TY - JOUR A1 - Schwanghart, Wolfgang A1 - Worni, Raphael A1 - Huggel, Christian A1 - Stoffel, Markus A1 - Korup, Oliver T1 - Uncertainty in the Himalayan energy–water nexus BT - estimating regional exposure to glacial lake outburst floods JF - Environmental research letters : ERL N2 - Himalayan water resources attract a rapidly growing number of hydroelectric power projects (HPP) to satisfy Asia's soaring energy demands. Yet HPP operating or planned in steep, glacier-fed mountain rivers face hazards of glacial lake outburst floods (GLOFs) that can damage hydropower infrastructure, alter water and sediment yields, and compromise livelihoods downstream. Detailed appraisals of such GLOF hazards are limited to case studies, however, and a more comprehensive, systematic analysis remains elusive. To this end we estimate the regional exposure of 257 Himalayan HPP to GLOFs, using a flood-wave propagation model fed by Monte Carlo-derived outburst volumes of >2300 glacial lakes. We interpret the spread of thus modeled peak discharges as a predictive uncertainty that arises mainly from outburst volumes and dam-breach rates that are difficult to assess before dams fail. With 66% of sampled HPP are on potential GLOF tracks, up to one third of these HPP could experience GLOF discharges well above local design floods, as hydropower development continues to seek higher sites closer to glacial lakes. We compute that this systematic push of HPP into headwaters effectively doubles the uncertainty about GLOF peak discharge in these locations. Peak discharges farther downstream, in contrast, are easier to predict because GLOF waves attenuate rapidly. Considering this systematic pattern of regional GLOF exposure might aid the site selection of future Himalayan HPP. Our method can augment, and help to regularly update, current hazard assessments, given that global warming is likely changing the number and size of Himalayan meltwater lakes. KW - Himalayas KW - glacial hazards KW - glacial lake outburst floods KW - hydropower KW - water resources Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/7/074005 SN - 1748-9326 VL - 11 PB - IOP Publ. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Thieken, Annegret A1 - Kienzler, Sarah A1 - Kreibich, Heidi A1 - Kuhlicke, Christian A1 - Kunz, Michael A1 - Mühr, Bernhard A1 - Müller, Meike A1 - Otto, Antje A1 - Petrow, Theresia A1 - Pisi, Sebastian A1 - Schröter, Kai T1 - Review of the flood risk management system in Germany after the major flood in 2013 JF - Ecology and society : E&S ; a journal of integrative science for resilience and sustainability N2 - Widespread flooding in June 2013 caused damage costs of €6 to 8 billion in Germany, and awoke many memories of the floods in August 2002, which resulted in total damage of €11.6 billion and hence was the most expensive natural hazard event in Germany up to now. The event of 2002 does, however, also mark a reorientation toward an integrated flood risk management system in Germany. Therefore, the flood of 2013 offered the opportunity to review how the measures that politics, administration, and civil society have implemented since 2002 helped to cope with the flood and what still needs to be done to achieve effective and more integrated flood risk management. The review highlights considerable improvements on many levels, in particular (1) an increased consideration of flood hazards in spatial planning and urban development, (2) comprehensive property-level mitigation and preparedness measures, (3) more effective flood warnings and improved coordination of disaster response, and (4) a more targeted maintenance of flood defense systems. In 2013, this led to more effective flood management and to a reduction of damage. Nevertheless, important aspects remain unclear and need to be clarified. This particularly holds for balanced and coordinated strategies for reducing and overcoming the impacts of flooding in large catchments, cross-border and interdisciplinary cooperation, the role of the general public in the different phases of flood risk management, as well as a transparent risk transfer system. Recurring flood events reveal that flood risk management is a continuous task. Hence, risk drivers, such as climate change, land-use changes, economic developments, or demographic change and the resultant risks must be investigated at regular intervals, and risk reduction strategies and processes must be reassessed as well as adapted and implemented in a dialogue with all stakeholders. KW - August 2002 flood KW - Central Europe KW - Floods Directive KW - governance KW - June 2013 flood KW - risk management cycle Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.5751/ES-08547-210251 SN - 1708-3087 SN - 1195-5449 VL - 21 IS - 2 PB - Resilience Alliance CY - Wolfville, NS ER - TY - GEN A1 - Heistermann, Maik A1 - Collis, Scott A1 - Dixon, M. J. A1 - Helmus, J. J. A1 - Henja, A. A1 - Michelson, D. B. A1 - Pfaff, Thomas T1 - An Open Virtual Machine for Cross-Platform Weather Radar Science N2 - In a recent BAMS article, it is argued that community-based Open Source Software (OSS) could foster scientific progress in weather radar research, and make weather radar software more affordable, flexible, transparent, sustainable, and interoperable. Nevertheless, it can be challenging for potential developers and users to realize these benefits: tools are often cumbersome to install; different operating systems may have particular issues, or may not be supported at all; and many tools have steep learning curves. To overcome some of these barriers, we present an open, community-based virtual machine (VM). This VM can be run on any operating system, and guarantees reproducibility of results across platforms. It contains a suite of independent OSS weather radar tools (BALTRAD, Py-ART, wradlib, RSL, and Radx), and a scientific Python stack. Furthermore, it features a suite of recipes that work out of the box and provide guidance on how to use the different OSS tools alone and together. The code to build the VM from source is hosted on GitHub, which allows the VM to grow with its community. We argue that the VM presents another step toward Open (Weather Radar) Science. It can be used as a quick way to get started, for teaching, or for benchmarking and combining different tools. It can foster the idea of reproducible research in scientific publishing. Being scalable and extendable, it might even allow for real-time data processing. We expect the VM to catalyze progress toward interoperability, and to lower the barrier for new users and developers, thus extending the weather radar community and user base. