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  - Grimm-Seyfarth, Annegret
T1  - Effects of climate change on a reptile community in arid Australia
T1  - Auswirkungen von Klimawandel auf eine Reptiliengemeinschaft im ariden Australien
BT  - exploring mechanisms and processes in a hot, dry, and mysterious ecosystem
BT  - eine Untersuchung von Mechanismen und Prozessen in einem heißen, trockenen, und rätselhaften Ökosystem
N2  - Dies ist eine kumulative Dissertation, die drei Originalstudien umfasst (eine publiziert, eine in Revision, eine eingereicht; Stand Dezember 2017). Sie untersucht, wie Reptilienarten im ariden Australien auf verschiedene klimatische Parameter verschiedener räumlicher Skalen reagieren und analysiert dabei zwei mögliche zugrunde liegende Hauptmechanismen: Thermoregulatorisches Verhalten und zwischenartliche Wechselwirkungen. In dieser Dissertation wurden umfassende, individuenbasierte Felddaten verschiedener trophischer Ebenen kombiniert mit ausgewählten Feldexperimenten, statistischen Analysen, und Vorhersagemodellen. Die hier erkannten Mechanismen und Prozesse können nun genutzt werden, um mögliche Veränderungen der ariden Reptiliengesellschaft in der Zukunft vorherzusagen. Dieses Wissen wird dazu beitragen, dass unser Grundverständnis über die Konsequenzen des globalen Wandels verbessert und Biodiversitätsverlust in diesem anfälligen Ökosystem verhindert wird.
N2  - This is a cumulative dissertation comprising three original studies (one published, one in revision, one submitted; Effective December 2017) investigating how reptile species in arid Australia respond to various climatic parameters at different spatial scales and analysing the two potential main underlying mechanisms: thermoregulatory behaviour and species interactions. This dissertation combines extensive individual-based field data across trophic levels, selected field experiments, statistical analyses, and predictive modelling techniques. Mechanisms and processes detected in this dissertation can now be used to predict potential future changes in the community of arid-zone lizards. This knowledge will help improving our fundamental understanding of the consequences of global change and thereby prevent biodiversity loss in a vulnerable ecosystem.
KW  - Australien
KW  - Reptilien
KW  - Australia
KW  - reptiles
KW  - Populationsökologie
KW  - population ecology
KW  - Thermoregulationsverhalten
KW  - thermoregulatory behaviour
KW  - interspezifische Wechselwirkungen
KW  - interspecific interactions
KW  - Vorhersagemodelle
KW  - predictive modelling
KW  - Klimawandel
KW  - climate change
KW  - Wüste
KW  - desert
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-412655
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kornhuber, Kai
T1  - Rossby wave dynamics and changes in summertime weather extremes
T1  - Rossby Wellendynamik und Veränderungen von Extremwetter im Sommer
N2  - Extreme weather events like heatwaves and floods severely affect societies with impacts ranging from economic damages to losses in human lifes. Global warming caused by anthropogenic greenhouse gas emissions is expected to increase their frequency and intensity, particularly in the warm season. Next to these thermodynamic changes, climate change might also impact the large scale atmospheric circulation.Such dynamic changes might additionally act on the occurence of extreme weather events, but involved mechanisms are often highly non-linear. Therefore, large uncertainty exists on the exact nature of these changes and the related risks to society. Particularly in the densely populated mid-latitudes weather patterns are governed by the large scale circulation like the jet-streams and storm tracks. Extreme weather in this region is often related to persistent weather systems associated with a strongly meandering jet-stream. Such meanders are called Rossby waves. Under specific conditions they can become slow moving, stretched around the entire hemisphere and generate simultaneaous heat- and rainfall extremes in far-away regions.
This thesis aims at enhancing the understanding of synoptic-scale, circumglobal Rossby waves and the associated risks of dynamical changes to society. More specific, the analyses investigate their relation to extreme weather, regions at risk, under which conditions they are generated, and the influence of anthropogenic climate change on those conditions now, in the past and in the future.
