TY - THES A1 - Carus, Jana T1 - Plant-habitat interactions in brackish marshes T1 - Pflanzen-Habitat Interaktionen in Tidemarschen BT - coping with, adapting to and modifying the environment N2 - Estuarine marshes are ecosystems that are situated at the transition zone between land and water and are thus controlled by physical and biological interactions. Marsh vegetation offers important ecosystem services by filtrating solid and dissolved substances from the water and providing habitat. By buffering a large part of the arriving flow velocity, attenuating wave energy and serving as erosion control for riverbanks, tidal marshes furthermore reduce the destructive effects of storm surges and storm waves and thus contribute to ecosystem-based shore protection. However, in many estuaries, extensive embankments, artificial bank protection, river dredging and agriculture threaten tidal marshes. Global warming might entail additional risks, such as changes in water levels, an increase of the tidal amplitude and a resulting shift of the salinity zones. This can affect the dynamics of the shore and foreland vegetation, and vegetation belts can be narrowed or fragmented. Against this background, it is crucial to gain a better understanding of the processes underlying the spatio temporal vegetation dynamics in brackish marshes. Furthermore, a better understanding of how plant-habitat relationships generate patterns in tidal marsh vegetation is vital to maintain ecosystem functions and assess the response of marshes to environmental change as well as the success of engineering and restoration projects. For this purpose, three research objectives were addressed within this thesis: (1) to explore the possibility of vegetation serving as self-adaptive shore protection by quantifying the reduction of current velocity in the vegetation belt and the morphologic plasticity of a brackish marsh pioneer, (2) to disentangle the roles of abiotic factors and interspecific competition on species distribution and stand characteristics in brackish marshes, and (3) to develop a mechanistic vegetation model that helps analysing the influence of habitat conditions on the spatio-temporal dynamic of tidal marsh vegetation. These aspects were investigated using a combination of field studies and statistical as well as process-based modelling. To explore the possibility of vegetation serving as self-adaptive coastal protection, in the first study, we measured current velocity with and without living vegetation, recorded ramet density and plant thickness during two growing periods at two locations in the Elbe estuary and assessed the adaptive value of a larger stem diameter of plants at locations with higher mechanical stress by biomechanical measurements. The results of this study show that under non-storm conditions, the vegetation belt of the marsh pioneer Bolboschoenus maritimus is able to buffer a large proportion of the flow velocity. We were furthermore able to show that morphological traits of plant species are adapted to hydrodynamic forces by demonstrating a positive correlation between ramet thickness and cross-shore current. In addition, our measurements revealed that thicker ramets growing at the front of the vegetation belt have a significantly higher stability than ramets inside the vegetation belt. This self-adaptive effect improves the ability of B. maritimus to grow and persist in the pioneer zone and could provide an adaptive value in habitats with high mechanical stress. In the second study, we assessed the distribution of the two marsh species and a set of stand characteristics, namely aboveground and belowground biomass, ramet density, ramet height and the percentage of flowering ramets. Furthermore, we collected information on several abiotic habitat factors to test their effect on plant growth and zonation with generalised linear models (GLMs). Our results demonstrate that flow velocity is the main factor controlling the distribution of Bolboschoenus maritimus and Phragmites australis. Additionally, inundation height and duration, as well as intraspecific competition affect distribution patterns. This study furthermore shows that cross-shore flow velocity does not only directly influence the distribution of the two marsh species, but also alters the plants’ occurrence relative to inun-dation height and duration. This suggests an effect of cross-shore flow velocity on their tolerance to inundation. The analysis of the measured stand characteristics revealed a negative effect of total flow velocity on all measured parameters of B. maritimus and thus confirmed our expectation that flow velocity is a decisive stressor which influences the growth of this species. To gain a better understanding of the processes and habitat factors influencing the spatio-temporal vegetation dynamics in brackish marshes, I built a spatially explicit, mechanistic model applying a pattern-oriented modelling approach. A sensitivity analysis of the para-meters of this dynamic habitat-macrophyte model HaMac suggests that rhizome growth is the key process for the lateral dynamics of brackish marshes. From the analysed habitat factors, P. australis patterns were mainly influenced by flow velocity. The competition with P. australis was of key importance for the belowground biomass of B. maritimus. Concerning vegetation dynamics, the model results emphasise that without the effect of flow velocity the B. maritimus vegetation belt would expand into the tidal flat at locations with present vegetation recession, suggesting that flow velocity is the main reason for vegetation recession at exposed locations. Overall, the results of this thesis demonstrate that brackish marsh vegetation considerably contributes to flow reduction under average flow conditions and can hence be a valuable component of shore-protection schemes. At the same time, the distribution, growth and expansion of tidal marsh vegetation is substantially influenced by flow. Altogether, this thesis provides a clear step forward in understanding plant-habitat interactions in tidal marshes. Future research should integrate studies of vertical marsh accretion with research on the factors that control the lateral position of marshes. N2 - Tidemarschen sind Ökosysteme, die sich am Übergang zwischen Land und Wasser befinden und deshalb von Wechselwirkungen zwischen physikalischen und biologischen Prozessen beherrscht werden. Marschvegetation bietet wichtige Ökosystemleistungen, wie das Filtern von festen und gelösten Stoffen aus dem Wasser und die Bereitstellung von Lebensraum für Tiere. Außerdem verringern Marschen die zerstörerische Wirkung von Sturmfluten und Sturmwellen und tragen so zu einem ökosystembasierten Uferschutz bei. Doch in vielen Fluss­mündungen bedrohen umfangreiche Eindeichungen, künstlicher Uferschutz, Fluss­ver­tiefun­gen und die Landwirtschaft die Tidemarschen. Die globale Erwärmung könnte zusätz­liche Risiken, wie etwa Änderungen der Wasserstände, eine weitere Erhöhung der Gezeiten­amplitude und eine daraus resultierende Verschiebung der Salinitätszonen mit sich bringen. Dies kann die Dynamik der Ufer- und Vorlandvegetation beeinflussen und die Vegetations­gürtel verschmälern oder fragmentieren. Vor diesem Hintergrund ist es entscheidend, ein besseres Verständnis der Prozesse zu erlangen, die der raum-zeitlichen Vegetationsdynamik in Tidemarschen zugrunde liegen. Darüber hinaus ist sind zusätzliche Erkenntnisse darüber, wie Pflanzen-Umwelt-Beziehungen die Muster in Marschen beeinflussen, von entscheidender Bedeutung um Ökosystemfunktionen aufrechtzuerhalten und die Reaktion von Marschen auf Umweltveränderungen sowie den Erfolg von Ingenieur- und Restaurierungsprojekten zu bewerten. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit drei Forschungsziele gesetzt: (1) das Erforschen der Möglichkeit der Vegetation als selbstanpassender Uferschutz zu dienen, (2) das Ermitteln der Rolle verschiedener Faktoren auf die Artenverbreitung und verschiedene Pflanzen­merk­male in Tidemarschen und (3) die Entwicklung eines prozess-basierten Vegetations­modells, das die Analyse des Einflusses von Lebensraumbedingungen auf die raum-zeitliche Dynamik der Marschvegetation unterstützt. Diese Aspekte wurden anhand einer Kombination von Feld­studien und statistischer sowie prozessbasierter Modellierung untersucht. Ins­gesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Marschvegetation erheblich zur Strömungsreduktion unter durchschnittlichen Strömungsverhältnissen beiträgt und somit ein wertvoller Bestandteil von Uferschutzsystemen sein kann. Darüber hinaus konnte Strömung als Hauptfaktor für die Verbreitung, das Wachstum und die Expansion von Marschvegetation identifiziert werden. Diese Arbeit trägt maßgeblich zur Verbesserung des Verständnisses von Pflanzen-Habitat Interaktionen in Tidemarschen bei. Zukünftige Forschung sollte Studien des vertikalen Marschwachstums mit der Analyse der Faktoren, die die laterale Position der Marschen kontrollieren verknüpfen. KW - plant-habitat interactions KW - estuary KW - ecological modelling KW - Pflanzen-Habitat Interaktionen KW - Ästuar KW - ökologische Modellierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404966 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Silke Regina T1 - Analyzing lakes in the time frequency domain T1 - Analyse von Seen in der Zeit-Frequenz-Domäne N2 - The central aim of this thesis is to demonstrate the benefits of innovative frequency-based methods to better explain the variability observed in lake ecosystems. Freshwater ecosystems may be the most threatened part of the hydrosphere. Lake ecosystems are particularly sensitive to changes in climate and land use because they integrate disturbances across their entire catchment. This makes understanding the dynamics of lake ecosystems an intriguing and important research priority. This thesis adds new findings to the baseline knowledge regarding variability in lake ecosystems. It provides a literature-based, data-driven and methodological framework for the investigation of variability and patterns in environmental parameters in the time frequency domain. Observational data often show considerable variability in the environmental parameters of lake ecosystems. This variability is mostly driven by a plethora of periodic and stochastic processes inside and outside the ecosystems. These run in parallel and may operate at vastly different time scales, ranging from seconds to decades. In measured data, all of these signals are superimposed, and dominant processes may obscure the signals of other processes, particularly when analyzing mean values over long time scales. Dominant signals are often caused by phenomena at long time scales like seasonal cycles, and most of these are well understood in the limnological literature. The variability injected by biological, chemical and physical processes operating at smaller time scales is less well understood. However, variability affects the state and health of lake ecosystems at all time scales. Besides measuring time series at sufficiently high temporal resolution, the investigation of the full spectrum of variability requires innovative methods of analysis. Analyzing observational data in the time frequency domain allows to identify variability at different time scales and facilitates their attribution to specific processes. The merit of this approach is subsequently demonstrated in three case studies. The first study uses a conceptual analysis to demonstrate the importance of time scales for the detection of ecosystem responses to climate change. These responses often occur during critical time windows in the year, may exhibit a time lag and can be driven by the exceedance of thresholds in their drivers. This can only be detected if the temporal resolution of the data is high enough. The second study applies Fast Fourier Transform spectral analysis