TY - JOUR A1 - Colombo, Stefanie M. A1 - Wacker, Alexander A1 - Parrish, Christopher C. A1 - Kainz, Martin J. A1 - Arts, Michael T. T1 - A fundamental dichotomy in long-chain polyunsaturated fatty acid abundance between and within marine and terrestrial ecosystems JF - Environmental reviews = Dossiers environnement N2 - Polyunsaturated fatty acids (PUFA), especially long-chain (i.e., >= 20 carbons) polyunsaturated fatty acids (LC-PUFA), are fundamental to the health and survival of marine and terrestrial organisms. Therefore, it is imperative that we gain a better understanding of their origin, abundance, and transfer between and within these ecosystems. We evaluated the natural variation in PUFA distribution and abundance that exists between and within these ecosystems by amassing and analyzing, using multivariate and analysis of variance (ANOVA) methods, >3000 fatty acid (FA) profiles from marine and terrestrial organisms. There was a clear dichotomy in LC-PUFA abundance between organisms in marine and terrestrial ecosystems, mainly driven by the C-18 PUFA in terrestrial organisms and omega-3 (n-3) LC-PUFA in marine organisms. The PUFA content of an organism depended on both its biome (marine vs terrestrial) and taxonomic group. Within the marine biome, the PUFA content varied among taxonomic groups. PUFA content of marine organisms was dependent on both geographic zone (i.e., latitude, and thus broadly related to temperature) and trophic level (a function of diet). The contents of n-3 LC-PUFA were higher in polar and temperate marine organisms than those from the tropics. Therefore, we conclude that, on a per capita basis, high latitude marine organisms provide a disproportionately large global share of these essential nutrients to consumers, including terrestrial predators. Our analysis also hints at how climate change, and other anthropogenic stressors, might act to negatively impact the global distribution and abundance of n-3 LC-PUFA within marine ecosystems and on the terrestrial consumers that depend on these subsidies. KW - climate change KW - food webs KW - omega-3 KW - polyunsaturated fatty acids KW - trophic ecology Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1139/er-2016-0062 SN - 1208-6053 SN - 1181-8700 VL - 25 SP - 163 EP - 174 PB - NRC Research Press CY - Ottawa ER - TY - RPRT A1 - Šedová, Barbora A1 - Čizmaziová, Lucia A1 - Cook, Athene T1 - A meta-analysis of climate migration literature T2 - CEPA Discussion Papers N2 - The large literature that aims to find evidence of climate migration delivers mixed findings. This meta-regression analysis i) summarizes direct links between adverse climatic events and migration, ii) maps patterns of climate migration, and iii) explains the variation in outcomes. Using a set of limited dependent variable models, we meta-analyze thus-far the most comprehensive sample of 3,625 estimates from 116 original studies and produce novel insights on climate migration. We find that extremely high temperatures and drying conditions increase migration. We do not find a significant effect of sudden-onset events. Climate migration is most likely to emerge due to contemporaneous events, to originate in rural areas and to take place in middle-income countries, internally, to cities. The likelihood to become trapped in affected areas is higher for women and in low-income countries, particularly in Africa. We uniquely quantify how pitfalls typical for the broader empirical climate impact literature affect climate migration findings. We also find evidence of different publication biases. T3 - CEPA Discussion Papers - 29 KW - migration KW - climate change KW - meta-analysis Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-499827 SN - 2628-653X IS - 29 ER - TY - JOUR A1 - Schewe, Jacob A1 - Levermann, Anders T1 - A statistically predictive model for future monsoon failure in India JF - Environmental research letters N2 - Indian monsoon rainfall is vital for a large share of the world's population. Both reliably projecting India's future precipitation and unraveling abrupt cessations of monsoon rainfall found in paleorecords require improved understanding of its stability properties. While details of monsoon circulations and the associated rainfall are complex, full-season failure is dominated by large-scale positive feedbacks within the region. Here we find that in a comprehensive climate model, monsoon failure is possible but very rare under pre-industrial conditions, while under future warming it becomes much more frequent. We identify the fundamental intraseasonal feedbacks that are responsible for monsoon failure in the climate model, relate these to observational data, and build a statistically predictive model for such failure. This model provides a simple dynamical explanation for future changes in the frequency distribution of seasonal mean all-Indian rainfall. Forced only by global mean temperature and the strength of the Pacific Walker circulation in spring, it reproduces the trend as well as the multidecadal variability in the mean and skewness of the distribution, as found in the climate model. The approach offers an alternative perspective on large-scale monsoon variability as the result of internal instabilities modulated by pre-seasonal ambient climate conditions. KW - monsoon failure KW - climate change KW - coupled climate model KW - stochastic model KW - non-linear