TY  - THES
A1  - Nitze, Ingmar
T1  - Remote sensing of rapid permafrost landscape dynamics
Y1  - 2017
ER  - 
TY  - THES
A1  - Irrgang, Anna Maria
T1  - Temporal and spatial dynamics of Arctic coastal changes and the resulting impacts: Yukon Territory, Canada
Y1  - 2017
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TY  - THES
A1  - Murawski, Aline
T1  - Trends in precipitation over Germany and the Rhine basin related to changes in weather patterns
T1  - Zeitliche Veränderungen im Niederschlag über Deutschland und dem
Rheineinzugsgebiet in Zusammenhang mit Wetterlagen
N2  - Niederschlag als eine der wichtigsten meteorologischen Größen für Landwirtschaft, Wasserversorgung und menschliches Wohlbefinden hat schon immer erhöhte Aufmerksamkeit erfahren. Niederschlagsmangel kann verheerende Auswirkungen haben, wie z.B. Missernten und Wasserknappheit. Übermäßige Niederschläge andererseits bergen jedoch ebenfalls Gefahren in Form von Hochwasser oder Sturzfluten und wiederum Missernten. Daher wurde viel Arbeit in die Detektion von Niederschlagsänderungen und deren zugrundeliegende Prozesse gesteckt. Insbesondere angesichts von Klimawandel und unter Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und atmosphärischer Wasserhaltekapazität, ist großer Bedarf an Forschung zum Verständnis der Auswirkungen von Klimawandel auf Niederschlagsänderungen gegeben.

Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, vergangene Veränderungen in Niederschlag und anderen meteorologischen Variablen zu verstehen. Für verschiedene Zeiträume wurden Tendenzen gefunden und mit entsprechenden Veränderungen in der großskaligen atmosphärischen Zirkulation in Zusammenhang gebracht. Die Ergebnisse dieser Arbeit können als Grundlage für die Attributierung von Hochwasserveränderungen zu Klimawandel genutzt werden. Die Annahmen für die Maßstabsverkleinerung („Downscaling“) der Daten von großskaligen Zirkulationsmodellen auf die lokale Skala wurden hier getestet und verifziert.

In einem ersten Schritt wurden Niederschlagsveränderungen in Deutschland analysiert. Dabei lag der Fokus nicht nur auf Niederschlagssummen, sondern auch auf Eigenschaften der statistischen Verteilung, Übergangswahrscheinlichkeiten als Maß für Trocken- und Niederschlagsperioden und Extremniederschlagsereignissen. Den räumlichen Fokus auf das Rheineinzugsgebiet, das größte Flusseinzugsgebiet Deutschlands und einer der Hauptwasserwege Europas, verlagernd, wurden nachgewiesene Veränderungen in Niederschlag und anderen meteorologischen Größen in Bezug zu einer „optimierten“ Wetterlagenklassifikation analysiert. Die Wetterlagenklassifikation wurde unter der Maßgabe entwickelt, die Varianz des lokalen Klimas bestmöglich zu erklären. Die letzte hier behandelte Frage dreht sich darum, ob die beobachteten Veränderungen im lokalen Klima eher Häufigkeitsänderungen der Wetterlagen zuzuordnen sind oder einer Veränderung der Wetterlagen selbst. Eine gebräuchliche Annahme für einen Downscaling-Ansatz mit Hilfe von Wetterlagen und einem stochastischen Wettergenerator ist, dass Klimawandel sich allein durch eine Veränderung der Häufigkeit von Wetterlagen ausdrückt, die Eigenschaften der Wetterlagen dabei jedoch konstant bleiben. Diese Annahme wurde überprüft und die Fähigkeit der neuesten Generation von Zirkulationsmodellen, diese Wetterlagen zu reproduzieren, getestet.

Niederschlagsveränderungen in Deutschland im Zeitraum 1951–2006 lassen sich zusammenfassen als negativ im Sommer und positiv in allen anderen Jahreszeiten. Verschiedene Niederschlagscharakteristika bestätigen die Tendenz in den Niederschlagssummen: während mittlere und extreme Niederschlagstageswerte im Winter zugenommen haben, sind auch zusammenhängende Niederschlagsperioden länger geworden (ausgedrückt als eine gestiegene Wahrscheinlichkeit für einen Tag mit Niederschlag gefolgt von einem weiteren nassen Tag). Im Sommer wurde das Gegenteil beobachtet: gesunkene Niederschlagssummen, untermauert von verringerten Mittel- und Extremwerten und längeren Trockenperioden. Abseits dieser allgemeinen Zusammenfassung für das gesamte Gebiet Deutschlands, ist die räumliche Verteilung von Niederschlagsveränderungen deutlich heterogener. Vermehrter Niederschlag im Winter wurde hauptsächlich im Nordwesten und Südosten Deutschlands beobachtet, während im Frühling die stärksten Veränderungen im Westen und im Herbst im Süden aufgetreten sind. Das saisonale Bild wiederum löst sich für die zugehörigen Monate auf, z.B. setzt sich der Anstieg im Herbstniederschlag aus deutlich vermehrtem Niederschlag im Südwesten im Oktober und im Südosten im November zusammen. Diese Ergebnisse betonen die starken räumlichen Zusammenhänge der Niederschlagsänderungen.
Der nächste Schritt hinsichtlich einer Zuordnung von Niederschlagsveränderungen zu Änderungen in großskaligen Zirkulationsmustern, war die Ableitung einer Wetterlagenklassifikation, die die betrachteten lokalen Klimavariablen hinreichend stratifizieren kann. Fokussierend auf Temperatur, Globalstrahlung und Luftfeuchte zusätzlich zu Niederschlag, wurde eine Klassifikation basierend auf Luftdruck, Temperatur und spezifischer Luftfeuchtigkeit als am besten geeignet erachtet, die Varianz der lokalen Variablen zu erklären. Eine vergleichsweise hohe Anzahl von 40 Wetterlagen wurde ausgewählt, die es erlaubt, typische Druckmuster durch die zusätzlich verwendete Temperaturinformation einzelnen Jahreszeiten zuzuordnen. Während die Fähigkeit, Varianz im Niederschlag zu erklären, relativ gering ist, ist diese deutlich besser für Globalstrahlung und natürlich Temperatur. Die meisten der aktuellen Zirkulationsmodelle des CMIP5-Ensembles sind in der Lage, die Wetterlagen hinsichtlich Häufigkeit, Saisonalität und Persistenz hinreichend gut zu reproduzieren.

Schließlich wurden dieWetterlagen bezüglich Veränderungen in ihrer Häufigkeit, Saisonalität und Persistenz, sowie der Wetterlagen-spezifischen Niederschläge und Temperatur, untersucht. Um Unsicherheiten durch die Wahl eines bestimmten Analysezeitraums auszuschließen, wurden alle möglichen Zeiträume mit mindestens 31 Jahren im Zeitraum 1901–2010 untersucht. Dadurch konnte die Annahme eines konstanten Zusammenhangs zwischen Wetterlagen und lokalem Wetter gründlich überprüft werden. Es wurde herausgefunden, dass diese Annahme nur zum Teil haltbar ist. Während Veränderungen in der Temperatur hauptsächlich auf Veränderungen in der Wetterlagenhäufigkeit zurückzuführen sind, wurde für Niederschlag ein erheblicher Teil von Veränderungen innerhalb einzelner Wetterlagen gefunden. Das Ausmaß und sogar das Vorzeichen der Veränderungen hängt hochgradig vom untersuchten Zeitraum ab. Die Häufigkeit einiger Wetterlagen steht in direkter Beziehung zur langfristigen Variabilität großskaliger Zirkulationsmuster.

Niederschlagsveränderungen variieren nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich – Aussagen über Tendenzen sind nur in Bezug zum jeweils untersuchten Zeitraum gültig. Während ein Teil der Veränderungen auf Änderungen der großskaligen Zirkulation zurückzuführen ist, gibt es auch deutliche Veränderungen innerhalb einzelner Wetterlagen. Die Ergebnisse betonen die Notwendigkeit für einen sorgfältigen Nachweis von Veränderungen möglichst verschiedene Zeiträume zu untersuchen und mahnen zur Vorsicht bei der Anwendung von Downscaling-Ansätzen mit Hilfe von Wetterlagen, da diese die Auswirkungen von Klimaveränderungen durch das Vernachlässigen von Wetterlagen-internen Veränderungen falsch einschätzen könnten.
N2  - Precipitation as the central meteorological feature for agriculture, water security, and human well-being amongst others, has gained special attention ever since. Lack of precipitation may have devastating effects such as crop failure and water scarcity. Abundance of precipitation, on the other hand, may as well result in hazardous events such as flooding and again crop failure. Thus, great effort has been spent on tracking changes in precipitation and relating them to underlying processes. Particularly in the face of global warming and given the link between temperature and atmospheric water holding capacity, research is needed to understand the effect of climate change on precipitation.