to two decades of daily water temperature measurements to show how temporal and spatial scales of water temperature variability can serve as an indicator for mixing in a shallow, polymictic lake. The final study uses wavelet coherence as a diagnostic tool for limnology on a multivariate high-frequency data set recorded between the onset of ice cover and a cyanobacteria summer bloom in the year 2009 in a polymictic lake. Synchronicities among limnological and meteorological time series in narrow frequency bands were used to identify and disentangle prevailing limnological processes. Beyond the novel empirical findings reported in the three case studies, this thesis aims to more generally be of interest to researchers dealing with now increasingly available time series data at high temporal resolution. A set of innovative methods to attribute patterns to processes, their drivers and constraints is provided to help make more efficient use of this kind of data. N2 - See-Ökosysteme sind eine der bedrohtesten Ressourcen der Hydrosphäre. Sie reagieren besonders sensibel auf Veränderungen des Klimas und auf Einflüsse durch Landnutzung, da verschiedene Prozesse im gesamten Einzugsgebiet auf sie einwirken. Daher ist es von besonderer Dringlichkeit, die verschiedenen Prozess-Dynamiken in See-Ökosystemen besser zu verstehen. Die hier vorliegende Doktorarbeit hat zum Ziel, das bestehende Wissen bezüglich der verschiedenen einwirkenden Prozesse in See-Ökosystemen zu erweitern. Die Arbeit stellt ein Forschungsdesign zur Diskussion, das eine Literatur-basierte und auf empirischen Erhebungen beruhende Analyse von Variabilität und Mustern in großen Datensätzen verschiedener Umweltparameter im Zeit-Frequenz-Raum ermöglicht. Umweltparameter sind häufig charakterisiert durch eine hohe zeitliche Dynamik. Diese Variabilität steht im Zentrum dieser Arbeit. Sie wird durch eine Fülle an periodischen und stochastischen Prozessen innerhalb und außerhalb des Ökosystems getrieben. Diese Prozesse können gleichzeitig und auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen, von Sekunden bis hin zu Dekaden, ablaufen. In Messdaten überlagern sich alle diese Signale, und dominante Prozesse können die Signale anderer Prozesse verschleiern, insbesondere wenn Mittelwerte über längere Zeiträume analysiert werden. Dominante Signale werden oft durch Prozesse auf längeren Zeitskalen verursacht, wie z. B. saisonale Zyklen. Diese sind im Allgemeinen in der limnologischen Literatur gut dokumentiert. See-Ökosysteme werden allerdings von Prozessen auf allen Zeitskalen beeinflusst. Insbesondere biologische, chemische und physikalische Prozesse operieren in kürzeren Zeitrahmen. Die Variabilität, die über solche Prozesse in See-Ökosysteme eingebracht wird, ist bisher weit weniger gut erforscht. Neben der Notwendigkeit, Umweltparameter in hoher zeitlicher Auflösung zu messen, erfordert die Untersuchung der kompletten Bandbreite an Variabilität innovative Analysemethoden. Die Berücksichtigung der Zeit-Frequenz-Domäne kann dabei helfen, Dynamiken auf verschiedenen Zeitskalen zu identifizieren und daraus bestimmte Prozesse abzuleiten. Diese Arbeit zeigt die Vorzüge dieser Herangehensweise anhand von drei Fallstudien auf. Die erste Studie zeigt die Bedeutung von Zeitskalen für die Erfassung von Ökosystem-Reaktionen auf klimatische Veränderungen. Diese ereignen sich oft während kritischer Zeitfenster im Jahresverlauf und können durch die Überschreitung von Schwellenwerten in den treibenden Variablen, unter Umständen zeitlich verzögert, verursacht sein. Solche Zusammenhänge können nur erfasst werden, wenn die zeitliche Auflösung der Daten hoch genug ist. In der zweiten Studie wird die Spektralanalyse, basierend auf der Fast Fourier Transformation, auf einen Datensatz täglicher Messungen der Wassertemperatur über zwanzig Jahre hinweg angewendet. Es wird gezeigt, wie zeitliche und räumliche Skalen der Variabilität der Wassertemperatur als Indikator für Mischprozesse in einem polymiktischen See dienen können. In der dritten Studie wird die Wavelet Coherence als Diagnose-Werkzeug für einen multivariaten, hochfrequenten Datensatz genutzt. Dieser wurde zwischen dem Einsetzen einer Eisbedeckung und einer Sommerblüte von Cyanobakteriern in einem polymiktischen See im Jahr 2009 erhoben. Synchronizitäten zwischen limnologischen und meteorologischen Zeitreihen in schmalen Frequenz-Bändern wurden genutzt, um vorherrschende limnologische Prozesse zu identifizieren und analytisch zu trennen. Neben den neuen empirischen Erkenntnissen, die in den drei Fallstudien präsentiert werden, zielt diese Doktorarbeit darauf ab, Forscher*innen, Behörden und politischen Entscheidungsträger*innen eine Grundlage zu liefern, die hohe zeitliche Auflösung der heute vielfach verfügbaren Monitoring-Datensätze effizienter zu nutzen. Innovative Methoden sollen dabei helfen, Muster in den Daten Prozessen zuzuordnen und die entsprechenden Treiber und Limitationen zu identifizieren. KW - variability KW - time scale KW - wavelet KW - coherence KW - spectral analysis KW - time series analysis KW - polymictic lakes KW - process identification KW - Variabilität KW - Zeitskala KW - Spektralanalyse KW - Zeitreihenanalyse KW - polymiktische Seen KW - Prozessidentifikation Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406955 ER - TY - THES A1 - Siddiqui, Tarique Adnan T1 - Long-term investigation of the lunar tide in the equatorial electrojet during stratospheric sudden warmings T1 - Analyse von Langzeit-Registrierungen zur Untersuchung der lunaren Gezeiten des äquatorialer Elektrojet bei plötzlichen stratosphärischen Erwärmungsereignissen N2 - The ionosphere, which is strongly influenced by the Sun, is known to be also affected by meteorological processes. These processes, despite having their origin in the troposphere and stratosphere, interact with the upper atmosphere. Such an interaction between atmospheric layers is known as vertical coupling. During geomagnetically quiet times, when near-Earth space is not under the influence of solar storms, these processes become important drivers for ionospheric variability. Studying the link between these processes in the lower atmosphere and the ionospheric variability is important for our understanding of fundamental mechanisms in ionospheric and meteorological research. A prominent example of vertical coupling between the stratosphere and the ionosphere are the so-called stratospheric sudden warming (SSW) events that occur usually during northern winters and result in an increase in the polar stratospheric temperature and a reversal of the circumpolar winds. While the phenomenon of SSW is confined to the northern polar stratosphere, its influence on the ionosphere can be observed even at equatorial latitudes. During SSW events, the connection between the polar stratosphere and the equatorial ionosphere is believed to be through the modulation of global atmospheric tides. These tides are fundamental for the ionospheric E-region wind dynamo that generates electric fields and currents in the ionosphere. Observations of ionospheric currents indicate a large enhancement of the semidiurnal lunar tide in response to SSW events. Thus, the semidiurnal lunar tide becomes an important driver of ionospheric variability during SSW events. In this thesis, the ionospheric effect of SSW events is investigated in the equatorial region, where a narrow but an intense E-region current known as the equatorial electrojet (EEJ) flows above the dip equator during the daytime. The day-to-day variability of the EEJ can be determined from magnetic field records at geomagnetic observatories close to the dip equator. Such magnetic data are available for several decades and allows to investigate the impact of SSW events on the EEJ and, even more importantly, helps in understanding the effects of SSW events on the equatorial ionosphere. An excellent long-term record of the geomagnetic field at the equator from 1922 onwards is available for the observatory Huancayo in Peru and is extensively utilized in this study. The central subject of this thesis is the investigation of lunar tides in the EEJ during SSW events by analyzing long time series. This is done by estimating the lunar tidal amplitude in the EEJ from the magnetic records at Huancayo and by comparing them to measurements of the polar stratospheric wind and temperature, which led to the identification of the known SSW events from 1952 onwards. One goal of this thesis is to identify SSW events that predate 1952. To this end, superposed epoch analysis (SEA) is employed to establish a relationship between the lunar tidal power and the wind and temperature conditions in the lower atmosphere. A threshold value for the lunar tidal power is identified that is discriminative for the known SSW events. This threshold is then used to identify lunar tidal enhancements, which are indicative for any historic SSW events prior to 1952. It can be shown, that the number of lunar tidal enhancements and thus the occurrence frequency of historic SSW events between 1926 and 1952 is similar to the occurrence frequency of the known SSW events from 1952 onwards. Next to the classic SSW definition, the concept of polar vortex weakening (PVW) is utilized in this thesis. PVW is defined for higher latitudes and altitudes (≈ 40km) than the classical SSW definition (≈ 32km). The correlation between the timing and magnitude of lunar tidal enhancements in the EEJ and the timing and magnitude of PVW is found to be better than for the classic SSW definition. This suggests that the lunar tidal enhancements in the EEJ are closely linked to the state of the middle atmosphere. Geomagnetic observatories located in different longitudes at the dip equator allow investigating the longitudinally dependent variability of the EEJ during SSW events. For this purpose, the lunar tidal enhancements in the EEJ are determined for the Peruvian and Indian sectors during the major SSW events of the years 2006 and 2009. It is found that the lunar tidal amplitude shows similar enhancements in the Peruvian sector during both SSW events, while the enhancements are notably different for the two events in the Indian sector. In summary, this thesis shows that lunar tidal enhancements in the EEJ are indeed correlated to the occurrence of SSW events and they should be considered a prominent driver of low latitude ionospheric variability. Secondly, lunar tidal enhancements are found to be longitudinally variable. This suggests that regional effects, such as ionospheric conductivity and the geometry and strength of the geomagnetic field, also play an important role and have to be considered when investigating the mechanisms behind vertical coupling. N2 - Die Ionosphäre, die hauptsächlich durch Prozesse solaren Ursprungs beeinflusst wird, wird auch durch meteorologische Prozesse beeinflusst. Obwohl diese Prozesse ihren Ursprung in der Troposphäre und Stratosphäre haben, wechselwirken sie mit der oberen Atmosphäre. Eine solche Wechselwirkung zwischen atmosphärischen Schichten wird als vertikale Kopplung bezeichnet. Bei magnetisch ruhigen Bedingungen, wenn der erdnahe Weltraum nicht durch solare Stürme beeinflusst wird, werden diese Prozesse zu wichtigen Einflussfaktoren für die ionosphärische Variabilität. Für unser Verständnis von fundamentalen Mechanismen im Forschungsfeld der Ionosphäre und der Meteorologie ist es wichtig, die Verbindung zwischen diesen Prozessen in der unteren Atmosphäre und der ionosphärischen Variabilität zu ermitteln. Ein wichtiges Beispiel für die vertikale Kopplung zwischen Stratosphäre und Ionosphäre sind die sogenannten plötzlichen stratosphärischen Erwärmungsereignisse (sudden stratospheric warming, SSW), die üblicherweise im Winter stattfinden und zu einer Erhöhung der stratosphärischen Temperatur und einer Umkehrung der zirkumpolarenWinde führen. Während das Phänomen des SSW auf die