TY  - THES
A1  - Conradt, Tobias
T1  - Challenges of regional hydrological modelling in the Elbe River basin : investigations about model fidelity on sub-catchment level
T1  - Herausforderungen für die regionale hydrologische Modellierung im Flußeinzugsgebiet der Elbe : Forschungen zur Modellgüte auf der Ebene der Teileinzugsgebiete
N2  - Within a research project about future sustainable water management options in the Elbe River basin, quasi-natural discharge scenarios had to be provided. The semi-distributed eco-hydrological model SWIM was utilised for this task. According to scenario simulations driven by the stochastical climate model STAR, the region would get distinctly drier. However, this thesis focuses on the challenge of meeting the requirement of high model fidelity even for smaller sub-basins. Usually, the quality of the simulations is lower at inner points than at the outlet. Four research paper chapters and the discussion chapter deal with the reasons for local model deviations and the problem of optimal spatial calibration. Besides other assessments, the Markov Chain Monte Carlo method is applied to show whether evapotranspiration or precipitation should be corrected to minimise runoff deviations, principal component analysis is used in an unusual way to evaluate local precipitation alterations by land cover changes, and remotely sensed surface temperatures allow for an independent view on the evapotranspiration landscape. The overall insight is that spatially explicit hydrological modelling of such a large river basin requires a lot of local knowledge. It probably needs more time to obtain such knowledge as is usually provided for hydrological modelling studies.
N2  - Innerhalb eines Forschungsprojekts zu zukünftigen nachhaltigen Optionen der Wasserwirtschaft im Elbe-Einzugsgebiet mußten quasi-natürliche Abflußszenarien bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck wurde das räumlich diskretisierte ökohydrologische Modell SWIM eingesetzt. Nach den von dem stochastischen Klimamodell STAR angetriebenen Szenariosimulationen würde die Region deutlich trockener werden. Allerdings ist das Hauptthema dieser Dissertation die Herausforderung, die Ansprüche an hohe Modelltreue auch für kleinere Teileinzugsgebiete zu erfüllen. Normalerweise ist die Qualität der Simulationen für innere Punkte geringer als am Gebietsauslaß. Vier Fachartikel-Kapitel und das Diskussionskapitel beschäftigen sich mit den Gründen für lokale Modellabweichungen und dem Problem optimaler räumlicher Kalibrierung. Unter anderem wird die Markovketten-Monte-Carlo-Methode angewendet, um zu zeigen, ob Verdunstung oder Niederschlag korrigiert werden sollte, um Abweichungen des Abflusses zu minimieren, die Hauptkomponentenanalyse wird auf eine unübliche Weise benutzt, um lokale Niederschlagsänderungen aufgrund von Landnutzungsänderungen zu untersuchen, und fernerkundete Oberflächentemperaturen erlauben eine unabhängige Sicht auf die Verdunstungslandschaft. Die grundlegende Erkenntnis ist, daß die räumlich explizite hydrologische Modellierung eines so großen Flußeinzugsgebiets eine Menge Vor-Ort-Wissen erfordert. Wahrscheinlich wird mehr Zeit benötigt, solches Wissen zu erwerben, als üblicherweise für hydrologische Modellstudien zur Verfügung steht.
KW  - ökohydrologische Modellierung
KW  - räumliche Kalibrierung
KW  - Fehlerquellen der Modellierung
KW  - Landschaftseffekte
KW  - Fernerkundung
KW  - eco-hydrological modelling
KW  - spatial calibration
KW  - modelling error sources
KW  - landscape effects
KW  - remote sensing
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65245
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ambili, Anoop
T1  - Lake sediments as climate and tectonic archives in the Indian summer monsoon domain
T1  - Seesedimente als Klima- und Tektonikarchive im Einflussbereich des Indischen Sommermonsuns
N2  - The Indian summer monsoon (ISM) is one of the largest climate systems on earth and impacts the livelihood of nearly 40% of the world’s population. Despite dedicated efforts, a comprehensive picture of monsoon variability has proved elusive largely due to the absence of long term high resolution records, spatial inhomogeneity of the monsoon precipitation, and the complex forcing mechanisms (solar insolation, internal teleconnections for e.g., El Niño-Southern Oscillation, tropical-midlatitude interactions). My work aims to improve the understanding of monsoon variability through generation of long term high resolution palaeoclimate data from climatically sensitive regions in the ISM and westerlies domain. To achieve this aim I have (i) identified proxies (sedimentological, geochemical, isotopic, and mineralogical) that are sensitive to environmental changes; (ii) used the identified proxies to generate long term palaeoclimate data from two climatically sensitive regions, one in NW Himalayas (transitional westerlies and ISM domain in the Spiti valley and one in the core monsoon zone (Lonar lake) in central India); (iii) undertaken a regional overview to generate “snapshots” of selected time slices; and (iv) interpreted the spatial precipitation anomalies in terms of those caused by modern teleconnections. This approach must be considered only as the first step towards identifying the past teleconnections as the boundary conditions in the past were significantly different from today and would have impacted the precipitation anomalies. As the Spiti valley is located in the in the active tectonic orogen of Himalayas, it was essential to understand the role of regional tectonics to make valid interpretations of catchment erosion and detrital influx into the lake. My approach of using integrated structural/morphometric and geomorphic signatures provided clear evidence for active tectonics in this area and demonstrated the suitability of these lacustrine sediments as palaleoseismic archives. The investigations on the lacustrine outcrops in Spiti valley also provided information on changes in seasonality of precipitation and occurrence of frequent and intense periods (ca. 6.8-6.1 cal ka BP) of detrital influx indicating extreme hydrological events in the past. Regional comparison for this time slice indicates a possible extended “break-monsoon like” mode for the monsoon that favors enhanced precipitation over the Tibetan plateau, Himalayas and their foothills. My studies on surface sediments from Lonar lake helped to identify environmentally sensitive proxies which could also be used to interpret palaeodata obtained from a ca. 10m long core raised from the lake in 2008. The core encompasses the entire Holocene and is the first well dated (by 14C) archive from the core monsoon zone of central India. My identification of authigenic evaporite gaylussite crystals within the core sediments provided evidence of exceptionally drier conditions during 4.7-3.9 and 2.0-0.5 cal ka BP. Additionally, isotopic investigations on these crystals provided information on eutrophication, stratification, and carbon cycling processes in the lake.
N2  - Der Indische Sommer Monsun (ISM) ist eines der bedeutendsten Klimaphänomene auf der Erde und hat großen Einfluss auf die Lebensbedingungen und -grundlagen von nahezu 40% der Weltbevölkerung. Trotz großer Bemühungen ist es bisher nicht gelungen ein genaues und umfassendes Verständnis der Monsun-Variabilität zu gewinnen. Hauptgründe dafür sind das Fehlen von langjährigen und hochaufgelösten Klimazeitreihen, räumlichen Inhomogenitäten in den Niederschlagsverteilungen und die Komplexität der treibenden klimatischen Mechanismen (Sonneneinstrahlung, interne Wechselwirkungen des Klimasystems, wie z.B. zwischen Tropen und mittleren Breiten oder die Auswirkungen der El Niño Oszillation). Die Zielsetzung der hier vorgestellten Arbeit ist ein verbessertes Verständnis der Monsun-Variabilität zu entwickeln, auf Basis von hochaufgelösten und weit reichenden Paläoklimazeitreihen aus klimasensitiven Regionen des ISM und der Westwindzone. Um die Zielsetzung umzusetzen habe ich: (i) Proxys identifiziert (sedimentologische, geochemische, isotopische, und mineralogische), die empfindlich auf Umweltveränderungen reagieren; (ii) die identifizierten Proxys zur Erzeugung von langjährigen Paläoklima-Daten für zwei klimasensible Regionen verwendet, eine im NW des Himalaja (Übergangs-Westwindzone und ISM Gebiet von Spity Valley) und eine in der Kernzone des Monsun (Lonar-See) in Zentralindien; (iii) Übersichts-"Momentaufnahmen" der regionalen klimatischen Bedingungen für ausgewählte Zeitpunkte der Vergangenheit erzeugt; und (iv) räumliche Niederschlagsanomalien in Hinblick auf heutige Wechselbeziehungen im Klimasystem interpretiert. Dieser Ansatz stellt allerdings nur einen ersten Schritt zur Identifizierung von paläoklimatischen Wechselbeziehungen im Monsunsystem dar, da sich die Randbedingungen in der Vergangenheit deutlich von den heutigen unterscheiden und diese einen signifikanten Einfluss auf die Niederschlagsanomalien haben. Da das Spity Valley im tektonisch aktiven Himalaja-Orogen lokalisiert ist, ist es von entscheidender Bedeutung die regionalen tektonischen Prozesse zu verstehen, um Erosionsvorgänge des Einzugsgebiets und die Einfuhr von Detritus in den See korrekt interpretieren zu können. Mein Ansatz der Nutzung kombinierter strukturell/morphometrischer und geomorphologischer Charakteristiken lieferte klare Beweise für aktive Tektonik im untersuchten Gebiet und demonstrierte damit die Eignung dieser lakustrinen Sedimente als paläoseismisches Archiv. Die Untersuchung lakustriner Aufschlüsse in Spity Valley lieferte auch Informationen saisonale Änderung der Niederschlagsverteilung sowie das Auftreten von häufigen und intensiven Perioden (ca. 6,8-6,1 cal ka BP) detritischer Einfuhr, welche auf extreme hydrologische Ereignisse in der Vergangenheit schließen lässt. Ein regionaler Vergleich dieser Periode deutet auf einen möglicherweise erweiterten „break-monsoon-like“ Modus für den Monsun hin, welcher hohe Niederschläge über dem Tibetischen Plateau, dem Himalaja und seinen Gebirgsausläufern begünstigt. Meine Studien an den Oberflächensedimenten des Lonar-Sees haben dazu beigetragen umweltsensitive Proxys zu identifizieren, die auch zur Interpretation von Paläodaten von einem ca. 10 m langen Sedimentkern genutzt wurden, der 2008 erbohrt wurde. Der Kern umfasst das gesamte Holozän und stellt das erste gut 14C-datierte Archiv aus der Kernmonsunzone Zentralindiens dar. Die Identifizierung von authigenen Evaporit-Kristallen (Gaylussite) innerhalb der Sedimente liefert einen Beweis für ungewöhnlich trockene Bedingungen in den Perioden zwischen 4,7-3,9 und 2,0-0,5 cal ka BP. Darüber hinaus lieferten Isotopen-Untersuchungen dieser Kristalle Informationen zur Eutrophierung, Stratifikation und zum Kohlenstoff-Kreislauf des Sees.