I find that circumglobal Rossby waves promoted simultaneous occuring weather extremes across the northern hemisphere in several recent summers. Further, I present evidence that they are often linked to quasiresonant-amplification of planetary waves. These events include the 2003 European heatwave and the Moscow heatwave of 2010. This non-linear mechanism acts on the upper level flow through trapping and amplification of stationary synoptic scale waves. I show that this resonance mechanism acts in both hemispheres and is related to extreme weather. A main finding is that circumglobal Rossby waves primarily occur as two specific teleconnection patterns associated with a wave 5 and wave 7 pattern in the northern hemisphere, likely due to the favourable longitudinal distance of prominent mountain ridges here. Furthermore, I identify those regions which are particularly at risk: The central United States, western Europe and the Ukraine/Russian region. Moreover, I present evidence that the wave 7 pattern has and extreme weather in these regions. My results suggest that the increase in frequency can be linked to favourable changes in large scale temperature gradients, which I show to be largely underestimated by model simulations. Using surface temperature fingerprint as proxy for investigating historic and future model ensembles, evidence is presented that anthropogenic warming has likely increased the probability for the occurence of circumglobal Rossby waves. Further it is shown that this might lead to a doubling of such events until the end of the century under a high-emission scenario.
Overall, this thesis establishes several atmosphere-dynamical pathways by which changes in large scale temperature gradients might link to persistent boreal summer weather. It highlights the societal risks associated with the increasing occurence of a newly discovered Rossby wave teleconnection pattern, which has the potential to cause simultaneaous heat-extremes in the mid-latitudinal bread-basket regions. In addition, it provides further evidence that the traditional picture by which quasi-stationary Rossby waves occur only in the low wavenumber regime, should be reconsidered.
N2  - Extreme Wetterereignisse haben oft katastrophale Folgen für Menschen und Umwelt. Die zuletzt beobachtete Zunahme von Hitzewellen und Überschwemmungen im Sommer lässt sich zum Teil mit dem Klimawandel, verursacht durch den Ausstoß von Treibhausgasen aus fossilen Brennstoffen, erkären. Allerdings übetrafen einige Extremereignisse der jüngeren Vergangenheit in ihrer Intensität, das was allein durch die Erwärmung im globalen Mittel zu erwarten wäre. Der Klimawandel wirkt sich ebenfalls auf die atmosphärische Zirkulation, wie beispielsweise den Jetstream aus. Es wird hier vermutet, dass Änderungen in der Dynamik Extrem-Ereignisse verstärken, indem sie beispielsweise langanhaltender werden. Allerdings sind die entsprechenden Mechanismen komplex und stark nicht-linear, was die Unsicherheiten in Bezug auf zuünftige Risiken vergrößert. Ein Mechanismus der mit extremen Wetter in den mittleren Breiten in Verbindung gebracht wurde, ist ein stark mäandernder Jet-Stream. Dieser führt zu ungewöhnlichen Temperaturen in den mittleren Breiten weile dies Mänder, genannt Rossby-Wellen, den Transport von ungewöhnlich warmer beziehungsweise kalter Luft entlang der Breiten erlauben. Unter bestimmten Bedingungen erstrecken sich diese Rossby Wellen über die gesamte Hemisphäre und führen zum synchronen auftreten von Wetterextremen entlang den mittleren Breiten. Extreme treten insbesondere dann auf wenn sie lang über bestimmten Regionen verharren.
Diese Dissertation erforscht den Zusammenhang dieser quasi-stationären Rossby-Wellen und Wetter-Extremen: In welchem Maße können diese durch Rossby-Wellen erklärt werden, welche Regionen sind besonders betroffen und welchen Bedingungen sind für ihr Entstehen förderlich und wie wirkt sich der Klimawandel auf diese Bedingungen aus?
