON an die Stärke der positiven ENSO und IOD Phasen gebunden ist. Diese Doktorarbeit beschreibt den Einfluss von Grabenmorphologien, extremen Klimakontrasten innerhalb der Zuflussgebiete und die unterirdischen Beckenverbindung durch Störungszonen und poröse Gesteinsschichten zwischen den Riftseen. Damit zeigt sie die Unerlässlichkeit einer genauen Charakterisierung von Riftseen durch morphologische und klimatische Parameter, bevor von Seespiegelschwankungen und indirekten Datensätzen auf Klimaänderungen geschlossen werden kann. Desweiteren stellt diese Arbeit die hohe Empfindsamkeit dieser Seen gegenüber relativ moderaten Klimaänderungen und deren Konsequenzen für die insgesamte Wasserverfügbarkeit heraus.
KW  - Ostafrikanisches Riftsystem
KW  - Klima
KW  - verstärkende Seen
KW  - Grundwasser
KW  - Skalierung
KW  - East African Rift System
KW  - Climate
KW  - Amplifier Lakes
KW  - Groundwater
KW  - Scaling
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-55029
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gräff, Thomas
T1  - Soil moisture dynamics and soil moisture controlled runoff processes at different spatial scales : from observation to modelling
T1  - Bodenfeuchtedynamik und deren Einfluss auf Abflussprozesse in unterschiedlichen Skalen : von der Beobachtung zur Modellierung
N2  - Soil moisture is a key state variable that controls runoff formation, infiltration and partitioning of radiation into latent and sensible heat. However, the experimental characterisation of near surface soil moisture patterns and their controls on runoff formation remains a challenge. This subject was one aspect of the BMBF-funded OPAQUE project (operational discharge and flooding predictions in head catchments). As part of that project the focus of this dissertation is on: (1) testing the methodology and feasibility of the Spatial TDR technology in producing soil moisture profiles along TDR probes, including an inversion technique of the recorded signal in heterogeneous field soils, (2) the analysis of spatial variability and temporal dynamics of soil moisture at the field scale including field experiments and hydrological modelling, (3) the application of models of different complexity for understanding soil moisture dynamics and its importance for runoff generation as well as for improving the prediction of runoff volumes. To fulfil objective 1, several laboratory experiments were conducted to understand the influence of probe rod geometry and heterogeneities in the sampling volume under different wetness conditions. This includes a detailed analysis on how these error sources affect retrieval of soil moisture profiles in soils. Concerning objective 2 a sampling strategy of two TDR clusters installed in the head water of the Wilde Weißeritz catchment (Eastern Ore Mountains, Germany) was used to investigate how well “the catchment state” can be characterised by means of distributed soil moisture data observed at the field scale. A grassland site and a forested site both located on gentle slopes were instrumented with two Spatial TDR clusters that consist of up to 39 TDR probes. Process understanding was gained by modelling the interaction of evapotranspiration and soil moisture with the hydrological process model CATFLOW. A field scale irrigation experiment was carried out to investigate near subsurface processes at the hillslope scale. The interactions of soil moisture and runoff formation were analysed using discharge data from three nested catchments: the Becherbach with a size of 2 km², the Rehefeld catchment (17 km²) and the superordinate Ammelsdorf catchment (49 km²). Statistical analyses including observations of pre-event runoff, soil moisture and different rainfall characteristics were employed to predict stream flow volume. On the different scales a strong correlation between the average soil moisture and the runoff coefficients of rainfall-runoff events could be found, which almost explains equivalent variability as the pre-event runoff. Furthermore, there was a strong correlation between surface soil moisture and subsurface wetness with a hysteretic behaviour between runoff soil moisture. To fulfil objective 3 these findings were used in a generalised linear model (GLM) analysis which combines state variables describing the catchments antecedent wetness and variables describing the meteorological forcing in order to predict event runoff coefficients. GLM results were compared to simulations with the catchment model WaSiM ETH. Hereby were the model results of the GLMs always better than the simulations with WaSiM ETH. The GLM analysis indicated that the proposed sampling strategy of clustering TDR probes in typical functional units is a promising technique to explore soil moisture controls on runoff generation and can be an important link between the scales. Long term monitoring of such sites could yield valuable information for flood warning and forecasting by identifying critical soil moisture conditions for the former and providing a better representation of the initial moisture conditions for the latter.
