TY - THES A1 - Fernandez Palomino, Carlos Antonio T1 - Understanding hydrological dynamics in the tropical Andes of Peru and Ecuador and their responses to climate change T1 - Verständnis der hydrologischen Dynamik in den tropischen Anden von Peru und Ecuador und ihrer Reaktionen auf den Klimawandel N2 - Human-induced climate change is impacting the global water cycle by, e.g., causing changes in precipitation patterns, evapotranspiration dynamics, cryosphere shrinkage, and complex streamflow trends. These changes, coupled with the increased frequency and severity of extreme hydrometeorological events like floods, droughts, and heatwaves, contribute to hydroclimatic disasters, posing significant implications for local and global infrastructure, human health, and overall productivity. In the tropical Andes, climate change is evident through warming trends, glacier retreats, and shifts in precipitation patterns, leading to altered risks of floods and droughts, e.g., in the upper Amazon River basin. Projections for the region indicate rising temperatures, potential glacier disappearance or substantial shrinkage, and altered streamflow patterns, highlighting challenges in water availability due to these expected changes and growing human water demand. The evolving trends in hydroclimatic conditions in the tropical Andes present significant challenges to socioeconomic and environmental systems, emphasizing the need for a comprehensive understanding to guide effective adaptation policies and strategies in response to the impacts of climate change in the region. The main objective of this thesis is to investigate current hydrological dynamics in the tropical Andes of Peru and Ecuador and their responses to climate change. Given the scarcity of hydrometeorological data in the region, this objective was accomplished through a comprehensive data preparation and analysis in combination with hydrological modeling using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) eco-hydrological model. In this context, the initial steps involved assessing, identifying, and/or generating more reliable climate input data to address data limitations. The thesis introduces RAIN4PE, a high-resolution precipitation dataset for Peru and Ecuador, developed by merging satellite, reanalysis, and ground-based data with surface elevation through the random forest method. Further adjustments of precipitation estimates were made for catchments influenced by fog/cloud water input on the eastern side of the Andes using streamflow data and applying the method of reverse hydrology. RAIN4PE surpasses other global and local precipitation datasets, showcasing superior reliability and accuracy in representing precipitation patterns and simulating hydrological processes across the tropical Andes. This establishes it as the optimal precipitation product for hydrometeorological applications in the region. Due to the significant biases and limitations of global climate models (GCMs) in representing key atmospheric variables over the tropical Andes, this study developed regionally adapted GCM simulations specifically tailored for Peru and Ecuador. These simulations are known as the BASD-CMIP6-PE dataset, and they were derived using reliable, high-resolution datasets like RAIN4PE as reference data. The BASD-CMIP6-PE dataset shows notable improvements over raw GCM simulations, reflecting enhanced representations of observed climate properties and accurate simulation of streamflow, including high and low flow indices. This renders it suitable for assessing regional climate change impacts on agriculture, water resources, and hydrological extremes. In addition to generating more accurate climatic input data, a reliable hydrological model is essential for simulating watershed hydrological processes. To tackle this challenge, the thesis presents an innovative multiobjective calibration framework integrating remote sensing vegetation data, baseflow index, discharge goodness-of-fit metrics, and flow duration curve signatures. In contrast to traditional calibration strategies relying solely on discharge goodness-of-fit metrics, this approach enhances the simulation of vegetation, streamflow, and the partitioning of flow into surface runoff and baseflow in a typical Andean catchment. The refined hydrological model calibration strategy was applied to conduct reliable simulations and understand current and future hydrological trajectories in the tropical Andes. By establishing a region-suitable and thoroughly tested hydrological model with high-resolution and reliable precipitation input data from RAIN4PE, this study provides new insights into the spatiotemporal distribution of water balance components in Peru and transboundary catchments. Key findings underscore the estimation of Peru's total renewable freshwater resource (total river runoff of 62,399 m3/s), with the Peruvian Amazon basin contributing 97.7%. Within this basin, the Amazon-Andes transition region emerges as a pivotal hotspot for water yield (precipitation minus evapotranspiration), characterized by abundant rainfall and lower atmospheric water demand/evapotranspiration. This finding underlines its paramount role in influencing the hydrological variability of the entire Amazon basin. Subsurface hydrological pathways, particularly baseflow from aquifers, strongly influence water yield in lowland and Andean catchments, sustaining streamflow, especially during the extended dry season. Water yield demonstrates an elevation- and latitude-dependent increase in the Pacific Basin (catchments draining into the Pacific Ocean), while it follows an unimodal curve in the Peruvian Amazon Basin, peaking in the Amazon-Andes transition region. This observation indicates an intricate relationship between water yield and elevation. In Amazon lowlands rivers, particularly in the Ucayali River, floodplains play a significant role in shaping streamflow seasonality by attenuating and delaying peak flows for up to two months during periods of high discharge. This observation underscores the critical importance of incorporating floodplain dynamics into hydrological simulations and river management strategies for accurate modeling and effective water resource management. Hydrological responses vary across different land use types in high Andean catchments. Pasture areas exhibit the highest water yield, while agricultural areas and mountain forests show lower yields, emphasizing the importance of puna (high-altitude) ecosystems, such as pastures, páramos, and bofedales, in regulating natural storage. Projected future hydrological trajectories were analyzed by driving the hydrological model with regionalized GCM simulations provided by the BASD-CMIP6-PE dataset. The analysis considered sustainable (low warming, SSP1-2.6) and fossil fuel-based development (high-end warming, SSP5-8.5) scenarios for the mid (2035-2065) and end (2065-2095) of the century. The projected changes in water yield and streamflow across the tropical Andes exhibit distinct regional and seasonal variations, particularly amplified under a high-end warming scenario towards the end of the century. Projections suggest year-round increases in water yield and streamflow in the Andean regions and decreases in the Amazon lowlands, with exceptions such as the northern Amazon expecting increases during wet seasons. Despite these regional differences, the upper Amazon River's streamflow is projected to remain relatively stable throughout the 21st century. Additionally, projections anticipate a decrease in low flows in the Amazon lowlands and an increased risk of high flows (floods) in the Andean and northern Amazon catchments. This thesis significantly contributes to enhancing climatic data generation, overcoming regional limitations that previously impeded hydrometeorological research, and creating new opportunities. It plays a crucial role in advancing hydrological model calibration, improving the representation of internal hydrological processes, and achieving accurate results for the right reasons. Novel insights into current hydrological dynamics in the tropical Andes are fundamental for improving water resource management. The anticipated intensified changes in water flows and hydrological extreme patterns under a high-end warming scenario highlight the urgency of implementing emissions mitigation and adaptation measures to address the heightened impacts on water resources. In fact, the new datasets (RAIN4PE and BASD-CMIP6-PE) have already been utilized by researchers and experts in regional and local-scale projects and catchments in Peru and Ecuador. For instance, they have been applied in river catchments such as Mantaro, Piura, and San Pedro to analyze local historical and future developments in climate and water resources. N2 - Menschgemachter Klimawandel beeinflusst den globalen Wasserkreislauf durch Veränderungen in Niederschlagsmustern, Verdunstungsdynamiken, dem Rückgang der Gletscher und komplexen Trends in den Abflussraten in den Flüssen. Diese Veränderungen, gepaart mit der zunehmenden Häufigkeit und Schwere von extremen hydrometeorologischen Ereignissen wie Überschwemmungen, Dürren und Hitzewellen, tragen zu hydroklimatischen Katastrophen bei und haben erhebliche Auswirkungen auf lokale und globale Infrastruktur, die menschliche Gesundheit und die Gesamtproduktivität. In den tropischen Anden zeigt sich der Klimawandel durch Erwärmungstrends, Gletscherschmelzen und Verschiebungen in den Niederschlagsmustern, was zu erhöhten Risiken von Überschwemmungen und Dürren führt, beispielsweise im oberen Amazonas-Einzugsgebiet. Projektionen für die Region deuten auf steigende Temperaturen, potenzielles Verschwinden oder erhebliche Schrumpfung von Gletschern und veränderte Abflussmuster hin, was die Herausforderungen bei der Wasserverfügbarkeit aufgrund dieser erwarteten Veränderungen und des wachsenden menschlichen Wasserbedarfs zeigt. Die Trends in den hydroklimatischen Bedingungen in den tropischen Anden stellen erhebliche Herausforderungen für sozioökonomische und Umweltsysteme dar und unterstreichen die Notwendigkeit eines umfassenden Verständnisses, um effektive Anpassungspolitiken und -strategien im Hinblick auf die Auswirkungen des Klimawandels in der Region zu steuern. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, die aktuellen hydrologischen Dynamiken in den tropischen Anden von Peru und Ecuador und ihre Reaktionen auf den Klimawandel zu untersuchen. Aufgrund der Knappheit von hydrometeorologischen Daten in der Region wurde dieses Ziel durch eine umfassende Datenvorbereitung und -analyse in Kombination mit hydrologische Modellierung mithilfe des ökohydrologischen Modells Soil and Water Assessment Tool (SWAT) erreicht. Die ersten Schritte umfassten die Bewertung, Identifizierung und/oder Generierung zuverlässigerer Klimadaten, um Datenbeschränkungen zu bewältigen. Die Arbeit beginnt mit der Vorstellung von RAIN4PE, einen hochauflösenden Niederschlagsdatensatz für Peru und Ecuador, der durch die Zusammenführung von Satelliten-, Reanalysen- und bodengestützten Daten mit der Geländeoberfläche durch die Methode des Random Forest entwickelt wurde. Weitere Anpassungen der Niederschlagsschätzungen erfolgen unter Verwendung von Abflussdaten für Einzugsgebiete, die durch den Einfluss von Nebel-/Wolkenwasser auf der östlichen Seite der Anden beeinflusst werden, und mit Hilfe der Methode der Reverse-Hydrologie. RAIN4PE übertrifft andere globale und lokale Niederschlagsdatensätze und zeigt eine überlegene Zuverlässigkeit und Genauigkeit bei der Darstellung von Niederschlagsmustern und der Simulation hydrologischer Prozesse in den tropischen Anden. Dies etabliert ihn als das optimale Niederschlagsprodukt für hydrometeorologische Anwendungen in der Region. Aufgrund der signifikanten Ungenauigkeiten und Beschränkungen globaler Klimamodelle (GCMs) bei der Darstellung wichtiger atmosphärischer Variablen über den tropischen Anden entwickelte diese Studie regional angepasste GCM-Simulationen, die speziell für Peru und Ecuador maßgeschneidert wurden. Diese Simulationen sind als der BASD-CMIP6-PE-Datensatz bekannt und wurden unter Verwendung zuverlässiger, hochauflösender Datensätze wie RAIN4PE als Referenzdaten abgeleitet. Der BASD-CMIP6-PE-Datensatz weist gegenüber rohen GCM-Ergebnissen bedeutende Verbesserungen auf, zeigt eine verbesserte Darstellung beobachteter Klimaeigenschaften und eine genaue Simulation des Wasserabflusses einschließlich seiner Hoch- und Niedrigflussindizes. Dies macht ihn geeignet, regionale Auswirkungen des Klimawandels auf Landwirtschaft, Wasserressourcen und hydrologische Extremereignisse zu bewerten. Zusätzlich zur Generierung genauerer klimatischer Eingabedaten ist ein zuverlässiges hydrologisches Modell für die Simulation hydrologischer Dynamiken im Einzugsgebiet unerlässlich. Um diese Herausforderung zu bewältigen, stellt die Arbeit einen innovativen multiobjektiven Kalibrierungsrahmen vor, der fernerkundungsbasierte Vegetationsdaten, Basisabfluss-Index, Abflussgütemaße und Kennzeichen der Abflussdauerkurve integriert. Im Gegensatz zu traditionellen Kalibrierungsstrategien, die ausschließlich auf Abflussgütemaße beruhen, verbessert dieser Ansatz die Simulation von Vegetation, Wasserabfluss und Aufteilung des Abflusses in Oberflächen- und Basisabfluss in einem typischen Anden-Einzugsgebiet. Die verfeinerte Kalibrierungsstrategie des hydrologischen Modells wurde angewendet, um zuverlässigere Simulationen zu erzielen und aktuelle und zukünftige hydrologische Entwicklungen in den tropischen Anden zu verstehen. Aufbauend auf einer der Region angepassten hydrologischen Modell mit hochauflösenden und zuverlässigen Niederschlagsdaten von RAIN4PE liefert diese Studie neue Einblicke in die räumlich-zeitliche Verteilung von Wasserbilanzkomponenten in Peru und grenzüberschreitenden Einzugsgebieten. Die wichtigsten Erkenntnisse betonen die Schätzung der Gesamtmenge an erneuerbarem Süßwasser in Peru (Gesamtwasserabfluss von 62.399 m3/s), wobei das peruanische Amazonasbecken 97,7% dazu beiträgt. Innerhalb dieses Beckens wird die Übergangsregion Amazonas-Anden als zentraler Hotspot für Wasserertrag (Niederschlag minus Evapotranspiration) hervorgehoben, geprägt durch reichlichen Niederschlag und eine geringere atmosphärische Wassernachfrage/Evapotranspiration. Diese Erkenntnis unterstreicht ihre herausragende Rolle bei der Beeinflussung der hydrologischen Variabilität des gesamten Amazonasbeckens. Unterirdische hydrologische Komponenten, insbesondere der Grundwasserabfluss, beeinflussen deutlich die Abflussbildung in Tiefland- und Anden-Einzugsgebieten und unterstützen den Abfluss in den Flüssen, insbesondere während der verlängerten Trockenzeit. Wasserertrag zeigt einen höhen- und breitengradabhängigen Anstieg im Pazifikbecken (Einzugsgebiete, die in den Pazifik münden), während er im peruanischen Amazonasbecken einer unimodalen Kurve folgt und im Übergangsgebiet Amazonas-Anden seinen Höhepunkt erreicht. Dieses Ergebnis verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Abflussbildung und Geländehöhe. In Flüssen der Tiefebenen des Amazonas, insbesondere im Ucayali-Fluss, spielen Überschwemmungsgebiete eine bedeutende Rolle bei der saisonalen Wasserflussdynamik, indem sie Spitzenflüsse für bis zu zwei Monate während Perioden hoher Abflüsse abschwächen und verzögern. Dieses Ergebnis unterstreicht die Wichtigkeit der Einbeziehung von Überschwemmungsdynamiken in hydrologische Simulationen und Flussmanagementstrategien für eine präzise Modellierung und effektive Wasserressourcenbewirtschaftung. Hydrologische Reaktionen variieren je nach Landnutzungstypen in hohen Anden-Einzugsgebieten. Weideflächen zeigen den höchsten Wasserertrag, während landwirtschaftliche Flächen und Bergwälder geringere Wasserertrag aufweisen, was die Bedeutung von Puna (hochgelegenen) Ökosystemen wie Weiden, Páramos und Bofedales bei der Regulierung natürlicher Speicher betont. Projektierte zukünftige hydrologische Entwicklungen wurden analysiert, indem das hydrologische Modell mit regionalisierten GCM-Simulationen des BASD-CMIP6-PE-Datensatzes angetrieben wurde. Diese Analyse berücksichtigte nachhaltige (geringe Erwärmung, SSP1-2.6) und auf starker Nutzung fossiler Brennstoffe basierende (hochgradige Erwärmung, SSP5-8.5) Szenarien für die Mitte (2035-2065) und das Ende (2065-2095) des 21. Jahrhunderts. Die projektierten Veränderungen in Wasserertrag und Wasserabfluss in den tropischen Anden zeigen deutliche regionale und saisonale Variationen, insbesondere unter einem Szenario mit hoher Erwärmung gegen Ende des Jahrhunderts. Diese Projektionen deuten auf ganzjährige Zunahmen im Wasserertrag und Wasserabfluss in den Andenregionen und Rückgänge in den Tiefebenen des Amazonas hin, mit Ausnahmen wie im nördlichen Amazonasgebiet, wo Zunahmen während der Regenzeiten projektiert werden. Trotz dieser regionalen Unterschiede wird der jährliche Wasserabfluss des oberen Amazonas voraussichtlich im gesamten 21. Jahrhundert relativ stabil bleiben. Darüber hinaus deuten die Projektionen auf eine Abnahme der Niedrigabflüsse in den Tiefebenen des Amazonas und ein erhöhtes Risiko von Hochwasserabflüssen (Überschwemmungen) in den Anden- und nördlichen Amazonas-Einzugsgebieten hin. Diese Arbeit trägt erheblich zur Verbesserung der Datenlage bzgl. des Klimas in dieser Region bei, überwindet regionale Datenbegrenzungen, die zuvor hydrometeorologische Forschung behinderten, und schafft neue Möglichkeiten. Sie trägt zur Fortentwicklung der Kalibrierung hydrologischer Modelle bei, der Verbesserung der Darstellung interner hydrologischer Prozesse und damit der Erzielung hydrologisch konsistenter Simulationsergebnisse. Diese neuen Erkenntnisse zu den hydrologischen Dynamiken in den tropischen Anden sind grundlegend für eine verbesserte Bewirtschaftung der regionalen Wasserressourcen. Die erwartete Intensivierung des regionalen Wasserkreislaufs unter einem Szenario mit hoher Erwärmung unterstreichen die Dringlichkeit der Umsetzung von Maßnahmen zur Emissionsminderung und Anpassung, um den verstärkten Auswirkungen auf Wasserressourcen zu begegnen. Tatsächlich wurden die neuen Datensätze (RAIN4PE und BASD-CMIP6-PE) bereits von Forschern und Experten in regionalen und lokalen Projekten und Einzugsgebieten in Peru und Ecuador genutzt. Zum Beispiel wurden sie in Flusseinzugsgebieten wie Mantaro, Piura und San Pedro angewendet, um lokale historische und zukünftige Entwicklungen in Klima und Wasserressourcen zu analysieren. KW - hydrology KW - Hydrologie KW - tropical Andes KW - tropische Anden KW - climate change KW - Klimawandel KW - water resources KW - Wasserressourcen KW - RAIN4PE KW - RAIN4PE KW - BASD-CMIP6-PE KW - BASD-CMIP6-PE Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-656534 ER - TY - THES A1 - Hippel, Barbara von T1 - Long-term bacteria-fungi-plant associations in permafrost soils inferred from palaeometagenomics N2 - The arctic is warming 2 – 4 times faster than the global average, resulting in a strong feedback on northern ecosystems such as boreal forests, which cover a vast area of the high northern latitudes. With ongoing global warming, the treeline subsequently migrates northwards into tundra areas. The consequences of turning ecosystems are complex: on the one hand, boreal forests are storing large amounts of global terrestrial carbon and act as a carbon sink, dragging carbon dioxide out of the global carbon cycle, suggesting an enhanced carbon uptake with increased tree cover. On the other hand, with the establishment of trees, the albedo effect of tundra decreases, leading to enhanced soil warming. Meanwhile, permafrost thaws, releasing large amounts of previously stored carbon into the atmosphere. So far, mainly vegetation dynamics have been assessed when studying the impact of warming onto ecosystems. Most land plants are living in close symbiosis with bacterial and fungal communities, sustaining their growth in nutrient poor habitats. However, the impact of climate change on these subsoil communities alongside changing vegetation cover remains poorly understood. Therefore, a better understanding of soil community dynamics on multi millennial timescales is inevitable when addressing the development of entire ecosystems. Unravelling long-term cross-kingdom dependencies between plant, fungi, and bacteria is not only a milestone for the assessment of warming on boreal ecosystems. On top, it also is the basis for agriculture strategies to sustain society with sufficient food in a future warming world. The first objective of this thesis was to assess ancient DNA as a proxy for reconstructing the soil microbiome (Manuscripts I, II, III, IV). Research findings across these projects enable a comprehensive new insight into the relationships of soil microorganisms to the surrounding vegetation. First, this was achieved by establishing (Manuscript I) and applying (Manuscript II) a primer pair for the selective amplification of ancient fungal DNA from lake