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 262 Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96604 SP - 1641 EP - 1645 ER - TY - JOUR A1 - Heistermann, Maik A1 - Collis, Scott A1 - Dixon, M. J. A1 - Helmus, J. J. A1 - Henja, A. A1 - Michelson, D. B. A1 - Pfaff, Thomas T1 - An Open Virtual Machine for Cross-Platform Weather Radar Science JF - Bulletin of the American Meteorological Society : BAMS N2 - In a recent BAMS article, it is argued that community-based Open Source Software (OSS) could foster scientific progress in weather radar research, and make weather radar software more affordable, flexible, transparent, sustainable, and interoperable. Nevertheless, it can be challenging for potential developers and users to realize these benefits: tools are often cumbersome to install; different operating systems may have particular issues, or may not be supported at all; and many tools have steep learning curves. To overcome some of these barriers, we present an open, community-based virtual machine (VM). This VM can be run on any operating system, and guarantees reproducibility of results across platforms. It contains a suite of independent OSS weather radar tools (BALTRAD, Py-ART, wradlib, RSL, and Radx), and a scientific Python stack. Furthermore, it features a suite of recipes that work out of the box and provide guidance on how to use the different OSS tools alone and together. The code to build the VM from source is hosted on GitHub, which allows the VM to grow with its community. We argue that the VM presents another step toward Open (Weather Radar) Science. It can be used as a quick way to get started, for teaching, or for benchmarking and combining different tools. It can foster the idea of reproducible research in scientific publishing. Being scalable and extendable, it might even allow for real-time data processing. We expect the VM to catalyze progress toward interoperability, and to lower the barrier for new users and developers, thus extending the weather radar community and user base. Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1175/BAMS-D-14-00220.1 SN - 0003-0007 SN - 1520-0477 VL - 96 SP - 1641 EP - 1645 PB - American Meteorological Society CY - Boston ER - TY - GEN A1 - Kormann, C. A1 - Francke, Till A1 - Renner, M. A1 - Bronstert, Axel T1 - Attribution of high resolution streamflow trends in Western Austria BT - an approach based on climate and discharge station data N2 - The results of streamflow trend studies are often characterized by mostly insignificant trends and inexplicable spatial patterns. In our study region, Western Austria, this applies especially for trends of annually averaged runoff. However, analysing the altitudinal aspect, we found that there is a trend gradient from higher-altitude to lower-altitude stations, i.e. a pattern of mostly positive annual trends at higher stations and negative ones at lower stations. At midaltitudes, the trends are mostly insignificant. Here we hypothesize that the streamflow trends are caused by the following two main processes: on the one hand, melting glaciers produce excess runoff at higher-altitude watersheds. On the other hand, rising temperatures potentially alter hydrological conditions in terms of less snowfall, higher infiltration, enhanced evapotranspiration, etc., which in turn results in decreasing streamflow trends at lower-altitude watersheds. However, these patterns are masked at mid-altitudes because the resulting positive and negative trends balance each other. To support these hypotheses, we attempted to attribute the detected trends to specific causes. For this purpose, we analysed trends of filtered daily streamflow data, as the causes for these changes might be restricted to a smaller temporal scale than the annual one. This allowed for the explicit determination of the exact days of year (DOYs) when certain streamflow trends emerge, which were then linked with the corresponding DOYs of the trends and characteristic dates of other observed variables, e.g. the average DOY when temperature crosses the freezing point in spring. Based on these analyses, an empirical statistical model was derived that was able to simulate daily streamflow trends sufficiently well. Analyses of subdaily streamflow changes provided additional insights. Finally, the present study supports many modelling approaches in the literature which found out that the main drivers of alpine streamflow changes are increased glacial melt, earlier snowmelt and lower snow accumulation in wintertime. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 260 KW - time-series KW - alpine KW - snow KW - variability KW - switzerland KW - impacts KW - regimes KW - temperature KW - seasonality KW - catchments Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96560 SP - 1225 EP - 1245 ER - TY - JOUR A1 - Kormann, C. A1 - Francke, Till A1 - Renner, M. A1 - Bronstert, Axel T1 - Attribution of high resolution streamflow trends in Western Austria BT - an approach based on climate and discharge station data JF - Hydrology and earth system sciences N2 - The results of streamflow trend studies are often characterized by mostly insignificant trends and inexplicable spatial patterns. In our study region, Western Austria, this applies especially for trends of annually averaged runoff. However, analysing the altitudinal aspect, we found that there is a trend gradient from higher-altitude to lower-altitude stations, i.e. a pattern of mostly positive annual trends at higher stations and negative ones at lower stations. At midaltitudes, the trends are mostly insignificant. Here we hypothesize that the streamflow trends are caused by the following two main processes: on the one hand, melting glaciers produce excess runoff at higher-altitude watersheds. On the other hand, rising temperatures potentially alter hydrological conditions in terms of less snowfall, higher infiltration, enhanced evapotranspiration, etc., which in turn results in decreasing streamflow trends at lower-altitude watersheds. However, these patterns are masked at mid-altitudes because the resulting positive and negative trends balance each other. To support these hypotheses, we attempted to attribute the detected trends to specific causes. For this purpose, we analysed trends of filtered daily streamflow data, as the causes for these changes might be restricted to a smaller temporal scale than the annual one. This allowed for the explicit determination of the exact days of year (DOYs) when certain streamflow trends emerge, which were then linked with the corresponding DOYs of the trends and characteristic dates of other observed variables, e.g. the average DOY when temperature crosses the freezing point in spring. Based on these analyses, an empirical statistical model was derived that was able to simulate daily streamflow trends sufficiently well. Analyses of subdaily streamflow changes provided additional insights. Finally, the present study supports many modelling approaches in the literature which found out that the main drivers of alpine streamflow changes are increased glacial melt, earlier snowmelt and lower snow accumulation in wintertime. KW - alpine KW - catchments KW - impacts KW - regimes KW - seasonality KW - snow KW - switzerland KW - temperature KW - time-series KW - variability Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.5194/hess-19-1225-2015 SN - 1607-7938 SN - 1027-5606 VL - 19 SP - 1225 EP - 1245 PB - EGU CY - Katlenburg-Lindau ER - TY - THES A1 - Kalbe, Johannes T1 - Stepping stones hominin dispersal out of Africa BT - pleistocene lakes and wetlands in the Levant Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Olen, Stephanie M. T1 - Understanding Himalayan denudation at the catchment and orogen scale T1 - Verständnis von Denudation auf regionalem und orogenem Maßstab im Himalaja N2 - Understanding the rates and processes of denudation is key to unraveling the dynamic processes that shape active orogens. This includes decoding the roles of tectonic and climate-driven processes in the long-term evolution of high- mountain landscapes in regions with pronounced tectonic activity and steep climatic and surface-process gradients. Well-constrained denudation rates can be used to address a wide range of geologic problems. In steady-state landscapes, denudation rates are argued to be proportional to tectonic or isostatic uplift rates and provide valuable insight into the tectonic regimes underlying surface denudation. The use of denudation rates based on terrestrial cosmogenic nuclide (TCN) such as 10Beryllium has become a widely-used method to quantify catchment-mean denudation rates. Because such measurements are averaged over timescales of 102 to 105 years, they are not as susceptible to stochastic changes as shorter-term denudation rate estimates (e.g., from suspended sediment measurements) and are therefore considered more reliable for a comparison to long-term processes that operate on geologic timescales. However, the impact of various climatic, biotic, and surface processes on 10Be concentrations and the resultant denudation rates remains unclear and is subject to ongoing discussion. In this thesis, I explore the interaction of climate, the biosphere, topography, and geology in forcing and modulating denudation rates on catchment to orogen scales. There are many processes in highly dynamic active orogens that may effect 10Be concentrations in modern river sands and therefore impact 10Be-derived denudation rates. The calculation of denudation rates from 10Be concentrations, however, requires a suite of simplifying assumptions that may not be valid or applicable in many orogens. I investigate how these processes affect 10Be concentrations in the Arun Valley of Eastern Nepal using 34 new 10Be measurements from the main stem Arun River and its tributaries. The Arun Valley is characterized by steep gradients in climate and topography, with elevations ranging from <100 m asl in the foreland basin to >8,000 asl in the high sectors to the north. This is coupled with a five-fold increase in mean annual rainfall across strike of the orogen. Denudation rates from tributary samples increase toward the core of the orogen, from <0.2 to >5 mm/yr from the Lesser to Higher Himalaya. Very high denudation rates (>2 mm/yr), however, are likely the result of 10Be TCN dilution by surface and climatic processes, such as large landsliding and glaciation, and thus may not be representative of long-term denudation rates. Mainstem Arun denudation rates increase downstream from ~0.2 mm/yr at the border with Tibet to 0.91 mm/yr at its outlet into the Sapt Kosi. However, the downstream 10Be concentrations may not be representative of the entire upstream catchment. Instead, I document evidence for downstream fining of grains from the Tibetan Plateau, resulting in an order-of-magnitude apparent decrease in the measured 10Be concentration. In the Arun Valley and across the Himalaya, topography, climate, and vegetation are strongly interrelated. The observed increase in denudation rates at the transition from the Lesser to Higher Himalaya corresponds to abrupt increases in elevation, hillslope gradient, and mean annual rainfall. Thus, across strike (N-S), it is difficult to decipher the potential impacts of climate and vegetation cover on denudation rates. To