TY - THES A1 - Zhou, Xiangqian T1 - Modeling of spatially distributed nitrate transport to investigate the effects of drought and river restoration in the Bode catchment, Central Germany N2 - The European Water Framework Directive (WFD) has identified river morphological alteration and diffuse pollution as the two main pressures affecting water bodies in Europe at the catchment scale. Consequently, river restoration has become a priority to achieve the WFD's objective of good ecological status. However, little is known about the effects of stream morphological changes, such as re-meandering, on in-stream nitrate retention at the river network scale. Therefore, catchment nitrate modeling is necessary to guide the implementation of spatially targeted and cost-effective mitigation measures. Meanwhile, Germany, like many other regions in central Europe, has experienced consecutive summer droughts from 2015-2018, resulting in significant changes in river nitrate concentrations in various catchments. However, the mechanistic exploration of catchment nitrate responses to changing weather conditions is still lacking. Firstly, a fully distributed, process-based catchment Nitrate model (mHM-Nitrate) was used, which was properly calibrated and comprehensively evaluated at numerous spatially distributed nitrate sampling locations. Three calibration schemes were designed, taking into account land use, stream order, and mean nitrate concentrations, and they varied in spatial coverage but used data from the same period (2011–2019). The model performance for discharge was similar among the three schemes, with Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) scores ranging from 0.88 to 0.92. However, for nitrate concentrations, scheme 2 outperformed schemes 1 and 3 when compared to observed data from eight gauging stations. This was likely because scheme 2 incorporated a diverse range of data, including low discharge values and nitrate concentrations, and thus provided a better representation of within-catchment heterogenous. Therefore, the study suggests that strategically selecting gauging stations that reflect the full range of within-catchment heterogeneity is more important for calibration than simply increasing the number of stations. Secondly, the mHM-Nitrate model was used to reveal the causal relations between sequential droughts and nitrate concentration in the Bode catchment (3200 km2) in central Germany, where stream nitrate concentrations exhibited contrasting trends from upstream to downstream reaches. The model was evaluated using data from six gauging stations, reflecting different levels of runoff components and their associated nitrate-mixing from upstream to downstream. Results indicated that the mHM-Nitrate model reproduced dynamics of daily discharge and nitrate concentration well, with Nash-Sutcliffe Efficiency ≥ 0.73 for discharge and Kling-Gupta Efficiency ≥ 0.50 for nitrate concentration at most stations. Particularly, the spatially contrasting trends of nitrate concentration were successfully captured by the model. The decrease of nitrate concentration in the lowland area in drought years (2015-2018) was presumably due to (1) limited terrestrial export loading (ca. 40% lower than that of normal years 2004-2014), and (2) increased in-stream retention efficiency (20% higher in summer within the whole river network). From a mechanistic modelling perspective, this study provided insights into spatially heterogeneous flow and nitrate dynamics and effects of sequential droughts, which shed light on water-quality responses to future climate change, as droughts are projected to be more frequent. Thirdly, this study investigated the effects of stream restoration via re-meandering on in-stream nitrate retention at network-scale in the well-monitored Bode catchment. The mHM-Nitrate model showed good performance in reproducing daily discharge and nitrate concentrations, with median Kling-Gupta values of 0.78 and 0.74, respectively. The mean and standard deviation of gross nitrate retention efficiency, which accounted for both denitrification and assimilatory uptake, were 5.1 ± 0.61% and 74.7 ± 23.2% in winter and summer, respectively, within the stream network. The study found that in the summer, denitrification rates were about two times higher in lowland sub-catchments dominated by agricultural lands than in mountainous sub-catchments dominated by forested areas, with median ± SD of 204 ± 22.6 and 102 ± 22.1 mg N m-2 d-1, respectively. Similarly, assimilatory uptake rates were approximately five times higher in streams surrounded by lowland agricultural areas than in those in higher-elevation, forested areas, with median ± SD of 200 ± 27.1 and 39.1 ± 8.7 mg N m-2 d-1, respectively. Therefore, restoration strategies targeting lowland agricultural areas may have greater potential for increasing nitrate retention. The study also found that restoring stream sinuosity could increase net nitrate retention efficiency by up to 25.4 ± 5.3%, with greater effects seen in small streams. These results suggest that restoration efforts should consider augmenting stream sinuosity to increase nitrate retention and decrease nitrate concentrations at the catchment scale. N2 - Die Europäische Wasserrahmenrichtlinie hat die morphologischen Veränderungen der Flüsse und die diffuse Verschmutzung als die Hauptprobleme der Gewässer in Europa identifiziert. Um diese Probleme anzugehen, hat die Renaturierung von Fließgewässern hohe Priorität. Es ist jedoch nur wenig darüber bekannt, wie sich Veränderungen der Flussform, wie z. B. die Re-Mäanderung, auf die Nitratrückhaltung im Fließgewässer auswirken. Deutschland hat in den letzten Jahren Dürreperioden erlebt, die zu Veränderungen der Nitratkonzentration in den Fließgewässern geführt haben. Es gibt jedoch nur wenig Erkenntnisse darüber, wie sich diese Dürreperioden auf die Nitratkonzentration auswirken. Zur Untersuchung dieser Einflüsse kann eine Modellierung des Nitrat-Transports und -Rückhalts in Einzugsgebieten wichtige Hinweise zu wirksamen Reduzierungsmaßnahmen liefern. In dieser Studie wurde ein prozessbasiertes hydrologisches Wasserqualitätsmodell (mHM-Nitrate) verwendet, um die Nitratdynamik im Einzugsgebiet der Bode (3200 km2) zu simulieren. Das Modell wurde anhand von Daten aus verschiedenen Teileinzugsgebieten kalibriert und bewertet. Es wurden drei Kalibrierungsvarianten entwickelt, die die Flächennutzung, die Ordnung der Fließgewässer und die mittleren Nitratkonzentrationen mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad berücksichtigten. Die Modellierungsgüte für den Abfluss war bei allen drei Kalibrierungsvarianten ähnlich, während sich bei den Nitratkonzentrationen deutliche Unterschiede ergaben. Die Studie zeigte, dass die Auswahl von Messstationen, die die charakteristischen Gebietseigenschaften widerspiegeln, für die Nitrat-Kalibrierung wichtiger ist als die reine Anzahl der Messstationen. Das Modell wurde auch verwendet, um die Beziehung zwischen Dürreperioden und der Nitratdynamik im Bodegebiet zu untersuchen. Das Modell gab die Dynamik von Abfluss und Nitrat sehr gut wider und erfasste hierbei auch die räumlichen Unterschiede in den Nitratkonzentrationen sehr gut. Die Studie ergab, dass Dürreperioden zu niedrigeren Nitratkonzentrationen in den landwirtschaftlich genutzten Gebieten im Tiefland führten, was auf einen geringeren terrestrischen Export und einen erhöhten Rückhalt in den Fließgewässern zurückzuführen war. Die Untersuchung liefert Erkenntnisse über die Auswirkungen von Dürren auf den Nitrataustrag, was für das Verständnis der Auswirkungen des künftigen Klimawandels wichtig ist. Darüber hinaus untersuchte die Studie die Auswirkungen der Renaturierung von Fließgewässern, insbesondere der Re-Mäanderung, auf die Nitratrückhaltung im Fließgewässernetz. Die Untersuchung zeigte, dass der gewässerinterne Nitratrückhalt in landwirtschaftlichen Tieflandgebieten höher war als in bewaldeten Gebieten. Die Wiederherstellung natürlich meandrierender Fließgewässer erhöhte die Nitratretention und verringerte die Nitratkonzentration im Fließgewässer, insbesondere in kleinen Bächen in landwirtschaftlichen Gebieten. Dies deutet darauf hin, dass bei Sanierungsmaßnahmen die Erhöhung der Gewässersinuosität berücksichtigt werden sollte, um den Nitratrückhalt und die Wasserqualität insbesondere in den Teiflandgebieten zu erhöhen. KW - multi-site calibration KW - spatiotemporal validation KW - uncertainty KW - parameter transferability KW - drought KW - catchment hydrology Water quality model KW - river restoration KW - stream sinuosity KW - mHM-Nitrate model KW - stream denitrification KW - assimilatory uptake KW - Kalibrierung an mehreren Standorten KW - räumlich-zeitliche Validierung KW - Ungewissheit KW - Übertragbarkeit der Parameter KW - Dürre KW - Einzugsgebietshydrologie Wasserqualitätsmodell KW - Restaurierung von Flüssen KW - Strömungsneigung KW - mHM-Nitrat-Modell KW - Bachdenitrifikation KW - assimilatorische Aufnahme Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-621059 ER - TY - GEN A1 - Miechielsen, Milena A1 - Schmidt, Katja T1 - Leitfaden für die Erstellung von kommunalen Aktionsplänen zur Steigerung der urbanen Klimaresilienz N2 - Die durch Klimaveränderungen hervorgerufenen Auswirkungen auf Menschen und Umwelt werden immer offensichtlicher: Neben der gesundheitlichen Gefährdung durch Hitzewellen, die deutschlandweit seit einigen Jahren eine steigende Rate an Todes- und Krankheitsfällen zur Folge hat sind in den letzten Jahren zunehmend Starkniederschläge und daraus resultierenden Überschwemmungen bzw. Sturzfluten aufgetreten. Diese ziehen zum Teil immensen wirtschaftlichen Schäden, aber auch Beeinträchtigungen für die menschliche Gesundheit – sowohl physisch als auch psychisch – sowie gar Todesopfer nach sich. Es ist davon auszugehen, dass diese Extremwetterereignisse zukünftiger noch häufiger auftreten werden. Um die Bevölkerung besser vor den Folgen dieser Wetterextreme zu schützen, sind neben Klimaschutzmaßnahmen auch Vorsorge- und Anpassungsmaßnahmen zur Steigerung der kommunalen Klimaresilienz dringend notwendig. Dazu bedarf es einerseits einer Auseinandersetzung mit den eigenen kommunalen Risiken und daraus resultierenden Handlungsbedarfen, und andererseits eines interdisziplinären, querschnittsorientierten und prozessorientierten Planens und Handelns. Aktionspläne sollen diese beiden Aspekte bündeln. In den letzten Jahren sind einige kommunale und kommunenübergreifende (Hitze-) aufgestellt worden. Diese unterscheiden sich jedoch in ihrem Inhalt und Umfang zum Teil erheblich. Mit dem vorliegenden Leitfaden soll eine effektive Hilfestellung geschaffen werden, um Kommunen bzw. die kommunale Verwaltung auf dem Weg zum eigenen Aktionsplan zu unterstützt. Dabei fokussiert der Leitfaden auf die Herausforderungen, die sich durch vermehrte Hitze- und Starkregenereignisse ergeben. Er stützt sich auf schon vorhandene Arbeitshilfen, Handlungsempfehlungen, Leitfäden und weitere Hinweise und verweist an vielen Stellen auch darauf. So soll ein praxistauglicher Leitfaden entstehen, der flexibel anwendbar ist. Mit Hilfe des vorliegenden Leitfadens können Kommunen ihre Aktivitäten auf Hitze oder Starkregen fokussieren oder einen umfassenden Aktionsplan für beide Themenbereiche erstellen. N2 - The effects of climate change on people and the environment are becoming ever more apparent: in addition to the health risks posed by heatwaves, which have resulted in an increasing number of deaths and illnesses across Germany in recent years, heavy rainfall and the resulting floods and flash floods have become more frequent in recent years. In some cases, these have caused immense economic damage, but have also had a negative impact on human health - both physically and psychologically - and even resulted in fatalities. It can be assumed that these extreme weather events will occur even more frequently in the future. In order to protect the population from the consequences of these extreme weather events, precautionary and adaptation measures to increase municipal climate resilience are urgently needed in addition to climate protection measures. This requires, on the one hand, an examination of the local authority's own risks and the resulting need for action and, on the other hand, interdisciplinary, cross-sectional and process-oriented planning and action. Action plans should combine these two aspects. A number of municipal and cross-municipal (heat) plans have been drawn up in recent years. However, some of these differ considerably in terms of content and scope. The aim of this guide is to provide effective assistance to support municipalities and municipal administrations on the path to their own action plan. It focuses on the challenges posed by increased heat and heavy rainfall events. It is based on existing work aids, recommendations for action, guidelines and other information and also refers to them in many places. The aim is to create a practical guide that can be applied flexibly. With the help of this guide, local authorities can focus their activities on heat or heavy rainfall or create a comprehensive action plan for both topics. KW - Klimaresilienz KW - Hitzeaktionsplan KW - Starkregen KW - Klimaanpassung KW - climate mitigation KW - pluvial flooding KW - heat action plan KW - climate resilience KW - Stadtplanung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-630578 ER - TY - THES A1 - Li, Yunfei T1 - On the influence of density and morphology on the Urban Heat Island intensity N2 - The urban heat island (UHI) effect, describing an elevated temperature of urban areas compared with their natural surroundings, can expose urban dwellers to additional heat stress, especially during hot summer days. A comprehensive understanding of the UHI dynamics along with urbanization is of great importance to efficient heat stress mitigation strategies towards sustainable urban development. This is, however, still challenging due to the difficulties of isolating the influences of various contributing factors that interact with each other. In this work, I present a systematical and quantitative analysis of how urban intrinsic properties (e.g., urban size, density, and morphology) influence UHI intensity. To this end, we innovatively combine urban growth modelling and urban climate simulation to separate the influence of urban intrinsic factors from that of background climate, so as to focus on the impact of urbanization on the UHI effect. The urban climate model can create a laboratory environment which makes it possible to conduct controlled experiments to separate the influences from different driving factors, while the urban growth model provides detailed 3D structures that can be then parameterized into different urban development scenarios tailored for these experiments. The novelty in the methodology and experiment design leads to the following achievements of our work. First, we develop a stochastic gravitational urban growth model that can generate 3D structures varying in size, morphology, compactness, and density gradient. We compare various characteristics, like fractal dimensions (box-counting, area-perimeter scaling, area-population scaling, etc.), and radial gradient profiles of land use share and population density, against those of real-world cities from empirical studies. The model shows the capability of creating 3D structures resembling real-world cities. This model can generate 3D structure samples for controlled experiments to assess the influence of some urban intrinsic properties in question. [Chapter 2] With the generated 3D structures, we run several series of simulations with urban structures varying in properties like size, density and morphology, under the same weather conditions. Analyzing how the 2m air temperature based canopy layer urban heat island (CUHI) intensity varies in response to the changes of the considered urban factors, we find the CUHI intensity of a city is directly related to the built-up density and an amplifying effect that urban sites have on each other. We propose a Gravitational Urban Morphology (GUM) indicator to capture the neighbourhood warming effect. We build a regression model to estimate the CUHI intensity based on urban size, urban gross building volume, and the GUM indicator. Taking the Berlin area as an example, we show the regression model capable of predicting the CUHI intensity under various urban development scenarios. [Chapter 3] Based on the multi-annual average summer surface urban heat island (SUHI) intensity derived from Land surface temperature, we further study how urban intrinsic factors influence the SUHI effect of the 5,000 largest urban clusters in Europe. We find a similar 3D GUM indicator to be an effective predictor of the SUHI intensity of these European cities. Together with other urban factors (vegetation condition, elevation, water coverage), we build different multivariate linear regression models and a climate space based Geographically Weighted Regression (GWR) model that can better predict SUHI intensity. By investigating the roles background climate factors play in modulating the coefficients of the GWR model, we extend the multivariate linear model to a nonlinear one by integrating some climate parameters, such as the average of daily maximal temperature and latitude. This makes it applicable across a range of background climates. The nonlinear model outperforms linear models in SUHI assessment as it captures the interaction of urban factors and the background climate. [Chapter 4] Our work reiterates the essential roles of urban density and morphology in shaping the urban thermal environment. In contrast to many previous studies that link bigger cities with higher UHI intensity, we show that cities larger in the area do not necessarily experience a stronger UHI effect. In addition, the results extend our knowledge by demonstrating the influence of urban 3D morphology on the UHI effect. This underlines the importance of inspecting cities as a whole from the 3D perspective. While urban 3D morphology is an aggregated feature of small-scale urban elements, the influence it has on the city-scale UHI intensity cannot simply be scaled up from that of its neighbourhood-scale components. The spatial composition and configuration of urban elements both need to be captured when quantifying urban 3D morphology as nearby neighbourhoods also cast influences on each other. Our model serves as a useful UHI assessment tool for the quantitative comparison of urban intervention/development scenarios. It can support harnessing the capacity of UHI mitigation through optimizing urban morphology, with the potential of integrating climate change into heat mitigation strategies. N2 - Der städtische Wärmeinseleffekt (engl. Urban Heat Island – UHI) beschreibt höhere Temperaturen in städtischen Gebieten im Vergleich zur natürlichen Umgebung, was zu einer erhöhten Hitzebelastung für städtische Bewohner führt. Das Verständnis der UHI-Dynamik im Zusammenhang mit der Urbanisierung ist entscheidend für die Entwicklung effektiver Strategien zur Minderung von Hitzestress und für eine nachhaltige städtische Entwicklung. Es bleibt jedoch herausfordernd, die Einflüsse verschiedener Faktoren zu trennen. Diese Arbeit stellt eine systematische und quantitative Analyse dar, inwieweit die Eigenschaften einer Stadt wie Dichte und Form die UHI-Intensität beeinflussen können. Zu diesem Zweck kombinieren wir das Modellieren des Stadtwachstums und des Stadtklimas, um den Einfluss städtischer Faktoren von der Hintergrundklimatologie zu trennen und den Fokus auf die Auswirkungen der Urbanisierung auf den UHI-Effekt zu legen. Mittels des Stadtklimamodels mit kontrollierten Einstellungen können die Auswirkungen verschiedener treibender Faktoren bewertet werden, während das Stadtwachstumsmodell detaillierte 3D-Strukturen für verschiedene Stadtentwicklungsszenarien erzeugt. Wir stellen ein physikalisches Stadtwachstumsmodell vor, das 3D-Strukturen mit unterschiedlicher Größe, Form, Dichte und Verteilung erzeugen kann. Wir überprüfen die Genauigkeit des Modells, indem wir seine Eigenschaften mit denen realer Städte vergleichen. Mit den generierten 3D-Strukturen führen wir mehrere Simulationen unter den gleichen Wetterbedingungen durch, um zu untersuchen, wie Veränderungen in städtischen Faktoren wie Größe, Dichte und Form die UHI-Intensität beeinflussen. Die Studie zeigt, dass die Dichte der bebauten Fläche und die Wechselwirkungen zwischen städtischen Standorten direkt mit der UHI-Intensität zusammenhängen. Um den Einfluss der Nachbarschaftserwärmung zu messen, führen wir einen Indikator namens Gravitational Urban Morphology (GUM) ein. Darüber hinaus entwickeln wir ein Regressionsmodell, das die UHI-Intensität anhand der Stadtgröße, des gesamten Gebäudevolumens und des GUM-Indikators schätzt. Des Weiteren untersuchen wir, wie bestimmte Faktoren in Städten den durch die Landoberflächentemperatur gemessenen städtischen Wärmeinseleffekt (engl. Surface Urban Heat Island – SUHI) in den 5.000 größten städtischen Ballungsräume in Europa beeinflussen. Hierbei stützen wir uns auf mehrjährige durchschnittliche Landoberflächentemperaturen während des Sommers. Wir stellen fest, dass ein ähnlicher GUM-Indikator ein effektiverer Vorhersagefaktor für die SUHI-Intensität. Um die Intensität der städtischen Wärmeinsel genauer vorhersagen zu können, berücksichtigen wir auch andere städtische Faktoren wie den Zustand der Vegetation, die Höhe, die Wasserfläche und Klimaparameter. Hierfür entwickeln wir verschiedene Regressionsmodelle. Das nichtlineare Modell, das Klimaparameter einbezieht und die Wechselwirkung zwischen städtischen Faktoren und dem Hintergrundklima berücksichtigt, erzielt bessere Ergebnisse als lineare Modelle bei der Bewertung der städtischen Wärmeinsel. Die Arbeit beleuchtet die Bedeutung der Dichte und Form einer Stadt für die Entstehung ihrer eigenen thermischen Umgebung. Dabei wird die Annahme infrage gestellt, dass größere Städte zwangsläufig einen stärkeren UHI-Effekt haben. Stattdessen wird die Bedeutung der 3D-Struktur der Stadt hervorgehoben. Die Studie betont die Notwendigkeit, Städte als Ganzes und aus einer 3D-Perspektive zu betrachten. Der Einfluss der Stadtformen kann nicht einfach von kleineren Bestandteilen aufaddiert werden. Unser Modell ist ein nützliches Werkzeug, um verschiedene Stadtplanungsszenarien und ihre Auswirkungen quantitativ zu vergleichen. Es unterstützt auch die Bemühungen, den UHI-Effekt durch Optimierung der städtischen Morphologie zu reduzieren und den Klimawandel in Strategien zur Bekämpfung von Hitze einzubeziehen. KW - urban heat island KW - simulation, size KW - density KW - morphology KW - Dichte KW - Morphologie KW - Simulation, Größe KW - städtisch KW - städtischer Wärmeinseleffekt Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-621504 ER - TY - THES A1 - Hartmann, Anne T1 - Tracing the evolution of hillslope structure and hillslope hydrological response over ten millennia in two glacial forefields of different geology T1 - Nachverfolgung der Evolution von Hangstruktur und hydrologischer Reaktion über zehn Jahrtausende in zwei Gletschervorfeldern N2 - Assessing the impact of global change on hydrological systems is one of the greatest hydrological challenges of our time. Changes in land cover, land use, and climate have an impact on water quantity, quality, and temporal availability. There is a widespread consensus that, given the far-reaching effects of global change, hydrological systems can no longer be viewed as static in their structure; instead, they must be regarded as entire ecosystems, wherein hydrological processes interact and coevolve with biological, geomorphological, and pedological processes. To accurately predict the hydrological response under the impact of global change, it is essential to understand this complex coevolution. The knowledge of how hydrological processes, in particular the formation of subsurface (preferential) flow paths, evolve within this coevolution and how they feed back to the other processes is still very limited due to a lack of observational data. At the hillslope scale, this intertwined system of interactions is known as the hillslope feedback cycle. This thesis aims to enhance our understanding of the hillslope feedback cycle by studying the coevolution of hillslope structure and hillslope hydrological response. Using chronosequences of moraines in two glacial forefields developed from siliceous and calcareous glacial till, the four studies shed light on the complex coevolution of hydrological, biological, and structural hillslope properties, as well as subsurface hydrological flow paths over an evolutionary period of 10 millennia in these two contrasting geologies. The findings indicate that the contrasting properties of siliceous and calcareous parent materials lead to variations in soil structure, permeability, and water storage. As a result, different plant species and vegetation types are favored on siliceous versus calcareous parent material, leading to diverse ecosystems with distinct hydrological dynamics. The siliceous parent material was found to show a higher activity level in driving the coevolution. The soil pH resulting from parent material weathering emerges as a crucial factor, influencing vegetation development, soil formation, and consequently, hydrology. The acidic weathering of the siliceous parent material favored the accumulation of organic matter, increasing the soils’ water storage capacity and attracting acid-loving shrubs, which further promoted organic matter accumulation and ultimately led to podsolization after 10 000 years. Tracer experiments revealed that the subsurface flow path evolution was influenced by soil and vegetation development, and vice versa. Subsurface flow paths changed from vertical, heterogeneous matrix flow to finger-like flow paths over a few hundred years, evolving into macropore flow, water storage, and lateral subsurface flow after several thousand years. The changes in flow paths among younger age classes were driven by weathering processes altering soil structure, as well as by vegetation development and root activity. In the older age class, the transition to more water storage and lateral flow was attributed to substantial organic matter accumulation and ongoing podsolization. The rapid vertical water transport in the finger-like flow paths, along with the conductive sandy material, contributed to podsolization and thus to the shift in the hillslope hydrological response. In contrast, the calcareous site possesses a high pH buffering capacity, creating a neutral to basic environment with relatively low accumulation of dead organic matter, resulting in a lower water storage capacity and the establishment of predominantly grass vegetation. The coevolution was found to be less dynamic over the millennia. Similar to the siliceous site, significant changes in subsurface flow paths occurred between the young age classes. However, unlike the siliceous site, the subsurface flow paths at the calcareous site only altered in shape and not in direction. Tracer experiments showed that flow paths changed from vertical, heterogeneous matrix flow to vertical, finger-like flow paths after a few hundred to thousands of years, which was driven by root activities and weathering processes. Despite having a finer soil texture, water storage at the calcareous site was significantly lower than at the siliceous site, and water transport remained primarily rapid and vertical, contributing to the flourishing of grass vegetation. The studies elucidated that changes in flow paths are predominantly shaped by the characteristics of the parent material and its weathering products, along with their complex interactions with initial water flow paths and vegetation development. Time, on the other hand, was not found to be a primary factor in describing the evolution of the hydrological response. This thesis makes a valuable contribution to closing the gap in the observations of the coevolution of hydrological processes within the hillslope feedback cycle, which is important to improve predictions of hydrological processes in changing landscapes. Furthermore, it emphasizes the importance of interdisciplinary studies in addressing the hydrological challenges arising from global change. N2 - Die Einschätzung der Auswirkungen des globalen Wandels auf die lokale Hydrologie stellt zweifellos eine der bedeutendsten hydrologischen Herausforderungen unserer Zeit dar. Die zuverlässige Vorhersage der zukünftigen Verfügbarkeit, Menge und Qualität des Wassers in Landschaften gewinnt dabei an höchster Bedeutung. Es herrscht weitgehender Konsens darüber, dass hydrologische Systeme aufgrund des globalen Wandels nicht mehr als statische Gebilde betrachtet werden können. Vielmehr sind sie als ganzheitliche Ökosysteme zu verstehen, in denen hydrologische Prozesse mit biologischen, geomorphologischen und pedologischen Faktoren interagieren und sich gemeinsam entwickeln. Allerdings ist das Wissen über die Entwicklung und die Rückkopplung hydrologischer Prozesse, insbesondere im Hinblick auf die Entstehung unterirdischer (präferenzieller) Fließwege, aufgrund mangelnder Beobachtungsdaten noch stark begrenzt. Das Hauptziel dieser Studie liegt daher darin, anhand von Untersuchungen auf der Hangskala die Wechselwirkung zwischen Struktur und hydrologischem Verhalten zu erforschen. Dadurch soll ein besseres Verständnis für den Rückkopplungszyklus gewonnen werden. Die vier in dieser Arbeit präsentierten Studien befassen sich mit der Entwicklung hydrologischer, biologischer und physikalischer Eigenschaften von Hängen sowie der Evolution hydrologischer Fließwege über einen Zeitraum von zehntausend Jahren in zwei unterschiedlichen geologischen Geologien. Durch die Analyse von Moränen-Chronosequenzen in zwei Gletschervorfeldern, die jeweils aus silikatreichem bzw. kalkreichem Geschiebemergel entstanden sind, wird die komplexe Koevolution in Abhängigkeit von der geologischen Beschaffenheit des Ausgangsmaterials beleuchtet. Die Ergebnisse zeigen, dass die verschiedenen Eigenschaften von silikatreichem und kalkhaltigem Ausgangsmaterial unter den gegebenen Klimabedingungen zu Unterschieden in Bodeneigenschaften, Durchlässigkeit und Wasserspeicherung führen. Dies wiederum begünstigt unterschiedliche Vegetationstypen und resultiert in vielfältigen Ökosystemen mit variierenden hydrologischen Dynamiken. Interessanterweise treibt das silikatreiche Ausgangsmaterial die Koevolution stärker an. Hierbei spielt der pH-Wert des Bodens eine Schlüsselrolle, da er Auswirkungen auf Vegetation, Bodenbildung und folglich auch auf die Hydrologie hat. Die saure Verwitterung des silikatreichen Materials begünstigt die Anreicherung organischer Substanz, was zu einer Erhöhung der Wasserspeicherkapazität des Bodens und zur Podsolisierung führt. Innerhalb weniger Jahrhunderte entwickelt sich das unterirdische Wassertransportsystem von einer vertikalen, heterogenen Matrixströmung zu fingerartigen Fließwegen und nach mehreren Jahrtausenden zu einem System aus Makroporen, wobei die Wasserspeicherung und die unterirdische, laterale Strömung überwiegen. Im Gegensatz dazu weist der kalkhaltige Standort eine hohe pH-Pufferkapazität auf. In dem basischen bis neutralen Milieu sammelt sich vergleichsweise wenig abgestorbene, organische Substanz an, was zu einer geringeren Wasserspeicherkapazität führt und die Ansiedlung von Grasvegetation begünstigt. Die Fließwege ändern lediglich ihre Form, nicht jedoch ihre Richtung. Es wurde lediglich ein Übergang von vertikaler, heterogener Matrixströmung zu vertikalen, fingerartigen Fließwegen beobachtet. Der schnelle vertikale Wassertransport mit geringer Speicherung begünstigt die Erhaltung der Grasvegetation. Die durchgeführten Studien verdeutlichen, dass die Entwicklung der Fließwege hauptsächlich von den Eigenschaften des Ausgangsgesteins und seinen Verwitterungsprodukten sowie von deren komplexen Interaktionen mit den ursprünglichen Fließwegen und der Entwicklung der Vegetation geprägt ist. Im Gegensatz dazu spielt die Zeit keine entscheidende Rolle bei der Beschreibung der Evolution der hydrologischen Reaktion. Diese Studie trägt wesentlich dazu bei, die bestehende Lücke in Beobachtungen für die Erforschung der Koevolution von hydrologischen, biologischen, geomorphologischen und pedologischen Prozessen zu schließen. Dies ist von großer Bedeutung, um Vorhersagen hydrologischer Prozesse in sich wandelnden Landschaften zu verbessern. Sie zeigt außerdem die Relevanz interdisziplinärer Studien auf, um den zukünftigen Herausforderungen in der Hydrologie im Zuge des globalen Wandels erfolgreich zu begegnen. KW - soil hydrology KW - chronosequence study KW - landscape evolution KW - Chronosequenzstudie KW - Landschaftsentwicklung KW - Bodenhydrologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628629 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 - Rasche, Daniel T1 - Cosmic-ray neutron sensing for the estimation of soil moisture T1 - Cosmic-Ray Neutron Sensing zur Messung der Bodenfeuchte BT - from the atmosphere to the near-surface and to larger depths N2 - Water stored in the unsaturated soil as soil moisture is a key component of the hydrological cycle influencing numerous hydrological processes including hydrometeorological extremes. Soil moisture influences flood generation processes and during droughts when precipitation is absent, it provides plant with transpirable water, thereby sustaining plant growth and survival in agriculture and natural ecosystems. Soil moisture stored in deeper soil layers e.g. below 100 cm is of particular importance for providing plant transpirable water during dry periods. Not being directly connected to the atmosphere and located outside soil layers with the highest root densities, water in these layers is less susceptible to be rapidly evaporated and transpired. Instead, it provides longer-term soil water storage increasing the drought tolerance of plants and ecosystems. Given the importance of soil moisture in the context of hydro-meteorological extremes in a warming climate, its monitoring is part of official national adaption strategies to a changing climate. Yet, soil moisture is highly variable in time and space which challenges its monitoring on spatio-temporal scales relevant for flood and drought risk modelling and forecasting. Introduced over a decade ago, Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) is a noninvasive geophysical method that allows for the estimation of soil moisture at relevant spatio-temporal scales of several hectares at a high, subdaily temporal resolution. CRNS relies on the detection of secondary neutrons above the soil surface which are produced from high-energy cosmic-ray particles in the atmosphere and the ground. Neutrons in a specific epithermal energy range are sensitive to the amount of hydrogen present in the surroundings of the CRNS neutron detector. Due to same mass as the hydrogen nucleus, neutrons lose kinetic energy upon collision and are subsequently absorbed when reaching low, thermal energies. A higher amount of hydrogen therefore leads to fewer neutrons being detected per unit time. Assuming that the largest amount of hydrogen is stored in most terrestrial ecosystems as soil moisture, changes of soil moisture can be estimated through an inverse relationship with observed neutron intensities. Although important scientific advancements have been made to improve the methodological framework of CRNS, several open challenges remain, of which some are addressed in the scope of this thesis. These include the influence of atmospheric variables such as air pressure and absolute air humidity, as well as, the impact of variations in incoming primary cosmic-ray intensity on observed epithermal and thermal neutron signals and their correction. Recently introduced advanced neutron-to-soil moisture transfer functions are expected to improve CRNS-derived soil moisture estimates, but potential improvements need to be investigated at study sites with differing environmental conditions. Sites with strongly heterogeneous, patchy soil moisture distributions challenge existing transfer functions and further research is required to assess the impact of, and correction of derived soil moisture estimates under heterogeneous site conditions. Despite its capability of measuring representative averages of soil moisture at the field scale, CRNS lacks an integration depth below the first few decimetres of the soil. Given the importance of soil moisture also in deeper soil layers, increasing the observational window of CRNS through modelling approaches or in situ measurements is of high importance for hydrological monitoring applications. By addressing these challenges, this thesis aids to closing knowledge gaps and finding answers to some of the open questions in CRNS research. Influences of different environmental variables are quantified, correction approaches are being tested and developed. Neutron-to-soil moisture transfer functions are evaluated and approaches to reduce effects of heterogeneous soil moisture distributions are presented. Lastly, soil moisture estimates from larger soil depths are derived from CRNS through modified, simple modelling approaches and in situ estimates by using CRNS as a downhole technique. Thereby, this thesis does not only illustrate the potential of new, yet undiscovered applications of CRNS in future but also opens a new field of CRNS research. Consequently, this thesis advances the methodological framework of CRNS for above-ground and downhole applications. Although the necessity of further research in order to fully exploit the potential of CRNS needs to be emphasised, this thesis contributes to current hydrological research and not least to advancing hydrological monitoring approaches being of utmost importance in context of intensifying hydro-meteorological extremes in a changing climate. N2 - Wasser, das als Bodenfeuchte in der ungesättigten Bodenzone gespeichert ist, beeinflusst zahlreiche hydrologische Prozesse. Sie ist von großer Bedeutung für hydrometeorologische Extremereignisse, da sie sowohl die Prozesse zur Entstehung von Hochwassereignissen beeinflusst als auch pflanzenverfügbares Wasser in Dürreperioden bereitstellt, in denen Regen ausbleibt. Vor allem Bodenfeuchte in tieferen Schichten des Bodens wird zum Beispiel durch die geringere Dichte an Pflanzenwurzeln langsamer aufgenommen und reduziert. Die Bodenfeuchte in diesen tieferen Schichten kann daher vor allem in Trockenperioden zum Überleben der Pflanzen in landwirtschaftlichen Gebieten und natürlichen Ökosystemen beitragen. Im Kontext hydro-meteorologischer Extremereignisse kommt der Bodenfeuchte so eine besondere Bedeutung zu und ist daher Teil nationaler Monitoring- und Anpassungsstrategien an sich verändernde Klimabedingungen. Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) ist ein geophysikalisches Messverfahren, das natürlich vorkommende Neutronen aus kosmischer Strahlung zur Bodenfeuchtebestimmung nutzt. Die Intensität der über dem Boden gemessenen Neutronen ist dabei abhängig von der Menge anWasserstoff in der Umgebung des Neutronendetektors. Da in den meisten Bereichen an Land die Bodenfeuchte den größten Teil des Wasserstoffs ausmacht, lassen Veränderungen in der gemessenen Neutronenintensität auf veränderte Bodenfeuchtebedingungen schließen. Ein Vorteil dieser nichtinvasiven Methode ist ihr großer Messbereich von mehreren Hektar. Die, selbst über kurze Distanzen und Zeiträume auftretenden, Unterschiede werden somit repräsentativ gemittelt und gemessene Bodenfeuchtewerte können so besser für Vorhersagemodelle von Hochwasser- und Dürreereignissen genutzt werden. Trotz des Potentials von CRNS für das Monitoring von Bodenfeuchte bleiben zahlreiche offene Forschungsfragen, von denen einige im Rahmen dieser Arbeit betrachtet werden. Hierzu zählt die Bestimmung und Korrektur von Einflussgrößen, die das Neutronensignal zusätzlich zur Bodenfeuchte beeinflussen. Ebenso gehört die Ableitung von Bodenfeuchte aus dem Neutronensignal selbst sowie der Umgang mit stark unterschiedlichen Bodenfeuchtebedingungen im Messbereich dazu. Obwohl CRNS einen großen horizontalen Messbereich besitzt, ist die Messtiefe auf die oberen ca. 30 cm des Bodens begrenzt. Hierzu werden Ansätze untersucht, die Bodenfeuchte mathematisch in größere Tiefen zu extrapolieren und sie direkt dort zu messen, indem Neutronendetektoren in Bohrlöchern installiert werden. Mit der Betrachtung der Forschungsfragen kann diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von CRNS und der Anwendbarkeit der Methode z.B. im Rahmen nationaler Monitoring-Programme leisten, denen im Kontext zunehmend intensiverer hydro-meteorologischer Extremereignisse eine besondere Bedeutung zukommt. KW - cosmic-ray neutron sensing KW - soil moisture KW - Cosmic-Ray Neutron Sensing KW - Bodenfeuchte KW - soil hydrology KW - geophysics KW - Bodenhydrologie KW - Geophysik Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636465 ER - TY - THES A1 - Bubeck, Philip T1 - Flood impacts, behavioural responses of individuals, and intergrated risk management Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Schmitz, Seán T1 - Using low-cost sensors to gather high resolution measurements of air quality in urban environments and inform mobility policy N2 - Air pollution has been a persistent global problem in the past several hundred years. While some industrialized nations have shown improvements in their air quality through stricter regulation, others have experienced declines as they rapidly industrialize. The WHO’s 2021 update of their recommended air pollution limit values reflects the substantial impacts on human health of pollutants such as NO2 and O3, as recent epidemiological evidence suggests substantial long-term health impacts of air pollution even at low concentrations. Alongside developments in our understanding of air pollution's health impacts, the new technology of low-cost sensors (LCS) has been taken up by both academia and industry as a new method for measuring air pollution. Due primarily to their lower cost and smaller size, they can be used in a variety of different applications, including in the development of higher resolution measurement networks, in source identification, and in measurements of air pollution exposure. While significant efforts have been made to accurately calibrate LCS with reference instrumentation and various statistical models, accuracy and precision remain limited by variable sensor sensitivity. Furthermore, standard procedures for calibration still do not exist and most proprietary calibration algorithms are black-box, inaccessible to the public. This work seeks to expand the knowledge base on LCS in several different ways: 1) by developing an open-source calibration methodology; 2) by deploying LCS at high spatial resolution in urban environments to test their capability in measuring microscale changes in urban air pollution; 3) by connecting LCS deployments with the implementation of local mobility policies to provide policy advice on resultant changes in air quality. In a first step, it was found that LCS can be consistently calibrated with good performance against reference instrumentation using seven general steps: 1) assessing raw data distribution, 2) cleaning data, 3) flagging data, 4) model selection and tuning, 5) model validation, 6) exporting final predictions, and 7) calculating associated uncertainty. By emphasizing the need for consistent reporting of details at each step, most crucially on model selection, validation, and performance, this work pushed forward with the effort towards standardization of calibration methodologies. In addition, with the open-source publication of code and data for the seven-step methodology, advances were made towards reforming the largely black-box nature of LCS calibrations. With a transparent and reliable calibration methodology established, LCS were then deployed in various street canyons between 2017 and 2020. Using two types of LCS, metal oxide (MOS) and electrochemical (EC), their performance in capturing expected patterns of urban NO2 and O3 pollution was evaluated. Results showed that calibrated concentrations from MOS and EC sensors matched general diurnal patterns in NO2 and O3 pollution measured using reference instruments. While MOS proved to be unreliable for discerning differences among measured locations within the urban environment, the concentrations measured with calibrated EC sensors matched expectations from modelling studies on NO2 and O3 pollution distribution in street canyons. As such, it was concluded that LCS are appropriate for measuring urban air quality, including for assisting urban-scale air pollution model development, and can reveal new insights into air pollution in urban environments. To achieve the last goal of this work, two measurement campaigns were conducted in connection with the implementation of three mobility policies in Berlin. The first involved the construction of a pop-up bike lane on Kottbusser Damm in response to the COVID-19 pandemic, the second surrounded the temporary implementation of a community space on Böckhstrasse, and the last was focused on the closure of a portion of Friedrichstrasse to all motorized traffic. In all cases, measurements of NO2 were collected before and after the measure was implemented to assess changes in air quality resultant from these policies. Results from the Kottbusser Damm experiment showed that the bike-lane reduced NO2 concentrations that cyclists were exposed to by 22 ± 19%. On Friedrichstrasse, the street closure reduced NO2 concentrations to the level of the urban background without worsening the air quality on side streets. These valuable results were communicated swiftly to partners in the city administration responsible for evaluating the policies’ success and future, highlighting the ability of LCS to provide policy-relevant results. As a new technology, much is still to be learned about LCS and their value to academic research in the atmospheric sciences. Nevertheless, this work has advanced the state of the art in several ways. First, it contributed a novel open-source calibration methodology that can be used by a LCS end-users for various air pollutants. Second, it strengthened the evidence base on the reliability of LCS for measuring urban air quality, finding through novel deployments in street canyons that LCS can be used at high spatial resolution to understand microscale air pollution dynamics. Last, it is the first of its kind to connect LCS measurements directly with mobility policies to understand their influences on local air quality, resulting in policy-relevant findings valuable for decisionmakers. It serves as an example of the potential for LCS to expand our understanding of air pollution at various scales, as well as their ability to serve as valuable tools in transdisciplinary research. N2 - Luftverschmutzung ist seit hundert Jahren ein anhaltendes globales Problem. Während sich die Luftqualität in einigen Industrieländern durch strengere Vorschriften verbessert hat, hat sie sich in anderen Ländern im Zuge der schnell fortschreitenden Industrialisierung verschlechtert. Die Aktualisierung der von der WHO für das Jahr 2021 empfohlenen Grenzwerte für die Luftverschmutzung spiegelt die erheblichen Aus-wirkungen von Schadstoffen wie Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) auf die menschliche Gesundheit wider, da neuere epidemiologische Erkenntnisse darauf hindeuten, dass Luft-verschmutzung selbst bei niedrigen Konzentrationen erhebliche langfristige gesundheitliche Auswirkungen hat. Parallel zu den Entwicklungen in unserem Verständnis der gesundheitlichen Auswirkungen von Luftverschmutzung wurde die neue Technologie der Low-Cost-Sensoren (LCS) sowohl von der Wissenschaft als auch von der Industrie als neue Methode zur Messung der Luftverschmutzung aufgegriffen. Vor allem aufgrund ihrer geringeren Kosten und kleineren Größe können sie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, u. a. bei der Entwicklung von Messnetzen mit höherer räumlicher Auf-lösung, bei der Identifizierung von Quellen und bei der Messung der Luftverschmutzung. Es wurden zwar erhebliche Anstrengungen unternommen, um LCS mit Hilfe von Referenzinstrumenten und verschiedenen statistischen Modellen genau zu kalibrieren, aber die Genauigkeit und Präzision bleiben durch die variable Sensorempfindlichkeit begrenzt. Darüber hinaus gibt es immer noch keine Standardverfahren für die Kalibrierung, und die meisten proprietären Kalibrierungsalgorithmen sind Blackboxen, die für die Öffentlichkeit nicht zugänglich sind. Mit dieser Arbeit soll die Wissensbasis über LCS auf verschiedene Weise erweitert werden: 1) durch die Entwicklung einer Open-Source-Kalibrierungsmethodik; 2) durch den Einsatz von LCS mit hoher räumlicher Auflösung in städtischen Umgebungen, um ihre Fähigkeit zur Messung kleinräumlicher Veränderungen der städtischen Luftverschmutzung zu testen; 3) durch die Verknüpfung von LCS-Einsätzen mit der Umsetzung lokaler Verkehrsmaßnahmen, um politische Empfehlungen zu den daraus resultierenden Veränderungen der Luftqualität geben zu können. In einem ersten Schritt wurde festgestellt, dass LCS mit Hilfe von sieben allgemeinen Schritten konsistent und mit guter Leistung gegenüber Referenzinstrumenten kalibriert werden können: 1) Bewertung der Rohdatenverteilung, 2) Datenbereinigung, 3) Kenn-zeichnung von Daten, 4) Modellauswahl und -abstimmung, 5) Modellvalidierung, 6) Export der endgültigen Vorhersagen und 7) Berechnung der damit verbundenen Unsicherheit. Durch die Betonung der Notwendigkeit einer konsistenten Berichterstattung über Details bei jedem Schritt, insbesondere bei der Modellauswahl, -validierung und -leistung, hat diese Arbeit die Bemühungen um eine Standardisierung der Kalibrierungs-methoden vorangetrieben. Darüber hinaus wurden mit der Open-Source-Veröffentlichung von Code und Daten für die siebenstufige Methodik Fortschritte bei der Reformierung der weitgehenden Blackbox-Natur von LCS-Kalibrierungen erzielt. Nach der Einführung einer transparenten und zuverlässigen Kalibrierungsmethode wurden die LCS zwischen 2017 und 2020 an verschiedenen Straßen eingesetzt. Unter Ver-wendung von zwei Arten von LCS, Metalloxid (MOS) und elektrochemisch (EC), wurde ihre Leistung bei der Erfassung der erwarteten Muster der NO2- und O3-Belastung in Städten bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass die kalibrierten Konzentrationen der MOS- und EC-Sensoren mit den allgemeinen Tagesmustern der NO2- und O3-Belastung überein-stimmten, die mit Referenzgeräten gemessen wurden. Während sich MOS als unzuverlässig erwies, wenn es darum ging, Unterschiede zwischen den gemessenen Orten inner-halb der städtischen Umgebung zu erkennen, entsprachen die mit kalibrierten EC-Sensoren gemessenen Konzentrationen den Erwartungen aus Modellierungsstudien zur Verteilung der NO2- und O3-Belastung in Straßenschluchten. Daraus wurde der Schluss gezogen, dass LCS für die Messung der Luftqualität in Städten geeignet sind, auch zur Unterstützung der Entwicklung von Luftverschmutzungsmodellen auf städtischer Ebene, und dass sie neue Erkenntnisse über die Luftverschmutzung in städtischen Umgebungen liefern können. Um das letzte Ziel dieser Arbeit zu erreichen, wurden zwei Messkampagnen im Zusammenhang mit der Umsetzung von drei verkehrspolitischen Maßnahmen in Berlin durchgeführt. Bei der ersten handelte es sich um den Bau einer Pop-up-Radweg auf dem Kottbusser Damm als Reaktion auf die COVID-19-Pandemie, bei der zweiten um die vorübergehende Einrichtung eines Gemeinschaftsraums in der Böckhstraße und bei der letzten um die Sperrung eines Teils der Friedrichstraße für den gesamten motorisierten Verkehr. In allen Fällen wurden NO2-Messungen vor und nach der Durchführung der Maßnahme durchgeführt, um die Veränderungen der Luftqualität infolge dieser Maßnahmen zu bewerten. Die Ergebnisse des Experiments am Kottbusser Damm zeigten, dass die NO2-Konzentrationen, denen die Radfahrer ausgesetzt waren, durch den Radweg um 22 ± 19 % gesenkt wurden. In der Friedrichstraße sank die NO2-Konzentration durch die Straßensperrung auf das Niveau des städtischen Hintergrunds, ohne dass sich die Luft-qualität in den Seitenstraßen verschlechterte. Diese wertvollen Ergebnisse wurden den verantwortlichen Ansprechpersonen in der Stadtverwaltung, die für die Bewertung des Erfolgs und der Zukunft der Maßnahmen verantwortlich sind, schnell mitgeteilt, was die Fähigkeit von LCS unterstreicht, politisch relevante Ergebnisse zu liefern. Da es sich um eine neue Technologie handelt, muss noch viel über LCS und ihren Wert für die akademische Forschung im Bereich der Atmosphärenwissenschaften gelernt werden. Dennoch hat diese Arbeit den Stand der Technik in mehrfacher Hinsicht verbessert. Erstens wurde eine neuartige Open-Source-Kalibrierungsmethode entwickelt, die von LCS-Anwender*innen für verschiedene Luftschadstoffe verwendet werden kann. Zweitens wurde die Beweisgrundlage für die Zuverlässigkeit von LCS zur Messung der Luftqualität in Städten gestärkt, indem durch neuartige Einsätze in Straßenschluchten festgestellt wurde, dass LCS mit hoher räumlicher Auflösung zum Verständnis der Dynamik der Luftverschmutzung auf kleinräumlicher Ebene eingesetzt werden kann. Schließlich ist es die erste Studie dieser Art, die LCS-Messungen direkt mit verkehrspolitischen Maßnahmen verknüpft, um deren Einfluss auf die lokale Luftqualität zu verstehen, was zu politisch relevanten Erkenntnissen führt, die für Entscheidungsträger*innen wertvoll sind. Die Studie ist ein Beispiel für das Potenzial von LCS, unser Verständnis von Luftverschmutzung in verschiedenen Maßstäben zu erweitern, sowie für ihre Fähigkeit, als wert-volle Werkzeuge in der transdisziplinären Forschung zu dienen. T2 - Verwendung kostengünstiger Sensoren zur Erfassung hochauflösender Messungen der Luftqualität in städtischen Umgebungen und zur Information über die Mobilitätspolitik KW - air pollution KW - urban KW - low-cost sensor KW - transdisciplinary KW - sustainability KW - mobility KW - policy KW - Luftverschmutzung KW - Mobilität KW - Politik KW - Nachhaltigkeit KW - Transdisziplinarität KW - Städte Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601053 ER - TY - THES A1 - Calitri, Francesca T1 - Co-evolution of erosion rates, weathering and profile development in soil landscapes of hummocky ground moraines N2 - Soil is today considered a non-renewable resource on societal time scale, as the rate of soil loss is higher than the one of soil formation. Soil formation is complex, can take several thousands of years and is influenced by a variety of factors, one of them is time. Oftentimes, there is the assumption of constant and progressive conditions for soil and/or profile development (i.e., steady-state). In reality, for most of the soils, their (co-)evolution leads to a complex and irregular soil development in time and space characterised by “progressive” and “regressive” phases. Lateral transport of soil material (i.e., soil erosion) is one of the principal processes shaping the land surface and soil profile during “regressive” phases and one of the major environmental problems the world faces. Anthropogenic activities like agriculture can exacerbate soil erosion. Thus, it is of vital importance to distinguish short-term soil redistribution rates (i.e., within decades) influenced by human activities differ from long-term natural rates. To do so, soil erosion (and denudation) rates can be determined by using a set of isotope methods that cover different time scales at landscape level. With the aim to unravel the co-evolution of weathering, soil profile development and lateral redistribution on a landscape level, we used Pluthonium-239+240 (239+240Pu), Beryllium-10 (10Be, in situ and meteoric) and Radiocarbon (14C) to calculate short- and long-term erosion rates in two settings, i.e., a natural and an anthropogenic environment in the hummocky ground moraine landscape of the Uckermark, North-eastern Germany. The main research questions were: 1. How do long-term and short-term rates of soil redistributing processes differ? 2. Are rates calculated from in situ 10Be comparable to those of using meteoric 10Be? 3. How do soil redistribution rates (short- and long-term) in an agricultural and in a natural landscape compare to each other? 4. Are the soil patterns observed in northern Germany purely a result of past events (natural and/or anthropogenic) or are they imbedded in ongoing processes? Erosion and deposition are reflected in a catena of soil profiles with no or almost no erosion on flat positions (hilltop), strong erosion on the mid-slope and accumulation of soil material at the toeslope position. These three characteristic process domains were chosen within the CarboZALF-D experimental site, characterised by intense anthropogenic activities. Likewise, a hydrosequence in an ancient forest was chosen for this study and being regarded as a catena strongly influenced by natural soil transport. The following main results were obtained using the above-mentioned range of isotope methods available to measure soil redistribution rates depending on the time scale needed (e.g., 239+240Pu, 10Be, 14C): 1. Short-term erosion rates are one order of magnitude higher than long-term rates in agricultural settings. 2. Both meteoric and in situ 10Be are suitable soil tracers to measure the long-term soil redistribution rates giving similar results in an anthropogenic environment for different landscape positions (e.g., hilltop, mid-slope, toeslope) 3. Short-term rates were extremely low/negligible in a natural landscape and very high in an agricultural landscape – -0.01 t ha-1 yr-1 (average value) and -25 t ha-1 yr-1 respectively. On the contrary, long-term rates in the forested landscape are comparable to those calculated in the agricultural area investigated with average values of -1.00 t ha-1 yr-1 and -0.79 t ha-1 yr-1. 4. Soil patterns observed in the forest might be due to human impact and activities started after the first settlements in the region, earlier than previously postulated, between 4.5 and 6.8 kyr BP, and not a result of recent soil erosion. 5. Furthermore, long-term soil redistribution rates are similar independently from the settings, meaning past natural soil mass redistribution processes still overshadow the present anthropogenic erosion processes. Overall, this study could make important contributions to the deciphering of the co-evolution of weathering, soil profile development and lateral redistribution in North-eastern Germany. The multi-methodological approach used can be challenged by the application in a wider range of landscapes and geographic regions. N2 - Boden wird heute im gesellschaftlichen Zeitmaßstab als nicht erneuerbare Ressource angesehen, da die Geschwindigkeit des Bodenverlusts höher ist als die der Bodenbildung. Bodenbildung ist komplex, kann mehrere tausend Jahre dauern und wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, unter anderem Zeit. Häufig wird von konstanten und fortschreitenden Bedingungen für die Boden- und/oder Profilentwicklung (d. h. «Steady-State») ausgegangen. Tatsächlich führt ihre (Co-)Evolution bei den meisten Böden zu einer komplexen und zeitlich und räumlich unregelmäßigen Bodenentwicklung, die durch „progressive“ und „regressive“ Phasen gekennzeichnet ist. Der laterale Transport von Bodenmaterial (d. h. Bodenerosion) ist einer der Hauptprozesse, der die Landoberfläche und das Bodenprofil während „rückläufiger“ Phasen bilden, und eines der größten Umweltprobleme, mit denen die Welt konfrontiert ist. Anthropogene Aktivitäten wie die Landwirtschaft können die Bodenerosion verstärken. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, kurzfristige Bodenumverteilungsraten (d. h. innerhalb von Jahrzehnten), die durch menschliche Aktivitäten beeinflusst werden, von langfristigen natürlichen Raten zu unterscheiden. Zu diesem Zweck können Bodenerosions- (und Denudations-) Raten mithilfe einer Reihe von Isotopenmethoden bestimmt werden, die verschiedene Zeitskalen auf Landschaftsebene abdecken. Mit dem Ziel, die Co-Evolution von Verwitterung, Bodenprofilentwicklung und lateraler Umverteilung auf Landschaftsebene aufzuklären, verwendeten wir Plutonium-239+240 (239+240Pu), Beryllium-10 (10Be, in situ und meteorisch) und Radiokohlenstoff (14C) zur Berechnung kurz- und langfristiger Erosionsraten in zwei Umgebungen: einer natürlichen und einer anthropogenen Umgebung in der hügeligen Grundmoränenlandschaft der Uckermark in Nordostdeutschland. Die wichtigsten Forschungsfragen waren: 1. Wie unterscheiden sich langfristige und kurzfristige Raten von Bodenumverteilungsprozessen? 2. Sind die aus in situ 10Be berechneten Raten vergleichbar mit denen der Verwendung von meteorischem 10Be? 3. Wie verhalten sich Bodenumlagerungsraten (kurz- und langfristig) in einer Agrar- und in einer Naturlandschaft zueinander? 4. Sind die in Norddeutschland beobachteten Bodenmuster reine Folge vergangener Ereignisse (natürlich und/oder anthropogen) oder sind sie in laufende Prozesse eingebettet? Erosion und Ablagerung spiegeln sich in einer Kette von Bodenprofilen mit keiner oder fast keiner Erosion auf flachen Positionen (Hügelkuppe), starker Erosion auf der Hangmitte und Anhäufung von Bodenmaterial am Hangfuss wider. Diese drei charakteristischen Prozessdomänen wurden innerhalb des CarboZALF-D-Versuchsstandorts ausgewählt, der durch intensive anthropogene Aktivitäten gekennzeichnet ist. Ebenso wurde für diese Studie eine Hydrosequenz in einem alten Wald ausgewählt, die als stark vom natürlichen Bodentransport beeinflusste Catena angesehen wird. Die folgenden Hauptergebnisse wurden unter Verwendung der oben erwähnten Reihe von Isotopenmethoden erzielt, die zur Messung der Bodenumverteilungsraten in Abhängigkeit von der erforderlichen Zeitskala (z. B. 239+240Pu, 10Be, 14C) verfügbar sind: 1. Im landwirtschaftlichen Umfeld sind kurzfristige Erosionsraten eine Größenordnung höher als langfristige Raten. 2. Sowohl meteorisches als auch in situ 10Be sind geeignete Bodenindikatoren, um die langfristigen Bodenumverteilungsraten zu messen. Sie liefern ähnliche Ergebnisse in einer anthropogenen Umgebung für verschiedene Landschaftspositionen (z. B. Hügelkuppe, Mittelhang, Hangfuss). 3. Die Kurzzeitraten waren in einer Naturlandschaft extrem niedrig/vernachlässigbar und in einer Agrarlandschaft sehr hoch – -0,01 t ha-1 Jahr-1 (Durchschnittswert) bzw. -25 t ha-1 Jahr- 1. Im Gegensatz dazu sind die langjährigen Belastungen in der Waldlandschaft vergleichbar mit den berechneten in der untersuchten landwirtschaftlichen Fläche mit Durchschnittswerten von -1,00 t ha-1 Jahr-1 und -0,79 t ha-1 Jahr-1. 4. Die im Wald beobachteten Bodenmuster könnten auf menschliche Einflüsse und Aktivitäten zurückzuführen sein, die nach den ersten Siedlungen in der Region begannen, und nicht auf die jüngste Bodenerosion. Diese Aktivitäten könnten früher als zuvor angenommen, zwischen 2’500 und 4’800 Jahren vor Christus, erfolgt sein. 5. Darüber hinaus sind die langfristigen Bodenumverteilungsraten unabhängig vom Umfeld ähnlich, was bedeutet, dass vergangene natürliche Bodenmassenumverteilungsprozesse immer noch die gegenwärtigen anthropogenen Erosionsprozesse überschatten. Insgesamt konnte diese Studie wichtige Beiträge zur Entschlüsselung der Co-Evolution von Verwitterung, Bodenprofilentwicklung und lateraler Umverteilung in Nordostdeutschland leisten. Der verwendete multimethodische Ansatz kann durch die Anwendung in einem breiteren Spektrum von Landschaften und geografischen Regionen herausgefordert werden. T2 - Co-Evolution von Erosionsraten, Verwitterung und Profilentwicklung in Bodenlandschaften hügeliger Grundmoränen KW - soil erosion KW - 239+240Plutonium KW - 10Be KW - Agricultural soils KW - Forest KW - Bodenerosion KW - 239+240Plutonium KW - 10Be KW - Landwirtschaftlicher Böden KW - Wald Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601387 ER - TY - THES A1 - Zhang, Xiaolin T1 - Evaluation of nitrogen dynamics in high-order streams and rivers based on high-frequency monitoring T1 - Bewertung der Stickstoffdynamik in Fliessgewässern 4.-6. Ordnung auf der Grundlage zeitlich hochaufgelöster Sensormessungen N2 - Nutrient storage, transform and transport are important processes for achieving environmental and ecological health, as well as conducting water management plans. Nitrogen is one of the most noticeable elements due to its impacts on tremendous consequences of eutrophication in aquatic systems. Among all nitrogen components, researches on nitrate are blooming because of widespread deployments of in-situ high-frequency sensors. Monitoring and studying nitrate can become a paradigm for any other reactive substances that may damage environmental conditions and cause economic losses. Identifying nitrate storage and its transport within a catchment are inspiring to the management of agricultural activities and municipal planning. Storm events are periods when hydrological dynamics activate the exchange between nitrate storage and flow pathways. In this dissertation, long-term high-frequency monitoring data at three gauging stations in the Selke river were used to quantify event-scale nitrate concentration-discharge (C-Q) hysteretic relationships. The Selke catchment is characterized into three nested subcatchments by heterogeneous physiographic conditions and land use. With quantified hysteresis indices, impacts of seasonality and landscape gradients on C-Q relationships are explored. For example, arable area has deep nitrate legacy and can be activated with high intensity precipitation during wetting/wet periods (i.e., the strong hydrological connectivity). Hence, specific shapes of C-Q relationships in river networks can identify targeted locations and periods for agricultural management actions within the catchment to decrease nitrate output into downstream aquatic systems like the ocean. The capacity of streams for removing nitrate is of both scientific and social interest, which makes the quantification motivated. Although measurements of nitrate dynamics are advanced compared to other substances, the methodology to directly quantify nitrate uptake pathways is still limited spatiotemporally. The major problem is the complex convolution of hydrological and biogeochemical processes, which limits in-situ measurements (e.g., isotope addition) usually to small streams with steady flow conditions. This makes the extrapolation of nitrate dynamics to large streams highly uncertain. Hence, understanding of in-stream nitrate dynamic in large rivers is still necessary. High-frequency monitoring of nitrate mass balance between upstream and downstream measurement sites can quantitatively disentangle multi-path nitrate uptake dynamics at the reach scale (3-8 km). In this dissertation, we conducted this approach in large stream reaches with varying hydro-morphological and environmental conditions for several periods, confirming its success in disentangling nitrate uptake pathways and their temporal dynamics. Net nitrate uptake, autotrophic assimilation and heterotrophic uptake were disentangled, as well as their various diel and seasonal patterns. Natural streams generally can remove more nitrate under similar environmental conditions and heterotrophic uptake becomes dominant during post-wet seasons. Such two-station monitoring provided novel insights into reach-scale nitrate uptake processes in large streams. Long-term in-stream nitrate dynamics can also be evaluated with the application of water quality model. This is among the first time to use a data-model fusion approach to upscale the two-station methodology in large-streams with complex flow dynamics under long-term high-frequency monitoring, assessing the in-stream nitrate retention and its responses to drought disturbances from seasonal to sub-daily scale. Nitrate retention (both net uptake and net release) exhibited substantial seasonality, which also differed in the investigated normal and drought years. In the normal years, winter and early spring seasons exhibited extensive net releases, then general net uptake occurred after the annual high-flow season at later spring and early summer with autotrophic processes dominating and during later summer-autumn low-flow periods with heterotrophy-characteristics predominating. Net nitrate release occurred since late autumn until the next early spring. In the drought years, the late-autumn net releases were not so consistently persisted as in the normal years and the predominance of autotrophic processes occurred across seasons. Aforementioned comprehensive results of nitrate dynamics on stream scale facilitate the understanding of instream processes, as well as raise the importance of scientific monitoring schemes for hydrology and water quality parameters. N2 - Die Speicherung, Umwandlung und der Transport von Nährstoffen sind wichtige Prozesse, welche den ökologische Status der Fließgewässer bestimmen. Aufgrund seiner Auswirkungen auf die Eutrophierung von aquatischen Systemen ist hierbei Stickstoff eines der wichtigsten Elemente. Durch neue Entwicklungen in der Sensortechnik zeigt die Forschung zum Nitrat derzeit eine besonders große Dynamik. In dieser Dissertation werden die hysteretischen Beziehungen zwischen Nitratkonzentration und Abfluss (C-Q) an drei Pegeln der Selke im Bodegebiet analysiert, um die Dynamik von Nitratspeicherung und -transport während Hochwasserereignissen in einem genesteten Einzugsgebiet zu untersuchen. Verschiedene Kombinationen der C-Q-Hysterese-Indizes deuten auf unterschiedliche Muster des Nitrat-Transports und seiner Einflussfaktoren hin. Die Hysterese im Uhrzeigersinn tritt eher während der Trockenzeit auf, was auf eine geringe hydrologische Konnektivität vom Land zum Fließgewässer auf den Export distaler Nitratquellen hinweist. Im untersten Einzugsgebiet der Selke dominieren Verdünnungseffekte, die möglicherweise durch Abflüsse aus flussaufwärts gelegenen Teileinzugsgebieten während der Niederschlagsereignisse oder durch schnelle Abflüsse von befestigten Flächen beeinflusst wurden. Unterschiede in der Reaktion des Nitratexports auf Abflussereignisse können während sommerlicher Trockenperioden verstärkt werden, wenn sich die hydrologische Konnektivität und die biogeochemischen Prozesse stark verändern. Daher können spezifische Formen von C-Q-Beziehungen in Fließgewässern zur Verortung und Bestimmung von Zeiträume für landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmaßnahmen innerhalb des Wassereinzugsgebiets genutzt werden, um den Nitrateintrag in die Fließ- und Standgewässer zu verringern. Die Fähigkeit von Fließgewässern, Nitrat zu entfernen, ist sowohl von wissenschaftlichem als auch von gesellschaftlichem Interesse. Obwohl die Untersuchungen der Nitratdynamik im Vergleich zu anderen Wasserinhaltsstoffen fortgeschritten sind, ist die Methodik zur direkten Quantifizierung der Nitrataufnahme- und -retention räumlich und zeitlich nicht vollständig verstanden. Das Hauptproblem ist die komplexe Verflechtung von hydrologischen und biogeochemischen Prozessen. In-situ-Messungen (z. B. Isotopenanreicherung) sind aufgrund methodischer Beschränkungen in der Regel auf kleine Fließgewässer mit konstanten Strömungsverhältnissen beschränkt. Dadurch ist die Extrapolation der Nitratdynamik auf große Bäche und kleine Flüsse mit großen Unsicherheiten behaftet. Daher bestehen große Defizite beim Verständnis der Nitratdynamik in größeren Fließgewässer. Die hochfrequente Messung der Nitrat-Massenbilanz zwischen flussaufwärts und flussabwärts gelegenen Messstellen kann die Dynamik der Nitrataufnahme über unterschiedliche Aufnahme- und Retentionspfade anhand der gezielten Untersuchung von Gewässerabschnitten (3-8 km) quantitativ erfassen. In dieser Dissertation wurde dieser Ansatz in Fließgewässern mittlerer Größe mit unterschiedlichen hydro-morphologischen und saisonalen Bedingungen eingesetzt. Die Ergebnisse erlaubten eine Aufschlüsselung der unterschiedlichen Nitrataufnahmewege und ihrer zeitlichen Dynamik. Die Netto-Nitrataufnahme, die autotrophe Assimilation und die heterotrophe Aufnahme sowie