TY  - THES
A1  - Willner, Sven N.
T1  - Global economic response to flood damages under climate change
T1  - Global-ökonomische Reaktion auf klimabedingte Überschwemmungsschäden
N2  - Climate change affects societies across the globe in various ways. In addition to gradual changes in temperature and other climatic variables, global warming is likely to increase intensity and frequency of extreme weather events.
Beyond biophysical impacts, these also directly affect societal and economic activity. Additionally, indirect effects can occur; spatially, economic losses can spread along global supply-chains; temporally, climate impacts can change the economic development trajectory of countries.
This thesis first examines how climate change alters river flood risk and its local socio-economic implications. Then, it studies the global economic response to river floods in particular, and to climate change in general.
Changes in high-end river flood risk are calculated for the next three decades on a global scale with high spatial resolution. In order to account for uncertainties, this assessment makes use of an ensemble of climate and hydrological models as well as a river routing model, that is found to perform well regarding peak river discharge. The results show an increase in high-end flood risk in many parts of the world, which require profound adaptation efforts. This pressure to adapt is measured as the enhancement in protection level necessary to stay at historical high-end risk. In developing countries as well as in industrialized regions, a high pressure to adapt is observed - the former to increase low protection levels, the latter to maintain the low risk levels perceived in the past.
Further in this thesis, the global agent-based dynamic supply-chain model acclimate is developed. It models the cascading of indirect losses in the global supply network. As an anomaly model its agents - firms and consumers - maximize their profit locally to respond optimally to local perturbations. Incorporating quantities as well as prices on a daily basis, it is suitable to dynamically resolve the impacts of unanticipated climate extremes.
The model is further complemented by a static measure, which captures the inter-dependencies between sectors across regions that are only connected indirectly. These higher-order dependencies are shown to be important for a comprehensive assessment of loss-propagation and overall costs of local disasters.
In order to study the economic response to river floods, the acclimate model is driven by flood simulations. Within the next two decades, the increase in direct losses can only partially be compensated by market adjustments, and total losses are projected to increase by 17% without further adaptation efforts. The US and the EU are both shown to receive indirect losses from China, which is strongly affected directly. However, recent trends in the trade relations leave the EU in a better position to compensate for these losses.
Finally, this thesis takes a broader perspective when determining the investment response to the climate change damages employing the integrated assessment model DICE. On an optimal economic development path, the increase in damages is anticipated as emissions and consequently temperatures increase. This leads to a significant devaluation of investment returns and the income losses from climate damages almost double.
Overall, the results highlight the need to adapt to extreme weather events - local physical adaptation measures have to be combined with regional and global policy measures to prepare the global supply-chain network to climate change.
N2  - Der Klimawandel betrifft Gesellschaften weltweit auf verschiedenste Weise. Neben graduellen Veränderungen der Temperatur und anderer klimatischer Variablen werden wahrscheinlich auch die Intensität und die Häufigkeit von Extremwetterereignissen zunehmen. Diese beeinflussen neben ihren bio-physikalischen Auswirkungen auch unmittelbar die gesellschaftliche und wirtschaftliche Aktivität. Zusätzlich können indirekte Effekte auftreten: Die räumliche Dimension umfasst die Ausbreitung wirtschaftlicher Schäden entlang globaler Versorgungsketten, zeitlich betrachtet können Klimaauswirkungen die wirtschaftlichen Entwicklungspfade von Ländern prägen.
Die vorliegende Dissertation widmet sich zunächst der Frage, wie sich (Fluss-)Hochwasserrisiken und ihre gesellschaftlichen sowie wirtschaftlichen Implikationen durch den Klimawandel verändern. Weiterhin wird die Reaktionsdynamik des globalen ökonomischen Systems auf Klimawandel im Allgemeinen und auf Überschwemmungsereignisse an Flüssen im Speziellen untersucht.
So werden die Risiken von schweren Fluss-Überschwemmungen für die nächsten drei Jahrzehnte global mit hoher räumlicher Auflösung berechnet. Zur Berücksichtigung von Unsicherheiten wird dabei auf ein Ensemble von Klima- und hydrologischen Modellen zurückgegriffen. Dabei werden die hydrologischen Modelle mit einem Flussverteilungsmodel, das die verbesserte Abbildung von Extrempegelständen an Flüssen ermöglicht, kombiniert. Die Berechnungen zeigen einen Anstieg des Überschwemmungsrisikos für weite Teile der Erde. Der damit einhergehende Anpassungsdruck wird in dieser Studie als Anpassung des Schutzniveaus berechnet, die notwendig ist, um das bestehende Überschwemmungsrisiko beizubehalten. Ein hoher Anpassungsdruck besteht dabei sowohl in Entwicklungs- als auch in Industriestaaten. Während in Ersteren oft erst adäquate Hochwasserschutzmaßnahmen ergriffen werden müssen, müssen Letztere oft ihr aktuelles Schutzniveau ausbauen.