The present work aims at understanding past changes in precipitation and other meteorological variables. Trends were detected for various time periods and related to associated changes in large-scale atmospheric circulation. The results derived in this thesis may be used as the foundation for attributing changes in floods to climate change. Assumptions needed for the downscaling of large-scale circulation model output to local climate stations are tested and verified here.

In a first step, changes in precipitation over Germany were detected, focussing not only on precipitation totals, but also on properties of the statistical distribution, transition probabilities as a measure for wet/dry spells, and extreme precipitation events.
Shifting the spatial focus to the Rhine catchment as one of the major water lifelines of Europe and the largest river basin in Germany, detected trends in precipitation and other meteorological variables were analysed in relation to states of an ``optimal'' weather pattern classification. The weather pattern classification was developed seeking the best skill in explaining the variance of local climate variables.
The last question addressed whether observed changes in local climate variables are attributable to changes in the frequency of weather patterns or rather to changes within the patterns itself. A common assumption for a downscaling approach using weather patterns and a stochastic weather generator is that climate change is expressed only as a changed occurrence of patterns with the pattern properties remaining constant. This assumption was validated and the ability of the latest generation of general circulation models to reproduce the weather patterns was evaluated.

% Paper 1
Precipitation changes in Germany in the period 1951-2006 can be summarised briefly as negative in summer and positive in all other seasons. Different precipitation characteristics confirm the trends in total precipitation: while winter mean and extreme precipitation have increased, wet spells tend to be longer as well (expressed as increased probability for a wet day followed by another wet day). For summer the opposite was observed: reduced total precipitation, supported by decreasing mean and extreme precipitation and reflected in an increasing length of dry spells.
Apart from this general summary for the whole of Germany, the spatial distribution within the country is much more differentiated. Increases in winter precipitation are most pronounced in the north-west and south-east of Germany, while precipitation increases are highest in the west for spring and in the south for autumn. Decreasing summer precipitation was observed in most regions of Germany, with particular focus on the south and west.
The seasonal picture, however, was again differently represented in the contributing months, e.g.\ increasing autumn precipitation in the south of Germany is formed by strong trends in the south-west in October and in the south-east in November. These results emphasise the high spatial and temporal organisation of precipitation changes.

% Paper 2
The next step towards attributing precipitation trends to changes in large-scale atmospheric patterns was the derivation of a weather pattern classification that sufficiently stratifies the local climate variables under investigation. Focussing on temperature, radiation, and humidity in addition to precipitation, a classification based on mean sea level pressure, near-surface temperature, and specific humidity was found to have the best skill in explaining the variance of the local variables. A rather high number of 40 patterns was selected, allowing typical pressure patterns being assigned to specific seasons by the associated temperature patterns. While the skill in explaining precipitation variance is rather low, better skill was achieved for radiation and, of course, temperature.
Most of the recent GCMs from the CMIP5 ensemble were found to reproduce these weather patterns sufficiently well in terms of frequency, seasonality, and persistence.

% Paper 3
Finally, the weather patterns were analysed for trends in pattern frequency, seasonality, persistence, and trends in pattern-specific precipitation and temperature. To overcome uncertainties in trend detection resulting from the selected time period, all possible periods in 1901-2010 with a minimum length of 31 years were considered. Thus, the assumption of a constant link between patterns and local weather was tested rigorously. This assumption was found to hold true only partly. While changes in temperature are mainly attributable to changes in pattern frequency, for precipitation a substantial amount of change was detected within individual patterns.
Magnitude and even sign of trends depend highly on the selected time period. The frequency of certain patterns is related to the long-term variability of large-scale circulation modes. 

Changes in precipitation were found to be heterogeneous not only in space, but also in time - statements on trends are only valid for the specific time period under investigation. While some part of the trends can be attributed to changes in the large-scale circulation, distinct changes were found within single weather patterns as well.
The results emphasise the need to analyse multiple periods for thorough trend detection wherever possible and add some note of caution to the application of downscaling approaches based on weather patterns, as they might misinterpret the effect of climate change due to neglecting within-type trends.
KW  - precipitation
KW  - weather pattern
KW  - trend analyses
KW  - Niederschlag
KW  - Wetterlagen
KW  - Trendanalysen
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-412725
ER  - 
TY  - THES
A1  - Golly, Antonius
T1  - Formation and evolution of channel steps and their role for sediment dynamics in a steep mountain stream
T1  - Formation und Evolution von Bachstufen und ihr Einfluss auf die Sedimentdynamik eines steilen Gebirgseinzugsgebietes
N2  - Steep mountain channels are an important component of the fluvial system. On geological timescales, they shape mountain belts and counteract tectonic uplift by erosion. Their channels are strongly coupled to hillslopes and they are often the main source of sediment transported downstream to low-gradient rivers and to alluvial fans, where commonly settlements in mountainous areas are located. Hence, mountain streams are the cause for one of the main natural hazards in these regions. Due to climate change and a pronounced populating of mountainous regions the attention given to this threat is even growing. Although quantitative studies on sediment transport have significantly advanced our knowledge on measuring and calibration techniques we still lack studies of the processes within mountain catchments. Studies examining the mechanisms of energy and mass exchange on small temporal and spatial scales in steep streams remain sparse in comparison to low-gradient alluvial channels. 

In the beginning of this doctoral project, a vast amount of experience and knowledge of a steep stream in the Swiss Prealps had to be consolidated in order to shape the principal aim of this research effort. It became obvious, that observations from within the catchment are underrepresented in comparison to experiments performed at the catchment’s outlet measuring fluxes and the effects of the transported material. To counteract this imbalance, an examination of mass fluxes within the catchment on the process scale was intended. Hence, this thesis is heavily based on direct field observations, which are generally rare in these environments in quantity and quality. The first objective was to investigate the coupling of the channel with surrounding hillslopes, the major sources of sediment. This research, which involved the monitoring of the channel and adjacent hillslopes, revealed that alluvial channel steps play a key role in coupling of channel and hillslopes. The observations showed that hillslope stability is strongly associated with the step presence and an understanding of step morphology and stability is therefore crucial in understanding sediment mobilization. This finding refined the way we think about the sediment dynamics in steep channels and motivated continued research of the step dynamics. However, soon it became obvious that the technological basis for developing field tests and analyzing the high resolution geometry measured in the field was not available. Moreover, for many geometrical quantities in mountain channels definitions and a clear scientific standard was not available. For example, these streams are characterized by a high spatial variability of the channel banks, preventing straightforward calculations of the channel width without a defined reference. Thus, the second and inevitable part of this thesis became the development and evaluation of scientific tools in order to investigate the geometrical content of the study reach thoroughly. The developed framework allowed the derivation of various metrics of step and channel geometry which facilitated research on the a large data set of observations of channel steps. In the third part, innovative, physically-based metrics have been developed and compared to current knowledge on step formation, suggested in the literature. With this analyses it could be demonstrated that the formation of channel steps follow a wide range of hydraulic controls. Due to the wide range of tested parameters channel steps observed in a natural stream were attributed to different mechanisms of step formation, including those based on jamming and those based on key-stones. This study extended our knowledge on step formation in a steep stream and harmonized different, often time seen as competing, processes of step formation. This study was based on observations collected at one point in time. In the fourth part of this project, the findings of the snap-shot observations were extended in the temporal dimension and the derived concepts have been utilized to investigate reach-scale step patterns in response to large, exceptional flood events. The preliminary results of this work based on the long-term analyses of 7 years of long profile surveys showed that the previously observed channel-hillslope mechanism is the responsible for the short-term response of step formation. 

