TY  - THES
A1  - Weisheimer, Antje
T1  - Niederfrequente Variabilität großräumiger atmosphärischer Zirkulationsstrukturen in spektralen Modellen niederer Ordnung = Ultra-flow-frequency variability of large scale atmospheric circulation patterns in spectral low-order models
T2  - Berichte zur Polarforschung
Y1  - 2000
SN  - 0176-5027
VL  - 356
PB  - Alfred-Wegener-Inst. für Polar- und Meeresforschung
CY  - Bremen
ER  - 
TY  - THES
A1  - Müller-Wohlfeil, Dirk-Ingmar
T1  - Model frameworks for the calculation of annual runoff and nitrogen emission from danish catchments
Y1  - 2001
ER  - 
TY  - THES
A1  - Güntner, Andreas
T1  - Large-scale hydrological modelling in the semi-arid north-east of Brazil
N2  - Semi-arid areas are, due to their climatic setting, characterized by small water resources. An increasing water demand as a consequence of population growth and economic development as well as a decreasing water availability in the course of possible climate change may aggravate water scarcity in future, which often exists already for present-day conditions in these areas. Understanding the mechanisms and feedbacks of complex natural and human systems, together with the quantitative assessment of future changes in volume, timing and quality of water resources are a prerequisite for the development of sustainable measures of water management to enhance the adaptive capacity of these regions. For this task, dynamic integrated models, containing a hydrological model as one component, are indispensable tools. The main objective of this study is to develop a hydrological model for the quantification of water availability in view of environmental change over a large geographic domain of semi-arid environments. The study area is the Federal State of Ceará (150 000 km2) in the semi-arid north-east of Brazil. Mean annual precipitation in this area is 850 mm, falling in a rainy season with duration of about five months. Being mainly characterized by crystalline bedrock and shallow soils, surface water provides the largest part of the water supply. The area has recurrently been affected by droughts which caused serious economic losses and social impacts like migration from the rural regions.  The hydrological model Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) developed in this study is a deterministic, spatially distributed model being composed of conceptual, process-based approaches. Water availability (river discharge, storage volumes in reservoirs, soil moisture) is determined with daily resolution. Sub-basins, grid cells or administrative units (municipalities) can be chosen as spatial target units. The administrative units enable the coupling of Wasa in the framework of an integrated model which contains modules that do not work on the basis of natural spatial units. The target units mentioned above are disaggregated in Wasa into smaller modelling units within a new multi-scale, hierarchical approach. The landscape units defined in this scheme capture in particular the effect of structured variability of terrain, soil and vegetation characteristics along toposequences on soil moisture and runoff generation. Lateral hydrological processes at the hillslope scale, as reinfiltration of surface runoff, being of particular importance in semi-arid environments, can thus be represented also within the large-scale model in a simplified form. Depending on the resolution of available data, small-scale variability is not represented explicitly with geographic reference in Wasa, but by the distribution of sub-scale units and by statistical transition frequencies for lateral fluxes between these units. Further model components of Wasa which respect specific features of semi-arid hydrology are:  (1) A two-layer model for evapotranspiration comprises energy transfer at the soil surface (including soil evaporation), which is of importance in view of the mainly sparse vegetation cover. Additionally, vegetation parameters are differentiated in space and time in dependence on the occurrence of the rainy season.  (2) The infiltration module represents in particular infiltration-excess surface runoff as the dominant runoff component.  (3) For the aggregate description of the water balance of reservoirs that cannot be represented explicitly in the model, a storage approach respecting different reservoirs size classes and their interaction via the river network is applied.  (4) A model for the quantification of water withdrawal by water use in different sectors is coupled to Wasa.  (5) A cascade model for the temporal disaggregation of precipitation time series, adapted to the specific characteristics of tropical convective rainfall, is applied for the generating rainfall time series of higher temporal resolution. All model parameters of Wasa can be derived from physiographic information of the study area. Thus, model calibration is primarily not required. Model applications of Wasa for historical time series generally results in a good model performance when comparing the simulation results of river discharge and reservoir storage volumes with observed data for river basins of various sizes. The mean water balance as well as the high interannual and intra-annual variability is reasonably represented by the model. Limitations of the modelling concept are most markedly seen for sub-basins with a runoff component from deep groundwater bodies of which the dynamics cannot be satisfactorily represented without calibration. Further results of model applications are: (1) Lateral processes of redistribution of runoff and soil moisture at the hillslope scale, in particular reinfiltration of surface runoff, lead to markedly smaller discharge volumes at the basin scale than the simple sum of runoff of the individual sub-areas. Thus, these processes are to be captured also in large-scale models. The different relevance of these processes for different conditions is demonstrated by a larger percentage decrease of discharge volumes in dry as compared to wet years. (2) Precipitation characteristics have a major impact on the hydrological response of semi-arid environments. In particular, underestimated rainfall intensities in the rainfall input due to the rough temporal resolution of the model and due to interpolation effects and, consequently, underestimated runoff volumes have to be compensated in the model. A scaling factor in the infiltration module or the use of disaggregated hourly rainfall data show good results in this respect. The simulation results of Wasa are characterized by large uncertainties. These are, on the one hand, due to uncertainties of the model structure to adequately represent the relevant hydrological processes. On the other hand, they are due to uncertainties of input data and parameters particularly in view of the low data availability. Of major importance is: (1) The uncertainty of rainfall data with regard to their spatial and temporal pattern has, due to the strong non-linear hydrological response, a large impact on the simulation results. (2) The uncertainty of soil parameters is in general of larger importance on model uncertainty than uncertainty of vegetation or topographic parameters. (3) The effect of uncertainty of individual model components or parameters is usually different for years with rainfall volumes being above or below the average, because individual hydrological processes are of different relevance in both cases. Thus, the uncertainty of individual model components or parameters is of different importance for the uncertainty of scenario simulations with increasing or decreasing precipitation trends. (4) The most important factor of uncertainty for scenarios of water availability in the study area is the uncertainty in the results of global climate models on which the regional climate scenarios are based. Both a marked increase or a decrease in precipitation can be assumed for the given data. Results of model simulations for climate scenarios until the year 2050 show that a possible future change in precipitation volumes causes a larger percentage change in runoff volumes by a factor of two to three. In the case of a decreasing precipitation trend, the efficiency of new reservoirs for securing water availability tends to decrease in the study area because of the interaction of the large number of reservoirs in retaining the overall decreasing runoff volumes.