Weiterhin wird in der vorliegenden Arbeit das globale, agenten-basierte und dynamische Modell acclimate entwickelt, welches Kaskaden von indirekten ökonomischen Schäden im globalen Versorgungsnetzwerk modelliert. Acclimate ist als Anomalienmodell angelegt, dessen Agenten - Firmen und Konsumenten - durch Profitmaximierung versuchen, optimal auf lokale Störungen zu reagieren. Da das Modell sowohl Warenströme als auch die zugehörigen Preise nach Tagen aufgelöst abbildet, ist es besonders gut geeignet, die kurzfristigen ökonomischen Auswirkungen unvorhergesehener Klimaextreme zu beschreiben. Das dynamische Modell wird ergänzt durch ein neues statisches Maß, das die Abhängigkeiten zwischen regionalen Sektoren beschreibt. Dabei werden nicht nur die direkten Handelsverbindungen betrachtet, sondern auch solche höherer Ordnung. Es zeigt sich, dass diese für eine umfassende Abschätzung der Schadenskaskaden und damit der Gesamtkosten lokaler Extremereignisse nicht vernachlässigt werden dürfen.
Zur Untersuchung der ökonomischen Reaktionsdynamik auf Hochwasserereignisse wird das acclimate-Modell für Simulationen von Flussüberschwemmungen angewandt. Bis zum Jahr 2035 wird dabei ein Anstieg des direkten Schadens prognostiziert. Dieser kann nur teilweise durch Marktmechanismen ausgeglichen werden, so dass die Gesamtschäden weltweit um 17% zunehmen - sofern keine zusätzlichen Anpassungsmaßnahmen getroffen werden. Für die USA und die EU zeigt sich, dass diese durch ihre Handelsverbindungen insbesondere zu China indirekt betroffen sind, da China starke direkte Flussüberflutungen zu erwarten hat. Die Entwicklungen der globalen Handelsbeziehungen in den letzten Jahren versetzen die EU jedoch in die Lage einen zunehmenden Teil dieser Verluste auszugleichen.
In einem weiter gefassten Ansatz wird schlussendlich die Änderung des Investitionsverhaltens aufgrund der Schäden durch Klimawandel unter Zuhilfenahme des ökonomischen Wachstumsmodells DICE untersucht. Es lässt sich festhalten, dass auf einem optimalen ökonomischen Entwicklungspfad die Zunahme der Schäden bereits antizipiert wird, wenn Emissionen und dem darauf folgend die Temperatur ansteigen. Dies führt zu einer signifikanten Abwertung von Kapitalerträgen, was die direkten Verluste durch Klimaschäden nahezu verdoppelt.
Insgesamt unterstreichen die Ergebnisse dieser Arbeit die Notwendigkeit der Anpassung an klimabedingte Extremwetterereignisse. Dazu müssen lokale, physikalische Anpassungsmaßnahmen durch regionale und globale Politikinstrumente ergänzt werden, um das globale Versorgungsnetzwerk adäquat auf den Klimawandel vorzubereiten.
KW  - climate change
KW  - river floods
KW  - higher-order effects
KW  - economic network
KW  - climate impacts
KW  - Klimawandel
KW  - Überschwemmungen
KW  - Wirtschaftsnetzwerk
Y1  - 2018
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TY  - THES
A1  - Hesse, Cornelia
T1  - Integrated water quality modelling in meso- to large-scale catchments of the Elbe river basin under climate and land use change
T1  - Integrierte Gewässergütemodellierung in mittel- bis großskaligen Einzugsgebieten der Elbe unter dem Einfluss von Klima- und Landnutzungsänderungen
N2  - In einer sich ändernden Umwelt sind Fließgewässerökosysteme vielfältigen direkten und indirekten anthropogenen Belastungen ausgesetzt, die die Gewässer sowohl in ihrer Menge als auch in ihrer Güte beeinträchtigen können. Ein übermäßiger Eintrag von Nährstoffen verursacht etwa Massenentwicklungen von Algen und Sauerstoffdefizite in den Gewässern, was zum Verfehlen der Ziele der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) führen kann. In vielen europäischen Einzugsgebieten und auch dem der Elbe sind solche Probleme zu beobachten.
Während der letzten Jahrzehnte entstanden diverse computergestützte Modelle, die zum Schutz und Management von Wasserressourcen genutzt werden können. Sie helfen beim Verstehen der Nährstoffprozesse und Belastungspfade in Einzugsgebieten, bei der Abschätzung möglicher Folgen von Klima- und Landnutzungsänderungen für die Wasserkörper, sowie bei der Entwicklung eventueller Kompensationsmaßnahmen. Aufgrund der Vielzahl an sich gegenseitig beeinflussenden Prozessen ist die Modellierung der Wasserqualität komplexer und aufwändiger als eine reine hydrologische Modellierung. Ökohydrologische Modelle zur Simulation der Gewässergüte, einschließlich des Modells SWIM (Soil and Water Integrated Model), bedürfen auch häufig noch einer Weiterentwicklung und Verbesserung der Prozessbeschreibungen.
Aus diesen Überlegungen entstand die vorliegende Dissertation, die sich zwei Hauptanliegen widmet: 1) einer Weiterentwicklung des Nährstoffmoduls des ökohydrologischen Modells SWIM für Stickstoff- und Phosphorprozesse, und 2) der Anwendung des Modells SWIM im Elbegebiet zur Unterstützung eines anpassungsfähigen Wassermanagements im Hinblick auf mögliche zukünftige Änderungen der Umweltbedingungen. Die kumulative Dissertation basiert auf fünf wissenschaftlichen Artikeln, die in internationalen Zeitschriften veröffentlicht wurden.
Im Zuge der Arbeit wurden verschiedene Modellanpassungen in SWIM vorgenommen, wie etwa ein einfacher Ansatz zur Verbesserung der Simulation der Wasser- und Nährstoffverhältnisse in Feuchtgebieten, ein um Ammonium erweiterter Stickstoffkreislauf im Boden, sowie ein Flussprozessmodul, das Umwandlungsprozesse, Sauerstoffverhältnisse und Algenwachstum im Fließgewässer simuliert, hauptsächlich angetrieben von Temperatur und Licht. Auch wenn dieser neue Modellansatz ein sehr komplexes Modell mit einer Vielzahl an neuen Kalibrierungsparametern und steigender Unsicherheit erzeugte, konnten gute Ergebnisse in den Teileinzugsgebieten und dem gesamten Gebiet der Elbe erzielt werden, so dass das Modell zur Abschätzung möglicher Folgen von Klimavariabilitäten und veränderten anthropogenen Einflüssen für die Gewässergüte genutzt werden konnte. 