The findings of the long-term analyses of step patterns drew a bow to the initial observations of a channel-hillslope system which allowed to join the dots in the dynamics of steep stream. Thus, in this thesis a broad approach has been chosen to gain insights into the complex system of steep mountain rivers. The effort includes in situ field observations (article I), the development of quantitative scientific tools (article II), the reach-scale analyses of step-pool morphology (article III) and its temporal evolution (article IV). With this work our view on the processes within the catchment has been advanced towards a better mechanistic understanding of these fluvial system relevant to improve applied scientific work.
N2  - Gebirgsbäche sind stark gekoppelt mit angrenzenden Hängen, welche eine Hauptquelle von Sediment darstellen. Dieses Sediment wird durch erosive Prozesse weiter im fluvialen System stromabwärts transportiert, häufig auch in Bereiche alpiner Besiedlung. Das transportierte Sediment kann dort verheerende Schäden an Gebäuden und Infrastruktur anrichten. Daher stellen Gebirgsbäche eine Hauptursache für Naturgefahren in steilen Regionen dar, welche durch den Wandel des Klimas und die fortschreitende Besiedlung durch den Menschen noch verstärkt werden. Wenngleich quantitative Studien unser Wissen über Mess- und Kalibrierungstechniken zur Erfassung von Sedimenttransport erweitert haben, so sind doch viele Prozesse innerhalb der Einzugsgebiete in Hinblick auf Erosion und Sedimentverfügbarkeit weitgehend unerforscht. So stellen Beobachtungen von Mechanismen von Energie- und Massenaustausch auf kleinen räumlichen und zeitlichen Skalen innerhalb steiler Gebirgseinzugsgebiete eine Ausname dar.
Diese Doktorarbeit basiert auf hoch-qualitativen Feldbeobachtungen in einem schweizer Gebirgsbach um Forschungsfragen in Hinblick auf die Sediementdyanmik zu behandeln. Das erste Ziel war es, die Gerinne-Hang-Kopplung zu erforschen und zu verstehen, um mögliche Sedimentquellen zu identifizieren, sowie die Mechanismen und Prozesse der Sedimentgenerierung in den Kontext der allgemeinen Dynamik von Gebirgsbächen zu bringen. Die erste Studie, welche auf visuellen Beobachtungen basiert, offenbarte eine Schlüsselrolle von Bachstufen in der Gerinne-Hang-Kopplung. Auf dieser Grundlage wurde ein konzeptuelles Modell entwickelt (Artikel I): durch die Erosion von Bachstufen werden angrenzende Hänge destabilisiert und ermöglichen anhaltenden Sedimenteintrag. Diese Forschung regte eine genauere Beobachtung der räumlichen und zeitlichen Evolution von Bachstufen an. Die weitere Forschung erforderte jedoch neue technologische Werkzeuge und Methoden welche zunächst in dieser Doktorarbeit eigens entwickelt wurden (Artikel II). Mit diesen Werkzeugen wurde dann ein Datensatz eingemessener Bachstufen in Hinblick auf den Formationsprozess analysiert (Artikel III). Mit dieser Analyse konnten verschiedene Stufenbildungstheorien überprüft und und zwei dominante Mechanismen verifiziert werden: Bachstufen formen sich in engen und verengenden Bachabchnitten durch Verklemmung, sowie in breiten und breiter werdenden Abschnitten durch die Ablagerung von Schlüsselsteinen. Durch diese Beobachtung wurde unser Wissen über Stufenbildung erweitert indem verschiedene hypothetisierte Mechanismen in einem Gebirgsbach harmonisiert wurden. Zu guter Letzt wurde diese Punktbeobachtung schließlich in den zeitlichen Kontext gesetzt, indem die Muster von Bachstufen über 7 Jahre nach einem hydrologischen Großereignis in 2010 untersucht wurden (Artikel IV). Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass Großereignisse einen erheblichen Einfluss auf die Gerinnebreite haben: sowohl die räumlich gemittelte Gerinnebreite, als auch die mittlere Gerinnebreite an Bachstufen ist unmittelbar nach dem Großereignis deutlich erhöht. Weiterhin ist die relative Anzahl der Bachstufen welche durch Schlüsselsteine erzeugt werden größer nach dem Großereignis. Dies deutet darauf hin, dass der zuerst beobachtete Mechanismus der Gerinne-Hang-Kopplung (Artikel I) verantwortlich ist für die zeitliche Evolution der Bachstufen nach Großereignissen (Artikel IV).
KW  - Geomorphologie
KW  - geomorphology
KW  - Naturgefahren
KW  - natural hazards
KW  - Gebirgsbäche
KW  - mountain rivers
KW  - Geschiebetransport
KW  - bedload transport
KW  - Bachstufen
KW  - channel steps
KW  - Gerinne-Hang-Kopplung
KW  - channel-hillslope coupling
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411728
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TY  - THES
A1  - Theuring, Philipp Christian
T1  - Suspended sediments in the Kharaa River, sources and impacts
T1  - Feinsedimente im Kharaa Fluss, Quellen und Auswirkungen
N2  - Anthropogenically amplified erosion leads to increased fine-grained sediment input into the fluvial system in the 15.000 km2 Kharaa River catchment in northern Mongolia and constitutes a major stressing factor for the aquatic ecosystem. This study uniquely combines the application of intensive monitoring, source fingerprinting and catchment modelling techniques to allow for the comparison of the credibility and accuracy of each single method. High-resolution discharge data were used in combination with daily suspended solid measurements to calculate the suspended sediment budget and compare it with estimations of the sediment budget model SedNet. The comparison of both techniques showed that the development of an overall sediment budget with SedNet was possible, yielding results in the same order of magnitude (20.3 kt a- 1 and 16.2 kt a- 1).
Radionuclide sediment tracing, using Be-7, Cs-137 and Pb-210 was applied to differentiate sediment sources for particles < 10μm from hillslope and riverbank erosion and showed that riverbank erosion generates 74.5% of the suspended sediment load, whereas surface erosion contributes 21.7% and gully erosion only 3.8%. The contribution of the single subcatchments of the Kharaa to the suspended sediment load was assessed based on their variation in geochemical composition (e.g. in Ti, Sn, Mo, Mn, As, Sr, B, U, Ca and Sb). These variations were used for sediment source discrimination with geochemical composite fingerprints based on Genetic Algorithm driven Discriminant Function Analysis, the Kruskal–Wallis H-test and Principal Component Analysis. The contributions of the individual sub-catchment varied from 6.4% to 36.2%, generally showing higher contributions from the sub-catchments in the middle, rather than the upstream portions of the study area.
The results indicate that river bank erosion generated by existing grazing practices of livestock is the main cause for elevated fine sediment input. Actions towards the protection of the headwaters and the stabilization of the river banks within the middle reaches were identified as the highest priority. Deforestation and by lodging and forest fires should be prevented to avoid increased hillslope erosion in the mountainous areas. Mining activities are of minor importance for the overall catchment sediment load but can constitute locally important point sources for particular heavy metals in the fluvial system.
N2  - Durch Landnutzung erhöhte Erosion führt zu verstärktem Eintrag von Feinsedimenten im 15.000 km2 großen Einzugsgebiet des Kharaa in der nördlichen Mongolei. Diese Einträge stellen einen starken Stressor für das aquatische Ökosystem dar.
Im Rahmen dieser Studie werden auf neuartige Weise verschiedene Ansätze zur Untersuchung der Feinsedimentdynamik im Einzugsgebiet kombiniert. Der Vergleich der Ergebnisse aus zeitlich hochaufgelösten Abfluss- und Schwebstoffanalysen, Sedimentbudgetmodellierung und „Sediment Source Fingerprinting“ Techniken erlaubt eine Bewertung der Genauigkeit und Anwendbarkeit jeder einzelnen Methodik im Untersuchungsgebiet. Das anhand von Abflussund Schwebstoffmessdaten berechnete Sedimentbudget am Gebietsauslass wurde mit dem mittels des Sedimentbudgetmodels SedNet berechneten Sedimentbudget verglichen. Die Ergebnisse von des aus Abfluss- und Schwebstoffmessdaten berechneten Sedimentbudgets (20,3 kt a- 1) und der mittels SedNet berechneten Werte (16,2 kt a- 1) zeigen eine befriedigende Übereinstimmung und bekräftigen die Anwendbarkeit des Models.
Zur Unterscheidung der Herkunft der Feinsedimente hinsichtlich des dominanten Erosionsprozesses wurde die Sedimentfraktion < 10μm hinsichtlich der Konzentrationen der Radioisotope Be-7, Cs-137 und Pb-210 analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Gerinneerosion für 74.5% der Suspensionsfracht verantwortlich ist und Einträge durch Flächenerosion 21.7% und durch Gully-erosion nur 3.8% beitragen. Zur Untersuchung der Anteile der Teileinzugsgebiete an der Gesamtsuspensionsfracht am Gebietsauslass wurden die Sedimente der Teilgebiete hinsichtlich der Variation ihrer geochemischen Zusammensetzung untersucht (z.B. Ti, Sn, Mo, Mn, As, Sr, B, U, Ca und Sb). Anhand der Zusammensetzung wurde jeweils ein spezifischer “Fingerabdruck” für Sedimente aus spezifischen Teileinzugsgebieten definiert. Mittels Diskriminanzanalyse, Kruskal–Wallis H-test und Hauptkomponentenanalyse konnten die Beiträge der Teileinzugsgebiete an der Gesamtfracht mit einem Mischungsmodel berechnet werden. Generell trugen die oberläufigen Teileinzugsgebiete am geringsten, und die mittelläufigen am stärksten zur Sediment Fracht bei.
Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass durch Überweidung begünstigte Ufererosion für den Hauptteil der Suspensionsfracht im Kharaa Fluss verantwortlich ist. Zur Verringerung des Schwebstoffeintrags in den Fluss werden Maßnahmen zur Uferbefestigung, insbesondere der Schutz und die Wiederherstellung der Ufervegetation als primäre Maßnahmen empfohlen.
KW  - sediment source fingerprinting
KW  - Mongolia
KW  - suspended sediments
KW  - sediment transport modelling
KW  - Mongolei
KW  - Sedimentquellenidentifizierung
KW  - Feinsedimente
KW  - Sedimentfracht
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410550
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TY  - THES
A1  - Schmidt, Katja
T1  - Assessing, testing, and implementing socio-cultural valuation methods  to operationalise ecosystem services in land use management
T1  - Berücksichtigung, Überprüfung und Implentierung sozio-kultureller Bewertungsmethoden für die Operationalisierung von Ökosystemleistungen im Landschaftsmanagement