sediment samples with the metabarcoding approach. To assess fungal and plant co-variation, the selected primer combination (ITS67, 5.8S) amplifying the ITS1 region was applied on samples from five boreal and arctic lakes. The obtained data showed that the establishment of fungal communities is impacted by warming as the functional ecological groups are shifting. Yeast and saprotroph dominance during the Late Glacial declined with warming, while the abundance of mycorrhizae and parasites increased with warming. The overall species richness was also alternating. The results were compared to shotgun sequencing data reconstructing fungi and bacteria (Manuscripts III, IV), yielding overall comparable results to the metabarcoding approach. Nonetheless, the comparison also pointed out a bias in the metabarcoding, potentially due to varying ITS lengths or copy numbers per genome. The second objective was to trace fungus-plant interaction changes over time (Manuscripts II, III). To address this, metabarcoding targeting the ITS1 region for fungi and the chloroplast P6 loop for plants for the selective DNA amplification was applied (Manuscript II). Further, shotgun sequencing data was compared to the metabarcoding results (Manuscript III). Overall, the results between the metabarcoding and the shotgun approaches were comparable, though a bias in the metabarcoding was assumed. We demonstrated that fungal shifts were coinciding with changes in the vegetation. Yeast and lichen were mainly dominant during the Late Glacial with tundra vegetation, while warming in the Holocene lead to the expansion of boreal forests with increasing mycorrhizae and parasite abundance. Aside, we highlighted that Pinaceae establishment is dependent on mycorrhizal fungi such as Suillineae, Inocybaceae, or Hyaloscypha species also on long-term scales. The third objective of the thesis was to assess soil community development on a temporal gradient (Manuscripts III, IV). Shotgun sequencing was applied on sediment samples from the northern Siberian lake Lama and the soil microbial community dynamics compared to ecosystem turnover. Alongside, podzolization processes from basaltic bedrock were recovered (Manuscript III). Additionally, the recovered soil microbiome was compared to shotgun data from granite and sandstone catchments (Manuscript IV, Appendix). We assessed if the establishment of the soil microbiome is dependent on the plant taxon and as such comparable between multiple geographic locations or if the community establishment is driven by abiotic soil properties and as such the bedrock area. We showed that the development of soil communities is to a great extent driven by the vegetation changes and temperature variation, while time only plays a minor role. The analyses showed general ecological similarities especially between the granite and basalt locations, while the microbiome on species-level was rather site-specific. A greater number of correlated soil taxa was detected for deep-rooting boreal taxa in comparison to grasses with shallower roots. Additionally, differences between herbaceous taxa of the late Glacial compared to taxa of the Holocene were revealed. With this thesis, I demonstrate the necessity to investigate subsoil community dynamics on millennial time scales as it enables further understanding of long-term ecosystem as well as soil development processes and such plant establishment. Further, I trace long-term processes leading to podzolization which supports the development of applied carbon capture strategies under future global warming. N2 - Die Arktis erwärmt sich schneller als der weltweite Durschnitt, was die dortigen Ökosysteme wie die borealen Nadelwälder stark beeinflusst. Die Baumgrenze verschiebt sich durch veränderte Wachstumsbedingungen nach Norden und breitet sich in Tundra-Gegenden aus. Das führt zu komplexen Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf, da durch das Baumwachstum vermehrt CO2 im Boden gespeichert wird. Andererseits wird der Albedo-Effekt der Tundra verringert und der Boden erwärmt sich verstärkt. Das wiederum führt zum Tauen von Permafrost und setzt große Mengen an gespeichertem Kohlenstoff frei. Bislang wurde vor allem die Auswirkung der Erwärmung auf Vegetationsdynamiken untersucht. Für ein gesundes Pflanzenwachstum stehen die meisten Landpflanzen in engem Austausch mit einer Vielzahl an Bakterien und Pilzen. Es ist bislang wenig verstanden, wie diese Bodengemeinschaften durch den Klimawandel beeinflusst werden. Es ist deshalb notwendig, verstärkt auch die Langzeitabhängigkeiten der Pflanzen von Mikroorganismen zu betrachten. Dies ist nicht nur ein Meilenstein bei der Untersuchung des Klimawandels auf arktische Ökosysteme. Zudem wird so die Entwicklung angepasster Strategien im Bereich der Landwirtschaft ermöglicht, was die Grundlage dafür ist, die wachsende Bevölkerung auch in Zukunft mit ausreichend Nahrungsmitteln versorgen zu können. Im ersten Teil meiner Arbeit untersuche ich das Potential, die Dynamiken von Bodenmikroorganismen aus Seesedimenten zu rekonstruieren. Ich habe gezeigt, dass molekulargenetische Analysen das sowohl für Pilze als auch Bakterien auf großen Zeitskalen ermöglichen. Eine Zuweisung der Mikroorganismen zu ihren Funktionen im Ökosystem ermöglichte, Dynamiken in den Nährstoffkreisläufen sowie in Pilzökologien zu verstehen. Die Analyse der komplexen Assoziationen von Pilzen und Pflanzen bildete den zweiten Teil meiner Arbeit. Hier konnte ich zeigen, dass Pilze und Pflanzen spezifische Muster in ihren Vorkommen miteinander zeigen und dass die Vegetation das Pilzvorkommen auch auf großen Zeitskalen beeinflusst. Die Tundravegetation des Spätglazials war vor allem von Flechten und Hefevorkommen dominiert, während die Einwanderung von borealen Wäldern in die untersuchten Gebiete zu zunehmder Mykorrhiza- und Parasitenverbreitung führte. Ich habe auch gezeigt, dass die Etablierung von Pinaceen langfristig von spezifischen Mykorrhiza-Pilzen wie Suillineae, Inocybaceae oder Hyaloscypha-Arten abhängt. Das dritte Ziel meiner Arbeit war es, zeitliche Dynamiken in der Zusammensetzung von Bodenorganismen im Bezug zur Entstehung von Böden zu rekonstruieren. Mir gelang es, die Verwitterung von Basalt nachzuvollziehen und daraus die Entstehung von Podsol abzuleiten. Ein Vergleich zu Bodengesellschaften aus Granit- und Sandstein-Einzugsgebieten zeigte, dass sich die Granit- und Basalt-Bodeneigenschaften ähneln. Allerdings zeigten die Pflanzen an den Standorten ein sehr ortsspezifisches Mikrobiom und somit eine lokale Anpassung an die Wachstumsbedingungen. Ich konnte mit dieser Arbeit zeigen, dass die Rekonstruktion von Bodenmikroorganismen im Vergleich zur Vegetation einen Einblick in Ökosystemdynamiken unter Klimawandel ermöglicht. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis von Bodenentstehungsprozessen und vereinfacht die Entwicklung angewandter carbon capture Strategien. KW - sedimentary ancient DNA KW - ecology KW - lake sediment KW - Arctic KW - ecosystem reconstruction KW - climate change KW - treeline dynamics KW - microbial soil communities KW - plant-microbe interactions KW - Arktis KW - Klimawandel KW - Ökologie KW - Ökosystem-Rekonstruktion KW - Seesediment KW - mikrobielle Bodengemeinschaften KW - Pflanzen-Mikroben-Interaktionen KW - sedimentary ancient DNA KW - Baumgrenzen-Dynamik Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636009 ER - TY - GEN A1 - Pearce, Warren A1 - Özkula, Suay M. A1 - Greene, Amanda K. A1 - Teeling, Lauren A1 - Bansard, Jennifer S. A1 - Omena, Janna Joceli A1 - Rabello, Elaine Teixeira T1 - Visual cross-platform analysis BT - Digital methods to research social media images T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Wirtschafts- und Sozialwissenschaftliche Reihe N2 - Analysis of social media using digital methods is a flourishing approach. However, the relatively easy availability of data collected via platform application programming interfaces has arguably led to the predominance of single-platform research of social media. Such research has also privileged the role of text in social media analysis, as a form of data that is more readily gathered and searchable than images. In this paper, we challenge both of these prevailing forms of social media research by outlining a methodology for visual cross-platform analysis (VCPA), defined as the study of still and moving images across two or more social media platforms. Our argument contains three steps. First, we argue that cross-platform analysis addresses a gap in research methods in that it acknowledges the interplay between a social phenomenon under investigation and the medium within which it is being researched, thus illuminating the different affordances and cultures of web platforms. Second, we build on the literature on multimodal communication and platform vernacular to provide a rationale for incorporating the visual into cross-platform analysis. Third, we reflect on an experimental cross-platform analysis of images within social media posts (n = 471,033) used to communicate climate change to advance different modes of macro- and meso-levels of analysis that are natively visual: image-text networks, image plots and composite images. We conclude by assessing the research pathways opened up by VCPA, delineating potential contributions to empirical research and theory and the potential impact on practitioners of social media communication. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Wirtschafts- und Sozialwissenschaftliche Reihe - 199 KW - research methodology KW - visual analysis KW - social media KW - climate change Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-515539 SN - 1867-5808 IS - 2 ER - TY - GEN A1 - Palmer, Matthew D. A1 - Gregory, Jonathan A1 - Bagge, Meike A1 - Calvert, Daley A1 - Hagedoorn, Jan Marius A1 - Howard, Tom A1 - Klemann, Volker A1 - Lowe, Jason A. A1 - Roberts, Chris A1 - Slangen, Aimee B. A. A1 - Spada, Giorgio T1 - Exploring the drivers of global and local sea‐level change over the 21st century and beyond T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We present a new set of global and local sea‐level projections at example tide gauge locations under the RCP2.6, RCP4.5, and RCP8.5 emissions scenarios. Compared to the CMIP5‐based sea‐level projections presented in IPCC AR5, we introduce a number of methodological innovations, including (i) more comprehensive treatment of uncertainties, (ii) direct traceability between global and local projections, and (iii) exploratory extended projections to 2300 based on emulation of individual CMIP5 models. Combining the projections with observed tide gauge records, we explore the contribution to total variance that arises from sea‐level variability, different emissions scenarios, and model uncertainty. For the period out to 2300 we further breakdown the model uncertainty by sea‐level component and consider the dependence on geographic location, time horizon, and emissions scenario. Our analysis highlights the importance of local variability for sea‐level change in the coming decades and the potential value of annual‐to‐decadal predictions of local sea‐level change. Projections to 2300 show a substantial degree of committed sea‐level rise under all emissions scenarios considered and highlight the reduced future risk associated with RCP2.6 and RCP4.5 compared to RCP8.5. Tide gauge locations can show large ( > 50%) departures from the global average, in some cases even reversing the sign of the change. While uncertainty in projections of the future Antarctic ice dynamic response tends to dominate post‐2100, we see substantial differences in the breakdown of model variance as a function of location, time scale, and emissions scenario. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1353 KW - climate change KW - CMIP5 models KW - RCP scenarios KW - sea-level projections KW - tide gauge observations Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549881 SN - 1866-8372 IS - 9 ER - TY - GEN A1 - Huber, Veronika A1 - Krummenauer, Linda A1 - Peña-Ortiz, Cristina A1 - Lange, Stefan A1 - Gasparrini, Antonio A1 - Vicedo-Cabrera, Ana Maria A1 - Garcia-Herrera, Ricardo A1 - Frieler, Katja T1 - Temperature-related excess mortality in German cities at 2 °C and higher degrees of global warming T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Background: Investigating future changes in temperature-related mortality as a function of global mean temperature (GMT) rise allows for the evaluation of policy-relevant climate change targets. So far, only few studies have taken this approach, and, in particular, no such assessments exist for Germany, the most populated country of Europe. Methods: We assess temperature-related mortality in 12 major German cities based on daily time-series of all-cause mortality and daily mean temperatures in the period 1993-2015, using distributed-lag non-linear models in a two-stage design. Resulting risk functions are applied to estimate excess mortality in terms of GMT rise relative to pre-industrial levels, assuming no change in demographics or population vulnerability. Results: In the observational period, cold contributes stronger to temperature-related mortality than heat, with overall attributable fractions of 5.49% (95%CI: 3.82-7.19) and 0.81% (95%CI: 0.72-0.89), respectively. Future projections indicate that this pattern could be reversed under progressing global warming, with heat-related mortality starting to exceed cold-related mortality at 3 degrees C or higher GMT rise. Across cities, projected net increases in total temperature-related mortality were 0.45% (95%CI: -0.02-1.06) at 3 degrees C, 1.53% (95%CI: 0.96-2.06) at 4 degrees C, and 2.88% (95%CI: 1.60-4.10) at 5 degrees C, compared to today's warming level of 1 degrees C. By contrast, no significant difference was found between projected total temperature-related mortality at 2 degrees C versus 1 degrees C of GMT rise. Conclusions: Our results can inform current adaptation policies aimed at buffering the health risks from increased heat exposure under climate change. They also allow for the evaluation of global mitigation efforts in terms of local health benefits in some of Germany's most populated cities. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1430 KW - temperature-related mortality KW - climate change KW - Future projections KW - Germany KW - global mean temperature Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516511 SN - 1866-8372 ER - TY - GEN A1 - Stoof-Leichsenring, Kathleen Rosemarie A1 - Pestryakova, Luidmila Agafyevna A1 - Epp, Laura Saskia A1 - Herzschuh, Ulrike T1 - Phylogenetic diversity and environment form assembly rules for Arctic diatom genera BT - a study on recent and ancient sedimentary DNA T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Aim This study investigates taxonomic and phylogenetic diversity in diatom genera to evaluate assembly rules for eukaryotic microbes across the Siberian tree line. We first analysed how phylogenetic distance relates to taxonomic richness and turnover. Second, we used relatedness indices to evaluate if environmental filtering or competition influences the assemblies in space and through time. Third, we used distance-based ordination to test which environmental variables shape diatom turnover. Location Yakutia and Taymyria, Russia: we sampled 78 surface sediments and a sediment core, extending to 7,000 years before present, to capture the forest-tundra transition in space and time respectively. Taxon Arctic freshwater diatoms. Methods We applied metabarcoding to retrieve diatom diversity from surface and core sedimentary DNA. The taxonomic assignment binned sequence types (lineages) into genera and created taxonomic (abundance of lineages within different genera) and phylogenetic datasets (phylogenetic distances of lineages within different genera). Results Contrary to our expectations, we find a unimodal relationship between phylogenetic distance and richness in diatom genera. We discern a positive relationship between phylogenetic distance and taxonomic turnover in spatially and temporally distributed diatom genera. Furthermore, we reveal positive relatedness indices in diatom genera across the spatial environmental gradient and predominantly in time slices at a single location, with very few exceptions assuming effects of competition. Distance-based ordination of taxonomic and phylogenetic turnover indicates that lake environment variables, like HCO3- and water depth, largely explain diatom turnover. Main conclusion Phylogenetic and abiotic assembly rules are important in understanding the regional assembly of diatom genera across lakes in the Siberian tree line ecotone. Using a space-time approach we are able to exclude the influence of geography and elucidate that lake environmental variables primarily shape the assemblies. We conclude that some diatom genera have greater capabilities to adapt to environmental changes, whereas others will be putatively replaced or lost due to the displacement of the Arctic tundra biome under recent global warming. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1442 KW - ancient sedimentary DNA KW - Arctic lakes KW - assembly rules KW - climate change KW - diatoms KW - environmental filtering KW - phylogenetic diversity KW - Siberian tree line Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-515485 SN - 1866-8372 IS - 5 ER - TY - THES A1 - Windirsch-Woiwode, Torben T1 - Permafrost carbon stabilisation by recreating a herbivore-driven ecosystem T1 - Stabilisierung von Permafrostkohlenstoff durch die Wiedereinführung eines Herbivor-geprägten Ökosystems N2 - With Arctic ground as a huge and temperature-sensitive carbon reservoir, maintaining low ground temperatures and frozen conditions to prevent further carbon emissions that contrib-ute to global climate warming is a key element in humankind’s fight to maintain habitable con-ditions on earth. Former studies showed that during the late Pleistocene, Arctic ground condi-tions were generally colder and more stable as the result of an ecosystem dominated by large herbivorous mammals and vast extents of graminoid vegetation – the mammoth steppe. Characterised by high plant productivity (grassland) and low ground insulation due to animal-caused compression and removal of snow, this ecosystem enabled deep permafrost aggrad-ation. Now, with tundra and shrub vegetation common in the terrestrial Arctic, these effects are not in place anymore. However, it appears to be possible to recreate this ecosystem local-ly by artificially increasing animal numbers, and hence keep Arctic ground cold to reduce or-ganic matter decomposition and carbon release into the atmosphere. By measuring thaw depth, total organic carbon and total nitrogen content, stable carbon iso-tope ratio, radiocarbon age, n-alkane and alcohol characteristics and assessing dominant vegetation types along grazing intensity transects in two contrasting Arctic areas, it was found that recreating conditions locally, similar to the mammoth steppe, seems to be possible. For permafrost-affected soil, it was shown that intensive grazing in direct comparison to non-grazed areas reduces active layer depth and leads to higher TOC contents in the active layer soil. For soil only frozen on top in winter, an increase of TOC with grazing intensity could not be found, most likely because of confounding factors such as vertical water and carbon movement, which is not possible with an impermeable layer in permafrost. In both areas, high animal activity led to a vegetation transformation towards species-poor graminoid-dominated landscapes with less shrubs. Lipid biomarker analysis revealed that, even though the available organic material is different between the study areas, in both permafrost-affected and sea-sonally frozen soils the organic material in sites affected by high animal activity was less de-composed than under less intensive grazing pressure. In conclusion, high animal activity af-fects decomposition processes in Arctic soils and the ground thermal regime, visible from reduced active layer depth in permafrost areas. Therefore, grazing management might be utilised to locally stabilise permafrost and reduce Arctic carbon emissions in the future, but is likely not scalable to the entire permafrost region. N2 - Mit dem arktischen Boden als riesigem und temperatursensiblen Kohlenstoffspeicher ist die Aufrechterhaltung niedriger Bodentemperaturen und gefrorener Bedingungen zur Verhinde-rung weiterer Kohlenstoffemissionen, die zum globalen Klimawandel beitragen, ein Schlüs-selelement im Kampf der Menschheit, die Erde weiterhin bewohnbar zu halten. Vorangehen-de Studien ergaben, dass die Bodenbedingungen in der Arktis während des späten Pleisto-zäns im Allgemeinen kälter und dadurch stabiler waren, als Ergebnis eines Ökosystems, das von großen pflanzenfressenden Säugetieren und weiten Flächen grasartiger Vegetation do-miniert wurde - der