KW  - Gaylussite
KW  - Indische Sommer Monsun
KW  - Seesediment
KW  - Spity Valley
KW  - Lonarsee
KW  - Gaylussite
KW  - Indian summer monsoon
KW  - Lake sediments
KW  - Spiti valley
KW  - Lonar lake
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64799
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TY  - THES
A1  - Bayer, Anita
T1  - Methodological developments for mapping soil constituents using imaging spectroscopy
T1  - Methodische Entwicklungen zur Kartierung von Bodenparametern mittels Abbildender Spektroskopie
N2  - Climatic variations and human activity now and increasingly in the future cause land cover changes and introduce perturbations in the terrestrial carbon reservoirs in vegetation, soil and detritus. Optical remote sensing and in particular Imaging Spectroscopy has shown the potential to quantify land surface parameters over large areas, which is accomplished by taking advantage of the characteristic interactions of incident radiation and the physico-chemical properties of a material. The objective of this thesis is to quantify key soil parameters, including soil organic carbon, using field and Imaging Spectroscopy. Organic carbon, iron oxides and clay content are selected to be analyzed to provide indicators for ecosystem function in relation to land degradation, and additionally to facilitate a quantification of carbon inventories in semiarid soils. The semiarid Albany Thicket Biome in the Eastern Cape Province of South Africa is chosen as study site. It provides a regional example for a semiarid ecosystem that currently undergoes land changes due to unadapted management practices and furthermore has to face climate change induced land changes in the future. The thesis is divided in three methodical steps. Based on reflectance spectra measured in the field and chemically determined constituents of the upper topsoil, physically based models are developed to quantify soil organic carbon, iron oxides and clay content. Taking account of the benefits limitations of existing methods, the approach is based on the direct application of known diagnostic spectral features and their combination with multivariate statistical approaches. It benefits from the collinearity of several diagnostic features and a number of their properties to reduce signal disturbances by influences of other spectral features. In a following step, the acquired hyperspectral image data are prepared for an analysis of soil constituents. The data show a large spatial heterogeneity that is caused by the patchiness of the natural vegetation in the study area that is inherent to most semiarid landscapes. Spectral mixture analysis is performed and used to deconvolve non-homogenous pixels into their constituent components. For soil dominated pixels, the subpixel information is used to remove the spectral influence of vegetation and to approximate the pure spectral signature coming from the soil. This step is an integral part when working in natural non-agricultural areas where pure bare soil pixels are rare. It is identified as the largest benefit within the multi-stage methodology, providing the basis for a successful and unbiased prediction of soil constituents from hyperspectral imagery. With the proposed approach it is possible (1) to significantly increase the spatial extent of derived information of soil constituents to areas with about 40 % vegetation coverage and (2) to reduce the influence of materials such as vegetation on the quantification of soil constituents to a minimum. Subsequently, soil parameter quantities are predicted by the application of the feature-based soil prediction models to the maps of locally approximated soil signatures. Thematic maps showing the spatial distribution of the three considered soil parameters in October 2009 are produced for the Albany Thicket Biome of South Africa. The maps are evaluated for their potential to detect erosion affected areas as effects of land changes and to identify degradation hot spots in regard to support local restoration efforts. A regional validation, carried out using available ground truth sites, suggests remaining factors disturbing the correlation of spectral characteristics and chemical soil constituents. The approach is developed for semiarid areas in general and not adapted to specific conditions in the study area. All processing steps of the developed methodology are implemented in software modules, where crucial steps of the workflow are fully automated. The transferability of the methodology is shown for simulated data of the future EnMAP hyperspectral satellite. Soil parameters are successfully predicted from these data despite intense spectral mixing within the lower spatial resolution EnMAP pixels. This study shows an innovative approach to use Imaging Spectroscopy for mapping of key soil constituents, including soil organic carbon, for large areas in a non-agricultural ecosystem and under consideration of a partially vegetation coverage. It can contribute to a better assessment of soil constituents that describe ecosystem processes relevant to detect and monitor land changes. The maps further provide an assessment of the current carbon inventory in soils, valuable for carbon balances and carbon mitigation products.
N2  - Klimatische und anthropogene Faktoren verursachen bereits jetzt und verstärkt in Zukunft Änderungen der Landbedeckung und Landnutzung natürlicher Ökosysteme, die sich direkt auf die terrestrischen Kohlenstoffspeicher in Vegetation, Böden und biogenen Resten auswirken. Optische Fernerkundung und im Besonderen die Abbildende Spektroskopie sind etablierte Methoden, die basierend auf der charakteristischen Wechselwirkung der Sonnenstrahlung mit physikalisch-chemischen Materialeigenschaften eine quantitative Abschätzung degradationsrelevanter Parameter der Landoberfläche erlauben. Das Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung maßgeblicher Bodeninhaltsstoffe unter Verwendung von Feld- und abbildender Spektroskopie. Dabei stehen organischer Kohlenstoff, Eisenoxide und Ton im Fokus der Betrachtung, da ihre Gehalte im Boden als Indikatoren für Landoberflächenveränderungen verwendet werden können und ihre Analyse gleichzeitig eine direkte Abschätzung des bodengebundenen Kohlenstoffreservoirs ermöglicht. Das semiaride Albany Thicket in der östlichen Kapprovinz Südafrikas wurde als Arbeitsgebiet ausgewählt. Es steht beispielhaft für einen Naturraum, der sich gegenwärtig durch nicht angepasste Landnutzung verändert und der voraussichtlich auch in Zukunft hochfrequenten, durch den Klimawandel bedingten, Schwankungen unterliegen wird. Die Arbeit ist in drei methodische Schritte untergliedert. Die einzelnen Prozessierungsschritte der entwickelten Methodik sind in Softwaremodulen umgesetzt, in denen die wichtigsten Schritte voll automatisiert sind. Unter Verwendung von im Feld gemessenen Reflektanzspektren und chemisch bestimmten Gehalten der obersten Bodenschicht wird ein Modell zur Bestimmung der drei ausgewählten Bodenparameter erstellt. Der gewählte Ansatz basiert auf der direkten Verwendung bekannter spektraler Merkmale in Verbindung mit multivariaten Verfahren. In nächsten Schritt werden die großflächig aufgenommenen Hyperspektraldaten vorbereitet, die die für semiaride Räume typischen kleinräumigen Landbedeckungsänderungen wiederspiegeln. Auf subpixel-Basis erlaubt eine spektrale Entmischungsanalyse die Zerlegung nicht homogener Bildspektren in ihre spektralen Bestandteile. Dadurch kann für Pixel, die signifikante Anteile an unbedecktem Boden aufweisen, die reine spektrale Signatur des Bodens in Näherung bestimmt werden. Diese Vorgehensweise kennzeichnet einen wesentlichen Gewinn, da er eine Anwendung auf heterogene Naturräume abseits landwirtschaftlicher Flächen erlaubt, die Ausdehnung des Gültigkeitsbereichs, für den Bodeneigenschaften vorhergesagt werden können, deutlich steigert und den Einfluss von Fremdmaterialien wie Vegetation auf eine Bestimmung minimiert. Daran anknüpfend erfolgt die Vorhersage von Bodeninhaltsstoffen. Die räumliche Verteilung von organischem Kohlenstoff, Eisenoxiden und der Tongehalte wie sie sich im Oktober 2009 im südafrikanischen Albany Thicket darstellte, wurde in thematischen Karten erfasst. Sie wurden hinsichtlich ihres Potentials ausgewertet, Bereiche zu erkennen, die in Folge von Landbedeckungsänderungen von Erosion betroffen sind. Die vorliegende Arbeit zeigt einen innovativen Ansatz zur Verwendung Abbildender Spektroskopie zur Kartierung wichtiger Bodeneigenschaften in einem semiariden Naturraum. Die Methodik liefert einen Beitrag zur verbesserten Abschätzung ökosystemrelevanter Bodeneigenschaften sowie eine direkte Abschätzung vorhandener Kohlenstoffspeicher im Boden, Parameter, die zur Erkennung und Überwachung von Landbedeckungsänderungen verwendet werden können.