nördliche polare Stratosphäre beschränkt ist, kann sein Einfluss auf die Ionosphäre sogar in äquatorialen Breiten beobachtet werden. Bei SSW - Ereignissen wird vermutet, dass die Verbindung zwischen der polaren Stratosphäre und der äquatorialen Ionosphäre durch die Modulation globaler atmosphärischer Gezeiten erfolgt. Diese Gezeiten sind grundlegend für den Wind-Dynamo in der ionosphärischen E-Region, der dort elektrische Felder und Ströme erzeugt. Beobachtungen ionosphärischer Ströme zeigen, dass die semidiurnalen lunaren Gezeiten als Reaktion auf ein SSW - Ereignis eine starke Erhöhung erfahren. Damit werden die semidiurnalen lunaren Gezeiten zu einem wichtigen Faktor für die ionosphärische Variabilität während eines SSW - Ereignis. In dieser Dissertation wird der äquatoriale ionosphärische Effekt von SSW - Ereignissen untersucht. In der E-Region über dem magnetischen Äquator fließt tagsüber ein schmaler aber intensiver Strom, der als äquatorialer Strahlstrom oder Elektrojet (EEJ) bekannt ist. Der von Tag zu Tag unterschiedlich ausgeprägte EEJ kann aus Magnetfeldregistrierungen von geomagnetischen Observatorien nahe dem magnetischen Äquator abgeschätzt werden. Solche Magnetfeldregistrierungen stehen über mehrere Jahrzehnte zur Verfügung und erlauben es, den Einfluss der SSW-Ereignisse auf den EEJ zu untersuchen, und, noch wesentlicher, helfen sie, den Einfluss von SSW-Ereignissen auf die äquatoriale Ionosphäre zu verstehen. Eine ausgezeichnete, im Jahre 1922 beginnende Langzeit-Registrierung des Magnetfeldes am Äquator gibt es für das Observatorium Huancayo in Peru. Sie wird in der vorliegenden Arbeit intensiv genutzt. Das zentrale Thema der Dissertation ist die Analyse von Langzeit - Registrierungen zur Untersuchung der lunaren Gezeiten des EEJ bei SSW - Ereignissen. Dazu wird die Amplitude der lunaren Gezeiten des EEJ aus den Magnetfeldregistrierungen des Observatoriums Huancayo bestimmt und mit den Messungen des polaren stratosphärischen Windes und der Temperatur verglichen, die zur Identifizierung der bekannten SSW - Ereignisse seit 1952 geführt haben. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, auch SSW - Ereignisse vor 1952 zu identifizieren. Dahingehend wird eine Superposed Epoch Analysis (SEA) benutzt, und damit wird eine Beziehung zwischen die Leistung der lunaren Gezeiten und den Wind- und Temperaturbedingungen in der unteren Atmosphäre hergestellt. So wird ein Grenzwert für die Leistung der lunaren Gezeiten für die bekannten SSW - Ereignisse ermittelt. Dieser Grenzwert wird dann benutzt, um eine Verstärkung der lunaren Gezeiten zu identifizieren, die historische SSW - Ereignisse vor 1952 anzeigt. Es zeigt sich, dass die Häufigkeit der Verstärkung der lunaren Gezeiten, und damit die Häufigkeit der historischen SSW - Ereignisse zwischen 1926 und 1952, ähnlich ist zu der Häufigkeit der bekannten SSW - Ereignisse seit 1952 ist. Neben der klassischen SSW - Definition wird in dieser Dissertation das Konzept des Polar Vortex Weakening (PVW) genutzt. Das PVW ist für höhere Breiten und Höhenlagen (40 km) festgelegt als die klassische SSW - Definition (32 km). Die Korrelation zwischen dem Zeitpunkt und der Stärke der Verstärkung der lunaren Gezeiten des EEJ einerseits und dem Zeitpunkt und der Stärke des PVW andererseits ist besser als die entsprechende Korrelation bei Anwendung der klassischen SSW - Definition. Dies lässt darauf schließen, dass die Verstärkung der lunaren Gezeiten des EEJ eng mit dem Zustand der mittleren Atmosphäre verknüpft ist. Geomagnetische Observatorien, die bei verschiedenen Längengraden am magnetischen Äquator liegen, erlauben es, die längengradabhängige Variabilität des EEJ bei SSW - Ereignissen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wird die Verstärkung der lunaren Gezeiten fär zwei ausgeprägte SSW - Ereignisse in den Jahren 2006 und 2009 im peruanischen und im indischen Sektor bestimmt. Es zeigt sich, dass die Amplitude der lunaren Gezeiten im peruanischen Sektor bei beiden Ereignissen eine ähnliche Verstärkung aufweist, während die Verstärkung im indischen Sektor für die zwei Ereignisse deutliche Unterschiede aufweist. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Verstärkung der lunaren Gezeiten des EEJ in der Tat mit dem Auftreten von SSW - Ereignissen korreliert ist und dass sie als wichtiger Einflussfaktor auf die Variabilität der Ionosphäre der niederen Breiten berücksichtigt werden muss. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Verstärkung der lunaren Gezeiten eine längengradabhängige Variabilität aufweist. Dies legt nahe, dass regionale Gegebenheiten, wie die Leitfähigkeit der Ionosphäre und die Geometrie und Stärke des Erdmagnetfeldes, bei der vertikalen Kopplung auch eine wichtige Rolle spielen und bei der Untersuchung der dabei zugrundeliegenden Mechanismen berücksichtigt werden müssen. KW - lunar tides KW - equatorial electrojet KW - sudden stratospheric warming KW - vertical coupling KW - lunare Gezeiten KW - äquatorialer Elektrojet KW - plötzliche stratosphärische Erwärmungsereignisse KW - vertikale Kuppelung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406384 ER - TY - THES A1 - Herbrich, Marcus T1 - Einfluss der erosionsbedingten Pedogenese auf den Wasserund Stoffhaushalt ackerbaulich genutzter Böden der Grundmoränenbodenlandschaft NO-Deutschlands - hydropedologische Untersuchungen mittels wägbarer Präzisionslysimeter T1 - Effects of erosion-affected soil evolution on water and dissolved carbon fluxes, soil hydraulic properties, and crop development of soils from a hummocky ground moraine landscape - hydropedological analysis using high precision weighing lysimeters N2 - In the arable soil landscape of hummocky ground moraines, an erosion-affected spatial differentiation of soils can be observed. Man-made erosion leads to soil profile modifications along slopes with changed solum thickness and modified properties of soil horizons due to water erosion in combination with tillage operations. Soil erosion creates, thereby, spatial patterns of soil properties (e.g., texture and organic matter content) and differences in crop development. However, little is known about the manner in which water fluxes are affected by soil-crop interactions depending on contrasting properties of differently-developed soil horizons and how water fluxes influence the carbon transport in an eroded landscape. To identify such feedbacks between erosion-induced soil profile modifications and the 1D-water and solute balance, high-precision weighing lysimeters equipped with a wide range of sensor technique were filled with undisturbed soil monoliths that differed in the degree of past soil erosion. Furthermore, lysimeter effluent concentrations were analyzed for dissolved carbon fractions in bi-weekly intervals. The water balance components measured by high precision lysimeters varied from the most eroded to the less eroded monolith up to 83 % (deep drainage) primarily caused due to varying amounts of precipitation and evapotranspiration for a 3-years period. Here, interactions between crop development and contrasting rainfall interception by above ground biomass could explain differences in water balance components. Concentrations of dissolved carbon in soil water samples were relatively constant in time, suggesting carbon leaching was mainly affected by water fluxes in this observation period. For the lysimeter-based water balance analysis, a filtering scheme was developed considering temporal autocorrelation. The minute-based autocorrelation analysis of mass changes from lysimeter time series revealed characteristic autocorrelation lengths ranging from 23 to 76 minutes. Thereby, temporal autocorrelation provided an optimal approximation of precipitation quantities. However, the high temporal resolution in lysimeter time series is restricted by the lengths of autocorrelation. Erosion-induced but also gradual changes in soil properties were reflected by dynamics of soil water retention properties in the lysimeter soils. Short-term and long-term hysteretic water retention data suggested seasonal wettability problems of soils increasingly limited rewetting of previously dried pore regions. Differences in water retention were assigned to soil tillage operations and the erosion history at different slope positions. The threedimensional spatial pattern of soil types that result from erosional soil profile modifications were also reflected in differences of crop root development at different landscape positions. Contrasting root densities revealed positive relations of root and aboveground plant characteristics. Differences in the spatially-distributed root growth between different eroded soil types provided indications that root development was affected by the erosion-induced soil evolution processes. Overall, the current thesis corroborated the hypothesis that erosion-induced soil profile modifications affect the soil water balance, carbon leaching and soil hydraulic properties, but also the crop root system is influenced by erosion-induced spatial patterns of soil properties in the arable hummocky post glacial soil landscape. The results will help to improve model predictions of water and solute movement in arable soils and to understand interactions between soil erosion and carbon pathways regarding sink-or-source terms in landscapes. N2 - Hydropedologische Wechselwirkungen zwischen Wasserflüssen und erosionsbedingten Veränderungen im Profilaufbau ackerbaulich genutzter Böden treten insbesondere in der Jungmoränenlandschaft auf, die sich durch eine überwiegend flachwellige bis kuppige Topographie auszeichnet. Mit der dynamischen Veränderung von Bodenprofilen, wie etwa der veränderten Solumtiefe und Horizontabfolgen, sowie deren Verteilungen in der Landschaft gehen Veränderungen in den bodenhydraulischen Eigenschaften einher. Über deren Auswirkungen auf den Wasser- und Stoffhaushalt ist bislang nur wenig bekannt. Im Rahmen dieser Dissertation wurden kontinuierliche Messungen aus vier Jahren (2011 bis 2014) unter Verwendung von wägbaren Lysimetern in der ackerbaulich genutzten Bodenlandschaft Nordostdeutschlands (Uckermark) erhoben. Dabei sollte die zentrale Frage, inwieweit die erosionsbedingte Pedogenese, in Wechselwirkung mit der pflanzenbaulichen Nutzung, den Wasser- und Kohlenstoffhaushalt beeinflusst, beantwortet werden. Ziel dieser Arbeit war es, 1D-Wasserflüsse und Austräge an gelöstem Kohlenstoff für unterschiedlich erodierte Bodenprofile zu quantifizieren. Damit einhergehend wurden Untersuchungen zu hydraulischen Bodeneigenschaften sowie möglichen Veränderungen im System Boden-Pflanze (Wurzeluntersuchungen) durchgeführt. Um derartige Veränderungen zwischen unterschiedlich erodierten Böden beschreiben zu können, wurden Bodenmonolithe in ungestörter Lagerung entnommen und in Lysimeteranlagen installiert. Zudem erfolgte eine Instrumentierung der einzelnen Lysimeter mit verschiedener Sensorik, u.a. um Wassergehalte und Matrixpotentiale zu messen. Für stoffhaushaltliche Untersuchungen wurden darüber hinaus Konzentrationen der gelösten Kohlenstofffraktion in der Bodenlösung in 14-tägigen Intervallen bestimmt. Der Wasserhaushalt von sechs gering bis stark erodierten Parabraunerden unterschied sich im Hinblick auf die bilanzierten Wasserhaushaltskomponenten deutlich. Anhand dieser Ergebnisse liegt die Vermutung nahe, dass die dynamischen Veränderungen im Gefüge- und Profilaufbau (in Abhängigkeit von der Bodenerosion) einen Effekt auf die Wasserbilanzen aufweisen. Über die mehrjährige Messperiode von 2011 bis 2014 konnte für das mit einer stark erodierten Parabraunerde gefüllte Lysimeter ein circa 83 Prozent höherer Abfluss als für das Lysimeter mit einer wenig erodierten Parabraunerde gemessen werden. Somit variierte der Abfluss am unteren Rand in Abhängigkeit zum Erosionsgrad. Neben dem unterschiedlichen Abflussverhalten variierten die Bodenmonolithe innerhalb der