dynamics Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1088/1748-9326/7/4/044023 SN - 1748-9326 VL - 7 IS - 4 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Warszawski, Lila A1 - Kriegler, Elmar A1 - Lenton, Timothy M. A1 - Gaffney, Owen A1 - Jacob, Daniela A1 - Klingenfeld, Daniel A1 - Koide, Ryu A1 - Costa, María Máñez A1 - Messner, Dirk A1 - Nakicenovic, Nebojsa A1 - Schellnhuber, Hans Joachim A1 - Schlosser, Peter A1 - Takeuchi, Kazuhiko A1 - van der Leeuw, Sander A1 - Whiteman, Gail A1 - Rockström, Johan T1 - All options, not silver bullets, needed to limit global warming to 1.5 °C BT - a scenario appraisal JF - Environmental research letters N2 - Climate science provides strong evidence of the necessity of limiting global warming to 1.5 °C, in line with the Paris Climate Agreement. The IPCC 1.5 °C special report (SR1.5) presents 414 emissions scenarios modelled for the report, of which around 50 are classified as '1.5 °C scenarios', with no or low temperature overshoot. These emission scenarios differ in their reliance on individual mitigation levers, including reduction of global energy demand, decarbonisation of energy production, development of land-management systems, and the pace and scale of deploying carbon dioxide removal (CDR) technologies. The reliance of 1.5 °C scenarios on these levers needs to be critically assessed in light of the potentials of the relevant technologies and roll-out plans. We use a set of five parameters to bundle and characterise the mitigation levers employed in the SR1.5 1.5 °C scenarios. For each of these levers, we draw on the literature to define 'medium' and 'high' upper bounds that delineate between their 'reasonable', 'challenging' and 'speculative' use by mid century. We do not find any 1.5 °C scenarios that stay within all medium upper bounds on the five mitigation levers. Scenarios most frequently 'over use' CDR with geological storage as a mitigation lever, whilst reductions of energy demand and carbon intensity of energy production are 'over used' less frequently. If we allow mitigation levers to be employed up to our high upper bounds, we are left with 22 of the SR1.5 1.5 °C scenarios with no or low overshoot. The scenarios that fulfil these criteria are characterised by greater coverage of the available mitigation levers than those scenarios that exceed at least one of the high upper bounds. When excluding the two scenarios that exceed the SR1.5 carbon budget for limiting global warming to 1.5 °C, this subset of 1.5 °C scenarios shows a range of 15–22 Gt CO2 (16–22 Gt CO2 interquartile range) for emissions in 2030. For the year of reaching net zero CO2 emissions the range is 2039–2061 (2049–2057 interquartile range). KW - climate change KW - emissions scenarios KW - 1.5 ◦C KW - negative emissions Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1088/1748-9326/abfeec SN - 1748-9326 N1 - Corrigendum: 10.1088/1748-9326/acbf6a VL - 16 IS - 6 PB - IOP Publishing CY - Bristol ER - TY - THES A1 - Schmidt, Lena Katharina T1 - Altered hydrological and sediment dynamics in high-alpine areas – Exploring the potential of machine-learning for estimating past and future changes N2 - Climate change fundamentally transforms glaciated high-alpine regions, with well-known cryospheric and hydrological implications, such as accelerating glacier retreat, transiently increased runoff, longer snow-free periods and more frequent and intense summer rainstorms. These changes affect the availability and transport of sediments in high alpine areas by altering the interaction and intensity of different erosion processes and catchment properties. Gaining insight into the future alterations in suspended sediment transport by high alpine streams is crucial, given its wide-ranging implications, e.g. for flood damage potential, flood hazard in downstream river reaches, hydropower production, riverine ecology and water quality. However, the current understanding of how climate change will impact suspended sediment dynamics in these high alpine regions is limited. For one, this is due to the scarcity of measurement time series that are long enough to e.g. infer trends. On the other hand, it is difficult – if not impossible – to develop process-based models, due to the complexity and multitude of processes involved in high alpine sediment dynamics. Therefore, knowledge has so far been confined to conceptual models (which do not facilitate deriving concrete timings or magnitudes for individual catchments) or qualitative estimates (‘higher export in warmer years’) that may not be able to capture decreases in sediment export. Recently, machine-learning approaches have gained in popularity for modeling sediment dynamics, since their black box nature tailors them to the problem at hand, i.e. relatively well-understood input and output data, linked by very complex processes. Therefore, the overarching aim of this thesis is to estimate sediment export from the high alpine Ötztal valley in Tyrol, Austria, over decadal timescales in the past and future – i.e. timescales relevant to anthropogenic climate change. This is achieved by informing, extending, evaluating and applying a quantile regression forest (QRF) approach, i.e. a nonparametric, multivariate machine-learning technique based on random forest. The first study included in this thesis aimed to understand present sediment dynamics, i.e. in the period with available measurements (up to 15 years). To inform the