KW  - Bodenparameter
KW  - Abbildende Spektroskopie
KW  - organischer Kohlenstoff
KW  - Regressionsanalyse
KW  - lineare spektrale Entmischung
KW  - Imaging spectroscopy
KW  - soil constituents mapping
KW  - soil organic carbon
KW  - regression analysis
KW  - spectral unmixing
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64399
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TY  - THES
A1  - Waha, Katharina
T1  - Climate change impacts on agricultural vegetation in sub-Saharan Africa
T1  - Auswirkungen von Klimaänderungen auf die landwirtschaftliche Vegetation in Afrika südlich der Sahara
N2  - Agriculture is one of the most important human activities providing food and more agricultural goods for seven billion people around the world and is of special importance in sub-Saharan Africa. The majority of people depends on the agricultural sector for their livelihoods and will suffer from negative climate change impacts on agriculture until the middle and end of the 21st century, even more if weak governments, economic crises or violent conflicts endanger the countries’ food security. The impact of temperature increases and changing precipitation patterns on agricultural vegetation motivated this thesis in the first place. Analyzing the potentials of reducing negative climate change impacts by adapting crop management to changing climate is a second objective of the thesis. As a precondition for simulating climate change impacts on agricultural crops with a global crop model first the timing of sowing in the tropics was improved and validated as this is an important factor determining the length and timing of the crops´ development phases, the occurrence of water stress and final crop yield. Crop yields are projected to decline in most regions which is evident from the results of this thesis, but the uncertainties that exist in climate projections and in the efficiency of adaptation options because of political, economical or institutional obstacles have to be considered. The effect of temperature increases and changing precipitation patterns on crop yields can be analyzed separately and varies in space across the continent. Southern Africa is clearly the region most susceptible to climate change, especially to precipitation changes. The Sahel north of 13° N and parts of Eastern Africa with short growing seasons below 120 days and limited wet season precipitation of less than 500 mm are also vulnerable to precipitation changes while in most other part of East and Central Africa, in contrast, the effect of temperature increase on crops overbalances the precipitation effect and is most pronounced in a band stretching from Angola to Ethiopia in the 2060s. The results of this thesis confirm the findings from previous studies on the magnitude of climate change impact on crops in sub-Saharan Africa but beyond that helps to understand the drivers of these changes and the potential of certain management strategies for adaptation in more detail. Crop yield changes depend on the initial growing conditions, on the magnitude of climate change, and on the crop, cropping system and adaptive capacity of African farmers which is only now evident from this comprehensive study for sub-Saharan Africa. Furthermore this study improves the representation of tropical cropping systems in a global crop model and considers the major food crops cultivated in sub-Saharan Africa and climate change impacts throughout the continent.
N2  - Landwirtschaft ist eine der wichtigsten menschlichen Aktivitäten, sie stellt Nahrungsmittel und andere landwirtschaftliche Produkte für weltweit 7 Milliarden Menschen zur Verfügung und ist in den Ländern Afrikas südlich der Sahara von besonderer Bedeutung. Die Mehrheit der afrikanischen Bevölkerung bestreitet ihren Lebensunterhalt in der Landwirtschaft und wird von Klimaänderungen stark betroffen sein. Die Doktorarbeit ist durch die Frage motiviert, wie sich von Klimamodellen vorhergesagte Temperaturerhöhungen und sich verändernde Niederschlagsverteilungen auf die landwirtschaftliche Vegetation auswirken werden. Die Forschungsfragen in diesem Kontext beschäftigen sich mit regionalen Unterschieden von Klimaänderungen und ihren Auswirkungen auf die Landwirtschaft und mit möglichen Anpassungsstrategien die mit geringem technischem Aufwand genutzt werden können. In diesem Zusammenhang wird schnell deutlich, dass Daten über die komplexen landwirtschaftlichen Systeme in Afrika südlich der Sahara häufig nur selten vorhanden sind, aus fragwürdigen Quellen stammen oder von schlechter Qualität sind. Die Methoden und Modelle zur Untersuchung der Auswirkungen von Klimaänderungen auf die Landwirtschaft werden zudem ausschließlich in Europa oder Nordamerika entwickelt and häufig in den temperierten Breiten aber seltener in tropischen Gebieten angewendet. Vor allem werden globale, dynamische Vegetationsmodelle in Kombination mit Klimamodellen eingesetzt um Änderungen in der landwirtschaftlichen Produktion auf Grund von Klimaänderungen in der zweiten Hälfte des 21.Jahrhunderts abzuschätzen. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen einen mittleren Ertragsrückgang für die wichtigsten landwirtschaftlichen Pflanzen um 6% bis 24% bis 2090 je nach Region, Klimamodell und Anpassungsstrategie. Dieses Ergebnis macht deutlich, dass Landwirte die negativen Folgen von Klimaänderungen abschwächen können, wenn sie die Wahl der Feldfrucht, die Wahl des Anbausystems und den Aussaattermin an geänderte Klimabedingungen anpassen. Die Arbeit stellt methodische Ansätze zur Berechung des Aussaattermins in temperierten und tropischen Gebieten (Kapitel 2) sowie zur Simulation von Mehrfachanbausystemen in den Tropen vor (Kapitel 3). Dabei werden wichtige Parameter für das globale, dynamische Vegetationsmodell LPJmL überprüft und neu berechnet. Es zeigt sich, dass das südliche Afrika und die Sahelregion die am stärksten betroffenen Regionen sind, vor allem aufgrund von Niederschlagsänderungen, weniger aufgrund von Temperaturerhöhungen. In den meisten anderen Teilen, vor allem Zentral- und Ostafrikas bedingen Temperaturerhöhungen Rückgänge der Erträge (Kapitel 4). Diese Arbeit leistet einen wichtigen und umfassenden Beitrag zum Verständnis der Auswirkung von Klimaänderung auf die landwirtschaftliche Vegetation und damit zu einem großen Teil auf die Lebensgrundlage von afrikanischen Landwirten.
KW  - Klimawandel
KW  - Anpassung
KW  - Afrika
KW  - Pflanzenwachstum
KW  - Landwirtschaft
KW  - climate change
KW  - Africa
KW  - crop modeling
KW  - adapation
KW  - agriculture
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64717
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TY  - THES
A1  - Gassner, Alexandra Carina
T1  - The character of the core-mantle boundary : a systematic study using PcP
N2  - Assuming that liquid iron alloy from the outer core interacts with the solid silicate-rich lower mantle the influence on the core-mantle reflected phase PcP is studied. If the core-mantle boundary is not a sharp discontinuity, this becomes apparent in the waveform and amplitude of PcP. Iron-silicate mixing would lead to regions of partial melting with higher density which in turn reduces the velocity of seismic waves. On the basis of the calculation and interpretation of short-period synthetic seismograms, using the reflectivity and Gauss Beam method, a model space is evaluated for these ultra-low velocity zones (ULVZs). The aim of this thesis is to analyse the behaviour of PcP between 10° and 40° source distance for such models using different velocity and density configurations. Furthermore, the resolution limits of seismic data are discussed. The influence of the assumed layer thickness, dominant source frequency and ULVZ topography are analysed. The Gräfenberg and NORSAR arrays are then used to investigate PcP from deep earthquakes and nuclear explosions. The seismic resolution of an ULVZ is limited both for velocity and density contrasts and layer thicknesses. Even a very thin global core-mantle transition zone (CMTZ), rather than a discrete boundary and also with strong impedance contrasts, seems possible: If no precursor is observable but the PcP_model /PcP_smooth amplitude reduction amounts to more than 10%, a very thin ULVZ of 5 km with a first-order discontinuity may exist. Otherwise, if amplitude reductions of less than 10% are obtained, this could indicate either a moderate, thin ULVZ or a gradient mantle-side CMTZ. Synthetic computations reveal notable amplitude variations as function of the distance and the impedance contrasts. Thereby a primary density effect in the very steep-angle range and a pronounced velocity dependency in the wide-angle region can be predicted. In view of the modelled findings, there is evidence for a 10 to 13.5 km thick ULVZ 600 km south-eastern of Moscow with a NW-SE extension of about 450 km. Here a single specific assumption about the velocity and density anomaly is not possible. This is in agreement with the synthetic results in which several models create similar amplitude-waveform characteristics. For example, a ULVZ model with contrasts of -5% VP , -15% VS and +5% density explain the measured PcP amplitudes. Moreover, below SW Finland and NNW of the Caspian Sea a CMB topography can be assumed. The amplitude measurements indicate a wavelength of 200 km and a height of 1 km topography, previously also shown in the study by Kampfmann and Müller (1989). Better constraints might be provided by a joined analysis of seismological data, mineralogical experiments and geodynamic modelling.