further evaluate these relationships I instead took advantage of an along-strike west-to-east increase of mean annual rainfall and vegetation density in the Himalaya. An analysis of 136 published 10Be denudation rates from along strike of the revealed that median denudation rates do not vary considerably along strike of the Himalaya, ~1500 km E-W. However, the range of denudation rates generally decreases from west to east, with more variable denudation rates in the northwestern regions of the orogen than in the eastern regions. This denudation rate variability decreases as vegetation density increases (R=- 0.90), and increases proportionately to the annual seasonality of vegetation (R=0.99). Moreover, rainfall and vegetation modulate the relationship between topographic steepness and denudation rates such that in the wet, densely vegetated regions of the Himalaya, topography responds more linearly to changes in denudation rates than in dry, sparsely vegetated regions, where the response of topographic steepness to denudation rates is highly nonlinear. Understanding the relationships between denudation rates, topography, and climate is also critical for interpreting sedimentary archives. However, there is a lack of understanding of how terrestrial organic matter is transported out of orogens and into sedimentary archives. Plant wax lipid biomarkers derived from terrestrial and marine sedimentary records are commonly used as paleo- hydrologic proxy to help elucidate these problems. I address the issue of how to interpret the biomarker record by using the plant wax isotopic composition of modern suspended and riverbank organic matter to identify and quantify organic matter source regions in the Arun Valley. Topographic and geomorphic analysis, provided by the 10Be catchment-mean denudation rates, reveals that a combination of topographic steepness (as a proxy for denudation) and vegetation density is required to capture organic matter sourcing in the Arun River. My studies highlight the importance of a rigorous and careful interpretation of denudation rates in tectonically active orogens that are furthermore characterized by strong climatic and biotic gradients. Unambiguous information about these issues is critical for correctly decoding and interpreting the possible tectonic and climatic forces that drive erosion and denudation, and the manifestation of the erosion products in sedimentary archives. N2 - Schlüssel im Verständnis der dynamischen Prozesse in aktiven Orogenen ist die Kenntnis der Abtragungsraten und -prozesse. Eine breite Auswahl geologischer Fragen können mit well-constrained Abtragungsraten erörtert werden. Sind Landschaften im Gleichgewicht so sind die Denudationsraten proportional zu den tektonischen und isostatischen Hebungsraten und geben somit wichtige Hinweise über die tektonischen Eigenschaften der Region. Eine weit verbreitete und etablierte Methode zur Bestimmung mittlerer Denudationsraten eines bestimmten Einzugsgebietes ist Beryllium-10, ein terrestrisches kosmogenes Nuklid (10Be TCN). 10Be TCN Messungen stellen durchschnittliche Abtragungsraten über einen Zeitraum von 10^2 – 10^5 Jahren dar und sind daher weniger verletzlich gegenüber stochastischen Änderungen wie Erosionsraten, die über einen kurzen Zeitraum ermittelt werden z.B. in Suspension. Sie sind daher zuverlässig einsetzbar um langfristige Prozesse zu vergleichen. Allerdings ist unklar welche Einfluss verschiedene klimatische, biologische oder erdoberflächen Prozesse auf die 10Be Konzentration ausüben und somit auch auf die resultierenden Abtragungsraten. In dieser Doktorarbeit, setze ich mich mit dem Zwischenspiel von Klima, Biosphäre, Topographie und Geologie auseinander und dem Einfluss, den sie auf Abtragungsraten ausüben sowohl auf regionalem wie auch auf orogenem Maßstab. In hoch dynamischen aktiven Gebirgen gibt es viele Prozesse, welche die 10Be Konzentration in heutigen Flusssanden beeinflussen und damit auch die, mittels 10Be berechneten, Abtragungsraten. Um diese Raten mittels 10Be Konzentrationen zu berechnen benötigen wir einige vereinfachende Annahmen, die möglicherweise in anderen Regionen keine Gültigkeit haben. Ich untersuche den Einfluss dieser Prozesse auf die 10Be Konzentration. Dazu haben wir im Arun Tal im Osten Nepals 34 neue 10Be Konzentrationen des Arun Flusses und seinen Zuflüssen untersucht. Charakteristisch für das Arun Tal sind die steilen Gradienten im Klima mit einem fünffachen Anstieg des mittleren jährlichen Regenfalls über das Orogens, und in der Topographie mit Höhen von weniger als 100 m über Meer im Vorlandbecken bis über 8000 m über Meer im Gebirge. Die Abtragungsraten der Proben der Zuflüsse nehmen gegen das Zentrum des Gebirges von weniger <0.2 zu mehr als >5 mm/yr zu d.h. ansteigend vom Lesser zum Higher Himalaya. Sehr hohe Denudationsraten (> 2mm/yr) können durch erdoberflächen und klimatische Prozesse verwässert werden z. B. grosse Erdrutsche und Vergletscherungen, und sind daher nicht unbedingt repräsentativ für langzeitliche Abtragungsraten. Im Arun nehmen die Raten des Hauptflusses flussabwärts von 0.2 mm/yr im Bereich der Grenze zu Tibet auf 0.91 mm/yr am Ausfluss in Sapt Kosi zu. Es ist möglich, dass diese 10Be Konzentrationen nicht das vollständige flussauswärtsliegende Einzugsgebiet repräsentieren. Stattdessen lege ich dar wie sich die Korngrösse ab dem tibetischen Plateau verfeinert und dazu führt, dass die 10Be Konzentrationen offenkundig im Bereich einer Grössenordnung abnehmen. Im Arun Tal und sowie über den ganzen Himalaja sind Topographie, Klima und Vegetation sehr stark miteinander verbunden. Das Ansteigen der Denudationsraten im Übergang vom Lesser zum Higher Himalaya stimmt mit dem abrupten Ansteigen der Höhe, des Hangneigungsgradienten und des mittleren jährlichen Regenfalles überein. Es ist schwierig die möglichen Einflüssen von Klima und der Vegetationsdichte auf die Abtragungsraten über das Orogen hinweg (N-S) zu entziffern. Stattdessen, nutzen wir den Vorteil