N2  - Ecosystem services (ESs) are defined as the contributions that ecosystems make to human wellbeing and are increasingly being used as an approach to explore the importance of ecosystems for humans through their valuation. Although value plurality has been recognised long before the mainstreaming of ESs research, socio-cultural valuation is still underrepresented in ESs assessments. It is the central goal of this PhD dissertation to explore the ability of socio-cultural valuation methods for the operationalisation of ESs research in land management. To address this, I formulated three research objectives that are briefly outlined below and relate to the three studies conducted during this dissertation. 
The first objective relates to the assessment of the current role of socio-cultural valuation in ESs research. Human values are central to ESs research yet non-monetary socio-cultural valuation methods have been found underrepresented in the field of ESs science. In regard to the unbalanced consideration of value domains and conceptual uncertainties, I perform a systematic literature review aiming to answer the research question: To what extent have socio-cultural values been addressed in ESs assessments. 
The second objective aims to test socio-cultural valuation methods of ESs and their relevance for land use preferences by exploring their methodological opportunities and limitations. Socio-cultural valuation methods have only recently become a focus in ESs research and therefore bear various uncertainties in regard to their methodological implications. To overcome these uncertainties, I analysed responses to a visitor survey. The research questions related to the second objective were: What are the implications of different valuation methods for ESs values?  To what extent are land use preferences explained by socio-cultural values of ESs?   
The third objective addressed in this dissertation is the implementation of ESs research into land management through socio-cultural valuation. Though it is emphasised that the ESs approach can assist decision making, there is little empirical evidence of the effect of ESs knowledge on land management. I proposed a way to implement transdisciplinary, spatially explicit research on ESs by answering the following research questions: Which landscape features underpinning ESs supply are considered in land management?  How can participatory approaches accounting for ESs be operationalised in land management?
The empirical research resulted in five main findings that provide answers to the research questions. First, this dissertation provides evidence that socio-cultural values are an integral part of ESs research. I found that they can be assessed for provisioning, regulating, and cultural services though they are linked to cultural services to a greater degree. Socio-cultural values have been assessed by monetary and non-monetary methods and their assessment is effectively facilitated by stakeholder participation. Second, I found that different methods of socio-cultural valuation revealed different information. Whereas rating revealed a general value of ESs, weighting was found more suitable to identify priorities across ESs. Value intentions likewise differed in the distribution of values, generally implying a higher value for others than for respondents themselves. Third, I showed that ESs values were distributed similarly across groups with differing land use preferences. Thus, I provided empirical evidence that ESs values and landscape values should not be used interchangeably. Fourth, I showed which landscape features important for ESs supply in a Scottish regional park are not sufficiently accounted for in the current management strategy. This knowledge is useful for the identification of priority sites for land management. Finally, I provide an approach to explore how ESs knowledge elicited by participatory mapping can be operationalised in land management. I demonstrate how stakeholder knowledge and values can be used for the identification of ESs hotspots and how these hotspots can be compared to current management priorities.
This dissertation helps to bridge current gaps of ESs science by advancing the understanding of the current role of socio-cultural values in ESs research, testing different methods and their relevance for land use preferences, and implementing ESs knowledge into land management. If and to what extent ESs and their values are implemented into ecosystem management is mainly the choice of the management. An advanced understanding of socio-cultural valuation methods contributes to the normative basis of this management, while the proposal for the implementation of ESs in land management presents a practical approach of how to transfer this type of knowledge into practice. The proposed methods for socio-cultural valuation can support guiding land management towards a balanced consideration of ESs and conservation goals.
N2  - Das Konzept der Ökosystemleistungen (ÖSL) wird in der Wissenschaft seit einigen Jahren vermehrt verwendet, um die Beiträge von Ökosystemen zum menschlichen Wohlbefinden zu bewerten. Das Konzept der ÖSL sieht vor, dass dabei viele verschiedene Wertkategorien gleichberechtigt zum Tragen kommen. Dazu gehören etwa ökonomische, ökologische und sozio-kulturelle Werte, die zu integrieren sind. Diesem Anspruch zum Trotz wird jedoch bislang der Bereich der sozio-kulturellen Werte zugunsten monetärer Werte in der Wissenschaft weitgehend vernachlässigt. Zudem müssen Wege gefunden werden, das Wissen über ÖSL und deren Werte in der Landschafts- und Raumplanung umzusetzen und damit praktisch nutzbar zu machen. Es ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, die Eignung von sozio-kulturellen Bewertungsmethoden für die Operationalisierung von ÖSL in Landschafts- und Raumplanung zu untersuchen.
Hierfür wurden drei Forschungsschwerpunkte verfolgt. (1) Es wurde untersucht, inwieweit gegenwärtige ÖSL-Bewertungsstudien sozio-kulturelle Werte berücksichtigen. (2) Verschiedene sozio-kulturelle Bewertungsmethoden für ÖSL wurden daraufhin geprüft, inwieweit sie geeignet sind, die Landschaftspräferenzen unterschiedlicher Nutzergruppen offenzulegen und (3) wurde ein Ansatz entwickelt, um die ÖSL-Forschung in die Landschafts- und Raumplanung zu implementieren. 
(1)	Mittels einer Literaturanalyse konnte gezeigt werden, dass sozio-kulturelle Werte bei der Bewertung von produktiven, regulierenden und kulturellen ÖSL erhoben werden, wobei ein engerer Zusammenhang zwischen sozio-kulturellen Werten und kulturellen ÖSL festgestellt wurde. Zwischen sozio-kulturellen Werten und kulturellen Leistungen konnten einige Überlappungen aber auch zahlreiche Unterschiede aufgezeigt werden, was auf eine Trennung der beiden Bereiche hinweist. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich nicht-monetäre Bewertungsmethoden besonders für die Erhebung sozio-kultureller Werte eignen wobei auch monetäre Bewertungsmethoden sozio-kulturelle Werte erfassen, vor allem mittels simulierter Marktansätze (z.B. Zahlungsbereitschaft, Choice Experimente). Die Arbeit zeigte zudem, dass Studien, welche Stakeholder oder die Öffentlichkeit beteiligten, häufiger ebenfalls sozio-kulturelle Werte erhoben.
(2)	Bei einer Besucherbefragung in einem schottischen Regionalpark führten unterschiedliche Methoden zu unterschiedlichen Ergebnissen. Die Bewertung von ÖSL auf einer 5-Punkteskala führte zu einer allgemeinen Einschätzung über die Wichtigkeit der verschiedenen ÖSL während eine Gewichtung der Leistungen (Verteilung von insgesamt 100 Punkten auf 9 ÖSL) eine relative Einschätzung über die Wichtigkeit der ÖSL und deren Prioritäten ermöglichte. Verschiedene Werteintentionen lieferten ähnlich unterschiedliche Ergebnisse, wobei persönliche Werte differenzierter und allgemein höher ausfielen als gesellschaftliche Werte. Zudem konnte gezeigt werden, dass sozio-kulturelle Werte für ÖSL ähnlich zwischen fünf Gruppen mit unterschiedlichen Landschaftspräferenzen verteilt waren. Die Arbeit liefert demnach empirische Belege dafür, dass es sich bei ÖSL und Landschaftspräferenzen um zwei Konzepte handelt, die nicht untereinander austauschbar sind. 
(3)	Für die Entwicklung eines Ansatzes zur Implementierung von ÖSL-Forschung in die Landschafts- und Raumplanung wurde ein Methodenmix verwendet. Es wurden Ergebnisse eines Stakeholderworkshops verwendet bei dem ÖSL von Stakeholdern kartiert wurden. Mittels dieser Kartierung wurden Landschaftseigenschaften untersucht, die eine besondere Bedeutung für die Bereitstellung der ÖSL haben. Es wurde weiterhin untersucht, inwieweit diese Landschaftseigenschaften im derzeitigen Management Plan priorisiert werden. Die Diskrepanz zwischen Landschaftseigenschaften, die zentral für die Bereitstellung von ÖSL sind, und denen, die derzeit im Management Plan berücksichtigt werden, kann Aufschluss über mögliche Zielkonflikte geben und kann zudem dabei helfen, künftige Planungsprioritäten festzulegen, etwa indem Vorranggebiete für bestimmte ÖSL ausgewiesen werden. 
Diese Arbeit untersucht die Eignung von sozio-kulturellen Bewertungsmethoden für die Operationalisierung von ÖSL in Landschafts- und Raumplanung. In diesem Zusammenhang liefert die Arbeit neue Erkenntnisse darüber, inwiefern derzeit sozio-kulturellen Werten in ÖSL-Bewertungsstudien berücksichtigt werden. Sie zeigt  Möglichkeiten und Grenzen von verschiedenen anerkannten sozio-kulturellen Bewertungsmethoden auf und ermöglicht ein besseres Verständnis über deren Abgrenzung zu Landschaftspräferenzen. Schließlich präsentiert diese Arbeit einen komplexen methodischen Ansatz, um ÖSL-Forschung in die Landschafts- und Raumplanung zu integrieren.
KW  - non-monetary valuation
KW  - participatory mapping
KW  - PPGIS
KW  - landscape  preferences
KW  - nicht-monetäre Bewertung
KW  - PPGIS
KW  - Landschaftspräferenzen
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411049
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bredow, Eva
T1  - Geodynamic models of plume-ridge interaction
T1  - Geodynamische Modelle der Interaktion von Plumes und Mittelozeanischen Rücken
BT  - case studies of the Réunion, Iceland and Kerguelen mantle plumes
BT  - Fallstudien der Réunion-, Island- und Kerguelen-Mantleplumes
N2  - According to the classical plume hypothesis, mantle plumes are localized upwellings of hot, buoyant material in the Earth’s mantle. They have a typical mushroom shape, consisting of a large plume head, which is associated with the formation of voluminous flood basalts (a Large
Igneous Province) and a narrow plume tail, which generates a linear, age-progressive chain of volcanic edifices (a hotspot track) as the tectonic plate migrates over the relatively stationary plume. Both plume heads and tails reshape large areas of the Earth’s surface over many tens of millions of years.