N2  - Semiaride Gebiete sind auf Grund der klimatischen Bedingungen durch geringe Wasserressourcen gekennzeichnet. Ein zukünftig steigender Wasserbedarf in Folge von Bevölkerungswachstum und ökonomischer Entwicklung sowie eine geringere Wasserverfügbarkeit durch mögliche Klimaänderungen können dort zu einer Verschärfung der vielfach schon heute auftretenden Wasserknappheit führen. Das Verständnis der Mechanismen und Wechselwirkungen des komplexen Systems von Mensch und Umwelt sowie die quantitative Bestimmung zukünftiger Veränderungen in der Menge, der zeitlichen Verteilung und der Qualität von Wasserressourcen sind eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung von nachhaltigen Maßnahmen des Wassermanagements mit dem Ziel einer höheren Anpassungsfähigkeit dieser Regionen gegenüber künftigen Änderungen. Hierzu sind dynamische integrierte Modelle unerlässlich, die als eine Komponente ein hydrologisches Modell beinhalten.  Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist daher die Erstellung eines hydrologischen Modells zur großräumigen Bestimmung der Wasserverfügbarkeit unter sich ändernden Umweltbedingungen in semiariden Gebieten. Als Untersuchungsraum dient der im semiariden tropischen Nordosten Brasiliens gelegene Bundestaat Ceará (150 000 km2). Die mittleren Jahresniederschläge in diesem Gebiet liegen bei 850 mm innerhalb einer etwa fünfmonatigen Regenzeit. Mit vorwiegend kristallinem Grundgebirge und geringmächtigen Böden stellt Oberflächenwasser den größten Teil der Wasserversorgung bereit. Die Region war wiederholt von Dürren betroffen, die zu schweren ökonomischen Schäden und sozialen Folgen wie Migration aus den ländlichen Gebieten geführt haben.  Das hier entwickelte hydrologische Modell Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) ist ein deterministisches, flächendifferenziertes Modell, das aus konzeptionellen, prozess-basierten Ansätzen aufgebaut ist. Die Wasserverfügbarkeit (Abfluss im Gewässernetz, Speicherung in Stauseen, Bodenfeuchte) wird mit täglicher Auflösung bestimmt. Als räumliche Zieleinheiten können Teileinzugsgebiete, Rasterzellen oder administrative Einheiten (Gemeinden) gewählt werden. Letztere ermöglichen die Kopplung des Modells im Rahmen der integrierten Modellierung mit Modulen, die nicht auf der Basis natürlicher Raumeinheiten arbeiten. Im Rahmen eines neuen skalenübergreifenden, hierarchischen Ansatzes werden in Wasa die genannten Zieleinheiten in kleinere räumliche Modellierungseinheiten unterteilt. Die ausgewiesenen Landschaftseinheiten erfassen insbesondere die strukturierte Variabilität von Gelände-, Boden- und Vegetationseigenschaften entlang von Toposequenzen in ihrem Einfluss auf Bodenfeuchte und Abflussbildung. Laterale hydrologische Prozesse auf kleiner Skala, wie die für semiaride Bedingungen bedeutsame Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, können somit auch in der erforderlichen großskaligen Modellanwendung vereinfacht wiedergegeben werden. In Abhängigkeit von der Auflösung der verfügbaren Daten wird in Wasa die kleinskalige Variabilität nicht räumlich explizit sondern über die Verteilung von Flächenanteilen subskaliger Einheiten und über statistische Übergangshäufigkeiten für laterale Flüsse zwischen den Einheiten berücksichtigt. Weitere Modellkomponenten von Wasa, die spezifische Bedingungen semiarider Gebiete berücksichtigen, sind:  (1) Ein Zwei-Schichten-Modell zur Bestimmung der Evapotranspiration berücksichtigt auch den Energieumsatz an der Bodenoberfläche (inklusive Bodenverdunstung), der in Anbetracht der meist lichten Vegetationsbedeckung von Bedeutung ist. Die Vegetationsparameter werden zudem flächen- und zeitdifferenziert in Abhängigkeit vom Auftreten der Regenzeit modifiziert.  (2) Das Infiltrationsmodul bildet insbesondere Oberflächenabfluss durch Infiltrationsüberschuss als dominierender Abflusskomponente ab.  (3) Zur aggregierten Beschreibung der Wasserbilanz von im Modell nicht einzeln erfassbaren Stauseen wird ein Speichermodell unter Berücksichtigung verschiedener Größenklassen und ihrer Interaktion über das Gewässernetz eingesetzt.  (4) Ein Modell zur Bestimmung der Entnahme durch Wassernutzung in verschiedenen Sektoren ist an Wasa gekoppelt.  (5) Ein Kaskadenmodell zur zeitlichen Disaggregierung von Niederschlagszeitreihen, das in dieser Arbeit speziell für tropische konvektive Niederschlagseigenschaften angepasst wird, wird zur Erzeugung höher aufgelöster Niederschlagsdaten verwendet. Alle Modellparameter von Wasa können von physiographischen Gebietsinformationen abgeleitet werden, sodass eine Modellkalibrierung primär nicht erforderlich ist.  Die Modellanwendung von Wasa für historische Zeitreihen ergibt im Allgemeinen eine gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse für Abfluss und Stauseespeichervolumen mit Beobachtungsdaten in unterschiedlich großen Einzugsgebieten. Die mittlere Wasserbilanz sowie die hohe monatliche und jährliche Variabilität wird vom Modell angemessen wiedergegeben. Die Grenzen der Anwendbarkeit des Modell-konzepts zeigen sich am deutlichsten in Teilgebieten mit Abflusskomponenten aus tieferen Grundwasserleitern, deren Dynamik ohne Kalibrierung nicht zufriedenstellend abgebildet werden kann. Die Modellanwendungen zeigen weiterhin: (1) Laterale Prozesse der Umverteilung von Bodenfeuchte und Abfluss auf der Hangskala, vor allem die Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, führen auf der Skala von Einzugsgebieten zu deutlich kleineren Abflussvolumen als die einfache Summe der Abflüsse der Teilflächen. Diese Prozesse sollten daher auch in großskaligen Modellen abgebildet werden. Die unterschiedliche Ausprägung dieser Prozesse für unterschiedliche Bedingungen zeigt sich an Hand einer prozentual größeren Verringerung der Abflussvolumen in trockenen im Vergleich zu feuchten Jahren. (2) Die Niederschlagseigenschaften haben einen sehr großen Einfluss auf die hydrologische Reaktion in semiariden Gebieten. Insbesondere die durch die grobe zeitliche Auflösung des Modells und durch Interpolationseffekte unterschätzten Niederschlagsintensitäten in den Eingangsdaten und die daraus folgende Unterschätzung von Abflussvolumen müssen im Modell kompensiert werden. Ein Skalierungsfaktor in der Infiltrationsroutine oder die Verwendung disaggregierter stündlicher Niederschlagsdaten zeigen hier gute Ergebnisse. Die Simulationsergebnisse mit Wasa sind insgesamt durch große Unsicherheiten gekennzeichnet. Diese sind einerseits in Unsicherheiten der Modellstruktur zur adäquaten Beschreibung der relevanten hydrologischen Prozesse begründet, andererseits in Daten- und Parametersunsicherheiten in Anbetracht der geringen Datenverfügbarkeit. Von besonderer Bedeutung ist:  (1) Die Unsicherheit der Niederschlagsdaten in ihrem räumlichen Muster und ihrer zeitlichen Struktur hat wegen der stark nicht-linearen hydrologischen Reaktion einen großen Einfluss auf die Simulationsergebnisse. (2) Die Unsicherheit von Bodenparametern hat im Vergleich zu Vegetationsparametern und topographischen Parametern im Allgemeinen einen größeren Einfluss auf die Modellunsicherheit. (3) Der Effekt der Unsicherheit einzelner Modellkomponenten und -parameter ist für Jahre mit unter- oder überdurchschnittlichen Niederschlagsvolumen zumeist unterschiedlich, da einzelne hydrologische Prozesse dann jeweils unterschiedlich relevant sind. Die Unsicherheit einzelner Modellkomponenten- und parameter hat somit eine unterschiedliche Bedeutung für die Unsicherheit von Szenarienrechnungen mit steigenden oder fallenden Niederschlagstrends. (4) Der bedeutendste Unsicherheitsfaktor für Szenarien der Wasserverfügbarkeit für die Untersuchungsregion ist die Unsicherheit der den regionalen Klimaszenarien zu Grunde liegenden Ergebnisse globaler Klimamodelle. Eine deutliche Zunahme oder Abnahme der Niederschläge bis 2050 kann gemäß den hier vorliegenden Daten für das Untersuchungsgebiet gleichermaßen angenommen werden. Modellsimulationen für Klimaszenarien bis zum Jahr 2050 ergeben, dass eine mögliche zukünftige Veränderung der Niederschlagsmengen zu einer prozentual zwei- bis dreifach größeren Veränderung der Abflussvolumen führt. Im Falle eines Trends von abnehmenden Niederschlagsmengen besteht in der Untersuchungsregion die Tendenz, dass auf Grund der gegenseitigen Beeinflussung der großen Zahl von Stauseen beim Rückhalt der tendenziell abnehmenden Abflussvolumen die Effizienz von neugebauten Stauseen zur Sicherung der Wasserverfügbarkeit zunehmend geringer wird.