Lysimeter ebenfalls in den Evapotranspirations- und Niederschlagsmengen, hervorgerufenen durch die Differenzierung in den Horizontabfolgen, -mächtigkeiten und deren Einfluss auf die bodenhydraulischen Eigenschaften in Abhängigkeit vom Pflanzenbewuchs. Aufgrund der homogen verteilten Stoffkonzentrationen des gelösten organischen und anorganischen Kohlenstoffs am unteren Rand waren Kohlenstoffausträge maßgeblich von den Wasserflüssen abhängig. Als Grundlage der Lysimeter-basierten Wasserhaushaltsanalyse diente ein im Rahmen dieser Dissertation entwickeltes Auswertungsverfahren von kontinuierlichen Gewichtsänderungen unter Berücksichtigung der zeitlichen Autokorrelation. Um eine mögliche Periodizität in zeitlich hochaufgelösten Änderungen des Lysimeterwaagensystems zu ermitteln, fand eine Autokorrelationsfunktion in der Zeitreihenanalyse von vier saisonalen Messzeiträumen Anwendung. Die Ergebnisse der Arbeit deuten darauf hin, dass hochaufgelöste Lysimeterzeitreihen in einem Bereich von circa 30 min bis circa 60 min zeitlich autokorreliert sind. Die ermittelten Autokorrelationslängen bieten wiederum eine Möglichkeit zur Annäherung von (optimalen) Zeitintervallen für die Niederschlagsberechnung, basierend auf Änderungen in den Wiegedaten. Im Vergleich zu einem Kippwaagenregenmesser nahe der Lysimeterstation überstiegen die ermittelten Niederschlagsmengen der Lysimeter in Bodennähe die der in zwei Metern Höhe erfolgten Messung deutlich. Zur Charakterisierung der zeitlichen (Hysterese), als auch räumlichen (erosionsbedingter Pedogenese) Veränderungen der bodenhydraulischen Eigenschaften der Lysimeterböden wurden kontinuierliche Datenreihen des Wassergehaltes und Matrixpotentials analysiert. Die daraus abgeleiteten Wasserretentionskurven wurden in 3 Messtiefen (10, 30, 50 cm) unter Feldbedingungen ausgewertet und mit Labormessungen von Bodenkernen verglichen. Sowohl zwischen den unterschiedlich erodierten Bodenprofilen als auch zwischen den Feld- und Labormessungen waren Unterschiede in den Wasserretentionseigenschaften ersichtlich. Innerhalb eines Jahres (eingeschränkte Benetzbarkeit) sowie zwischen den Jahren (Veränderung der Porenmatrix) zeigten die Ergebnisse zudem eine zeitliche Veränderung der Wasserretentionseigenschaften. Diese dynamische Variabilität der Wasserretention wiederum unterliegt der räumlichen Heterogenität von Bodeneigenschaften, wie Textur und Lagerungsdichte. Für die Interpretation der unterschiedlichen bodenhydraulischen Eigenschaften sowie im Hinblick auf Veränderungen im Wasserhaushalt von ackerbaulich genutzten Lysimetern spielt das System Boden-Pflanze eine bedeutende Rolle. Diesbezüglich wurden Biomasse- und Wurzeluntersuchungen an unterschiedlich erodierten Böden durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen, dass erosionsbedingte Veränderungen im Profilaufbau beziehungsweise Horizonteigenschaften die Wurzelentwicklung beeinflussen können. Zudem stehen die Durchwurzelungsraten an grundwasserbeeinflussten Senkenstandorten in enger Beziehung zum Grundwasserstand (insbesondere im Frühjahr). Die oberirdisch beobachteten Unterschiede in der Biomasse korrelierten stark mit den ermittelten Wurzeldichten (Winterweizen), dies lässt vermuten, dass eine Abschätzung der Wurzelentwicklung mittels oberirdischer Biomasse möglich ist. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Lysimeterstudie komplexe Wechselwirkungen zwischen dem pedogenetischen Zustand erodierter Böden und dem Wasserhaushalt, den bodenhydraulischen Eigenschaften sowie der Wurzelentwicklung angebauter Kulturen. Zudem leisten die ermittelten unterschiedlichen Austragsraten an gelöstem Kohlenstoff einen Beitrag zur Abschätzung der langfristigen, in die Tiefe fortschreitenden Entkalkung sowie zur Beantwortung der Fragestellung, ob ackerbaulich genutzte Böden eher als Quell- oder als Senkenterm für Kohlendioxid fungieren. KW - Lysimeter KW - Wasserhaushalt KW - Kohlenstoff KW - lysimeter KW - water balance KW - carbon Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-408561 ER - TY - THES A1 - Zhou, Bin T1 - On the assessment of surface urban heat island T1 - Bewertung des urbanen Hitzeinseleffekts BT - size, urban form, and seasonality BT - Stadtgröße, Stadtform, und Seasonalität N2 - Inwiefern Städte unter den Megatrends der Urbanisierung und des Klimawandels nachhaltig gestaltet werden können, bleibt umstritten. Dies ist zum Teil auf unzureichende Kenntnisse der Mensch-Umwelt-Interaktionen zurückzuführen. Als die am vollständigsten dokumentierte anthropogene Klimamodifikation ruft der Urbane Hitzeinsel (UHI) Effekt weltweit Sorgen hinsichtlich der Gesundheit der Bevölkerung hervor. Dazu kommt noch ein immer häufigeres und intensiveres Auftreten von Hitzewellen, wodurch das Wohlbefinden der Stadtbewohner weiter beeinträchtigt wird. Trotz eines deutlichen Anstiegs der Zahl der UHI-bezogenen Veröffentlichungen in den letzten Jahrzehnten haben die unterschiedlichen Definitionen von städtischen und ländlichen Gebieten in bisherigen Studien die allgemeine Vergleichbarkeit der Resultate stark erschwert. Darüber hinaus haben nur wenige Studien den UHI-Effekt und seine Einflussfaktoren anhand einer Kombination der Landnutzungsdaten und der thermischen Fernerkundung systematisch untersucht. Diese Arbeit stellt einen allgemeinen Rahmen zur Quantifizierung von UHI-Intensitäten mittels eines automatisierten Algorithmus vor, wobei Städte als Agglomerationen maximal räumlicher Kontinuität basierend auf Landnutzungsdaten identifiziert, sowie deren ländliche Umfelder analog definiert werden. Durch Verknüpfung der Landnutzungsdaten mit Landoberflächentemperaturen von Satelliten kann die UHI-Intensität robust und konsistent berechnet werden. Anhand dieser Innovation wurde nicht nur der Zusammenhang zwischen Stadtgröße und UHI-Intensität erneut untersucht, sondern auch die Auswirkungen der Stadtform auf die UHI-Intensität quantifiziert. Diese Arbeit leistet vielfältige Beiträge zum tieferen Verständnis des UHI-Phänomens. Erstens wurde eine log-lineare Beziehung zwischen UHI-Intensität und Stadtgröße unter Berücksichtigung der 5,000 europäischen Städte bestätigt. Werden kleinere Städte auch berücksichtigt, ergibt sich eine log-logistische Beziehung. Zweitens besteht ein komplexes Zusammenspiel zwischen der Stadtform und der UHI-Intensität: die Stadtgröße stellt den stärksten Einfluss auf die UHI-Intensität dar, gefolgt von der fraktalen Dimension und der Anisometrie. Allerdings zeigen ihre relativen Beiträge zur UHI-Intensität eine regionale Heterogenität, welche die Bedeutung räumlicher Muster während der Umsetzung von UHI-Anpassungsmaßnahmen hervorhebt. Des Weiteren ergibt sich eine neue Saisonalität der UHI-Intensität für individuelle Städte in Form von Hysteresekurven, die eine Phasenverschiebung zwischen den Zeitreihen der UHI-Intensität und der Hintergrundtemperatur andeutet. Diese Saisonalität wurde anhand von Luft- und Landoberflächentemperaturen untersucht, indem die Satellitenbeobachtung und die Modellierung der urbanen Grenzschicht mittels des UrbClim-Modells kombiniert wurden. Am Beispiel von London ist die Diskrepanz der Saisonalitäten zwischen den beiden Temperaturen vor allem auf die mit der einfallenden Sonnenstrahlung verbundene Besonderheit der Landoberflächentemperatur zurückzuführen. Darüber hinaus spielt das regionale Klima eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der UHI. Diese Arbeit ist eine der ersten Studien dieser Art, die eine systematische und statistische Untersuchung des UHI-Effektes ermöglicht. Die Ergebnisse sind von besonderer Bedeutung für die allgemeine räumliche Planung und Regulierung auf Meso- und Makroebenen, damit sich Vorteile der rapiden Urbanisierung nutzbar machen und zeitgleich die folgende Hitzebelastung proaktiv vermindern lassen. N2 - To what extent cities can be made sustainable under the mega-trends of urbanization and climate change remains a matter of unresolved scientific debate. Our inability in answering this question lies partly in the deficient knowledge regarding pivotal humanenvironment interactions. Regarded as the most well documented anthropogenic climate modification, the urban heat island (UHI) effect – the warmth of urban areas relative to the rural hinterland – has raised great public health concerns globally. Worse still, heat waves are being observed and are projected to increase in both frequency and intensity, which further impairs the well-being of urban dwellers. Albeit with a substantial increase in the number of publications on UHI in the recent decades, the diverse urban-rural definitions applied in previous studies have remarkably hampered the general comparability of results achieved. In addition, few studies have attempted to synergize the land use data and thermal remote sensing to systematically assess UHI and its contributing factors. Given these research gaps, this work presents a general framework to systematically quantify the UHI effect based on an automated algorithm, whereby cities are defined as clusters of maximum spatial continuity on the basis of land use data, with their rural hinterland being defined analogously. By combining land use data with spatially explicit surface skin temperatures from satellites, the surface UHI intensity can be calculated in a consistent and robust manner. This facilitates monitoring, benchmarking, and categorizing UHI intensities for cities across scales. In light of this innovation, the relationship between city size and UHI intensity has been investigated, as well as the contributions of urban form indicators to the UHI intensity. This work delivers manifold contributions to the understanding of the UHI, which have complemented and advanced a number of previous studies. Firstly, a log-linear relationship between surface UHI intensity and city size has been confirmed among the 5,000 European cities. The relationship can be extended to a log-logistic one, when taking a wider range of small-sized cities into account. Secondly, this work reveals a complex interplay between UHI intensity and urban form. City size is found to have the strongest influence on the UHI intensity, followed by the fractality and the anisometry. However, their relative contributions to the surface UHI intensity depict a pronounced regional heterogeneity, indicating the importance of considering spatial patterns of UHI while implementing UHI adaptation measures. Lastly, this work presents a novel seasonality of the UHI intensity for individual clusters in the form of hysteresis-like curves, implying a phase shift between the time series of UHI intensity and background temperatures. Combining satellite observation and urban boundary layer simulation, the seasonal variations of UHI are assessed from both screen and skin levels. Taking London as an example, this work ascribes the discrepancies between the seasonality observed at different levels mainly to the peculiarities of surface skin temperatures associated with the incoming solar radiation. In addition, the efforts in classifying cities according to their UHI characteristics highlight the important role of regional climates in determining the UHI. This work serves as one of the first studies conducted to systematically and statistically scrutinize the UHI. The outcomes of this work are of particular relevance for the overall spatial planning and regulation at meso- and macro levels in order to harness the benefits of rapid urbanization, while proactively minimizing its ensuing thermal stress. KW - urban heat island effect KW - surface urban heat island effect KW - UHI KW - urban form KW - der Urbane Hitzeinsel Effekt KW - der Städtische Wärmeinseleffekt KW - der Urbane Hitzeinsel Effekt basierend auf Landoberflächentemperatur KW - UHI KW - die Stadtform Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404383 ER - TY - THES A1 - Kellermann, Patric T1 - Assessing natural risks for railway infrastructure