der, von West nach Ost, parallel zum Himalaja verlaufenden, Zunahme des mittleren jährlichen Regenfalles und der Vegetationsdichte. Eine Analyse 136 publizierter 10Be TCN Abtragungsraten entlang des Gebirges, zeigt dass die im Streichen liegenden mittleren Denudationsraten (ca. 1500 km Ost-West) nicht deutlich variieren. Generell sinkt die Wertebereich der Denudationsraten vom Westen gegen Osten, wobei in den nordwestlichen Regionen des Himalajas variablere Abtragungsraten vorherrschen als in den östlichen Regionen. Diese Vielfalt in den Denudationsraten sinkt mit steigender Vegetationsdichte (R=-0.90) und steigt proportional zur (jährlichen) Saisonalität der Vegetation (R=0.99). Vielmehr noch wird das Verhältnis zwischen der topographischen Steilheit und den Abtragungsraten durch Regen und Vegetation beeinflusst z. B. in feuchten Gebieten mit starker Vegetation reagiert die Topographie linearer auf Wechsel in den Abtragungsraten als in trockenen, kaum bewachsenen Regionen, wo die Reaktion der topographischen Steilheit auf die Denudationsraten äusserst nicht-linear ist. Das Verständnis der Beziehung zwischen Erosion, Topographie und Klima ist auch entscheidend für die Interpretation von Sedimentarchiven. Unser Wissen über die Repräsentativität von terrestrisches organisches Material, abgelagert in z.B. Flussdeltas, für die Einzugsgebiete der entsprechenden Flüsse, ist nach wie vor nur vage. Dennoch sind Blattwachse höherer Landpflanzen, extrahiert aus terrestrischen und marinen Sedimenten, ein häufig verwendeter paläohydrologischer Proxy. Im Rahmen dieser Arbeit nutzen wir die Isotopenzusammensetzung von Pflanzenwachsen aus Suspensionsmaterial und aus Flusssedimenten als Herkunftsmarker und zur Quantifizierung des organischen Materials im Arun Tal. Die Analyse von Vegetationsdichte und Regenverteilung in Kombination mit Abtragungsraten des Einzugsgebietes, welche durch die mittleren 10Be-Erosionsraten gestützt werden, zeigen, dass das Vorhandensein dichter Vegetation ein zwar notwendiges, aber nicht hinreichendes Kriterium für hohen OM-Export ist. Vielmehr können wir zeigen, dass nur eine Kombination aus dichter Vegetationsdecke und Erosion zu hohem OM-Export führt. Für die Interpretation entspechender Archive bedeutet das, dass sie im Wesentlichen jene Bereiche des Einzugsgebietes repräsentieren, welche durch hohe Pflanzendichte und starke Erosion charakterisiert sind. Diese Studien belegen wie wichtig es ist die Abtragungsraten in aktiven Gebirgen umfassend zu verstehen. Für die Interpretation kann dieses Verständnis der möglichen tektonischen und klimatischen Gewalten, welche Erosion und Abtragung steuern, und auch das Verständnis der Sedimentarchive aus den Gebirgen stammend, entscheidend sein. KW - geology KW - geomorphology KW - Himalaya KW - Geologie KW - Geomorphologie KW - Himalaja Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-91423 ER - TY - THES A1 - Nied, Manuela T1 - The role of soil moisture and weather patterns for flood occurrence and characteristics at the river basin scale T1 - Die Bedeutung von Mustern der Bodenfeuchte und des Wetters für das Auftreten und die Ausprägung von Hochwasserereignissen auf der Skala des Flusseinzugsgebietes N2 - Flood generation at the scale of large river basins is triggered by the interaction of the hydrological pre-conditions and the meteorological event conditions at different spatial and temporal scales. This interaction controls diverse flood generating processes and results in floods varying in magnitude and extent, duration as well as socio-economic consequences. For a process-based understanding of the underlying cause-effect relationships, systematic approaches are required. These approaches have to cover the complete causal flood chain, including the flood triggering meteorological event in combination with the hydrological (pre-)conditions in the catchment, runoff generation, flood routing, possible floodplain inundation and finally flood losses. In this thesis, a comprehensive probabilistic process-based understanding of the causes and effects of floods is advanced. The spatial and temporal dynamics of flood events as well as the geophysical processes involved in the causal flood chain are revealed and the systematic interconnections within the flood chain are deciphered by means of the classification of their associated causes and effects. This is achieved by investigating the role of the hydrological pre-conditions and the meteorological event conditions with respect to flood occurrence, flood processes and flood characteristics as well as their interconnections at the river basin scale. Broadening the knowledge about flood triggers, which up to now has been limited to linking large-scale meteorological conditions to flood occurrence, the influence of large-scale pre-event hydrological conditions on flood initiation is investigated. Using the Elbe River basin as an example, a classification of soil moisture, a key variable of pre-event conditions, is developed and a probabilistic link between patterns of soil moisture and flood occurrence is established. The soil moisture classification is applied to continuously simulated soil moisture data which is generated using the semi-distributed conceptual rainfall-runoff model SWIM. Applying successively a principal component analysis and a cluster analysis, days of similar soil moisture patterns are identified in the period November 1951 to October 2003. The investigation of flood triggers is complemented by including meteorological conditions described by a common weather pattern classification that represents the main modes of atmospheric state variability. The newly developed soil moisture classification thereby provides the basis to study the combined impact of hydrological pre-conditions and large-scale meteorological event conditions on flood occurrence at the river basin scale. A process-based understanding of flood generation and its associated probabilities is attained by classifying observed