However, not every plume has left an exemplary record that supports the classical hypothesis. The main objective of this thesis is therefore to study how specific hotspots have created the crustal thickness pattern attributed to their volcanic activities. Using regional geodynamic
models, the main chapters of this thesis address the challenge of deciphering the three individual (and increasingly complex) Réunion, Iceland, and Kerguelen hotspot histories, especially focussing on the interactions between the respective plume and nearby spreading ridges.

For this purpose, the mantle convection code ASPECT is used to set up three-dimensional numerical models, which consider the specific local surroundings of each plume by prescribing time-dependent boundary conditions for temperature and mantle flow. Combining reconstructed plate boundaries and plate motions, large-scale global flow velocities and an inhomogeneous lithosphere thickness distribution together with a dehydration rheology represents a novel setup for regional convection models.

The model results show the crustal thickness pattern produced by the plume, which is compared to present-day topographic structures, crustal thickness estimates and age determinations of volcanic provinces associated with hotspot activity. Altogether, the model results agree well
with surface observations. Moreover, the dynamic development of the plumes in the models provide explanations for the generation of smaller, yet characteristic volcanic features that were previously unexplained. Considering the present-day state of a model as a prediction for the
current temperature distribution in the mantle, it cannot only be compared to observations on the surface, but also to structures in the Earth’s interior as imaged by seismic tomography.

More precisely, in the case of the Réunion hotspot, the model demonstrates how the distinctive gap between the Maldives and Chagos is generated due to the combination of the ridge geometry and plume-ridge interaction. Further, the Rodrigues Ridge is formed as the surface expression
of a long-distance sublithospheric flow channel between the upwelling plume and the closest ridge segment, confirming the long-standing hypothesis of Morgan (1978) for the first time in a dynamic context. The Réunion plume has been studied in connection with the seismological
RHUM-RUM project, which has recently provided new seismic tomography images that yield an excellent match with the geodynamic model.

Regarding the Iceland plume, the numerical model shows how plume material may have accumulated in an east-west trending corridor of thin lithosphere across Greenland and resulted in simultaneous melt generation west and east of Greenland. This provides an explanation for the
extremely widespread volcanic material attributed to magma production of the Iceland hotspot and demonstrates that the model setup is also able to explain more complicated hotspot histories. The Iceland model results also agree well with newly derived seismic tomographic images. 

The Kerguelen hotspot has an extremely complex history and previous studies concluded that the plume might be dismembered or influenced by solitary waves in its conduit to produce the reconstructed variable melt production rate. The geodynamic model, however, shows that a constant plume influx can result in a variable magma production rate if the plume interacts with nearby mid-ocean ridges. Moreover, the Ninetyeast Ridge in the model is created by on-ridge activities, while the Kerguelen plume was located beneath the Australian plate. This is also a contrast to earlier studies, which described the Ninetyeast Ridge as the result of the Indian plate passing over the plume. Furthermore, the Amsterdam-Saint Paul Plateau in the model is the result of plume material flowing from the upwelling toward the Southeast Indian Ridge, whereas previous geochemical studies attributed that volcanic province to a separate deep plume.

In summary, the three case studies presented in this thesis consistently highlight the importance of plume-ridge interaction in order to reconstruct the overall volcanic hotspot record as well as specific smaller features attributed to a certain hotspot. They also demonstrate that it is not necessary to attribute highly complicated properties to a specific plume in order to account for complex observations. Thus, this thesis contributes to the general understanding of plume dynamics and extends the very specific knowledge about the Réunion, Iceland, and Kerguelen mantle plumes.
N2  - Nach der klassischen Plume-Hypothese sind Mantelplumes lokalisierte Aufströme aus heißem, aufsteigenden Material im Erdmantel und haben eine typische pilzförmige Struktur. Sie bestehen aus einem großen Plume-Kopf, der mit der Bildung von voluminösen Flutbasalten (einer Magmatischen Großprovinz) assoziiert wird und einem engen Plume-Schlauch, der eine lineare Kette von Vulkanen mit aufsteigendem Alter (einen Hotspot-Track) erzeugt, indem die tektonische Platte über den relativ stationären Plume wandert. Sowohl Plume-Köpfe als auch Plume-Schläuche formen große Gebiete der Erdoberfläche über viele zehn Millionen Jahre um.

Allerdings hat nicht jeder Plume mustergültige Spuren hinterlassen, die die klassische Hypothese unterstützen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist daher zu untersuchen, wie ein spezifischer Hotspot den ihm zugeordneten Hotspot-Track erzeugt hat. Mit Hilfe regionaler geodynamischer Modelle stellen sich die Hauptkapitel dieser Arbeit der Herausforderung, die drei individuellen (und zunehmend komplexen) Geschichten des Réunion-, Island- und Kerguelen-Hotspots zu
entschlüsseln, wobei insbesondere die Wechselwirkungen zwischen dem jeweiligen Plume und nahegelegenen Mittelozeanischen Rücken im Mittelpunkt stehen.

Zu diesem Zweck wird der Mantelkonvektions-Code ASPECT verwendet, um dreidimensionale numerische Modelle zu erstellen, die die spezielle lokale Umgebung jedes Plumes berücksichtigen, indem zeitabhängige Randbedingungen für Temperatur und Mantelströmung vorgeschrieben werden. Die Kombination von rekonstruierten Plattengrenzen und Plattenbewegungen, großräumigen globalen Strömungsgeschwindigkeiten und einer inhomogenen Lithosphärendickenverteilung zusammen mit einer Dehydrierungs-Rheologie stellt eine neue Konfiguration für regionale Konvektionsmodelle dar.

Die Modellergebnisse zeigen die vom Plume produzierte Verteilung von vulkanischem Material, die mit heutigen topographischen Strukturen, Schätzungen der Krustendicke und Altersbestimmungen vulkanischer Provinzen verglichen wird. Insgesamt stimmen die Modellergebnisse gut mit den Oberflächenbeobachtungen überein. Darüber hinaus liefert die dynamische Entwicklung der Plumes in den Modellen Erklärungen für die Erzeugung kleinerer, aber charakteristischer vulkanischer Strukturen, deren Herkunft bisher unerklärt war. Betrachtet man den heutigen Zustand eines Modells als Vorhersage für die aktuelle Temperaturverteilung im Mantel, kann man ihn nicht nur mit Beobachtungen an der Oberfläche vergleichen, sondern auch mit Strukturen im Erdinneren, wie sie durch seismische Tomographie abgebildet werden.