N2  - Unter der Annahme, dass flüssiges Eisen aus dem äußeren Erdkern mit dem festen, silikat-reichen Unteren Mantel reagiert, wird eine Einflussnahme auf die Kern-Mantel Reflexionsphase PcP erwartet. Ist die Kern-Mantel Grenze aufgeweicht, und nicht wie bislang angenommen ein diskreter Übergang, so zeichnet sich dies in der Wellenform und Amplitude von PcP ab. Die Interaktion mit Eisen führt zu teilweise aufgeschmolzenen Bereichen höherer Dichte, welche die seismischen Wellengeschwindigkeiten herabsetzen. Basierend auf den Berechnungen von kurzperiodischen synthetischen Seismogrammen, mittels der Reflektivitäts- und Gauss Beam Methode, soll ein möglicher Modellraum dieser Niedriggeschwindigkeitszonen ermittelt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es das Verhalten von PcP im Distanzbereich von 10° bis 40° unter dem Einfluss dieser Modelle mit diversen Geschwindigkeits- und Dichtekontrasten zu untersuchen. Ferner wird das Auflösungsvermögen hinsichtlich seismischer Daten diskutiert. Entscheidende Parameter wie Anomaliedicke, Quellfrequenz und Topographie werden hierbei analysiert. Tiefe Erdbeben und Kernexplosionen, die sich im entsprechenden Entfernungsbereich zum Gräfenberg und NORSAR Array befinden, werden anschließend im Hinblick auf PcP ausgewertet. Das seismische Auflösungsvermögen von Niedriggeschwindigkeitszonen ist stark begrenzt sowohl in Bezug auf Geschwindigkeits- und Dichtekontraste als auch hinsichtlich der Mächtigkeit. Es besteht sogar die Möglichkeit einer dünnen, globalen Kern-Mantel Übergangszone, selbst mit großen Impedanzkontrasten, ohne dass dies mit seismologischen Methoden detektiert werden könnte: Wird kein precursor zu PcP beobachtet aber das PcPmodel /PcPsmooth Amplitudenverhältnis zeigt gleichzeitig eine Reduktion von mehr als 10%, dann könnte eine sehr dünne Niedriggeschwindigkeitszone von ca. 5 km Mächtigkeit und einer Diskontinuität erster Ordnung vorliegen. Andererseits, ist PcP um weniger als 10% reduziert, könnte dies entweder auf eine dünne, moderate Niedriggeschwindigkeitszone oder einen graduellen Kern-Mantel Übergang hindeuten. Die synthetischen Berechnungen ergeben starke Amplitudenvariationen als Funktion der Distanz, welche auf den Impedanzkontrast zurückzuführen sind. Dabei ergibt sich ein primärer Dichteeffekt im extremen Steilwinkelbereich und ein maßgeblicher Geschwindigkeitseinfluss im Weitwinkelbereich. Im Hinblick auf die modellierten Resultate lässt sich eine 10 - 13.5 km mächtige Niedriggeschwindigkeitszone 600 km südöstlich von Moskau mit einer NW-SE Ausdehnung von mindestens 450 km folgern, wobei eine exakte Aussage über Geschwindigkeiten und Dichte nicht möglich ist. Dies ist im Konsens mit den synthetischen Berechnungen, wonach viele unterschiedliche Modelle ähnliche Amplituden- und Wellenformcharakteristiken erzeugen. Zum Beispiel erklärt ein Modell mit Kontrasten von -5% VP , -15% VS and +5% Dichte die gemessenen PcP Amplituden. Darüber hinaus können unterhalb des südwestlichen Finnlands und nord-nordwestlich des Kaspischen Meeres Undulationen an der Kern-Mantel Grenze selbst vermutet werden. Unter Berücksichtigung früherer Studien, z. B. von Kampfmann and Müller (1989), deuten die Messergebnisse auf eine laterale Topographie von 200 km und eine Höhe von 1 km hin. Eine Eingrenzung der potentiellen Anomaliemodelle kann nur durch eine gemeinsame Auswertung mit mineralogischen Experimenten und geodynamischen Modellierungen erfolgen.
KW  - Kern-Mantel Grenze
KW  - Seismologie
KW  - Ultra-Niedriggeschwindigkeitszonen
KW  - Steilwinkel-Analyse von PcP
KW  - Tiefbeben und Kernexplosionen
KW  - core-mantle boundary
KW  - seismology
KW  - ultra-low velocity zones
KW  - steep-angle analysis of PcP
KW  - deep earthquakes and nuclear explosions
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63590
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TY  - THES
A1  - König, Hannes Jochen
T1  - Operationalising sustainability impact assessment of land use scenarios in developing countries : a stakeholder-based approach with case studies in China, India, Indonesia, Kenya, and Tunisia
T1  - Nachhaltigkeitsbewertung von Landnutzungsszenarien in Entwicklungsländern : ein Akteurs-basierter Ansatz mit Fallstudien in China, Indien, Indonesien, Kenia und Tunesien
N2  - Growing populations, continued economic development, and limited natural resources are critical factors affecting sustainable development. These factors are particularly pertinent in developing countries in which large parts of the population live at a subsistence level and options for sustainable development are limited. Therefore, addressing sustainable land use strategies in such contexts requires that decision makers have access to evidence-based impact assessment tools that can help in policy design and implementation. Ex-ante impact assessment is an emerging field poised at the science-policy interface and is used to assess the potential impacts of policy while also exploring trade-offs between economic, social and environmental sustainability targets. The objective of this study was to operationalise the impact assessment of land use scenarios in the context of developing countries that are characterised by limited data availability and quality. The Framework for Participatory Impact Assessment (FoPIA) was selected for this study because it allows for the integration of various sustainability dimensions, the handling of complexity, and the incorporation of local stakeholder perceptions. FoPIA, which was originally developed for the European context, was adapted to the conditions of developing countries, and its implementation was demonstrated in five selected case studies. In each case study, different land use options were assessed, including (i) alternative spatial planning policies aimed at the controlled expansion of rural-urban development in the Yogyakarta region (Indonesia), (ii) the expansion of soil and water conservation measures in the Oum Zessar watershed (Tunisia), (iii) the use of land conversion and the afforestation of agricultural areas to reduce soil erosion in Guyuan district (China), (iv) agricultural intensification and the potential for organic agriculture in Bijapur district (India), and (v) land division and privatisation in Narok district (Kenya). The FoPIA method was effectively adapted by dividing the assessment into three conceptual steps: (i) scenario development; (ii) specification of the sustainability context; and (iii) scenario impact assessment. A new methodological approach was developed for communicating alternative land use scenarios to local stakeholders and experts and for identifying recommendations for future land use strategies. Stakeholder and expert knowledge was used as the main sources of information for the impact assessment and was complemented by available quantitative data. Based on the findings from the five case studies, FoPIA was found to be suitable for implementing the impact assessment at case study level while ensuring a high level of transparency. FoPIA supports the identification of causal relationships underlying regional land use problems, facilitates communication among stakeholders and illustrates the effects of alternative decision options with respect to all three dimensions of sustainable development. Overall, FoPIA is an appropriate tool for performing preliminary assessments but cannot replace a comprehensive quantitative impact assessment, and FoPIA should, whenever possible, be accompanied by evidence from monitoring data or analytical tools. When using FoPIA for a policy oriented impact assessment, it is recommended that the process should follow an integrated, complementary approach that combines quantitative models, scenario techniques, and participatory methods.
N2  - Bevölkerungswachstum und wirtschaftliche Entwicklung in Kombination mit begrenzt verfügbaren, natürlichen Ressourcen sind kritische Faktoren für eine nachhaltige Entwicklung. Diese Situation ist besonders in Entwicklungsländern anzutreffen, in denen große Teile der Bevölkerung am Existenzminimum leben und es oft wenig Spielraum für eine nachhaltige Entwicklung gibt. Entscheidungsträger fragen daher verstärkt wissenschafts-basierte Instrumente zur Vorab- (ex-ante) Folgenabschätzung (Impact assessment) für die Konzeption und Umsetzung nachhaltiger Strategien nach. So genannte ex-ante Methoden zielen hierbei auf die Beurteilung der zukünftigen Folgen von Szenarien (z.B. alternative Politikmaßnahmen) und Konflikte zwischen ökonomischen, sozialen und ökologischen Nachhaltigkeitszielen ab. Ziel dieser Arbeit war es, die Folgenabschätzungen von Landnutzungsszenarien auf die nachhaltige Entwicklung in Entwicklungsländern zu ermöglichen. Eine besondere Schwierigkeit stellt dabei die oft mangelhafte Verfügbarkeit von Daten dar, die quantitative Analysen bzw. den Einsatz von computergestützten Modellen meist nur sehr begrenzt möglich macht. Um mit diesen Schwierigkeiten umzugehen, wurde die ursprünglich für die Europäische Union entwickelte ‚Framework for Participatory Impact Assessment‘ (FoPIA)-Methode an die Bedingungen in Entwicklungsländern angepasst und in fünf regionalen Fallstudien angewendet. Die analysierten Landnutzungsszenarien umfassten dabei (i) alternative Raumplanungsmaßnahmen zur kontrollierten Stadt-Land-Entwicklung in Yogyakarta, Indonesien; (ii) die Umsetzung von boden- und wasserkonservierenden Maßnahmen zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktion im Oum Zessar Wassereinzugsgebiet, Tunesien; (iii) Landumwandlung und Aufforstungsmaßnahmen zur Eindämmung von Bodenerosion in Guyuan, China; (iv) landwirtschaftliche Intensivierung und Potenziale des ökologischen Landbaus in Bijapur, Indien; sowie (v) Landteilung und -privatisierung in Narok, Kenia. Die angepasste FoPIA Methode wurde in drei konzeptionelle Schritte unterteilt: (i) die Szenarienentwicklung, (ii) die Spezifikation des Nachhaltigkeitskontexts, und (iii) die Szenariofolgenabschätzung. Ein neuer methodischer Ansatz lag in der Entwicklung alternativer Landnutzungsszenarien mit regionalen Akteuren und auf der Ableitung von Handlungsempfehlungen für zukünftige Landnutzungsstrategien. Für die Szenario-folgenabschätzung wurde primär das Wissen regionaler Experten und Akteure genutzt und durch quantitative Daten, sofern verfügbar, ergänzt. Auf der Grundlage der in den fünf Regionen gewonnenen Erkenntnisse lässt sich schlussfolgern, dass die angepasste FoPIA Methode dazu geeignet ist, eine Szenariofolgenabschätzung zu strukturieren und ein hohes Maß an Transparenz zu gewährleisten. Sie ermöglicht kausale Zusammenhänge von Landnutzungsproblemen zu diagnostizieren, die Kommunikation zwischen unterschiedlichen Akteuren und Experten zu verbessern sowie mögliche Konflikte zwischen ökonomischen, sozialen und ökologischen Nachhaltigkeitszielen zu erkennen und darzustellen. Insgesamt sollte die FoPIA Methode jedoch nicht als isolierte Methode zur Folgenabschätzung verstanden werden, sondern, sofern die Datenverfügbarkeit dies zulässt, durch weiterführende Analysen ergänzt werden. Für die Anwendung der FoPIA Methode im Rahmen der Politikfolgenabschätzung wird ein integrierter, komplementärer Ansatz empfohlen, der quantitative Modelle, Szenariotechniken und partizipative Methoden kombiniert.