Das neue Fließgewässermodul ist ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Nährstoffmodellierung in SWIM, vor allem für Stoffe, die hauptsächlich aus Punktquellen in die Gewässer gelangen (wie z.B. Phosphat). Der neue Modellansatz verbessert zudem die Anwendbarkeit von SWIM für Fragestellungen im Zusammenhang mit der WRRL, bei der biologische Qualitätskomponenten (wie etwa Phytoplankton) eine zentrale Rolle spielen. Die dargestellten Ergebnisse der Wirkungsstudien können bei Entscheidungsträgern und anderen Akteuren das Verständnis für zukünftige Herausforderungen im Gewässermanagement erhöhen und dazu beitragen, ein angepasstes Management für das Elbeeinzugsgebiet zu entwickeln.
N2  - In a changing world facing several direct or indirect anthropogenic challenges the freshwater resources are endangered in quantity and quality. An excessive supply of nutrients, for example, can cause disproportional phytoplankton development and oxygen deficits in large rivers, leading to failure of the aims requested by the Water Framework Directive (WFD). Such problems can be observed in many European river catchments including the Elbe basin, and effective measures for improving water quality status are highly appreciated.
In water resources management and protection, modelling tools can help to understand the dominant nutrient processes and to identify the main sources of nutrient pollution in a watershed. They can be effective instruments for impact assessments investigating the effects of changing climate or socio-economic conditions on the status of surface water bodies, and for testing the usefulness of possible protection measures. Due to the high number of interrelated processes, ecohydrological model approaches containing water quality components are more complex than the pure hydrological ones, and their setup and calibration require more efforts. Such models, including the Soil and Water Integrated Model (SWIM), still need some further development and improvement.
Therefore, this cumulative dissertation focuses on two main objectives: 1) the approach-related objectives aiming in the SWIM model improvement and further development regarding nutrient (nitrogen and phosphorus) process description, and 2) the application-related objectives in meso- to large-scale Elbe river basins to support adaptive river basin management in view of possible future changes. The dissertation is based on five scientific papers published in international journals and dealing with these research questions.
Several adaptations were implemented in the model code to improve the representation of nutrient processes including a simple wetland approach, an extended by ammonium nitrogen cycle in the soils, as well as a detailed in-stream module, simulating algal growth, nutrient transformation processes and oxygen conditions in the river reaches, mainly driven by water temperature and light. Although this new approaches created a highly complex ecohydrological model with a large number of additional calibration parameters and rising uncertainty, the calibration and validation of the SWIM model enhanced by the new approaches in selected subcatchment and the entire Elbe river basin delivered satisfactory to good model results in terms of criteria of fit. Thus, the calibrated and validated model provided a sound base for the assessment of possible future changes and impacts in climate, land use and management in the Elbe river (sub)basin(s).
The new enhanced modelling approach improved the applicability of the SWIM model for the WFD related research questions, where the ability to consider biological water quality components (such as phytoplankton) is important. It additionally enhanced its ability to simulate the behaviour of nutrients coming mainly from point sources (e.g. phosphate phosphorus). Scenario results can be used by decision makers and stakeholders to find and understand future challenges and possible adaptation measures in the Elbe river basin.
KW  - Elbe
KW  - SWIM
KW  - Wassergütemodellierung
KW  - water quality modelling
KW  - Nährstoffe
KW  - nutrients
KW  - Nährstoffretention
KW  - nutrient retention
KW  - Flussprozesse
KW  - in-stream processes
KW  - climate change
KW  - land use change
KW  - Klimaänderung
KW  - Landnutzungsänderung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422957
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TY  - THES
A1  - Smith, Taylor
T1  - Decadal changes in the snow regime of High Mountain Asia, 1987-2016
T1  - Veränderungen in der Schnee-Regen-Bilanz auf dekadischen Zeitskalen im 
zentralasiatischen Hochgebirge (1987-2016)
N2  - More than a billion people rely on water from rivers sourced in High Mountain Asia (HMA), a significant portion of which is derived from snow and glacier melt. Rural communities are heavily dependent on the consistency of runoff, and are highly vulnerable to shifts in their local environment brought on by climate change. Despite this dependence, the impacts of climate change in HMA remain poorly constrained due to poor process understanding, complex terrain, and insufficiently dense in-situ measurements. 