KW  - Ceará / Semiarides Gebiet / Wasserreserve / Hydrologie / Mathematisches Modell
KW  - Hydrologie
KW  - Wasserverfügbarkeit
KW  - Klimaänderung
KW  - Niederschlag-Abfluss-Modellierung
KW  - Trockengebiet
KW  - semi-arid
KW  - Unsicherheiten
KW  - Brasilien
KW  - hydrology
KW  - water availability
KW  - climate change
KW  - rainfall-runoff modelling
KW  - drylands
KW  - semi-arid
KW  - uncertainties
KW  - Brazil
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000511
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schaber, Jörg
T1  - Phenology in Germany in the 20th century : methods, analyses and models
N2  - Die Länge der Vegetationsperiode (VP) spielt eine zentrale Rolle für die interannuelle Variation der Kohlenstoffspeicherung terrestrischer Ökosysteme. Die Analyse von Beobachtungsdaten hat gezeigt, dass sich die VP in den letzten Jahrzehnten in den nördlichen Breiten verlängert hat. Dieses Phänomen wurde oft im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung diskutiert, da die Phänologie von der Temperatur beeinflusst wird.  Die Analyse der Pflanzenphänologie in Süddeutschland im 20. Jahrhundert zeigte: - Die starke Verfrühung der Frühjahrsphasen in dem Jahrzehnt vor 1999 war kein singuläres Ereignis im 20. Jahrhundert. Schon in früheren Dekaden gab es ähnliche Trends. Es konnten Perioden mit unterschiedlichem Trendverhalten identifiziert werden. - Es gab deutliche Unterschiede in den Trends von frühen und späten Frühjahrsphasen. Die frühen Frühjahrsphasen haben sich stetig verfrüht, mit deutlicher Verfrühung zwischen 1931 und 1948, moderater Verfrühung zwischen 1948 und 1984 und starker Verfrühung zwischen 1984 und 1999. Die späten Frühjahrsphasen hingegen, wechselten ihr Trendverhalten in diesen Perioden von einer Verfrühung zu einer deutlichen Verspätung wieder zu einer starken Verfrühung.  Dieser Unterschied in der Trendentwicklung zwischen frühen und späten Frühjahrsphasen konnte auch für ganz Deutschland in den Perioden 1951 bis 1984 und 1984 bis 1999 beobachtet werden. Der bestimmende Einfluss der Temperatur auf die Frühjahrsphasen und ihr modifizierender Einfluss auf die Herbstphasen konnte bestätigt werden. Es zeigt sich jedoch, dass  - die Phänologie bestimmende Funktionen der Temperatur nicht mit einem globalen jährlichen CO2 Signal korreliert waren, welches als Index für die globale Erwärmung verwendet wurde - ein Index für grossräumige regionale Zirkulationsmuster (NAO-Index) nur zu einem kleinen Teil die beobachtete phänologischen Variabilität erklären konnte.  Das beobachtete unterschiedliche Trendverhalten zwischen frühen und späten Frühjahrsphasen konnte auf die unterschiedliche Entwicklung von März- und Apriltemperaturen zurückgeführt werden. Während sich die Märztemperaturen im Laufe des 20. Jahrhunderts mit einer zunehmenden Variabilität in den letzten 50 Jahren stetig erhöht haben, haben sich die Apriltemperaturen zwischen dem Ende der 1940er und Mitte der 1980er merklich abgekühlt und dann wieder deutlich erwärmt. Es wurde geschlussfolgert, dass die Verfrühungen in der Frühjahrsphänologie in den letzten Dekaden Teile multi-dekadischer Fluktuationen sind, welche sich nach Spezies und relevanter saisonaler Temperatur unterscheiden. Aufgrund dieser Fluktuationen konnte kein Zusammenhang mit einem globalen Erwärmungsignal gefunden werden. Im Durchschnitt haben sich alle betrachteten Frühjahrsphasen zwischen 1951 und 1999 in Naturräumen in Deutschland zwischen 5 und 20 Tagen verfrüht. Ein starker Unterschied in der Verfrühung zwischen frühen und späten Frühjahrsphasen liegt an deren erwähntem unterschiedlichen Verhalten. Die Blattverfärbung hat sich zwischen 1951 und 1999 für alle Spezies verspätet, aber nach 1984 im Durchschnitt verfrüht. Die VP hat sich in Deutschland zwischen 1951 und 1999 um ca. 10 Tage verlängert. Es ist hauptsächlich die Änderung in den Frühjahrphasen, die zu einer Änderung in der potentiell absorbierten Strahlung (PAS) führt. Darüber hinaus sind es die späten Frühjahrsphasen, die pro Tag Verfrühung stärker profitieren, da die zusätzlichen Tage länger undwärmer sind als dies für die frühen Phasen der Fall ist. Um die relative Änderung in PAS im Vergleich der Spezies abzuschätzen, müssen allerdings auch die Veränderungen in den Herbstphasen berücksichtigt werden. Der deutliche Unterschied zwischen frühen und späten Frühjahrsphasen konnte durch die Anwendung einer neuen Methode zur Konstruktion von Zeitreihen herausgearbeitet werden. Der neue methodische Ansatz erlaubte die Ableitung verlässlicher 100-jähriger Zeitreihen und die Konstruktion von lokalen kombinierten Zeitreihen, welche die Datenverfügbarkeit für die Modellentwicklung erhöhten. Ausser analysierten Protokollierungsfehlern wurden mikroklimatische, genetische und Beobachtereinflüsse als Quellen von Unsicherheit in phänologischen Daten identifiziert. Phänologischen Beobachtungen eines Ortes können schätzungsweise 24 Tage um das parametrische Mittel schwanken.Dies unterstützt die 30-Tage Regel für die Detektion von Ausreissern. Neue Phänologiemodelle, die den Blattaustrieb aus täglichen Temperaturreihen simulieren, wurden entwickelt. Diese Modelle basieren auf einfachen Interaktionen zwischen aktivierenden und hemmenden Substanzen, welche die Entwicklungsstadien einer Pflanze bestimmen. Im Allgemeinen konnten die neuen Modelle die Beobachtungsdaten besser simulieren als die klassischen Modelle.  Weitere Hauptresultate waren: - Der Bias der klassischen Modelle, d.h. Überschätzung von frühen und Unterschätzung von späten Beobachtungen, konnte reduziert, aber nicht vollständig eliminiert werden. - Die besten Modellvarianten für verschiedene Spezies wiesen darauf hin, dass für die späten Frühjahrsphasen die Tageslänge eine wichtigere Rolle spielt als für die frühen Phasen. - Die Vernalisation spielte gegenüber den Temperaturen kurz vor dem Blattaustrieb nur eine untergeordnete Rolle.