modeling setup for the two subsequent studies, this study identified the most important predictors, areas within the catchments and time periods. To that end, water and sediment yields from three nested gauges in the upper Ötztal, Vent, Sölden and Tumpen (98 to almost 800 km² catchment area, 930 to 3772 m a.s.l.) were analyzed for their distribution in space, their seasonality and spatial differences therein, and the relative importance of short-term events. The findings suggest that the areas situated above 2500 m a.s.l., containing glacier tongues and recently deglaciated areas, play a pivotal role in sediment generation across all sub-catchments. In contrast, precipitation events were relatively unimportant (on average, 21 % of annual sediment yield was associated to precipitation events). Thus, the second and third study focused on the Vent catchment and its sub-catchment above gauge Vernagt (11.4 and 98 km², 1891 to 3772 m a.s.l.), due to their higher share of areas above 2500 m. Additionally, they included discharge, precipitation and air temperature (as well as their antecedent conditions) as predictors. The second study aimed to estimate sediment export since the 1960s/70s at gauges Vent and Vernagt. This was facilitated by the availability of long records of the predictors, discharge, precipitation and air temperature, and shorter records (four and 15 years) of turbidity-derived sediment concentrations at the two gauges. The third study aimed to estimate future sediment export until 2100, by applying the QRF models developed in the second study to pre-existing precipitation and temperature projections (EURO-CORDEX) and discharge projections (physically-based hydroclimatological and snow model AMUNDSEN) for the three representative concentration pathways RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5. The combined results of the second and third study show overall increasing sediment export in the past and decreasing export in the future. This suggests that peak sediment is underway or has already passed – unless precipitation changes unfold differently than represented in the projections or changes in the catchment erodibility prevail and override these trends. Despite the overall future decrease, very high sediment export is possible in response to precipitation events. This two-fold development has important implications for managing sediment, flood hazard and riverine ecology. This thesis shows that QRF can be a very useful tool to model sediment export in high-alpine areas. Several validations in the second study showed good performance of QRF and its superiority to traditional sediment rating curves – especially in periods that contained high sediment export events, which points to its ability to deal with threshold effects. A technical limitation of QRF is the inability to extrapolate beyond the range of values represented in the training data. We assessed the number and severity of such out-of-observation-range (OOOR) days in both studies, which showed that there were few OOOR days in the second study and that uncertainties associated with OOOR days were small before 2070 in the third study. As the pre-processed data and model code have been made publically available, future studies can easily test further approaches or apply QRF to further catchments. N2 - Der Klimawandel verändert vergletscherte Hochgebirgsregionen grundlegend, mit wohlbekannten Auswirkungen auf Kryosphäre und Hydrologie, wie beschleunigtem Gletscherrückgang, vorübergehend erhöhtem Abfluss, längeren schneefreien Perioden und häufigeren und intensiveren sommerlichen Starkniederschlägen. Diese Veränderungen wirken sich auf die Verfügbarkeit und den Transport von Sedimenten in hochalpinen Gebieten aus, indem sie die Interaktion und Intensität verschiedener Erosionsprozesse und Einzugsgebietseigenschaften verändern. Eine Abschätzung der zukünftigen Veränderungen des Schwebstofftransports in hochalpinen Bächen ist von entscheidender Bedeutung, da sie weitreichende Auswirkungen haben, z. B. auf das Hochwasserschadenspotenzial, die Hochwassergefahr in den Unterläufen, sowie Wasserkraftproduktion, aquatische Ökosysteme und Wasserqualität. Das derzeitige Verständnis der Auswirkungen des Klimawandels auf die Schwebstoffdynamik in diesen hochalpinen Regionen ist jedoch begrenzt. Dies liegt zum einen daran, dass es kaum ausreichend lange Messzeitreihen gibt, um z.B. Trends ableiten zu können. Zum anderen ist es aufgrund der Komplexität und der Vielzahl der Prozesse, die an der hochalpinen Sedimentdynamik beteiligt sind, schwierig - wenn nicht gar unmöglich - prozessbasierte Modelle zu entwickeln. Daher beschränkte sich das Wissen bisher auf konzeptionelle Modelle (die es nicht ermöglichen, konkrete Zeitpunkte oder Größenordnungen für einzelne Einzugsgebiete abzuleiten) oder qualitative Schätzungen ("höherer Sedimentaustrag in wärmeren Jahren"), die möglicherweise nicht in der Lage sind, Rückgänge im Sedimentaustrag abzubilden. In jüngster Zeit haben Ansätze des maschinellen Lernens für die Modellierung der Sedimentdynamik an Popularität gewonnen, da sie aufgrund ihres Black-Box-Charakters auf das vorliegende Problem zugeschnitten sind, d. h. auf relativ gut verstandene Eingangs- und Ausgangsdaten, die durch sehr komplexe Prozesse verknüpft sind. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist daher die Abschätzung des Sedimentaustrags am Beispiel des hochalpinen Ötztals in Tirol, Österreich, auf dekadischen Zeitskalen in der Vergangenheit und Zukunft – also Zeitskalen, die für den anthropogenen Klimawandel relevant sind. Dazu wird ein Quantile Regression Forest (QRF)-Ansatz, d.h. ein nichtparametrisches, multivariates maschinelles Lernverfahren auf der Basis von Random Forest, erweitert, evaluiert und angewendet. Die erste Studie im Rahmen dieser Arbeit zielte darauf ab, die "gegenwärtige" Sedimentdynamik zu verstehen, d. h. in dem Zeitraum, für den Messungen vorliegen (bis zu 15 Jahre). Um die Modellierung für die beiden folgenden Studien zu ermöglichen, wurden in dieser Studie die wichtigsten Prädiktoren, Teilgebiete des Untersuchungsgebiets und Zeiträume ermittelt. Zu diesem Zweck wurden die Wasser- und Sedimenterträge von drei verschachtelten Pegeln im oberen Ötztal, Vent, Sölden und Tumpen (98 bis fast 800 km² Einzugsgebiet, 930 bis 3772 m ü.d.M.), auf ihre räumliche Verteilung, ihre Saisonalität und deren räumlichen Unterschiede, sowie die relative Bedeutung von Niederschlagsereignissen hin untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Gebiete oberhalb von 2500 m ü. M., in denen sich Gletscherzungen und kürzlich entgletscherte Gebiete befinden, eine zentrale Rolle in der Sedimentdynamik in allen Teileinzugsgebieten spielen. Im Gegensatz dazu waren Niederschlagsereignisse relativ unbedeutend (im Durchschnitt wurden 21 % des jährlichen Austrags mit Niederschlagsereignissen in Verbindung gebracht). Daher konzentrierten sich die zweite und dritte Studie auf das Vent-Einzugsgebiet und sein Teileinzugsgebiet oberhalb des Pegels Vernagt (11,4 und 98 km², 1891 bis 3772 m ü. M.), da sie einen höheren Anteil an Gebieten oberhalb von 2500 m aufweisen. Außerdem wurden Abfluss, Niederschlag und Lufttemperatur (sowie deren Vorbedingungen) als Prädiktoren einbezogen. Die zweite Studie zielte darauf ab, den Sedimentexport seit den 1960er/70er Jahren an den Pegeln Vent und Vernagt abzuschätzen. Dies wurde durch die Verfügbarkeit langer Aufzeichnungen der Prädiktoren Abfluss, Niederschlag und Lufttemperatur sowie kürzerer Aufzeichnungen (vier und 15 Jahre) von aus Trübungsmessungen abgeleiteten Sedimentkonzentrationen an den beiden Pegeln ermöglicht. Die dritte Studie zielte darauf ab, den zukünftigen Sedimentexport bis zum Jahr 2100 abzuschätzen, indem die in der zweiten Studie entwickelten QRF-Modelle auf bereits existierende Niederschlags- und Temperaturprojektionen (EURO-CORDEX) und Abflussprojektionen (des physikalisch basierten hydroklimatologischen und Schneemodells AMUNDSEN) in den drei repräsentativen Konzentrationspfaden RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 angewendet wurden. Die kombinierten Ergebnisse der zweiten und dritten Studie legen nahe, dass der Sedimentexport in der Vergangenheit insgesamt zugenommen hat und in der Zukunft abnehmen wird. Dies deutet darauf hin, dass der Höhepunkt des Sedimenteintrags erreicht ist oder bereits überschritten wurde - es sei denn, die Niederschlagsveränderungen entwickeln sich anders, als es in den Projektionen dargestellt ist, oder Veränderungen in der Erodierbarkeit des Einzugsgebiets setzen sich durch. Trotz des allgemeinen Rückgangs in der Zukunft sind sehr hohe Sedimentausträge als Reaktion auf Niederschlagsereignisse möglich. Diese zweifältige Entwicklung hat wichtige Auswirkungen auf das Sedimentmanagement, die Hochwassergefahr und die Flussökologie. Diese Arbeit zeigt, dass QRF ein sehr nützliches Instrument zur Modellierung des Sedimentexports in hochalpinen Gebieten sein kann. Mehrere Validierungen in der zweiten Studie zeigten eine gute Modell-Performance und die Überlegenheit gegenüber traditionellen Sediment-Abfluss-Beziehungen – insbesondere in Zeiträumen, in denen es zu einem hohen Sedimentexport kam, was auf die Fähigkeit von QRF hinweist, mit Schwelleneffekten umzugehen. Eine technische Einschränkung von QRF ist die Unfähigkeit, über den Bereich der in den Trainingsdaten dargestellten Werte hinaus zu extrapolieren. Die Anzahl und den Schweregrad an solchen Tagen, in denen der Wertebereich der Trainingsdaten überschritten wurde, wurde in beiden Studien untersucht. Dabei zeigte sich, dass es in der zweiten Studie nur wenige solcher Tage gab und dass die mit den Überschreitungen verbundenen Unsicherheiten in der dritten Studie vor 2070 gering waren. Da die vorverarbeiteten Daten und der Modellcode öffentlich zugänglich gemacht wurden, können künftige Studien darauf aufbauend weitere Ansätze testen oder QRF auf weitere Einzugsgebiete anwenden. KW - suspended sediment KW - glacier melt KW - climate change KW - natural hazards KW - hydrology KW - geomorphology KW - Klimawandel KW - Geomorphologie KW - Gletscherschmelze KW - Hydrologie KW - Naturgefahren KW - suspendiertes Sediment Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-623302 ER - TY - THES A1 - Popp, Alexander T1 - An integrated modelling approach for sustainable management of semi-arid and arid rangelands T1 - Ein integrativer Modellierungsansatz für ein nachhaltiges Management semi-arider und arider Beweidungsgebiete N2 - The need to develop sustainable resource management strategies for semi-arid and arid rangelands is acute as non-adapted grazing strategies lead to irreversible environmental problems such as desertification and associated loss of economic support to society. In such vulnerable ecosystems, successful implementation of sustainable management strategies depends on well-founded