KW  - Landnutzung
KW  - nachhaltige Entwicklung
KW  - Folgenabschätzung
KW  - Entwicklungsländer
KW  - land use
KW  - sustainable development
KW  - impact assessment
KW  - developing countries
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63672
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wang, Yongbo
T1  - Late glacial to Holocene climate and vegetation changes on the Tibetan Plateau inferred from fossil pollen records in lacustrine sediments
T1  - Pollenanalytische Ableitung der spätglazialen und holozänen Klima- und Vegetationsveränderungen auf dem tibetischen Hochland anhand von Seesedimenten
N2  - The past climate in central Asia, and especially on the Tibetan Plateau (TP), is of great importance for an understanding of global climate processes and for predicting the future climate. As a major influence on the climate in this region, the Asian Summer Monsoon (ASM) and its evolutionary history are of vital importance for accurate predictions. However, neither the evolutionary pattern of the summer monsoon nor the driving mechanisms behind it are yet clearly understood. For this research, I first synthesized previously published Late Glacial to Holocene climatic records from monsoonal central Asia in order to extract the general climate signals and the associated summer monsoon intensities. New climate and vegetation sequences were then established using improved quantitative methods, focusing on fossil pollen records recovered from Tibetan lakes and also incorporating new modern datasets. The pollen-vegetation and vegetation-climate relationships on the TP were also evaluated in order to achieve a better understanding of fossil pollen records. The synthesis of previously published moisture-related palaeoclimate records in monsoonal central Asia revealed generally different temporal patterns for the two monsoonal subsystems, i.e. the Indian Summer Monsoon (ISM) and East Asian Summer Monsoon (EASM). The ISM appears to have experienced maximum wet conditions during the early Holocene, while many records from the area affected by the EASM indicate relatively dry conditions at that time, particularly in north-central China where the maximum moisture levels occurred during the middle Holocene. A detailed consideration of possible driving factors affecting the summer monsoon, including summer solar insolation and sea surface temperatures, revealed that the ISM was primarily driven by variations in northern hemisphere solar insolation, and that the EASM may have been constrained by the ISM resulting in asynchronous patterns of evolution for these two subsystems. This hypothesis is further supported by modern monsoon indices estimated using the NCEP/NCAR Reanalysis data from the last 50 years, which indicate a significant negative correlation between the two summer monsoon subsystems. By analogy with the early Holocene, intensification of the ISM during coming decades could lead to increased aridification elsewhere as a result of the asynchronous nature of the monsoon subsystems, as can already be observed in the meteorological data from the last 15 years. A quantitative climate reconstruction using fossil pollen records was achieved through analysis of sediment core recovered from Lake Donggi Cona (in the north-eastern part of the TP) which has been dated back to the Last Glacial Maximum (LGM). A new data-set of modern pollen collected from large lakes in arid to semi-arid regions of central Asia is also presented herein. The concept of "pollen source area" was introduced to modern climate calibration based on pollen from large lakes, and was applied to the fossil pollen sequence from Lake Donggi Cona. Extremely dry conditions were found to have dominated the LGM, and a subsequent gradually increasing trend in moisture during the Late Glacial period was terminated by an abrupt reversion to a dry phase that lasted for about 1000 years and coincided with the first Heinrich Event of the northern Atlantic region. Subsequent periods corresponding to the warm Bølling-Allerød period and the Younger Dryas cold event were followed by moist conditions during the early Holocene, with annual precipitation of up to about 400 mm. A slightly drier trend after 9 cal ka BP was then followed by a second wet phase during the middle Holocene that lasted until 4.5 cal ka BP. Relatively steady conditions with only slight fluctuations then dominated the late Holocene, resulting in the present climatic conditions. In order to investigate the relationship between vegetation and climate, temporal variations in the possible driving factors for vegetation change on the northern TP were examined using a high resolution late Holocene pollen record from Lake Kusai. Moving-window Redundancy Analyses (RDAs) were used to evaluate the correlations between pollen assemblages and individual sedimentary proxies. These analyses have revealed frequent fluctuations in the relative abundances of alpine steppe and alpine desert components, and in particular a decrease in the total vegetation cover at around 1500 cal a BP. The climate was found to have had an important influence on vegetation changes when conditions were relatively wet and stable. However, after the 1500 cal a BP threshold in vegetation cover was crossed the vegetation appears to have been affected more by extreme events such as dust storms or fluvial erosion than by the general climatic trends. In addition, pollen spectra over the last 600 years have been revealed by Procrustes analysis to be significantly different from those recovered from older samples, which is attributed to an increased human impact that resulted in unprecedented changes to the composition of the vegetation. Theoretical models that have been developed and widely applied to the European area (i.e. the Extended R-Value (ERV) model and the Regional Estimates of Vegetation Abundance from Large Sites (REVEALS) model) have been applied to the high alpine TP ecosystems in order to investigate the pollen-vegetation relationships, as well as for quantitative reconstructions of vegetation abundance. The modern pollen–vegetation relationships for four common pollen species on the TP have been investigated using Poaceae as the reference taxa. The ERV Submodel 2 yielded relatively high PPEs for the steppe and desert taxa (Artemisia Chenopodiaceae), and low PPEs for the Cyperaceae that are characteristic of the alpine Kobresia meadows. The plant abundances on the central and north-eastern TP were quantified by applying these PPEs to four post-Late Glacial fossil pollen sequences. The reconstructed vegetation assemblages for the four pollen sequences always yielded smaller compositional species turnovers than suggested by the pollen spectra, indicating that the strength of the previously-reported vegetation changes may therefore have been overestimated. In summary, the key findings of this thesis are that (a) the two ASM subsystems show asynchronous patterns during both the Holocene and modern time periods, (b) fossil pollen records from large lakes reflect regional signals for which the pollen source areas need to be taken into account, (c) climate is not always the main driver for vegetation change, and (d) previously reported vegetation changes on the TP may have been overestimated because they ignored inter-species variations in pollen productivity.
N2  - Das Paläoklima in Zentralasien, besonders in der Hochebene von Tibet (HT), ist von großer Bedeutung um globale Klimaprozesse zu verstehen und mögliche Voraussagung für die zukunft zu treffen. Als wichtigstes Klimaphänomen nehmen der asiatische Sommermonsun (ASM) und seine Entwicklungsgeschichte eine Schlüsselposition ein. Dennoch sind derzeit weder das Entwicklungsschema noch der antreibende Vorgang ausreichend verstanden. Dies gilt insbesondere für das Holozän, für welches große Kimaschwankungen und regionale Diskrepanzen weithin belegt sind. Deshalb habe ich zuerst holozäne Klimadaten zusammengefasst. Bereits veröffentlichte Publikationen aus den Monsungebieten Zentralasiens dienten als Grundlage, um die wichtigsten Klimasignale und die zugehörigen Intensitäten des Sommermonsuns heraus zu arbeiten. Anhand von Pollensequenzen aus tibetischen Seen erzeugte ich neue Klima- und Vegetationssequenzen, welche auf verbesserten quantitativen Methoden und rezenten Datensätzen beruhen. Außerdem wurden die Verhältnisse Pollen-Vegetation und Vegetation-Klima bewertet, um Schlussfolgerungen fossiler Pollensequenzen zu verbessern. Die Zusammenfassung der zuvor veröffentlichten, niederschlagsbezogenen Paläoklimadaten im Monsungebiet Zentralasiens ergab generell unterschiedliche Muster für die zwei Teilsysteme des ASMs, den Indischen Sommermonsun (ISM) und den Ostasiatischen Sommermonsun (OASM). Der ISM weist maximale feuchte Bedingungen während des frühen Holozöns auf, während viele Datensätze aus dem Gebiet des OASMs einen relativ trockenen Zustand anzeigen, besonders im nördlichen Zentralchina, wo maximale Niederschläge während des mittleren Holozäns registriert wurden. Genaue Betrachtungen der Antriebsfaktoren des Sommermonsuns ergaben, dass der ISM hauptsächlich durch Veränderungen der Sonneneinstrahlung auf der Nordhemisphäre angetrieben wird, während der OASM potentiell durch den ISM beherrscht wird - dies führt zu asynchronen Entwicklungen. Diese Hypothese wird durch rezente Monsunindizes gestützt. Sie