HMA's glaciers contain more frozen water than any region outside of the poles. Their extensive retreat is a highly visible and much studied marker of regional and global climate change. However, in many catchments, snow and snowmelt represent a much larger fraction of the yearly water budget than glacial meltwaters. Despite their importance, climate-related changes in HMA's snow resources have not been well studied. 

Changes in the volume and distribution of snowpack have complex and extensive impacts on both local and global climates. Eurasian snow cover has been shown to impact the strength and direction of the Indian Summer Monsoon -- which is responsible for much of the precipitation over the Indian Subcontinent -- by modulating earth-surface heating. Shifts in the timing of snowmelt have been shown to limit the productivity of major rangelands, reduce streamflow, modify sediment transport, and impact the spread of vector-borne diseases. However, a large-scale regional study of climate impacts on snow resources had yet to be undertaken.

Passive Microwave (PM) remote sensing is a well-established empirical method of studying snow resources over large areas. Since 1987, there have been consistent daily global PM measurements which can be used to derive an estimate of snow depth, and hence snow-water equivalent (SWE) -- the amount of water stored in snowpack. The SWE estimation algorithms were originally developed for flat and even terrain -- such as the Russian and Canadian Arctic -- and have rarely been used in complex terrain such as HMA. 

This dissertation first examines factors present in HMA that could impact the reliability of SWE estimates. Forest cover, absolute snow depth, long-term average wind speeds, and hillslope angle were found to be the strongest controls on SWE measurement reliability. While forest density and snow depth are factors accounted for in modern SWE retrieval algorithms, wind speed and hillslope angle are not. Despite uncertainty in absolute SWE measurements and differences in the magnitude of SWE retrievals between sensors, single-instrument SWE time series were found to be internally consistent and suitable for trend analysis.

Building on this finding, this dissertation tracks changes in SWE across HMA using a statistical decomposition technique. An aggregate decrease in SWE was found (10.6 mm/yr), despite large spatial and seasonal heterogeneities. Winter SWE increased in almost half of HMA, despite general negative trends throughout the rest of the year. The elevation distribution of these negative trends indicates that while changes in SWE have likely impacted glaciers in the region, climate change impacts on these two pieces of the cryosphere are somewhat distinct.