Genauer gesagt zeigt das Modell im Falle des Réunion-Hotspots, wie die charakteristische Lücke zwischen den Malediven und Chagos aufgrund der Kombination der Geometrie des Mittelozeanischen Rückens und der Interaktion zwischen Plume und Rücken erzeugt wird. Des Weiteren wird der Rodrigues-Rücken als Oberflächenerscheinung eines sublithosphärischen Strömungskanals zwischen dem aufsteigenden Plume und dem nächstgelegenen Segment des Mittelozeanischen Rückens gebildet, was die langjährige Hypothese von Morgan (1978) zum ersten Mal in einem dynamischen Kontext bestätigt. Der Réunion-Plume wurde im Rahmen des seismo-
logischen RHUM-RUM-Projektes untersucht, das kürzlich neue seismische Tomographiebilder ergeben hat, die eine exzellente Übereinstimmung mit dem geodynamischen Modell aufweisen.

Was den Island-Plume betrifft, so zeigt das numerische Modell, wie sich Plume-Material in einem von Ost nach West verlaufenden Korridor dünner Lithosphäre in Grönland angesammelt haben könnte und zu einer gleichzeitigen Schmelzerzeugung westlich und östlich von Grönland geführt hat. Dies erklärt das extrem weit verbreitete vulkanische Material, das der Magmaproduktion des Island-Hotspots zugeschrieben wird, und demonstriert, dass der Modell-Aufbau auch kompliziertere Hotspot-Geschichten erklären kann. Die Ergebnisse des Island-Modells stimmen ebenfalls gut mit neu erzeugten seismischen Tomographiebildern überein.

Der Kerguelen-Hotspot hat eine äußerst komplexe Geschichte und frühere Studien kamen zu dem Schluss, dass der Plume eine zerrissene Struktur oder durch einzelne Wellen im Schlauch beeinflusst sein könnte, um die rekonstruierte variable Schmelzproduktionsrate zu erzeugen. Das geodynamische Modell zeigt jedoch, dass ein konstanter Plume-Einstrom zu einer variablen Magmaproduktionsrate führen kann, wenn der Plume mit nahegelegenen mittelozeanischen Rücken interagiert. Darüber hinaus wird der Neunzig-Grad-Ost-Rücken im Modell am Mittelozeanischen Rücken erschaffen, während der Kerguelen-Plume unter der australischen Platte lag. Dies steht auch im Gegensatz zu früheren Studien, die den Neunzig-Grad-Ost-Rücken als Ergebnis der über den Plume wandernden indischen Platte beschrieben haben. Darüber hinaus ist das Amsterdam-Saint Paul-Plateau im Modell das Ergebnis von Plume-Material, das von der Aufstiegsregion in Richtung des Südostindischen Rückens fließt, wohingegen frühere geochemische Studien diese vulkanische Provinz einem separaten tiefen Plume zugeschrieben haben.