N2  - The length of the vegetation period (VP) plays a central role for the interannual variation of carbon fixation of terrestrial ecosystems. Observational data analysis has indicated that the length of the VP has increased in the last decades in the northern latitudes mainly due to an advancement of bud burst (BB). This phenomenon has been widely discussed in the context of Global Warming because phenology is correlated to temperatures.   Analyzing the patterns of spring phenology over the last century in Southern Germany provided two main findings: - The strong advancement of spring phases especially in the decade before 1999 is not a singular event in the course of the 20th century. Similar trends were also observed in earlier decades. Distinct periods of varying trend behavior for important spring phases could be distinguished. - Marked differences in trend behavior between the early and late spring phases were detected. Early spring phases changed as regards the magnitude of their negative trends from strong negative trends between 1931 and 1948 to moderate negative trends between 1948 and 1984 and back to strong negative trends between 1984 and 1999. Late spring phases showed a different behavior. Negative trends between 1931 and 1948 are followed by marked positive trends between 1948 and 1984 and then strong negative trends between 1984 and 1999. This marked difference in trend development between early and late spring phases was also found all over Germany for the two periods 1951 to 1984 and 1984 to 1999.  The dominating influence of temperature on spring phenology and its modifying effect on autumn phenology was confirmed in this thesis. However, - temperature functions determining spring phenology were not significantly correlated with a global annual CO2 signal which was taken as a proxy for a Global Warming pattern. - an index for large scale regional circulation patterns (NAO index) could only to a small part explain the observed phenological variability in spring.  The observed different trend behavior of early and late spring phases is explained by the differing behavior of mean March and April temperatures. Mean March temperatures have increased on average over the 20th century accompanied by an increasing variation in the last 50 years. April temperatures, however, decreased between the end of the 1940s and the mid-1980s, followed by a marked warming after the mid-1980s.  It can be concluded that the advancement of spring phenology in recent decades are part of multi-decadal fluctuations over the 20th century that vary with the species and the relevant seasonal temperatures. Because of these fluctuations a correlation with an observed Global Warming signal could not be found. On average all investigated spring phases advanced between 5 and 20 days between 1951 and 1999 for all Natural Regions in Germany. A marked difference be! tween late and early spring phases is due to the above mentioned differing behavior before and after the mid-1980s. Leaf coloring (LC) was delayed between 1951 and 1984 for all tree species. However, after 1984 LC was advanced. Length of the VP increased between 1951 and 1999 for all considered tree species by an average of ten days throughout Germany. It is predominately the change in spring phases which contributes to a change in the potentially absorbed radiation. Additionally, it is the late spring species that are relatively more favored by an advanced BB because they can additionally exploit longer days and higher temperatures per day advancement. To assess the relative change in potentially absorbed radiation among species, changes in both spring and autumn phenology have to be considered as well as where these changes are located in the year. For the detection of the marked difference between early and late spring phenology a new time series construction method was developed. This method allowed the derivation of reliable time series that spanned over 100 years and the construction of locally combined time series increasing the available data for model development. Apart from analyzed protocolling errors, microclimatic site influences, genetic variation and the observers were identified as sources of uncertainty of phenological observational data. It was concluded that 99% of all phenological observations at a certain site will vary within approximately 24 days around the parametric mean. This supports to the proposed 30-day rule to detect outliers.  New phenology models that predict local BB from daily temperature time series were developed. These models were based on simple interactions between inhibitory and promotory agents that are assumed to control the developmental status of a plant. Apart from the fact that, in general, the new models fitted and predicted the observations better than classical models, the main modeling results were:  - The bias of the classical models, i.e. overestimation of early observations and underestimation of late observations, could be reduced but not completely removed.  - The different favored model structures for each species indicated that for the late spring phases photoperiod played a more dominant role than for early spring phases.  - Chilling only plays a subordinate role for spring BB compared to temperatures directly preceding BB.
KW  - Phänologie
KW  - kombinierte Zeitreihen
KW  - Physiologie-basierte Modelle
KW  - Unsicherheit
KW  - Variabilität
KW  - Ausreisser
KW  - Trends
KW  - Naturräume
KW  - Trendwendepunkte
KW  - Fag
KW  - phenology
KW  - combined time series
KW  - physiology-based models
KW  - uncertainty
KW  - variability
KW  - outliers
KW  - trends
KW  - Natural Regions
KW  - trend turning points
KW  - Fagus syl
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000532
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grimm, Volker
T1  - Bottom-up Simulation Modelling in Ecology : Strategies and Examples
Y1  - 2002
ER  - 
TY  - THES
A1  - Thonicke, Kirsten
T1  - Fire disturbance and vegetation dynamics : analysis and models
N2  - Untersuchungen zur Rolle natürlicher Störungen in der Vegetation bzw. in Ökosystemen zeigen, dass natürliche Störungen ein essentielles und intrinsisches Element in Ökosystemen darstellen, substanziell zur Vitalität und strukturellen Diversität der Ökosysteme beitragen und Stoffkreisläufe sowohl auf dem lokalen als auch auf dem globalen Niveau beeinflussen. Feuer als Grasland-, Busch- oder Waldbrand ist ein besonderes Störungsagens, da es sowohl durch biotische als auch abiotische Umweltfaktoren verursacht wird. Es beeinflusst biogeochemische Kreisläufe und spielt für die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre durch Freisetzung klimarelevanter Spurengase und Aerosole aus der Verbrennung von Biomasse eine bedeutende Rolle. Dies wird auch durch die Emission von ca. 3.9 Gt Kohlenstoff pro Jahr unterstrichen, was einen großen Anteil am globalen Gesamtaufkommen ausmacht.  Ein kombiniertes Modell, das die Effekte und Rückkopplungen zwischen Feuer und Vegetation beschreibt, wurde erforderlich, als Änderungen in den Feuerregimes als Folge von Änderungen in der Landnutzung und dem Landmanagement festgestellt wurden. Diese Notwendigkeit wurde noch durch die Erkenntnis unterstrichen, daß die Menge verbrennender Biomasse als ein bedeutender Kohlenstoffluß sowohl die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre und das Klima, aber auch die Vegetationsdynamik selbst beeinflusst. Die bereits existierenden Modellansätze reichen hier jedoch nicht aus, um entsprechende Untersuchungen durchzuführen. Als eine Schlussfolgerung daraus wurde eine optimale Menge von Faktoren gefunden, die das Auftreten und die Ausbreitung des Feuers, sowie deren ökosystemare Effekte ausreichend beschreiben. Ein solches Modell sollte die Merkmale beobachteter Feuerregime simulieren können und Analysen der Interaktionen zwischen Feuer und Vegetationsdynamik unterstützen, um auch Ursachen für bestimmte Änderungen in den Feuerregimes herausfinden zu können. Insbesondere die dynamischen Verknüpfungen zwischen Vegetation, Klima und Feuerprozessen sind von Bedeutung, um dynamische Rückkopplungen und Effekte einzelner, veränderter Umweltfaktoren zu analysieren. Dadurch ergab sich die Notwendigkeit, neue Feuermodelle zu entwickeln, die die genannten Untersuchungen erlauben und das Verständnis der Rolle des Feuer in der globalen Ökologie verbessern.  Als Schlussfolgerung der Dissertation wird festgestellt, dass Feuchtebedingungen, ihre Andauer über die Zeit (Länge der Feuersaison) und die Streumenge die wichtigsten Komponenten darstellen, die die Verteilung der Feuerregime global beschreiben. Werden Zeitreihen einzelner Regionen simuliert, sollten besondere Entzündungsquellen, brandkritische Klimabedingungen und die Bestandesstruktur als zusätzliche Determinanten berücksichtigt werden. Die Bestandesstruktur verändert das Niveau des Auftretens und der Ausbreitung von Feuer, beeinflusst jedoch weniger dessen interannuelle Variabilität. Das es wichtig ist, die vollständige Wirkungskette wichtiger Feuerprozesse und deren Verknüpfungen mit der Vegetationsdynamik zu berücksichtigen, wird besonders unter Klimaänderungsbedingungen deutlich. Eine länger werdende, vom Klima abhängige Feuersaison bedeutet nicht automatisch eine im gleichen Maße anwachsende Menge verbrannter Biomasse. Sie kann durch Änderungen in der Produktivität der Vegetation gepuffert oder beschleunigt werden. Sowohl durch Änderungen der Bestandesstruktur als auch durch eine erhöhte Produktivität der Vegetation können Änderungen der Feuereigenschaften noch weiter intensiviert werden und zu noch höheren, feuerbezogenen Emissionen führen.