and transportation in Austria T1 - Bewertung von Naturrisiken für Eisenbahninfrastruktur und -betrieb in Österreich N2 - Natural hazards can have serious societal and economic impacts. Worldwide, around one third of economic losses due to natural hazards are attributable to floods. The majority of natural hazards are triggered by weather-related extremes such as heavy precipitation, rapid snow melt, or extreme temperatures. Some of them, and in particular floods, are expected to further increase in terms of frequency and/or intensity in the coming decades due to the impacts of climate change. In this context, the European Alps areas are constantly disclosed as being particularly sensitive. In order to enhance the resilience of societies to natural hazards, risk assessments are substantial as they can deliver comprehensive risk information to be used as a basis for effective and sustainable decision-making in natural hazards management. So far, current assessment approaches mostly focus on single societal or economic sectors – e.g. flood damage models largely concentrate on private-sector housing – and other important sectors, such as the transport infrastructure sector, are widely neglected. However, transport infrastructure considerably contributes to economic and societal welfare, e.g. by ensuring mobility of people and goods. In Austria, for example, the national railway network is essential for the European transit of passengers and freights as well as for the development of the complex Alpine topography. Moreover, a number of recent experiences show that railway infrastructure and transportation is highly vulnerable to natural hazards. As a consequence, the Austrian Federal Railways had to cope with economic losses on the scale of several million euros as a result of flooding and other alpine hazards. The motivation of this thesis is to contribute to filling the gap of knowledge about damage to railway infrastructure caused by natural hazards by providing new risk information for actors and stakeholders involved in the risk management of railway transportation. Hence, in order to support the decision-making towards a more effective and sustainable risk management, the following two shortcomings in natural risks research are approached: i) the lack of dedicated models to estimate flood damage to railway infrastructure, and ii) the scarcity of insights into possible climate change impacts on the frequency of extreme weather events with focus on future implications for railway transportation in Austria. With regard to flood impacts to railway infrastructure, the empirically derived damage model Railway Infrastructure Loss (RAIL) proved expedient to reliably estimate both structural flood damage at exposed track sections of the Northern Railway and resulting repair cost. The results show that the RAIL model is capable of identifying flood risk hot spots along the railway network and, thus, facilitates the targeted planning and implementation of (technical) risk reduction measures. However, the findings of this study also show that the development and validation of flood damage models for railway infrastructure is generally constrained by the continuing lack of detailed event and damage data. In order to provide flood risk information on the large scale to support strategic flood risk management, the RAIL model was applied for the Austrian Mur River catchment using three different hydraulic scenarios as input as well as considering an increased risk aversion of the railway operator. Results indicate that the model is able to deliver comprehensive risk information also on the catchment level. It is furthermore demonstrated that the aspect of risk aversion can have marked influence on flood damage estimates for the study area and, hence, should be considered with regard to the development of risk management strategies. Looking at the results of the investigation on future frequencies of extreme weather events jeopardizing railway infrastructure and transportation in Austria, it appears that an increase in intense rainfall events and heat waves has to be expected, whereas heavy snowfall and cold days are likely to decrease. Furthermore, results indicate that frequencies of extremes are rather sensitive to changes of the underlying thresholds. It thus emphasizes the importance to carefully define, validate, and — if needed — to adapt the thresholds that are used to detect and forecast meteorological extremes. For this, continuous and standardized documentation of damaging events and near-misses is a prerequisite. Overall, the findings of the research presented in this thesis agree on the necessity to improve event and damage documentation procedures in order to enable the acquisition of comprehensive and reliable risk information via risk assessments and, thus, support strategic natural hazards management of railway infrastructure and transportation. N2 - Naturgefahren haben zum Teil gravierende Auswirkungen auf die Gesellschaft und die Wirtschaft der betroffenen Region. Weltweit sind etwa ein Drittel der finanziellen Verluste durch Naturereignisse auf Hochwasser zurückzuführen. Die Schäden an Eisenbahninfrastruktur haben dabei oft großen Anteil am Gesamtschaden. Hochwasser und andere Naturgefahren werden häufig durch Extremwetterereignisse, wie etwa Starkniederschläge oder Extremtemperaturen, ausgelöst. Im Zuge des Klimawandels rechnet man für die kommenden Jahrzehnte mit einer Zunahme in der Anzahl bzw. der Schwere einiger Naturereignisse. Mit dem Ziel, die gesellschaftliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Naturereignissen zu erhöhen, setzt man zur Gewinnung von Risikoinformationen auf sogenannte Naturrisikoanalysen. Die gegenwärtige Praxis konzentriert sich dabei meist auf die Analyse für einzelne Wirtschaftssektoren, wie etwa den Immobiliensektor. Der Transportsektor und insbesondere die Eisenbahninfrastruktur werden trotz der tragenden Rollen für die Wirtschaftskraft einer Gesellschaft jedoch weitgehend vernachlässigt. Zahlreiche Naturereignisse der letzten Jahrzehnte zeigten allerdings, dass Eisenbahninfrastruktur generell sehr schadensanfällig gegenüber Naturgefahren ist. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, das Management von Naturgefahren für den Schienensektor in Österreich durch die Bereitstellung von neuen Risikoinformationen zu unterstützen. Hierzu wurde zum einen ein neuartiges Schadenmodell zur Schätzung von Hochwasserschäden an Eisenbahninfrastruktur entwickelt. Zum anderen wurde unter Verwendung von regionalen Klimamodellen die klimawandelbedingte Änderung der Häufigkeiten von Extremwetter¬ereignissen in Österreich untersucht und mögliche Auswirkungen auf den Eisenbahnbetrieb abgeleitet. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass das entwickelte Hochwasserschadenmodell „RAIL“ in der Lage ist, potenzielle Schadenschwerpunkte entlang von Bahnlinien für großräumige Eisenbahnnetze zu identifizieren und damit einen wertvollen Beitrag für die gezielte Planung und Errichtung von technischen Hochwasserschutzmaßnahmen leisten kann. Ferner liefert die Untersuchung der Häufigkeitsentwicklung von Extremwetterereignissen bis zum Jahr 2040 wichtige Einblicke in die zukünftigen Herausforderungen für den Bahnbetrieb im Kontext des Klimawandels. Um aus zukünftigen Naturereignissen lernen zu können und somit ein tieferes Verständnis von Naturgefahrenprozessen und deren Auswirkungen auf Eisenbahninfrastruktur und –betrieb zu erlangen, wird die (Weiter-)Entwicklung und Anwendung von standardisierten Ereignis- und Schadendokumentationsverfahren empfohlen. KW - natural risks KW - damage modeling KW - railway infrastructure KW - Naturrisiken KW - Schadensmodellierung KW - Eisenbahninfrastruktur Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103877 ER - TY - THES A1 - Gudipudi, Venkata Ramana T1 - Cities and global sustainability T1 - Städte und globale Nachhaltigkeit BT - insights from emission and ecological efficiency BT - Einblicke von Emission und ökologischer Effizienz N2 - In the wake of 21st century, humanity witnessed a phenomenal raise of urban agglomerations as powerhouses for innovation and socioeconomic growth. Driving much of national (and in few instances even global) economy, such a gargantuan raise of cities is also accompanied by subsequent increase in energy, resource consumption and waste generation. Much of anthropogenic transformation of Earth's environment in terms of environmental pollution at local level to planetary scale in the form of climate change is currently taking place in cities. Projected to be crucibles for entire humanity by the end of this century, the ultimate fate of humanity predominantly lies in the hands of technological innovation, urbanites' attitudes towards energy/resource consumption and development pathways undertaken by current and future cities. Considering the unparalleled energy, resource consumption and emissions currently attributed to global cities, this thesis addresses these issues from an efficiency point of view. More specifically, this thesis addresses the influence of population size, density, economic geography and technology in improving urban greenhouse gas (GHG) emission efficiency and identifies the factors leading to improved eco-efficiency in cities. In order to investigate the in uence of these factors in improving emission and resource efficiency in cities, a multitude of freely available datasets were coupled with some novel methodologies and analytical approaches in this thesis. Merging the well-established Kaya Identity to the recently developed urban scaling laws, an Urban Kaya Relation is developed to identify whether large cities are more emission efficient and the intrinsic factors leading to such (in)efficiency. Applying Urban Kaya Relation to a global dataset of 61 cities in 12 countries, this thesis identifed that large cities in developed regions of the world will bring emission efficiency gains because of the better technologies implemented in these cities to produce and utilize energy consumption while the opposite is the case for cities in developing regions. Large cities in developing countries are less efficient mainly because of their affluence and lack of efficient technologies. Apart from the in uence of population size on emission efficiency, this thesis identified the crucial role played by population density in improving building and on-road transport sector related emission efficiency in cities. This is achieved by applying the City Clustering Algorithm (CCA) on two different gridded land use datasets and a standard emission inventory to attribute these sectoral emissions to all inhabited settlements in the USA. Results show that doubling the population density would entail a reduction in the total CO2 emissions in buildings and on-road sectors typically by at least 42 %. Irrespective of their population size and density, cities are often blamed for their intensive resource consumption that threatens not only local but also global sustainability. This thesis merged the concept of urban metabolism with benchmarking and identified cities which are eco-efficient. These cities enable better socioeconomic conditions while being less burden to the environment. Three environmental burden indicators (annual average NO2 concentration, per capita waste generation and water consumption) and two socioeconomic indicators (GDP per capita and employment ratio) for 88 most populous European cities are considered in this study. Using two different non-parametric ranking methods namely regression residual ranking and Data Envelopment Analysis (DEA), eco-efficient cities and their determining factors are identified. This in-depth analysis revealed that mature cities with well-established economic structures such as Munich, Stockholm and Oslo are eco-efficient. Further, correlations between objective eco-efficiency