Zusammenfassend verdeutlichen die drei in dieser Arbeit präsentierten Fallstudien die Bedeutung der Interaktion zwischen Plume und Mittelozeanischen Rücken für die Rekonstruktion der Verteilung des gesamten vom Hotspot erzeugten vulkanischen Materials sowie von spezifischen kleineren Strukturen, die einem bestimmten Hotspot zugeordnet sind. Es wird auch gezeigt, dass es nicht notwendig ist, einem bestimmten Plume hochkomplizierte Eigenschaften zuzuschreiben, um komplexe Beobachtungen zu erklären. Somit trägt diese Arbeit zum allgemeinen Verständnis der Dynamik von Plumes bei und erweitert das sehr spezifische Wissen über die Réunion-, Island-, und Kerguelen-Mantelplumes.
KW  - geodynamic models
KW  - plume-ridge interaction
KW  - Réunion
KW  - Iceland
KW  - Kerguelen
KW  - mantle plumes
KW  - geodynamische Modelle
KW  - Plume-Rücken Interaktion
KW  - Réunion
KW  - Island
KW  - Kerguelen
KW  - Mantleplumes
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411732
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tanski, George
T1  - Fate of organic matter mobilized from eroding permafrost coasts
Y1  - 2017
ER  - 
TY  - THES
A1  - Herbrich, Marcus
T1  - Einfluss der erosionsbedingten Pedogenese auf den Wasserund Stoffhaushalt ackerbaulich genutzter Böden der Grundmoränenbodenlandschaft NO-Deutschlands - hydropedologische Untersuchungen mittels wägbarer Präzisionslysimeter
T1  - Effects of erosion-affected soil evolution on water and dissolved carbon fluxes, soil hydraulic properties, and crop development of soils from a hummocky ground moraine landscape - hydropedological analysis using high precision weighing lysimeters
N2  - In the arable soil landscape of hummocky ground moraines, an erosion-affected spatial differentiation of soils can be observed. Man-made erosion leads to soil profile modifications along slopes with changed solum thickness and modified properties of soil horizons due to water erosion in combination with tillage operations. Soil erosion creates, thereby, spatial patterns of soil properties (e.g., texture and organic matter content) and differences in crop development. However, little is known about the manner in which water fluxes are affected by soil-crop interactions depending on contrasting properties of differently-developed soil horizons and how water fluxes influence the carbon transport in an eroded landscape. To identify such feedbacks between erosion-induced soil profile modifications and the 1D-water and solute balance, high-precision weighing lysimeters equipped with a wide range of sensor technique were filled with undisturbed soil monoliths that differed in the degree of past soil erosion. Furthermore, lysimeter effluent concentrations were analyzed for dissolved carbon fractions in bi-weekly intervals.
The water balance components measured by high precision lysimeters varied from the most eroded to the less eroded monolith up to 83 % (deep drainage) primarily caused due to varying amounts of precipitation and evapotranspiration for a 3-years period. Here, interactions between crop development and contrasting rainfall interception by above ground biomass could explain differences in water balance components. Concentrations of dissolved carbon in soil water samples were relatively constant in time, suggesting carbon leaching was mainly affected by water fluxes in this observation period. For the lysimeter-based water balance analysis, a filtering scheme was developed considering temporal autocorrelation. The minute-based autocorrelation analysis of mass changes from lysimeter time series revealed characteristic autocorrelation lengths ranging from 23 to 76 minutes. Thereby, temporal autocorrelation provided an optimal approximation of precipitation quantities. However, the high temporal resolution in lysimeter time series is restricted by the lengths of autocorrelation.
Erosion-induced but also gradual changes in soil properties were reflected by dynamics of soil water retention properties in the lysimeter soils. Short-term and long-term hysteretic water retention data suggested seasonal wettability problems of soils increasingly limited rewetting of previously dried pore regions. Differences in water retention were assigned to soil tillage operations and the erosion history at different slope positions. The threedimensional spatial pattern of soil types that result from erosional soil profile modifications were also reflected in differences of crop root development at different landscape positions. Contrasting root densities revealed positive relations of root and aboveground plant characteristics. Differences in the spatially-distributed root growth between different eroded soil types provided indications that root development was affected by the erosion-induced soil evolution processes.
Overall, the current thesis corroborated the hypothesis that erosion-induced soil profile modifications affect the soil water balance, carbon leaching and soil hydraulic properties, but also the crop root system is influenced by erosion-induced spatial patterns of soil properties in the arable hummocky post glacial soil landscape. The results will help to improve model predictions of water and solute movement in arable soils and to understand interactions between soil erosion and carbon pathways regarding sink-or-source terms in landscapes.
N2  - Hydropedologische Wechselwirkungen zwischen Wasserflüssen und erosionsbedingten Veränderungen im Profilaufbau ackerbaulich genutzter Böden treten insbesondere in der Jungmoränenlandschaft auf, die sich durch eine überwiegend flachwellige bis kuppige Topographie auszeichnet. Mit der dynamischen Veränderung von Bodenprofilen, wie etwa der veränderten Solumtiefe und Horizontabfolgen, sowie deren Verteilungen in der Landschaft gehen Veränderungen in den bodenhydraulischen Eigenschaften einher. Über deren Auswirkungen auf den Wasser- und Stoffhaushalt ist bislang nur wenig bekannt.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden kontinuierliche Messungen aus vier Jahren (2011 bis 2014) unter Verwendung von wägbaren Lysimetern in der ackerbaulich genutzten Bodenlandschaft Nordostdeutschlands (Uckermark) erhoben. Dabei sollte die zentrale Frage, inwieweit die erosionsbedingte Pedogenese, in Wechselwirkung mit der pflanzenbaulichen Nutzung, den Wasser- und Kohlenstoffhaushalt beeinflusst, beantwortet werden. Ziel dieser Arbeit war es, 1D-Wasserflüsse und Austräge an gelöstem Kohlenstoff für unterschiedlich erodierte Bodenprofile zu quantifizieren. Damit einhergehend wurden Untersuchungen zu hydraulischen Bodeneigenschaften sowie möglichen Veränderungen im System Boden-Pflanze (Wurzeluntersuchungen) durchgeführt. Um derartige Veränderungen zwischen unterschiedlich erodierten Böden beschreiben zu können, wurden Bodenmonolithe in ungestörter Lagerung entnommen und in Lysimeteranlagen installiert. Zudem erfolgte eine Instrumentierung der einzelnen Lysimeter mit verschiedener Sensorik, u.a. um Wassergehalte und Matrixpotentiale zu messen. Für stoffhaushaltliche Untersuchungen wurden darüber hinaus Konzentrationen der gelösten Kohlenstofffraktion in der Bodenlösung in 14-tägigen Intervallen bestimmt.   
Der Wasserhaushalt von sechs gering bis stark erodierten Parabraunerden unterschied sich im Hinblick auf die bilanzierten Wasserhaushaltskomponenten deutlich. Anhand dieser Ergebnisse liegt die Vermutung nahe, dass die dynamischen Veränderungen im Gefüge- und Profilaufbau (in Abhängigkeit von der Bodenerosion) einen Effekt auf die Wasserbilanzen aufweisen. Über die mehrjährige Messperiode von 2011 bis 2014 konnte für das mit einer stark erodierten Parabraunerde gefüllte Lysimeter ein circa 83 Prozent höherer Abfluss als für das Lysimeter mit einer wenig erodierten Parabraunerde gemessen werden. Somit variierte der Abfluss am unteren Rand in Abhängigkeit zum Erosionsgrad. Neben dem unterschiedlichen Abflussverhalten variierten die Bodenmonolithe innerhalb der Lysimeter ebenfalls in den Evapotranspirations- und Niederschlagsmengen, hervorgerufenen durch die Differenzierung in den Horizontabfolgen, -mächtigkeiten und deren Einfluss auf die bodenhydraulischen Eigenschaften in Abhängigkeit vom Pflanzenbewuchs. Aufgrund der homogen verteilten Stoffkonzentrationen des gelösten organischen und anorganischen Kohlenstoffs am unteren Rand waren Kohlenstoffausträge maßgeblich von den Wasserflüssen abhängig. Als Grundlage der Lysimeter-basierten Wasserhaushaltsanalyse diente ein im Rahmen dieser Dissertation entwickeltes Auswertungsverfahren von kontinuierlichen Gewichtsänderungen unter Berücksichtigung der zeitlichen Autokorrelation. Um eine mögliche Periodizität in zeitlich hochaufgelösten Änderungen des Lysimeterwaagensystems zu ermitteln, fand eine Autokorrelationsfunktion in der Zeitreihenanalyse von vier saisonalen Messzeiträumen Anwendung. Die Ergebnisse der Arbeit deuten darauf hin, dass hochaufgelöste Lysimeterzeitreihen in einem Bereich von circa 30 min bis circa 60 min zeitlich autokorreliert sind. Die ermittelten Autokorrelationslängen bieten wiederum eine Möglichkeit zur Annäherung von (optimalen) Zeitintervallen für die Niederschlagsberechnung, basierend auf Änderungen in den Wiegedaten. Im Vergleich zu einem Kippwaagenregenmesser nahe der Lysimeterstation überstiegen die ermittelten Niederschlagsmengen der Lysimeter in Bodennähe die der in zwei Metern Höhe erfolgten Messung deutlich. 
Zur Charakterisierung der zeitlichen (Hysterese), als auch räumlichen (erosionsbedingter Pedogenese) Veränderungen der bodenhydraulischen Eigenschaften der Lysimeterböden  wurden kontinuierliche Datenreihen des Wassergehaltes und Matrixpotentials analysiert. Die daraus abgeleiteten Wasserretentionskurven wurden in 3 Messtiefen (10, 30, 50 cm) unter Feldbedingungen ausgewertet und mit Labormessungen von Bodenkernen verglichen. Sowohl zwischen den unterschiedlich erodierten Bodenprofilen als auch zwischen den Feld- und Labormessungen waren Unterschiede in den Wasserretentionseigenschaften ersichtlich. Innerhalb eines Jahres (eingeschränkte Benetzbarkeit) sowie zwischen den Jahren (Veränderung der Porenmatrix) zeigten die Ergebnisse zudem eine zeitliche Veränderung der Wasserretentionseigenschaften. Diese dynamische Variabilität der Wasserretention wiederum unterliegt der räumlichen Heterogenität von Bodeneigenschaften, wie Textur und Lagerungsdichte. Für die Interpretation der unterschiedlichen bodenhydraulischen Eigenschaften sowie im Hinblick auf Veränderungen im Wasserhaushalt von ackerbaulich genutzten Lysimetern spielt das System Boden-Pflanze eine bedeutende Rolle. Diesbezüglich wurden Biomasse- und Wurzeluntersuchungen an unterschiedlich erodierten Böden durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen, dass  erosionsbedingte Veränderungen im Profilaufbau beziehungsweise Horizonteigenschaften die Wurzelentwicklung beeinflussen können. Zudem stehen die Durchwurzelungsraten an grundwasserbeeinflussten Senkenstandorten in enger Beziehung zum Grundwasserstand (insbesondere im Frühjahr). Die oberirdisch beobachteten Unterschiede in der Biomasse korrelierten stark mit den ermittelten Wurzeldichten (Winterweizen), dies lässt vermuten, dass eine Abschätzung der Wurzelentwicklung mittels oberirdischer Biomasse möglich ist.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Lysimeterstudie komplexe Wechselwirkungen zwischen dem pedogenetischen Zustand erodierter Böden und dem Wasserhaushalt, den bodenhydraulischen Eigenschaften sowie der Wurzelentwicklung angebauter Kulturen. Zudem leisten die ermittelten unterschiedlichen Austragsraten an gelöstem Kohlenstoff einen Beitrag zur Abschätzung der langfristigen, in die Tiefe fortschreitenden Entkalkung sowie zur Beantwortung der Fragestellung, ob ackerbaulich genutzte Böden eher als Quell- oder als Senkenterm für Kohlendioxid fungieren.
KW  - Lysimeter
KW  - Wasserhaushalt
KW  - Kohlenstoff
KW  - lysimeter