weisen eine signifikant negative Korrelation zwischen den beiden Sommermonsun-Teilsystemen auf. Für die quantitative Klimarekonstruktion von Pollensequenzen wurde ein Sedimentkern aus dem See Donggi Cona im Nordosten der HT analysiert, der bis zum letzten glazialen Maximum (LGM) zurückdatiert wurde. Aufgrund der Tatsache, dass Donggi Cona ein relativ großer See ist, wird hiermit ein neuer Pollen-Klima-Kalibrierungsdatensatz auf Grundlage großer Seen in ariden und semiariden Regionen Zentralasiens vorgelegt. Das Konzept des Pollenherkunftsgebietes wurde in diese rezente, pollenbasierte Klimakalibrierung eingebracht und auf die Pollensequenz von Donggi Cona angewendet. Die Auswertung ergab, dass extrem trockene Bedingungen während des LGM (ca. 100 mm/yr) vorherrschten. Ein ansteigender Trend von Niederschlägen während des späten Glazials wurde durch einen abrupten Rückgang zu einer etwa 1000-jährigen Trockenphase beendet, welche mit Heinrich-Ereignis 1 in der Nordatlantik-Region übereinstimmt. Danach entsprechen die Klimaperioden dem warmen Bølling/Allerød und dem Kälteereignis der Jüngeren Dryas. Anschließend herrschten feuchte Bedingungen im frühen Holozän (bis zu 400 mm/yr). Ein etwas trockenerer Trend nach dem Holozänen Klimaoptimum wurde dann von einer zweiten Feuchtphase abgelöst, welche bis 4,5 cal. ka vor heute andauerte. Relativ gleichmäßige Bedingungen dominierten das späte Holozän bis heute. Die Klimadynamik seit dem LGM wurde vor allem durch Entgletscherung und Intensitätsschwankungen des ASM bestimmt. Bei der Betrachtung des Vegetation-Klima-Verhältnisses habe ich die zeitlichen Variationen der bestimmenden Faktoren hinsichtlich der Vegetationsdynamik auf der nördlichen HT untersucht. Dabei wurden hochauflösende holozäne Pollendaten des Kusai-Sees verwendet. Eine Redundanzanalyse (RDA) wurde angewendet um die Korrelation zwischen Pollenvergesellschaftungen und individuellen sedimentären Klimaanzeigern als auch die damit verbundene Signifikanz zu bewerten. Es stellte sich heraus, dass das Klima einen wichtigen Einfluss auf den Veränderungen in der Vegetation besaß, wenn die Bedingungen relativ warm und feucht waren. Trotzdem scheint es, dass, dass die Vegetation bei zu geringer Bedeckung stärker durch Extremereignisse wie Staubstürme oder fluviale Erosion beeinflusst wurde. Pollenspektren der vergangen 600 Jahre erwiesen sich als signifikant unterschiedlich verglichen mit den älterer Proben, was auf verstärkten anthropogenen Einfluss hindeutet. Dieser resultierte in einem beispiellosen Wandel in der Zusammensetzung der Vegetation. In Hinsicht auf das Pollen-Vegetation-Verhältnis und der quantitativen Rekonstruktion der Vegetationshäufigkeit habe ich theoretische Modelle, welche für europäische Regionen entwickelt und weithin angewendet wurden, respektive die Modelle "Extended R-Value" (ERV) sowie "Regional Estimates of Vegetation Abundance from Large Sites" (REVEALS), auf die hochalpinen Ökosysteme der HT überführt. Dafür wurden rezente Pollen-Vegetations-Verhältnisse von vier weit verbreiteten Pollen-Arten der HT überprüft. Poaceae wurden als Referenztaxa verwendet. Bei der Anwendung dieser Verhältnisse auf vier Pollensequenzen, welche die Paläoumweltbedingungen seit dem letzten Glazial widerspiegeln, wurden die Häufigkeiten von Pflanzen auf der zentralen und nordöstlichen HT quantifiziert. Anteile von Artimisia und Chenopodiaceae waren dabei im Vergleich zu ihren ursprünglichen Pollenprozenten deutlich verringert. Cyperaceae hingegen wies eine relative Zunahme in dieser Vegetationsrekonstruktion auf. Die rekonstruierten Vegetationsvergesellschaftungen an den Standorten der vier Pollensequenzen ergaben stets geringere Umwälzungen in der Artenzusammensetzung, als durch die Pollenspektren zu vermuten gewesen wäre. Dies kann ein Hinweis darauf sein, dass die Intensität der bislang angenommenen Vegetationsveränderungen überschätzt worden ist. Zusammengefasst sind die Hauptresultate dieser Dissertation, dass (a) die zwei ASM Teilsysteme asynchrone Muster während des Holozäns und heute aufweisen, dass (b) fossile Pollensequenzen großer Seen regionale Klimasignale widerspiegeln sofern die Herkunftsgebiete der Pollen berücksichtigt werden, dass (c) Klima nicht immer der Haupteinflussfaktor für Vegetationswandel ist und dass (d) das Ausmaß von Vegetationsveränderungen in zuvor veröffentlichten Studien auf der Hochebene von Tibet überschätzt worden sein kann, weil Diskrepanzen der Pollenproduktivität zwischen den Arten nicht einbezogen wurden.
KW  - Asiatischer Sommermonsun
KW  - ASM
KW  - Holozän
KW  - Seesedimente
KW  - Pollen
KW  - Hochland von Tibet
KW  - Asian Summer Monsoon
KW  - Holocene
KW  - Lake sediments
KW  - Pollen
KW  - Tibetan Plateau
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63155
ER  - 
TY  - THES
A1  - Chen, Xiaoming
T1  - Two-dimensional constrained anisotropic inversion of magnetotelluric data
T1  - Zweidimensionale constrained anisotrope Inversion von magnetotellurischen Daten
N2  - Tectonic and geological processes on Earth often result in structural anisotropy of the subsurface, which can be imaged by various geophysical methods. In order to achieve appropriate and realistic Earth models for interpretation, inversion algorithms have to allow for an anisotropic subsurface. Within the framework of this thesis, I analyzed a magnetotelluric (MT) data set taken from the Cape Fold Belt in South Africa. This data set exhibited strong indications for crustal anisotropy, e.g. MT phases out of the expected quadrant, which are beyond of fitting and interpreting with standard isotropic inversion algorithms. To overcome this obstacle, I have developed a two-dimensional inversion method for reconstructing anisotropic electrical conductivity distributions. The MT inverse problem represents in general a non-linear and ill-posed minimization problem with many degrees of freedom: In isotropic case, we have to assign an electrical conductivity value to each cell of a large grid to assimilate the Earth's subsurface, e.g. a grid with 100 x 50 cells results in 5000 unknown model parameters in an isotropic case; in contrast, we have the sixfold in an anisotropic scenario where the single value of electrical conductivity becomes a symmetric, real-valued tensor while the number of the data remains unchanged. In order to successfully invert for anisotropic conductivities and to overcome the non-uniqueness of the solution of the inverse problem it is necessary to use appropriate constraints on the class of allowed models. This becomes even more important as MT data is not equally sensitive to all anisotropic parameters. In this thesis, I have developed an algorithm through which the solution of the anisotropic inversion problem is calculated by minimization of a global penalty functional consisting of three entries: the data misfit, the model roughness constraint and the anisotropy constraint. For comparison, in an isotropic approach only the first two entries are minimized. The newly defined anisotropy term is measured by the sum of the square difference of the principal conductivity values of the model. The basic idea of this constraint is straightforward. If an isotropic model is already adequate to explain the data, there is no need to introduce electrical anisotropy at all. In order to ensure successful inversion, appropriate trade-off parameters, also known as regularization parameters, have to be chosen for the different model constraints. Synthetic tests show that using fixed trade-off parameters usually causes the inversion to end up by either a smooth model with large RMS error or a rough model with small RMS error. Using of a relaxation approach on the regularization parameters after each successful inversion iteration will result in smoother inversion model and a better convergence. This approach seems to be a sophisticated way for the selection of trade-off parameters. In general, the proposed inversion method is adequate for resolving the principal conductivities defined in horizontal plane. Once none of the principal directions of the anisotropic structure is coincided with the predefined strike direction, only the corresponding effective conductivities, which is the projection of the principal conductivities onto the model coordinate axes direction, can be resolved and the information about the rotation angles is lost. In the end the MT data from the Cape Fold Belt in South Africa has been analyzed. The MT data exhibits an area (> 10 km) where MT phases over 90 degrees occur. This part of data cannot be modeled by standard isotropic modeling procedures and hence can not be properly interpreted. The proposed inversion method, however, could not reproduce the anomalous large phases as desired because of losing the information about rotation angles. MT phases outside the first quadrant are usually obtained by different anisotropic anomalies with oblique anisotropy strike. In order to achieve this challenge, the algorithm needs further developments. However, forward modeling studies with the MT data have shown that surface highly conductive heterogeneity in combination with a mid-crustal electrically anisotropic zone are required to fit the data. According to known geological and tectonic information the mid-crustal zone is interpreted as a deep aquifer related to the fractured Table Mountain Group rocks in the Cape Fold Belt.