N2  - Studies of the role of disturbance in vegetation or ecosystems showed that disturbances are an essential and intrinsic element of ecosystems that contribute substantially to ecosystem health, to structural diversity of ecosystems and to nutrient cycling at the local as well as global level. Fire as a grassland, bush or forest fire is a special disturbance agent, since it is caused by biotic as well abiotic environmental factors. Fire affects biogeochemical cycles and plays an important role in atmospheric chemistry by releasing climate-sensitive trace gases and aerosols, and thus in the global carbon cycle by releasing approximately 3.9 Gt C p.a. through biomass burning.   A combined model to describe effects and feedbacks between fire and vegetation became relevant as changes in fire regimes due to land use and land management were observed and the global dimension of biomass burnt as an important carbon flux to the atmosphere, its influence on atmospheric chemistry and climate as well as vegetation dynamics were emphasized. The existing modelling approaches would not allow these investigations. As a consequence, an optimal set of variables that best describes fire occurrence, fire spread and its effects in ecosystems had to be defined, which can simulate observed fire regimes and help to analyse interactions between fire and vegetation dynamics as well as to allude to the reasons behind changing fire regimes. Especially, dynamic links between vegetation, climate and fire processes are required to analyse dynamic feedbacks and effects of changes of single environmental factors. This led us to the point, where new fire models had to be developed that would allow the investigations, mentioned above, and could help to improve our understanding of the role of fire in global ecology.   In conclusion of the thesis, one can state that moisture conditions, its persistence over time and fuel load are the important components that describe global fire pattern. If time series of a particular region are to be reproduced, specific ignition sources, fire-critical climate conditions and vegetation composition become additional determinants. Vegetation composition changes the level of fire occurrence and spread, but has limited impact on the inter-annual variability of fire. The importance to consider the full range of major fire processes and links to vegetation dynamics become apparent under climate change conditions. Increases in climate-dependent length of fire season does not automatically imply increases in biomass burnt, it can be buffered or accelerated by changes in vegetation productivity. Changes in vegetation composition as well as enhanced vegetation productivity can intensify changes in fire and lead to even more fire-related emissions.  --- Anmerkung: Die Autorin ist Trägerin des von der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam vergebenen Michelson-Preises für die beste Promotion des Jahres 2002/2003.
KW  - Waldbrand
KW  - Feuerregime
KW  - Vegetationsdynamik
KW  - natürliche Störungen
KW  - Waldbrandmodellierung
KW  - Klimaänderung
KW  - forest fires
KW  - fire regimes
KW  - vegetation dynamics
KW  - natural disturbances
KW  - fire modelling
KW  - climate change
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000713
ER  - 
TY  - THES
A1  - Cameron, G.
A1  - Sobieraj, J. A.
A1  - Elsenbeer, Helmut
T1  - Scale dependency in spatial patterns of saturated hydraulic conductivity
N2  - This study investigates spatial patterns of Ks and tests the hypothesis of whether structural variance emerges from noise with increasing sampling precision. We analyzed point measurements of Ks along independent transects at sampling intervals of 25, 10, 1 and 0.25 m. The field area is a tropical rainforest catena (i.e. toposequence) characterized by systematic downslope changes in soil properties including color (red to yellow), mineralogy (kaolinite- illite to kaolinite) and texture (sandy clay to sand). Independent tramsects spanning the entire catena at lag intervals of 25 and 10 in reveal little to no spatial patterns in Ks; i.e. scatter plots are noisy and lack apparent spatial trends, and semivariograms suggest little to no autocorrelation in Ks. As sampling precision is increased (h = 1 and 0.25 m), spatial patterns emerge in Ks for the downslope areas, in which distinctive hydraulic boundaries in Ks correlate with relatively small-scale, topography-controlled soils with coarse textures (greater than or equal to 80% sand). For these areas, semivariograms of Ks and those of %sand and %clay exhibit similar spatial structure characterized by small nugget variances and large ranges, and nugget variance is reduced as sampling precision increases from 1 to 0.25 m. In the upslope, clay-rich locations along this toposequence, Ks exhibits few spatial patterns, irrespective of sampling scale. For these locations, scatter plots are noisy without apparent spatial trends, and semivariograms show almost complete nugget variance, suggesting little to no correlation in this hydraulic parameter at any scale. This study suggests that in the absence of coarse textures (greater than or equal to 80% sand), there is little predictability in Ks, even at sampling intervals of 0.25 m. We believe this lack of spatial structure is due to a predominance of small-scale processes such as biological activity that largely control Ks in this forested setting. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved
Y1  - 2004
UR  - http://www.uni-potsdam.de/u/Geooekologie/download/elsenbeer/publikationen/RG5.pdf
SN  - 0341-8162
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wriedt, Gunter
T1  - Modelling of nitrogen transport and turnover during soil and groundwater passage in a small lowland catchment of Northern Germany
N2  - Stoffumsatzreaktionen und hydraulische Prozesse im Boden und Grundwasser können in Tieflandeinzugsgebieten zu einer Nitratretention führen. Die Untersuchung dieser Prozesse in Raum und Zeit kann mit Hilfe geeigneter Modelle erfolgen. Ziele dieser Arbeit sind: i) die Entwicklung eines geeigneten Modellansatzes durch Kombination von Teilmodellen zur Simulation des N-Transportes im Boden und Grundwasser von Tieflandeinzugsgebieten und ii) die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Gebietseigenschaften und N-Transport unter besonderer Berücksichtigung der potentiellen N-Zufuhr in die Oberflächengewässer.   Der Modellansatz basiert auf der Kombination verschiedener Teilmodelle: das Bodenwasser- und -stickstoffmodell mRISK-N, das Grundwassermodell MODFLOW und das Stofftransportmodell RT3D. Zur Untersuchung der Wechselwirkungen mit den Gebietseigenschaften muss die Verteilung und Verfügbarkeit von Reaktionspartnern berücksichtigt werden. Dazu wurde ein Reaktionsmodul entwickelt, welches chemische Prozesse im Grundwasser simuliert. Hierzu gehören die Mineralisation organischer Substanz durch Sauerstoff, Nitrat und Sulfat sowie die Pyritoxidation durch Sauerstoff und Nitrat. Der Modellansatz wurde in verschiedenen Einzelstudien angewandt, wobei jeweils bestimmte Teilmodelle im Vordergrund stehen. Alle Modellstudien basieren auf Daten aus dem Schaugrabeneinzugsgebiet (ca. 25 km²), in der Nähe von Osterburg(Altmark) im Norden Sachsen-Anhalts.   Die folgenden Einzelstudien wurden durchgeführt: i) Evaluation des Bodenmodells anhand von Lysimeterdaten, ii) Modellierung eines Tracerexperimentes im Feldmaßstab als eine erste Anwendung des Reaktionsmoduls, iii) Untersuchung hydraulisch-chemischer Wechselwirkungen an einem 2D-Grundwassertransekt, iv) Flächenverteilte Modellierung von Grundwasserneubildung und Bodenstickstoffaustrag im Untersuchungsgebiet als Eingangsdaten für nachfolgende Grundwassersimulationen, und v) Untersuchung der Ausbreitung von Nitrat im Grundwasser und des Durchbruchs in die Oberflächengewässer im Untersuchungsgebiet auf Basis einer 3D-Modellierung von Grundwasserströmung und reaktivem Stofftransport.   Die Modellstudien zeigen, dass der Modellansatz geeignet ist, die Wechselwirkungen zwischen Stofftransport und –umsatz und den hydraulisch-chemischen Gebietseigenschaften zu modellieren. Die Ausbreitung von Nitrat im Sediment wird wesentlich von der Verfügbarkeit reaktiver Substanzen sowie der Verweilzeit im Grundwasserleiter bestimmt. Bei der Simulation des Untersuchungsgebietes wurde erst nach 70 Jahren eine der gegebenen Eintragssitutation entsprechende Nitratkonzentration im Grundwasserzustrom zum Grabensystem erreicht (konservativer Transport). Die Berücksichtigung von reaktivem Stofftransport führt zu einer deutlichen Reduktion der Nitratkonzentrationen. Die Modellergebnisse zeigen, dass der Grundwasserzustrom die beobachtete Nitratbelastung im Grabensystem nicht erklären kann, da der Großteil des Nitrates durch Denitrifikation verloren geht. Andere Quellen, wie direkte Einträge oder Dränagenzuflüsse müssen ebenfalls in Betracht gezogen werden. Die Prognosefähigkeit des Modells für das Untersuchungsgebiet wird durch die Datenunsicherheiten und die Schätzung der Modellparameter eingeschränkt. Dennoch ist der Modellansatz eine wertvolle Hilfe bei der Identifizierung von belastungsrelevanten Teilflächen (Stoffquellen und -senken) sowie bei der Modellierung der Auswirkungen von Managementmaßnahmen oder Landnutzungsveränderungen auf Grundlage von Szenario-Simulationen. Der Modellansatz unterstützt auch die Interpretation von Beobachtungsdaten, da so die lokalen Informationen in einen räumlichen und zeitlichen Zusammenhang gestellt werden können.