N2  - Abflussentwicklung, Infiltration und die Umverteilung von Strahlung in latenten und sensiblen Wärmestrom werden maßgeblich durch die Bodenfeuchte der vadosen Zone gesteuert. Trotz allem, gibt s wenig Arbeiten die sich mit der experimentellen Charakterisierung der Bodenfeuchteverteilung und ihre Auswirkung auf die Abflussbildung beschäftigen. Der Fokus dieser Dissertation wurde darauf ausgerichtet: (1) die Methode des Spatial TDR und deren Anwendbarkeit einschließlich der Inversion des TDR Signals in heterogenen Böden zu prüfen, (2) die Analyse der räumlichen und zeitlichen Dynamik der Bodenfeuchte auf der Feldskala einschließlich Feldexperimenten und hydrologischer Modellierung, (3) der Aufbau verschiedener Modellanwendungen unterschiedlicher Komplexität um die Bodenfeuchtedynamiken und die Abflussentwicklung zu verstehen und die Vorhersage des Abflussvolumens zu verbessern. Um die Zielsetzung 1 zu erreichen, wurden verschiedene Laborversuche durchgeführt. Hierbei wurde der Einfluss der Sondenstabgeometrie und verschiedener Heterogenitäten im Messvolumen bei verschiedenen Feuchtegehalten untersucht. Dies beinhaltete eine detaillierte Analyse wie diese Fehlerquellen die Inversion des Bodenfeuchteprofils beeinflussen. Betreffend der Zielsetzung 2, wurden 2 TDR-Cluster in den Quellgebieten der Wilden Weißeritz installiert (Osterzgebirge) und untersucht, wie gut der Gebietszustand mit räumlich hochaufgelösten Bodenfeuchtedaten der Feldskala charakterisiert werden kann. Um die Interaktion zwischen Evapotranspiration und Bodenfeuchte zu untersuchen wurde das hydrologische Prozessmodell CATFLOW angewendet. Ein Beregnungsversuch wurde durchgeführt um die Zwischenabflussprozesse auf der Hangskala zu verstehen. Die Interaktion zwischen Bodenfeuchte und Abflussentwicklung wurde anhand von drei einander zugeordneten Einzugsgebieten analysiert. Statistische Analysen unter Berücksichtigung von Basisabfluss, Bodenvorfeuchte und verschiedenen Niederschlagscharakteristika wurden verwendet, um auf das Abflussvolumen zu schließen. Auf den verschiedenen Skalen konnte eine hohe Korrelation zwischen der mittleren Bodenfeuchte und dem Abflussbeiwert der Einzelereignisse festgestellt werden. Hierbei konnte die Bodenfeuchte genauso viel Variabilität erklären wie der Basisabfluss. Im Hinblick auf Zielsetzung 3 wurden “Generalised liner models” (GLM) genutzt. Dabei wurden Prädiktorvariablen die den Gebietszustand beschreiben und solche die die Meteorologische Randbedingungen beschreiben genutzt um den Abflussbeiwert zu schätzen. Die Ergebnisse der GLMs wurden mit Simulationsergebnissen des hydrologischen Gebietsmodells WaSiM ETH verglichen. Hierbei haben die GLMs eindeutig bessere Ergebnisse geliefert gegenüber den WaSiM Simulationen. Die GLM Analysen haben aufgezeigt, dass die verwendete Messstrategie mehrerer TDR-Cluster in typischen funktionalen Einheiten eine viel versprechende Methode ist, um den Einfluss der Bodenfeuchte auf die Abflussentwicklung zu verstehen und ein Bindeglied zwischen den Skalen darstellen zu können. Langzeitbeobachtungen solcher Standorte sind in der Lage wichtige Zusatzinformationen bei der Hochwasserwarnung und -vorhersage zu liefern durch die Identifizierung kritischer Gebietszustände für erstere und eine bessere Repräsentation der Vorfeuchte für letztere.