ihre unterschiedlichen tages- und jahreszeitlichen Muster konnten analysiert werden. Natürliche Fließgewässer können im Allgemeinen unter ähnlichen Umweltbedingungen mehr Nitrat entfernen als anthropogen überprägte Fließgewässer. Es konnte gezeigt werden, dass die heterotrophe Aufnahme während der trockenen Jahreszeit dominiert. Auf der Basis von gezielten Untersuchungen von Gewässerabschnitten lieferte die Zwei-Stationen-Methode neue Einblicke in die Prozesse der Nitrataufnahme in größeren Fließgewässern. Die langfristige Nitratdynamik in Fließgewässern kann auch durch die zusätzliche Anwendung von Wasserqualitätsmodellen analysiert werden. Dies ist eines der ersten Forschungsvorhaben, bei dem die Zwei-Stationen-Methode in größeren Fließgewässern mit komplexer Strömungsdynamik im Rahmen einer zeitliche hochaufgelösten Langzeitüberwachung eingesetzt wird, um den Nitratrückhalt im Fließgewässer und den Einfluss von Niedrigwasserbedingungen hinsichtlich saisonaler und diurnaler Zeitskalen zu untersuchen. Der Nitratrückhalt (sowohl die Nettoaufnahme als auch die Nettoabgabe) wies erhebliche saisonale Schwankungen auf, die sich auch in den untersuchten normalen Jahren und Jahren mit ausgeprägten Niedrigwasserbedingungen unterschieden. In den normalen Jahren kam es im Winter und zu Beginn des Frühjahrs zu einer umfangreichen Freisetzung von Stickstoff, während die Nettoaufnahme nach der jährlichen abflussreichen Winterperiode im späteren Frühjahr und im Frühsommer am höchsten war, wobei autotrophe Prozesse dominierten. Während der Niedrigwasserperioden im Spätsommer und Herbst dominierte bei der Netto-Stickstoffretention die heterotrophe Aufnahme. Die Netto-Nitratfreisetzung erfolgte vom Spätherbst bis zum folgenden Frühjahr. In den Dürrejahren war die Netto-Nitratfreisetzung im Spätherbst weniger konstant wie in den Normaljahren, und die autotrophen Prozesse dominierten über die Jahreszeiten hinweg. Diese umfassenden Ergebnisse der Nitratdynamik in größeren Fließgewässern verbessern das Verständnis von gewässerinternen Umsetzungsprozessen und zeigen die Möglichkeiten auf, die der gezielte Einsatz von zeitlich hochaufgelöster Sensormessungen in der Gewässerüberwachung bieten kann. KW - high-frequency monitoring KW - in-stream nitrogen dynamics KW - high-order streams and rivers KW - Bäche und Flüsse hoher Ordnung KW - Stickstoffdynamik in Fliessgewässern KW - zeitlich hochaufgelöste Sensormessungen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-607642 ER - TY - THES A1 - Luna, Lisa Victoria T1 - Rainfall-triggered landslides: conditions, prediction, and warning N2 - Rainfall-triggered landslides are a globally occurring hazard that cause several thousand fatalities per year on average and lead to economic damages by destroying buildings and infrastructure and blocking transportation networks. For people living and governing in susceptible areas, knowing not only where, but also when landslides are most probable is key to inform strategies to reduce risk, requiring reliable assessments of weather-related landslide hazard and adequate warning. Taking proper action during high hazard periods, such as moving to higher levels of houses, closing roads and rail networks, and evacuating neighborhoods, can save lives. Nevertheless, many regions of the world with high landslide risk currently lack dedicated, operational landslide early warning systems. The mounting availability of temporal landslide inventory data in some regions has increasingly enabled data-driven approaches to estimate landslide hazard on the basis of rainfall conditions. In other areas, however, such data remains scarce, calling for appropriate statistical methods to estimate hazard with limited data. The overarching motivation for this dissertation is to further our ability to predict rainfall-triggered landslides in time in order to expand and improve warning. To this end, I applied Bayesian inference to probabilistically quantify and predict landslide activity as a function of rainfall conditions at spatial scales ranging from a small coastal town, to metropolitan areas worldwide, to a multi-state region, and temporal scales from hourly to seasonal. This thesis is composed of three studies. In the first study, I contributed to developing and validating statistical models for an online landslide warning dashboard for the small town of Sitka, Alaska, USA. We used logistic and Poisson regressions to estimate daily landslide probability and counts from an inventory of only five reported landslide events and 18 years of hourly precipitation measurements at the Sitka airport. Drawing on community input, we established two warning thresholds for implementation in the dashboard, which uses observed rainfall and US National Weather Service forecasts to provide real-time estimates of landslide hazard. In the second study, I estimated rainfall intensity-duration thresholds for shallow landsliding for 26 cities worldwide and a global threshold for urban landslides. I found that landslides in urban areas occurred at rainfall intensities that were lower than previously reported global thresholds, and that 31% of urban landslides were triggered during moderate rainfall events. However, landslides in cities with widely varying climates and topographies were triggered above similar critical rainfall intensities: thresholds for 77% of cities were indistinguishable from the global threshold, suggesting that urbanization may harmonize thresholds between cities, overprinting natural variability. I provide a baseline threshold that could be considered for warning in cities with limited landslide inventory data. In the third study, I investigated seasonal landslide response to annual precipitation patterns in the Pacific Northwest region, USA by using Bayesian multi-level models to combine data from five heterogeneous landslide inventories that cover different areas and time periods. I quantitatively confirmed a distinctly seasonal pattern of landsliding and found that peak landslide activity lags the annual precipitation peak. In February, at the height of the landslide season, landslide intensity for a given amount of monthly rainfall is up to ten times higher than at the season onset in November, underlining the importance of antecedent seasonal hillslope conditions. Together, these studies contributed actionable, objective information for landslide early warning and examples for the application of Bayesian methods to probabilistically quantify landslide hazard from inventory and rainfall data. N2 - Durch Regenfälle ausgelöste Erdrutsche sind eine weltweit auftretende Gefahr, die im Durchschnitt mehrere tausend Todesopfer pro Jahr fordern und zu wirtschaftlichen Schäden führen, indem sie Gebäude und Infrastrukturen zerstören und Verkehrsnetze blockieren. Für Bewohner, sowie lokale Regierungen in potentiell gefährdeten Gebieten, ist es entscheidend zu wissen, nicht nur wo, sondern auch wann Erdrutsche am wahrscheinlichsten sind, um Strategien zur Verringerung des Risikos zu entwickeln. Dies erfordert zuverlässige Bewertungen der wetterbedingten Erdrutschgefahr und eine angemessene Warnung. Angemessene Maßnahmen während Hochrisikoperioden, wie der Umzug in höhere Etagen, die Sperrung von Straßen und Schienennetzen, sowie die Evakuierung von Wohngebieten, können Leben retten. In vielen Regionen mit hohem Erdrutschrisiko gibt es jedoch derzeit keine spezifischen, einsatzfähigen Frühwarnsysteme für Erdrutsche. In einigen Regionen ermöglichte die zunehmende Verfügbarkeit von zeitlich-aufgelösten Erdrutschdaten datengestützte Ansätze zur Abschätzung der Erdrutschgefahr auf Grundlage von Niederschlagsbedingungen. In anderen Gebieten sind solche Daten jedoch nach wie vor spärlich, sodass geeignete statistische Methoden erforderlich sind, um die Gefährdung trotz einer begrenzten Datenmenge abzuschätzen. Die übergreifende Motivation für diese Dissertation besteht darin, unsere Fähigkeit zur rechtzeitigen Vorhersage von niederschlagsbedingten Erdrutschen zu verbessern, um Frühwarnsysteme zu erweitern und optimieren. Zu diesem Zweck habe ich Bayes'sche Inferenz angewandt, um die Erdrutschaktivität in Abhängigkeit von den Niederschlagsbedingungen probabilistisch zu quantifizieren und vorherzusagen. Meine Studien decken dabei sowohl eine breite räumliche Skala, welche von einer lokalen bis regionalen Betrachtung reicht, als auch eine von stündlich bis saisonal reichende zeitliche Skala ab. Diese Dissertation setzt sich aus drei Studien zusammen. In der ersten Studie habe ich zur Entwicklung und Validierung statistischer Modelle für ein Online-Dashboard zur Erdrutschwarnung in der Kleinstadt Sitka, Alaska, USA, beigetragen. Wir verwendeten logistische und Poisson-Regressionen zur Einschätzung der täglichen Erdrutschwahrscheinlichkeit und der Anzahl der Erdrutsche auf Grundlage von nur fünf dokumentierten Erdrutschereignissen und 18 Jahren stündlicher Niederschlagsmessungen am Flughafen von Sitka. Basierend auf Hinweisen aus der Bevölkerung legten wir zwei Warnschwellenwerte für die Umsetzung des Dashboards fest, welches wiederum beobachtete Niederschläge und Vorhersagen des US-amerikanischen Wetterdienstes (US National Weather Service) nutzt, um Echtzeiteinschätzungen der Erdrutschgefahr zu liefern. In der zweiten Studie habe ich Schwellenwerte für die Niederschlagsintensität und -dauer für Erdrutsche in 26 Städten weltweit, sowie einen globalen Schwellenwert für urbane Erdrutsche ermittelt. Dabei stellte ich fest, dass Erdrutsche in urbanen Gebieten bei Niederschlagsintensitäten auftreten, die unter den zuvor gemeldeten globalen Schwellenwerten liegen, und dass 31 % der Erdrutsche in Städten durch moderate Niederschlagsereignisse ausgelöst wurden. Erdrutsche in Städten mit sehr unterschiedlichen klimatischen und topografischen Bedingungen wurden jedoch bei vergleichbaren kritischen Niederschlagsintensitäten ausgelöst: Für 77 % der Städte unterschieden sich die lokalen Schwellenwerte nicht von den globalen Schwellenwerten, was darauf hindeutet, dass eine zunehmende Urbanisierung die Schwellenwerte zwischen Städten angleicht und natürliche Schwankungen überlagern kann. Ich habe einen Basisschwellenwert festgelegt, der für die Warnung in Städten mit begrenzten Erdrutschdaten in Betracht gezogen werden könnte. In der dritten Studie untersuchte ich saisonale Reaktionen von Erdrutschen auf jährliche Niederschlagsmuster im pazifischen Nordwesten der USA. Dafür verwendete ich Bayes'sche Mehrebenenmodelle, um Daten aus fünf heterogenen Erdrutschinventaren zu kombinieren, welche unterschiedliche Gebiete und Zeiträume abdecken. Ich fand heraus, dass Erdrutsche deutlich saisonabhängig sind und dass der Höhepunkt der Erdrutschaktivität mit einem zeitlichen Versatz auf den jährlichen Niederschlagsspitzenwert folgt. Im Februar, auf dem Höhepunkt der Erdrutschsaison, ist die Erdrutschintensität bei einer gegebenen monatlichen Niederschlagsmenge bis zu zehnmal höher als zu Beginn der Saison im November. Dies unterstreicht die Bedeutung von vorherigen saisonalen Hangbedingungen. Zusammengefasst liefern die in dieser Dissertation vorgestellten Studien umsetzbare, objektive Informationen für die Frühwarnung vor Erdrutschen und Beispiele für die Anwendung von Bayes'schen Methoden zur probabilistischen Quantifizierung der Erdrutschgefahr mittels Bestands- und Niederschlagsdaten. T2 - Durch Regenfälle ausgelöste Erdrutsche: Bedingungen, Vorhersage und Warnung KW - landslide KW - natural hazards KW - Bayesian statistics KW - early warning KW - geomorphology KW - Bayessche Statistik KW - Erdrutsch KW - Naturgefahren KW - Frühwarnung KW - Geomorphologie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-600927 ER - TY - THES A1 - Serwene, Pola T1 - Geographie verstehen durch Zweisprachigkeit BT - Eine Design-Based-Research-Studie im bilingualen Geographieunterricht am Beispiel des Fachkonzepts Wandel T2 - Potsdamer Geographische Praxis N2 - Bilingualer Unterricht gilt als das Erfolgsmodell für den schulischen Fremdsprachenerwerb in Deutschland und die Beherrschung einer Fremdsprache in Wort und Schrift ist eine entscheidende berufsqualifizierende Kompetenz in unserer globalisierten Welt. Insbesondere die Verzahnung fachlicher und sprachlicher Inhalte im Kontext Bilingualen Unterrichts scheint gewinnbringend für den Fremdspracherwerb zu sein. Dabei ist die Diskrepanz zwischen den zumeist noch geringen fremdsprachlichen Fähigkeiten der Lernenden und den fachlichen Ansprüchen des Geographieunterrichts eine große Herausforderung für fachliches Lernen im bilingualen Sachfachunterricht. Es stellt sich die Frage, wie der Bilinguale Unterricht gestaltet sein muss, um einerseits geographische Themen fachlich komplex behandeln zu können und andererseits die Lernenden fremdsprachlich nicht zu überfordern. Im Rahmen einer Design-Based-Research-Studie im bilingualen Geographieunterricht wurde untersucht, wie fachliches Lernen im bilingualen Geographieunterricht durch den Einsatz beider beteiligter Sprachen (Englisch/Deutsch) gefördert werden kann. Auf Grundlage eines theoretisch fundierten Kenntnisstands zum Bilingualen Unterricht und zum Lernen mit Fachkonzepten im Geographieunterricht wurde eine Lernumgebung konzipiert, im Unterricht erprobt und weiterentwickelt, in der Strategien des Sprachwechsels zum Einsatz kommen. Die Ergebnisse der Studie sind kontextbezogene Theorien einer zweisprachigen Didaktik für den bilingualen Geographieunterricht und Erkenntnisse zum Lernen mit Fachkonzepten im Geographieunterricht am Beispiel des geographischen Konzepts Wandel. Produkt der Studie ist eine unterrichtstaugliche Lernumgebung zum Thema Wandlungsprozesse an ausgewählten Orten für den bilingualen Geographieunterricht mit didaktischem Konzept, Unterrichtsmaterialien und -medien. N2 - Bilingual teaching is considered to be the most successful model for foreign language acquisition in German classrooms. Being proficient in at least one foreign language, both orally and in writing, is an essential capability for vocational education in a world shaped by globalization. Foreign language acquisition especially profits from merging subject-specific learning and language skills in bilingual learning settings. At the same time, the discrepancy between foreign language skills and subject-specific capabilities of the learners in bilingual subject teaching is a great challenge for subject-specific learning. Educators face the challenge of designing bilingual learning settings that allow students to deal with complex geographical problems while at the same time ensure that students do not feel overwhelmed in regard to their foreign language abilities. Using a Design-Based-Research approach, this study investigated how subject-specific learning can be promoted by using both languages involved (English/German) in a bilingual geography classroom setting. Based on current research findings in bilingual teaching and conceptual learning in geography education, we designed a learning environment that implements strategies of language switching to promote subject-specific learning. After implementing this setting in a geography classroom, we re-designed the learning environment according to our findings for a second implementation phase. The study provides relevant findings in terms of veritable bilingual teaching and learning in geography lessons. Moreover, insights are given into conceptual learning by using the geographical concept of change. A set of 6 lessons on the topic of changes at different places have been developed for a geography classroom, including a didactical concept and teaching materials. T3 - Potsdamer Geographische Praxis - 19 KW - bilingualer Unterricht KW - Design-Based-Research KW - DBR KW - Geographieunterricht KW - Wandel KW - Basiskonzepte KW - Fachkonzepte KW - bilingualer Geographieunterricht KW - bilingual teaching KW - Design-Based-Research KW - DBR KW - geography education KW - change KW - geographical key concepts KW - bilingual geography teaching Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-578486 SN - 978-3-86956-557-6 SN - 2194-1599 SN - 2194-1602 IS - 19 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Han, Sungju T1 - Perceptions of nature-based solutions in the context of floods T1 - Wahrnehmung von Naturbasierten Lösungen im Kontext vom Hochwasser BT - understanding the complexity of people and places at risk BT - Erfassung der Komplexität von gefährdeten Menschen und Orten N2 - Traditional ways of reducing flood risk have encountered limitations in a climate-changing and rapidly urbanizing world. For instance, there has been a demanding requirement for massive investment in order to maintain a consistent level of security as well as increased flood exposure of people and property due to a false sense of security arising from the flood protection infrastructure. Against this background, nature-based solutions (NBS) have gained popularity as a sustainable and alternative way of dealing with diverse societal challenges such as climate change and biodiversity loss. In particular, their ability to reduce flood risks while also offering ecological benefits has recently received global attention. Diverse co-benefits of NBS that favor both humans and nature are viewed as promising a wide endorsement of NBS. However, people’s perceptions of NBS are not always positive. Local resistance to NBS projects as well as decision-makers’ and practitioners’ unwillingness to adopt NBS have been pointed out as a bottleneck to the successful realization and mainstreaming of NBS. In this regard, there has been a growing necessity to investigate people’s perceptions of NBS. Current research has lacked an integrative perspective of both attitudinal and contextual factors that guide perceptions of NBS; it not only lacks empirical evidence, but a few existing ones are rather conflicting without having underlying theories. This has led to the overarching research question of this dissertation, "What shapes people’s perceptions of NBS in the context of flooding?" The dissertation aims to answer the following sub-questions in the three papers that make up this dissertation: 1. What are the topics reflected in the previous literature influencing perceptions of NBS as a means to reduce hydro-meteorological risks? (Paper I) 2. What are the stimulating and hampering attitudinal and contextual factors for mainstreaming NBS for flood risk management? How are NBS conceptualized? (Paper II) 3. How are public attitudes toward the NBS projects shaped? How do risk-and place-related factors shape individual attitudes toward NBS? (Paper III) This dissertation follows an integrative approach of considering “place” and “risk”, as well as the surrounding context, by analyzing attitudinal (i.e., individual) and contextual (i.e., systemic) factors. “Place” is mainly concerned with affective elements (e.g., bond to locality and natural environment) whereas “risk” is related to cognitive elements (e.g., threat appraisal). The surrounding context provides systemic drivers and barriers with the possibility of interfering the influence of place and risk for perceptions of NBS. To empirically address the research questions, the current status of the knowledge about people’s perceptions of NBS for flood risks was investigated by conducting a systematic review (Paper I). Based on these insights, a case study of South Korea was used to demonstrate key contextual and attitudinal factors for mainstreaming NBS through the lens of experts (Paper II). Lastly, by conducting a citizen survey, it investigated the relationship between the previously discussed concepts in Papers I and II using structural equation modeling, focusing on the core concepts, namely risk and place (Paper III). As a result, Paper I identified the key topics relating to people’s perceptions, including the perceived value of co-benefits, perceived effectiveness of risk reduction effectiveness, participation of stakeholders, socio-economic and place-specific conditions, environmental attitude, and uncertainty of NBS. Paper II confirmed Paper I's findings regarding attitudinal factors. In addition, several contextual hampering or stimulating factors were found to be similar to those of any emerging technologies (i.e., path dependence, lack of operational and systemic capacity). Among all, one of the distinctive features in NBS contexts, at least in the South Korean case, is the politicization of NBS, which can lead to polarization of ideas and undermine the decision-making process. Finally, Paper III provides a framework with the core topics (i.e., place and risk) that were considered critical in Paper I and Paper II. This place-based risk appraisal model (PRAM) connects people at risk and places where hazards (i.e., floods) and interventions (i.e., NBS) take place. The empirical analysis shows that, among the place-related variables, nature bonding was a positive predictor of the perceived risk-reduction effectiveness of NBS, and place identity was a negative predictor of supportive attitude. Among the risk-related variables, threat appraisal had a negative effect on perceived risk reduction effectiveness and supportive attitude, while well-communicated information, trust in flood risk management, and perceived co-benefit were positive predictors. This dissertation proves that the place and risk attributes of NBS shape people’s perceptions of NBS. In order to optimize the NBS implementation, it is necessary to consider the meanings and values held in place before project implementation and how these attributes interact with individual and/or community risk profiles and other contextual factors. With the increasing necessity of using NBS to lower flood risks, these results make important suggestions for the future NBS project strategy and NBS governance. N2 - Herkömmliche Methoden zur Verminderung des Hochwasserrisikos stoßen in Zeiten des Klimawandels und der Urbanisierung an ihre Grenzen. So sind beispielsweise massive Investitionen erforderlich, um ein gleichbleibendes Sicherheitsniveau aufrechtzuerhalten, und das Hochwasserrisiko für Menschen und Eigentum steigt, weil die Hochwasserschutzinfrastruktur ein falsches Sicherheitsgefühl vermittelt. Vor diesem Hintergrund haben naturbasierte Lösungen (engl. Nature-Based Solutions, kurz: NBS) als nachhaltiger und alternativer Weg zur Bewältigung verschiedener gesellschaftlicher Herausforderungen wie Klimawandel und Verlust der biologischen Vielfalt an Popularität gewonnen. Insbesondere ihre Eigenschaft, das Hochwasserrisiko zu verringern und gleichzeitig ökologische Vorteile zu bieten, hat zuletzt weltweit Aufmerksamkeit erregt. Die vielfältigen Vorteile der NBS, die sowohl den Menschen als auch der Natur zugutekommen, sind vielversprechende Gründe für eine breite Befürwortung der NBS. Die Wahrnehmung der NBS durch die Bevölkerung ist jedoch nicht immer positiv. Lokaler Widerstand gegen NBS-Projekte sowie die mangelnde Bereitschaft von Entscheidungsträgern und Praktikern, NBS zu übernehmen, wurden als Hürden für die erfolgreiche Umsetzung und langfristige Etablierung von NBS identifiziert. In diesem Zusammenhang hat sich die Notwendigkeit ergeben, die Wahrnehmung von NBS genauer zu untersuchen. In der aktuellen Forschung fehlt eine integrative Perspektive sowohl auf einstellungs- als auch auf kontextbezogene Faktoren, die die Wahrnehmung von NBS beeinflussen; es mangelt nicht nur an empirischen Belegen, sondern die wenigen vorhandenen Befunde sind eher widersprüchlich, ohne dass zugrunde liegende Theorien vorhanden sind. Daraus ergibt sich die übergeordnete Forschungsfrage dieser Dissertation: "Was beeinflusst die Wahrnehmung der Menschen von NBS im Kontext von Hochwasser?" Die Dissertation intendiert, die folgenden Unterfragen in den drei Publikationen zu beantworten, die diese Dissertation bilden: 1. Welche Themen spiegeln sich in der bisherigen Literatur wider und beeinflussen die Wahrnehmung von NBS als Mittel zur Verringerung hydrometeorologischer Risiken? (Publikation I) 2. Was sind die fördernden und hemmenden Einstellungs- und Kontextfaktoren für das Mainstreaming von NBS für das Hochwasserrisikomanagement? Wie werden NBS von Experten konzeptualisiert? (Publikation II) 3. Wie wird die Einstellung der Öffentlichkeit zu NBS-Projekten geprägt? Wie beeinflussen risiko- und ortsbezogene Faktoren die individuelle Einstellung zu NBS? (Publikation III) In dieser Dissertation wird ein integrativer Ansatz verfolgt, der Ort (Place) und Risiko (Risk) sowie den umgebenden Kontext berücksichtigt, indem einstellungsbezogene (d. h. individuelle) und kontextbezogene (d. h. systemische) Faktoren analysiert werden. "Ort" affektive Elemente betrifft (z. B. die Bindung an den Ort und die natürliche Umgebung), während "Risiko" bezieht sich auf kognitive Elemente (z. B. die Einschätzung der Bedrohung). Der umgebende Kontext bietet systemische Triebkräfte und Hindernisse, die den Einfluss von Ort und Risiko auf die Wahrnehmung der NBS beeinflussen können. Zur empirischen Beantwortung der Forschungsfragen wurde der aktuelle Stand der Forschung über die Wahrnehmung der NBS für Hochwasserrisiken durch eine systematische Literaturanalyse untersucht (Publikation I). Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wird eine Fallstudie aus Südkorea herangezogen, um die wichtigsten Kontext- und Einstellungsfaktoren für das Mainstreaming von NBS aus der Sicht von Experten aufzuzeigen (Publikation II). Schließlich wurde anhand einer Bürgerbefragung die Beziehung zwischen den zuvor in den Publikationen I und II erörterten Konzepten untersucht, mit Schwerpunkt auf den Kernkonzepten, nämlich Risiko und Ort. Die Analzse basiert auf einem Strukturgleichungsmodell (Publikation III). In Publikation I wurden die wichtigsten Themen im Zusammenhang mit der Wahrnehmung der Menschen identifiziert, darunter der wahrgenommene Wert von Zusatznutzen, die wahrgenommene Wirksamkeit der Risikominderung, die Beteiligung von Interessengruppen, sozioökonomische und ortsspezifische Bedingungen, die Einstellung zur Umwelt und die Unsicherheit der NBS. Publikation II bestätigte die Ergebnisse von Publikation I hinsichtlich der Einstellungsfaktoren (d.h. die Bereiche Ort und Risiko). Zusätzlich wurde festgestellt, dass mehrere hemmende und fördernde Kontextfaktoren denen aller neuen Technologien ähneln (d. h. Pfadabhängigkeit, fehlende operative und systemische Kapazitäten). Eines der besonderen Merkmale im Kontext der NBS, zumindest im Fall Südkoreas, ist die Politisierung der NBS, die möglicherweise zu einer Polarisierung der Ideen an sich führen und damit den Entscheidungsprozess untergraben kann. Schließlich bietet Publikation III einen Rahmen mit dem Fokus auf die Faktoren (d. h. Ort und Risiko), die in Papier I und Papier II als entscheidend angesehen wurden. Dieses ortsbezogene Risikobewertungsmodell (place-based risk appraisal model, PRAM) stellt eine Verbindung zwischen den gefährdeten Menschen und den Orten her, an denen Gefahren (z. B. Hochwasser) und Interventionen (z. B. NBS) stattfinden. Die empirische Analyse zeigt, dass bei den ortsbezogenen Konstrukten die Naturverbundenheit ein positiver Prädiktor für die wahrgenommene risikomindernde Wirksamkeit der NBS war und die Ortsidentität ein negativer Prädiktor für die unterstützende Einstellung. Bei den risikobezogenen Konstrukten wirkte sich die Einschätzung der Bedrohung negativ auf die wahrgenommene Wirksamkeit der Risikominderung und die unterstützende Einstellung aus, während gut kommunizierte Informationen, Vertrauen in das Hochwasserrisikomanagement und wahrgenommener Zusatznutzen positive Prädiktoren waren. Diese Dissertation zeigt, dass die verschiedenen Ebenen der Orts-, Risiko- und Landschaftsattribute der NBS die Wahrnehmung der NBS durch die Menschen beeinflussen. Um die Umsetzung der NBS zu optimieren, müssen die vor der Projektumsetzung bestehenden Vorstellungen und Werte der dort lebenden Menschen berücksichtigt und analysiert werden, wie diese Attribute mit dem Risikokontext und anderen systemischen und kontextuellen Faktoren interagieren. Angesichts der zunehmenden Notwendigkeit, naturbasierte Methoden zur Verringerung von Hochwasserrisiken einzusetzen, liefern diese Ergebnisse wichtige Anregungen für die künftige NBS-Projektstrategie und NBS-Governance. KW - nature-based solutions KW - flood risk management KW - dike relocation KW - risk perception KW - place attachment KW - acceptance KW - attitude KW - systematic review KW - semi-structured interview KW - structural equation modeling KW - Akzeptanz KW - Einstellung KW - Deichrückverlegung KW - Hochwasserrisikomanagement KW - naturbasierte Lösungen KW - Ortsbindung KW - Risikowahrnehmung KW - halbstrukturiertes Interview KW - Strukturgleichungsmodell KW - systematische Übersicht Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-579524 ER - TY - JOUR A1 - Arguello de Souza, Felipe Augusto A1 - Samprogna Mohor, Guilherme A1 - Guzman Arias, Diego Alejandro A1 - Sarmento Buarque, Ana Carolina A1 - Taffarello, Denise A1 - Mendiondo, Eduardo Mario T1 - Droughts in São Paulo BT - challenges and lessons for a water-adaptive society JF - Urban water journal N2 - Literature has suggested that droughts and societies are mutually shaped and, therefore, both require a better understanding of their coevolution on risk reduction and water adaptation. Although the Sao Paulo Metropolitan Region drew attention because of the 2013-2015 drought, this was not the first event. This paper revisits this event and the 1985-1986 drought to compare the evolution of drought risk management aspects. Documents and hydrological records are analyzed to evaluate the hazard intensity, preparedness, exposure, vulnerability, responses, and mitigation aspects of both events. Although the hazard intensity and exposure of the latter event were larger than the former one, the policy implementation delay and the dependency of service areas in a single reservoir exposed the region to higher vulnerability. In addition to the structural and non-structural tools implemented just after the events, this work raises the possibility of rainwater reuse for reducing the stress in reservoirs. KW - droughts KW - urban water supply KW - water crisis KW - drought risk KW - paired event KW - analysis KW - vulnerability Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1080/1573062X.2022.2047735 SN - 1573-062X SN - 1744-9006 VL - 20 IS - 10 SP - 1682 EP - 1694 PB - Taylor & Francis CY - London [u.a.] ER - TY - JOUR A1 - Seleem, Omar A1 - Ayzel, Georgy A1 - Bronstert, Axel A1 - Heistermann, Maik T1 - Transferability of data-driven models to predict urban pluvial flood water depth in Berlin, Germany JF - Natural Hazards and Earth System Sciences N2 - Data-driven models have been recently suggested to surrogate computationally expensive hydrodynamic models to map flood hazards. However, most studies focused on developing models for the same area or the same precipitation event. It is thus not obvious how transferable the models are in space. This study evaluates the performance of a convolutional neural network (CNN) based on the U-Net architecture and the random forest (RF) algorithm to predict flood water depth, the models' transferability in space and performance improvement using transfer learning techniques. We used three study areas in Berlin to train, validate and test the models. The results showed that (1) the RF models outperformed the CNN models for predictions within the training domain, presumable at the cost of overfitting; (2) the CNN models had significantly higher potential than the RF models to generalize beyond the training domain; and (3) the CNN models could better benefit from transfer learning technique to boost their performance outside training domains than RF models. Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.5194/nhess-23-809-2023 SN - 1684-9981 SN - 1561-8633 VL - 23 IS - 2 SP - 809 EP - 822 PB - Copernicus CY - Göttingen ER - TY - THES A1 - Mtilatila, Lucy Mphatso Ng'ombe T1 - Climate change effects on drought, freshwater availability and hydro-power generation in an African environment T1 - Auswirkungen des Klimawandels auf Dürre, Wasserverfügbarkeit und Wasserkrafterzeugung in einer tropischen afrikanischen Region BT - observations and projections for the Lake Malawi and Shire River Basins in Malawi BT - Datenanalysen und Projektionen für die Einzugsgebiete des Malawi-Sees und des Shire-Flusses in Malawi N2 - The work is designed to investigate the impacts and sensitivity of climate change on water resources, droughts and hydropower production in Malawi, the South-Eastern region which is highly vulnerable to climate change. It is observed that rainfall is decreasing and temperature is increasing which calls for the understanding of what these changes may impact the water resources, drought occurrences and hydropower generation in the region. The study is conducted in the Greater Lake Malawi Basin (Lake Malawi and Shire River Basins) and is divided into three projects. The first study is assessing the variability and trends of both meteorological and hydrological droughts from 1970-2013 in Lake Malawi and Shire River basins using the standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation and evaporation Index (SPEI) for meteorological droughts and the lake level change index (LLCI) for hydrological droughts. And later the relationship of the meteorological and hydrological droughts is established. While the second study extends the drought analysis into the future by examining the potential future meteorological water balance and associated drought characteristics such as the drought intensity (DI), drought months (DM), and drought events (DE) in the Greater Lake Malawi Basin. The sensitivity of drought to changes of rainfall and temperature is also assessed using the scenario-neutral approach. The climate change projections from 20 Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX) models for Africa based on two scenarios (RCP4.5 and RCP8.5) for the periods 2021–2050 and 2071–2100 are used. The study also investigates the effect of bias-correction (i.e., empirical quantile mapping) on the ability of the climate model ensemble in reproducing observed drought characteristics as compared to raw climate projections. The sensitivity of key hydrologic variables and hydropower generation to climate change in Lake Malawi and Shire River basins is assessed in third study. The study adapts the mesoscale Hydrological Model (mHM) which is applied separately in the Upper Lake Malawi and Shire River basins. A particular Lake Malawi model, which focuses on reservoir routing and lake water balance, has been developed and is interlinked between the two basins. Similar to second study, the scenario-neutral approach is also applied to determine the sensitivity of climate change on water resources more particularly Lake Malawi level and Shire River flow which later helps to estimate the hydropower production susceptibility. Results suggest that meteorological droughts are increasing due to a decrease in precipitation which is exacerbated by an increase in temperature (potential evapotranspiration). The hydrological system of Lake Malawi seems to have a >24-month memory towards meteorological conditions since the 36-months SPEI can predict hydrological droughts ten-months in advance. The study has found the critical lake level that would trigger hydrological drought to be 474.1 m.a.s.l. Despite the differences in the internal structures and uncertainties that exist among the climate models, they all agree on an increase of meteorological droughts in the future in terms of higher DI and longer events (DM). DI is projected to increase between +25% and +50% during 2021-2050 and between +131% and +388% during 2071-2100. This translates into +3 to +5, and +7 to +8 more drought months per year during both periods, respectively. With longer lasting drought events, DE is decreasing. Projected droughts based on RCP8.5 are 1.7 times more severe than droughts based on RCP4.5. It is also found that an annual temperature increase of 1°C decreases mean lake level and outflow by 0.3 m and 17%, respectively, signifying the importance of intensified evaporation for Lake Malawi’s water budget. Meanwhile, a +5% (-5%) deviation in annual rainfall changes mean lake level by +0.7 m (-0.6 m). The combined effects of temperature increase and rainfall decrease result in significantly lower flows on Shire River. The hydrological river regime may change from perennial to seasonal with the combination of annual temperature increase and precipitation decrease beyond 1.5°C (3.5°C) and -20% (-15%). The study further projects a reduction in annual hydropower production between 1% (RCP8.5) and 2.5% (RCP4.5) during 2021–2050 and between 5% (RCP4.5) and 24% (RCP8.5) during 2071–2100. The findings are later linked to global policies more particularly the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC)’s Paris Agreement and the United Nations (UN)’s Sustainable Development Goals (SDGs), and how the failure to adhere the restriction of temperature increase below the global limit of 1.5°C will affect drought and the water resources in Malawi consequently impact the hydropower production. As a result, the achievement of most of the SDGs will be compromised. The results show that it is of great importance that a further development of hydro energy on the Shire River should take into account the effects of climate change. The information generation is important for decision making more especially supporting the climate action required to fight against climate change. The frequency of extreme climate events due to climate change has reached the climate emergency as saving lives and livelihoods require urgent action. N2 - Ziel der Arbeit ist es, die Auswirkungen und die Sensitivität des Klimawandels auf die Wasser¬ressourcen, Dürren und die Wasserkrafterzeugung in Malawi zu untersuchen, einer Region im Südosten Afrikas, die besonders anfällig für den Klimawandel ist. Es ist zu beobachten, dass die Niederschläge abnehmen und die Temperaturen steigen, was Untersuchungen nahelegt, inwiefern sich diese Veränderungen auf die Wasserressourcen, Dürren und die Wasserkraft¬erzeugung in der Region auswirken können. Die Studie wird im Flussgebiet des Malawi-Sees (Einzugsgebiet des Malawi-Sees und des Shire-Flusses) durchgeführt und ist in drei Projekte unterteilt. In der ersten Studie werden die Variabilität und die Trends von meteorologischen und hydrologischen Dürren im Zeitraum 1970-2013 im Malawi-See- und Shire-Flusseinzugs¬gebiet anhand des standardisierten Niederschlagsindexes (SPI) und des standardisierten Niederschlags- und Verdunstungsindexes (SPEI) für meteorologische Dürren und des Indexes für die Veränderung des Seespiegels (LLCI) für hydrologische Dürren untersucht. Anschließend wird der Zusammenhang zwischen meteorologischen und hydrologischen Dürren hergestellt. In der zweiten Studie wird die Dürreanalyse in die Zukunft ausgedehnt, indem die potenzielle künftige meteorologische Wasserbilanz und die damit verbundenen Dürremerkmale wie Dürre¬intensität (DI), Dürremonate (DM) und Dürreereignisse (DE) im Einzugsgebiet des Malawisees untersucht werden. Die Empfindlichkeit der Dürre gegenüber Veränderungen der Nieder¬schlags¬menge und der Temperatur wird anhand des „Szenario-neutralen“ Ansatzes bewertet. Es werden die Projektionen des Klimawandels aus 20 „Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment“ Modellen für Afrika auf der Grundlage von zwei Szenarien (RCP4.5 und RCP8.5) für die Zeiträume 2021-2050 und 2071-2100 verwendet. Die Studie untersucht auch die Auswirkung der Fehlerkorrektur (via „empirical quantile mapping) auf die Möglichkeit des Klimamodell-Ensembles, beobachtete Dürrecharakteristika im Vergleich zu den Originaldaten der Klimaprojektionen wieder¬zugeben. In der dritten Studie wird die Sensitivität der wichtigsten hydrologischen Variablen und der Wasserkrafterzeugung auf den Klimawandel in den Einzugsgebieten des Malawi-Sees und des Shire-Flusses untersucht. In der Studie wird das meso-skalige hydrologische Modell (mHM) angepasst, welches in den Einzugsgebieten des Malawisees und des Shire-Flusses getrennt angewendet wird. Ein spezielles Modell für den Malawisee, welches sich auf die Wellenver¬formung im See und dessen Wasserbilanz, wurde entwickelt und wurde mit den beiden Einzugsgebieten gekoppelt. Ähnlich wie in der zweiten Studie wird auch hier der Szenario-neutrale Ansatz angewandt, um die Sensitivität des Klimawandels auf die Wasserressourcen zu bestimmen, insbesondere auf den Wasserstand im Malawisee und den Durchfluss des Shire-Flusses, was später zur Abschätzung der Anfälligkeit der Wasserkraft-produktion nötig ist. Die Ergebnisse lassen erwarten, dass meteorologische Dürren aufgrund von Niederschlags-rückgang zunehmen, was durch einen Temperaturanstieg (und dadurch erhöhte Verdunstung) noch verschärft wird. Das hydrologische System des Malawi-Sees scheint ein >24-monatiges „meteorologisches Gedächtnis“ zu haben, da mit den 36-monatigen SPEI-Indizes, hydrologische Dürren zehn Monate im Voraus vorhersagbar sind. Die Studie ergab zudem, dass der kritische Seespiegel zur Auslösung hydrologische Dürren bei 474,1 m+NN liegt. Trotz der Unterschiede in internen Strukturen und Unsicherheiten der verschiedenen Klimamodelle, stimmen sie darin überein, dass meteorologische Dürren in der Zukunft in Form von höheren DI und längeren Ereignissen (DM) zunehmen werden. Die DI würde im Zeitraum 2021-2050 um +25 % bis +50 % und im Zeitraum 2071-2100 um +131 % bis +388 % zunehmen. Dies bedeutet 3 bis 5 bzw. 7 bis 8 Dürremonate mehr pro Jahr in beiden Zeiträumen. Bei länger anhaltenden Dürreereignissen nehmen die DE ab. Die prognostizierten Dürren auf der Grundlage des RCP8.5 sind 1,7-mal schwerer als die Dürren auf der Grundlage des RCP4.5. Es wird auch festgestellt, dass ein jährlicher Temperaturanstieg von 1°C den mittleren See-spiegel und den Abfluss um 0,3 m bzw. 17 % verringert, was auf die Bedeutung einer verstärk¬ten Verdunstung für den Wasserhaushalt des Malawisees hinweist. Eine Abweichung von +5 % (-5 %) bei den jährlichen Niederschlägen verändert den mittleren Seespiegel um +0,7 m (-0,6 m). Die kombinierten Auswir¬kungen des Temperaturanstiegs und des Niederschlagsrück¬gangs führen zu einem deutlich geringeren Durchfluss im Shire River. Das hydrologische Regime des Flusses kann sich bei einer Kombination aus jährlicher Temperaturerhöhung und Niederschlagsabnahme um mehr als 1,5°C (3,5°C) und -20% (-15%) von mehrjährig zu saisonal ändern. Die Studie prognostiziert ferner einen Rückgang der jährlichen Wasserkraft¬produktion zwischen 1 % (RCP8.5) und 2,5 % (RCP4.5) im Zeitraum 2021-2050 und zwischen 5 % (RCP4.5) und 24 % (RCP8.5) im Zeitraum 2071-2100. Die Ergebnisse werden letztlich mit der globalen Politik in Verbindung gebracht, insbesondere mit dem Pariser Abkommen des Rahmenübereinkommens der Vereinten Nationen über Klima-änderungen (UNFCCC) und den Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs) der Vereinten Nationen (UN). Zudem damit, wie sich die Nichteinhaltung der Begrenzung des Temperatur-anstiegs auf 1,5°C auf die Dürre und die Wasserressourcen in Malawi auswirken wird, was wiederum Auswirkungen auf die Wasserkraftproduktion hat. Infolgedessen wird die Erreichung der meisten SDGs gefährdet sein. Die Ergebnisse zeigen, dass es von großer Bedeutung ist, dass bei der weiteren Entwicklung der Wasserkraft am Shire River die Auswirkungen des Klimawandels berücksichtigt werden sollten. Die Generierung von Informationen ist wichtig für die Entscheidungsfindung, insbesondere für die Unterstützung von Klimaschutzmaßnahmen, die zur Bekämpfung des Klimawandels erforderlich sind. Die Häufigkeit extremer Klimaereignisse aufgrund des Klimawandels hat einen kritischen Punkt erreicht, so dass die Rettung von Leben und die Bewahrung der Lebensgrundlagen dringende Maßnahmen erfordert. KW - climate change KW - Klimaänderung KW - Malawi KW - water balance KW - Wasserbilanz KW - drought KW - Dürre KW - water resources KW - Wasserressourcen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-599298 ER - TY - THES A1 - Seleem, Omar T1 - Towards urban pluvial flood mapping using data-driven models T1 - Kartierung städtischer Überschwemmungen mit datengesteuerten Modellen N2 - Casualties and damages from urban pluvial flooding are increasing. Triggered by short, localized, and intensive rainfall events, urban pluvial floods can occur anywhere, even in areas without a history of flooding. Urban pluvial floods have relatively small temporal and spatial scales. Although cumulative losses from urban pluvial floods are comparable, most flood risk management and mitigation strategies focus on fluvial and coastal flooding. Numerical-physical-hydrodynamic models are considered the best tool to represent the complex nature of urban pluvial floods; however, they are computationally expensive and time-consuming. These sophisticated models make large-scale analysis and operational forecasting prohibitive. Therefore, it is crucial to evaluate and benchmark the performance of other alternative methods. The findings of this cumulative thesis are represented in three research articles. The first study evaluates two topographic-based methods to map urban pluvial flooding, fill–spill–merge (FSM) and topographic wetness index (TWI), by comparing them against a sophisticated hydrodynamic model. The FSM method identifies flood-prone areas within topographic depressions while the TWI method employs maximum likelihood estimation to calibrate a TWI threshold (τ) based on inundation maps from the 2D hydrodynamic model. The results point out that the FSM method outperforms the TWI method. The study highlights then the advantage and limitations of both methods. Data-driven models provide a promising alternative to computationally expensive hydrodynamic models. However, the literature lacks benchmarking studies to evaluate the different models' performance, advantages and limitations. Model transferability in space is a crucial problem. Most studies focus on river flooding, likely due to the relative availability of flow and rain gauge records for training and validation. Furthermore, they consider these models as black boxes. The second study uses a flood inventory for the city of Berlin and 11 predictive features which potentially indicate an increased pluvial flooding hazard to map urban pluvial flood susceptibility using a convolutional neural network (CNN), an artificial neural network (ANN) and the benchmarking machine learning models random forest (RF) and support vector machine (SVM). I investigate the influence of spatial resolution on the implemented models, the models' transferability in space and the importance of the predictive features. The results show that all models perform well and the RF models are superior to the other models within and outside the training domain. The models developed using fine spatial resolution (2 and 5 m) could better identify flood-prone areas. Finally, the results point out that aspect is the most important predictive feature for the CNN models, and altitude is for the other models. While flood susceptibility maps identify flood-prone areas, they do not represent flood variables such as velocity and depth which are necessary for effective flood risk management. To address this, the third study investigates data-driven models' transferability to predict urban pluvial floodwater depth and the models' ability to enhance their predictions using transfer learning techniques. It compares the performance of RF (the best-performing model in the previous study) and CNN models using 12 predictive features and output from a hydrodynamic model. The findings in the third study suggest that while CNN models tend to generalise and smooth the target function on the training dataset, RF models suffer from overfitting. Hence, RF models are superior for predictions inside the training domains but fail outside them while CNN models could control the relative loss in performance outside the training domains. Finally, the CNN models benefit more from transfer learning techniques than RF models, boosting their performance outside training domains. In conclusion, this thesis has evaluated both topographic-based methods and data-driven models to map urban pluvial flooding. However, further studies are crucial to have methods that completely overcome the limitation of 2D hydrodynamic models. N2 - Die Zahl der Todesopfer und Schäden durch Überschwemmungen in Städten nimmt zu. Ausgelöst durch kurze, lokal begrenzte und intensive Niederschlagsereignisse können urbane pluviale Überschwemmungen überall auftreten - sogar in Gebieten, in denen es in der Vergangenheit keine Überschwemmungen gab. Urbane pluviale Überschwemmungen haben eine relativ geringe zeitliche und räumliche Ausdehnung. Obwohl die kumulativen Verluste durch urbane pluviale Überschwemmungen vergleichbar sind, konzentrieren sich die meisten Hochwasserrisikomanagement- und -minderungsstrategien auf Fluss- und Küstenüberschwemmungen. Numerisch-physikalisch-hydrodynamische Modelle gelten als das beste Instrument zur Darstellung der komplexen Natur städtischer pluvialer Überschwemmungen; sie sind jedoch rechenintensiv und zeitaufwändig. Diese anspruchsvollen Modelle machen groß angelegte Analysen und operationelle Vorhersagen unerschwinglich. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Leistung anderer Methoden zu bewerten und zu vergleichen, die komplexe hydrodynamische Modelle ersetzen könnten. Die Ergebnisse dieser kumulativen Arbeit werden in drei Forschungsartikeln dargestellt. In der ersten Studie bewerte ich zwei topografiebasierte Methoden zur Kartierung von Überschwemmungen in Städten, die Fill-Spill-Merge-Methode (FSM) und den topografischen Nässeindex (TWI), indem ich sie mit einem hochentwickelten hydrodynamischen Modell vergleiche. Die FSM-Methode identifiziert überschwemmungsgefährdete Gebiete innerhalb topografischer Senken, während die TWI-Methode eine Maximum-Likelihood-Schätzung verwendet, um einen TWI-Schwellenwert (τ) auf der Grundlage von Überschwemmungskarten aus dem hydrodynamischen 2D-Modell zu kalibrieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die FSM-Methode die TWI-Methode übertrifft. Anschließend werden die Vorteile und Grenzen beider Methoden aufgezeigt. Datengesteuerte Modelle stellen eine vielversprechende Alternative zu rechenintensiven hydrodynamischen Modellen dar. In der Literatur fehlt es jedoch an Benchmarking-Studien zur Bewertung der Leistung, Vorteile und Grenzen der verschiedenen Modelle. Die räumliche Übertragbarkeit von Modellen ist ein entscheidendes Problem. Die meisten Studien konzentrieren sich auf Flussüberschwemmungen, was wahrscheinlich auf die relative Verfügbarkeit von Abfluss- und Regenmesserdaten für Training und Validierung zurückzuführen ist. Außerdem betrachten sie diese Modelle als Black Boxes. In der zweiten Studie verwende ich ein Hochwasserinventar für die Stadt Berlin und 11 prädiktive Merkmale, die potenziell auf eine erhöhte pluviale Hochwassergefahr hinweisen, um die Anfälligkeit für pluviale Überschwemmungen in Städten zu kartieren. Dazu verwende ich ein Faltungsneuronales Netzwerk (CNN), ein Künstliches Neuronales Netzwerk (ANN) und die Benchmarking-Modelle Random Forest (RF) und Support Vector Machine (SVM). Ich untersuche den Einfluss der räumlichen Auflösung auf die implementierten Modelle, die Übertragbarkeit der Modelle im Raum und die Bedeutung der prädiktiven Merkmale. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Modelle gut abschneiden und die RF-Modelle den anderen Modellen innerhalb und außerhalb des Trainingsbereichs überlegen sind. Die Modelle, die mit feiner räumlicher Auflösung (2 und 5 m) entwickelt wurden, konnten hochwassergefährdete Gebiete besser identifizieren. Schließlich zeigen die Ergebnisse, dass der Aspekt das wichtigste Vorhersagemerkmal für die CNN-Modelle ist, und die Höhe für die anderen Modelle. Während Hochwasseranfälligkeitskarten überschwemmungsgefährdete Gebiete identifizieren, stellen sie keine Hochwasservariablen wie Geschwindigkeit und Wassertiefe dar, die für ein effektives Hochwasserrisikomanagement notwendig sind. Um dieses Problem anzugehen, untersuche ich in der dritten Studie die Übertragbarkeit datengesteuerter Modelle auf die Vorhersage der Überschwemmungstiefe in städtischen Gebieten und die Fähigkeit der Modelle, ihre Vorhersagen durch Transfer-Learning-Techniken zu verbessern. Ich vergleiche die Leistung von RF- (das beste Modell in der vorherigen Studie) und CNN-Modellen anhand von 12 Vorhersagemerkmalen und den Ergebnissen eines hydrodynamischen Modells. Die Ergebnisse der dritten Studie deuten darauf hin, dass CNN-Modelle dazu neigen, die Zielfunktion auf dem Trainingsdatensatz zu verallgemeinern und zu glätten, während RF-Modelle unter Overfitting leiden. Daher sind RF-Modelle für Vorhersagen innerhalb der Trainingsbereiche überlegen, versagen aber außerhalb davon, während CNN-Modelle den relativen Leistungsverlust außerhalb der Trainingsdomänen kontrollieren können. Schließlich profitieren die CNN-Modelle mehr von Transfer-Learning-Techniken als RF-Modelle, was ihre Leistung außerhalb der Trainingsbereiche erhöht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit sowohl topografiebasierte Methoden als auch datengesteuerte Modelle zur Kartierung von Überschwemmungen in Städten bewertet wurden. Weitere Studien sind jedoch von entscheidender Bedeutung, um Methoden zu entwickeln, die die Beschränkungen von 2D-hydrodynamischen Modellen vollständig überwinden. KW - urban pluvial flood KW - machine learning KW - deep learning KW - topography KW - tiefes Lernen KW - maschinelles Lernen KW - Topographie KW - städtische Überschwemmungen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-598137 ER - TY - GEN A1 - Seleem, Omar A1 - Ayzel, Georgy A1 - Bronstert, Axel A1 - Heistermann, Maik T1 - Transferability of data-driven models to predict urban pluvial flood water depth in Berlin, Germany T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Data-driven models have been recently suggested to surrogate computationally expensive hydrodynamic models to map flood hazards. However, most studies focused on developing models for the same area or the same precipitation event. It is thus not obvious how transferable the models are in space. This study evaluates the performance of a convolutional neural network (CNN) based on the U-Net architecture and the random forest (RF) algorithm to predict flood water depth, the models' transferability in space and performance improvement using transfer learning techniques. We used three study areas in Berlin to train, validate and test the models. The results showed that (1) the RF models outperformed the CNN models for predictions within the training domain, presumable at the cost of overfitting; (2) the CNN models had significantly higher potential than the RF models to generalize beyond the training domain; and (3) the CNN models could better benefit from transfer learning technique to boost their performance outside training domains than RF models. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1323 Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-589168 SN - 1866-8372 IS - 1323 SP - 809 EP - 822 ER - TY - THES A1 - Nomosatryo, Sulung T1 - Biogeochemical characteristics of a tropical lake T1 - Biogeochemische Merkmale eines tropischen Sees BT - a study case from Lake Sentani, Papua, Indonesia BT - eine Fallstudie des Sentani-Sees, Papua, Indonesien N2 - Biogeochemical analyses of lacustrine environments are well-established methods that allow exploring and understanding complex systems in the lake ecosystem. However, most were conducted in temperate lakes controlled by entirely different physical conditions than in tropical climates. The most important difference between the temperate and tropical lakes is lacking seasonal temperature fluctuations in the latter, which leads to a stable temperature gradient in the water column. Thus, the water column in tropical latitudes generally is void of perturbations that can be seen in their temperate counterparts. Permanent stratification in the water column provides optimal conditions for intact sedimentation. The geochemical processes in the water column and the weathering process in the distinct lithology in the catchment leads to the different biogeochemical characteristic in the sediment. Conducting a biogeochemical study in this lake sediment, especially in the Sediment Water Interface (SWI) helps reveal the sedimentation and diagenetic process records influenced by the internal or external loading. Lake Sentani, the study area, is one of the thousands of lakes in Indonesia and located in the Papua province. This tropical lake has a unique feature, as it consists of four interconnected sub-basins with different water depths. More importantly, its catchment is comprised of various different lithologies. Hence, its lithological characteristics are highly diverse, and range from mafic and ultramafic rocks to clastic sediment and carbonates. Each sub-basin receives a distinct sediment input. Equally important, besides the natural loading, Lake Sentani is also influenced by anthropogenic input. Previous studies have elaborated that there is an increase in population growth rate around the lake which has direct consequences on eutrophication. Considering these factors, the government of The Republic of Indonesia put Lake Sentani on the list of national priority lakes for restoration. This thesis aims to develop a fundamental understanding of Lake Sentani's sedimentary geochemistry and geomicrobiology with a special focus on the effects of different lithologies and anthropogenic pressures in the catchment area. We conducted geochemical and geomicrobiology research on Lake Sentani to meet this objective. We investigated geochemical characteristics in the water column, porewater, and sediment core of the four sub-basins. Additional to direct investigations of the lake itself, we also studied the sediments in the tributary rivers, of which some are ephemeral, as well as the river mouths, as connections between riverine and the lacustrine habitat. The thesis is composed of three main publications about Lake Sentani and supported by several publications that focus on other tropical lakes in Indonesia. The first main publication investigates the geochemical characterization of the water column, porewater, and surface sediment (upper 40-50 cm) from the center of the four sub-basins. It reveals that besides catchment lithology, the water column heavily influences the geochemical characteristics in the lake sediments and their porewater. The findings indicate that water column stratification has a strong influence on overall chemistry. The four sub-basins are very different with regard to their water column chemistry. Based on the physicochemical profiles, especially dissolved oxygen, one sub-basin is oxygenated, one intermediate i.e. just reaches oxygen depletion at the sediment-water interface, and two sub-basins are fully meromictic. However, all four sub-basins share the same surface water chemistry. The structure of the water column creates differences on the patterns of anions and cations in the porewater. Likewise, the distinct differences in geochemical composition between the sub-basins show that the lithology in the catchment affects the geochemical characteristic in the sediment. Overall, water column stratification and particularly bottom water oxygenation strongly influence the overall elemental composition of the sediment and porewater composition. The second publication reveals differences in surface sediment composition between habitats, influenced by lithological variations in the catchment area. The macro-element distribution shows that the geochemical characteristics between habitats are different. Furthermore, the geochemical composition also indicates a distinct distribution between the sub-basins. The geochemical composition of the eastern sub-basin suggests that lithogenic elements are more dominant than authigenic elements. This is also supported by sulfide speciation, particle distribution, and smear slide data. The third publication is a geomicrobiological study of the surface sediment. We compare the geochemical composition of the surface sediment and its microbiological composition and compare the different signals. Next Generation Sequencing (NGS) of the 16S rRNA gene was applied to determine the microbial community composition of the surface sediment from a great number of locations. We use a large number of sampling sites in all four sub-basins as well as in the rivers and river mouths to illustrate the links between the river, the river mouth, and the lake. Rigorous assessment of microbial communities across the diverse Lake Sentani habitats allowed us to study some of these links and report novel findings on microbial patterns in such ecosystems. The main result of the Principal Coordinates Analysis (PCoA) based on microbial community composition highlighted some commonalities but also differences between the microbial community analysis and the geochemical data. The microbial community in rivers, river mouths and sub-basins is strongly influenced by anthropogenic input from the catchment area. Generally, Bacteroidetes and Firmicutes could be an indicator for river sediments. The microbial community in the river is directly influenced by anthropogenic pressure and is markedly different from the lake sediment. Meanwhile, the microbial community in the lake sediment reflects the anoxic environment, which is prevalent across the lake in all sediments below a few mm burial depth. The lake sediments harbour abundant sulfate reducers and methanogens. The microbial communities in sediments from river mouths are influenced by both rivers and lake ecosystems. This study provides valuable information to understand the basic processes that control biogeochemical cycling in Lake Sentani. Our findings are critical for lake managers to accurately assess the uncertainties of the changing environmental conditions related to the anthropogenic pressure in the catchment area. Lake Sentani is a unique study site directly influenced by the different geology across the watershed and morphometry of the four studied basins. As a result of these factors, there are distinct geochemical differences between the habitats (river, river mouth, lake) and the four sub-basins. In addition to geochemistry, microbial community composition also shows differences between habitats, although there are no obvious differences between the four sub-basins. However, unlike sediment geochemistry, microbial community composition is impacted by human activities. Therefore, this thesis will provide crucial baseline data for future lake management. N2 - Biogeochemische Studien werden schon seit langer Zeit durchgeführt. Die meisten Studien wurden jedoch in Seen der gemäßigten Zonen durchgeführt, in denen ganz andere physikalische Bedingungen herrschen als in Seen mit tropischem Klima. Der wichtigste Unterschied zwischen gemäßigten und tropischen Seen ist das Fehlen saisonaler Temperaturschwankungen in letzteren, was zu einem stabilen Temperaturgefälle in der Wassersäule führt. Die Wassersäule wird daher nicht durch wechselnde Oberflächentemperaturen gestört. Die permanente Schichtung in der Wassersäule bietet optimale Bedingungen für eine intakte Sedimentation. Geochemischen Prozesse in der Wassersäule und Verwitterungsprozesse in den unterschiedlichen Lithologien im Einzugsgebiet führen zu unterschiedlichen biogeochemischen Eigenschaften im Sediment. Die Durchführung einer biogeochemischen Studie in diesem Seesediment, insbesondere an der Sediment-Wasser-Grenzfläche (SWI), hilft dabei, die Sedimentations- und diagenetischen Prozessaufzeichnungen aufzuzeigen, die durch interne oder externe Belastung beeinflusst werden. Der See Sentani, das Untersuchungsgebiet, ist einer von tausenden Seen in Indonesien, der in der Provinz Papua liegt. Der See wurde ausgewählt, weil er die Einzigartigkeit der tropischen Seen repräsentiert, und mit vier Unterbecken verbunden ist, welche in unterschiedlichen Wassertiefen liegen. Des Weiteren, weist sein Einzugsgebiet unterschiedliche Lithologien auf. Die Lithologie ist sehr vielfältig und reicht von mafischem und ultramafischem Gestein bis hin zu klastischen Sedimenten und Karbonaten. Somit erhält jedes Teileinzugsgebiet einen anderen Sedimenteintrag. Ebenso wichtig ist, dass dieser See neben der natürlichen Belastung auch von anthropogenen Einträgen aus seinem Einzugsgebiet beeinflusst wird. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Zunahme des Bevölkerungswachstums eine Eutrophierung zur Folge hat. In Anbetracht dieser Faktoren wurde der See von der Regierung der Republik Indonesien zu einem der vorrangig zu restaurierenden nationalen Seen erklärt. Ziel dieser Arbeit ist es ein grundlegendes Verständnis der Sedimentgeochemie und Geomikrobiologie des Sentani-Sees zu entwickeln, mit besonderem Augenmerk auf die Auswirkungen verschiedener Lithologien und anthropogener Einflüsse im Einzugsgebiet. Um dieses Ziel zu erreichen, führten wir geochemische und geomikrobiologische Untersuchungen am Sentani-See durch. Wir untersuchten die geochemischen Merkmale in der Wassersäule, im Porenwasser und im Sedimentkern der vier Teileinzugsgebiete. Wir untersuchten nicht nur den See selbst, sondern auch die Sedimente in den Nebenflüssen, von denen einige nur saisonal Wasser führen, sowie die Flussmündungen, welche die Verbindung zwischen dem fluvialen und dem lakustrinen Lebensraum darstellen. Die Arbeit ist eine Synthese aus drei Publikationen über den Sentani-See und wird durch mehrere Veröffentlichungen über andere tropische Seen in Indonesien ergänzt. Die erste Publikation untersucht die geochemischen Bedingungen in der Wassersäule, des Porenwassers und des Oberflächensediments (obere 40-50 cm) in den Zentren der vier Becken des Sees. Sie zeigt, dass neben der Lithologie des Einzugsgebiets auch die Wassersäule die geochemischen Eigenschaften der Seesedimente und ihres Porenwassers beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schichtung der Wassersäule einen starken Einfluss auf die Gesamtchemie hat. Die vier Teilbecken unterscheiden sich jedoch sehr stark in ihrer Wassersäulenchemie. Ausgehend von den physikalisch-chemischen Profilen, insbesondere dem gelösten Sauerstoff, ist ein Teilbecken sauerstoffreich, in einem weiteren erreicht die Sauerstoffkonzentration Werte um Null an der Sediment-Wasser-Grenzfläche, und zwei Teilbecken sind vollständig meromiktisch. Alle vier Teilbecken weisen jedoch die gleiche Oberflächenwasserchemie auf. Die Struktur der Wassersäule führt zu Unterschieden in den Profilen der Anionen und Kationen im Porenwasser. Ebenso zeigen die deutlichen Unterschiede in der geochemischen Zusammensetzung zwischen den Teilbecken, dass die Lithologie im Einzugsgebiet die geochemischen Merkmale im Sediment beeinflusst. Insgesamt haben die Schichtung der Wassersäule und insbesondere die Sauerstoffanreicherung des Bodenwassers einen starken Einfluss auf die elementare Gesamtzusammensetzung des Sediments und die Zusammensetzung des Porenwassers. Die zweite Veröffentlichung zeigt, dass die Zusammensetzung des Oberflächensediments zwischen den Lebensräumen durch die lithologischen Unterschiede im Einzugsgebiet beeinflusst wird. Die Makroelementverteilung zeigt, dass die geochemischen Merkmale zwischen den Lebensräumen unterschiedlich sind. Darüber hinaus weist die unterschiedliche geochemische Zusammensetzung auch auf eine unterschiedliche Verteilung zwischen den Teilbecken hin. Die geochemische Zusammensetzung des östlichen Teilbeckens deutet darauf hin, dass lithogene Elemente dominanter sind als authigene Elemente. Dies wird auch durch die Sulfid-Speziation, die Partikelverteilung und die Daten der Smear-Slide Analyse bestätigt. Bei der dritten Veröffentlichung handelt es sich um eine geomikrobiologische Studie des Oberflächensediments. Wir stellen die geochemische Zusammensetzung des Oberflächensediments und seine mikrobiologische Zusammensetzung gegenüber und vergleichen die verschiedenen Signale. Next Generation Sequencing (NGS) des 16S rRNA-Gens wurde angewandt, um die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft des Oberflächensediments an einer großen Anzahl von Standorten zu bestimmen. Wir verwenden eine große Anzahl von Probenahmestellen in allen vier Teilbecken sowie in den Flüssen und Flussmündungen, um die Verbindungen zwischen den Flüssen, den Flussmündungen und dem See aufzuzeigen. Eine statistische Analyse der mikrobiellen Gemeinschaften in den verschiedenen Lebensräumen des Sentani-Sees ermöglichte es uns, einige dieser Verbindungen zu untersuchen und einige neue Erkenntnisse über mikrobielle Muster in solchen Ökosystemen zu gewinnen. Das Hauptergebnis der Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) auf der Grundlage der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften zeigte einige Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede zwischen der Analyse der mikrobiellen Gemeinschaften und den geochemischen Daten auf. Die mikrobielle Gemeinschaft in Flüssen, Flussmündungen und in den vier Teilbecken wird stark von anthropogenen Einträgen aus dem Einzugsgebiet beeinflusst. Im Allgemeinen könnten Bacteroidetes und Firmicutes ein Indikator für Flusssedimente sein. Die mikrobielle Gemeinschaft im Fluss wird direkt durch den anthropogenen Druck beeinflusst und unterscheidet sich deutlich von den Seesedimenten. Die mikrobielle Gemeinschaft in den Seesedimenten spiegelt das anoxische Milieu wider, das im gesamten See in allen Sedimenten unterhalb einiger mm Tiefe vorherrscht. Die Seesedimente beherbergen eine Vielzahl von Sulfatreduzierern und Methanogenen. Die mikrobiellen Gemeinschaften in den Sedimenten von Flussmündungen werden sowohl von den Ökosystemen der Flüsse als auch der Seen beeinflusst. Diese Studie liefert wertvolle Informationen zum Verständnis der grundlegenden Prozesse, die den biogeochemischen Kreislauf im Sentani-See steuern. Die Studie bietet den Verantwortlichen Managern des Sees wertvolle Informationen, um die Unsicherheiten der sich ändernden Umweltbedingungen im Zusammenhang mit dem anthropogenen Druck im Einzugsgebiet zu erfassen. Der Sentani-See wird direkt von der unterschiedlichen Geologie im Wassereinzugsgebiet und der Morphometrie der vier untersuchten Teilbecken und deren Einzugsgebieten beeinflusst, was ihn zu einem einzigartigen Untersuchungsgebiet macht. Dies bietet eine außergewöhnliche Gelegenheit, den Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf die Sedimentzusammensetzung unter identischen klimatischen und hydrologischen Bedingungen zu untersuchen. Der Sentani-See ist ein einzigartiges Untersuchungsgebiet, das direkt von der unterschiedlichen Geologie im Wassereinzugsgebiet und der Morphometrie der vier untersuchten Einzugsgebiete beeinflusst wird. Als Ergebnis dieser Faktoren gibt es deutliche geochemische Unterschiede zwischen den Lebensräumen (Fluss, Flussmündung, See) und den vier Teileinzugsgebieten. Neben der Geochemie weist auch die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften Unterschiede zwischen den Lebensräumen auf, obwohl es keine offensichtlichen Unterschiede zwischen den vier Teileinzugsgebieten gibt. Im Gegensatz zur Geochemie der Sedimente wird die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften jedoch durch menschliche Aktivitäten beeinflusst. Daher wird diese Arbeit wichtige Grundlagendaten für die künftige Bewirtschaftung der Seen liefern. KW - tropical lake KW - limnology KW - lacustrine sediment KW - surface sediment KW - sediment geochemistry KW - XRF analysis KW - microbial communities KW - XRF-Analyse KW - limnische Sedimente (Seesedimente) KW - Limnologie (Seenkunde) KW - mikrobielle Gemeinschaften KW - Sedimentgeochemie KW - Oberflächensediment KW - tropischer See Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-594006 ER - TY - THES A1 - Duy, Nguyen Le T1 - Hydrological processes in the Vietnamese Mekong Delta BT - Insights from stable water isotopes and monitoring data analysis BT - Erkenntnisse aus stabilen Wasserisotopen und Überwachungsdatenanalyse