N2  - Chemical transformations and hydraulic processes in soil and groundwater often lead to an apparent retention of nitrate in lowland catchments. Models are needed to evaluate the interaction of these processes in space and time. The objectives of this study are   i) to develop a specific modelling approach by combining selected modelling tools simulating N-transport and turnover in soils and groundwater of lowland catchments, ii) to study interactions between catchment properties and nitrogen transport. Special attention was paid to potential N-loads to surface waters. The modelling approach combines various submodels for water flow and solute transport in soil and groundwater: The soil-water- and nitrogen-model mRISK-N, the groundwater flow model MODFLOW and the solute transport model RT3D. In order to investigate interactions of N-transport and catchment characteristics, the distribution and availability of reaction partners have to be taken into account. Therefore, a special reaction-module is developed, which simulates various chemical processes in groundwater, such as the degradation of organic matter by oxygen, nitrate, sulphate or pyrite oxidation by oxygen and nitrate. The model approach is applied to different simulation, focussing on specific submodels. All simulation studies are based on field data from the Schaugraben catchment, a pleistocene catchment of approximately 25 km², close to Osterburg(Altmark) in the North of Saxony-Anhalt. The following modelling studies have been carried out: i) evaluation of the soil-water- and nitrogen-model based on lysimeter data, ii) modelling of a field scale tracer experiment on nitrate transport and turnover in the groundwater as a first application of the reaction module, iii) evaluation of interactions between hydraulic and chemical aquifer properties in a two-dimensional groundwater transect, iv) modelling of distributed groundwater recharge and soil nitrogen leaching in the study area, to be used as input data for subsequent groundwater simulations, v) study of groundwater nitrate distribution and nitrate breakthrough to the surface water system in the Schaugraben catchment area and a subcatchment, using three-dimensional modelling of reactive groundwater transport.  The various model applications prove the model to be capable of simulating interactions between transport, turnover and hydraulic and chemical catchment properties. The distribution of nitrate in the sediment and the resulting loads to surface waters are strongly affected by the amount of reactive substances and by the residence time within the aquifer.   In the Schaugraben catchment simulations, it is found that a period of 70 years is needed to raise the average seepage concentrations of nitrate to a level corresponding to the given input situation, if no reactions are considered. Under reactive transport conditions, nitrate concentrations are reduced effectively. Simulation results show that groundwater exfiltration does not contribute considerably to the nitrate pollution of surface waters, as most nitrate entering soils and groundwater is lost by denitrification. Additional sources, such as direct inputs or tile drains have to be taken into account to explain surface water loads.   The prognostic value of the models for the study site is limited by uncertainties of input data and estimation of model parameters. Nevertheless, the modelling approach is a useful aid for the identification of source and sink areas of nitrate pollution as well as the investigation of system response to management measures or landuse changes with scenario simulations. The modelling approach assists in the interpretation of observed data, as it allows to integrate local observations into a spatial and temporal framework.
KW  - Stickstoff
KW  - Nitrat
KW  - Modellierung
KW  - Grundwasser
KW  - Einzugsgebiet
KW  - Reaktiver Stofftransport
KW  - Denitrifikation
KW  - Nitrogen
KW  - Nitrate
KW  - modelling
KW  - groundwater
KW  - catchment
KW  - reactive transport
KW  - denitrification
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001307
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hattermann, Fred Fokko
T1  - Integrated modelling of Global Change impacts in the German Elbe River Basin
T1  - Integrierte Modellierung der Auswirkungen des Globalen Wandels auf den deutschen Teil des Elbeinzugsgebietes
N2  - The scope of this study is to investigate the environmental change in the German part of the Elbe river basin, whereby the focus is on two water related problems: having too little water and having water of poor quality.  The Elbe region is representative of humid to semi-humid landscapes in central Europe, where water availability during the summer season is the limiting factor for plant growth and crop yields, especially in the loess areas, where the annual precipitation is lower than 500 mm. It is most likely that water quantity problems will accelerate in future, because both the observed and the projected climate trend show an increase in temperature and a decrease in annual precipitation, especially in the summer. Another problem is nutrient pollution of rivers and lakes. In the early 1990s, the Elbe was one of the most heavily polluted rivers in Europe. Even though nutrient emissions from point sources have notably decreased in the basin due to reduction of industrial sources and introduction of new and improved sewage treatment facilities, the diffuse sources of pollution are still not sufficiently controlled.  The investigations have been done using the eco-hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model), which has been embedded in a model framework of climate and agro-economic models. A global scenario of climate and agro-economic change has been regionalized to generate transient climate forcing data and land use boundary conditions for the model. The model was used to transform the climate and land use changes into altered evapotranspiration, groundwater recharge, crop yields and river discharge, and to investigate the development of water quality in the river basin. Particular emphasis was given to assessing the significance of the impacts on the hydrology, taking into account in the analysis the inherent uncertainty of the regional climate change as well as the uncertainty in the results of the model.  The average trend of the regional climate change scenario indicates a decrease in mean annual precipitation up to 2055 of about 1.5 %, but with high uncertainty (covering the range from -15.3 % to +14.8 %), and a less uncertain increase in temperature of approximately 1.4 K. The relatively small change in precipitation in conjunction with the change in temperature leads to severe impacts on groundwater recharge and river flow. Increasing temperature induces longer vegetation periods, and the seasonality of the flow regime changes towards longer low flow spells in summer. As a results the water availability will decrease on average of the scenario simulations by approximately 15 %. The increase in temperatures will improve the growth conditions for temperature limited crops like maize. The uncertainty of the climate trend is particularly high in regions where the change is the highest.  The simulation results for the Nuthe subbasin of the Elbe indicate that retention processes in groundwater, wetlands and riparian zones have a high potential to reduce the nitrate concentrations of rivers and lakes in the basin, because they are located at the interface between catchment area and surface water bodies, where they are controlling the diffuse nutrient inputs. The relatively high retention of nitrate in the Nuthe basin is due to the long residence time of water in the subsurface (about 40 years), with good conditions for denitrification, and due to nitrate retention and plant uptake in wetlands and riparian zones.  The concluding result of the study is that the natural environment and communities in parts of Central Europe will have considerably lower water resources under scenario conditions. The water quality will improve, but due to the long residence time of water and nutrients in the subsurface, this improvement will be slower in areas where the conditions for nutrient turn-over in the subsurface are poor.