ranking with each of the indicator rankings and the ranking of urbanites' subjective perception about quality of life are analyzed. This analysis revealed that urbanites' perception about quality of life is not merely confined to the socioeconomic well-being but rather to their combination with lower environmental burden. In summary, the findings of this dissertation has three general conclusions for improving emission and ecological efficiency in cities. Firstly, large cities in emerging nations face a huge challenge with respect to improving their emission efficiency. The task in front of these cities is threefold: (1) deploying efficient technologies for the generation of electricity and improvement of public transportation to unlock their leap frogging potential, (2) addressing the issue of energy poverty and (3) ensuring that these cities do not develop similar energy consumption patterns with infrastructure lock-in behavior similar to those of cities in developed regions. Secondly, the on-going urban sprawl as a global phenomenon will decrease the emission efficiency within the building and transportation sector. Therefore, local policy makers should identify adequate fiscal and land use policies to curb urban sprawl. Lastly, since mature cities with well-established economic structures are more eco-efficient and urbanites' perception re ects its combination with decreasing environmental burden; there is a need to adopt and implement strategies which enable socioeconomic growth in cities whilst decreasing their environment burden. N2 - Im Laufe des 21. Jahrhunderts verzeichnete die Menschheit eine gewaltige Zunahme urbaner Agglomerationen als Motor für Innovation und soziökonomisches Wachstum. Angetrieben durch die nationale (und in wenigen Fällen auch globale) Wirtschaft, dieser gigantische Aufstieg der Städte ist allerdings auch mit einer Zunahme von Energie- und Ressourcenverbrauch sowie erhöhter Abfallerzeugung verbunden. Ein Großteil der anthropogenen Transformation der Umwelt in Form von Klimaveränderungen von der lokalen Ebene bis in die planetarische Dimension findet derzeit in Städten statt. Angenommen dass bis zum Ende des Jahrhunderts die gesamte Menschheit in einer Art Schmelztiegel miteinander verbunden sein wird, dann hängt ihr Schicksal von der Umsetzung innovativer und überlegender Entwicklungspfade heutiger und zukünftiger Städte ab. Angesichts des unvergleichlichen Energie- und Ressourcenverbrauchs sowie der Emissionen, die derzeit in Städten verursacht werden, befasst sich diese Arbeit mit genau diesen Fragen aus der Perspektive der Effizienz. Genauer gesagt, diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der städtischen Größe, Dichte, Wirtschaftsgeographie und Technologie zur Verbesserung der Emissionseffizienz der städtischen Treibhausgase, mit dem Ziel die Faktoren, die zu einer Verbesserung der ökoeffizienz in Städten führt, zu identifizieren. Um den Einfluss dieser Faktoren auf die Verbesserung der Emissions- und Ressourceneffizienz in Städten zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit eine Vielzahl von frei verfügbaren Datensätzen mit neuartigen Methoden und analytischen Ansätzen gekoppelt. Durch die Verschmelzung der bereits etablierten Kaya-Identität‘ mit den kürzlich entwickelten urbanen Skalierungsgesetzen wird eine ’urbane Kaya-Relation’ entwickelt, um herauszufinden, ob Großstädte emissionsärmer also effizienter sind und welche Faktoren zu dieser (In-)Effizienz führen. Dafür wurde die ’urbanen Kaya-Relation’ auf einen globalen Datensatz für 61 Städte in 12 Ländern angewendet. Die vorliegende Arbeit kommt zu dem Ergebnis, dass den Großstädten in den entwickelten Regionen der Welt Effizienzgewinne aufgrund des Einsatzes besserer Technologien für die Produktion und Nutzung von Energie gelingt, während für die Städte in Entwicklungsländern das Gegenteil gilt. Großstädte in Entwicklungsländern sind weniger effizient, vor allem wegen ihres Wohlstands und des Mangels an effizienten Technologien. Abgesehen vom Einfluss der Bevölkerungsgröße auf die Emissionseffizienz, zeigt diese Arbeit auch die entscheidende Rolle der Bevölkerungsdichte bei der Effizienzsteigerung im Bau- und Transportsektor. Dies wird durch die Anwendung des City Clustering Algorithmus (CCA) auf zwei verschiedene raster-basierte Landnutzungsdatensätze und ein Standard-Emissionskataster erreicht, um die sektoralen Emissionen allen bewohnten Siedlungen in den USA zuzuordnen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Verdoppelung der Bevölkerungsdichte eine Verringerung der CO2-Gesamtemissionen in Gebäuden und Straßenverkehrssektoren um typischerweise mindestens 42% bedeuten würde. Unabhängig von der Bevölkerungsgröße und -dichte werden Städte häufig für ihren intensiven Ressourcenverbrauch verantwortlich gemacht, der nicht nur die lokale, sondern auch die globale Nachhaltigkeit bedroht. Diese Arbeit verbindet das Konzept des urbanen Metabolismus mit Benchmarking und identifiziert Städten, die ökoeffizient sind. Diese Städte bieten bessere sozioökonomische Bedingungen und belasten die Umwelt weniger. In dieser Studie werden drei Indikatoren für die Umweltbelastung (jährliche durchschnittliche NO2-Konzentration, Abfallaufkommen pro Kopf und Wasserverbrauch) und zwei sozioökonomische Indikatoren (BIP pro Kopf und Beschäftigungsquote) für die 88 bevölkerungsreichsten europäischen Städte berücksichtigt. Mithilfe von zwei verschiedenen Rankingmethoden, einerseits dem regression residual ranking‘ und der Data Envelopment Analysis‘ (DEA), werden ökoeffiziente Städte und ihre Bestimmungsfaktoren identifiziert. Die gründliche Analyse ergab, dass die gewachsenen Städte mit etablierten städtischen Wirtschaften wie München, Stockholm und Oslo ökoeffizient sind. Weiterhin wurden Zusammenhänge zwischen objektiven ökoeffizienz Einstufungen (ranking) mit den Einstufungen hinsichtlich einzelner Indikatoren sowie der subjektiven Wahrnehmung der Stadtbewohner über ihre Lebensqualität analysiert. Diese Analyse ergab, dass sich die Wahrnehmung der Lebensqualität von Stadtbewohnern nicht nur auf das sozioökonomische Wohlergehen beschränkt, sondern auch auf die Kombination mit einer geringeren Umweltbelastung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Dissertation drei generelle Schlussfolgerungen zur Verbesserung der Emissions- und ökoeffizienz in Städten enthalten. Erstens stehen Großstädte in Schwellenländern wie China, Indien und Brasilien vor einer großen Herausforderung, ihre Emissionseffizienz zu verbessern. Vor diesen Städten stehen drei Aufgaben: (1) Einsatz effizienter Technologien zur Stromerzeugung und Verbesserung des öffentlichen Verkehrs, (2) Bekämpfung der Energiearmut und (3) Sicherstellung, dass diese Städte keine Energiekonsummuster entwickeln, die dem infrastrukturellen Lock-in-Verhalten‘ der Städte in entwickelten Regionen ähneln. Zweitens wird die fortschreitende Zersiedelung der Städte als globales Phänomen die Emissionseffizienz im Bau- und Verkehrssektor verringern. Daher sollten die lokalen politischen Entscheidungsträger angemessene fiskal- und landnutzungspolitische Maßnahmen zur Eindämmung der Zersiedelung der Städte festlegen. Schließlich müssen Strategien verabschiedet und umgesetzt werden, die das sozioökonomische Wachstum in den Städten ermöglicht und gleichzeitig die Umweltbelastung verringert, wie es in den gewachsenen Städten bereits heute vorzufinden ist. KW - cities KW - climate change KW - urban efficiency KW - sustainable urban development KW - Städe KW - Klimawandel KW - Städte Effizienz KW - nachaltige Städteentwicklung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407113 ER - TY - THES A1 - Murawski, Aline T1 - Trends in precipitation over Germany and the Rhine basin related to changes in weather patterns T1 - Zeitliche Veränderungen im Niederschlag über Deutschland und dem Rheineinzugsgebiet in Zusammenhang mit Wetterlagen N2 - Niederschlag als eine der wichtigsten meteorologischen Größen für Landwirtschaft, Wasserversorgung und menschliches Wohlbefinden hat schon immer erhöhte Aufmerksamkeit erfahren. Niederschlagsmangel kann verheerende Auswirkungen haben, wie z.B. Missernten und Wasserknappheit. Übermäßige Niederschläge andererseits bergen jedoch ebenfalls Gefahren in Form von Hochwasser oder Sturzfluten und wiederum Missernten. Daher wurde viel Arbeit in die Detektion von Niederschlagsänderungen und deren zugrundeliegende Prozesse gesteckt. Insbesondere angesichts von Klimawandel und unter Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und atmosphärischer Wasserhaltekapazität, ist großer Bedarf an Forschung zum Verständnis der Auswirkungen von Klimawandel auf Niederschlagsänderungen gegeben. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, vergangene Veränderungen in Niederschlag und anderen meteorologischen Variablen zu verstehen. Für verschiedene Zeiträume wurden Tendenzen gefunden und mit entsprechenden Veränderungen in der großskaligen atmosphärischen Zirkulation in Zusammenhang gebracht. Die Ergebnisse dieser Arbeit können als Grundlage für die Attributierung von Hochwasserveränderungen zu Klimawandel genutzt werden. Die Annahmen für die Maßstabsverkleinerung („Downscaling“) der Daten von großskaligen Zirkulationsmodellen auf die lokale Skala wurden hier getestet und verifziert. In einem ersten Schritt wurden Niederschlagsveränderungen in Deutschland analysiert. Dabei lag der Fokus nicht nur auf Niederschlagssummen, sondern auch auf Eigenschaften der statistischen Verteilung, Übergangswahrscheinlichkeiten als Maß für Trocken- und Niederschlagsperioden und Extremniederschlagsereignissen. Den räumlichen Fokus auf das Rheineinzugsgebiet, das größte Flusseinzugsgebiet Deutschlands und einer der Hauptwasserwege Europas, verlagernd, wurden nachgewiesene Veränderungen in Niederschlag und anderen meteorologischen Größen in Bezug zu einer „optimierten“ Wetterlagenklassifikation analysiert. Die Wetterlagenklassifikation wurde unter der Maßgabe entwickelt, die Varianz des lokalen Klimas bestmöglich zu erklären. Die letzte hier behandelte Frage dreht sich darum, ob die beobachteten Veränderungen im lokalen Klima eher Häufigkeitsänderungen der Wetterlagen zuzuordnen sind oder einer Veränderung der Wetterlagen selbst. Eine gebräuchliche Annahme für einen Downscaling-Ansatz mit Hilfe von Wetterlagen und einem stochastischen Wettergenerator ist, dass Klimawandel sich allein durch eine Veränderung der Häufigkeit von Wetterlagen ausdrückt, die Eigenschaften der Wetterlagen dabei jedoch konstant bleiben. Diese Annahme wurde überprüft und die Fähigkeit der neuesten Generation von Zirkulationsmodellen, diese Wetterlagen zu reproduzieren, getestet. Niederschlagsveränderungen in Deutschland im Zeitraum 1951–2006 lassen sich zusammenfassen als negativ im Sommer und positiv in allen anderen Jahreszeiten. Verschiedene Niederschlagscharakteristika bestätigen die Tendenz in den Niederschlagssummen: während mittlere und extreme Niederschlagstageswerte im Winter zugenommen haben, sind auch zusammenhängende Niederschlagsperioden länger geworden (ausgedrückt als eine gestiegene Wahrscheinlichkeit für einen Tag mit Niederschlag gefolgt von einem weiteren nassen Tag). Im Sommer wurde das Gegenteil beobachtet: gesunkene Niederschlagssummen, untermauert von verringerten Mittel- und Extremwerten und längeren Trockenperioden. Abseits dieser allgemeinen Zusammenfassung für das gesamte Gebiet Deutschlands, ist die räumliche Verteilung von Niederschlagsveränderungen deutlich heterogener. Vermehrter Niederschlag im Winter wurde hauptsächlich im Nordwesten und Südosten Deutschlands beobachtet, während im Frühling die stärksten Veränderungen im Westen und im Herbst im Süden aufgetreten sind. Das saisonale Bild wiederum löst sich für die zugehörigen Monate auf, z.B. setzt sich der Anstieg im Herbstniederschlag aus deutlich vermehrtem Niederschlag im Südwesten im Oktober und im Südosten im November