Mammutsteppe. Gekennzeichnet durch hohe Pflanzenproduktivität (Gras-land) und geringe Bodenisolierung aufgrund von Kompression und Schneeräumung durch Tiere, ermöglichte dieses Ökosystem eine tiefreichende Entwicklung des Permafrosts. Heut-zutage, mit der vorherrschenden Tundra- und Strauchvegetation in der Arktis, sind diese Ef-fekte nicht mehr präsent. Es scheint aber möglich, dieses Ökosystem lokal durch künstliche Erhöhung der Tierbestände nachzubilden und somit den arktischen Boden kühl zu halten, um den Abbau von organischem Material und die Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre zu verringern. Durch Messungen der Auftautiefe, des Gesamtgehalts des organischen Kohlenstoffs und Stickstoffs, des stabilen Kohlenstoff-Isotopenverhältnisses, des Radiocarbonalters, der n-Alkan- und Alkoholcharakteristika sowie durch Bestimmung der vorherrschenden Vegetati-onstypen entlang von Beweidungsgradienten in zwei unterschiedlichen arktischen Gebieten habe ich festgestellt, dass die Schaffung ähnlicher Bedingungen wie in der Mammutsteppe möglich sein könnte. Für durch Permafrost beeinflusste Böden konnte ich zeigen, dass eine intensive Beweidung im direkten Vergleich mit unbeweideten Gebieten die Tiefe der Auftau-schicht verringert und zu höheren Gehalten an organischem Kohlenstoff im oberen Bodenbe-reich führt. Für im Winter nur oberflächlich gefrorene Böden konnte kein Anstieg des organi-schen Kohlenstoffgehalts mit zunehmender Beweidungsintensität festgestellt werden, höchstwahrscheinlich aufgrund von Störfaktoren wie vertikalen Wasser- und Kohlenstoffbe-wegungen, die nicht durch eine undurchlässige Schicht wie beim Permafrost begrenzt sind. In beiden Gebieten führte eine hohe Tieraktivität zu einer Umwandlung der Vegetation hin zu artenarmen, von Gräsern dominierten Landschaften mit weniger Sträuchern. Die Analyse von Lipid-Biomarkern ergab, dass das verfügbare organische Material zwar zwischen den Unter-suchungsgebieten unterschiedlich war, aber sowohl in Permafrostgebieten als auch in saiso-nal gefrorenen Böden in Bereichen mit hoher Tieraktivität weniger stark zersetzt war als unter geringerer Beweidungsintensität. Zusammenfassend beeinflusst eine hohe Tieraktivität die Zersetzungsvorgänge in arktischen Böden und das thermische Regime des Bodens, was sich in einer reduzierten Tiefe der Auftauschicht in Permafrostgebieten widerspiegelt. Daher könn-te das Beweidungsmanagement in Zukunft aktiv eingesetzt werden, um den Permafrost lokal zu stabilisieren und gefroren zu halten sowie die Kohlenstoffemissionen in der Arktis zu ver-ringern. Aufgrund der Größe der Fläche, die in der terrestrischen Arktis von Permafrost be-einflusst ist, wird ein solches Beweidungsmanagement aber nicht als Maßnahme auf die ge-samte Permafrostregion ausgedehnt werden können. KW - permafrost KW - carbon KW - climate change KW - grazing KW - Arctic KW - Arktis KW - Kohlenstoff KW - Klimawandel KW - Beweidung KW - Permafrost Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-624240 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Lena Katharina T1 - Altered hydrological and sediment dynamics in high-alpine areas – Exploring the potential of machine-learning for estimating past and future changes N2 - Climate change fundamentally transforms glaciated high-alpine regions, with well-known cryospheric and hydrological implications, such as accelerating glacier retreat, transiently increased runoff, longer snow-free periods and more frequent and intense summer rainstorms. These changes affect the availability and transport of sediments in high alpine areas by altering the interaction and intensity of different erosion processes and catchment properties. Gaining insight into the future alterations in suspended sediment transport by high alpine streams is crucial, given its wide-ranging implications, e.g. for flood damage potential, flood hazard in downstream river reaches, hydropower production, riverine ecology and water quality. However, the current understanding of how climate change will impact suspended sediment dynamics in these high alpine regions is limited. For one, this is due to the scarcity of measurement time series that are long enough to e.g. infer trends. On the other hand, it is difficult – if not impossible – to develop process-based models, due to the complexity and multitude of processes involved in high alpine sediment dynamics. Therefore, knowledge has so far been confined to conceptual models (which do not facilitate deriving concrete timings or magnitudes for individual catchments) or qualitative estimates (‘higher export in warmer years’) that may not be able to capture decreases in sediment export. Recently, machine-learning approaches have gained in popularity for modeling sediment dynamics, since their black box nature tailors them to the problem at hand, i.e. relatively well-understood input and output data, linked by very complex processes. Therefore, the overarching aim of this thesis is to estimate sediment export from the high alpine Ötztal valley in Tyrol, Austria, over decadal timescales in the past and future – i.e. timescales relevant to anthropogenic climate change. This is achieved by informing, extending, evaluating and applying a quantile regression forest (QRF) approach, i.e. a nonparametric, multivariate machine-learning technique based on random forest. The first study included in this thesis aimed to understand present sediment dynamics, i.e. in the period with available measurements (up to 15 years). To inform the modeling setup for the two subsequent studies, this study identified the most important predictors, areas within the catchments and time periods. To that end, water and sediment yields from three nested gauges in the upper Ötztal, Vent, Sölden and Tumpen (98 to almost 800 km² catchment area, 930 to 3772 m a.s.l.) were analyzed for their distribution in space, their seasonality and spatial differences therein, and the relative importance of short-term events. The findings suggest that the areas situated above 2500 m a.s.l., containing glacier tongues and recently deglaciated areas, play a pivotal role in sediment generation across all sub-catchments. In contrast, precipitation events were relatively unimportant (on average, 21 % of annual sediment yield was associated to precipitation events). Thus, the second and third study focused on the Vent catchment and its sub-catchment above gauge Vernagt (11.4 and 98 km², 1891 to 3772 m a.s.l.), due to their higher share of areas above 2500 m. Additionally, they included discharge, precipitation and air temperature (as well as their antecedent conditions) as predictors. The second study aimed to estimate sediment export since the 1960s/70s at gauges Vent and Vernagt. This was facilitated by the availability of long records of the predictors, discharge, precipitation and air temperature, and shorter records (four and 15 years) of turbidity-derived sediment concentrations at the two gauges. The third study aimed to estimate future sediment export until 2100, by applying the QRF models developed in the second study to pre-existing precipitation and temperature projections (EURO-CORDEX) and discharge projections (physically-based hydroclimatological and snow model AMUNDSEN) for the three representative concentration pathways RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5. The combined results of the second and third study show overall increasing sediment export in the past and decreasing export in the future. This suggests that peak sediment is underway or has already passed – unless precipitation changes unfold differently than represented in the projections or changes in the catchment erodibility prevail and override these trends. Despite the overall future decrease, very high sediment export is possible in response to precipitation events. This two-fold development has important implications for managing sediment, flood hazard and riverine ecology. This thesis shows that QRF can be a very useful tool to model sediment export in high-alpine areas. Several validations in the second study showed good performance of QRF and its superiority to traditional sediment rating curves – especially in periods that contained high sediment export events, which points to its ability to deal with threshold effects. A technical limitation of QRF is the inability to extrapolate beyond the range of values represented in the training data. We assessed the number and severity of such out-of-observation-range (OOOR) days in both studies, which showed that there were few OOOR days in the second study and that uncertainties associated with OOOR days were small before 2070 in the third study. As the pre-processed data and model code have been made publically available, future studies can easily test further approaches or apply QRF to further catchments. N2 - Der Klimawandel verändert vergletscherte Hochgebirgsregionen grundlegend, mit wohlbekannten Auswirkungen auf Kryosphäre und Hydrologie, wie beschleunigtem Gletscherrückgang, vorübergehend erhöhtem Abfluss, längeren schneefreien Perioden und häufigeren und intensiveren sommerlichen Starkniederschlägen. Diese Veränderungen wirken sich auf die Verfügbarkeit und den Transport von Sedimenten in hochalpinen Gebieten aus, indem sie die Interaktion und Intensität verschiedener Erosionsprozesse und Einzugsgebietseigenschaften verändern. Eine Abschätzung der zukünftigen Veränderungen des Schwebstofftransports in hochalpinen Bächen ist von entscheidender Bedeutung, da sie weitreichende Auswirkungen haben, z. B. auf das Hochwasserschadenspotenzial, die Hochwassergefahr in den Unterläufen, sowie Wasserkraftproduktion, aquatische Ökosysteme und Wasserqualität. Das derzeitige Verständnis der Auswirkungen des Klimawandels auf die Schwebstoffdynamik in diesen hochalpinen Regionen ist jedoch begrenzt. Dies liegt zum einen daran, dass es kaum ausreichend lange Messzeitreihen gibt, um z.B. Trends ableiten zu können. Zum anderen ist es aufgrund der Komplexität und der Vielzahl der Prozesse, die an der hochalpinen Sedimentdynamik beteiligt sind, schwierig - wenn nicht gar unmöglich - prozessbasierte Modelle zu entwickeln. Daher beschränkte sich das Wissen bisher auf konzeptionelle Modelle (die es nicht ermöglichen, konkrete Zeitpunkte oder Größenordnungen für einzelne Einzugsgebiete abzuleiten) oder qualitative Schätzungen ("höherer Sedimentaustrag in wärmeren Jahren"), die möglicherweise nicht in der Lage sind, Rückgänge im Sedimentaustrag abzubilden. In jüngster Zeit haben Ansätze des maschinellen Lernens für die Modellierung der Sedimentdynamik an Popularität gewonnen, da sie aufgrund ihres Black-Box-Charakters auf das vorliegende Problem zugeschnitten sind, d. h. auf relativ gut verstandene Eingangs- und Ausgangsdaten, die durch sehr komplexe Prozesse verknüpft sind. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist daher die Abschätzung des Sedimentaustrags am Beispiel des hochalpinen Ötztals in Tirol, Österreich, auf dekadischen Zeitskalen in der Vergangenheit und Zukunft – also Zeitskalen, die für den anthropogenen Klimawandel relevant sind. Dazu wird ein Quantile Regression Forest (QRF)-Ansatz, d.h. ein nichtparametrisches, multivariates maschinelles Lernverfahren auf der Basis von Random Forest, erweitert, evaluiert und angewendet. Die erste Studie im Rahmen dieser Arbeit zielte darauf ab, die "gegenwärtige" Sedimentdynamik zu verstehen, d. h. in dem Zeitraum, für den Messungen vorliegen (bis zu 15 Jahre). Um die Modellierung für die beiden folgenden Studien zu ermöglichen, wurden in dieser Studie die wichtigsten Prädiktoren, Teilgebiete des Untersuchungsgebiets und Zeiträume ermittelt. Zu diesem Zweck wurden die Wasser- und Sedimenterträge von drei verschachtelten Pegeln im oberen Ötztal, Vent, Sölden und Tumpen (98 bis fast 800 km² Einzugsgebiet, 930 bis 3772 m ü.d.M.), auf ihre räumliche Verteilung, ihre Saisonalität und deren räumlichen Unterschiede, sowie die relative Bedeutung von Niederschlagsereignissen hin untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Gebiete oberhalb von 2500 m ü. M., in denen sich Gletscherzungen und kürzlich entgletscherte Gebiete befinden, eine zentrale Rolle in der Sedimentdynamik in allen Teileinzugsgebieten spielen. Im Gegensatz dazu waren Niederschlagsereignisse relativ unbedeutend (im Durchschnitt wurden 21 % des jährlichen Austrags mit Niederschlagsereignissen in Verbindung gebracht). Daher konzentrierten sich die zweite und dritte Studie auf das Vent-Einzugsgebiet und sein Teileinzugsgebiet oberhalb des Pegels Vernagt (11,4 und 98 km², 1891 bis 3772 m ü. M.), da sie einen höheren Anteil an Gebieten oberhalb von 2500 m aufweisen. Außerdem wurden Abfluss, Niederschlag und Lufttemperatur (sowie deren Vorbedingungen) als Prädiktoren einbezogen. Die zweite Studie zielte darauf ab, den Sedimentexport seit den 1960er/70er Jahren an den Pegeln Vent und Vernagt abzuschätzen. Dies wurde durch die Verfügbarkeit langer Aufzeichnungen der Prädiktoren Abfluss, Niederschlag und Lufttemperatur sowie kürzerer Aufzeichnungen (vier und 15 Jahre) von aus Trübungsmessungen abgeleiteten Sedimentkonzentrationen an den beiden Pegeln ermöglicht. Die dritte Studie zielte darauf ab, den zukünftigen Sedimentexport bis zum Jahr 2100 abzuschätzen, indem die in der zweiten Studie entwickelten QRF-Modelle auf bereits existierende Niederschlags- und Temperaturprojektionen (EURO-CORDEX) und Abflussprojektionen (des physikalisch basierten hydroklimatologischen und Schneemodells AMUNDSEN) in den drei repräsentativen Konzentrationspfaden RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 angewendet wurden. Die kombinierten Ergebnisse der zweiten und dritten Studie legen nahe, dass der Sedimentexport in der Vergangenheit insgesamt zugenommen hat und in der Zukunft abnehmen wird. Dies deutet darauf hin, dass der Höhepunkt des Sedimenteintrags erreicht ist oder bereits überschritten wurde - es sei denn, die Niederschlagsveränderungen entwickeln sich anders, als es in den Projektionen dargestellt ist, oder Veränderungen in der Erodierbarkeit des Einzugsgebiets setzen sich durch. Trotz des allgemeinen Rückgangs in der Zukunft sind sehr hohe Sedimentausträge als Reaktion auf Niederschlagsereignisse möglich. Diese zweifältige Entwicklung hat wichtige Auswirkungen auf das Sedimentmanagement, die Hochwassergefahr und die Flussökologie. Diese Arbeit zeigt, dass QRF ein sehr nützliches Instrument zur Modellierung des Sedimentexports in hochalpinen Gebieten sein kann. Mehrere Validierungen in der zweiten Studie zeigten eine gute Modell-Performance und die Überlegenheit gegenüber traditionellen Sediment-Abfluss-Beziehungen – insbesondere in Zeiträumen, in denen es zu einem hohen Sedimentexport kam, was auf die Fähigkeit von QRF hinweist, mit Schwelleneffekten umzugehen. Eine technische Einschränkung von QRF ist die Unfähigkeit, über den Bereich der in den Trainingsdaten dargestellten Werte hinaus zu extrapolieren. Die Anzahl und den Schweregrad an solchen Tagen, in denen der Wertebereich der Trainingsdaten überschritten wurde, wurde in beiden Studien untersucht. Dabei zeigte sich, dass es in der zweiten Studie nur wenige solcher Tage gab und dass die mit den Überschreitungen verbundenen Unsicherheiten in der dritten Studie vor 2070 gering waren. Da die vorverarbeiteten Daten und der Modellcode öffentlich zugänglich gemacht wurden, können künftige Studien darauf aufbauend weitere Ansätze testen oder QRF auf weitere Einzugsgebiete anwenden. KW - suspended sediment KW - glacier melt KW - climate change KW - natural hazards KW - hydrology KW - geomorphology KW - Klimawandel KW - Geomorphologie KW - Gletscherschmelze KW - Hydrologie KW - Naturgefahren KW - suspendiertes Sediment Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-623302 ER - TY - THES A1 - Stiegler, Jonas T1 - Mobile link functions in unpredictable agricultural landscapes N2 - Animal movement is a crucial aspect of life, influencing ecological and evolutionary processes. It plays an important role in shaping biodiversity patterns, connecting habitats and ecosystems. Anthropogenic landscape changes, such as in agricultural environments, can impede the movement of animals by affecting their ability to locate resources during recurring movements within home ranges and, on a larger scale, disrupt migration or dispersal. Inevitably, these changes in movement behavior have far-reaching consequences on the mobile link functions provided by species inhabiting such extensively altered matrix areas. In this thesis, I investigate the movement characteristics and activity patterns of the European hare (Lepus europaeus), aiming to understand their significance as a pivotal species in fragmented agricultural landscapes. I reveal intriguing results that shed light on the importance of hares for seed dispersal, the influence of personality traits on behavior and space use, the sensitivity of hares to extreme weather conditions, and the impacts of GPS collaring on mammals' activity patterns and movement behavior. In Chapter I, I conducted a controlled feeding experiment to investigate the potential impact of hares on seed dispersal. By additionally utilizing GPS data of hares in two contrasting landscapes, I demonstrated that hares play a vital role, acting as effective mobile linkers for many plant species in small and isolated habitat patches. The analysis of seed intake and germination success revealed that distinct seed traits, such as density, surface area, and shape, profoundly affect hares' ability to disperse seeds through endozoochory. These findings highlight the interplay between hares and plant communities and thus provide valuable insights into seed dispersal mechanisms in fragmented landscapes. By employing standardized behavioral tests in Chapter II, I revealed consistent behavioral responses among captive hares while simultaneously examining the intricate connection between personality traits and spatial patterns within wild hare populations. This analysis provides insights into the ecological interactions and dynamics within hare populations in agricultural habitats. Examining the concept of animal personality, I established a link between personality traits and hare behavior. I showed that boldness, measured through standardized tests, influences individual exploration styles, with shy and bold hares exhibiting distinct space use patterns. In addition to providing valuable insights into the role of animal personality in heterogeneous environments, my research introduced a novel approach demonstrating the feasibility of remotely assessing personality types using animal-borne sensors without additional disturbance of the focal individual. While climate conditions severely impact the activity and, consequently, the fitness of wildlife species across the globe, in Chapter III, I uncovered the sensitivity of hares to temperature, humidity, and wind speed during their peak reproduction period. I found a strong response in activity to high temperatures above 25°C, with a particularly pronounced effect during temperature extremes of over 35°C. The non-linear relationship between temperature and activity was characterized by contrasting responses observed for day and night. These findings emphasize the vulnerability of hares to climate change and the potential consequences for their fitness and population dynamics with the ongoing rise of temperature. Since such insights can only be obtained through capturing and tagging free-ranging animals, I assessed potential impacts and the recovery process post-collar attachment in Chapter IV. For this purpose, I examined the daily distances moved and the temporal-associated activity of 1451 terrestrial mammals out of 42 species during their initial tracking period. The disturbance intensity and the speed of recovery varied across species, with herbivores, females, and individuals captured and collared in relatively secluded study areas experiencing more pronounced disturbances due to limited anthropogenic influences. Mobile linkers are essential for maintaining biodiversity as they influence the dynamics and resilience of ecosystems. Furthermore, their ability to move through fragmented landscapes makes them a key component for restoring disturbed sites. Individual movement decisions determine the scale of mobile links, and understanding variations in space use among individuals is crucial for interpreting their functions. Climate change poses further challenges, with wildlife species expected to adjust their behavior, especially in response to high-temperature extremes, and comprehending the anthropogenic influence on animal movements will remain paramount to effective land use planning and the development of successful conservation strategies. This thesis provides a comprehensive ecological understanding of hares in agricultural landscapes. My research findings underscore the importance of hares as mobile linkers, the influence of personality traits on behavior and spatial patterns, the