flood events into process-based flood types such as snowmelt floods or long-rain floods. Subsequently, the flood types are linked to the soil moisture and weather patterns. Further understanding of the processes is gained by modeling of the complete causal flood chain, incorporating a rainfall-runoff model, a 1D/2D hydrodynamic model and a flood loss model. A reshuffling approach based on weather patterns and the month of their occurrence is developed to generate synthetic data fields of meteorological conditions, which drive the model chain, in order to increase the flood sample size. From the large number of simulated flood events, the impact of hydro-meteorological conditions on various flood characteristics is detected through the analysis of conditional cumulative distribution functions and regression trees. The results show the existence of catchment-scale soil moisture patterns, which comprise of large-scale seasonal wetting and drying components as well as of smaller-scale variations related to spatially heterogeneous catchment processes. Soil moisture patterns frequently occurring before the onset of floods are identified. In winter, floods are initiated by catchment-wide high soil moisture, whereas in summer the flood-initiating soil moisture patterns are diverse and the soil moisture conditions are less stable in time. The combined study of both soil moisture and weather patterns shows that the flood favoring hydro-meteorological patterns as well as their interactions vary seasonally. In the analysis period, 18 % of the weather patterns only result in a flood in the case of preceding soil saturation. The classification of 82 past events into flood types reveals seasonally varying flood processes that can be linked to hydro-meteorological patterns. For instance, the highest flood potential for long-rain floods is associated with a weather pattern that is often detected in the presence of so-called ‘Vb’ cyclones. Rain-on-snow and snowmelt floods are associated with westerly and north-westerly wind directions. The flood characteristics vary among the flood types and can be reproduced by the applied model chain. In total, 5970 events are simulated. They reproduce the observed event characteristics between September 1957 and August 2002 and provide information on flood losses. A regression tree analysis relates the flood processes of the simulated events to the hydro-meteorological (pre-)event conditions and highlights the fact that flood magnitude is primarily controlled by the meteorological event, whereas flood extent is primarily controlled by the soil moisture conditions. Describing flood occurrence, processes and characteristics as a function of hydro-meteorological patterns, this thesis is part of a paradigm shift towards a process-based understanding of floods. The results highlight that soil moisture patterns as well as weather patterns are not only beneficial to a probabilistic conception of flood initiation but also provide information on the involved flood processes and the resulting flood characteristics. N2 - Hochwasserereignisse in großen Flusseinzugsgebieten entstehen durch das Zusammenwirken der hydrologischen Vorbedingungen und der meteorologischen Ereignisbedingungen. Das Zusammenwirken findet auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen statt und steuert dabei unterschiedliche Prozesse der Hochwasserentstehung. Diese führen zu Hochwassern mit vielfältigen Eigenschaften, die sich unter anderem in maximalem Pegelstand, räumlicher Ausdehnung, Andauer und sozio-ökonomischen Folgen unterscheiden. Für ein prozessbasiertes Verständnis der zugrunde liegenden Zusammenhänge zwischen Ursache und Wirkung sind systematische Ansätze notwendig. Diese müssen die gesamte kausale Hochwasserprozesskette, von dem Hochwasser auslösenden meteorologischen Ereignis welches auf die hydrologischen Vorbedingungen im Einzugsgebiet trifft, über Abflussbildung, Wellenablauf und mögliche Überflutungen, bis hin zum Hochwasserschaden umfassen. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, zu einem umfassenden probabilistischen, prozessbasierten Verständnis der Ursachen und Auswirkungen von Hochwassern beizutragen. Neben der räumlichen und zeitlichen Dynamik von Hochwasserereignissen werden die an der kausalen Hochwasserprozesskette beteiligten geophysikalischen Prozesse analysiert. Systematische Zusammenhänge von Ursachen und Wirkungen innerhalb der Hochwasserprozesskette werden durch die Analyse von Klassifizierungen der hydrologischen Vorbedingungen und der meteorologischen Ereignisbedingungen offengelegt. Des Weiteren wird der Einfluss der klassifizierten Bedingungen bezüglich Hochwasserentstehung, Hochwasserprozessen und Hochwassereigenschaften sowie deren Verbindungen untereinander auf Ebene des Flusseinzugsgebiets quantifiziert. Das Wissen über hochwasserauslösende Bedingungen, welches bisher auf die Analyse von Großwetterlagen und deren Einfluss auf die Hochwasserentstehung beschränkt war, wird um den Einflussfaktor der großskaligen hydrologischen Vorbedingungen ergänzt. Am Beispiel des Einzugsgebiets der Elbe wird eine Klassifizierungsmethode für die Bodenfeuchte, einer bedeutenden hydrologischen Vorbedingung, entwickelt. Durch die Klassifizierung der Bodenfeuchte kann ein probabilistischer Zusammenhang zwischen räumlichen Bodenfeuchtemustern und dem Auftreten von Hochwasser hergestellt werden. Die Bodenfeuchteklassifizierung wird angewandt auf Bodenfeuchtedaten, die mit dem konzeptionellen Niederschlags-Abfluss-Modell SWIM durch kontinuierliche Simulation erzeugt werden. Eine Hauptkomponenten- und anschließende Clusteranalyse identifizieren dabei Tage ähnlicher räumlicher Bodenfeuchteverteilung im Zeitraum November 1951 bis Oktober 2003. Die meteorologischen Ereignisbedingungen werden durch eine gängige Wetterlagenklassifikation beschrieben, welche die charakteristischen atmosphärischen Zustände abbildet. Gemeinsam mit der neu entwickelten Bodenfeuchteklassifizierung bildet dies die