zusammen. Diese Ergebnisse betonen die starken räumlichen Zusammenhänge der Niederschlagsänderungen. Der nächste Schritt hinsichtlich einer Zuordnung von Niederschlagsveränderungen zu Änderungen in großskaligen Zirkulationsmustern, war die Ableitung einer Wetterlagenklassifikation, die die betrachteten lokalen Klimavariablen hinreichend stratifizieren kann. Fokussierend auf Temperatur, Globalstrahlung und Luftfeuchte zusätzlich zu Niederschlag, wurde eine Klassifikation basierend auf Luftdruck, Temperatur und spezifischer Luftfeuchtigkeit als am besten geeignet erachtet, die Varianz der lokalen Variablen zu erklären. Eine vergleichsweise hohe Anzahl von 40 Wetterlagen wurde ausgewählt, die es erlaubt, typische Druckmuster durch die zusätzlich verwendete Temperaturinformation einzelnen Jahreszeiten zuzuordnen. Während die Fähigkeit, Varianz im Niederschlag zu erklären, relativ gering ist, ist diese deutlich besser für Globalstrahlung und natürlich Temperatur. Die meisten der aktuellen Zirkulationsmodelle des CMIP5-Ensembles sind in der Lage, die Wetterlagen hinsichtlich Häufigkeit, Saisonalität und Persistenz hinreichend gut zu reproduzieren. Schließlich wurden dieWetterlagen bezüglich Veränderungen in ihrer Häufigkeit, Saisonalität und Persistenz, sowie der Wetterlagen-spezifischen Niederschläge und Temperatur, untersucht. Um Unsicherheiten durch die Wahl eines bestimmten Analysezeitraums auszuschließen, wurden alle möglichen Zeiträume mit mindestens 31 Jahren im Zeitraum 1901–2010 untersucht. Dadurch konnte die Annahme eines konstanten Zusammenhangs zwischen Wetterlagen und lokalem Wetter gründlich überprüft werden. Es wurde herausgefunden, dass diese Annahme nur zum Teil haltbar ist. Während Veränderungen in der Temperatur hauptsächlich auf Veränderungen in der Wetterlagenhäufigkeit zurückzuführen sind, wurde für Niederschlag ein erheblicher Teil von Veränderungen innerhalb einzelner Wetterlagen gefunden. Das Ausmaß und sogar das Vorzeichen der Veränderungen hängt hochgradig vom untersuchten Zeitraum ab. Die Häufigkeit einiger Wetterlagen steht in direkter Beziehung zur langfristigen Variabilität großskaliger Zirkulationsmuster. Niederschlagsveränderungen variieren nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich – Aussagen über Tendenzen sind nur in Bezug zum jeweils untersuchten Zeitraum gültig. Während ein Teil der Veränderungen auf Änderungen der großskaligen Zirkulation zurückzuführen ist, gibt es auch deutliche Veränderungen innerhalb einzelner Wetterlagen. Die Ergebnisse betonen die Notwendigkeit für einen sorgfältigen Nachweis von Veränderungen möglichst verschiedene Zeiträume zu untersuchen und mahnen zur Vorsicht bei der Anwendung von Downscaling-Ansätzen mit Hilfe von Wetterlagen, da diese die Auswirkungen von Klimaveränderungen durch das Vernachlässigen von Wetterlagen-internen Veränderungen falsch einschätzen könnten. N2 - Precipitation as the central meteorological feature for agriculture, water security, and human well-being amongst others, has gained special attention ever since. Lack of precipitation may have devastating effects such as crop failure and water scarcity. Abundance of precipitation, on the other hand, may as well result in hazardous events such as flooding and again crop failure. Thus, great effort has been spent on tracking changes in precipitation and relating them to underlying processes. Particularly in the face of global warming and given the link between temperature and atmospheric water holding capacity, research is needed to understand the effect of climate change on precipitation. The present work aims at understanding past changes in precipitation and other meteorological variables. Trends were detected for various time periods and related to associated changes in large-scale atmospheric circulation. The results derived in this thesis may be used as the foundation for attributing changes in floods to climate change. Assumptions needed for the downscaling of large-scale circulation model output to local climate stations are tested and verified here. In a first step, changes in precipitation over Germany were detected, focussing not only on precipitation totals, but also on properties of the statistical distribution, transition probabilities as a measure for wet/dry spells, and extreme precipitation events. Shifting the spatial focus to the Rhine catchment as one of the major water lifelines of Europe and the largest river basin in Germany, detected trends in precipitation and other meteorological variables were analysed in relation to states of an ``optimal'' weather pattern classification. The weather pattern classification was developed seeking the best skill in explaining the variance of local climate variables. The last question addressed whether observed changes in local climate variables are attributable to changes in the frequency of weather patterns or rather to changes within the patterns itself. A common assumption for a downscaling approach using weather patterns and a stochastic weather generator is that climate change is expressed only as a changed occurrence of patterns with the pattern properties remaining constant. This assumption was validated and the ability of the latest generation of general circulation models to reproduce the weather patterns was evaluated. % Paper 1 Precipitation changes in Germany in the period 1951-2006 can be summarised briefly as negative in summer and positive in all other seasons. Different precipitation characteristics confirm the trends in total precipitation: while winter mean and extreme precipitation have increased, wet spells tend to be longer as well (expressed as increased probability for a wet day followed by another wet day). For summer the opposite was observed: reduced total precipitation, supported by decreasing mean and extreme precipitation and reflected in an increasing length of dry spells. Apart from this general summary for the whole of Germany, the spatial distribution within the country is much more differentiated. Increases in winter precipitation are most pronounced in the north-west and south-east of Germany, while precipitation increases are highest in the west for spring and in the south for autumn. Decreasing summer precipitation was observed in most regions of Germany, with particular focus on the south and west. The seasonal picture, however, was again differently represented in the contributing months, e.g.\ increasing autumn precipitation in the south of Germany is formed by strong trends in the south-west in October and in the south-east in November. These results emphasise the high spatial and temporal organisation of precipitation changes. % Paper 2 The next step towards attributing precipitation trends to changes in large-scale atmospheric patterns was the derivation of a weather pattern classification that sufficiently stratifies the local climate variables under investigation. Focussing on temperature, radiation, and humidity in addition to precipitation, a classification based on mean sea level pressure, near-surface temperature, and specific humidity was found to have the best skill in explaining the variance of the local variables. A rather high number of 40 patterns was selected, allowing typical pressure patterns being assigned to specific seasons by the associated temperature patterns. While the skill in explaining precipitation variance is rather low, better skill was achieved for radiation and, of course, temperature. Most of the recent GCMs from the CMIP5 ensemble were found to reproduce these weather patterns sufficiently well in terms of frequency, seasonality, and persistence. % Paper 3 Finally, the weather patterns were analysed for trends in pattern frequency, seasonality, persistence, and trends in pattern-specific precipitation and temperature. To overcome uncertainties in trend detection resulting from the selected time period, all possible periods in 1901-2010 with a minimum length of 31 years were considered. Thus, the assumption of a constant link between patterns and local weather was tested rigorously. This assumption was found to hold true only partly. While changes in temperature are mainly attributable to changes in pattern frequency, for precipitation a substantial amount of change was detected within individual patterns. Magnitude and even sign of trends depend highly on the selected time period. The frequency of certain patterns is related to the long-term variability of large-scale circulation modes. Changes in precipitation were found to be heterogeneous not only in space, but also in time - statements on trends are only valid for the specific time period under investigation. While some part of the trends can be attributed to changes in the large-scale circulation, distinct changes were found within single weather patterns as well. The results emphasise the need to analyse multiple periods for thorough trend detection wherever possible and add some note of caution to the application of downscaling approaches based on weather patterns, as they might misinterpret the effect of climate change due to neglecting within-type trends. KW - precipitation KW - weather pattern KW - trend analyses KW - Niederschlag KW - Wetterlagen KW - Trendanalysen Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-412725 ER - TY - THES A1 - Golly, Antonius T1 - Formation and evolution of channel steps and their role for sediment dynamics in a steep mountain stream T1 - Formation und Evolution von Bachstufen und ihr Einfluss auf die Sedimentdynamik eines steilen Gebirgseinzugsgebietes N2 - Steep mountain channels are an important component of the fluvial system. On geological timescales, they shape mountain belts and counteract tectonic uplift by erosion. Their channels are strongly coupled to hillslopes and they are often the main source of sediment transported downstream to low-gradient rivers and to alluvial fans, where commonly settlements in mountainous areas are located. Hence, mountain streams are the cause for one of the main natural hazards in these regions. Due to climate change and a pronounced populating of mountainous regions the attention given to this threat is even growing. Although quantitative studies on sediment transport have significantly advanced our knowledge on measuring and calibration techniques we still lack studies of the processes within mountain catchments. Studies examining the mechanisms of energy and mass exchange on small temporal and spatial scales in steep streams remain sparse in comparison to low-gradient alluvial channels. In the beginning of this doctoral project, a vast amount of experience and knowledge of a steep stream in the Swiss Prealps had to be consolidated in order to shape the principal aim of this research effort. It became obvious, that observations from within the catchment are underrepresented in comparison to experiments performed at the catchment’s outlet measuring fluxes and the effects of the transported material. To counteract this imbalance, an examination of mass fluxes within the catchment on the process scale was intended. Hence, this thesis is heavily based on direct field observations, which are generally rare in these environments in quantity and quality. The first objective was to investigate the coupling of the channel with surrounding hillslopes, the major sources of sediment. This research, which involved the monitoring of the channel and adjacent hillslopes, revealed that alluvial channel steps play a key role in coupling of channel and hillslopes. The observations showed that hillslope stability is strongly associated with the step presence and an understanding of step morphology and stability is therefore crucial in understanding sediment mobilization. This finding refined the way we think about the sediment dynamics in steep channels and motivated continued research of the step dynamics. However, soon it became obvious