N2  - Tektonische und geologische Prozesse verursachen häufig eine strukturelle Anisotropie des Untergrundes, welche von verschiedenen geophysikalischen Methoden beobachtet werden kann. Zur Erstellung und Interpretation geeigneter, realistischer Modelle der Erde sind Inversionsalgorithmen notwendig, die einen anisotropen Untergrund einbeziehen können. Für die vorliegende Arbeit habe ich einen magnetotellurischen (MT) Datensatz vom Cape Fold Gürtel in Südafrika untersucht. Diese Daten weisen auf eine ausgeprägte Anisotropie der Kruste hin, da z.B. die MT Phasen außerhalb des erwarteten Quadranten liegen und nicht durch standardisierte isotrope Inversionsalgorithmen angepasst und ausgewertet werden können. Um dieses Problem zu beheben, habe ich eine zweidimensionale Inversionsmethode entwickelt, welche eine anisotrope elektrische Leitfähigkeitsverteilungen in den Modellen zulässt. Die MT Inversion ist im allgemeinen ein nichtlineares, schlecht gestelltes Minimierungsproblem mit einer hohen Anzahl an Freiheitsgraden. Im isotropen Fall wird jeder Gitterzelle eines Modells ein elektrischer Leitfähigkeitswert zugewiesen um den Erduntergrund nachzubilden. Ein Modell mit beispielsweise 100 x 50 Zellen besitzt 5000 unbekannte Modellparameter. Im Gegensatz dazu haben wir im anisotropen Fall die sechsfache Anzahl, da hier aus dem einfachen Zahlenwert der elektrischen Leitfähigkeit ein symmetrischer, reellwertiger Tensor wird, wobei die Anzahl der Daten gleich bleibt. Für die erfolgreiche Inversion von anisotropen Leitfähigkeiten und um die Nicht-Eindeutigkeit der Lösung des inversen Problems zu überwinden, ist eine geeignete Einschränkung der möglichen Modelle absolut notwendig. Dies wird umso wichtiger, da die Sensitivität von MT Daten nicht für alle Anisotropieparameter gleich ist. In der vorliegenden Arbeit habe ich einen Algorithmus entwickelt, welcher die Lösung des anisotropen Inversionsproblems unter Minimierung einer globalen Straffunktion berechnet. Diese besteht aus drei Teilen: der Datenanpassung, den Zusatzbedingungen an die Glätte des Modells und die Anisotropie. Im Gegensatz dazu werden beim isotropen Fall nur die ersten zwei Parameter minimiert. Der neu definierte Anisotropieterm wird mit Hilfe der Summe der quadratischen Abweichung der Hauptleitfähigkeitswerte des Modells gemessen. Die grundlegende Idee dieser Zusatzbedingung ist einfach. Falls ein isotropes Modell die Daten ausreichend gut anpassen kann, wird keine elektrische Anisotropie zusätzlich in das Modell eingefügt. Um eine erfolgreiche Inversion zu garantieren müssen geeignete Regularisierungsparameter für die verschiedenen Nebenbedingungen an das Modell gewählt werden. Tests mit synthetischen Modellen zeigen, dass bei festgesetzten Regularisierungsparametern die Inversion meistens entweder in einem glatten Modell mit hohem RMS Fehler oder einem groben Modell mit kleinem RMS Fehler endet. Die Anwendung einer Relaxationsbedingung auf die Regularisierung nach jedem Iterationsschritt resultiert in glatteren Inversionsmodellen und einer höheren Konvergenz und scheint ein ausgereifter Weg zur Wahl der Parameter zu sein. Die vorgestellte Inversionsmethode ist im allgemeinen in der Lage die Hauptleitfähigkeiten in der horizontalen Ebene zu finden. Wenn keine der Hauptrichtungen der Anisotropiestruktur mit der vorgegebenen Streichrichtung übereinstimmt, können nur die dazugehörigen effektiven Leitfähigkeiten, welche die Projektion der Hauptleitfähigkeiten auf die Koordinatenachsen des Modells darstellen, aufgelöst werden. Allerdings gehen die Informationen über die Rotationswinkel verloren. Am Ende meiner Arbeit werden die MT Daten des Cape Fold Gürtels in Südafrika analysiert. Die MT Daten zeigen in einem Abschnitt des Messprofils (> 10 km) Phasen über 90 Grad. Dieser Teil der Daten kann nicht mit herkömmlichen isotropen Modellierungsverfahren angepasst und daher mit diesen auch nicht vollständig ausgewertet werden. Die vorgestellte Inversionsmethode konnte die außergewöhnlich hohen Phasenwerte nicht wie gewünscht im Inversionsergebnis erreichen, was mit dem erwähnten Informationsverlust der Rotationswinkel begründet werden kann. MT Phasen außerhalb des ersten Quadranten können für gewöhnlich bei Anomalien mit geneigter Streichrichtung der Anisotropie gemessen werden. Um diese auch in den Inversionsergebnissen zu erreichen ist eine Weiterentwicklung des Algorithmus notwendig. Vorwärtsmodellierungen des MT Datensatzes haben allerdings gezeigt, dass eine hohe Leitfähigkeitsheterogenität an der Oberfläche in Kombination mit einer Zone elektrischer Anisotropie in der mittleren Kruste notwendig sind um die Daten anzupassen. Aufgrund geologischer und tektonischer Informationen kann diese Zone in der mittleren Kruste als tiefer Aquifer interpretiert werden, der im Zusammenhang mit den zerrütteten Gesteinen der Table Mountain Group des Cape Fold Gürtels steht.
KW  - Magnetotellurik
KW  - Anisotrope Inversion
KW  - Regularisierung
KW  - Anisotropie der Leitfähigkeit
KW  - magnetotelluric
KW  - anisotropic inversion
KW  - regularization
KW  - conductivity anisotropy
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63163
ER  - 
TY  - THES
A1  - Morgenstern, Anne
T1  - Thermokarst and thermal erosion : degradation of Siberian ice-rich permafrost
T1  - Thermokarst und Thermoerosion : Degradation von sibirischem eisreichem Permafrost
N2  - Current climate warming is affecting arctic regions at a faster rate than the rest of the world. This has profound effects on permafrost that underlies most of the arctic land area. Permafrost thawing can lead to the liberation of considerable amounts of greenhouse gases as well as to significant changes in the geomorphology, hydrology, and ecology of the corresponding landscapes, which may in turn act as a positive feedback to the climate system. Vast areas of the east Siberian lowlands, which are underlain by permafrost of the Yedoma-type Ice Complex, are particularly sensitive to climate warming because of the high ice content of these permafrost deposits. Thermokarst and thermal erosion are two major types of permafrost degradation in periglacial landscapes. The associated landforms are prominent indicators of climate-induced environmental variations on the regional scale. Thermokarst lakes and basins (alasses) as well as thermo-erosional valleys are widely distributed in the coastal lowlands adjacent to the Laptev Sea. This thesis investigates the spatial distribution and morphometric properties of these degradational features to reconstruct their evolutionary conditions during the Holocene and to deduce information on the potential impact of future permafrost degradation under the projected climate warming. The methodological approach is a combination of remote sensing, geoinformation, and field investigations, which integrates analyses on local to regional spatial scales. Thermokarst and thermal erosion have affected the study region to a great extent. In the Ice Complex area of the Lena River Delta, thermokarst basins cover a much larger area than do present thermokarst lakes on Yedoma uplands (20.0 and 2.2 %, respectively), which indicates that the conditions for large-area thermokarst development were more suitable in the past. This is supported by the reconstruction of the development of an individual alas in the Lena River Delta, which reveals a prolonged phase of high thermokarst activity since the Pleistocene/Holocene transition that created a large and deep basin. After the drainage of the primary thermokarst lake during the mid-Holocene, permafrost aggradation and degradation have occurred in parallel and in shorter alternating stages within the alas, resulting in a complex thermokarst landscape. Though more dynamic than during the first phase, late Holocene thermokarst activity in the alas was not capable of degrading large portions of Pleistocene Ice Complex deposits and substantially altering the Yedoma relief. Further thermokarst development in existing alasses is restricted to thin layers of Holocene ice-rich alas sediments, because the Ice Complex deposits underneath the large primary thermokarst lakes have thawed completely and the underlying deposits are ice-poor fluvial sands. Thermokarst processes on undisturbed Yedoma uplands have the highest impact on the alteration of Ice Complex deposits, but will be limited to smaller areal extents in the future because of the reduced availability of large undisturbed upland surfaces with poor drainage. On Kurungnakh Island in the central Lena River Delta, the area of Yedoma uplands available for future thermokarst development amounts to only 33.7 %. The increasing proximity of newly developing thermokarst lakes on Yedoma uplands to existing degradational features and other topographic lows decreases the possibility for thermokarst lakes to reach large sizes before drainage occurs. Drainage of thermokarst lakes due to thermal erosion is common in the study region, but thermo-erosional valleys also provide water to thermokarst lakes and alasses. Besides these direct hydrological interactions between thermokarst and thermal erosion on the local scale, an interdependence between both processes exists on the regional scale. A regional analysis of extensive networks of thermo-erosional valleys in three lowland regions of the Laptev Sea with a total study area of 5,800 km² found that these features are more common in areas with higher slopes and relief gradients, whereas thermokarst development is more pronounced in flat lowlands with lower relief gradients. The combined results of this thesis highlight the need for comprehensive analyses of both, thermokarst and thermal erosion, in order to assess past and future impacts and feedbacks of the degradation of ice-rich permafrost on hydrology and climate of a certain region.
N2  - Die gegenwärtige Klimaerwärmung wirkt sich auf arktische Regionen stärker aus als auf andere Gebiete der Erde. Das hat weitreichende Konsequenzen für Permafrost, der weite Teile der terrestrischen Arktis unterlagert. Das Tauen von Permafrost kann zur Freisetzung erheblicher Mengen an Treibhausgasen sowie zu gravierenden Änderungen in der Geomorphologie, Hydrologie und Ökologie betroffener Landschaften führen, was wiederum als positive Rückkopplung auf das Klimasystem wirken kann. Ausgedehnte Gebiete der ostsibirischen Tiefländer, die mit Permafrost des Yedoma Eiskomplex unterlagert sind, gelten aufgrund des hohen Eisgehalts dieser Permafrostablagerungen als besonders empfindlich gegenüber Klimaerwärmungen. Thermokarst und Thermoerosion sind zwei Hauptformen der Permafrostdegradation in periglazialen Landschaften. Die zugehörigen Landschaftsformen sind auf der regionalen Skala bedeutende Indikatoren klimainduzierter Umweltvariationen. Thermokarstseen und senken (Alasse) sowie Thermoerosionstäler sind in den Küstentiefländern der Laptewsee weit verbreitet. Die vorliegende Dissertation untersucht die räumliche Verbreitung und die morphometrischen Eigenschaften dieser Degradationsformen mit dem Ziel, ihre Entwicklungsbedingungen während des Holozäns zu rekonstruieren und Hinweise auf potenzielle Auswirkungen zukünftiger Permafrostdegradation im Zuge der erwarteten Klimaerwärmung abzuleiten. Der methodische Ansatz ist eine Kombination aus Fernerkundungs-, Geoinformations- und Geländeuntersuchungen, die Analysen auf lokalen bis regionalen räumlichen Skalen integriert. Thermokarst und Thermoerosion haben die Untersuchungsregion tiefgreifend geprägt. Im Eiskomplexgebiet des Lena-Deltas nehmen Thermokarstsenken eine weitaus größere Fläche ein als Thermokarstseen auf Yedoma-Hochflächen (20,0 bzw. 2,2 %), was darauf hin deutet, dass die Bedingungen für die Entwicklung von großflächigem Thermokarst in der Vergangenheit wesentlich günstiger waren als heute. Die Rekonstruktion der Entwicklung eines einzelnen Alas im Lena-Delta belegt eine andauernde Phase hoher Thermokarstaktivität seit dem Übergang vom Pleistozän zum Holozän, die zur Entstehung einer großen und tiefen Senke führte. Nach der Drainage des primären Thermokarstsees im mittleren Holozän erfolgten Permafrostaggradation und degradation parallel und in kürzeren abwechselnden Etappen innerhalb des Alas und führten zu einer komplexen Thermokarstlandschaft. Trotzdem die spätholozäne Thermokarstentwicklung im Alas dynamischer ablief als die erste Entwicklungsphase, resultierte sie nicht in der Degradation großer Teile pleistozäner Eiskomplexablagerungen und einer wesentlichen Veränderung des Yedoma-Reliefs. Weitere Thermokarstentwicklung in bestehenden Alassen ist begrenzt auf geringmächtige Lagen holozäner eisreicher Alas-Sedimente, da die Eiskomplexablagerungen unter den großen primären Thermokarstseen vollständig getaut waren und die unterlagernden Sedimente aus eisarmen, fluvialen Sanden bestehen. Thermokarstprozesse auf ungestörten Yedoma-Hochflächen wirken am stärksten verändernd auf Eiskomplexablagerungen, werden aber in Zukunft auf geringere Ausmaße begrenzt sein, da die Verfügbarkeit großer ungestörter, schwach drainierter Yedoma-Hochflächen abnimmt. Auf der Insel Kurungnakh im zentralen Lena-Delta beträgt der für zukünftige Thermokarstentwicklung verfügbare Anteil an Yedoma-Hochflächen nur 33,7 %. Die zunehmende Nähe von sich entwickelnden Thermokarstseen auf Yedoma-Hochflächen zu bestehenden Degradationsstrukturen und anderen negativen Reliefformen verringert die Möglichkeit der Thermokarstseen, große Ausmaße zu erreichen bevor sie drainieren. Die Drainage von Thermokarstseen durch Thermoerosion ist in der Untersuchungsregion weit verbreitet, aber Thermoerosionstäler versorgen Thermokarstseen und –senken auch mit Wasser. Neben diesen direkten hydrologischen Wechselwirkungen zwischen Thermokarst und Thermoerosion auf der lokalen Ebene existiert auch eine Interdependenz zwischen beiden Prozessen auf der regionalen Ebene. Eine regionale Analyse weitreichender Netze von Thermoerosionstälern in drei Tieflandgebieten der Laptewsee mit einer Fläche von insgesamt 5800 km² zeigte, dass diese Formen häufiger in Gebieten mit höheren Geländeneigungen und Reliefgradienten auftreten, während Thermokarstentwicklung stärker in flachen Tiefländern mit geringeren Reliefgradienten ausgeprägt ist. Die kombinierten Ergebnisse dieser Dissertation zeigen die Notwendigkeit von umfassenden Analysen beider Prozesse und Landschaftsformen, Thermokarst und Thermoerosion, im Hinblick auf die Abschätzung vergangener und zukünftiger Auswirkungen der Degradation eisreichen Permafrosts auf Hydrologie und Klima der betrachteten Region und deren Rückkopplungen.