Ich zeige, dass einige der verheerendsten Wetterextreme der jüngeren Vergangenheit durch hemisphärische Rossby-Wellenmuster erzeugt wurden und dass diese zumeist synchron mit anderen ungewöhnlichen Wettersituationen in den mittleren Breiten auftraten. Desweiteren zeige ich, dass einige dieser Ereignisse mit dem resonanten Aufschaukeln einiger Wellenkomponenten erklärt werden könnnen (engl. Quasi-resonant Amplification of Planetary Waves, kurz: QRA). Diesem nicht-linearen Mechanismus zufolge verhindert ein starker Jet, dass bestimmte Wellen ihre Energie in Richung Äquator oder Pol verlieren und so förmlich in den mittleren Breiten gefangen werden. Diese Wellen können dann resonant mit dem stationären thermischen und orographischen Störungen interagieren und gewinnen so an Intensität. Ich zeige, dass dieser Mechanismus sowohl in der Nord- als auch in der Südhemisphäre wirkt. Desweiteren zeige ich, dass die Rossby-Wellen in der Nordhemisphäre als zwei wiederkehrende örtlich festgelegte Wellenmuster, charakterisiert durch Welle 5 und Welle 7, auftreten. Dies erkläre ich mit dem relativen Abstand markanter Gebirgskämme entlang der Längengrade in den mittleren Breiten. Dieses Ergebnis ermöglicht es jene Regionen zu identifizieren, welche während solcher Ereignisse besonders gefährdet sind: das Zentrum der USA, Westeuropa und die Region Ukraine / Russland. Ich zeige, dass das Welle-7-Muster in den letzten Jahrzehnten in seiner Häufigkeit zugenommen hat, was die beobachtete Zunahme von extremen Wetter in diesen Regionen erklären könnte. Diese Zunahme führe ich auf die Veränderungen der groß-skaligen Temperaturgradienten entlang der Längen und Breitengrade zurück. Ich zeige zudem, dass diese Veränderungen durch Modelle weitestgehend unterschätzt werden. Über ein charakteristisches Temperaturprofil als Proxy untersuchen wir Modeldaten von historische und Projektionen. Diese Analyse zeigt, dass die anthropogene Erwärmung mit einiger Wahrscheinlichkeit die Bedingungen für die erzeugung solcher Rossby-Wellen verändert hat. Desweiteren kommt es unter der Annahme ungestoppter Emissionen vermutlich zu einer Verdopplung dieser Ereignisse führen zum Ende des Jahrhunderts.
In dieser Dissertation zeige ich auf wie die Veränderung großskaliger Oberflächen-Temperatur-Gradienten mit dem vermehrten Aufkommen langanhaltender und oft extremen Wetterereignisse zusammenhängt. Ich indentifiziere die Regionen, die durch das Welle 7 Muster besonders gefärdet sind. Desweiteren, geben meine Ergebnisse weitere Hinweise darauf, dass die traditionell Sicht, aus der quasi-stationäre-Rossby-Wellen nur in Form von niedrigen Wellenzahlen vorkommen, überdacht werden muss.
KW  - Telekonnektionen
KW  - Atmosphärendynamik
KW  - Jetstream
KW  - Klimawandel
KW  - Hitzewellen
KW  - teleconnections
KW  - atmosphere dynamics
KW  - jet stream
KW  - climate change
KW  - heatwaves
Y1  - 2017
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schibalski, Anett
T1  - Statistical and process-based models for understanding species distributions in changing environments
T1  - Statistische und prozessbasierte Modelle für die Verbreitung von Arten unter Umweltänderungen
N2  - Understanding the distribution of species is fundamental for biodiversity conservation, ecosystem management, and increasingly also for climate impact assessment. The presence of a species in a given site depends on physiological limitations (abiotic factors), interactions with other species (biotic factors), migratory or dispersal processes (site accessibility) as well as the continuing
effects of past events, e.g. disturbances (site legacy). Existing approaches to predict species distributions either (i) correlate observed species occurrences with environmental variables describing abiotic limitations, thus ignoring biotic interactions, dispersal and legacy effects (statistical species distribution model, SDM); or (ii) mechanistically model the variety of processes determining species distributions (process-based model, PBM). SDMs are widely used due to their easy applicability and ability to handle varied data qualities. But they fail to reproduce the dynamic response of species distributions to changing conditions. PBMs are expected to be superior in this respect, but they need very specific data unavailable for many species, and are often more complex and require more computational effort. More recently, hybrid models link the two approaches to combine their respective strengths.