N2 - Understanding hydrological processes is of fundamental importance for the Vietnamese national food security and the livelihood of the population in the Vietnamese Mekong Delta (VMD). As a consequence of sparse data in this region, however, hydrologic processes, such as the controlling processes of precipitation, the interaction between surface and groundwater, and groundwater dynamics, have not been thoroughly studied. The lack of this knowledge may negatively impact the long-term strategic planning for sustainable groundwater resources management and may result in insufficient groundwater recharge and freshwater scarcity. It is essential to develop useful methods for a better understanding of hydrological processes in such data-sparse regions. The goal of this dissertation is to advance methodologies that can improve the understanding of fundamental hydrological processes in the VMD, based on the analyses of stable water isotopes and monitoring data. The thesis mainly focuses on the controlling processes of precipitation, the mechanism of surface–groundwater interaction, and the groundwater dynamics. These processes have not been fully addressed in the VMD so far. The thesis is based on statistical analyses of the isotopic data of Global Network of Isotopes in Precipitation (GNIP), of meteorological and hydrological data from Vietnamese agencies, and of the stable water isotopes and monitoring data collected as part of this work. First, the controlling processes of precipitation were quantified by the combination of trajectory analysis, multi-factor linear regression, and relative importance analysis (hereafter, a model‐based statistical approach). The validity of this approach is confirmed by similar, but mainly qualitative results obtained in other studies. The total variation in precipitation isotopes (δ18O and δ2H) can be better explained by multiple linear regression (up to 80%) than single-factor linear regression (30%). The relative importance analysis indicates that atmospheric moisture regimes control precipitation isotopes rather than local climatic conditions. The most crucial factor is the upstream rainfall along the trajectories of air mass movement. However, the influences of regional and local climatic factors vary in importance over the seasons. The developed model‐based statistical approach is a robust tool for the interpretation of precipitation isotopes and could also be applied to understand the controlling processes of precipitation in other regions. Second, the concept of the two-component lumped-parameter model (LPM) in conjunction with stable water isotopes was applied to examine the surface–groundwater interaction in the VMD. A calibration framework was also set up to evaluate the behaviour, parameter identifiability, and uncertainties of two-component LPMs. The modelling results provided insights on the subsurface flow conditions, the recharge contributions, and the spatial variation of groundwater transit time. The subsurface flow conditions at the study site can be best represented by the linear-piston flow distribution. The contributions of the recharge sources change with distance to the river. The mean transit time (mTT) of riverbank infiltration increases with the length of the horizontal flow path and the decreasing gradient between river and groundwater. River water infiltrates horizontally mainly via the highly permeable aquifer, resulting in short mTTs (<40 weeks) for locations close to the river (<200 m). The vertical infiltration from precipitation takes place primarily via a low‐permeable overlying aquitard, resulting in considerably longer mTTs (>80 weeks). Notably, the transit time of precipitation infiltration is independent of the distance to the river. All these results are hydrologically plausible and could be quantified by the presented method for the first time. This study indicates that the highly complex mechanism of surface–groundwater interaction at riverbank infiltration systems can be conceptualized by exploiting two‐component LPMs. It is illustrated that the model concept can be used as a tool to investigate the hydrological functioning of mixing processes and the flow path of multiple water components in riverbank infiltration systems. Lastly, a suite of time series analysis approaches was applied to examine the groundwater dynamics in the VMD. The assessment was focused on the time-variant trends of groundwater levels (GWLs), the groundwater memory effect (representing the time that an aquifer holds water), and the hydraulic response between surface water and multi-layer alluvial aquifers. The analysis indicates that the aquifers act as low-pass filters to reduce the high‐frequency signals in the GWL variations, and limit the recharge to the deep groundwater. The groundwater abstraction has exceeded groundwater recharge between 1997 and 2017, leading to the decline of groundwater levels (0.01-0.55 m/year) in all considered aquifers in the VMD. The memory effect varies according to the geographical location, being shorter in shallow aquifers and flood-prone areas and longer in deep aquifers and coastal regions. Groundwater depth, season, and location primarily control the variation of the response time between the river and alluvial aquifers. These findings are important contributions to the hydrogeological literature of a little-known groundwater system in an alluvial setting. It is suggested that time series analysis can be used as an efficient tool to understand groundwater systems where resources are insufficient to develop a physical-based groundwater model. This doctoral thesis demonstrates that important aspects of hydrological processes can be understood by statistical analysis of stable water isotope and monitoring data. The approaches developed in this thesis can be easily transferred to regions in similar tropical environments, particularly those in alluvial settings. The results of the thesis can be used as a baseline for future isotope-based studies and contribute to the hydrogeological literature of little-known groundwater systems in the VMD. N2 - Ein fundiertes Verständnis der hydrologischen Prozesse im vietnamesischen Mekong Delta (VMD) ist von grundlegender Bedeutung für den Lebensunterhalt der Bevölkerung im Mekong Delta, und darüber hinaus auch für die nationale Ernährungssicherheit. Aufgrund des Fehlens einer belastbaren Datenbasis konnten bislang eine Reihe von wichtigen hydrologischen Prozessen nur unzureichend untersucht und quantifiziert werden. Dazu zählen unter anderem die Analyse des Ursprungs des Niederschlages im Delta, die Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser, sowie die Grundwasserdynamik. Diese Lücken im Wissensstand verhindern eine solide datenbasierte Wasserwirtschaftsplanung, was unter Berücksichtigung der derzeitigen Trends mittelfristig zu weiter fallenden Grundwasserständen und Wasserknappheit führen wird. Daher ist es von großer Bedeutung, Methoden und Werkzeuge zu entwickeln, die auch unter der bestehenden Datenknappheit belastbare quantitative Ergebnisse für eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung liefern können. Das Ziel dieser Dissertation ist es, solche Methoden zu entwickeln und zu testen, um grundlegende hydrologische Prozesse im VMD besser verstehen und quantifizieren zu können. Hierzu werden die existierenden Messdaten sowie im Rahmen dieser Arbeit gesammelte Daten zum Gehalt an stabilen Wasserisotopen verwendet. Mit Hilfe dieser Daten wurden folgende Prozesse untersucht: 1. Der Ursprung und die Fraktionierung des Niederschlages im VMD. 2. Die Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser mit einem besonderen Fokus auf die ufernahen Gebiete. 3. Die großflächige Dynamik in den verschiedenen Grundwasserleitern der letzten Jahrzehnte. Die Prozesse, die den Ursprung und die Verteilung des Niederschlagsbestimmen, wurden mittels einer Kombination aus Isotopendaten, Trajektorienanalyse, multifaktorieller Regression, und relativer Wichtigkeitsanalyse untersucht. Diese Kombination ist nachfolgend „modelbasierter statistischer Ansatz“ betitelt. Hierbei wurde festgestellt, dass die Varianz im Isotopengehalt des Niederschlags (δ18O and δ2H) mit der multifaktoriellen Regression zu 80% erklärt werden konnte, was im Vergleich zu einer einfachen Regression mit 30% erklärter Varianz eine deutliche Verbesserung darstellt. Die Wichtigkeitsanalyse ergab zudem, dass großskalige atmosphärische Feuchtigkeitsverteilungen einen weitaus größeren Einfluss auf die Isotopenverteilung im Niederschlag haben, als lokale klimatische Bedingungen im VMD. Der hierbei wichtigste Faktor ist die Regenmenge entlang der Trajektorien der Luftmassenbewegungen. Die Wichtigkeit der Faktoren variiert jedoch saisonal zwischen Regen- und Trockenzeit. Der in dieser Dissertation entwickelte modelbasierte statistische Ansatz ist ein robustes Werkzeug zur Analyse und Interpretation der Isotopenverteilung im Niederschlag, der auch auf ähnliche Fragestellungen in andere Regionen übertragbar ist. Im zweiten Teil der Dissertation wurden Zweikomponentenmodelle (LPM) in Verbindung mit Isotopenmessungen im Niederschlag, Oberflächen- und Grundwasser verwendet, um die Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser qualitativ und quantitativ zu beschreiben. Verschiedene Modellansätze wurden hierbei in einem automatischen Kalibrieransatz getestet, und deren Unsicherheit bestimmt. Hierbei hat sich das lineare Kolbenfließmodell (linear piston flow model) als das am besten geeignetste herausgestellt. Die Modellierungsergebnisse ermöglichten daraufhin eine modellbasierte Abschätzung der Grundwasserschwankungen und -flüsse, der Grundwasserneubildung und der räumlichen Variabilität der Grundwasserlaufzeiten. Hierbei zeigte sich, dass Grundwasserneubildung und deren Quellen räumlich variabel ist, und sich mit zunehmender Entfernung vom Fluss die Neubildung von primär Uferinfiltration hin zu Neubildung durch Niederschläge ändert. Analog dazu erhöhen sich die Grundwasserlaufzeiten mit der Länge der horizontalen Fließwege (= Entfernung vom Vorfluter) und mit sinkendem Gradienten zwischen Grundwasserstand und Wasserstand im Fluss. Flusswasser infiltriert über das Flussufer in den wasserleitenden Aquifer, mit mittleren Transferzeiten (mTT) von < 40 Wochen für Bereiche mit weniger als 200 m Entfernung zum Fluss. In größeren Entfernungen findet die Neubildung im Wesentlichen durch Versickerung von Regenwaser statt. Da der betrachtete holozäne Grundwasserleiter mit einer schwerdurchlässigen Deckschicht überlagert ist, liegen die mTT in diesen Bereichen mit > 80 Wochen wesentlich höher. Es konnte mit dieser Studie gezeigt werden, dass die komplexe Interaktion zwischen Grund- und Oberflächenwasser mittels eines konzeptionellen Modells in Verbindung mit aus Wasserproben bestimmten Isotopendaten konzeptionalisiert und quantifiziert werden kann. Der Ansatz empfiehlt sich daher als Werkzeug für die Untersuchung der Mischungsprozesse der Ufer- und Regenwasserinfiltration, sowie der Fließwege des Grundwassers in ähnlichen Gebieten. Im letzten Teil der Dissertation wurden Trends in den Grundwasserständen im gesamtem VMD untersucht. Hierzu wurde eine Reihe von Methoden zur Zeitreihenanalyse angewandt. Der Fokus der Untersuchungen lag auf zeitvariablen Trends in den Grundwasserständen, der Wasserspeicherdauer (memory effect), und der hydraulischen Reaktionszeit zwischen dem Oberflächenwasser und den verschiedenen Aquiferen im VMD. Die Analyse ergab, dass die verschiedenen Schichten von Aquiferen und Aquitarden wie ein Tiefpassfilter auf die hydraulischen Signale des Oberflächenwassers wirken, was wiederum die Grundwasserneubildung in den tieferen Aquiferen stark reduziert. Die Zeitreihenanalyse ergab, dass die Entnahmemengen an Grundwasser insbesondere in den tieferen, stark genutzten Aquiferen die Neubildung im gesamten Analysezeitraum 1997 – 2017 überschritten hat. Dies führte zu Absenkung des Grundwasserspiegels von 0.01 – 0.55 m pro Jahr in den verschiedenen Aquiferen des VMD. Die Speicherdauer variiert zwischen den verschiedenen Regionen und Aquiferen des VMD. In den flacheren Aquiferen und in der Region mit tiefen Überflutungen während der Hochwassersaison sind die Speicherdauern kürzer, während sie in den tieferen Aquiferen und in den küstennahen Regionen wesentlich länger sind. Die Reaktionszeit variiert ebenfalls im Raum, wobei die wichtigsten Einflussfaktoren der Abstand des Grundwasserspiegels zur Oberfläche, die Saison und die Lage, hier besonders die Entfernung zum Fluss oder der Küste, sind. Diese qualitativen wie quantitativen Ergebnisse fügen wichtige und wesentlich Erkenntnisse zum Wissensstand über das Grundwasser im VMD hinzu. Die verwendeten Methoden empfehlen sich darüber hinaus für die Analyse von Grundwasserdynamiken in alluvialen Aquifersystemen im Generellen, wenn Daten und Ressourcen für ein physisches numerisches Grundwassermodell fehlen. Die vorliegende Dissertation zeigt, dass wichtige hydrologische Prozesse auch über statistische Analysen von Mess- und Isotopendaten quantitativ analysiert werden können. Die Ergebnisse stellen eine Basisanalyse der Grundwasserdynamik und der sie beeinflussenden Prozesse im VMD dar, und sollten in weiteren Studien ausgebaut werden. Die Analyse der Isotopendaten liefert darüber hinaus die Basislinie für hydrologische Analysen mit stabilen Isotopen im VMD und aufgrund der ähnlichen klimatischen und geografischen Lage auch für weite Teile Südostasiens. Die entwickelten Methodenkombinationen können aufgrund ihrer generellen Natur auch problemlos auf andere tropische Regionen, insbesondere solche mit alluvialen Aquiferen, übertragen werden. T2 - Hydrologische Prozesse im Mekong Delta KW - Vietnamese Mekong Delta KW - stable isotopes KW - data analysis KW - hydrological processes KW - Mekong Delta KW - Datenanalyse KW - hydrologische Prozesse KW - stabile Isotope Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-602607 ER - TY - THES A1 - Schoppa, Lukas T1 - Dynamics in the flood vulnerability of companies T1 - Dynamik der Hochwasservulnerabilität von Unternehmen N2 - River flooding is a constant peril for societies, causing direct economic losses in the order of $100 billion worldwide each year. Under global change, the prolonged concentration of people and assets in floodplains is accompanied by an emerging intensification of flood extremes due to anthropogenic global warming, ultimately exacerbating flood risk in many regions of the world. Flood adaptation plays a key role in the mitigation of impacts, but poor understanding of vulnerability and its dynamics limits the validity of predominant risk assessment methods and impedes effective adaptation strategies. Therefore, this thesis investigates new methods for flood risk assessment that embrace the complexity of flood vulnerability, using the understudied commercial sector as an application example. Despite its importance for accurate risk evaluation, flood loss modeling has been based on univariable and deterministic stage-damage functions for a long time. However, such simplistic methods only insufficiently describe the large variation in damage processes, which initiated the development of multivariable and probabilistic loss estimation techniques. The first study of this thesis developed flood loss models for companies that are based on emerging statistical and machine learning approaches (i.e., random forest, Bayesian network, Bayesian regression). In a benchmarking experiment on basis of object-level loss survey data, the study showed that all proposed models reproduced the heterogeneity in damage processes and outperformed conventional stage-damage functions with respect to predictive accuracy. Another advantage of the novel methods is that they convey probabilistic information in predictions, which communicates the large remaining uncertainties transparently and, hence, supports well-informed risk assessment. Flood risk assessment combines vulnerability assessment (e.g., loss estimation) with hazard and exposure analyses. Although all of the three risk drivers interact and change over time, such dependencies and dynamics are usually not explicitly included in flood risk models. Recently, systemic risk assessment that dissolves the isolated consideration of risk drivers has gained traction, but the move to holistic risk assessment comes with limited thoroughness in terms of loss estimation and data limitations. In the second study, I augmented a socio-hydrological system dynamics model for companies in Dresden, Germany, with the multivariable Bayesian regression loss model from the first study. The additional process-detail and calibration data improved the loss estimation in the systemic risk assessment framework and contributed to more accurate and reliable simulations. The model uses Bayesian inference to quantify uncertainty and learn the model parameters from a combination of prior knowledge and diverse data. The third study demonstrates the potential of the socio-hydrological flood risk model for continuous, long-term risk assessment and management. Using hydroclimatic ad socioeconomic forcing data, I projected a wide range of possible risk trajectories until the end of the century, taking into account the adaptive behavior of companies. The study results underline the necessity of increased adaptation efforts to counteract the expected intensification of flood risk due to climate change. A sensitivity analysis of the effectiveness of different adaptation measures and strategies revealed that optimized adaptation has the potential to mitigate flood risk by up to 60%, particularly when combining structural and non-structural measures. Additionally, the application shows that systemic risk assessment is capable of capturing adverse long-term feedbacks in the human-flood system such as the levee effect. Overall, this thesis advances the representation of vulnerability in flood risk modeling by offering modeling solutions that embrace the complexity of human-flood interactions and quantify uncertainties consistently using probabilistic modeling. The studies show how scarce information in data and previous experiments can be integrated in the inference process to provide model predictions and simulations that are reliable and rich in information. Finally, the focus on the flood vulnerability of companies provides new insights into the heterogeneous damage processes and distinct flood coping of this sector. N2 - Flussüberschwemmungen sind eine ständige Gefahr für die Gesellschaft und verursachen jedes Jahr weltweit wirtschaftliche Schäden in der Größenordnung von 100 Milliarden US-Dollar. Im Zuge des globalen Wandels erhöht sich die Konzentration von Menschen und Vermögenswerten in Überschwemmungsgebieten kontinuierlich, während der menschengemachte Klimawandel Hochwasserextreme verstärkt. Die Überlagerung dieser Prozesse führt zu einer Verschärfung des Hochwasserrisikos in vielen Weltregionen. Der Hochwasseranapassung kommt dabei eine Schlüsselrolle bei der Abschwächung von Schäden zu. Allerdings ist das Verständnis von Hochwasservulnerabilität (d.h., Anfälligkeit gegenüber Schäden) und damit verbundener Dynamiken noch sehr begrenzt, was die Risikoabschätzung und die Entwicklung von Anpassungsstrategien erschwert. In dieser kumulativen Dissertation werden anhand von drei Studien neue Methoden zur Hochwasserrisikoabschätzung für den gewerblichen Sektor vorgestellt, der in der Vergangenheit wenig untersucht wurde. Die erste Studie präsentiert Hochwasserschadensmodelle die auf statistischen Methoden und maschinellem Lernen basieren und eine Vielzahl von Einflussfaktoren berücksichtigen. In Verbindung mit probabilistischen Vorhersagen führt dies zu einer Verbesserung der Modellgenauigkeit und -verlässlichkeit. Anschließend wird in einer Pilotstudie für Dresden, Deutschland, eines der neuen Schadensmodelle in ein ganzheitliches systemdynamisches Modell integriert, um Veränderungen in Hochwasservulnerabilität und -risiko kontinuierlich zu simulieren. Die Methode integriert zusätzliche Prozessdetails und Kalibrierungsdaten in das Modell und verbessert so die Simulationsleistung. Schließlich werden mit dem systemdynamischen Modell in der dritten Studie langfristige Projektionsläufe durchgeführt, um die Entwicklung des Hochwasserrisikos bis zum Ende des Jahrhunderts abzuschätzen. Die Ergebnisse der Studie unterstreichen das Potential von Hochwasseranpassung - insbesondere in Zeiten des Klimawandels - und demonstrieren die Fähigkeit ganzheitlicher Modellierungsansätze, ungünstige Entwicklungen des Risikos frühzeitig aufzudecken. Insgesamt verbessert diese Arbeit die Darstellung der Vulnerabilität in der Hochwasserrisikoabschätzung, indem sie Modellierungslösungen anbietet, die der Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Mensch und Hochwasser gerecht werden und Unsicherheiten konsequent quantifizieren. KW - fluvial flooding KW - risk analysis KW - vulnerability KW - probabilistic modeling KW - Loss modeling KW - socio-hydrology KW - commercial sector KW - Flusshochwasser KW - Risikoanalyse KW - Vulnerabilität KW - probabilistische Modellierung KW - Schadensmodellierung KW - Soziohydrologie KW - gewerblicher Sektor Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-592424 ER - TY - THES A1 - Kemper, Tarek T1 - KLIMAGRAR – Neue Methoden der Begleitforschung am Beispiel des klimagerechten Handelns in der Landwirtschaft N2 - In Forschungsprogrammen werden zahlreiche Akteure mit unterschiedlichen Hintergründen und fachlichen Expertisen in Einzel- oder Verbundvorhaben vereint, die jedoch weitestgehend unabhängig voneinander durchgeführt werden. Vor dem Hintergrund, dass gesamtgesellschaftliche Herausforderungen wie die globale Erwärmung zunehmend disziplinübergreifende Lösungsansätze erfordern, sollten Vernetzungs- und Transferprozesse in Forschungsprogrammen stärker in den Fokus rücken. Mit der Implementierung einer Begleitforschung kann dieser Forderung Rechnung getragen werden. Begleitforschung unterscheidet sich in ihrer Herangehensweise und ihrer Zielvorstellung von den „üblichen“ Projekten und kann in unterschiedlichen theoretischen Reinformen auftreten. Verkürzt dargestellt agiert sie entweder (1) inhaltlich komplementär zu den jeweiligen Forschungsprojekten, (2) auf einer Metaebene mit Fokus auf die Prozesse im Forschungsprogramm oder (3) als integrierende, synthetisierende Instanz, für die die Vernetzung der Projekte im Forschungsprogramm sowie der Wissenstransfer von Bedeutung sind. Zwar sind diese Formen analytisch in theoretische Reinformen trennbar, in der Praxis ergibt sich in der Regel jedoch ein Mix aus allen dreien. In diesem Zusammenhang schließt die vorliegende Dissertation als ergänzende Studie an bisherige Ansätze zum methodischen Handwerkszeug der Begleitforschung an und fokussiert auf folgende Fragestellungen: Auf welcher Basis kann die Vernetzung der Akteure in einem Forschungsprogramm durchgeführt werden, um diese effektiv zusammenzubringen? Welche weiteren methodischen Elemente sollten daran ansetzen, um einen Mehrwert zu generieren, der die Summe der Einzelergebnisse des Forschungsprogrammes übersteigt? Von welcher Art kann dann ein solcher Mehrwert sein und welche Rolle spielt dabei die Begleitforschung? Das erste methodische Element bildet die Erhebung und Aufbereitung einer Ausgangsdatenbasis. Durch eine auf semantischer Analyse basierenden Verschlagwortung projektbezogener Texte lässt sich eine umfassende Datenbasis aus den Inhalten der Forschungsprojekte generieren. Die Schlagwörter werden dabei anhand eines kontrollierten Vokabulars in einem Schlagwortkatalog strukturiert. Parallel dazu werden sie wiederum den jeweiligen Projekten zugeordnet, wodurch diese thematische Merkmale erhalten. Um thematische Überschneidungen zwischen Forschungsprojekten sichtbar und interpretierbar zu machen, beinhaltet das zweite Element Ansätze zur Visualisierung. Dazu werden die Informationen in einen Netzwerkgraphen transferiert, der sowohl alle im Forschungsprogramm involvierten Projekte als auch die identifizierten Schlagwörter in Relation zueinander abbilden kann. So kann zum Beispiel sichtbar gemacht werden, welche Forschungsprojekte sich auf Basis ihrer Inhalte „näher“ sind als andere. Genau diese Information wird im dritten methodischen Element als Planungsgrundlage für unterschiedliche Veranstaltungsformate wie Arbeitstagungen oder Transferwerkstätten genutzt. Das vierte methodische Element umfasst die Synthesebildung. Diese gestaltet sich als Prozess über den gesamten Zeitraum der Zusammenarbeit zwischen Begleitforschung und den weiteren Forschungsprojekten hinweg, da in die Synthese unter anderem Zwischen-, Teil- und Endergebnisse der Projekte einfließen, genauso wie Inhalte aus den unterschiedlichen Veranstaltungen. Letztendlich ist dieses vierte Element auch das Mittel, um aus den integrierten und synthetisierten Informationen Handlungsempfehlungen für zukünftige Vorhaben abzuleiten. Die Erarbeitung der methodischen Elemente erfolgte im laufenden Prozess des Begleitforschungsprojektes KlimAgrar, welches der vorliegenden Dissertation als Fallbeispiel dient und dessen Hintergründe in der Thematik Klimaschutz und Klimaanpassung in der Landwirtschaft im Text ausführlich erläutert werden. N2 - Research programs combine numerous actors with diverse backgrounds and scientific expertise in single or joint projects that are to a considerable extent conducted independently and remain largely unrelated. At a time when societal challenges such as global warming require interdisciplinary collaboration and solution-oriented approaches, research programs should strengthen networking and transfer processes. Implementing a project doing accompanying research that has a different set of tasks compared to usual research projects can help address this demand. The work of such a project can be shaped in three theoretical forms: (1) to complement the research projects by filling in content-related gaps, (2) to investigate and assess the ongoing processes within the research program compiling insights for future research design, or (3) to enhance synergies within the community supporting the cooperation between research projects. De facto, hybrid forms of these approaches are used. In this context, the present doctoral thesis is set to enhance the existing methodology of accompanying research focusing on the following research questions: on what basis could the networking process be conducted most effectively? Which additional methodological elements should follow this networking process to reach an additional value that exceeds the sum of single project results? How could this additional value look and what role does the accompanying research project play? The first methodological element comprises the acquisition and processing of the initial data base. A ‘keywording’ process using semantic analysis of project-related texts provides an enormous amount of ‘index terms’ (keywords) that build the basis for networking approaches within this community. To organize these key data, a structured knowledge organization process has been implemented. This type of systematic or ‘controlled’ approach provides a structured subject catalogue. At the same time, these keywords were reassigned to the respective research projects as content-related attributes. Visualizing thematic overlaps between research projects is the essence of the second methodological element. Transferring this information into a network graph allows visualizing all research projects and identified keywords in relation to each other. Such a network graph demonstrates the closeness between research projects based on their topics and reveals thematic clusters that are suitable for joint workshops addressing stakeholders across different disciplines and fields. Based on this, element three comprises the organization and conduct of such workshops and other meeting formats focusing on, for example, transfer processes. The fourth methodological element is synthesis building. The synthesis process is conducted over the entire time of a research program and is used to integrate all kinds of partial, intermediate, or final results of the research projects as well as essential points derived from the different workshop formats. Eventually, this element is the means to frame recommendations with regard to future funding policy and research. This methodological approach has been elaborated during the ongoing processes of the accompanying research project KlimAgrar, which serves as case study in the present doctoral thesis. KlimAgrar’s thematic background in the field of climate action in agriculture is presented comprehensively in this thesis. T2 - KLIMAGRAR – A new methodological approach for accompanying research in the field of climate change mitigation and adaptation in agriculture KW - Begleitforschung KW - Verschlagwortung KW - Vernetzung KW - Landwirtschaft KW - Klimaschutz KW - Klimaanpassung KW - Synthese KW - accompanying research KW - agriculture KW - climate change adaptation KW - climate change mitigation KW - keywording KW - networking KW - synthesis Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601924 ER - TY - JOUR A1 - Rodrigues, Glauber Pontes A1 - Rodrigues, Ítalo Sampaio A1 - Raabe, Armin A1 - Holstein, Peter A1 - De Araujo, Josè Carlos T1 - Direct measurement of open-water evaporation BT - a newly developed sensor applied to a Brazilian tropical reservoir JF - Hydrological sciences journal N2 - This study investigates the sensitivity and uncertainty of evaporation assessment in a tropical reservoir in northeastern Brazil. For this purpose, four approaches were used: Penman, a Dalton-modified equation, a pressure meter and a novel acoustic sensor. The main objective is to evaluate whether sensors can be employed to adequately assess lake evaporation. The sensors were installed in floating pans and the equations are based on variables collected from a raft. The wind-inducted waves in the reservoir often disturbed the measurements using both pressure (uncertainty of +/- 0.6 mm) and acoustic (uncertainty of +/- 0.1 mm) sensors, causing flaws and affecting continuous monitoring. The modified Dalton model, based on data collected with a floating station, estimated values over three-hour courses of evaporation similar to those measured by the pressure meter. These findings are important contributions to an accurate monitoring of water losses through evaporation and reservoir operation, particularly in dry regions. KW - water management KW - sub-daily evaporation KW - direct measurement KW - instrumentation Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1080/02626667.2022.2157278 SN - 0262-6667 SN - 2150-3435 VL - 68 IS - 3 SP - 379 EP - 394 PB - Taylor & Francis CY - Abingdon, Oxon ER - TY - THES A1 - Riebold, Johannes T1 - On the linkage between future Arctic sea ice retreat, the large-scale atmospheric circulation and temperature extremes over Europe T1 - Untersuchung des Zusammenhangs zwischen zukünftigen Arktischen Meereisänderungen, der großskaligen atmosphärischen Zirkulation und Temperaturextremen über Europa N2 - Extreme weather and climate events are one of the greatest dangers for present-day society. Therefore, it is important to provide reliable statements on what changes in extreme events can be expected along with future global climate change. However, the projected overall response to future climate change is generally a result of a complex interplay between individual physical mechanisms originated within the different climate subsystems. Hence, a profound understanding of these individual contributions is required in order to provide meaningful assessments of future changes in extreme events. One aspect of climate change is the recently observed phenomenon of Arctic Amplification and the related dramatic Arctic sea ice decline, which is expected to continue over the next decades. The question to what extent Arctic sea ice loss is able to affect atmospheric dynamics and extreme events over mid-latitudes has received a lot of attention over recent years and still remains a highly debated topic. In this respect, the objective of this thesis is to contribute to a better understanding on the impact of future Arctic sea ice retreat on European temperature extremes and large-scale atmospheric dynamics. The outcomes are based on model data from the atmospheric general circulation model ECHAM6. Two different sea ice sensitivity simulations from the Polar Amplification Intercomparison Project are employed and contrasted to a present day reference experiment: one experiment with prescribed future sea ice loss over the entire Arctic, as well as another one with sea ice reductions only locally prescribed over the Barents-Kara Sea.