KW  - water balance
KW  - carbon
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-408561
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gudipudi, Venkata Ramana
T1  - Cities and global sustainability
T1  - Städte und globale Nachhaltigkeit
BT  - insights from emission and ecological efficiency
BT  - Einblicke von Emission und ökologischer Effizienz
N2  - In the wake of 21st century, humanity witnessed a phenomenal raise of urban agglomerations as powerhouses for innovation and socioeconomic growth. Driving much of national (and in few instances even global) economy, such a gargantuan raise of cities is also accompanied by subsequent increase in energy, resource consumption and waste generation. Much of anthropogenic transformation of Earth's environment in terms of environmental pollution at local level to planetary scale in the form of climate change is currently taking place in cities. Projected to be crucibles for entire humanity by the end of this century, the ultimate fate of humanity predominantly lies in the hands of technological innovation, urbanites' attitudes towards energy/resource consumption and development pathways undertaken by current and future cities. Considering the unparalleled energy, resource consumption and emissions currently attributed to global cities, this thesis addresses these issues from an efficiency point of view. More specifically, this thesis addresses the influence of population size, density, economic geography and technology in improving urban greenhouse gas (GHG) emission efficiency and identifies the factors leading to improved eco-efficiency in cities. In order to investigate the in uence of these factors in improving emission and resource efficiency in cities, a multitude of freely available datasets were coupled with some novel methodologies and analytical approaches in this thesis.
Merging the well-established Kaya Identity to the recently developed urban scaling laws, an Urban Kaya Relation is developed to identify whether large cities are more emission efficient and the intrinsic factors leading to such (in)efficiency. Applying Urban Kaya Relation to a global dataset of 61 cities in 12 countries, this thesis identifed that large cities in developed regions of the world will bring emission efficiency gains because of the better technologies implemented in these cities to produce and utilize energy consumption while the opposite is the case for cities in developing regions. Large cities in developing countries are less efficient mainly because of their affluence and lack of efficient technologies. Apart from the in uence of population size on emission efficiency, this thesis identified the crucial role played by population density in improving building and on-road transport sector related emission efficiency in cities. This is achieved by applying the City Clustering Algorithm (CCA) on two different gridded land use datasets and a standard emission inventory to attribute these sectoral emissions to all inhabited settlements in the USA. Results show that doubling the population density would entail a reduction in the total CO2 emissions in buildings and on-road sectors typically by at least 42 %. Irrespective of their population size and density, cities are often blamed for their intensive resource consumption that threatens not only local but also global sustainability. This thesis merged the concept of urban metabolism with benchmarking and identified cities which are eco-efficient. These cities enable better socioeconomic conditions while being less burden to the environment. Three environmental burden indicators (annual average NO2 concentration, per capita waste generation and water consumption) and two socioeconomic indicators (GDP per capita and employment ratio) for 88 most populous European cities are considered in this study. Using two different non-parametric ranking methods namely regression residual ranking and Data Envelopment Analysis (DEA), eco-efficient cities and their determining factors are identified. This in-depth analysis revealed that mature cities with well-established economic structures such as Munich, Stockholm and Oslo are eco-efficient. Further, correlations between objective eco-efficiency ranking with each of the indicator rankings and the ranking of urbanites' subjective perception about quality of life are analyzed. This analysis revealed that urbanites' perception about quality of life is not merely confined to the socioeconomic well-being but rather to their combination with lower environmental burden.
In summary, the findings of this dissertation has three general conclusions for improving emission and ecological efficiency in cities. Firstly, large cities in emerging nations face a huge challenge with respect to improving their emission efficiency. The task in front of these cities is threefold: (1) deploying efficient technologies for the generation of electricity and improvement of public transportation to unlock their leap frogging potential, (2) addressing the issue of energy poverty and (3) ensuring that these cities do not develop similar energy consumption patterns with infrastructure lock-in behavior similar to those of cities in developed regions. Secondly, the on-going urban sprawl as a global phenomenon will decrease the emission efficiency within the building and transportation sector. Therefore, local policy makers should identify adequate fiscal and land use policies to curb urban sprawl. Lastly, since mature cities with well-established economic structures are more eco-efficient and urbanites' perception re ects its combination with decreasing environmental burden; there is a need to adopt and implement strategies which enable socioeconomic growth in cities whilst decreasing their environment burden.
N2  - Im Laufe des 21. Jahrhunderts verzeichnete die Menschheit eine gewaltige Zunahme urbaner Agglomerationen als Motor für Innovation und soziökonomisches Wachstum. Angetrieben durch die nationale (und in wenigen Fällen auch globale) Wirtschaft, dieser gigantische Aufstieg der Städte ist allerdings auch mit einer Zunahme von Energie- und Ressourcenverbrauch sowie erhöhter Abfallerzeugung verbunden. Ein Großteil der anthropogenen Transformation der Umwelt in Form von Klimaveränderungen von der lokalen Ebene bis in die planetarische Dimension findet derzeit in Städten statt. Angenommen dass bis zum Ende des Jahrhunderts die gesamte Menschheit in einer Art Schmelztiegel miteinander verbunden sein wird, dann hängt ihr Schicksal von der Umsetzung innovativer und überlegender Entwicklungspfade heutiger und zukünftiger Städte ab. Angesichts des unvergleichlichen Energie- und Ressourcenverbrauchs sowie der Emissionen, die derzeit in Städten verursacht werden, befasst sich diese Arbeit mit genau diesen Fragen aus der Perspektive der Effizienz. Genauer gesagt, diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der städtischen Größe, Dichte, Wirtschaftsgeographie und Technologie zur Verbesserung der Emissionseffizienz der städtischen Treibhausgase, mit dem Ziel die Faktoren, die zu einer Verbesserung der ökoeffizienz in Städten führt, zu identifizieren. Um den Einfluss dieser Faktoren auf die Verbesserung der Emissions- und Ressourceneffizienz in Städten zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit eine Vielzahl von frei verfügbaren Datensätzen mit neuartigen Methoden und analytischen Ansätzen gekoppelt.
Durch die Verschmelzung der bereits etablierten Kaya-Identität‘ mit den kürzlich entwickelten urbanen Skalierungsgesetzen wird eine ’urbane Kaya-Relation’ entwickelt, um herauszufinden, ob Großstädte emissionsärmer also effizienter sind und welche Faktoren zu dieser (In-)Effizienz führen. Dafür wurde die ’urbanen Kaya-Relation’ auf einen globalen Datensatz für 61 Städte in 12 Ländern angewendet. Die vorliegende Arbeit kommt zu dem Ergebnis, dass den Großstädten in den entwickelten Regionen der Welt Effizienzgewinne aufgrund des Einsatzes besserer Technologien für die Produktion und Nutzung von Energie gelingt, während für die Städte in Entwicklungsländern das Gegenteil gilt. Großstädte in Entwicklungsländern sind weniger effizient, vor allem wegen ihres Wohlstands und des Mangels an effizienten Technologien. Abgesehen vom Einfluss der Bevölkerungsgröße auf die Emissionseffizienz, zeigt diese Arbeit auch die entscheidende Rolle der Bevölkerungsdichte bei der Effizienzsteigerung im Bau- und Transportsektor. Dies wird durch die Anwendung des City Clustering Algorithmus (CCA) auf zwei verschiedene raster-basierte Landnutzungsdatensätze und ein Standard-Emissionskataster erreicht, um die sektoralen Emissionen allen bewohnten Siedlungen in den USA zuzuordnen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Verdoppelung der Bevölkerungsdichte eine Verringerung der CO2-Gesamtemissionen in Gebäuden und Straßenverkehrssektoren um typischerweise mindestens 42% bedeuten würde. Unabhängig von der Bevölkerungsgröße und -dichte werden Städte häufig für ihren intensiven Ressourcenverbrauch verantwortlich gemacht, der nicht nur die lokale, sondern auch die globale Nachhaltigkeit bedroht. Diese Arbeit verbindet das Konzept des urbanen Metabolismus mit Benchmarking und identifiziert Städten, die ökoeffizient sind. Diese Städte bieten bessere sozioökonomische Bedingungen und belasten die Umwelt weniger. In dieser Studie werden drei Indikatoren für die Umweltbelastung (jährliche durchschnittliche NO2-Konzentration, Abfallaufkommen pro Kopf und Wasserverbrauch) und zwei sozioökonomische Indikatoren (BIP pro Kopf und Beschäftigungsquote) für die 88 bevölkerungsreichsten europäischen Städte berücksichtigt. Mithilfe von zwei verschiedenen Rankingmethoden, einerseits dem regression residual ranking‘ und der Data Envelopment Analysis‘ (DEA), werden ökoeffiziente Städte und ihre Bestimmungsfaktoren identifiziert. Die gründliche Analyse ergab, dass die gewachsenen Städte mit etablierten städtischen Wirtschaften wie München, Stockholm und Oslo ökoeffizient sind. Weiterhin wurden Zusammenhänge zwischen objektiven ökoeffizienz Einstufungen (ranking) mit den Einstufungen hinsichtlich einzelner Indikatoren sowie der subjektiven Wahrnehmung der Stadtbewohner über ihre Lebensqualität analysiert. Diese Analyse ergab, dass sich die Wahrnehmung der Lebensqualität von Stadtbewohnern nicht nur auf das sozioökonomische Wohlergehen beschränkt, sondern auch auf die Kombination mit einer geringeren Umweltbelastung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Dissertation drei generelle Schlussfolgerungen zur Verbesserung der Emissions- und ökoeffizienz in Städten enthalten. Erstens stehen Großstädte in Schwellenländern wie China, Indien und Brasilien vor einer großen Herausforderung, ihre Emissionseffizienz zu verbessern. Vor diesen Städten stehen drei Aufgaben: (1) Einsatz effizienter Technologien zur Stromerzeugung und Verbesserung des öffentlichen Verkehrs, (2) Bekämpfung der Energiearmut und (3) Sicherstellung, dass diese Städte keine Energiekonsummuster entwickeln, die dem infrastrukturellen Lock-in-Verhalten‘ der Städte in entwickelten Regionen ähneln. Zweitens wird die fortschreitende Zersiedelung der Städte als globales Phänomen die Emissionseffizienz im Bau- und Verkehrssektor verringern. Daher sollten die lokalen politischen Entscheidungsträger angemessene fiskal- und landnutzungspolitische Maßnahmen zur Eindämmung der Zersiedelung der Städte festlegen. Schließlich müssen Strategien verabschiedet und umgesetzt werden, die das sozioökonomische Wachstum in den Städten ermöglicht und gleichzeitig die Umweltbelastung verringert, wie es in den gewachsenen Städten bereits heute vorzufinden ist.
KW  - cities
KW  - climate change
KW  - urban efficiency
KW  - sustainable urban development
KW  - Städe
KW  - Klimawandel
KW  - Städte Effizienz
KW  - nachaltige Städteentwicklung
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407113
ER  -