In this thesis, I apply and compare statistical and process-based approaches to predict species distributions, and I discuss their respective limitations, specifically for applications in changing environments. Detailed analyses of SDMs for boreal tree species in Finland reveal that nonclimatic predictors - edaphic properties and biotic interactions - are important limitations at the treeline, contesting the assumption of unrestricted, climatically induced range expansion. While the estimated SDMs are successful within their training data range, spatial and temporal model transfer fails. Mapping and comparing sampled predictor space among data subsets identifies spurious extrapolation as the plausible explanation for limited model transferability. Using these findings, I analyze the limited success of an established PBM (LPJ-GUESS) applied to the same problem. Examination of process representation and parameterization in the PBM identifies implemented processes to adjust (competition between species, disturbance) and missing processes that are crucial in boreal forests (nutrient limitation, forest management). Based on climatic correlations shifting over time, I stress the restricted temporal transferability of bioclimatic limits used in LPJ-GUESS and similar PBMs. By critically assessing the performance of SDM and PBM in this application, I demonstrate the importance of understanding the limitations of the
applied methods.
As a potential solution, I add a novel approach to the repertoire of existing hybrid models. By simulation experiments with an individual-based PBM which reproduces community dynamics resulting from biotic factors, dispersal and legacy effects, I assess the resilience of coastal vegetation to abrupt hydrological changes. According to the results of the resilience analysis, I then modify temporal SDM predictions, thereby transferring relevant process detail from PBM to
SDM. The direction of knowledge transfer from PBM to SDM avoids disadvantages of current hybrid models and increases the applicability of the resulting model in long-term, large-scale applications. A further advantage of the proposed framework is its flexibility, as it is readily extended to other model types, disturbance definitions and response characteristics.
Concluding, I argue that we already have a diverse range of promising modelling tools at hand, which can be refined further. But most importantly, they need to be applied more thoughtfully. Bearing their limitations in mind, combining their strengths and openly reporting underlying assumptions and uncertainties is the way forward.
N2  - Wissen über die Verbreitung von Arten ist fundamental für die Erhaltung von Biodiversität, das Management von Ökosystemen und zunehmend auch für die Abschätzung der Folgen des Klimawandels. Das Vorkommen einer Art an einem Standort hängt ab von: physiologischen Grenzwerten (abiotischen Faktoren), Interaktionen mit anderen Arten (biotischen Faktoren), Ausbreitungsprozessen (Erreichbarkeit des Standorts) sowie Nachwirkungen vergangener Ereignisse, z.B. Störungen (Standortgeschichte). Modellansätze zur Vorhersage von Artverbreitungen (i) korrelieren entweder beobachtete Artvorkommen mit abiotischen Umweltvariablen und ignorieren damit biotische Interaktionen, Ausbreitung und Nachwirkungen (statistische Artverbreitungsmodelle, SDM); oder (ii) sie modellieren mechanistisch, wie sich die verschiedenen Prozesse auf Arten auswirken (prozessbasierte Modelle, PBM). SDMs sind weitverbreitet, da sie einfach anzuwenden sind und verschiedenste Datenqualitäten akzeptieren. Aber sie beschreiben nicht korrekt, wie Arten dynamisch auf Umweltänderungen reagieren. PBMs sind ihnen in dieser Hinsicht überlegen. Allerdings benötigen diese sehr spezifische Daten, welche für viele Arten nicht verfügbar sind. Zudem sind sie oft komplexer und benötigen mehr Rechenkapazität. Relativ neu ist der Ansatz des Hybridmodells, welches statistische und prozessbasierte Modelle verknüpft und so ihre jeweiligen Stärken vereint.