under-standing of processes at different scales that underlay the complex system dynamic. There is ample evidence that, in contrast to traditional sectoral approaches, only interdisciplinary research does work for resolving problems in conservation and natural resource management. In this thesis I combined a range of modeling approaches that integrate different disciplines and spatial scales in order to contribute to basic guidelines for sustainable management of semi-arid and arid range-lands. Since water availability and livestock management are seen as most potent determinants for the dynamics of semi-arid and arid ecosystems I focused on (i) the interaction of ecological and hydro-logical processes and (ii) the effect of farming strategies. First, I developed a grid-based and small-scaled model simulating vegetation dynamics and inter-linked hydrological processes. The simulation results suggest that ecohydrological interactions gain importance in rangelands with ascending slope where vegetation cover serves to obstruct run-off and decreases evaporation from the soil. Disturbances like overgrazing influence these positive feedback mechanisms by affecting vegetation cover and composition. In the second part, I present a modeling approach that has the power to transfer and integrate ecological information from the small scale vegetation model to the landscape scale, most relevant for the conservation of biodiversity and sustainable management of natural resources. I combined techniques of stochastic modeling with remotely sensed data and GIS to investigate to which ex-tent spatial interactions, like the movement of surface water by run-off in water limited environments, affect ecosystem functioning at the landscape scale. My simulation experiments show that overgrazing decreases the number of vegetation patches that act as hydrological sinks and run-off increases. The results of both simulation models implicate that different vegetation types should not only be regarded as provider of forage production but also as regulator of ecosystem functioning. Vegetation patches with good cover of perennial vegetation are capable to catch and conserve surface run-off from degraded surrounding areas. Therefore, downstream out of the simulated system is prevented and efficient use of water resources is guaranteed at all times. This consequence also applies to commercial rotational grazing strategies for semi-arid and arid rangelands with ascending slope where non-degraded paddocks act as hydrological sinks. Finally, by the help of an integrated ecological-economic modeling approach, I analyzed the relevance of farmers’ ecological knowledge for longterm functioning of semi-arid and arid grazing systems under current and future climatic conditions. The modeling approach consists of an ecological and an economic module and combines relevant processes on either level. Again, vegetation dynamics and forage productivity is derived by the small-scaled vegetation model. I showed that sustainable management of semi-arid and arid rangelands relies strongly on the farmers’ knowledge on how the ecosystem works. Furthermore, my simulation results indicate that the projected lower annual rainfall due to climate change in combination with non-adapted grazing strategies adds an additional layer of risk to these ecosystems that are already prone to land degradation. All simulation models focus on the most essential factors and ignore specific details. Therefore, even though all simulation models are parameterized for a specific dwarf shrub savanna in arid southern Namibia, the conclusions drawn are applicable for semi-arid and arid rangelands in general. N2 - Nachhaltige Managementstrategien für semi-aride und aride Beweidungsgebiete sind äusserst bedeutend, da ein nicht nachhaltiges Management sehr schnell zu irreversiblen Umweltproblemen und damit verbundenem Verlust der ökonomischen Prosperität führt. Obwohl Wasserverfügbarkeit und Viehmanagement als die bedeutendsten Faktoren für die Dynamik semi-arider und arider Ökosysteme angesehen werden, ist deren Einfluss und Interaktion nicht genügend erforscht. Ziel der Dissertation war, das Wissen über diese Prozesse zu erweitern, um grundsätzliche Richtlinien für die nachhaltige Nutzung semi-arider und arider Beweidungsgebiete zu erstellen. Hierfür habe ich in dieser Arbeit, die aus drei aufeinander aufbauenden Teilen besteht, mehrere Modellierungstechniken kombiniert. Für den ersten Teil meiner Arbeit habe ich ein gitterbasiertes und kleinskaliges Modell entwickelt, welches die Vegetationsdynamik und damit verbundene hydrologische Prozesse wie Oberflächenabfluss und Evaporation simuliert. Da Entscheidungen zur nachhaltigen Nutzung von Resourcen auf der Landschaftsebene getroffen werden, stelle ich im zweiten Teil der Arbeit eine neue Methode vor, mit deren Hilfe man diese kleinskaligen ökologischen Informationen auf die Landschaftsebene übertragen kann. Um zu untersuchen wie Oberflächenabfluss das Funktionieren von Ökosystemen auf Landschaftsebene beeinflusst, habe ich Techniken der stochastischen Modellierung mit Techniken der Fernerkundung und GIS kombiniert.. Die Ergebnisse beider Simulationsmodelle implizieren, dass öko-hydrologische Interaktionen in Beweidungsgebieten mit ausgeprägter Topographie von Bedeutung sind. Verschiedene Vegetationstypen sollten nicht nur als Futterquelle für die Weidetiere betrachtet werden, sondern auch