N2  - Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Auswirkungen des Globalen Wandels auf den Wasserkreislauf im deutschen Teil des Elbeeinzugsgebietes. Der Fokus liegt dabei auf Wassermengen- und Wasserqualitätsproblemen.  Die Elbe liegt im Zentrum Europas im Übergangsbereich zwischen ozeanischen und kontinentalen Klimaten, wo die Wasserverfügbarkeit in den Sommermonaten den limitierenden Faktor für das Pflanzenwachstum und die landwirtschaftlichen Erträge bildet. Dies gilt insbesondere für die Lössgebiete im Lee des Harzes, wo die jährlichen Niederschläge unter 500 mm liegen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich die Wassermengenprobleme in Zukunft noch verstärken werden, denn sowohl das beobachtete als auch das für die Zukunft projizierte Klima in der Region zeigen höhere Temperaturen und fallende Niederschläge, besonders im Sommer. Ein weiteres Problem ist die hohe Nährstoffbelastung der Flüsse und Seen im Elbeeinzugsgebiet. Anfang der neunziger Jahre war die Elbe eine der am stärksten belasteten Flüsse in Europa. Obwohl die Einträge besonders aus Punktquellen durch den Rückgang der Industrie und den Bau von neuen Kläranlagen seitdem gefallen sind, gelangen trotzdem noch große Nährstoffmengen aus diffusen Quellen in die Gewässer.  Die Untersuchungen wurden unter Anwendung des ökohydrologischen Modells SWIM (Soil and Water Integrated Model) durchgeführt, welches über Schnittstellen mit Klimamodellen und agroökonomischen Modellen verbunden wurde. Ein globales Szenario des Klimawandels und des landwirtschaftlichen Wandels wurde regionalisiert, um so die geänderten Randbedingungen für den Szenarienzeitraum zu erhalten. Simulationen mit SWIM dienten dann dazu, die geänderten Randbedingungen in Änderungen im Wasserhaushalt und in den landwirtschaftlichen Erträgen zu transformieren. Außerdem wurde das Langzeitverhalten von Nährstoffen im Untersuchungsgebiet modelliert. Besonderer Wert wurde dabei darauf gelegt, die Unsicherheit der Szenarienergebnisse zu quantifizieren.  Der mittlere Szenarientrend zeigt eine Reduzierung der mittleren jährlichen Niederschläge bis zum Jahre 2055 um ungefähr 1.5 %, wobei die Ergebnisse mit einer großen Unsicherheit behaftet sind: die Spannweite der Niederschläge in den Szenarienrealisationen liegt zwischen -15.3 % und +14.8 %. Die Erwärmung unter Szenarienbedingungen mit ungefähr 1.4 K ist weniger unsicher. Diese relativ geringen Änderungen habe starke Auswirkungen auf den Wasserhaushalt im Elbegebiet: durch die steigenden Temperaturen wird die Vegetationszeit verlängert, und die Niedrigabflussperiode im Sommer wird sich in den Herbst ausdehnen. Insgesamt wird unter dem mittleren Szenarientrend die Wasserverfügbarkeit um ca. 15 % abnehmen. Außerdem werden sich durch die steigenden Temperaturen die Anbaubedingungen für wärmeliebende Ackerfrüchte in der Landwirtschaft verbessern. Die Unsicherheit des Klimatrends ist dort am größten, wo auch die lokalen Änderungen am größten sind.  Die Simulationsergebnisse für das Nuthe-Teileinzugsgebiet der Elbe zeigen, das Retentionsprozesse im Untergrund und in den Feucht- und Auengebieten einen starken Einfluss auf die Wasserqualität und die Nitratkonzentration der Oberflächengewässer haben, da sie durch ihre Lage im Einzugsgebiet eine Schnittstelle zwischen dem umliegenden Einzugsgebiet und den Flüssen und Seen bilden. Die relativ hohe Umsetzung von Nitrat im Einzugsgebiet der Nuthe kann dadurch erklärt werden, dass Nitrat eine relativ lange Aufenthaltszeit im Grundwasser (im Mittel 40 Jahre) mit einer hohen Nitratumsetzungsrate hat, und durch die guten Denitrifizierungsbedingungen in den Feucht- und Auengebieten. Dazu kommt noch, dass große Nitratmengen durch die Pflanzen in den Feuchtgebieten aus dem Grundwasser aufgenommen werden.  Zusammenfassend kann man sagen, das sich die Ökosysteme und die Gesellschaft im Elbeeinzugsgebiet unter Szenarienbedingungen auf niedrigere Wasserverfügbarkeit einstellen müssen. Die Wasserqualität wird sich grundsätzlich zwar weiter verbessern, aber aufgrund der langen Verweilzeit der Nährstoffe im Grundwasser wird dies insbesondere in den Teileinzugsgebieten, in denen die geochemischen Bedingungen für einen hohen Nährstoffumsatz nicht gegeben sind, noch relativ lange dauern.