vulnerability of hares to extreme weather conditions, and the immediate consequences of collar attachment on mammalian movements. Thus, I contribute valuable insights to wildlife conservation and management efforts, aiding in developing strategies to mitigate the impact of environmental changes on hare populations. Moreover, these findings enable the development of methodologies aimed at minimizing the impacts of collaring while also identifying potential biases in the data, thereby benefiting both animal welfare and the scientific integrity of localization studies. N2 - Die Bewegung von Tieren ist ein entscheidender Aspekt des Lebens, der ökologische und evolutionäre Prozesse beeinflusst. Sie spielt eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der biologischen Vielfalt und verbindet Lebensräume und Ökosysteme miteinander. Anthropogene Landschaftsveränderungen, z.B. in der Landwirtschaft, können die Bewegung von Tieren behindern, indem sie ihre Fähigkeiten beeinträchtigen, Ressourcen innerhalb ihres täglichen Bewegungsradius zu lokalisieren und im größeren Maßstab, ihre Wanderung oder Ausbreitung limitieren. In dieser Thesis untersuche ich die Bewegungsmerkmale und Aktivitätsmuster des Feldhasen (Lepus europaeus), um seine Bedeutung als Schlüsselart in fragmentierten Agrarlandschaften zu verstehen. Ich lege faszinierende Ergebnisse vor, die die Bedeutung des Hasen für die Verbreitung von Saatgut, den Einfluss von Persönlichkeitsmerkmalen auf das Verhalten und die Raumnutzung, die Sensibilität des Hasen gegenüber extremen Witterungsbedingungen und die Auswirkungen von GPS-Empfängern auf die Aktivitätsmuster und das Bewegungsverhalten der Säugetiere beleuchten. In Kapitel I führte ich ein kontrolliertes Fütterungsexperiment durch, um den potenziellen Einfluss von Hasen auf die Samenausbreitung zu analysieren. Durch die zusätzliche Verwendung von GPS-Daten von Hasen in zwei kontrastierenden Landschaften konnte ich nachweisen, dass Hasen eine wichtige Rolle spielen, da sie in kleinen und isolierten Habitatfeldern als effektive mobile Verbindungsglieder für viele Pflanzenarten fungieren. Die Analyse der Samenaufnahme und des Keimungserfolgs zeigte, dass verschiedene Eigenschaften der Samen, wie Dichte, Oberfläche und Form, die Fähigkeit der Hasen, Samen durch Endozoochorie zu verbreiten, stark beeinflussen. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Wechselwirkung zwischen Hasen und Pflanzengemeinschaften und liefern somit wertvolle Erkenntnisse über die Mechanismen der Samenverbreitung in fragmentierten Landschaften. Durch den Einsatz standardisierter Verhaltenstests in Kapitel II konnte ich konsistente Verhaltensreaktionen bei in Gefangenschaft lebenden Hasen aufdecken und zeitgleich den komplexen Zusammenhang zwischen Persönlichkeitsmerkmalen und räumlichen Mustern in Wildhasenpopulationen untersuchen. Diese Analyse bietet Einblicke in die ökologischen Interaktionen und die Dynamik von Hasenpopulationen in landwirtschaftlichen Lebensräumen. Indem ich das Konzept der Tierpersönlichkeit untersuchte, stellte ich eine Verbindung zwischen Persönlichkeitsmerkmalen und dem Verhalten von Hasen her. Ich habe gezeigt, dass die durch standardisierte Tests gemessene Kühnheit den individuellen Erkundungsstil beeinflusst, wobei schüchterne und kühne Hasen unterschiedliche Raumnutzungsmuster aufweisen. Meine Forschung liefert nicht nur wertvolle Einblicke in die Rolle der Tierpersönlichkeit in heterogenen Umgebungen, sondern stellt auch einen neuartigen Ansatz vor, der die Durchführbarkeit einer Fernbeurteilung von Persönlichkeitstypen mithilfe von am Tier angebrachten Sensoren ohne zusätzliche Störung des Zielindividuums demonstrierte. Da die Klimabedingungen die Aktivität und folglich die Fitness von Wildtierarten auf der ganzen Welt stark beeinflussen, habe ich in Kapitel III die Sensibilität von Hasen gegenüber Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit während ihrer Hauptfortpflanzungszeit ermittelt. Ich stellte fest, dass die Aktivität stark auf hohe Temperaturen über 25 °C reagiert, wobei die Auswirkungen bei extremen Temperaturen von über 35 °C besonders ausgeprägt sind. Die nicht lineare Beziehung zwischen Temperatur und Aktivität war durch gegensätzliche Reaktionen bei Tag und Nacht gekennzeichnet. Diese Ergebnisse unterstreichen die Anfälligkeit der Hasen für den Klimawandel und die möglichen Folgen für ihre Fitness und Populationsdynamik bei einem anhaltenden Temperaturanstieg. Da solche Erkenntnisse nur durch Fangen und Besendern von Wildtieren ermöglicht werden können, habe ich in Kapitel IV die potenziellen negativen Auswirkungen auf das Individuuum, sowie den Erholungsprozess nach dem Anlegen des Halsbandes untersucht. Hierfür analysierte ich die zurückgelegten täglichen Entfernungen in Verbindung mit der Aktivität von 1451 terrestrischen Säugetieren aus 42 verschiedenen Arten während ihrer anfänglichen Verfolgung. Die Intensität der Störung sowie die Geschwindigkeit der Erholung variieren je nach Art, wobei Pflanzenfresser, Weibchen und Individuen, die in relativ abgelegenen Untersuchungsgebieten gefangen und mit Halsbändern versehen wurden, aufgrund bisher begrenzter anthropogener Einflüsse stärkere Störungen erfahren. Mobile Verbindungsglieder sind essentiell für die Erhaltung der Biodiversität, indem sie eine wichtige Rolle in der Dynamik und Resilienz von Ökosystemen spielen. Weiterhin macht ihre Fähigkeit, sich durch zerstückelte Landschaften zu bewegen sie zu wichtigen Schlüsselkomponenten bei der Wiederherstellung von zerstörten Landschaften. Individuelle Bewegungsentscheidungen bestimmen den Maßstab der mobilen Verbindungen und die Schwankungen der Raumnutzung unter Individuen zu verstehen ist unerlässlich, um deren Funktion zu interpretieren. Der Klimawandel stellt eine weitere Herausforderung dar, indem Wildtiere dazu gezwungen werden, sich zu adaptieren, insbesondere an Hochtemperatur-Extreme. Den anthropogenen Einfluss auf Tierbewegungen aufzudecken bleibt von größter Bedeutung in der Landnutzungsplanung und die Entwicklung von erfolgreichen Strategien zum Schutz der Natur. Diese Thesis liefert ein umfassendes ökologisches Verständnis von Feldhasen in Agrarlandschaften. Die Ergebnisse meiner Forschung unterstreichen die Bedeutung von Hasen als mobile Bindeglieder, den Einfluss von Persönlichkeitsmerkmalen auf Verhalten und räumliche Muster, die Anfälligkeit von Hasen gegenüber extremen Wetterbedingungen und die unmittelbaren Folgen der Halsbandanbringung auf Tierbewegungen. Damit leiste ich einen wertvollen Beitrag zum Schutz und zur Bewirtschaftung von Wildtieren, indem ich die Entwicklung von Strategien zur Abschwächung der Auswirkungen von Umweltveränderungen auf Hasenpopulationen unterstütze. Darüber hinaus ermöglichen diese Erkenntnisse die Entwicklung von Methoden, die darauf abzielen, die Folgen der Halsbandanbringung zu minimieren und gleichzeitig potenzielle Verzerrungen in den Daten zu identifizieren, was sowohl dem Tierschutz als auch der wissenschaftlichen Integrität von Lokalisierungsstudien zugutekommt. KW - European hare KW - mammals KW - ecology KW - animal personality KW - seed dispersal KW - movement ecology KW - tracking impacts KW - energy budget KW - climate change KW - accelerometry KW - GPS KW - tracking KW - Feldhase KW - GPS KW - Beschleunigungsmessungen KW - Tierpersönlichkeit KW - Klimawandel KW - Tierökologie KW - Energiebudget KW - Säugetiere KW - Bewegungsökologie KW - Samenausbreitung KW - Tierortung KW - Konsequenzen von Fang und Besenderung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-622023 ER - TY - THES A1 - Middelanis, Robin T1 - Global response to local extremes—a storyline approach on economic loss propagation from weather extremes T1 - Globale Reaktion auf lokale Extreme — ein Storyline-Ansatz zu ökonomischer Schadensausbreitung aufgrund von Wetterextremen N2 - Due to anthropogenic greenhouse gas emissions, Earth’s average surface temperature is steadily increasing. As a consequence, many weather extremes are likely to become more frequent and intense. This poses a threat to natural and human systems, with local impacts capable of destroying exposed assets and infrastructure, and disrupting economic and societal activity. Yet, these effects are not locally confined to the directly affected regions, as they can trigger indirect economic repercussions through loss propagation along supply chains. As a result, local extremes yield a potentially global economic response. To build economic resilience and design effective adaptation measures that mitigate adverse socio-economic impacts of ongoing climate change, it is crucial to gain a comprehensive understanding of indirect impacts and the underlying economic mechanisms. Presenting six articles in this thesis, I contribute towards this understanding. To this end, I expand on local impacts under current and future climate, the resulting global economic response, as well as the methods and tools to analyze this response. Starting with a traditional assessment of weather extremes under climate change, the first article investigates extreme snowfall in the Northern Hemisphere until the end of the century. Analyzing an ensemble of global climate model projections reveals an increase of the most extreme snowfall, while mean snowfall decreases. Assessing repercussions beyond local impacts, I employ numerical simulations to compute indirect economic effects from weather extremes with the numerical agent-based shock propagation model Acclimate. This model is used in conjunction with the recently emerged storyline framework, which involves analyzing the impacts of a particular reference extreme event and comparing them to impacts in plausible counterfactual scenarios under various climate or socio-economic conditions. Using this approach, I introduce three primary storylines that shed light on the complex mechanisms underlying economic loss propagation. In the second and third articles of this thesis, I analyze storylines for the historical Hurricanes Sandy (2012) and Harvey (2017) in the USA. For this, I first estimate local economic output losses and then simulate the resulting global economic response with Acclimate. The storyline for Hurricane Sandy thereby focuses on global consumption price anomalies and the resulting changes in consumption. I find that the local economic disruption leads to a global wave-like economic price ripple, with upstream effects propagating in the supplier direction and downstream effects