that the technological basis for developing field tests and analyzing the high resolution geometry measured in the field was not available. Moreover, for many geometrical quantities in mountain channels definitions and a clear scientific standard was not available. For example, these streams are characterized by a high spatial variability of the channel banks, preventing straightforward calculations of the channel width without a defined reference. Thus, the second and inevitable part of this thesis became the development and evaluation of scientific tools in order to investigate the geometrical content of the study reach thoroughly. The developed framework allowed the derivation of various metrics of step and channel geometry which facilitated research on the a large data set of observations of channel steps. In the third part, innovative, physically-based metrics have been developed and compared to current knowledge on step formation, suggested in the literature. With this analyses it could be demonstrated that the formation of channel steps follow a wide range of hydraulic controls. Due to the wide range of tested parameters channel steps observed in a natural stream were attributed to different mechanisms of step formation, including those based on jamming and those based on key-stones. This study extended our knowledge on step formation in a steep stream and harmonized different, often time seen as competing, processes of step formation. This study was based on observations collected at one point in time. In the fourth part of this project, the findings of the snap-shot observations were extended in the temporal dimension and the derived concepts have been utilized to investigate reach-scale step patterns in response to large, exceptional flood events. The preliminary results of this work based on the long-term analyses of 7 years of long profile surveys showed that the previously observed channel-hillslope mechanism is the responsible for the short-term response of step formation. The findings of the long-term analyses of step patterns drew a bow to the initial observations of a channel-hillslope system which allowed to join the dots in the dynamics of steep stream. Thus, in this thesis a broad approach has been chosen to gain insights into the complex system of steep mountain rivers. The effort includes in situ field observations (article I), the development of quantitative scientific tools (article II), the reach-scale analyses of step-pool morphology (article III) and its temporal evolution (article IV). With this work our view on the processes within the catchment has been advanced towards a better mechanistic understanding of these fluvial system relevant to improve applied scientific work. N2 - Gebirgsbäche sind stark gekoppelt mit angrenzenden Hängen, welche eine Hauptquelle von Sediment darstellen. Dieses Sediment wird durch erosive Prozesse weiter im fluvialen System stromabwärts transportiert, häufig auch in Bereiche alpiner Besiedlung. Das transportierte Sediment kann dort verheerende Schäden an Gebäuden und Infrastruktur anrichten. Daher stellen Gebirgsbäche eine Hauptursache für Naturgefahren in steilen Regionen dar, welche durch den Wandel des Klimas und die fortschreitende Besiedlung durch den Menschen noch verstärkt werden. Wenngleich quantitative Studien unser Wissen über Mess- und Kalibrierungstechniken zur Erfassung von Sedimenttransport erweitert haben, so sind doch viele Prozesse innerhalb der Einzugsgebiete in Hinblick auf Erosion und Sedimentverfügbarkeit weitgehend unerforscht. So stellen Beobachtungen von Mechanismen von Energie- und Massenaustausch auf kleinen räumlichen und zeitlichen Skalen innerhalb steiler Gebirgseinzugsgebiete eine Ausname dar. Diese Doktorarbeit basiert auf hoch-qualitativen Feldbeobachtungen in einem schweizer Gebirgsbach um Forschungsfragen in Hinblick auf die Sediementdyanmik zu behandeln. Das erste Ziel war es, die Gerinne-Hang-Kopplung zu erforschen und zu verstehen, um mögliche Sedimentquellen zu identifizieren, sowie die Mechanismen und Prozesse der Sedimentgenerierung in den Kontext der allgemeinen Dynamik von Gebirgsbächen zu bringen. Die erste Studie, welche auf visuellen Beobachtungen basiert, offenbarte eine Schlüsselrolle von Bachstufen in der Gerinne-Hang-Kopplung. Auf dieser Grundlage wurde ein konzeptuelles Modell entwickelt (Artikel I): durch die Erosion von Bachstufen werden angrenzende Hänge destabilisiert und ermöglichen anhaltenden Sedimenteintrag. Diese Forschung regte eine genauere Beobachtung der räumlichen und zeitlichen Evolution von Bachstufen an. Die weitere Forschung erforderte jedoch neue technologische Werkzeuge und Methoden welche zunächst in dieser Doktorarbeit eigens entwickelt wurden (Artikel II). Mit diesen Werkzeugen wurde dann ein Datensatz eingemessener Bachstufen in Hinblick auf den Formationsprozess analysiert (Artikel III). Mit dieser Analyse konnten verschiedene Stufenbildungstheorien überprüft und und zwei dominante Mechanismen verifiziert werden: Bachstufen formen sich in engen und verengenden Bachabchnitten durch Verklemmung, sowie in breiten und breiter werdenden Abschnitten durch die Ablagerung von Schlüsselsteinen. Durch diese Beobachtung wurde unser Wissen über Stufenbildung erweitert indem verschiedene hypothetisierte Mechanismen in einem Gebirgsbach harmonisiert wurden. Zu guter Letzt wurde diese Punktbeobachtung schließlich in den zeitlichen Kontext gesetzt, indem die Muster von Bachstufen über 7 Jahre nach einem hydrologischen Großereignis in 2010 untersucht wurden (Artikel IV). Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass Großereignisse einen erheblichen Einfluss auf die Gerinnebreite haben: sowohl die räumlich gemittelte Gerinnebreite, als auch die mittlere Gerinnebreite an Bachstufen ist unmittelbar nach dem Großereignis deutlich erhöht. Weiterhin ist die relative Anzahl der Bachstufen welche durch Schlüsselsteine erzeugt werden größer nach dem Großereignis. Dies deutet darauf hin, dass der zuerst beobachtete Mechanismus der Gerinne-Hang-Kopplung (Artikel I) verantwortlich ist für die zeitliche Evolution der Bachstufen nach Großereignissen (Artikel IV). KW - Geomorphologie KW - geomorphology KW - Naturgefahren KW - natural hazards KW - Gebirgsbäche KW - mountain rivers KW - Geschiebetransport KW - bedload transport KW - Bachstufen KW - channel steps KW - Gerinne-Hang-Kopplung KW - channel-hillslope coupling Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411728 ER - TY - THES A1 - Theuring, Philipp Christian T1 - Suspended sediments in the Kharaa River, sources and impacts T1 - Feinsedimente im Kharaa Fluss, Quellen und Auswirkungen N2 - Anthropogenically amplified erosion leads to increased fine-grained sediment input into the fluvial system in the 15.000 km2 Kharaa River catchment in northern Mongolia and constitutes a major stressing factor for the aquatic ecosystem. This study uniquely combines the application of intensive monitoring, source fingerprinting and catchment modelling techniques to allow for the comparison of the credibility and accuracy of each single method. High-resolution discharge data were used in combination with daily suspended solid measurements to calculate the suspended sediment budget and compare it with estimations of the sediment budget model SedNet. The comparison of both techniques showed that the development of an overall sediment budget with SedNet was possible, yielding results in the same order of magnitude (20.3 kt a- 1 and 16.2 kt a- 1). Radionuclide sediment tracing, using Be-7, Cs-137 and Pb-210 was applied to differentiate sediment sources for particles < 10μm from hillslope and riverbank erosion and showed that riverbank erosion generates 74.5% of the suspended sediment load, whereas surface erosion contributes 21.7% and gully erosion only 3.8%. The contribution of the single subcatchments of the Kharaa to the suspended sediment load was assessed based on their variation in geochemical composition (e.g. in Ti, Sn, Mo, Mn, As, Sr, B, U, Ca and Sb). These variations were used for sediment source discrimination with geochemical composite fingerprints based on Genetic Algorithm driven Discriminant Function Analysis, the Kruskal–Wallis H-test and Principal Component Analysis. The contributions of the individual sub-catchment varied from 6.4% to 36.2%, generally showing higher contributions from the sub-catchments in the middle, rather than the upstream portions of the study area. The results indicate that river bank erosion generated by existing grazing practices of livestock is the main cause for elevated fine sediment input. Actions towards the protection of the headwaters and the stabilization of the river banks within the middle reaches were identified as the highest priority. Deforestation and by lodging and forest fires should be prevented to avoid increased hillslope erosion in the mountainous areas. Mining activities are of minor importance for the overall catchment sediment load but can constitute locally important point sources for particular heavy metals in the fluvial system. N2 - Durch Landnutzung erhöhte Erosion führt zu verstärktem Eintrag von Feinsedimenten im 15.000 km2 großen Einzugsgebiet des Kharaa in der nördlichen Mongolei. Diese Einträge stellen einen starken Stressor für das aquatische Ökosystem dar. Im Rahmen dieser Studie werden auf neuartige Weise verschiedene Ansätze zur Untersuchung der Feinsedimentdynamik im Einzugsgebiet kombiniert. Der Vergleich der Ergebnisse aus zeitlich hochaufgelösten Abfluss- und Schwebstoffanalysen, Sedimentbudgetmodellierung und „Sediment Source Fingerprinting“ Techniken erlaubt eine Bewertung der Genauigkeit und Anwendbarkeit jeder einzelnen Methodik im Untersuchungsgebiet. Das anhand von Abflussund Schwebstoffmessdaten berechnete Sedimentbudget am Gebietsauslass wurde mit dem mittels des Sedimentbudgetmodels SedNet berechneten Sedimentbudget verglichen. Die Ergebnisse von des aus Abfluss- und Schwebstoffmessdaten berechneten Sedimentbudgets (20,3 kt a- 1) und der mittels SedNet berechneten Werte (16,2 kt a- 1) zeigen eine befriedigende Übereinstimmung und bekräftigen die Anwendbarkeit des Models. Zur Unterscheidung der Herkunft der Feinsedimente hinsichtlich des dominanten Erosionsprozesses wurde die Sedimentfraktion < 10μm hinsichtlich der Konzentrationen der Radioisotope Be-7, Cs-137 und Pb-210 analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Gerinneerosion für 74.5% der Suspensionsfracht verantwortlich ist und Einträge durch Flächenerosion 21.7% und durch Gully-erosion nur 3.8% beitragen. Zur Untersuchung der Anteile der Teileinzugsgebiete an der Gesamtsuspensionsfracht am Gebietsauslass wurden die Sedimente der Teilgebiete hinsichtlich der Variation ihrer geochemischen Zusammensetzung untersucht (z.B. Ti, Sn, Mo, Mn, As, Sr, B, U, Ca und Sb). Anhand der Zusammensetzung wurde jeweils ein spezifischer “Fingerabdruck” für Sedimente aus spezifischen Teileinzugsgebieten definiert. Mittels Diskriminanzanalyse, Kruskal–Wallis H-test und Hauptkomponentenanalyse konnten die Beiträge der Teileinzugsgebiete an der Gesamtfracht mit einem Mischungsmodel berechnet werden. Generell trugen die oberläufigen Teileinzugsgebiete am geringsten, und die mittelläufigen am stärksten zur Sediment Fracht bei. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass durch Überweidung begünstigte Ufererosion für den Hauptteil der Suspensionsfracht im Kharaa Fluss verantwortlich ist. Zur Verringerung des Schwebstoffeintrags in den Fluss werden Maßnahmen zur Uferbefestigung, insbesondere der Schutz und die Wiederherstellung der Ufervegetation als primäre Maßnahmen empfohlen. KW - sediment source fingerprinting KW - Mongolia KW - suspended sediments KW - sediment transport modelling KW - Mongolei KW - Sedimentquellenidentifizierung KW - Feinsedimente KW - Sedimentfracht Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410550 ER -