% prescribed over the entire Arctic, as well as only locally over the Barent/Karasea with a present day reference experiment. The first part of the thesis focuses on how future Arctic sea ice reductions affect large-scale atmospheric dynamics over the Northern Hemisphere in terms of occurrence frequency changes of five preferred Euro-Atlantic circulation regimes. When compared to circulation regimes computed from ERA5 it shows that ECHAM6 is able to realistically simulate the regime structures. Both ECHAM6 sea ice sensitivity experiments exhibit similar regime frequency changes. Consistent with tendencies found in ERA5, a more frequent occurrence of a Scandinavian blocking pattern in midwinter is for instance detected under future sea ice conditions in the sensitivity experiments. Changes in occurrence frequencies of circulation regimes in summer season are however barely detected. After identifying suitable regime storylines for the occurrence of European temperature extremes in winter, the previously detected regime frequency changes are used to quantify dynamically and thermodynamically driven contributions to sea ice-induced changes in European winter temperature extremes. It is for instance shown how the preferred occurrence of a Scandinavian blocking regime under low sea ice conditions dynamically contributes to more frequent midwinter cold extreme occurrences over Central Europe. In addition, a reduced occurrence frequency of a Atlantic trough regime is linked to reduced winter warm extremes over Mid-Europe. Furthermore, it is demonstrated how the overall thermodynamical warming effect due to sea ice loss can result in less (more) frequent winter cold (warm) extremes, and consequently counteracts the dynamically induced changes. Compared to winter season, circulation regimes in summer are less suitable as storylines for the occurrence of summer heat extremes. Therefore, an approach based on circulation analogues is employed in order to quantify thermodyamically and dynamically driven contributions to sea ice-induced changes of summer heat extremes over three different European sectors. Reduced occurrences of blockings over Western Russia are detected in the ECHAM6 sea ice sensitivity experiments; however, arguing for dynamically and thermodynamically induced contributions to changes in summer heat extremes remains rather challenging. N2 - Wetter- und Klimaextreme stellen eine der größten Gefahren für die heutige Gesellschaft dar. Daher ist es essentiell verlässliche Aussagen darüber zu treffen, welche Änderungen solcher Extremereignisse im Zuge des zukünftigen globalen Klimawandels zu erwarten sind. Die projizierten Klimaänderungen, welche mit dem zukünftigen Klimawandel einhergehen, sind jedoch im Allgemeinen das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen von verschiedenen physikalischen und dynamischen Prozessen in den verschiedenen Subsystemen des Klimasystems. Daher ist ein tiefgreifendes Verständnis dieser einzelnen Prozesse erforderlich, um aussagekräftige Einschätzungen für die Zukunft abgeben zu können. Ein Aspekt des globalen Klimawandels über die letzten Dekaden ist das Phänomen der arktischen Verstärkung und der damit verbundene dramatische Rückgang des Arktischen Meereises, welcher sich voraussichtlich in den nächsten Jahrzehnten auch fortsetzen wird. Die Frage, inwieweit der Rückgang des arktischen Meereises die atmosphärische Dynamik sowie Wetter- und Klimaextreme über den mittleren Breiten beeinflussen kann, wurde in den letzten Jahren von einer Vielzahl von Studien adressiert, bleibt jedoch bis zum heutigen Tage ein kontrovers diskutiertes Thema. Aus diesem Grund zielt die vorliegende Arbeit darauf ab einen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen des zukünftigen arktischen Meereisrückgangs auf europäische Temperaturextreme, sowie auf Änderungen der relevanten großräumigen atmosphärischen Zirkulationsbedingungen zu leisten. Die Ergebnisse dieser Arbeit basieren auf Modelldaten des atmosphärischen Zirkulationsmodells ECHAM6. Zwei unterschiedliche Meereissensitivitätsexperimente aus dem Polar Amplification Intercomparison Project werden analysiert: ein Experiment mit vorgeschriebener zukünftiger Meereisreduktion über der gesamten Arktis, sowie ein Weiteres, in dem jediglich das Meereis über der Barents- und Karasee verringert wird. Beide Experimente werden einer Referenzsimulation gegenübergestellt, welche gegenwärtige Meereisbedingungen repräsentiert. Zunächst wird analysiert, inwieweit der zukünftige arktische Meereisrückgang Einfluss auf die großräumige atmosphärische Zirkulation über der nördlichen Hemisphäre hat. Dazu werden im Rahmen dieser Arbeit die Häufigkeitsänderungen von fünf bevorzugten atmosphärischen Zirkulationsregimen bestimmt. Beide Sensitivitätsexperimente zeigen diesbezüglich ähnliche Änderungen in den Auftrittswahrscheinlichkeiten der Regime. In Übereinstimmung mit Ergebnissen, welche auf der ERA5-Reanalyse basieren, zeigt sich beispielsweise ein häufigeres Auftreten eines skandinavischen Blockierungsmusters im Mittwinter unter reduzierten Meereisbedingungen. Änderungen in der Auftrittswahrscheinlichkeit verschiedener Zirkulationsregime in der Sommersaison werden hingegen kaum detektiert. Anschließend werden jene Regime identifiziert, welche mit einem häufigerem Auftreten von winterlichen Temperaturextremen über Europa in Verbindung gebracht werden können. In Kombination mit den zuvor erfassten meereisbedingten Änderungen in den Auftrittswahrscheinlichkeiten der Regime werden dann dynamisch und thermodynamisch induzierte Beiträge zu meereisbedingten Änderungen europäischer Temperaturextreme quantifiziert. Es zeigt sich beispielsweise, dass das bevorzugte Auftreten des skandinavischen Blockierungsmusters unter zukünftigen Meereisbedingungen dynamisch zu häufigeren Kälteextremereignissen im Winter über Mitteleuropa beiträgt. Darüber hinaus kann eine reduzierte Häufigkeit des Auftretens eines Regimes, welches mit einem Trog über dem westlichen Atlantik assoziiert werden kann, mit einer verringerten Anzahl von sehr warmen Wintertagen über Mitteleuropa in Verbindung gebracht werden. Es wird zudem gezeigt, wie der in den Modellsimulationen thermodynamisch induzierte Erwärmungseffekt infolge der reduzierten Meereisbedingungen zu einem häufigeren (weniger häufigeren) Auftreten von extrem warmen (kalten) Wintertagen führen kann. Dieser thermodynamische Effekt kann folglich den dynamisch induzierten Veränderungen entgegenwirken. Zirkulationsregime in der Sommersaison können nur bedingt mit einem häufigeren Auftreten von europäischen Hitzeextremen im Sommer in Verbindung gebracht werden. Aus diesem Grund wird ein zusätzlicher methodischer Ansatz verwendet, der auf der Identifikation von Zirkulationsmustern basiert, welche große Ähnlichkeit zu typischen atmosphärischen Blockierungen während vergangener Hitzewellen über verschiedenen europäischen Regionen aufweisen. Dies ermöglicht es meereisbedingte Änderungen im Auftreten von Hitzeextremen über drei verschiedene europäische Sektoren in thermodynamisch und dynamisch induzierte Beiträge zu zerlegen. In den Meereissensitivitätsexperimenten kann beispielsweise ein selteneres Auftreten von Blockierungen über Westrussland detektiert werden. Eine in sich geschlossene physikalische Argumentation bezüglich der dynamisch und thermodynamisch induzierten Beiträge zu den detektierten Änderungen in der Häufigkeit von sommerlichen Hitzeextremen stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar. Im Vergleich zu anderen Aspekten des zukünftigen Klimawandels, wie beispielsweise dem thermodynamischen Einfluss global erhöhter Meeresoberflächentemperaturen, zeigt sich, dass die meereisinduzierten Auswirkungen auf europäische Temperaturextreme wahrscheinlich von untergeordneter Bedeutung sind. Nichtsdestotrotz können die Ergebnisse dieser Arbeit zu einem besseren Verständnis gegenwärtiger und zeitnah zu erwartender Änderungen von Temperaturextremereignissen über Europa beitragen. Zusätzlich dazu bietet die vorliegende Arbeit eine nützliche und ergänzende Perspektive auf die wissenschaftliche Fragestellung, inwieweit der Arktische Klimawandel mit Änderungen in der atmosphärischen Zirkulation und Extremereignissen über den mittleren Breiten in Verbindung gebracht werden kann. Folglich trägt diese Arbeit damit dazu bei einem allgemeinen Konsens in diesem stark debattierten Forschungsgebiet einen Schritt näher zu kommen. KW - extreme events KW - Arctic sea ice KW - circulation regimes KW - atmosphere KW - climate change KW - Extremereignisse KW - arktisches Meereis KW - Zirkulationsregime KW - Klimawandel KW - Atmosphäre KW - large-scale circulation KW - großskalige Zirkulation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604883 ER - TY - JOUR A1 - Heistermann, Maik A1 - Francke, Till A1 - Scheiffele, Lena A1 - Petrova, Katya Dimitrova A1 - Budach, Christian A1 - Schrön, Martin A1 - Trost, Benjamin A1 - Rasche, Daniel A1 - Güntner, Andreas A1 - Doepper, Veronika A1 - Förster, Michael A1 - Köhli, Markus A1 - Angermann, Lisa A1 - Antonoglou, Nikolaos A1 - Zude, Manuela A1 - Oswald, Sascha T1 - Three years of soil moisture observations by a dense cosmic-ray neutron sensing cluster at an agricultural research site in north-east Germany JF - Earth system science data : ESSD N2 - Cosmic-ray neutron sensing (CRNS) allows for the estimation of root-zone soil water content (SWC) at the scale of several hectares. In this paper, we present the data recorded by a dense CRNS network operated from 2019 to 2022 at an agricultural research site in Marquardt, Germany - the first multi-year CRNS cluster. Consisting, at its core, of eight permanently installed CRNS sensors, the cluster was supplemented by a wealth of complementary measurements: data from seven additional temporary CRNS sensors, partly co-located with the permanent ones; 27 SWC profiles (mostly permanent); two groundwater observation wells; meteorological records; and Global Navigation Satellite System reflectometry (GNSS-R). Complementary to these continuous measurements, numerous campaign-based activities provided data by mobile CRNS roving, hyperspectral im-agery via UASs, intensive manual sampling of soil properties (SWC, bulk density, organic matter, texture, soil hydraulic properties), and observations of biomass and snow (cover, depth, and density). The unique temporal coverage of 3 years entails a broad spectrum of hydro-meteorological conditions, including exceptional drought periods and extreme rainfall but also episodes of snow coverage, as well as a dedicated irrigation experiment. Apart from serving to advance CRNS-related retrieval methods, this data set is expected to be useful for vari-ous disciplines, for example, soil and groundwater hydrology, agriculture, or remote sensing. Hence, we show exemplary features of the data set in order to highlight the potential for such subsequent studies. The data are available at doi.org/10.23728/b2share.551095325d74431881185fba1eb09c95 (Heistermann et al., 2022b). Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.5194/essd-15-3243-2023 SN - 1866-3508 SN - 1866-3516 VL - 15 IS - 7 SP - 3243 EP - 3262 PB - Copernics Publications CY - Katlenburg-Lindau ER - TY - JOUR A1 - Bürger, Gerd T1 - A conundrum of trends BT - comment on a paper by Lischeid et al. (2021) JF - Journal of hydrology N2 - This comment is meant to reiterate two warnings: One applies to the uncritical use of ready-made (openly available) program packages, and one to the estimation of trends in serially correlated time series. Both warnings apply to the recent publication of Lischeid et al. about lake-level trends in Germany. KW - Linear trends KW - Autocorrelation KW - Pre-whitening Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.127745 SN - 0022-1694 SN - 1879-2707 VL - 609 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Voit, Paul A1 - Heistermann, Maik T1 - A new index to quantify the extremeness of precipitation across scales JF - NHESS - Natural Hazards and Earth System Sciences N2 - Quantifying the extremeness of heavy precipitation allows for the comparison of events. Conventional quantitative indices, however, typically neglect the spatial extent or the duration, while both are important to understand potential impacts. In 2014, the weather extremity index (WEI) was suggested to quantify the extremeness of an event and to identify the spatial and temporal scale at which the event was most extreme. However, the WEI does not account for the fact that one event can be extreme at various spatial and temporal scales. To better understand and detect the compound nature of precipitation events, we suggest complementing the original WEI with a “cross-scale weather extremity index” (xWEI), which integrates extremeness over relevant scales instead of determining its maximum. Based on a set of 101 extreme precipitation events in Germany, we outline and demonstrate the computation of both WEI and xWEI. We find that the choice of the index can lead to considerable differences in the assessment of past events but that the most extreme events are ranked consistently, independently of the index. Even then, the xWEI can reveal cross-scale properties which would otherwise remain hidden. This also applies to the disastrous event from July 2021, which clearly outranks all other analyzed events with regard to both WEI and xWEI. While demonstrating the added value of xWEI, we also identify various methodological challenges along the required computational workflow: these include the parameter estimation for the extreme value distributions, the definition of maximum spatial extent and temporal duration, and the weighting of extremeness at different scales. These challenges, however, also represent opportunities to adjust the retrieval of WEI and xWEI to specific user requirements and application scenarios. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.5194/nhess-22-2791-2022 SN - 1684-9981 VL - 22 SP - 2791 EP - 2805 PB - Copernicus CY - Katlenburg-Lindau ET - 8 ER - TY - THES A1 - Lorenz, Theo T1 - Entwicklung eines Konzepts zur Umsetzung des SAMR-Modells im Geographieunterricht BT - Wie lässt sich das SAMR-Modell im Geographieunterricht zielführend umsetzen? T2 - Potsdamer Geographische Praxis N2 - Die Gesellschaft befindet sich längst in einem digitalen Transformationsprozess. Alle gesellschaftlichen Bereiche verändern sich. Man spricht von einer Kultur der Digitalität, die den Leitmedienwechsel vom gedruckten Buch hin zum vernetzten digitalen Endgerät beschreibt. Auch die Institution „Schule“ muss sich diesem Wandel öffnen. Einen wesentlichen Schritt stellt das Strategiepapier der Kultusministerkonferenz „Bildung in der digitalen Welt“ aus dem Jahr 2017 dar. Darin legt sie die wesentlichen Handlungsfelder zu einem digitalen Wandel fest und erweitert den Bildungsauftrag um die „Kompetenzen in der digitalen Welt“. Das sog. SAMR-Modell stellt dabei ein geeignetes Umsetzungs- und Reflektionswerkzeug für den Einsatz digitaler Medien dar. Es strukturiert den Einsatz auf vier Stufen. Die beiden unteren Stufen (Substitution und Augmentation) schreiben der Art und Weise, wie die digitalen Medien genutzt werden, eine Ersatz- oder Verbesserungsfunktion des analogen Lernwerkzeuges zu. Ziel des Modells ist es aber, mithilfe hinzugewonnener digitaler Möglichkeiten, Lernen neu zu gestalten. Da das Modell aus den USA stammt, weist es weder direkten Bezüge zum Strategiepapier der Kultusministerkonferenz noch zu den Bildungsstandards der Geographie auf. Diese wissenschaftliche Arbeit stellt diese Bezüge her. Ziel ist es, auf der Grundlage des SAMR-Modells ein Handlungskonzept für Geographielehrkräfte zu entwickeln. Es zeigt auf, wie sie sowohl fachliche Kompetenzen als auch Kompetenzen in der digitalen Welt systematisch bei den Lernenden fördern können. N2 - The society is situated in a digital transformation process. Every social domain changes. There is a digital culture which describes the shift from a printed book towards the connected digital terminal device. Even the institution “school” has to be open towards this change. One major step appears to be the strategic paper “Bildung in der digitalen Welt” from the Kultusministerkonferenz 2017. Within the paper the major fields of action towards a digital change are determined and the educational challenge is extended by the “Kompetenzen in der digitalen Welt”. The so called SAMR-Model represents an appropriate implementation- and reflectiontool for the utilization of digital media. This utilization can be structured into four levels. The two lower segments (substitution and augmentation) assign an alternative or improving function to the analog learning tool, how digital media can be used. The main goal of the model is to redesign learning with newly acquired digital possibilities. Since the model was invented in the US, no direct references towards the strategic paper of the Kultusministerkonferenz nor towards the educational standards of geography can be made. This academic paper connects those references. The main goal is, based on the foundation of the SAMR-Model, to develop a concept of action for geography teachers. This reveals not only how to support digital competences for learners but also how to support competences regarding the digital world. T3 - Potsdamer Geographische Praxis - 17 KW - digitale Bildung KW - Medienbildung KW - Geographiedidaktik KW - Geographieunterricht KW - digital education KW - media education KW - geography education KW - geography lessons Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-538462 SN - 978-3-86956-540-8 SN - 2194-1599 SN - 2194-1602 IS - 17 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Trautmann, Tina T1 - Understanding global water storage variations using model-data integration T1 - Verständnis der Variabilität globaler Wasserspeicher mittels Modell-Daten Integration N2 - Climate change is one of the greatest challenges to humanity in this century, and most noticeable consequences are expected to be impacts on the water cycle – in particular the distribution and availability of water, which is fundamental for all life on Earth. In this context, it is essential to better understand where and when water is available and what processes influence variations in water storages. While estimates of the overall terrestrial water storage (TWS) variations are available from the GRACE satellites, these represent the vertically integrated signal over all water stored in ice, snow, soil moisture, groundwater and surface water bodies. Therefore, complementary observational data and hydrological models are still required to determine the partitioning of the measured signal among different water storages and to understand the underlying processes. However, the application of large-scale observational data is limited by their specific uncertainties and the incapacity to measure certain water fluxes and storages. Hydrological models, on the other hand, vary widely in their structure and process-representation, and rarely incorporate additional observational data to minimize uncertainties that arise from their simplified representation of the complex hydrologic cycle. In this context, this thesis aims to contribute to improving the understanding of global water storage variability by combining simple hydrological models with a variety of complementary Earth observation-based data. To this end, a model-data integration approach is developed, in which the parameters of a parsimonious hydrological model are calibrated against several observational constraints, inducing GRACE TWS, simultaneously, while taking into account each data’s specific strengths and uncertainties. This approach is used to investigate 3 specific aspects that are relevant for modelling and understanding the composition of large-scale TWS variations. The first study focusses on Northern latitudes, where snow and cold-region processes define the hydrological cycle. While the study confirms previous findings that seasonal dynamics of TWS are dominated by the cyclic accumulation and melt of snow, it reveals that inter-annual TWS variations on the contrary, are determined by variations in liquid water storages. Additionally, it is found to be important to consider the impact of compensatory effects of spatially heterogeneous hydrological variables when aggregating the contribution of different storage components over large areas. Hence, the determinants of TWS variations are scale-dependent and underlying driving mechanism cannot be simply transferred between spatial and temporal scales. These findings are supported by the second study for the global land areas beyond the Northern latitudes as well. This second study further identifies the considerable impact of how vegetation is represented in hydrological models on the partitioning of TWS variations. Using spatio-temporal varying fields of Earth observation-based data to parameterize vegetation activity not only significantly improves model performance, but also reduces parameter equifinality and process uncertainties. Moreover, the representation of vegetation drastically changes the contribution of different water storages to overall TWS variability, emphasizing the key role of vegetation for water allocation, especially between sub-surface and delayed water storages. However, the study also identifies parameter equifinality regarding the decay of sub-surface and delayed water storages by either evapotranspiration or runoff, and thus emphasizes the need for further constraints hereof. The third study focuses on the role of river water storage, in particular whether it is necessary to include computationally expensive river routing for model calibration and validation against the integrated GRACE TWS. The results suggest that river routing is not required for model calibration in such a global model-data integration approach, due to the larger influence other observational constraints, and the determinability of certain model parameters and associated processes are identified as issues of greater relevance. In contrast to model calibration, considering river water storage derived from routing schemes can already significantly improve modelled TWS compared to GRACE observations, and thus should be considered for model evaluation against GRACE data. Beyond these specific findings that contribute to improved understanding and modelling of large-scale TWS variations, this thesis demonstrates the potential of combining simple modeling approaches with diverse Earth observational data to improve model simulations, overcome inconsistencies of different observational data sets, and identify areas that require further research. These findings encourage future efforts to take advantage of the increasing number of diverse global observational data. N2 - Der Klimawandel stellt mit Abstand eine der größten Herausforderungen für die Menschheit in diesem Jahrhundert da, und die spürbarsten Folgen werden voraussichtlich die Auswirkungen auf den Wasserkreislauf sein - insbesondere auf die Verteilung und Verfügbarkeit von Wasser, welches Grundlage allen Lebens dieser Erde ist. In diesem Zusammenhang ist es von entscheidender Bedeutung, besser zu verstehen, wo und wann Wasser verfügbar ist und welche Prozesse natürliche Schwankungen der Wasserspeicher beeinflussen. Obwohl Schätzungen der Gesamtschwankungen der terrestrischen Wasserspeicher (TWS) basierend auf Daten der GRACE-Satelliten vorliegen, stellen diese nur das vertikal integrierte Signal über alles in Eis, Schnee, Bodenfeuchtigkeit, Grundwasser und Oberflächengewässern gespeicherte Wasser dar. Daher sind ergänzende Beobachtungsdaten und hydrologische Modelle notwendig, um die Aufteilung des gemessenen Signals auf verschiedenen Wasserspeicher zu bestimmen und die zugrunde liegenden Prozesse zu verstehen. Die Verwendung von großmaßstäblichen Beobachtungsdaten ist jedoch durch ihre spezifischen Unsicherheiten und die Unfähigkeit, bestimmte Wasserflüsse und -speicher zu messen, eingeschränkt. Hydrologische Modelle hingegen unterscheiden sich stark in ihrer Struktur und Prozessdarstellung und beziehen nur selten zusätzliche Beobachtungsdaten ein, um Unsicherheiten zu minimieren, die sich aus ihrer vereinfachten Darstellung des komplexen Wasserkreislaufs ergeben. In diesem Zusammenhang gibt diese Arbeit einen Beitrag zum besseren Verständnis der Schwankungen globaler Wasserspeicher, indem einfache hydrologische Modelle mit einer Vielzahl sich ergänzender Erdbeobachtungsdaten kombiniert werden. Dafür wird ein Ansatz zur Integration von Modellen und Daten entwickelt, bei dem die Parameter eines einfachen hydrologischen Modells gleichzeitig gegen mehrere Beobachtungsdaten, inklusive GRACE TWS, kalibriert werden, wobei deren spezifischen Stärken und Unsicherheiten berücksichtigt werden. Dieser Ansatz wird genutzt, um drei spezifische Aspekte, die für die Modellierung und das Verständnis der Zusammensetzung großskaliger TWS-Schwankungen relevant sind, zu untersuchen. Die erste Studie konzentriert sich auf die nördlichen Breiten, wo Schnee und Prozesse kalter Regionen den hydrologischen Kreislauf bestimmen. Während die Studie frühere Erkenntnisse darin bestätigt, dass die saisonale Dynamik des TWS von der zyklischen Akkumulation und Schmelze von Schnee dominiert wird, zeigt sie, dass die zwischenjährlichen TWS-Schwankungen im Gegenteil durch Variationen der Flüssigwasserspeicher bestimmt werden. Darüber hinaus wird festgestellt, dass es wichtig ist, die Auswirkungen kompensatorischer Effekte räumlich heterogener hydrologischer Variablen zu berücksichtigen, wenn der Beitrag verschiedener Speicherkomponenten über große Gebiete aggregiert wird. Die Determinanten der TWS-Schwankungen sind skalenabhängig, und die zugrunde liegenden Antriebsmechanismen lassen sich nicht einfach zwischen räumlichen und zeitlichen Skalen übertragen. Diese Ergebnisse werden durch die zweite Studie auch auf globaler Skale bestätigt. Diese zweite Studie zeigt außerdem, dass die Art und Weise, wie Vegetation in hydrologischen Modellen dargestellt wird, einen erheblichen Einfluss auf die Aufteilung der TWS-Variationen hat. Die Verwendung von raum-zeitlich variierenden Erdbeobachtungsdaten zur Parametrisierung der Vegetationsaktivität verbessert nicht nur die Modellleistung erheblich, sondern verringert auch die Parameterequifinalität und somit die Prozessunsicherheiten. Darüber hinaus beeinflusst die Repräsentation der Vegetation drastisch den Einfluss verschiedener Wasserspeicher zur Gesamtvariabilität des TWS und unterstreicht damit die Schlüsselrolle der Vegetation für die Wasserverteilung, insbesondere zwischen unterirdischen und verzögerten Wasserspeichern. Die Studie zeigt jedoch auch, dass die Parameter für den Verringerung der unterirdischen und verzögerten Wasserspeichern, entweder via Evapotranspiration oder via Abfluss, äquivalent sind, und unterstreicht damit die Notwendigkeit weiterer Eingrenzung durch Beobachtungsdaten. Die dritte Studie befasst sich mit der Rolle der Wasserspeicherung in Flüssen, insbesondere mit der Frage, ob es notwendig ist, das rechenintensive Abfluss-Routing für die Kalibrierung und Validierung des Modells gegen GRACE TWS Daten zu berücksichtigen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Abfluss-Routing für die Modellkalibrierung in einem solchen globalen Modell-Daten-Integrationsansatz nicht erforderlich ist, da andere Beobachtungsdaten einen größeren Einfluss haben und die Definierbarkeit bestimmter Modellparameter und damit zusammenhängender Prozesse relevantere Probleme darstellen. Im Gegensatz zur Modellkalibrierung kann die Berücksichtigung von Flusswasserspeichern jedoch den modellierten TWS im Vergleich zu GRACE-Beobachtungen bereits erheblich verbessern und sollte daher bei der Modellevaluierung gegen GRACE-Daten berücksichtigt werden. Über diese spezifischen Ergebnisse hinaus, die zum besseren Verständnis und Modellierung großskaliger TWS-Variationen beitragen, zeigt diese Arbeit das Potenzial der Kombination einfacher Modellierungsansätze mit verschiedenen Erdbeobachtungsdaten zur Verbesserung von Modellsimulationen, zur Überwindung von Inkonsistenzen zwischen verschiedenen Beobachtungsdatensätzen und zur Identifizierung von Themen, die weitere Forschung erfordern. Diese Ergebnisse ermutigen künftige Forschungen, die zunehmende Zahl unterschiedlicher globaler Beobachtungsdaten zu nutzen. KW - global hydrological modeling KW - model-data integration KW - terrestrial water storage variation KW - model calibration KW - globale hydrologische Modellierung KW - Modellkalibrierung KW - Model-Daten Integration KW - Variationen terrestrischer Wasserspeicher Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-565954 ER - TY - GEN A1 - Voit, Paul A1 - Heistermann, Maik T1 - A new index to quantify the extremeness of precipitation across scales T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Quantifying the extremeness of heavy precipitation allows for the comparison of events. Conventional quantitative indices, however, typically neglect the spatial extent or the duration, while both are important to understand potential impacts. In 2014, the weather extremity index (WEI) was suggested to quantify the extremeness of an event and to identify the spatial and temporal scale at which the event was most extreme. However, the WEI does not account for the fact that one event can be extreme at various spatial and temporal scales. To better understand and detect the compound nature of precipitation events, we suggest complementing the original WEI with a “cross-scale weather extremity index” (xWEI), which integrates extremeness over relevant scales instead of determining its maximum. Based on a set of 101 extreme precipitation events in Germany, we outline and demonstrate the computation of both WEI and xWEI. We find that the choice of the index can lead to considerable differences in the assessment of past events but that the most extreme events are ranked consistently, independently of the index. Even then, the xWEI can reveal cross-scale properties which would otherwise remain hidden. This also applies to the disastrous event from July 2021, which clearly outranks all other analyzed events with regard to both WEI and xWEI. While demonstrating the added value of xWEI, we also identify various methodological challenges along the required computational workflow: these include the parameter estimation for the extreme value distributions, the definition of maximum spatial extent and temporal duration, and the weighting of extremeness at different scales. These challenges, however, also represent opportunities to adjust the retrieval of WEI and xWEI to specific user requirements and application scenarios. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1283 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-570893 SN - 1866-8372 IS - 1283 SP - 2791 EP - 2805 ER - TY - THES A1 - Burgold, Julia T1 - Erfahrung und Reflexion von Obdachlosigkeit BT - Zur Verständigung über Obdachlosigkeit in der Praxis des Slumming T2 - Potsdamer Geographische Praxis N2 - Die Arbeit gibt einen Einblick in die Verständigungspraxen bei Stadtführungen mit (ehemaligen) Obdachlosen, die in ihrem Selbstverständnis auf die Herstellung von Verständnis, Toleranz und Anerkennung für von Obdachlosigkeit betroffene Personen zielen. Zunächst wird in den Diskurs des Slumtourismus eingeführt und, angesichts der Vielfalt der damit verbundenen Erscheinungsformen, Slumming als organisierte Begegnung mit sozialer Ungleichheit definiert. Die zentralen Diskurslinien und die darin eingewobenen moralischen Positionen werden nachvollzogen und im Rahmen der eigenommenen wissenssoziologischen Perspektive als Ausdruck einer per se polykontexturalen Praxis re-interpretiert. Slumming erscheint dann als eine organisierte Begegnung von Lebensformen, die sich in einer Weise fremd sind, als dass ein unmittelbares Verstehen unwahrscheinlich erscheint und genau aus diesem Grund auf der Basis von gängigen Interpretationen des Common Sense ausgehandelt werden muss. Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Arbeit, wie sich Teilnehmer und Stadtführer über die Erfahrung der Obdachlosigkeit praktisch verständigen und welcher Art das hierüber erzeugte Verständnis für die im öffentlichen Diskurs mit vielfältigen stigmatisierenden Zuschreibungen versehenen Obdachlosen ist. Dabei interessiert besonders, in Bezug auf welche Aspekte der Erfahrung von Obdachlosigkeit ein gemeinsames Verständnis möglich wird und an welchen Stellen dieses an Grenzen gerät. Dazu wurden die Gesprächsverläufe auf neun Stadtführungen mit (ehemaligen) obdachlosen Stadtführern unterschiedlicher Anbieter im deutschsprachigen Raum verschriftlicht und mit dem Verfahren der Dokumentarischen Methode ausgewertet. Die vergleichende Betrachtung der Verständigungspraxen eröffnet nicht zuletzt eine differenzierte Perspektive auf die in den Prozessen der Verständigung immer schon eingewobenen Anerkennungspraktiken. Mit Blick auf die moralische Debatte um organisierte Begegnungen mit sozialer Ungleichheit wird dadurch eine ethische Perspektive angeregt, in deren Zentrum Fragen zur Vermittlungsarbeit stehen. N2 - The book provides an insight into the social practices of mutual understanding occurring during city tours with former homeless people, which operate with the goal of increasing understanding, tolerance and recognition for people affected by homelessness. First, the discourse of slum tourism is reviewed and, considering the diversity of this phenomena, the term “slumming” is defined as an organized encounter with social inequality. The central lines of discourse and the moral positions woven into them are thus traced and reinterpreted within the framework of the adopted sociological perspective of knowledge as an expression of a polycontextural practice per se. Through this lens, slumming then appears as an organized encounter of ways of life that are alien to each other in a way that defies immediate understanding, and for this very reason must be negotiated on the basis of common sense interpretations. Against this background, this study examines how participants and city guides communicate about the experience of homelessness and focusses on the thereby generated kind of understanding of homelessness. Of particular interest here are the possibilities and limits of the mutual understanding between the former homeless guides and their predominantly bourgeois attendees. For this purpose, the transcripts of conversations taken during nine city tours from different providers in German-speaking countries were analyzed using the procedure of the documentary method. This comparative examination offers not least a differentiated perspective on the practices of recognition that are always inherent in the processes of understanding. Concerning the moral debate surrounding organized encounters with social inequality, this ultimately suggests a shift in the ethical framework away from the issue of representation toward one of mediation. T3 - Potsdamer Geographische Praxis - 18 KW - Slumming KW - slumming KW - Slumtourismus KW - slum tourism KW - soziale Ungleichheit KW - social inequality KW - Obdachlosigkeit KW - Homelessness KW - Rekonstruktive Sozialforschung KW - reconstructive social research KW - Dokumentarische Methode KW - documentary method KW - Systemtheorie KW - systems theory KW - Polykontexturalität KW - polycontexturality KW - Stadtführungen KW - guided tours KW - Interaktion KW - interaction KW - Stigmatisierung KW - stigmatization Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-553932 SN - 978-3-86956-541-5 SN - 2194-1599 SN - 2194-1602 IS - 18 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Fischer, Melanie T1 - Outburst floods in the Greater Himalayas T1 - Dammbruchfluten in der Großregion des Himalayas BT - from regional susceptibility to local hazard BT - von regionaler Suszeptibilität zu lokaler Gefährdung N2 - High-mountain regions provide valuable ecosystem services, including food, water, and energy production, to more than 900 million people worldwide. Projections hold, that this population number will rapidly increase in the next decades, accompanied by a continued urbanisation of cities located in mountain valleys. One of the manifestations of this ongoing socio-economic change of mountain societies is a rise in settlement areas and transportation infrastructure while an increased power need fuels the construction of hydropower plants along rivers in the high-mountain regions of the world. However, physical processes governing the cryosphere of these regions are highly sensitive to changes in climate and a global warming will likely alter the conditions in the headwaters of high-mountain rivers. One of the potential implications of this change is an increase in frequency and magnitude of outburst floods – highly dynamic flows capable of carrying large amounts of water and sediments. Sudden outbursts from lakes formed behind natural dams are complex geomorphological processes and are often part of a hazard cascade. In contrast to other types of natural hazards in high-alpine areas, for example landslides or avalanches, outburst floods are highly infrequent. Therefore, observations and data describing for example the mode of outburst or the hydraulic properties of the downstream propagating flow are very limited, which is a major challenge in contemporary (glacial) lake outburst flood research. Although glacial lake outburst floods (GLOFs) and landslide-dammed lake outburst floods (LLOFs) are rare, a number of documented events caused high fatality counts and damage. The highest documented losses due to outburst floods since the start of the 20th century were induced by only a few high-discharge events. Thus, outburst floods can be a significant hazard to downvalley communities and infrastructure in high-mountain regions worldwide. This thesis focuses on the Greater Himalayan region, a vast mountain belt stretching across 0.89 million km2. Although potentially hundreds of outburst floods have occurred there since the beginning of the 20th century, data on these events is still scarce. Projections of cryospheric change, including glacier-mass wastage and permafrost degradation, will likely result in an overall increase of the water volume stored in meltwater lakes as well as the destabilisation of mountain slopes in the Greater Himalayan region. Thus, the potential for outburst floods to affect the increasingly more densely populated valleys of this mountain belt is also likely to increase in the future. A prime example of one of these valleys is the Pokhara valley in Nepal, which is drained by the Seti Khola, a river crossing one of the steepest topographic gradients in the Himalayas. This valley is also home to Nepal’s second largest, rapidly growing city, Pokhara, which currently has a population of more than half a million people – some of which live in informal settlements within the floodplain of the Seti Khola. Although there is ample evidence for past outburst floods along this river in recent and historic times, these events have hardly been quantified. The main motivation of my thesis is to address the data scarcity on past and potential future outburst floods in the Greater Himalayan region, both at a regional and at a local scale. For the former, I compiled an inventory of >3,000 moraine-dammed lakes, of which about 1% had a documented sudden failure in the past four decades. I used this data to test whether a number of predictors that