KW  - Bodenfeuchte
KW  - TDR
KW  - Heterogenität
KW  - Einzugsgebiet
KW  - Gebietszustand
KW  - Soil moisture
KW  - TDR
KW  - heterogeneity
KW  - catchment
KW  - runoff
KW  - catchment state
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-54470
ER  - 
TY  - THES
A1  - Strollo, Angelo
T1  - Development of techniques for earthquake microzonation studies in different urban environment
T1  - Entwicklung von Techniken für Mikrozonierungsstudien von Erdbeben in verschiedenen städtischen Umgebungen
N2  - The proliferation of megacities in many developing countries, and their location in areas where they are exposed to a high risk from large earthquakes, coupled with a lack of preparation, demonstrates the requirement for improved capabilities in hazard assessment, as well as the rapid adjustment and development of land-use planning. In particular, within the context of seismic hazard assessment, the evaluation of local site effects and their influence on the spatial distribution of ground shaking generated by an earthquake plays an important role. It follows that the carrying out of earthquake microzonation studies, which aim at identify areas within the urban environment that are expected to respond in a similar way to a seismic event, are essential to the reliable risk assessment of large urban areas. Considering the rate at which many large towns in developing countries that are prone to large earthquakes are growing, their seismic microzonation has become mandatory. Such activities are challenging and techniques suitable for identifying site effects within such contexts are needed. In this dissertation, I develop techniques for investigating large-scale urban environments that aim at being non-invasive, cost-effective and quickly deployable. These peculiarities allow one to investigate large areas over a relative short time frame, with a spatial sampling resolution sufficient to provide reliable microzonation. Although there is a negative trade-off between the completeness of available information and extent of the investigated area, I attempt to mitigate this limitation by combining two, what I term layers, of information: in the first layer, the site effects at a few calibration points are well constrained by analyzing earthquake data or using other geophysical information (e.g., shear-wave velocity profiles); in the second layer, the site effects over a larger areal coverage are estimated by means of single-station noise measurements. The microzonation is performed in terms of problem-dependent quantities, by considering a proxy suitable to link information from the first layer to the second one. In order to define the microzonation approach proposed in this work, different methods for estimating site effects have been combined and tested in Potenza (Italy), where a considerable amount of data was available. In particular, the horizontal-to-vertical spectral ratio computed for seismic noise recorded at different sites has been used as a proxy to combine the two levels of information together and to create a microzonation map in terms of spectral intensity ratio (SIR). In the next step, I applied this two-layer approach to Istanbul (Turkey) and Bishkek (Kyrgyzstan). A similar hybrid approach, i.e., combining earthquake and noise data, has been used for the microzonation of these two different urban environments. For both cities, after having calibrated the fundamental frequencies of resonance estimated from seismic noise with those obtained by analysing earthquakes (first layer), a fundamental frequency map has been computed using the noise measurements carried out within the town (second layer). By applying this new approach, maps of the fundamental frequency of resonance for Istanbul and Bishkek have been published for the first time. In parallel, a microzonation map in terms of SIR has been incorporated into a risk scenario for the Potenza test site by means of a dedicated regression between spectral intensity (SI) and macroseismic intensity (EMS). The scenario study confirms the importance of site effects within the risk chain. In fact, their introduction into the scenario led to an increase of about 50% in estimates of the number of buildings that would be partially or totally collapsed. Last, but not least, considering that the approach developed and applied in this work is based on measurements of seismic noise, their reliability has been assessed. A theoretical model describing the self-noise curves of different instruments usually adopted in microzonation studies (e.g., those used in Potenza, Istanbul and Bishkek) have been considered and compared with empirical data recorded in Cologne (Germany) and Gubbio (Italy). The results show that, depending on the geological and environmental conditions, the instrumental noise could severely bias the results obtained by recording and analysing ambient noise. Therefore, in this work I also provide some guidelines for measuring seismic noise.