Grundlage für die Untersuchung des kombinierten Einflusses der hydrologischen Vorbedingungen und der großräumigen meteorologischen Ereignisbedingungen auf die Entstehung von Hochwasser auf Flussgebietsskala. Das prozessorientierte Verständnis der Hochwasserentstehung und die damit einhergehenden Wahrscheinlichkeiten werden durch die Klassifizierung von vergangenen Hochwasserereignissen in prozessbasierte Hochwassertypen wie Schneeschmelzhochwasser oder Hochwasser auf Grund von langanhaltendendem Regen erzielt. Anschließend werden den Hochwassertypen die jeweils vorliegenden Bodenfeuchtemuster und Wetterlagen zugeordnet. Die Hochwasserprozesse werden zudem durch Simulation der gesamten kausalen Hochwasserprozesskette unter Einbeziehung eines Niederschlags-Abfluss-Modells, eines 1D/2D hydrodynamischen Modells sowie eines Hochwasserschadensmodells modelliert. Ein neu entwickelter Permutationsansatz basierend auf der Wetterlage und dem Monat ihres Auftretens generiert synthetische meteorologische Datensätze, welche der Modellkette als Eingangsdaten dienen, um eine repräsentative Anzahl von Hochwasserereignissen zu erzeugen. Durch die Vielzahl an simulierten Hochwasserereignissen kann der systematische Einfluss der hydro-meteorologischen Bedingungen auf verschiedene Hochwassermerkmale mit Hilfe von bedingten Verteilungsfunktionen und Regressionsbäumen gezeigt werden. Die Ergebnisse belegen die Existenz von Mustern der Bodenfeuchte auf Ebene von Flusseinzugsgebieten. Die Muster bilden sowohl großräumige jahreszeitliche Schwankungen der Bodenfeuchte als auch kleinskalige heterogene Prozesse im Einzugsgebiet ab. Häufig vor Hochwassern auftretende Bodenfeuchtemuster werden identifiziert. Im Winter wird Hochwasser vornehmlich durch eine flächendeckend hohe Bodenfeuchte eingeleitet. Im Sommer sind die Bodenfeuchtemuster zeitlich variabler und die mit Hochwasser in Verbindung stehenden Muster zahlreicher. Die Ergänzung der Bodenfeuchtemuster um die Wetterlagenklassifikation zeigt für die Hochwasserentstehung, dass die Beiträge der einzelnen hydro-meteorologischen Muster sowie deren Zusammenwirken jahreszeitlich variieren. Im Untersuchungszeitraum resultieren 18 % der Wetterlagen nur bei vorangehender Bodensättigung in einem Hochwasser. Die Zuordnung von 82 Hochwasserereignissen zu prozess-basierten Hochwassertypen zeigt ebenfalls saisonal unterschiedliche Prozesse auf, welche mit den hydro-meteorologischen Mustern in Verbindung gebracht werden können. Beispielsweise ist das größte Hochwasserpotenzial auf Grund von langanhaltendem Regen auf eine Wetterlage zurückzuführen, die häufig in Gegenwart von sogenannten "Vb" Zyklonen beobachtet wird. Regen-auf-Schnee und Schneeschmelz-Ereignisse werden im Zusammenhang mit westlichen und nordwestlichen Windrichtungen beobachtet. Die prozessbasierten Hochwassertypen und die resultierenden Hochwassereigenschaften können durch die angewandte Modellkette wiedergegeben werden. Insgesamt werden 5970 Ereignisse simuliert, welche die beobachteten Hochwassereigenschaften zwischen September 1957 und August 2002 reproduzieren. Zusätzlich können durch die Modellkette auch Aussagen über auftretende Hochwasserschäden gemacht werden. Eine Regressionsbaum-Analyse setzt die Hochwasserprozesse der simulierten Ereignisse in Beziehung zu den hydro-meteorologischen Bedingungen. Dabei wird deutlich, dass der Pegelstand primär durch die meteorologischen Ereignisbedingungen bestimmt wird, wohingegen die räumliche Ausdehnung des Hochwassers primär durch die Bodenfeuchtebedingungen beeinflusst wird. Die vorliegende Arbeit ist Teil eines Paradigmenwechsels hin zu einem prozessbasierten Hochwasserverständnis. Die Beschreibung von Hochwasserentstehung, Hochwasserprozessen und Hochwassereigenschaften in Abhängigkeit von hydro-meteorologischen Mustern zeigt, dass Bodenfeuchtemuster sowie Wetterlagen nicht nur zu einer probabilistischen Analyse der Hochwasserentstehung beitragen, sondern auch Aufschluss über die ablaufenden Hochwasserprozesse und die daraus resultierenden Hochwassereigenschaften geben. KW - floods KW - antecedent conditions KW - soil moisture patterns KW - weather patterns KW - flood types KW - Hochwasser KW - hydrologische Vorbedingungen KW - Muster der Bodenfeuchte KW - Wetterlagen KW - Hochwassertypen Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94612 ER - TY - THES A1 - Chen, Kejie T1 - Real-time GNSS for fast seismic source inversion and tsunami early warning T1 - Echtzeit-GNSS für schnelle seismischen Quelle Inversion und Tsunami-Frühwarnsystem N2 - Over the past decades, rapid and constant advances have motivated GNSS technology to approach the ability to monitor transient ground motions with mm to cm accuracy in real-time. As a result, the potential of using real-time GNSS for natural hazards prediction and early warning has been exploited intensively in recent years, e.g., landslides and volcanic eruptions monitoring. Of particular note, compared with traditional seismic instruments, GNSS does not saturate or tilt in terms of co-seismic displacement retrieving, which makes it especially valuable for earthquake and earthquake induced tsunami early warning. In this thesis, we focus on the application of real-time GNSS to fast seismic source inversion and tsunami early warning. Firstly, we present a new approach to get precise co-seismic displacements using cost effective single-frequency receivers. As is well known, with regard to high precision positioning, the main obstacle for single-frequency GPS receiver is ionospheric delay. Considering that over a few minutes, the change of ionospheric delay is almost linear, we constructed a linear model for each satellite to predict ionospheric delay. The effectiveness of this method has been validated by an out-door experiment and 2011 Tohoku event, which confirms feasibility of using dense GPS networks for geo-hazard early warning at an affordable cost. Secondly, we extended temporal point positioning from GPS-only to GPS/GLONASS and assessed