have been widely applied in previous GLOF assessments are statistically relevant when estimating past GLOF susceptibility. For this, I set up four Bayesian multi-level logistic regression models, in which I explored the credibility of the predictors lake area, lake-area dynamics, lake elevation, parent-glacier-mass balance, and monsoonality. By using a hierarchical approach consisting of two levels, this probabilistic framework also allowed for spatial variability on GLOF susceptibility across the vast study area, which until now had not been considered in studies of this scale. The model results suggest that in the Nyainqentanglha and Eastern Himalayas – regions with strong negative glacier-mass balances – lakes have been more prone to release GLOFs than in regions with less negative or even stable glacier-mass balances. Similarly, larger lakes in larger catchments had, on average, a higher probability to have had a GLOF in the past four decades. Yet, monsoonality, lake elevation, and lake-area dynamics were more ambiguous. This challenges the credibility of a lake’s rapid growth in surface area as an indicator of a pending outburst; a metric that has been applied to regional GLOF assessments worldwide. At a local scale, my thesis aims to overcome data scarcity concerning the flow characteristics of the catastrophic May 2012 flood along the Seti Khola, which caused 72 fatalities, as well as potentially much larger predecessors, which deposited >1 km³ of sediment in the Pokhara valley between the 12th and 14th century CE. To reconstruct peak discharges, flow depths, and flow velocities of the 2012 flood, I mapped the extents of flood sediments from RapidEye satellite imagery and used these as a proxy for inundation limits. To constrain the latter for the Mediaeval events, I utilised outcrops of slackwater deposits in the fills of tributary valleys. Using steady-state hydrodynamic modelling for a wide range of plausible scenarios, from meteorological (1,000 m³ s-1) to cataclysmic outburst floods (600,000 m³ s-1), I assessed the likely initial discharges of the recent and the Mediaeval floods based on the lowest mismatch between sedimentary evidence and simulated flood limits. One-dimensional HEC-RAS simulations suggest, that the 2012 flood most likely had a peak discharge of 3,700 m³ s-1 in the upper Seti Khola and attenuated to 500 m³ s-1 when arriving in Pokhara’s suburbs some 15 km downstream. Simulations of flow in two-dimensions with orders of magnitude higher peak discharges in ANUGA show extensive backwater effects in the main tributary valleys. These backwater effects match the locations of slackwater deposits and, hence, attest for the flood character of Mediaeval sediment pulses. This thesis provides first quantitative proof for the hypothesis, that the latter were linked to earthquake-triggered outbursts of large former lakes in the headwaters of the Seti Khola – producing floods with peak discharges of >50,000 m³ s-1. Building on this improved understanding of past floods along the Seti Khola, my thesis continues with an analysis of the impacts of potential future outburst floods on land cover, including built-up areas and infrastructure mapped from high-resolution satellite and OpenStreetMap data. HEC-RAS simulations of ten flood scenarios, with peak discharges ranging from 1,000 to 10,000 m³ s-1, show that the relative inundation hazard is highest in Pokhara’s north-western suburbs. There, the potential effects of hydraulic ponding upstream of narrow gorges might locally sustain higher flow depths. Yet, along this reach, informal settlements and gravel mining activities are close to the active channel. By tracing the construction dynamics in two of these potentially affected informal settlements on multi-temporal RapidEye, PlanetScope, and Google Earth imagery, I found that exposure increased locally between three- to twentyfold in just over a decade (2008 to 2021). In conclusion, this thesis provides new quantitative insights into the past controls on the susceptibility of glacial lakes to sudden outburst at a regional scale and the flow dynamics of propagating flood waves released by past events at a local scale, which can aid future hazard assessments on transient scales in the Greater Himalayan region. My subsequent exploration of the impacts of potential future outburst floods to exposed infrastructure and (informal) settlements might provide valuable inputs to anticipatory assessments of multiple risks in the Pokhara valley. N2 - Hochgebirgsregionen stellen wertvolle Ökosystemdienstleistungen wie Nahrung, Wasser und Energieerzeugung für weltweit mehr als 900 Millionen Menschen bereit. Prognosen zufolge wird diese Zahl in den nächsten Jahrzehnten weiter rapide ansteigen, begleitet von einer zunehmenden Urbanisierung der in den Bergtälern lebenden Bevölkerung. Dieser anhaltende sozioökonomische Wandel äußert sich unter anderem in der Zunahme von Siedlungsflächen und dem Ausbau der Verkehrsinfrastruktur, während gleichzeitig ein erhöhter Energiebedarf den Bau von Wasserkraftwerken entlang von Hochgebirgsflüssen vorantreibt. Physikalische Prozesse, welche die Hochgebirgs-Kryosphäre beeinflussen, reagieren jedoch sehr empfindlich auf Klimaveränderungen. Die globale Erwärmung wird somit wahrscheinlich auch die Bedingungen in den Einzugsgebieten und Oberläufen dieser Hochgebirgsflüsse verändern. Eine mögliche Folge dieses Wandels ist eine Zunahme der Frequenz und Magnitude von natürlichen Dammbruchfluten (im Englischen outburst floods), welche hochdynamisch sind und potenziell große Mengen Wasser und Sedimente mit sich führen können. Plötzliche Ausbrüche von Seen, welche sich zuvor hinter natürlichen Dämmen aufgestaut haben, sind komplexe geomorphologische Prozesse und oft Teil einer mehrteiligen Gefahrenkaskade. Dammbruchfluten sind jedoch, im Gegensatz zu anderen Naturgefahren im Hochgebirge wie beispielsweise Erdrutsche oder Lawinen, sehr selten. Daher sind direkte Beobachtungen und Messdaten, welche z.B. die Art des Ausbruchs oder die hydraulischen Eigenschaften der sich stromabwärts ausbreitenden Strömung festhalten, nur sehr begrenzt vorhanden, was eine der größten Herausforderungen für die gegenwärtige Forschung an natürlichen Dammbruchfluten darstellt. Trotz der Seltenheit von Ausbrüchen von Gletscherseen (glacial lake outburst floods oder GLOFs) beziehungsweise von durch Erdrutschmassen aufgestauten Seen (landslide-dammed lake outburst floods oder LLOFs), ist dieser Fluttyp für eine hohe Anzahl an dokumentierten Opferzahlen und Schäden weltweit verantwortlich. Ein Großteil dieser Schäden wurde dabei nach Aufzeichnungen seit Beginn des 20. Jahrhunderts durch nur wenige Ereignisse verursacht. Natürliche Dammbruchfluten stellen somit eine ernsthafte Gefahr für weiter talabwärts gelegene Siedlungen und die Infrastruktur in den Hochgebirgsregionen der Welt dar. Die vorliegende Dissertation fokussiert sich räumlich auf den Himalaya und die angrenzenden Gebirgszüge – die sogenannte Großregion des Himalayas – welche sich über eine Fläche von 0.89 Millionen km² erstreckt. Obwohl sich in diesem Gebirgsgürtel seit Beginn des 20. Jahrhunderts möglicherweise Hunderte natürlicher Dammbruchfluten ereignet haben, liegen nur wenige Daten über derartige Ereignisse vor. Aktuelle Prognosen der Veränderungen der Kryosphäre in diesem Gebiet zeigen einen zunehmenden Verlust an Gletschermasse und das Abtauen von Permafrostböden, was wahrscheinlich wiederum zu einem allgemeinen Anstieg des in den Gletscherseen gespeicherten Wasservolumens sowie zur Destabilisierung der Berghänge in der Großregion des Himalayas führen wird. In Zukunft ist somit auch eine Zunahme des Potenzials für solche Überschwemmungen in den zunehmend dichter besiedelten Tälern dieses Gebirgsgürtels wahrscheinlich. Ein Paradebeispiel eines solchen gefährdeten Himalaya-Tals ist das Pokhara Tal in Nepal, welches vom Seti Khola („Khola“ heißt auf Nepalesisch Fluss) entwässert wird, dem Hochgebirgsfluss mit dem steilsten topographischen Gefälle im zentralen Himalaya. Das Pokhara Tal beherbergt die gleichnamige Stadt Pokhara, welche mit einer Einwohnerzahl von über 500.000 die zweitgrößte und am schnellsten wachsende Stadt Nepals darstellt. Ein Teil der Einwohner Pokharas lebt in informellen Siedlungen, welche sich oftmals direkt im Überschwemmungsgebiet des Seti Khola befinden. Trotz zahlreicher Hinweise auf frühere natürliche Dammbruchfluten entlang dieses Flusses aus jüngerer und historischer Zeit, wurden diese Ereignisse bisher kaum quantifiziert. Die Hauptmotivation meiner Dissertation besteht darin, den Mangel an Daten über vergangene und potenzielle zukünftige natürliche Dammbruchfluten in der Großregion des Himalayas zu überwinden, sowohl auf regionaler als auch auf lokaler Ebene. Zu diesem Zweck habe ich ein Inventar von mehr als 3.000 hinter Moränen aufgestauten Gletscherseen erstellt, von welchen etwa 1% in den letzten vier Jahrzehnten einen dokumentierten GLOF produziert haben. Auf dieser Datengrundlage testete ich, ob eine Reihe von Prädiktoren, die in bisherigen GLOF-Studien häufig verwendet wurden, statistisch relevant für die Abschätzung der Suszeptibilität von moränengedämmten Gletscherseen für GLOFs in der Vergangenheit sind. Zu diesem Zweck habe ich vier Bayesische hierarchische logistische Regressionsmodelle aufgestellt, mit welchen ich die Glaubwürdigkeit der Prädiktoren Seefläche, Seeflächendynamik, Seehöhe über dem Meeresspiegel, Gletschermassenbilanz und „Monsunalität“ (definiert als der Anteil des während der Sommermonate fallenden Niederschlages am Jahresniederschlag) untersuchen konnte. Die Anwendung eines hierarchischen Ansatzes mit zwei Ebenen ermöglichte dabei die Berücksichtigung einer möglichen räumlichen Variabilität der GLOF-Suszeptibilität im Untersuchungsgebiet, was in bisherigen Studien dieser Größenordnung bislang nicht berücksichtigt worden ist. Die Modellergebnisse deuten darauf hin, dass Gletscherseen im Nyainqentanglha und im östlichen Himalaya, also Regionen mit stark negativen Gletschermassenbilanzen, eine höhere Suszeptibilität für GLOFs hatten als Gletscherseen in Regionen mit weniger stark negativen oder stabilen Gletschermassenbilanzen. Größere Gletscherseen in größeren Einzugsgebieten zeigten durchschnittlich ebenfalls eine höhere Wahrscheinlichkeit für einen nachgewiesenen GLOF in den letzten vier Jahrzehnten. Ein Einfluss der Monsunalität, der Höhe des Sees über dem Meeresspiegel sowie der Dynamik der Seefläche waren jedoch uneindeutig in den Modellen. Dieses Ergebnis stellt die Gültigkeit eines raschen Seewachstums als Indikator eines bevorstehenden GLOFs, ein in regionalen GLOF-Studien häufig angewandter Prädiktor, in Frage. Auf lokaler Ebene kann meine Dissertation dabei helfen, die Datenknappheit bezüglich der Fließcharakteristika der katastrophalen Flut vom Mai 2012 mit 72 Opfern entlang des Seti Khola sowie deren potenziell viel größeren Vorgängerereignissen des 12. bis 14. Jahrhunderts, welche >1 km³ an Sedimenten deponierten, zu überwinden. Um Spitzenabflüsse, Fließtiefen und Fließgeschwindigkeiten der 2012 Flut zu rekonstruieren, habe ich die Erstreckung der Flutsedimente aus RapidEye-Satellitenbildern kartiert und diese als Proxy für die Grenzen der Überflutungsflächen verwendet. Um letztere auch für die mittelalterlichen Ereignisse einzuschätzen, nutzte ich die Aufschlüsse von Stauwasserablagerungen (slackwater deposits) in den Talverfüllungen der Tributäre des Seti Kholas. Mit Hilfe stationärer hydrodynamischer Modelle simulierte ich eine breite Palette plausibler Fließszenarien, von meteorologischen Fluten (1.000 m³ s-1) bis hin zu kataklystischen Ausbrüchen (600.000 m³ s-1). Die Abschätzung der wahrscheinlichen anfänglichen Spitzenabflüsse der rezenten und mittelalterlichen Überschwemmungen geschah dabei auf der Grundlage der geringsten räumlichen Diskrepanz zwischen den sedimentären Beweisen und den simulierten Überflutungsgrenzen. Meine eindimensionalen Flutsimulationen mit der Modellierungssoftware HEC-RAS ergaben, dass die Flut von 2012 höchstwahrscheinlich einen Spitzenabfluss von 3.700 m³ s-1 im oberen Abschnitt des Seti Khola aufwies, sich jedoch beim Erreichen der etwa 15 km flussabwärts gelegenen Randbereiche Pokharas bereits auf 500 m³ s-1 abgeschwächt hatte. Um Größenordnungen höhere zweidimensionale Flutsimulationen mit der Modellierungssoftware ANUGA zeigen extensive Rückstaueffekte in den Haupttributären. Die Grenzen dieser Rückstaueffekte stimmen mit den Vorkommen von Stauwasserablagerungen überein und belegen somit den fluviatilen Charakter der mittelalterlichen Sedimentationsereignisse. Diese Dissertation liefert somit den ersten quantitativen Beweis für die Hypothese, dass die mächtigen mittelalterlichen Sedimentablagerungen des Pokhara Tals durch von starken Erdbeben ausgelösten Ausbrüchen großer ehemaliger Gletscherseen im Oberlauf des Seti Khola zusammenhängen, welche Fluten mit Spitzenabflüssen von >50.000 m³ s-1 produzierten. Aufbauend auf diesem verbesserten Verständnis vergangener Fluten entlang des Seti Khola analysierte ich die Auswirkungen potenzieller zukünftiger natürlicher Dammbruchfluten auf die Landbedeckung des Pokhara Tals, einschließlich Siedlungsfläche und Infrastruktur, anhand von hochauflösenden Satelliten- und OpenStreetMap-Daten. Meine HEC-RAS-Simulationen von zehn Flutszenarien mit Spitzenabflüssen zwischen 1.000 und 10.000 m³ s-1 ergaben, dass die relative Überflutungsgefahr in den nordwestlichen Randbereichen Pokharas am höchsten ist. Dort kann eine hydraulische Aufstauung oberhalb von engen Schluchten zu lokal höheren Überflutungstiefen führen, was eine potenzielle Gefahr für die sich in diesen Flussabschnitten befindenden informellen Siedlungen und Kiesabbaulokalitäten darstellt. Meine Analyse der Bebauungsdynamik zweier potenziell betroffener informeller Siedlungen mithilfe von hochauflösenden, multi-temporalen RapidEye-, PlanetScope- und Google Earth-Satellitenbildern ergab, dass sich die Exposition in etwas mehr als einem Jahrzehnt (2008 bis 2021) lokal um das Drei- bis Zwanzigfache erhöhte. Die vorliegende Dissertation liefert neue quantitative Erkenntnisse einerseits über die Suszeptibilität von moränengedämmten Seen für plötzliche Gletscherseeausbrüche (GLOFs) auf regionaler Ebene und andererseits, auf lokaler Ebene, über die Strömungsdynamik der sich talabwärtsbewegenden Flutwellen vergangener Ereignisse. Meine anschließende Untersuchung der Auswirkungen potenzieller künftiger natürlicher Dammbruchfluten auf exponierte Infrastruktur und (informelle) Siedlungen kann einen wertvollen Beitrag zu zukünftigen Multi-Risikobewertung für das Pokhara Tal leisten. KW - outburst floods KW - Bayesian multi-level logistic regression KW - hydrodynamic modelling KW - Himalayas KW - GLOF KW - Nepal KW - flood hazard KW - Bayes'sche Mehrebenenregression KW - GLOF (Gletscherseeausbruchsflut) KW - Himalaya-Gebirge KW - Nepal KW - Flutgefährdung KW - hydrodynamische Modellierung KW - Dammbruchfluten Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-569972 ER - TY - GEN A1 - Fischer, Melanie A1 - Brettin, Jana A1 - Roessner, Sigrid A1 - Walz, Ariane A1 - Fort, Monique A1 - Korup, Oliver T1 - Rare flood scenarios for a rapidly growing high-mountain city: Pokhara, Nepal T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Pokhara (ca. 850 m a.s.l.), Nepal's second-largest city, lies at the foot of the Higher Himalayas and has more than tripled its population in the past 3 decades. Construction materials are in high demand in rapidly expanding built-up areas, and several informal settlements cater to unregulated sand and gravel mining in the Pokhara Valley's main river, the Seti Khola. This river is fed by the Sabche glacier below Annapurna III (7555 m a.s.l.), some 35 km upstream of the city, and traverses one of the steepest topographic gradients in the Himalayas. In May 2012 a sudden flood caused >70 fatalities and intense damage along this river and rekindled concerns about flood risk management. We estimate the flow dynamics and inundation depths of flood scenarios using the hydrodynamic model HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System). We simulate the potential impacts of peak discharges from 1000 to 10 000 m3 s−1 on land cover based on high-resolution Maxar satellite imagery and OpenStreetMap data (buildings and road network). We also trace the dynamics of two informal settlements near Kaseri and Yamdi with high potential flood impact from RapidEye, PlanetScope, and Google Earth imagery of the past 2 decades. Our hydrodynamic simulations highlight several sites of potential hydraulic ponding that would largely affect these informal settlements and sites of sand and gravel mining. These built-up areas grew between 3- and 20-fold, thus likely raising local flood exposure well beyond changes in flood hazard. Besides these drastic local changes, about 1 % of Pokhara's built-up urban area and essential rural road network is in the highest-hazard zones highlighted by our flood simulations. Our results stress the need to adapt early-warning strategies for locally differing hydrological and geomorphic conditions in this rapidly growing urban watershed. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1284 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-571209 SN - 1866-8372 IS - 1284 SP - 3105 EP - 3123 ER - TY - JOUR A1 - Fischer, Melanie A1 - Brettin, Jana A1 - Roessner, Sigrid A1 - Walz, Ariane A1 - Fort, Monique A1 - Korup, Oliver T1 - Rare flood scenarios for a rapidly growing high-mountain city: Pokhara, Nepal JF - Natural Hazards and Earth System Sciences N2 - Pokhara (ca. 850 m a.s.l.), Nepal's second-largest city, lies at the foot of the Higher Himalayas and has more than tripled its population in the past 3 decades. Construction materials are in high demand in rapidly expanding built-up areas, and several informal settlements cater to unregulated sand and gravel mining in the Pokhara Valley's main river, the Seti Khola. This river is fed by the Sabche glacier below Annapurna III (7555 m a.s.l.), some 35 km upstream of the city, and traverses one of the steepest topographic gradients in the Himalayas. In May 2012 a sudden flood caused >70 fatalities and intense damage along this river and rekindled concerns about flood risk management. We estimate the flow dynamics and inundation depths of flood scenarios using the hydrodynamic model HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System). We simulate the potential impacts of peak discharges from 1000 to 10 000 m3 s−1 on land cover based on high-resolution Maxar satellite imagery and OpenStreetMap data (buildings and road network). We also trace the dynamics of two informal settlements near Kaseri and Yamdi with high potential flood impact from RapidEye, PlanetScope, and Google Earth imagery of the past 2 decades. Our hydrodynamic simulations highlight several sites of potential hydraulic ponding that would largely affect these informal settlements and sites of sand and gravel mining. These built-up areas grew between 3- and 20-fold, thus likely raising local flood exposure well beyond changes in flood hazard. Besides these drastic local changes, about 1 % of Pokhara's built-up urban area and essential rural road network is in the highest-hazard zones highlighted by our flood simulations. Our results stress the need to adapt early-warning strategies for locally differing hydrological and geomorphic conditions in this rapidly growing urban watershed. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.5194/nhess-22-3105-2022 SN - 1684-9981 VL - 22 SP - 3105 EP - 3123 PB - Copernicus Publications CY - Katlenburg-Lindau ET - 9 ER - TY - THES A1 - Schwanghart, Wolfgang T1 - Digital elevation model analysis in geomorphology and natural hazards research BT - from algorithms to applications Y1 - 2022 ER - TY - JOUR A1 - McMillan, Hilary K. A1 - Gnann, Sebastian J. A1 - Araki, Ryoko T1 - Large scale evaluation of relationships between hydrologic signatures and processes JF - Water resources research N2 - Dominant processes in a watershed are those that most strongly control hydrologic function and response. Estimating dominant processes enables hydrologists to design physically realistic streamflow generation models, design management interventions, and understand how climate and landscape features control hydrologic function. A recent approach to estimating dominant processes is through their link to hydrologic signatures, which are metrics that characterize the streamflow timeseries. Previous authors have used results from experimental watersheds to link signature values to underlying processes, but these links have not been tested on large scales. This paper fills that gap by testing signatures in large sample data sets from the U.S., Great Britain, Australia, and Brazil, and in Critical Zone Observatory (CZO) watersheds. We found that most inter-signature correlations are consistent with process interpretations, that is, signatures that are supposed to represent the same process are correlated, and most signature values are consistent with process knowledge in CZO watersheds. Some exceptions occurred, such as infiltration and saturation excess processes that were often misidentified by signatures. Signature distributions vary by country, emphasizing the importance of regional context in understanding signature-process links and in classifying signature values as "high" or "low." Not all signatures were easily transferable from single, small watersheds to large sample studies, showing that visual or process-based assessment of signatures is important before large-scale use. We provide a summary table with information on the reliability of each signature for process identification. Overall, our results provide a reference for future studies that seek to use signatures to identify hydrological processes. KW - signatures KW - processes KW - CAMELS KW - CZO KW - metrics KW - large scale Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1029/2021WR031751 SN - 0043-1397 SN - 1944-7973 VL - 58 IS - 6 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Lawrence, Mark A1 - Williams, Stephen A1 - Nanz, Patrizia A1 - Renn, Ortwin T1 - Perspective Characteristics, potentials, and challenges of transdisciplinary research JF - One Earth N2 - Resolving the grand challenges and wicked problems of the Anthropocene will require skillfully combining a broad range of knowledge and understandings-both scientific and non-scientific-of Earth systems and human societies. One approach to this is transdisciplinary research, which has gained considerable interest over the last few decades, resulting in an extensive body of literature about transdisciplinarity. However, this has in turn led to the challenge that developing a good understanding of transdisciplinary research can require extensive effort. Here we provide a focused overview and perspective for disciplinary and interdisciplinary researchers who are interested in efficiently obtaining a solid understanding of transdisciplinarity. We describe definitions, characteristics, schools of thought, and an exemplary three-phase model of transdisciplinary research. We also discuss three key challenges that transdisciplinary research faces in the context of addressing the broader challenges of the Anthropocene, and we consider approaches to dealing with these specific challenges, based especially on our experiences with building up transdisciplinary research projects at the Institute for Advanced Sustainability Studies. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.oneear.2021.12.010 SN - 2590-3322 VL - 5 IS - 1 SP - 44 EP - 61 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Sieg, Tobias A1 - Thieken, Annegret T1 - Improving flood impact estimations JF - Environmental research letters N2 - A reliable estimation of flood impacts enables meaningful flood risk management and rapid assessments of flood impacts shortly after a flood. The flood in 2021 in Central Europe and the analysis of its impacts revealed that these estimations are still inadequate. Therefore, we investigate the influence of different data sets and methods aiming to improve flood impact estimates. We estimated economic flood impacts to private households and companies for a flood event in 2013 in Germany using (a) two different flood maps, (b) two approaches to map exposed objects based on OpenStreetMap and the Basic European Asset Map, (c) two different approaches to estimate asset values, and (d) tree-based models and Stage-Damage-Functions to describe the vulnerability. At the macro scale, water masks lead to reasonable impact estimations. At the micro and meso-scale, the identification of affected objects by means of water masks is insufficient leading to unreliable estimations. The choice of exposure data sets is most influential on the estimations. We find that reliable impact estimations are feasible with reported numbers of flood-affected objects from the municipalities. We conclude that more effort should be put in the investigation of different exposure data sets and the estimation of asset values. Furthermore, we recommend the establishment of a reporting system in the municipalities for a fast identification of flood-affected objects shortly after an event. KW - rapid impact assessment KW - floods KW - OpenStreetMap KW - flood risk management KW - natural hazards Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac6d6c SN - 1748-9326 VL - 17 IS - 6 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Deusdará-Leal, Karinne A1 - Samprogna Mohor, Guilherme A1 - Cuartas, Luz Adriana A1 - Seluchi, Marcelo E. A1 - Marengo, Jose A. A1 - Zhang, Rong A1 - Broedel, Elisangela A1 - Amore, Diogo de Jesus A1 - Alvalá, Regina C. S. A1 - Cunha, Ana Paula M. A. A1 - Gonçalves, José A. C. T1 - Trends and climate elasticity of streamflow in south-eastern Brazil basins JF - Water N2 - Trends in streamflow, rainfall and potential evapotranspiration (PET) time series, from 1970 to 2017, were assessed for five important hydrological basins in Southeastern Brazil. The concept of elasticity was also used to assess the streamflow sensitivity to changes in climate variables, for annual data and 5-, 10- and 20-year moving averages. Significant negative trends in streamflow and rainfall and significant increasing trend in PET were detected. For annual analysis, elasticity revealed that 1% decrease in rainfall resulted in 1.21-2.19% decrease in streamflow, while 1% increase in PET induced different reductions percentages in streamflow, ranging from 2.45% to 9.67%. When both PET and rainfall were computed to calculate the elasticity, results were positive for some basins. Elasticity analysis considering 20-year moving averages revealed that impacts on the streamflow were cumulative: 1% decrease in rainfall resulted in 1.83-4.75% decrease in streamflow, while 1% increase in PET induced 3.47-28.3% decrease in streamflow. This different temporal response may be associated with the hydrological memory of the basins. Streamflow appears to be more sensitive in less rainy basins. This study provides useful information to support strategic government decisions, especially when the security of water resources and drought mitigation are considered in face of climate change. KW - runoff KW - precipitation KW - potential evapotranspiration KW - Pettitt test KW - sensitivity Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/w14142245 SN - 2073-4441 VL - 14 IS - 14 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Thieken, Annegret A1 - Mohor, Guilherme Samprogna A1 - Kreibich, Heidi A1 - Müller, Meike T1 - Compound inland flood events BT - different pathways, different impacts and different coping options JF - Natural hazards and earth system sciences : NHESS N2 - Several severe flood events hit Germany in recent years, with events in 2013 and 2016 being the most destructive ones, although dynamics and flood processes were very different. While the 2013 event was a slowly rising widespread fluvial flood accompanied by some severe dike breaches, the events in 2016 were fast-onset pluvial floods, which resulted in surface water flooding in some places due to limited capacities of the drainage systems and in destructive flash floods with high sediment loads and clogging in others, particularly in small steep catchments. Hence, different pathways, i.e. different routes that the water takes to reach (and potentially damage) receptors, in our case private households, can be identified in both events. They can thus be regarded as spatially compound flood events or compound inland floods. This paper analyses how differently affected residents coped with these different flood types (fluvial and pluvial) and their impacts while accounting for the different pathways (river flood, dike breach, surface water flooding and flash flood) within the compound events. The analyses are based on two data sets with 1652 (for the 2013 flood) and 601 (for the 2016 flood) affected residents who were surveyed around 9 months after each flood, revealing little socio-economic differences - except for income - between the two samples. The four pathways showed significant differences with regard to their hydraulic and financial impacts, recovery, warning processes, and coping and adaptive behaviour. There are just small differences with regard to perceived self-efficacy and responsibility, offering entry points for tailored risk communication and support to improve property-level adaptation. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.5194/nhess-22-165-2022 SN - 1561-8633 SN - 1684-9981 VL - 22 IS - 1 SP - 165 EP - 185 PB - Copernicus CY - Göttingen ER - TY - JOUR A1 - Liu, Sibiao A1 - Sobolev, Stephan A1 - Babeyko, Andrey A1 - Pons, Michaël T1 - Controls of the foreland deformation pattern in the orogen-foreland shortening system BT - constraints from high-resolution geodynamic models JF - Tectonics N2 - Controls on the deformation pattern (shortening mode and tectonic style) of orogenic forelands during lithospheric shortening remain poorly understood. Here, we use high-resolution 2D thermomechanical models to demonstrate that orogenic crustal thickness and foreland lithospheric thickness significantly control the shortening mode in the foreland. Pure-shear shortening occurs when the orogenic crust is not thicker than the foreland crust or thick, but the foreland lithosphere is thin (<70-80 km, as in the Puna foreland case). Conversely, simple-shear shortening, characterized by foreland underthrusting beneath the orogen, arises when the orogenic crust is much thicker. This thickened crust results in high gravitational potential energy in the orogen, which triggers the migration of deformation to the foreland under further shortening. Our models present fully thick-skinned, fully thin-skinned, and intermediate tectonic styles in the foreland. The first tectonics forms in a pure-shear shortening mode whereas the others require a simple-shear mode and the presence of thick (>similar to 4 km) sediments that are mechanically weak (friction coefficient 0) was double of that in steady state conditions. However, high heterogeneous domains resulted in outliers where chemical discharge could be as high as 10-20 times of that in steady state conditions in high flow periods. And in transport dominated systems (log(10)Da < 0), the chemical discharge could be half of that in steady state conditions in unusually low flow conditions. In conclusion, ignoring spatio-temporal heterogeneities in a numerical modeling approach may exacerbate inaccurate estimation of nutrient export and microbial biomass. The results are relevant to long-term field monitoring studies, and for homogeneous soil column-scale experiments investigating the role of temporal dynamics on microbial redox dynamics. KW - reactive transport modeling KW - spatio-temporal heterogeneity KW - uncertainty KW - geomicrobial activity KW - nutrient export Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3389/frwa.2022.780297 SN - 2624-9375 VL - 4 PB - Frontiers Media CY - Lausanne ER - TY - JOUR A1 - Zhu, Chuanbin A1 - Cotton, Fabrice A1 - Kawase, Hiroshi A1 - Händel, Annabel A1 - Pilz, Marco A1 - Nakano, Kenichi T1 - How well can we predict earthquake site response so far? BT - site-specific approaches JF - Earthquake spectra : the professional journal of the Earthquake Engineering Research Institute N2 - Earthquake site responses or site effects are the modifications of surface geology to seismic waves. How well can we predict the site effects (average over many earthquakes) at individual sites so far? To address this question, we tested and compared the effectiveness of different estimation techniques in predicting the outcrop Fourier site responses separated using the general inversion technique (GIT) from recordings. Techniques being evaluated are (a) the empirical correction to the horizontal-to-vertical spectral ratio of earthquakes (c-HVSR), (b) one-dimensional ground response analysis (GRA), and (c) the square-root-impedance (SRI) method (also called the quarter-wavelength approach). Our results show that c-HVSR can capture significantly more site-specific features in site responses than both GRA and SRI in the aggregate, especially at relatively high frequencies. c-HVSR achieves a "good match" in spectral shape at similar to 80%-90% of 145 testing sites, whereas GRA and SRI fail at most sites. GRA and SRI results have a high level of parametric and/or modeling errors which can be constrained, to some extent, by collecting on-site recordings. KW - Site response KW - site effects KW - HVSR KW - ground response analysis KW - square-root-impedance KW - earthquake Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1177/87552930211060859 SN - 8755-2930 SN - 1944-8201 VL - 38 IS - 2 SP - 1047 EP - 1075 PB - Sage Publ. CY - Thousand Oaks ER - TY - JOUR A1 - Spooner, Cameron A1 - Scheck-Wenderoth, Magdalena A1 - Cacace, Mauro A1 - Anikiev, Denis T1 - How Alpine seismicity relates to lithospheric strength JF - International journal of earth sciences N2 - Despite the amount of research focussed on the Alpine orogen, different hypotheses still exist regarding varying spatial seismicity distribution patterns throughout the region. Previous measurement-constrained regional 3D models of lithospheric density distribution and thermal field facilitate the generation of a data-based rheological model of the region. In this study, we compute the long-term lithospheric strength and compare its spatial variation to observed seismicity patterns. We demonstrate how strength maxima within the crust (similar to 1 GPa) and upper mantle (> 2 GPa) occur at temperatures characteristic of the onset of crystal plasticity in those rocks (crust: 200-400 degrees C; mantle: similar to 600 degrees C), with almost all seismicity occurring in these regions. Correlation in the northern and southern forelands between crustal and lithospheric strengths and seismicity show different patterns of event distribution, reflecting their different tectonic settings. Seismicity in the plate boundary setting of the southern foreland corresponds to the integrated lithospheric strength, occurring mainly in the weaker domains surrounding the strong Adriatic plate. In the intraplate setting of the northern foreland, seismicity correlates to modelled crustal strength, and it mainly occurs in the weaker and warmer crust beneath the Upper Rhine Graben. We, therefore, suggest that seismicity in the upper crust is linked to weak crustal domains, which are more prone to localise deformation promoting failure and, depending on the local properties of the fault, earthquakes at relatively lower levels of accumulated stress than their neighbouring stronger counterparts. Upper mantle seismicity at depths greater than modelled brittle conditions, can be either explained by embrittlement of the mantle due to grain-size sensitive deformation within domains of active or recent slab cooling, or by dissipative weakening mechanisms, such as thermal runaway from shear heating and/or dehydration reactions within an overly ductile mantle. Results generated in