KW  - Hydrologie
KW  - Modellierung
KW  - Einzugsgebiet
KW  - Mathematisches Modell
KW  - Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung
KW  - integrierte hydrologische Modellierung
KW  - Klimaänderung
KW  - Wasserqualität
KW  - Landnutzungsänderung
KW  - Ertragsänderung
KW  - integrated hydrolocal modelling
KW  - climate change impacts
KW  - water quality
KW  - land use change
KW  - ecohydrology
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6052
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zaehle, Sönke
T1  - Process-based simulation of the terrestrial biosphere : an evaluation of present-day and future terrestrial carbon balance estimates and their uncertainty
T1  - Prozessbasierte Modellierung der terrestrischen Biosphäre : eine Auswertung heutiger und zukünftiger terrestrischer Kohlenstoffbilanzabschätzungen und ihrer Unsicherheit
N2  - At present, carbon sequestration in terrestrial ecosystems slows the growth rate of atmospheric CO2 concentrations, and thereby reduces the impact of anthropogenic fossil fuel emissions on the climate system. Changes in climate and land use affect terrestrial biosphere structure and functioning at present, and will likely impact on the terrestrial carbon balance during the coming decades - potentially providing a positive feedback to the climate system due to soil carbon releases under a warmer climate. Quantifying changes, and the associated uncertainties, in regional terrestrial carbon budgets resulting from these effects is relevant for the scientific understanding of the Earth system and for long-term climate mitigation strategies. A model describing the relevant processes that govern the terrestrial carbon cycle is a necessary tool to project regional carbon budgets into the future. This study (1) provides an extensive evaluation of the parameter-based uncertainty in model results of a leading terrestrial biosphere model, the Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model (LPJ-DGVM), against a range of observations and under climate change, thereby complementing existing studies on other aspects of model uncertainty; (2) evaluates different hypotheses to explain the age-related decline in forest growth, both from theoretical and experimental evidence, and introduces the most promising hypothesis into the model; (3) demonstrates how forest statistics can be successfully integrated with process-based modelling to provide long-term constraints on regional-scale forest carbon budget estimates for a European forest case-study; and (4) elucidates the combined effects of land-use and climate changes on the present-day and future terrestrial carbon balance over Europe for four illustrative scenarios - implemented by four general circulation models - using a comprehensive description of different land-use types within the framework of LPJ-DGVM. This study presents a way to assess and reduce uncertainty in process-based terrestrial carbon estimates on a regional scale. The results of this study demonstrate that simulated present-day land-atmosphere carbon fluxes are relatively well constrained, despite considerable uncertainty in modelled net primary production. Process-based terrestrial modelling and forest statistics are successfully combined to improve model-based estimates of vegetation carbon stocks and their change over time. Application of the advanced model for 77 European provinces shows that model-based estimates of biomass development with stand age compare favourably with forest inventory-based estimates for different tree species. Driven by historic changes in climate, atmospheric CO2 concentration, forest area and wood demand between 1948 and 2000, the model predicts European-scale, present-day age structure of forests, ratio of biomass removals to increment, and vegetation carbon sequestration rates that are consistent with inventory-based estimates. Alternative scenarios of climate and land-use change in the 21<sup>st century suggest carbon sequestration in the European terrestrial biosphere during the coming decades will likely be on magnitudes relevant to climate mitigation strategies. However, the uptake rates are small in comparison to the European emissions from fossil fuel combustion, and will likely decline towards the end of the century. Uncertainty in climate change projections is a key driver for uncertainty in simulated land-atmosphere carbon fluxes and needs to be accounted for in mitigation studies of the terrestrial biosphere.
N2  - Kohlenstoffspeicherung in terrestrischen Ökosystemen reduziert derzeit die Wirkung anthropogener CO2-Emissionen auf das Klimasystem, indem sie die Wachstumsrate der atmosphärischer CO2-Konzentration verlangsamt. Die heutige terrestrische Kohlenstoffbilanz wird wesentlich von Klima- und Landnutzungsänderungen beeinflusst. Diese Einflussfaktoren werden sich auch in den kommenden Dekaden auf die terrestrische Biosphäre auswirken, und dabei möglicherweise zu einer positiven Rückkopplung zwischen Biosphäre und Klimasystem aufgrund von starken Bodenkohlenstoffverlusten in einem wärmeren Klima führen. Quantitative Abschätzungen der Wirkung dieser Einflussfaktoren - sowie der mit ihnen verbundenen Unsicherheit - auf die terrestrische Kohlenstoffbilanz sind daher sowohl für das Verständnis des Erdsystems, als auch für eine langfristig angelegte Klimaschutzpolitik relevant. Um regionale Kohlenstoffbilanzen in die Zukunft zu projizieren, sind Modelle erforderlich, die die wesentlichen Prozesse des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufes beschreiben. Die vorliegende Arbeit (1) analysiert die parameterbasierte Unsicherheit in Modellergebnissen eines der führenden globalen terrestrischen Ökosystemmodelle (LPJ-DGVM) im Vergleich mit unterschiedlichen ökosystemaren Messgrößen, sowie unter Klimawandelprojektionen, und erweitert damit bereits vorliegende Studien zu anderen Aspekten der Modelunsicherheit; (2) diskutiert unter theoretischen und experimentellen Aspekten verschiedene Hypothesen über die altersbedingte Abnahme des Waldwachstums, und implementiert die vielversprechenste Hypothese in das Model; (3) zeigt für eine europäische Fallstudie, wie Waldbestandsstatistiken erfolgreich für eine verbesserte Abschätzung von regionalen Kohlenstoffbilanzen in Wäldern durch prozessbasierten Modelle angewandt werden können; (4) untersucht die Auswirkung möglicher zukünftiger Klima- und Landnutzungsänderungen auf die europäische Kohlenstoffbilanz anhand von vier verschiedenen illustrativen Szenarien, jeweils unter Berücksichtigung von Klimawandelprojektionen vier verschiedener Klimamodelle. Eine erweiterte Version von LPJ-DGVM findet hierfür Anwendung, die eine umfassende Beschreibung der Hauptlandnutzungstypen beinhaltet.  Die vorliegende Arbeit stellt einen Ansatz vor, um Unsicherheiten in der prozessbasierten Abschätzung von terrestrischen Kohlenstoffbilanzen auf regionaler Skala zu untersuchen und zu reduzieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der Nettokohlenstoffaustausch zwischen terrestrischer Biosphäre und Atmosphäre unter heutigen klimatischen Bedingungen relativ sicher abgeschätzt werden kann, obwohl erhebliche Unsicherheit über die modelbasierte terrestrische Nettoprimärproduktion existiert. Prozessbasierte Modellierung und Waldbestandsstatistiken wurden erfolgreich kombiniert, um verbesserte Abschätzungen von regionalen Kohlenstoffvorräten und ihrer Änderung mit der Zeit zu ermöglichen. Die Anwendung des angepassten Modells in 77 europäischen Regionen zeigt, dass modellbasierte Abschätzungen des Biomasseaufwuchses in Wäldern weitgehend mit inventarbasierten Abschätzungen für verschiede Baumarten übereinstimmen. Unter Berücksichtigung von historischen Änderungen in Klima, atmosphärischem CO2-Gehalt, Waldfläche und Holzernte (1948-2000) reproduziert das Model auf europäischer Ebene die heutigen, auf Bestandsstatistiken beruhenden, Abschätzungen von Waldaltersstruktur, das Verhältnis von Zuwachs und Entnahme von Biomasse, sowie die Speicherungsraten im Kohlenstoffspeicher der Vegetation. Alternative Szenarien von zukünftigen Landnutzungs- und Klimaänderungen legen nahe, dass die Kohlenstoffaufnahme der europäischen terrestrischen Biosphäre von relevanter Größenordnung für Klimaschutzstrategien sind. Die Speicherungsraten sind jedoch klein im Vergleich zu den absoluten europäischen CO2-Emissionen, und nehmen zudem sehr wahrscheinlich gegen Ende des 21. Jahrhunderts ab. Unsicherheiten in Klimaprojektionen sind eine Hauptursache für die Unsicherheiten in den modellbasierten Abschätzungen des zukünftigen Nettokohlenstoffaustausches und müssen daher in Klimaschutzanalysen der terrestrischen Biosphäre berücksichtigt werden.
KW  - Terrestrische Ökologie
KW  - Kohlenstoffkreislauf
KW  - Modellierung
KW  - Landnutzung
KW  - Anthropogene Klimaänderung
KW  - dynamic global vegetation model
KW  - terrestrial carbon balance
KW  - forest age-structure
KW  - model uncertainty
KW  - global change
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5263
ER  -