In dieser Arbeit, nutze ich sowohl statistische als auch prozessbasierte Modelle, um die Verbreitung von Arten vorherzusagen, und ich diskutiere ihre jeweiligen Schwächen, besonders für die Anwendung im Klimawandelkontext. Eine detaillierte Analyse der SDMs für boreale Baumarten in Finnland zeigt, dass nicht-klimatische Variablen - Bodeneigenschaften und biotische Interaktionen - wichtige Faktoren an der Baumgrenze sind und daher die Reaktion von Arten auf Klimaänderungen beeinflussen. Während die SDMs innerhalb der Wertebereiche ihrer Trainingsdatensätze erfolgreich sind, scheitern Versuche, die Modelle auf andere Regionen oder in die Zukunft zu übertragen. Die Visualisierung und der Vergleich des abgedeckten Umweltraums zwischen den Teildatensätzen liefert eine plausible Erklärung: Extrapolation. Basierend auf diesen Ergebnissen, analysiere ich den bedingten Erfolg eines etablierten PBMs (LPJ-GUESS), das ich auf dieselbe Fragestellung anwende. Die Untersuchung der Prozessbeschreibungen im Modell sowie der Parametrisierung zeigen, dass bereits implementierte Prozesse angepasst werden müssen (Konkurrenz, Störungen) und dass für boreale Wälder entscheidende Prozesse fehlen (Nährstoffe, Bewirtschaftung). Mithilfe von klimatischen Schwellenwerten, die sich über die Zeit verschieben, betone ich die eingeschränkte Übertragbarkeit von bioklimatischen Grenzwerten in LPJ-GUESS und ähnlichen PBMs. Indem ich die Performance beider Methoden in dieser Anwendung kritisch beleuchte, zeige ich, wie wichtig es ist, sich der Grenzen jedes Modellansatzes bewusst zu sein.
Als Lösungsmöglichkeit füge ich dem bestehenden Repertoire der Hybridmodelle einen neuen Ansatz hinzu. Mithilfe von Simulationsexperimenten mit einem individuenbasierten PBM, das erfolgreich die Dynamik von Artgemeinschaften beschreibt (resultierend aus biotischen Faktoren, Ausbreitung und Nachwirkungen), untersuche ich die Resilienz von Küstenvegetation auf abrupte Änderungen der Hydrologie. Entsprechend der Ergebnisse dieser Resilienzanalyse passe ich die zeitlichen Vorhersagen eines SDMs an und übertrage so das nötige Prozesswissen von PBM zu SDM. Die Übertragungsrichtung von PBM zu SDM umgeht die Nachteile bestehender Hybridmodelle und verbessert die Anwendbarkeit für langfristige, großflächige Berechnungen. Ein weiterer Vorteil des vorgestellten Konzepts ist seine Flexibilität, denn es lässt sich einfach auf andere Modellarten, andere Definitionen von Umweltstörungen sowie andere Vorhersagegrößen anwenden.
Zusammenfassend argumentiere ich, dass uns bereits vielfältige, erfolgversprechende Modellansätze zur Verfügung stehen, die noch weiterentwickelt werden können. Vor allem aber müssen sie mit mehr Bedacht angewendet werden. Voran kommen wir, indem wir die Schwächen der Ansätze berücksichtigen, ihre Stärken in Hybridmodellen kombinieren und die zugrunde liegenden Annahmen und damit verbundene Unsicherheiten deutlich machen.
KW  - species distribution
KW  - Artverbreitung
KW  - climate change
KW  - Klimawandel
KW  - hybrid model
KW  - Hybridmodell
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-401482
ER  -