Following the discussion of relative changes in SWE, this dissertation explores changes in the timing of the snowmelt season in HMA using a newly developed algorithm. The algorithm is shown to accurately track the onset and end of the snowmelt season (70% within 5 days of a control dataset, 89% within 10). Using a 29-year time series, changes in the onset, end, and duration of snowmelt are examined. While nearly the entirety of HMA has experienced an earlier end to the snowmelt season, large regions of HMA have seen a later start to the snowmelt season. Snowmelt periods have also decreased in almost all of HMA, indicating that the snowmelt season is generally shortening and ending earlier across HMA. 

By examining shifts in both the spatio-temporal distribution of SWE and the timing of the snowmelt season across HMA, we provide a detailed accounting of changes in HMA's snow resources. The overall trend in HMA is towards less SWE storage and a shorter snowmelt season. However, long-term and regional trends conceal distinct seasonal, temporal, and spatial heterogeneity, indicating that changes in snow resources are strongly controlled by local climate and topography, and that inter-annual variability plays a significant role in HMA's snow regime.
N2  - Mehr als eine Milliarde Menschen ist von Wasser aus Flüssen, welche im Hochgebirge Asiens (HA) entspringen, abhängig. Diese werden, im Wesentlichen durch Schmelzwasser von Schnee und Gletschern gespeist. Gemeinden auf dem Land sind im hohem Maße auf die Beständigkeit des Wasserabflusses angewiesen, und folglich stark anfällig für durch Klimawandel hervorgerufene Veränderungen der Umwelt auf regionaler Ebene. Der extensive Gletscherrückzug ist ein deutlich sichtbarer und weitgehend erforschter Marker für den Klimawandel auf regionaler und globaler Ebene. In vielen Einzugsgebieten machen jedoch Schnee und Schneeschmelzen einen sehr viel größeren Anteil des jährlichen Wasserbudgets aus also Gletscherschmelzwasser. Dennoch sind die klimaabhängigen Veränderungen auf Schneeressourcen im HA nicht ausreichend untersucht.

Passive Mikrowellenradiometer (PM) basierte Fernerkundung ist eine etablierte empirische Methode zur Untersuchung von Schneeressourcen in weit ausgedehnten Gebieten. Seit 1987 wurden täglich konsistente PM Messungen auf globaler Ebene durchgeführt, die zur Abschätzung der Schneehöhe verwendet werden können, und folglich den Anteil des Wassers in der Schneemasse wiederspiegeln – das Schneewasser Äquivalent (SWE). 

In dieser Studie die lokalen Veränderungen des SWE über dem gesamten HA untersucht. Trotz großer räumlicher und saisonaler Heterogenität, wurde eine Gesamtverringerung des SWE (10,6 mm/yr) festgestellt. Im Winter jedoch hat das SWE in etwa 50% des HAs trotz der negativen Trends im restlichen Verlauf des Jahres zugenommen. Wie aus der Diskussion über die relativen Veränderungen im SWE hervorgeht, wird in dieser Studie mithilfe eines neuentwickelten Algorithmus die Untersuchung der Veränderungen des Zeitlichen einsetzen der Schneeschmelzperiode im HA. Während im nahezu gesamten Gebiet des HA das Ende Schneeschmelzsaison verfrüht einsetzt, so ist in der Hälfte des Gebietes der Begin dieser nach hinten verschoben. Die Schneeschmelzperioden haben im so gut wie gesamten Gebiet des HA abgenommen, was darauf hindeutet dass sich diese über dem gesamten HA generell verkürzt haben und frühzeitig beendet werden.

Durch die Untersuchung der räumlich-zeitlichen Verteilung der Schneevolumens und des Schneeschmelzperioden im gesamten HA konnten wir eine lückenlose Bilanz der Veränderungen der Schneeressourcen im HA erstellen. Der allgemeine Trend zeigt eine geringere Speicherung des SWE und kürzere Schneeschmelzperioden im gesamten HA. Langfristige und regionale Trends überdecken jedoch verschiedene  saisonale, temporäre und räumliche Heterogenität, was wiederum zeigt dass Veränderungen der Schneebedeckung stark von lokalem Klima und der Topographie abhängen, und dass jährliche Schwankungen zu einem erheblichen Anteil zum Schneeregime des HA beitragen.
KW  - climate change
KW  - snow
KW  - remote sensing
KW  - Schnee
KW  - Klimawandel
KW  - Fernerkundung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407120
ER  -