KW  - Fernerkundung
KW  - GIS
KW  - räumliche Analyse
KW  - periglaziale Landschaften
KW  - Arktis
KW  - remote sensing
KW  - GIS
KW  - spatial analyses
KW  - periglacial landscapes
KW  - Arctic
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62079
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jagdhuber, Thomas
T1  - Soil parameter retrieval under vegetation cover using SAR polarimetry
T1  - Bestimmung von Bodenparametern unter Vegetation mit Hilfe von SAR Polarimetrie
N2  - Soil conditions under vegetation cover and their spatial and temporal variations from point to catchment scale are crucial for understanding hydrological processes within the vadose zone, for managing irrigation and consequently maximizing yield by precision farming. Soil moisture and soil roughness are the key parameters that characterize the soil status. In order to monitor their spatial and temporal variability on large scales, remote sensing techniques are required. Therefore the determination of soil parameters under vegetation cover was approached in this thesis by means of (multi-angular) polarimetric SAR acquisitions at a longer wavelength (L-band, lambda=23cm). In this thesis, the penetration capabilities of L-band are combined with newly developed (multi-angular) polarimetric decomposition techniques to separate the different scattering contributions, which are occurring in vegetation and on ground. Subsequently the ground components are inverted to estimate the soil characteristics. The novel (multi-angular) polarimetric decomposition techniques for soil parameter retrieval are physically-based, computationally inexpensive and can be solved analytically without any a priori knowledge. Therefore they can be applied without test site calibration directly to agricultural areas. The developed algorithms are validated with fully polarimetric SAR data acquired by the airborne E-SAR sensor of the German Aerospace Center (DLR) for three different study areas in Germany. The achieved results reveal inversion rates up to 99% for the soil moisture and soil roughness retrieval in agricultural areas. However, in forested areas the inversion rate drops significantly for most of the algorithms, because the inversion in forests is invalid for the applied scattering models at L-band. The validation against simultaneously acquired field measurements indicates an estimation accuracy (root mean square error) of 5-10vol.% for the soil moisture (range of in situ values: 1-46vol.%) and of 0.37-0.45cm for the soil roughness (range of in situ values: 0.5-4.0cm) within the catchment. Hence, a continuous monitoring of soil parameters with the obtained precision, excluding frozen and snow covered conditions, is possible. Especially future, fully polarimetric, space-borne, long wavelength SAR missions can profit distinctively from the developed polarimetric decomposition techniques for separation of ground and volume contributions as well as for soil parameter retrieval on large spatial scales.
N2  - Zur Verbesserung der hydrologischen Abflussmodellierung, der Flutvorhersage, der gezielten Bewässerung von landwirtschaftlichen Nutzflächen und zum Schutz vor Ernteausfällen ist die Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit von grosser Bedeutung. Aufgrund der hohen zeitlichen sowie räumlichen Dynamik dieser Bodenparameter ist eine flächenhafte Erfassung mit hoher Auflösung und in kurzen zeitlichen Abständen notwendig. In situ Messtechniken stellen eine sehr zeit- und personalaufwändige Alternative dar, deshalb werden innovative Fernerkundungsverfahren mit aktivem Radar erprobt. Diese Aufnahmetechniken sind von Wetter- und Beleuchtungsverhältnissen unabhängig und besitzen zudem die Möglichkeit, abhängig von der Wellenlänge, in Medien einzudringen. Mit dem in dieser Arbeit verwendeten polarimetrischen Radar mit synthetischer Apertur (PolSAR) werden die Veränderungen der Polarisationen ausgewertet, da diese aufgrund der physikalischen Eigenschaften der reflektierenden Medien objektspezifisch verändert und gestreut werden. Es kann dadurch ein Bezug zwischen der empfangenen Radarwelle und den dielektrischen Eigenschaften (Feuchtegehalt) sowie der Oberflächengeometrie (Rauhigkeit) des Bodens hergestellt werden. Da vor allem in den gemässigten Klimazonen die landwirtschaftlichen Nutzflächen die meiste Zeit des Jahres mit Vegetation bestanden sind, wurden in dieser Dissertation Verfahren entwickelt, um die Bodenfeuchte und die Bodenrauhigkeit unter der Vegetation erfassen zu können. Um die einzelnen Rückstreubeiträge der Vegetation und des Bodens voneinander zu trennen, wurde die Eindringfähigkeit von längeren Wellenlängen (L-band, lambda=23cm) mit neu entwickelten (multi-angularen) polarimetrischen Dekompositionstechniken kombiniert, um die Komponente des Bodens zu extrahieren und auszuwerten. Für die Auswertung wurden polarimetrische Streumodelle benutzt, um die Bodenkomponente zu modellieren und dann mit der extrahierten Bodenkomponente der aufgenommenen Daten zu vergleichen. Die beste Übereinstimmung von Modell und Daten wurde als die gegebene Bodencharakteristik gewertet und dementsprechend invertiert. Die neu entwickelten, polarimetrischen Dekompositionstechniken für langwelliges polarimetrisches SAR basieren auf physikalischen Prinzipien, benötigen wenig Rechenzeit, erfordern keine Kalibrierung und sind ohne Verwendung von a priori Wissen analytisch lösbar. Um die entwickelten Algorithmen zu testen, wurden in drei verschiedenen Untersuchungsgebieten in Deutschland mit dem flugzeuggetragenen E-SAR Sensor des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) polarimetrische SAR Daten aufgenommen. Die Auswertungen der PolSAR Daten haben bestätigt, dass die besten Invertierungsergebnisse mit langen Wellenlängen erzielt werden können (L-Band). Des Weiteren konnten bei der Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit hohe Inversionsraten erreicht werden (bis zu 99% der Untersuchungsfläche). Es hat sich gezeigt, dass die polarimetrischen Streumodelle bei der gegebenen Wellenlänge nicht für bewaldete Gebiete geeignet sind, was die Anwendbarkeit des Verfahrens auf landwirtschaftliche Nutzflächen einschränkt. Die Validierung mit Bodenmessungen in den Untersuchungsgebieten, die zeitgleich zu den PolSAR Aufnahmen durchgeführt wurden, hat ergeben, dass eine kontinuierliche Beobachtung des Bodenzustandes (ausgenommen in Zeiten mit gefrorenem oder Schnee bedecktem Boden) mit einer Genauigkeit (Wurzel des mittleren quadratischen Fehlers) von 5-10vol.% für die Bodenfeuchte (in situ Messbereich: 1-46vol.%) und von 0.37-0.45cm für die Bodenrauhigkeit (in situ Messbereich: 0.5-4.0cm) möglich ist. Besonders künftige Fernerkundungsmissionen mit langwelligem, voll polarimetrischem SAR können von den entwickelten Dekompositionstechniken profitieren, um die Vegetationskomponente von der Bodenkomponente zu trennen und die Charakteristik des Oberbodens flächenhaft zu bestimmen.
KW  - SAR
KW  - Polarimetrie
KW  - Bodenfeuchte
KW  - polarimetrische Dekompositionen
KW  - Fernerkundung
KW  - SAR
KW  - Polarimetry
KW  - soil moisture
KW  - polarimetric decompositions
KW  - remote sensing
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60519
ER  -