bezüglich ihrer Bedeutung als Regler der Ökosystemfunktion. Vegetationsbestände mit einem hohen Bedeckungsgrad an perennierender Vegetation können Oberflächenabfluss aus degradierten benachbarten Gebieten abfangen. Störungen wie Überweidung beeinflussen diesen positiven Rückkopplungsmechanismus negativ, indem sie Vegetationsbedeckung und -zusammensetzung verändern. Im letzten Teil der Arbeit habe ich mit Hilfe eines ökologisch-ökonomischen Simulationsmodells die Bedeutung des ökologischen Verständnisses der Farmer für ein langfristiges Funktionieren von semi-ariden und ariden Beweidungssystemen unter aktuellen und prognostizierten klimatischen Bedingungen untersucht. Auch hier wird die Vegetationsdynamik und – produktivität beider Module mit Hilfe des kleinskaligen Vegetationsmodells abgeleitet. Die Ergebnisse zeigen, dass ein nachhaltiges Management semi-arider und arider Savannen sehr stark vom Verständnis der Farmer für die Funktionsweise des Ökosystems abhängt. Des Weiteren weist das Modell darauf hin, dass ein durch den prognostizierten Klimawandel reduzierter Jahresniederschlag in Kombination mit nicht-angepassten Beweidungsstrategien ein hohes Risiko für diese Ökosysteme darstellt. Meine Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis grundlegender Prozesse der Ökosystemdynamik einer ariden Zwergstrauchsavanne im südlichen Namibia bei. Da sich alle drei Simulationsmodelle auf grundlegende Faktoren konzentrieren und spezifische Details ignorieren, können die Schlussfolgerungen auch auf andere semi-aride und aride Beweidungsgebiete übertragen werden. KW - Simulationsmodell KW - nachhaltige Landnutzung KW - Klimawandel KW - arid KW - simulation model KW - sustainable management KW - climate change KW - arid Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15103 ER - TY - JOUR A1 - Rolph, Rebecca A1 - Overduin, Pier Paul A1 - Ravens, Thomas A1 - Lantuit, Hugues A1 - Langer, Moritz T1 - ArcticBeach v1.0 BT - a physics-based parameterization of pan-Arctic coastline erosion JF - Frontiers in Earth Science N2 - In the Arctic, air temperatures are increasing and sea ice is declining, resulting in larger waves and a longer open water season, all of which intensify the thaw and erosion of ice-rich coasts. Climate change has been shown to increase the rate of Arctic coastal erosion, causing problems for Arctic cultural heritage, existing industrial, military, and civil infrastructure, as well as changes in nearshore biogeochemistry. Numerical models that reproduce historical and project future Arctic erosion rates are necessary to understand how further climate change will affect these problems, and no such model yet exists to simulate the physics of erosion on a pan-Arctic scale. We have coupled a bathystrophic storm surge model to a simplified physical erosion model of a permafrost coastline. This Arctic erosion model, called ArcticBeach v1.0, is a first step toward a physical parameterization of Arctic shoreline erosion for larger-scale models. It is forced by wind speed and direction, wave period and height, sea surface temperature, all of which are masked during times of sea ice cover near the coastline. Model tuning requires observed historical retreat rates (at least one value), as well as rough nearshore bathymetry. These parameters are already available on a pan-Arctic scale. The model is validated at three study sites at 1) Drew Point (DP), Alaska, 2) Mamontovy Khayata (MK), Siberia, and 3) Veslebogen Cliffs, Svalbard. Simulated cumulative retreat rates for DP and MK respectively (169 and 170 m) over the time periods studied at each site (2007-2016, and 1995-2018) are found to the same order of magnitude as observed cumulative retreat (172 and 120 m). The rocky Veslebogen cliffs have small observed cumulative retreat rates (0.05 m over 2014-2016), and our model was also able to reproduce this same order of magnitude of retreat (0.08 m). Given the large differences in geomorphology between the study sites, this study provides a proof-of-concept that ArcticBeach v1.0 can be applied on very different permafrost coastlines. ArcticBeach v1.0 provides a promising starting point to project retreat of Arctic shorelines, or to evaluate historical retreat in places that have had few observations. KW - permafrost KW - erosion KW - modelling KW - arctic KW - climate change Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3389/feart.2022.962208 SN - 2296-6463 VL - 10 PB - Frontiers Media CY - Lausanne ER - TY - GEN A1 - Smith, Taylor A1 - Bookhagen, Bodo T1 - Assessing Multi-Temporal Snow-Volume Trends in High Mountain Asia From 1987 to 2016 Using High-Resolution Passive Microwave Data T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - High Mountain Asia (HMA) is dependent upon both the amount and timing of snow and glacier meltwater. Previous model studies and coarse resolution (0.25° × 0.25°, ∼25 km × 25 km) passive microwave assessments of trends in the volume and timing of snowfall, snowmelt, and glacier melt in HMA have identified key spatial and seasonal heterogeneities in the response of snow to changes in regional climate. Here we use recently developed, continuous, internally consistent, and high-resolution passive microwave data (3.125 km × 3.125 km, 1987–2016) from the special sensor microwave imager instrument family to refine and extend previous estimates of changes in the snow regime of HMA. We find an overall decline in snow volume across HMA; however, there exist spatially contiguous regions of increasing snow volume—particularly during the winter season in the Pamir, Karakoram, Hindu Kush, and Kunlun Shan. Detailed analysis of changes in snow-volume trends through time reveal a large step change from negative trends during the period 1987–1997, to much more positive trends across large regions of HMA during the periods 1997–2007 and 2007–2016. We also find that changes in high percentile monthly snow-water volume exhibit steeper trends than changes in low percentile snow-water volume, which suggests a reduction in the frequency of high snow-water volumes in much of HMA. Regions with positive snow-water storage trends generally correspond to regions of positive glacier mass balances. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1020 KW - snow KW - glacier KW - climate change KW - passive microwave KW - special sensor microwave imager KW - special sensor microwave imager/sounder Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-484176 SN - 1866-8372 IS - 1020 ER - TY - JOUR A1 - Smith, Taylor A1 - Bookhagen, Bodo T1 - Assessing Multi-Temporal Snow-Volume Trends in High Mountain Asia From 1987 to 2016 Using High-Resolution Passive Microwave Data JF - Frontiers in Earth Science N2 - High Mountain Asia (HMA) is dependent upon both the amount and timing of snow and glacier meltwater. Previous model studies and coarse resolution (0.25° × 0.25°, ∼25 km × 25 km) passive microwave assessments of trends in the volume and timing of snowfall, snowmelt, and glacier melt in HMA have identified key spatial and seasonal heterogeneities in the response of snow to changes in regional climate. Here we use recently developed, continuous, internally consistent, and high-resolution passive microwave data (3.125 km × 3.125 km, 1987–2016) from the special sensor microwave imager instrument family to refine and extend previous estimates of changes in the snow regime of HMA. We find an overall decline in snow volume across HMA; however, there exist spatially contiguous regions of increasing snow volume—particularly during the winter season in the Pamir, Karakoram, Hindu Kush, and Kunlun Shan. Detailed analysis of changes in snow-volume trends through time reveal a large step change from negative trends during the period 1987–1997, to much more positive trends across large regions of HMA during the periods 1997–2007 and 2007–2016. We also find that changes in high percentile monthly snow-water volume exhibit steeper trends than changes in low percentile snow-water volume, which suggests a reduction in the frequency of high snow-water volumes in much of HMA. Regions with positive snow-water storage trends generally correspond to regions of positive glacier mass balances. KW - snow KW - glacier KW - climate change KW - passive microwave KW - special sensor microwave imager KW - special sensor microwave imager/sounder Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.3389/feart.2020.559175 SN - 2296-6463 VL - 8 PB - Frontiers Media CY - Lausanne ER - TY - THES A1 - Mogrovejo Arias, Diana Carolina T1 - Assessment of the frequency and relevance of potentially pathogenic phenotypes in microbial isolates from Arctic environments N2 - The Arctic environments constitute rich and dynamic ecosystems, dominated by microorganisms extremely well adapted to survive and function under severe conditions. A range of physiological adaptations allow the microbiota in these habitats to withstand low temperatures, low water and nutrient availability, high levels of UV radiation, etc. In addition, other adaptations of clear competitive nature are directed at not only surviving but thriving in these environments, by disrupting the metabolism of neighboring cells and affecting intermicrobial communication. Since Arctic microbes are bioindicators which amplify climate alterations in the environment, the Arctic region presents the opportunity to study local microbiota and carry out research about interesting, potentially virulent phenotypes that could be dispersed into other habitats around the globe as a consequence of accelerating climate change. In this context, exploration of Arctic habitats as well as descriptions of the microbes inhabiting them are abundant but microbial competitive strategies commonly associated with virulence and pathogens are rarely reported. In this project, environmental samples from the Arctic region were collected and microorganisms (bacteria and fungi) were isolated. The clinical relevance of these microorganisms was assessed by observing the following virulence markers: ability to grow at a range of temperatures, expression of antimicrobial resistance and production of hemolysins. The aim of this project is to determine the frequency and relevance of these characteristics in an effort to understand microbial adaptations in habitats threatened by climate change. The isolates obtained and described here were able to grow at a range of temperatures, in some cases more than 30 °C higher than their original isolation temperature. A considerable number of them consistently expressed compounds capable of lysing sheep and bovine erythrocytes on blood agar at different incubation temperatures. Ethanolic extracts of these bacteria were able to cause rapid and complete lysis of erythrocyte suspensions and might even be hemolytic when assayed on human blood. In silico analyses showed a variety of resistance