the potential benefits of multi-GNSS for co-seismic displacement determination. Out-door experiments reveal that when observations are conducted in an adversary environment, adding a couple of GLONASS satellites could provide more reliable results. The case study of 2015 Illapel Mw 8.3 earthquake shows that the biases between co-seismic displacements derived from GPS-only and GPS/GLONASS vary from station to station, and could be up to 2 cm in horizontal direction and almost 3 cm in vertical direction. Furthermore, slips inverted from GPS/GLONASS co-seismic displacements using a layered crust structure on a curved plane are shallower and larger for the Illapel event. Thirdly, we tested different inversion tools and discussed the uncertainties of using real-time GNSS for tsunami early warning. To be exact, centroid moment tensor inversion, uniform slip inversion using a single Okada fault and distributed slip inversion in layered crust on a curved plane were conducted using co-seismic displacements recorded during 2014 Pisagua earthquake. While the inversion results give similar magnitude and the rupture center, there are significant differences in depth, strike, dip and rake angles, which lead to different tsunami propagation scenarios. Even though, resulting tsunami forecasting along the Chilean coast is close to each other for all three models. Finally, based on the fact that the positioning performance of BDS is now equivalent to GPS in Asia-Pacific area and Manila subduction zone has been identified as a zone of potential tsunami hazard, we suggested a conceptual BDS/GPS network for tsunami early warning in South China Sea. Numerical simulations with two earthquakes (Mw 8.0 and Mw 7.5) and induced tsunamis demonstrate the viability of this network. In addition, the advantage of BDS/GPS over a single GNSS system by source inversion grows with decreasing earthquake magnitudes. N2 - In den letzten Jahrzehnten haben schnelle und ständige Fortschritte die GNSS Technologie motiviert, die Fähigkeit zu erreichen, vorübergehende Bodenbewegungen mit einer Genauigkeit von mm bis cm in Echtzeit zu überwachen. Als Ergebnis wurde das Potential der Benutzung von Echtzeit GNSS zur Vorhersage von Naturgefährdungen und Frühwarnungen in den letzten Jahren intensiv ausgenutzt, zum Beispiel beim Beobachten von Hangrutschungen und vulkanischen Eruptionen. Besonders im Vergleich mit traditionellen seismischen Instrumenten tritt bei GNSS bei seismischen Verschiebungen keine Sättigung oder Neigung auf, was es für Erdbeben und durch Erdbeben induzierte Tsunamis besonders wertvoll macht. In dieser Arbeit richtet sich der Fokus auf die Anwendung von Echtzeit GNSS auf schnelle seismische Quelleninversion und Tsunami Frühwarnung. Zuerst präsentieren wir einen neuen Ansatz, um präzise seismische Verschiebungen durch kosteneffiziente Einzelfrequenz-Empfänger zu erhalten. Wie in Bezug auf Hochpräzisions-Positionierung bekannt ist, ist das hauptsächliche Hindernis für Einzelfrequenz-GPS die Verzögerung durch die Ionosphäre. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Änderung in der ionosphärischen Verzögerung über mehrere Minuten hinweg linear ist, haben wir ein lineares Modell für jeden Satelliten konstruiert, um die ionosphärische Verzögerung vorherzusagen. Die Effizienz dieser Methode wurde bei einem Freiluft-Experiment und bei dem Tohoku Ereignis 2011 validiert, was die Verwendbarkeit eines dichten GPS Netzwerks für Frühwarnung vor Geo-Gefahren bei vertretbaren Kosten bestätigt. Als Zweites haben wir die zeitliche Punkt-Positionierung von GPS-only zu GPS/GLONASS erweitert und den potentiellen Nutzen von Multi-GPNSS für die Bestimmung seismischer Verschiebungen bewertet. Freiluft-Experimente zeigen, dass zusätzliche GLONASS Satelliten in feindlicher Umgebung verlässlichere Ergebnisse liefern könnten. Die Fallstudie vom 2015 Illapel Erdbeben mit 8,3 Mw zeigt, dass die mit GPS-only und GPS/GLONASS abgeleiteten seismischen Verschiebungen von Station zu Station variieren und bis zu 2 cm in horizontaler Richtung und beinahe 3 cm in vertikaler Richtung betragen könnten. Zudem sind Verwerfungen, die durch GPS/GLONASS seismische Verschiebungen umgekehrt sind und eine geschichtete Krustenstruktur benutzen, auf einer gekrümmten Ebene flacher und größer für das Illapel Ereignis. Als Drittes haben wir verschiedene Inversionstools getestet und die Unsicherheiten der Benutzung von Echtzeit GNSS zur Tsunami Frühwarnung diskutiert. Um genau zu sein, wurden eine Schwerpunkts Momenten-Tensoren-Inversion, eine gleichmäßige Verwerfungsinversion bei Benutzung einer einzelnen Okada Verwerfung und eine verteilte Verwerfungs-Inversion in geschichteter Kruste auf einer gekrümmten Ebene durchgeführt. Dafür wurden seismische Verschiebungen genutzt, die beim Pisagua Erdbeben 2014 aufgezeichnet wurden. Während die Inversionsergebnisse ähnliche Magnituden und Bruchstellen liefern, gibt es signifikante Unterschiede bei Tiefe, Streichen, Einfalls- und Spanwinkel, was zu verschiedenen Tsunami Ausbreitungs-Szenarien führt. Trotzdem ist die resultierende Tsunami Vorhersage entlang der chilenischen Küste allen drei Modellen ähnlich. Schlussendlich und basierend auf der Tatsache, dass die Positionierungsleistung von BDS nun äquivalent zu GPS im Asia-Pazifischen Raum ist und die Manila Subduktionszone als potentielle Tsunami Gefährdungszone identifiziert wurde, schlagen wir ein Konzept für ein BDS/GPS Netzwerk für die Tsunami Frühwarnung im Südchinesischen Meer vor. Numerische Simulationen mit zwei Erdbeben (Mw 8.0 und Mw 7.5) und induzierten Tsunamis demonstrieren die Realisierbarkeit dieses Netzwerks. Zusätzlich wächst der Vorteil von BDS/GPS gegenüber einem einzelnen GNSS Sytem bei steigender Quelleninversion mit abnehmender Erdbebenmagnitude. KW - global navigation satellite systems KW - seismic source inversion KW - tsunami early warning KW - GNSS KW - Quelle Inversion KW - Tsunami-Frühwarnsystem Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93174 ER -