N2  - Aufgrund des enormen Wachstums neuer Megastädte und deren Vordringen in gefährdete Gebiete auf der einen Seite sowie der mangelnden Erdbebenvorsorge in vielen Entwicklungsländern auf der anderen Seite sind verbesserte Verfahren für die Beurteilung der Gefährdung sowie eine rasche Umsetzung bei der Raumplanung erforderlich. Im Rahmen der seismischen Gefährdungsabschätzung spielt insbesondere die Beurteilung lokaler Standorteffekte und deren Einfluss auf die durch ein Erdbeben verursachte räumliche Verteilung der Bodenerschütterung eine wichtige Rolle. Es ist daher unabdingbar, mittels seismischer Mikrozonierungsstudien diejenigen Bereiche innerhalb dicht besiedelter Gebiete zu ermitteln, in denen ein ähnliches Verhalten im Falle seismischer Anregung erwartet wird, um daraus eine zuverlässige Basis bei der Risikoabschätzung großer städtischer Gebiete zu erhalten. Aufgrund des schnellen Wachstums vieler Großstädte in Entwicklungsländern ist eine seismische Mikrozonierung zwingend erforderlich, stellt aber auch eine große Herausforderung dar; insbesondere müssen Verfahren verfügbar sein, mit deren Hilfe rasch eine Abschätzung der Standorteffekte durchgeführt werden kann. In der vorliegenden Arbeit entwickle ich daher Verfahren für die Untersuchung in Großstädten, die darauf abzielen, nicht-invasiv, kostengünstig und schnell durchführbar zu sein. Damit lassen sich innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums große Gebiete untersuchen, falls der räumlichen Abstand zwischen den Messpunkten klein genug ist, um eine zuverlässige Mikrozonierung zu gewährleisten. Obwohl es eine gegenläufige Tendenz zwischen der Vollständigkeit aller Informationen und der Größe des untersuchten Gebiets gibt, versuche ich, diese Einschränkung durch Verknüpfung zweier Informationsebenen zu umgehen: In der ersten Ebene werden die Standorteffekte für einige Kalibrierungspunkte durch die Analyse von Erdbeben oder mittels anderer geophysikalischer Datensätze (z.B. Scherwellengeschwindigkeitsprofile) bestmöglich abgeschätzt, in der zweiten Ebene werden die Standorteffekte durch Einzelstationsmessungen des seismischen Rauschens für ein größeres Gebiet bestimmt. Die Mikrozonierung erfolgt hierbei mittels spezifischer, fallabhängiger Parameter unter Berücksichtigung eines geeigneten Anknüpfungspunktes zwischen den beiden Informationensebenen. Um diesen Ansatz der Mikrozonierung, der in dieser Arbeit verfolgt wurde, zu präzisieren, wurden in Potenza (Italien), wo eine beträchtliche Menge an Daten verfügbar war, verschiedene Verfahren untersucht. Insbesondere kann das Spektralverhältnis zwischen den horizontalen und vertikalen Seismometerkomponenten, welche für das seismische Rauschen an mehreren Orten aufgenommen wurde, als eine erste Näherung für die relative Verstärkung der Bodenbewegung verwendet werden, um darauf aufbauend die beiden Informationsebenen zu verknüpfen und eine Mikrozonierung hinsichtlich des Verhältnisses der spektralen Intensität durchzuführen. Anschließend führte ich diesen Zwei-Ebenen-Ansatz auch für Istanbul (Türkei) und Bischkek (Kirgisistan) durch. Für die Mikrozonierung dieser beiden Städte habe ich denselben Hybridansatz, der Daten von Erdbeben und von seismischem Rauschen verbindet, verwendet. Für beide Städte wurde nach Gegenüberstellung der Resonanzfrequenz des Untergrunds, die zum einen mit Hilfe des seismischen Rauschens, zum anderen durch Analyse von Erdbebendaten bestimmt worden ist (erste Ebene), eine Karte der Resonanzfrequenz unter Verwendung weiterer Messungen des seismischen Rauschens innerhalb des Stadtgebiets erstellt (zweite Ebene). Durch die Anwendung dieses neuen Ansatzes sind vor kurzem zum ersten Mal auch Karten für die Resonanzfrequenz des Untergrunds für Istanbul und Bischkek veröffentlicht worden. Parallel dazu wurde für das Testgebiet in Potenza eine auf dem spektralen Intensitätsverhältnis (SIR) basierende Mikrozonierungskarte in ein Risikoszenario mittels der Regression zwischen SIR und makroseismischer Intensität (EMS) integriert. Diese Szenariostudie bestätigt die Bedeutung von Standorteffekten innerhalb der Risikokette; insbesondere führt deren Einbeziehung in das Szenario zu einem Anstieg von etwa 50% bei der Zahl der Gebäude, für die ein teilweiser oder gar vollständiger Zusammenbruch erwartet werden kann. Abschließend wurde der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und angewandte Ansatz auf seine Zuverlässigkeit geprüft. Ein theoretisches Modell, das zur Beschreibung des Eigenrauschens verschiedener Instrumente, die in der Regel in Mikrozonierungsstudien (z. B. in Potenza, Istanbul und Bischkek) zum Einsatz kommen, wurde untersucht, und die Ergebnisse wurden mit Daten verglichen, die vorher bereits in Köln (Deutschland) und Gubbio (Italien) aufgenommen worden waren. Die Ergebnisse zeigen, dass abhängig von den geologischen und umgebenden Bedingungen das Eigenrauschen der Geräte die Ergebnisse bei der Analyse des seismischen Rauschens stark verzerren kann. Deshalb liefere ich in dieser Arbeit auch einige Leitlinien für die Durchführung von Messungen des seismischen Rauschens.
KW  - instrumentelle Seismologie
KW  - Standorteffekte
KW  - Korrelation
KW  - seismische Rauschen
KW  - instrumental seismology
KW  - site effects
KW  - correlation
KW  - seismic noise
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53807
ER  -