elements, some of them novel, against natural and synthetic antimicrobial compounds. In vitro experiments against a number of antimicrobial compounds showed resistance phenotypes belonging to wild-type populations and some non-wild type which clearly denote human influence in the acquisition of antimicrobial resistance. The results of this project demonstrate the presence of virulence-associated factors expressed by microorganisms of natural, non-clinical environments. This study contains some of the first reports, to the best of our knowledge, of hemolytic microbes isolated from the Arctic region. In addition, it provides additional information about the presence and expression of intrinsic and acquired antimicrobial resistance in environmental isolates, contributing to the understanding of the evolution of relevant pathogenic species and opportunistic pathogens. Finally, this study highlights some of the potential risks associated with changes in the polar regions (habitat melting and destruction, ecosystem transition and re-colonization) as important indirect consequences of global warming and altered climatic conditions around the planet. N2 - Die Arktis ist ein reiches und dynamisches Ökosystem, welches von Mikroorganismen dominiert wird, die unter extremen Bedingungen überleben und funktionieren können. Eine Reihe physiologischer Anpassungen ermöglichen es der Mikrobiota, in diesem Lebensraum zu überdauern niedrige Temperaturen, geringe Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit, hohe UV-Strahlung, usw. standzuhalten. Andere Fähigkeiten zielen darauf ab, sich einen Konkurrenzvorteil zu verschaffen, indem sie mit antimikrobiellen Substanzen benachbarte Mikroorganismen stören und die intermikrobielle Kommunikation beeinflussen. Arktische Mikroorganismen sind Bioindikatoren, die Klimaveränderungen anzeigen können. Die Arktis bietet Möglichkeiten, die lokale Mikrobiota zu untersuchen, um Rückschlüsse auf den Klimawandel zu ziehen. Insbesondere Forschung über potenziell pathogene Phänotypen, die infolge der Beschleunigung des Klimawandels in andere Lebensräume auf der ganzen Welt verteilt werden könnten, ist hier von herausragender Bedeutung. In diesem Zusammenhang gibt es zahlreiche Untersuchungen zur Erforschung arktischer Lebensräume sowie Beschreibungen der in ihnen lebenden Mikroben, während über bakterielle Konkurrenzstrategien, die üblicherweise mit Virulenz und Krankheitserregern verbunden sind, bisher wenig geforscht wurde. In diesem Projekt wurden Umweltproben aus der Arktis entnommen und Bakterien und Pilze isoliert. Die klinische Relevanz dieser Mikroorganismen wurde durch Untersuchung der folgenden Virulenzmarker bewertet: Fähigkeit, in einem bestimmten Temperaturbereich zu wachsen, Expression von Antibiotikaresistenz und Produktion von Hämolysinen. Ziel dieses Projekts war es, das Vorkommen dieser Eigenschaften zu bestimmen, um die mikrobiellen Anpassungen in vom Klimawandel bedrohten Lebensräumen zu verstehen. Die beschriebenen Bakterienisolate konnten in einem relevanten Temperaturbereich wachsen, in einigen Fällen von mehr als 30 °C höher als ihre ursprüngliche Isolationstemperatur. Eine beträchtliche Anzahl der Isolate exprimierte konsistent Verbindungen, die Schaf- und Rindererythrozyten auf Blutagar bei verschiedenen Inkubationstemperaturen lysieren können. Die Extrakte einiger dieser Bakterien konnten eine schnelle und vollständige Lyse von Schaf- und Rindererythrozytensuspensionen verursachen und sind möglicherweise sogar hämolytisch gegenüber humanem Blut. Darüber hinaus zeigten Genomanalysen eine Vielzahl von Resistenzgenen gegen natürliche und synthetische antimikrobielle Verbindungen, einige neuartige. In-vitro-Experimente zeigten, dass einige Resistenzphänotypen zu Wildtyp-Populationen während andere zu Nicht-Wildtyp gehören, was auf einen menschlichen Einfluss auf den Erwerb von Antibiotikaresistenzen in der Umwelt eindeutig hindeutet. Die Ergebnisse dieses Projekts zeigen das Vorhandensein von Virulenz-assoziierten Faktoren, die von Mikroorganismen natürlicher, nicht klinischer Umgebungen exprimiert werden. Diese Studie enthält nach unserem besten Wissen einige der ersten Berichte über hämolytische Mikroben, die aus der Arktis isoliert wurden. Darüber hinaus liefert es zusätzliche Informationen über das Vorhandensein und die Expression von intrinsischer und erworbener antimikrobieller Resistenz in Umweltisolaten und trägt zum Verständnis der Entwicklung relevanter pathogener Spezies und opportunistischer Pathogene bei. Schließlich beleuchtet diese Studie einige der potenziellen Risiken, die mit Veränderungen in den Polarregionen (Schmelzen und Zerstörung des Lebensraums, Übergang des Ökosystems und Wiederbesiedlung) als wichtige indirekte Folgen der globalen Erwärmung und veränderter klimatischer Bedingungen auf dem Planeten verbunden sind. KW - Arctic KW - pathogens KW - virulence KW - hemolysis KW - antimicrobial resistance KW - climate change KW - bacteria KW - fungi KW - thermotolerance KW - antibiotic resistance KW - Arktis KW - Krankheitserreger KW - Virulenz KW - Hämolyse KW - Antibiotikaresistenz KW - Klimawandel KW - Bakterien KW - Pilze KW - Thermotoleranz Y1 - 2021 N1 - The author would like to acknowledge that the project leading to this doctoral dissertation has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No. 675546, research project “Microorganisms in Warming Arctic Environments - MicroArctic”. ER -