in the buyer direction. Initially, an upstream demand reduction causes consumption price decreases, followed by a downstream supply shortage and increasing prices, before the anomalies decay in a normalization phase. A dominant upstream or downstream effect leads to net consumption gains or losses of a region, respectively. Moreover, I demonstrate that a longer direct economic shock intensifies the downstream effect for many regions, leading to an overall consumption loss. The third article of my thesis builds upon the developed loss estimation method by incorporating projections to future global warming levels. I use these projections to explore how the global production response to Hurricane Harvey would change under further increased global warming. The results show that, while the USA is able to nationally offset direct losses in the reference configuration, other countries have to compensate for increasing shares of counterfactual future losses. This compensation is mainly achieved by large exporting countries, but gradually shifts towards smaller regions. These findings not only highlight the economy’s ability to flexibly mitigate disaster losses to a certain extent, but also reveal the vulnerability and economic disadvantage of regions that are exposed to extreme weather events. The storyline in the fourth article of my thesis investigates the interaction between global economic stress and the propagation of losses from weather extremes. I examine indirect impacts of weather extremes — tropical cyclones, heat stress, and river floods — worldwide under two different economic conditions: an unstressed economy and a globally stressed economy, as seen during the Covid-19 pandemic. I demonstrate that the adverse effects of weather extremes on global consumption are strongly amplified when the economy is under stress. Specifically, consumption losses in the USA and China double and triple, respectively, due to the global economy’s decreased capacity for disaster loss compensation. An aggravated scarcity intensifies the price response, causing consumption losses to increase. Advancing on the methods and tools used here, the final two articles in my thesis extend the agent-based model Acclimate and formalize the storyline approach. With the model extension described in the fifth article, regional consumers make rational choices on the goods bought such that their utility is maximized under a constrained budget. In an out-of-equilibrium economy, these rational consumers are shown to temporarily increase consumption of certain goods in spite of rising prices. The sixth article of my thesis proposes a formalization of the storyline framework, drawing on multiple studies including storylines presented in this thesis. The proposed guideline defines eight central elements that can be used to construct a storyline. Overall, this thesis contributes towards a better understanding of economic repercussions of weather extremes. It achieves this by providing assessments of local direct impacts, highlighting mechanisms and impacts of loss propagation, and advancing on methods and tools used. N2 - Mit dem kontinuierlichen Anstieg der globalen Mitteltemperatur aufgrund anthropogener Treibhausgasemissionen kann die Intensität und Häufigkeit vieler Wetterextreme zunehmen. Diese haben das Potential sowohl natürliche als auch menschliche Systeme stark zu beeinträchtigen. So hat die Zerstörung von Vermögenswerten und Infrastruktur sowie die Unterbrechung gesellschaftlicher und ökonomischer Abläufe oft negative wirtschaftliche Konsequenzen für direkt betroffene Regionen. Die Auswirkungen sind jedoch nicht lokal begrenzt, sondern können sich entlang von Lieferketten ausbreiten und somit auch indirekte Folgen in anderen Regionen haben – bis hin zu einer potenziell globalen wirtschaftlichen Reaktion. Daher sind Strategien zur Anpassung an veränderliche Klimabedingungen notwendig, um die Resilienz globaler Handelsketten zu stärken und dadurch negative sozioökonomische Folgen abzumildern. Hierfür ist ein besseres Verständnis lokaler Auswirkungen sowie ökonomischer Mechanismen zur Schadensausbreitung und deren Folgen erforderlich. Die vorliegende Dissertation umfasst insgesamt sechs Artikel, die zu diesem Verständnis beitragen. In diesen Studien werden zunächst lokale Auswirkungen von Wetterextremen unter gegenwärtigen und zukünftigen klimatischen Bedingungen untersucht. Weiterhin werden die globalen wirtschaftlichen Auswirkungen lokaler Wetterextreme sowie die darunterliegenden ökonomischen Effekte analysiert. In diesem Zusammenhang trägt diese Arbeit ferner zu der Weiterentwicklung der verwendeten Methoden und Ansätze bei. Der erste Artikel widmet sich zunächst der Betrachtung von extremem Schneefall in der nördlichen Hemisphäre unter dem Einfluss des Klimawandels. Zu diesem Zweck wird ein Ensemble von Projektionen globaler Klimamodelle bis zum Ende des Jahrhunderts analysiert. Die Projektionen zeigen dabei eine Verstärkung von extremen Schneefallereignissen, während die mittlere Schneefallintensität abnimmt. Um indirekte Auswirkungen von Wetterextremen zu erforschen, wird weiterhin das numerische agentenbasierte Modell Acclimate verwendet, welches die Ausbreitung ökonomischer Verlustkaskaden im globalen Versorgungsnetzwerk simuliert. In mehreren sogenannten Storylines werden die Auswirkungen eines historischen Referenzereignisses analysiert und mit den potentiellen Auswirkungen dieses Ereignisses unter plausiblen alternativen klimatischen oder sozioökonomischen Bedingungen verglichen. In dieser Dissertation werden drei zentrale Storylines vorgestellt, die jeweils unterschiedliche Aspekte der Schadensausbreitung von Wetterextremen untersuchen. Im zweiten und dritten Artikel dieser Arbeit werden dazu Storylines für die historischen Hurrikane Sandy (2012) und Harvey (2017) in den USA untersucht. Hierfür werden zunächst die lokalen ökonomischen Verluste durch diese Hurrikane ermittelt, welche als direkte wirtschaftliche Schockereignisse in Acclimate zur Berechnung der globalen Reaktion verwendet werden. Hierbei untersucht die Studie zu Hurricane Sandy globale Konsumpreisanomalien und damit einhergehende Auswirkungen auf das Konsumverhalten. Der direkte Schock löst hier eine wellenartige Veränderung globaler Konsumpreise mit drei Phasen aus, welche aus gegenläufigen Effekte aufwärts und abwärts der Lieferketten resultiert – sogenannten Upstream- und Downstream-Effekten. Zunächst steigt der Konsum aufgrund sinkender Preise durch Upstream-Effekte, bevor Preise aufgrund von Güterknappheit durch Downstream-Effekte wieder ansteigen und der Konsum abfällt. In einer Normalisierungsphase klingen diese Anomalien wieder ab. Ein länger anhaltender direkter wirtschaftlicher Schock verstärkt die Downstream-Phase und führt so in vielen Regionen insgesamt zu einem Konsumverlust. Die entwickelte Methode zur Berechnung direkter Verluste wird im dritten Artikel erweitert, indem Verstärkungen unter dem Einfluss des fortschreitenden Klimawandels berücksichtigt werden. Unter Nutzung dieser verstärkten direkten Verluste wird die Veränderung globaler Produktionsanomalien in Reaktion auf Hurricane Harvey simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die USA bei zunehmender Erwärmung nicht mehr in der Lage sein werden, direkte Produktionsverluste auf nationaler Ebene auszugleichen. Stattdessen muss ein zunehmender Anteil dieser Verluste durch andere, insbesondere exportstarke Länder ausgeglichen werden. Der Anteil kleinerer Regionen an dieser ausgleichenden Produktion nimmt jedoch mit zunehmenden direkten Verlusten zu. Diese Produktionsverschiebungen verdeutlichen die Möglichkeit der globalen Wirtschaft, lokale Katastrophenverluste weitgehend flexibel abzumildern. Gleichzeitig veranschaulichen sie den Wettbewerbsnachteil direkt betroffener Wirtschaftsregionen. Die Storyline im vierten Artikel befasst sich mit dem Einfluss einer globalen wirtschaftlichen Krise auf die Schadensausbreitung von tropischen Wirbelstürmen, Hitzestress und Flussüberschwemmungen weltweit. Hierfür werden die indirekten Auswirkungen dieser Extreme unter dem Einfluss der global reduzierten wirtschaftlichen Aktivität während der Covid-19-Pandemie, sowie bei „normaler“ globaler Wirtschaftsleistung simuliert. Der Vergleich beider Szenarien zeigt bei global gestörter Wirtschaft eine deutliche Verstärkung negativer Konsumauswirkungen durch die simulierten Extreme. Konsumverluste steigen besonders stark in den USA und China an, wo sie sich verdoppeln bzw. verdreifachen. Diese Veränderungen resultieren aus der global verminderten wirtschaftlichen Kapazität, die für den Ausgleich der Produktionsverluste von Wetterextremen zur Verfügung steht. Dies verstärkt die Extremewetter-bedingte Güterknappheit, was zu Preisanstiegen und erhöhten Konsumverlusten führt. Abschließend werden in den letzten beiden Artikeln die in der Arbeit verwendeten Methoden und Ansätze erweitert. Hierfür wird das Modell Acclimate im fünften Artikel weiterentwickelt, indem Konsumenten als rational agierende Agenten modelliert werden. Mit dieser Erweiterung treffen lokale Verbraucher Entscheidungen über die konsumierten Güter so, dass diese den Nutzen eines begrenzten Budgets maximieren. Die entstehende Dynamik kann außerhalb eines wirtschaftlichen Gleichgewichts dazu führen, dass bestimmte Güter temporär trotz erhöhter Preise stärker nachgefragt werden. Der sechste Artikel formalisiert den Storyline-Ansatz und präsentiert einen Leitfaden für die Erstellung von Storylines. Dieser basiert auf den Ergebnissen mehrerer Studien, die diesen Ansatz verfolgen; einschließlich Storylines aus der vorliegenden Arbeit. Es werden insgesamt acht Elemente definiert, anhand derer eine Storyline-Studie erstellt werden kann. Insgesamt trägt diese Arbeit zu einem umfassenderen Verständnis der ökonomischen Auswirkungen von Wetterextremen bei. Hierfür werden lokale Auswirkungen von Extremen unter gegenwärtigen und zukünftigen klimatischen Bedingungen untersucht, sowie wichtige ökonomische Mechanismen und Auswirkungen der resultierenden Schadensausbreitung aufgedeckt. Neben diesen Erkenntnissen werden überdies Weiterentwicklungen der Methoden und Ansätze präsentiert, die weiterführende Analysen ermöglichen. KW - Klimawandel KW - Wetterextreme KW - indirekte ökonomische Effekte KW - makroökonomische Modellierung KW - climate change KW - weather extremes KW - indirect economic impacts KW - macro-economic modelling Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611127 ER -