this study are available for open access use to further discussions on the region. KW - lithosphere KW - strength KW - rheology KW - 3D-Model KW - Alps KW - seismicity Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1007/s00531-022-02174-5 SN - 1437-3254 SN - 1437-3262 VL - 111 IS - 4 SP - 1201 EP - 1221 PB - Springer CY - Berlin ; Heidelberg ER - TY - JOUR A1 - Guzman Arias, Diego Alejandro A1 - Samprogna Mohor, Guilherme A1 - Mendiondo, Eduardo Mario T1 - Multi-driver ensemble to evaluate the water utility business interruption cost induced by hydrological drought risk scenarios in Brazil JF - Urban water journal N2 - Climate change and increasing water demand in urban environments necessitate planning water utility companies' finances. Traditionally, methods to estimate the direct water utility business interruption costs (WUBIC) caused by droughts have not been clearly established. We propose a multi-driver assessment method. We project the water yield using a hydrological model driven by regional climate models under radiative forcing scenarios. We project water demand under stationary and non-stationary conditions to estimate drought severity and duration, which are linked with pricing policies recently adopted by the Sao Paulo Water Utility Company. The results showed water insecurity. The non-stationary trend imposed larger differences in the drought resilience financial gap, suggesting that the uncertainties of WUBIC derived from demand and climate models are greater than those associated with radiative forcing scenarios. As populations increase, proactively controlling demand is recommended to avoid or minimize reactive policy changes during future drought events, repeating recent financial impacts. KW - Business interruption cost KW - water utility company KW - hydrological KW - droughts KW - water security KW - urban water KW - climate change Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1080/1573062X.2022.2058564 SN - 1573-062X SN - 1744-9006 PB - Routledge, Taylor & Francis Group CY - Abingdon ER - TY - JOUR A1 - Siegmund, Nicole A1 - Panebianco, Juan E. A1 - Avecilla, Fernando A1 - Iturri, Laura Antonela A1 - Sommer, Michael A1 - Buschiazzo, Daniel A1 - Funk, Roger T1 - From gustiness to dustiness BT - the impact of wind gusts on particulate matter emissions in field experiments in La Pampa, Argentina JF - Atmosphere N2 - This study delivers the first empirical data-driven analysis of the impact of turbulence induced gustiness on the fine dust emissions from a measuring field. For quantification of the gust impact, a new measure, the Gust uptake Efficiency (GuE) is introduced. GuE provides a percentage of over- or under-proportional dust uptake due to gust activity during a wind event. For the three analyzed wind events, GuE values of up to 150% could be found, yet they significantly differed per particle size class with a tendency for lower values for smaller particles. In addition, a high-resolution correlation analysis among 31 particle size classes and wind speed was conducted; it revealed strong negative correlation coefficients for very small particles and positive correlations for bigger particles, where 5 mu m appears to be an empirical threshold dividing both directions. We conclude with a number of suggestions for further investigations: an optimized field experiment setup, a new particle size ratio (PM1/PM0.5 in addition to PM10/PM2.5), as well as a comprehensive data-driven search for an optimal wind gust definition in terms of soil erosivity. KW - wind gusts KW - wind erosion KW - particle uptake KW - dust plumes Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/atmos13081173 SN - 2073-4433 VL - 13 IS - 8 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Iturri, Laura Antonela A1 - Funk, Roger A1 - Sommer, Michael A1 - Buschiazzo, Daniel T1 - Transport preferences of P forms in wind-blown sediments of two susceptible soils JF - Aeolian research : an international journal on wind erosion research / International Society of Aeolian Research N2 - Wind erosion of agricultural soils affects their stock of essential elements for plants, like phosphorus (P). It is known that the composition of the eroded sediments varies with height, according to the size and density of the transported substances. Aim of this study was to analyze the concentration and enrichment ratios of P forms in sediments transported by the wind. A wind-tunnel study was performed on a sandy-and a sandy loam soil in order to measure P forms concentrations in the saltating sediments. P concentrations were also measured in the particulate matter (PM) of each soil, gained with the Easy Dust Generator. In both soils, inorganic-(Pi) and organic P (Po) were preferentially transported in PM, with enrichment ratios of 1.8 and 5.5, respectively. Nevertheless, a Pi/Po of 0.9 indicated that the accumulation of the minor Po in PM was more pronounced than Pi. This agrees with P-rich light and easily erodible organic compounds, almost exclusively accumulated in PM, and in relatively heavy and less erodible minerals, like apatites, in lower height sediments. Labile P (Pl) was preferentially transported in saltating sediments of both soils. This was attributed to the selective Bray & Kurtz I's extraction of the abundant inorganic P forms of these sediments. Total P (Pt) copied the transport trends of Pi, the major form. According to the transporting trends, Pi and Po would be re-sedimented at longer distances from the source than Pl. Outcomes become useful for modeling the influence of wind erosion on P cycling. KW - Nutrient KW - Soil fertility KW - Wind erosion KW - Semiarid KW - Wind tunnel Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2022.100776 SN - 1875-9637 VL - 55 PB - Elsevier CY - Amsterdam [u.a.] ER - TY - JOUR A1 - Hoan, Tran Viet A1 - Richter, Karl-Gerd A1 - Borsig, Nicolas A1 - Bauer, Jonas A1 - Ha, Nguyen Thi A1 - Norra, Stefan T1 - An improved groundwater model framework for aquifer structures of the quaternary-formed sediment body in the southernmost parts of the Mekong Delta, Vietnam JF - Hydrology : open access journal N2 - The Ca Mau peninsula (CMP) is a key economic region in southern Vietnam. In recent decades, the high demand for water has increased the exploitation of groundwater, thus lowering the groundwater level and leading to risks of degradation, depletion, and land subsidence, as well as salinity intrusion in the groundwater of the whole Mekong Delta region. By using a finite element groundwater model with boundary expansion to the sea, we updated the latest data on hydrogeological profiles, groundwater levels, and exploitation. The basic model setup covers seven aquifers and seven aquitards. It is determined that the inflow along the coastline to the mainland is 39% of the total inflow. The exploitation of the study area in 2019 was 567,364 m(3)/day. The most exploited aquifers are the upper-middle Pleistocene (qp(2-3)) and the middle Pliocene (n(2)(2)), accounting for 63.7% and 24.6%, respectively; the least exploited aquifers are the upper Pleistocene and the upper Miocene, accounting for 0.35% and 0.02%, respectively. In the deeper aquifers, qp(2-3) and n(2)(2), the change in storage is negative due to the high exploitation rate, leading to a decline in the reserves of these aquifers. These groundwater model results are the calculations of groundwater reserves from the coast to the mainland in the entire system of aquifers in the CMP. This makes groundwater decision managers, stakeholders, and others more efficient in sustainable water resources planning in the CMP and Mekong Delta (MKD). KW - groundwater modeling KW - hydrogeology KW - aquifers system KW - water balance; KW - validation of model KW - Ca Mau peninsula KW - Kien Giang KW - Soc Trang KW - Hau Giang KW - Bac Lieu Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/hydrology9040061 SN - 2306-5338 VL - 9 IS - 4 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Smith, Adam G. G. A1 - Fox, Matthew A1 - Schwanghart, Wolfgang A1 - Carter, Andrew T1 - Comparing methods for calculating channel steepness index JF - Earth science reviews : the international geological journal bridging the gap between research articles and textbooks N2 - Channel steepness index, k(s), is a metric derived from the stream power model that, under certain conditions, scales with relative rock uplift rate. Channel steepness index is a property of rivers, which can be relatively easily extracted from digital elevation models (DEMs). As DEM data sets are widely available for Earth and are becoming more readily available for other planetary bodies, channel steepness index represents a powerful tool for interpreting tectonic processes. However, multiple approaches to calculate channel steepness index exist. From this several important questions arise; does choice of approach change the values of channel steepness index, can values be so different that choice of approach can influence the findings of a study, and are certain approaches better than others? With the aid of a synthetic river profile and a case study from the Sierra Nevada, California, we show that values of channel steepness index vary over orders of magnitude according to the methodology used in the calculation. We explore the limitations, advantages and disadvantages of the key approaches to calculating channel steepness index, and find that choosing an appropriate approach relies on the context of a study. Given these observations, it is important that authors acknowledge the methodology used to calculate channel steepness index, to ensure that results can be contextualised and reproduced. KW - Channel steepness index KW - Fluvial geomorphology KW - Rivers KW - Tectonics KW - Geomorphology KW - Digital elevation models KW - Sierra nevada Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2022.103970 SN - 0012-8252 SN - 1872-6828 VL - 227 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - THES A1 - Schumacher, Juliane T1 - Die Regierung des Waldes BT - Klimawandel, Kohlenstoffmärkte und neoliberale Naturen in Marokko T2 - Sozial- und Kulturgeographie N2 - Wie verändert sich die Beziehung von Gesellschaften zu ihrer natürlichen Umgebung über die Zeit? Wie werden natürliche Systeme »in Wert« gesetzt? Und welchen Einfluss hat das auf die von uns so bezeichnete »Natur«? Am Beispiel eines Korkeichenwaldes in Marokko geht Juliane Schumacher diesen Fragen nach. Unter Bezugnahme auf Ansätze der Politischen Ökologie, der Science and Technology Studies und Foucaults Gouvernementalitätsanalyse zeigt sie, wie sich seit der Kolonialzeit die Bewirtschaftung des Waldes verändert hat. Dabei wird deutlich, wie Programme zur Integration der Wälder in globale Finanz- und Kohlenstoffmärkte zu neuen, experimentellen Formen der »Regierung des Waldes« führen. KW - Politische Ökologie KW - Nordafrika KW - Wald KW - Klimawandel KW - Neoliberale Natur KW - Science and Technology Studies KW - Gouvernementalität Y1 - 2022 SN - 978-3-8376-6151-4 SN - 978-3-8394-6151-8 U6 - https://doi.org/10.1515/9783839461518 SN - 2703-1640 SN - 2703-1659 IS - 50 PB - transcript CY - Bielefeld ER - TY - JOUR A1 - Kong, Xiangzhen A1 - Ghaffar, Salman A1 - Determann, Maria A1 - Friese, Kurt A1 - Jomaa, Seifeddine A1 - Mi, Chenxi A1 - Shatwell, Tom A1 - Rinke, Karsten A1 - Rode, Michael T1 - Reservoir water quality deterioration due to deforestation emphasizes the indirect effects of global change JF - Water research : a journal of the International Association on Water Quality (IAWQ) N2 - Deforestation is currently a widespread phenomenon and a growing environmental concern in the era of rapid climate change. In temperate regions, it is challenging to quantify the impacts of deforestation on the catchment dynamics and downstream aquatic ecosystems such as reservoirs and disentangle these from direct climate change impacts, let alone project future changes to inform management. Here, we tackled this issue by investigating a unique catchment-reservoir system with two reservoirs in distinct trophic states (meso- and eutrophic), both of which drain into the largest drinking water reservoir in Germany. Due to the prolonged droughts in 2015-2018, the catchment of the mesotrophic reservoir lost an unprecedented area of forest (exponential increase since 2015 and ca. 17.1% loss in 2020 alone). We coupled catchment nutrient exports (HYPE) and reservoir ecosystem dynamics (GOTM-WET) models using a process-based modeling approach. The coupled model was validated with datasets spanning periods of rapid deforestation, which makes our future projections highly robust. Results show that in a short-term time scale (by 2035), increasing nutrient flux from the catchment due to vast deforestation (80% loss) can turn the mesotrophic reservoir into a eutrophic state as its counterpart. Our results emphasize the more prominent impacts of deforestation than the direct impact of climate warming in impairment of water quality and ecological services to downstream aquatic ecosystems. Therefore, we propose to evaluate the impact of climate change on temperate reservoirs by incorporating a time scale-dependent context, highlighting the indirect impact of deforestation in the short-term scale. In the long-term scale (e.g. to 2100), a guiding hypothesis for future research may be that indirect effects (e.g., as mediated by catchment dynamics) are as important as the direct effects of climate warming on aquatic ecosystems. KW - deforestation KW - climate change KW - temperate regions KW - reservoir KW - eutrophication KW - process-based modeling Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118721 SN - 0043-1354 SN - 1879-2448 VL - 221 PB - Elsevier Science CY - Amsterdam [u.a.] ER - TY - THES A1 - Kemter, Matthias T1 - River floods in a changing world T1 - Flusshochwasser in einer sich ändernden Welt N2 - River floods are among the most devastating natural hazards worldwide. As their generation is highly dependent on climatic conditions, their magnitude and frequency are projected to be affected by future climate change. Therefore, it is crucial to study the ways in which a changing climate will, and already has, influenced flood generation, and thereby flood hazard. Additionally, it is important to understand how other human influences - specifically altered land cover - affect flood hazard at the catchment scale. The ways in which flood generation is influenced by climatic and land cover conditions differ substantially in different regions. The spatial variability of these effects needs to be taken into account by using consistent datasets across large scales as well as applying methods that can reflect this heterogeneity. Therefore, in the first study of this cumulative thesis a complex network approach is used to find 10 clusters of similar flood behavior among 4390 catchments in the conterminous United States. By using a consistent set of 31 hydro-climatological and land cover variables, and training a separate Random Forest model for each of the clusters, the regional controls on flood magnitude trends between 1960-2010 are detected. It is shown that changes in rainfall are the most important drivers of these trends, while they are regionally controlled by land cover conditions. While climate change is most commonly associated with flood magnitude trends, it has been shown to also influence flood timing. This can lead to trends in the size of the area across which floods occur simultaneously, the flood synchrony scale. The second study is an analysis of data from 3872 European streamflow gauges and shows that flood synchrony scales have increased in Western Europe and decreased in Eastern Europe. These changes are attributed to changes in flood generation, especially a decreasing relevance of snowmelt. Additionally, the analysis shows that both the absolute values and the trends of flood magnitudes and flood synchrony scales are positively correlated. If these trends persist in the future and are not accounted for, the combined increases of flood magnitudes and flood synchrony scales can exceed the capacities of disaster relief organizations and insurers. Hazard cascades are an additional way through which climate change can influence different aspects of flood hazard. The 2019/2020 wildfires in Australia, which were preceded by an unprecedented drought and extinguished by extreme rainfall that led to local flooding, present an opportunity to study the effects of multiple preceding hazards on flood hazard. All these hazards are individually affected by climate change, additionally complicating the interactions within the cascade. By estimating and analyzing the burn severity, rainfall magnitude, soil erosion and stream turbidity in differently affected tributaries of the Manning River catchment, the third study shows that even low magnitude floods can pose a substantial hazard within a cascade. This thesis shows that humanity is affecting flood hazard in multiple ways with spatially and temporarily varying consequences, many of which were previously neglected (e.g. flood synchrony scale, hazard cascades). To allow for informed decision making in risk management and climate change adaptation, it will be crucial to study these aspects across the globe and to project their trajectories into the future. The presented methods can depict the complex interactions of different flood drivers and their spatial variability, providing a basis for the assessment of future flood hazard changes. The role of land cover should be considered more in future flood risk modelling and management studies, while holistic, transferable frameworks for hazard cascade assessment will need to be designed. N2 - Flusshochwasser gehören zu den verheerendsten Naturkatastrophen weltweit. Ihre Entstehung hängt von klimatischen Bedingungen ab, weshalb vorhergesagt wird, dass sich ihre Magnituden und Häufigkeit durch den Klimawandel ändern werden. Daher ist es notwendig zu untersuchen, auf welche Art sich ein verändertes Klima - auch im Vergleich mit Effekten durch Landbedeckungsänderungen - auf Hochwasserentstehung und -gefahr auswirken könnte und das bereits getan hat. Diese kumulative Arbeit beleuchtet drei Teilaspekte dieses Themas. In der ersten Studie werden mittels maschinellen Lernens die wichtigsten Variablen entdeckt und untersucht, die die Änderungen von Hochwassermagnituden in 4390 Einzugsgebieten in den USA von 1960-2010 kontrolliert haben. Es wird gezeigt, dass Änderungen der Regenmengen der entscheidende Faktor waren, während Landnutzung regional von großer Bedeutung war. Die zweite Studie untersucht von 1960-2010 Änderungen in der Distanz innerhalb welcher Hochwasser in verschiedenen Flüssen gleichzeitig auftreten. Daten von 3872 europäischen Flusspegeln zeigen, dass sich die Fläche der gleichzeitigen Überflutung in Westeuropa vergrößert und in Osteuropa verkleinert hat, was auf abnehmende Relevanz der Schneeschmelze bei der Hochwasserentstehung zurückzuführen ist. Die dritte Studie behandelt die Auswirkungen kaskadierender Naturkatastrophen auf Hochwasser am Beispiel der australischen Waldbrände 2019/2020. Die Untersuchung der verschieden stark betroffenen Nebenflüsse des Manning River zeigt, dass in einer Naturgefahrenkaskade selbst gewöhnliche Hochwasser substantielle Auswirkungen haben können. Diese Arbeit zeigt, dass die Menschheit Hochwassergefahren auf verschiedene Arten und mit räumlich sowie zeitlich variablen Resultaten beeinflusst. Diese Aspekte müssen zukünftig global näher untersucht und ihre Entwicklung für die Zukunft modelliert werden, um fundierte Entscheidungen in Hochwasserschutz treffen zu können. Für Hochwassermagnituden und die Fläche gleichzeitiger Überflutung können hierfür die präsentierten Methoden adaptiert werden. KW - hydrology KW - climate change KW - flood KW - Hydrologie KW - Klimawandel KW - Hochwasser Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558564 ER - TY - JOUR A1 - Reinecke, Robert A1 - Trautmann, Tim A1 - Wagener, Thorsten A1 - Schüler, Katja T1 - The critical need to foster computational reproducibility JF - Environmental research letters KW - reproducibility KW - models KW - software KW - Open Science Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac5cf8 SN - 1748-9326 VL - 17 IS - 4 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Seleem, Omar A1 - Ayzel, Georgy A1 - Costa Tomaz de Souza, Arthur A1 - Bronstert, Axel A1 - Heistermann, Maik T1 - Towards urban flood susceptibility mapping using data-driven models in Berlin, Germany JF - Geomatics, natural hazards and risk N2 - Identifying urban pluvial flood-prone areas is necessary but the application of two-dimensional hydrodynamic models is limited to small areas. Data-driven models have been showing their ability to map flood susceptibility but their application in urban pluvial flooding is still rare. A flood inventory (4333 flooded locations) and 11 factors which potentially indicate an increased hazard for pluvial flooding were used to implement convolutional neural network (CNN), artificial neural network (ANN), random forest (RF) and support vector machine (SVM) to: (1) Map flood susceptibility in Berlin at 30, 10, 5, and 2 m spatial resolutions. (2) Evaluate the trained models' transferability in space. (3) Estimate the most useful factors for flood susceptibility mapping. The models' performance was validated using the Kappa, and the area under the receiver operating characteristic curve (AUC). The results indicated that all models perform very well (minimum AUC = 0.87 for the testing dataset). The RF models outperformed all other models at all spatial resolutions and the RF model at 2 m spatial resolution was superior for the present flood inventory and predictor variables. The majority of the models had a moderate performance for predictions outside the training area based on Kappa evaluation (minimum AUC = 0.8). Aspect and altitude were the most influencing factors on the image-based and point-based models respectively. Data-driven models can be a reliable tool for urban pluvial flood susceptibility mapping wherever a reliable flood inventory is available. KW - Urban pluvial flood susceptibility KW - convolutional neural network KW - deep KW - learning KW - random forest KW - support vector machine KW - spatial resolution; KW - flood predictors Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1080/19475705.2022.2097131 SN - 1947-5705 SN - 1947-5713 VL - 13 IS - 1 SP - 1640 EP - 1662 PB - Taylor & Francis CY - London ER - TY - JOUR A1 - Mtilatila, Lucy Mphatso Ng'ombe A1 - Bronstert, Axel A1 - Vormoor, Klaus Josef T1 - Temporal evaluation and projections of meteorological droughts in the Greater Lake Malawi Basin, Southeast Africa JF - Frontiers in water N2 - The study examined the potential future changes of drought characteristics in the Greater Lake Malawi Basin in Southeast Africa. This region strongly depends on water resources to generate electricity and food. Future projections (considering both moderate and high emission scenarios) of temperature and precipitation from an ensemble of 16 bias-corrected climate model combinations were blended with a scenario-neutral response surface approach to analyses changes in: (i) the meteorological conditions, (ii) the meteorological water balance, and (iii) selected drought characteristics such as drought intensity, drought months, and drought events, which were derived from the Standardized Precipitation and Evapotranspiration Index. Changes were analyzed for a near-term (2021-2050) and far-term period (2071-2100) with reference to 1976-2005. The effect of bias-correction (i.e., empirical quantile mapping) on the ability of the climate model ensemble to reproduce observed drought characteristics as compared to raw climate projections was also investigated. Results suggest that the bias-correction improves the climate models in terms of reproducing temperature and precipitation statistics but not drought characteristics. Still, despite the differences in the internal structures and uncertainties that exist among the climate models, they all agree on an increase of meteorological droughts in the future in terms of higher drought intensity and longer events. Drought intensity is projected to increase between +25 and +50% during 2021-2050 and between +131 and +388% during 2071-2100. This translates into +3 to +5, and +7 to +8 more drought months per year during both periods, respectively. With longer lasting drought events, the number of drought events decreases. Projected droughts based on the high emission scenario are 1.7 times more severe than droughts based on the moderate scenario. That means that droughts in this region will likely become more severe in the coming decades. Despite the inherent high uncertainties of climate projections, the results provide a basis in planning and (water-)managing activities for climate change adaptation measures in Malawi. This is of particular relevance for water management issues referring hydro power generation and food production, both for rain-fed and irrigated agriculture. KW - meteorological drought KW - drought intensity KW - climate change KW - drought KW - events KW - Lake Malawi KW - Shire River KW - drought projections KW - South-Eastern KW - Africa Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3389/frwa.2022.1041452 SN - 2624-9375 VL - 4 PB - Frontiers Media CY - Lausanne ER - TY - JOUR A1 - Wagener, Thorsten A1 - Reinecke, Robert A1 - Pianosi, Francesca T1 - On the evaluation of climate change impact models JF - Wiley interdisciplinary reviews : Climate change N2 - In-depth understanding of the potential implications of climate change is required to guide decision- and policy-makers when developing adaptation strategies and designing infrastructure suitable for future conditions. Impact models that translate potential future climate conditions into variables of interest are needed to create the causal connection between a changing climate and its impact for different sectors. Recent surveys suggest that the primary strategy for validating such models (and hence for justifying their use) heavily relies on assessing the accuracy of model simulations by comparing them against historical observations. We argue that such a comparison is necessary and valuable, but not sufficient to achieve a comprehensive evaluation of climate change impact models. We believe that a complementary, largely observation-independent, step of model evaluation is needed to ensure more transparency of model behavior and greater robustness of scenario-based analyses. This step should address the following four questions: (1) Do modeled dominant process controls match our system perception? (2) Is my model's sensitivity to changing forcing as expected? (3) Do modeled decision levers show adequate influence? (4) Can we attribute uncertainty sources throughout the projection horizon? We believe that global sensitivity analysis, with its ability to investigate a model's response to joint variations of multiple inputs in a structured way, offers a coherent approach to address all four questions comprehensively. Such additional model evaluation would strengthen stakeholder confidence in model projections and, therefore, into the adaptation strategies derived with the help of impact models. This article is categorized under: Climate Models and Modeling > Knowledge Generation with Models Assessing Impacts of Climate Change > Evaluating Future Impacts of Climate Change KW - adaptation KW - sensitivity analysis KW - uncertainty KW - validation Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1002/wcc.772 SN - 1757-7780 SN - 1757-7799 VL - 13 IS - 3 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Mtilatila, Lucy Mphatso Ng'ombe A1 - Bronstert, Axel A1 - Vormoor, Klaus Josef T1 - Temporal evaluation and projections of meteorological droughts in the Greater Lake Malawi Basin, Southeast Africa JF - Frontiers in Water N2 - The study examined the potential future changes of drought characteristics in the Greater Lake Malawi Basin in Southeast Africa. This region strongly depends on water resources to generate electricity and food. Future projections (considering both moderate and high emission scenarios) of temperature and precipitation from an ensemble of 16 bias-corrected climate model combinations were blended with a scenario-neutral response surface approach to analyses changes in: (i) the meteorological conditions, (ii) the meteorological water balance, and (iii) selected drought characteristics such as drought intensity, drought months, and drought events, which were derived from the Standardized Precipitation and Evapotranspiration Index. Changes were analyzed for a near-term (2021–2050) and far-term period (2071–2100) with reference to 1976–2005. The effect of bias-correction (i.e., empirical quantile mapping) on the ability of the climate model ensemble to reproduce observed drought characteristics as compared to raw climate projections was also investigated. Results suggest that the bias-correction improves the climate models in terms of reproducing temperature and precipitation statistics but not drought characteristics. Still, despite the differences in the internal structures and uncertainties that exist among the climate models, they all agree on an increase of meteorological droughts in the future in terms of higher drought intensity and longer events. Drought intensity is projected to increase between +25 and +50% during 2021–2050 and between +131 and +388% during 2071–2100. This translates into +3 to +5, and +7 to +8 more drought months per year during both periods, respectively. With longer lasting drought events, the number of drought events decreases. Projected droughts based on the high emission scenario are 1.7 times more severe than droughts based on the moderate scenario. That means that droughts in this region will likely become more severe in the coming decades. Despite the inherent high uncertainties of climate projections, the results provide a basis in planning and (water-)managing activities for climate change adaptation measures in Malawi. This is of particular relevance for water management issues referring hydro power generation and food production, both for rain-fed and irrigated agriculture. KW - meteorological drought KW - drought intensity KW - climate change KW - drought events KW - Lake Malawi KW - Shire River KW - drought projections KW - South-Eastern Africa Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3389/frwa.2022.1041452 SN - 2624-9375 SP - 1 EP - 16 PB - Frontiers Media S.A. CY - Lausanne, Schweiz ER - TY - JOUR A1 - Bryant, Seth A1 - McGrath, Heather A1 - Boudreault, Mathieu T1 - Gridded flood depth estimates from satellite-derived inundations JF - Natural hazards and earth system sciences N2 - Canada's RADARSAT missions improve the potential to study past flood events; however, existing tools to derive flood depths from this remote-sensing data do not correct for errors, leading to poor estimates. To provide more accurate gridded depth estimates of historical flooding, a new tool is proposed that integrates Height Above Nearest Drainage and Cost Allocation algorithms. This tool is tested against two trusted, hydraulically derived, gridded depths of recent floods in Canada. This validation shows the proposed tool outperforms existing tools and can provide more accurate estimates from minimal data without the need for complex physics-based models or expert judgement. With improvements in remote-sensing data, the tool proposed here can provide flood researchers and emergency managers accurate depths in near-real time. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.5194/nhess-22-1437-2022 SN - 1561-8633 SN - 1684-9981 VL - 22 IS - 4 SP - 1437 EP - 1450 PB - European Geophysical Society CY - Katlenburg-Lindau ER - TY - JOUR A1 - Kühn, Elisabeth A1 - Becker, Marc A1 - Harpke, Alexander A1 - Kühn, Ingolf A1 - Kuhlicke, Christian A1 - Schmitt, Thomas A1 - Settele, Josef A1 - Musche, Martin T1 - The benefits of counting butterflies: recommendations for a successful citizen science project JF - Ecology and Society N2 - Citizen science (CS) projects, being popular across many fields of science, have recently also become a popular tool to collect biodiversity data. Although the benefits of such projects for science and policy making are well understood, relatively little is known about the benefits participants get from these projects as well as their personal backgrounds and motivations. Furthermore, very little is known about their expectations. We here examine these aspects, with the citizen science project "German Butterfly Monitoring" as an example. A questionnaire was sent to all participants of the project and the responses to the questionnaire indicated the following: center dot Most transect walkers do not have a professional background in this field, though they do have a high educational level, and are close to retirement, with a high number of females; center dot An important motivation to join the project is to preserve the natural environment and to contribute to scientific knowledge; center dot Participants benefit by enhancing their knowledge about butterflies and especially their ability to identify different species (taxonomic knowledge); center dot Participants do not have specific expectations regarding the project beyond proper management and coordination, but have an intrinsic sense of working for a greater good. The willingness to join a project is higher if the project contributes to the solution of a problem discussed in the media (here, insect decline). Based on our findings from the analysis of the questionnaire we can derive a set of recommendations for establishing a successful CS project. These include the importance of good communication, e.g., by explaining what the (scientific) purpose of the project is and what problems are to be solved with the help of the data collected in the project. The motivation to join a CS project is mostly intrinsic and CS is a good tool to engage people during difficult times such as the COVID-19 pandemic, giving participants the feeling of doing something useful. KW - COVID-19 pandemic KW - gender gap KW - insect decline KW - intrinsic motivation KW - monitoring Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.5751/ES-12861-270238 SN - 1708-3087 VL - 27 IS - 2 PB - Resilience Alliance CY - Wolfville ER - TY - GEN A1 - Mtilatila, Lucy Mphatso Ng'ombe A1 - Bronstert, Axel A1 - Vormoor, Klaus Josef T1 - Temporal evaluation and projections of meteorological droughts in the Greater Lake Malawi Basin, Southeast Africa T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The study examined the potential future changes of drought characteristics in the Greater Lake Malawi Basin in Southeast Africa. This region strongly depends on water resources to generate electricity and food. Future projections (considering both moderate and high emission scenarios) of temperature and precipitation from an ensemble of 16 bias-corrected climate model combinations were blended with a scenario-neutral response surface approach to analyses changes in: (i) the meteorological conditions, (ii) the meteorological water balance, and (iii) selected drought characteristics such as drought intensity, drought months, and drought events, which were derived from the Standardized Precipitation and Evapotranspiration Index. Changes were analyzed for a near-term (2021–2050) and far-term period (2071–2100) with reference to 1976–2005. The effect of bias-correction (i.e., empirical quantile mapping) on the ability of the climate model ensemble to reproduce observed drought characteristics as compared to raw climate projections was also investigated. Results suggest that the bias-correction improves the climate models in terms of reproducing temperature and precipitation statistics but not drought characteristics. Still, despite the differences in the internal structures and uncertainties that exist among the climate models, they all agree on an increase of meteorological droughts in the future in terms of higher drought intensity and longer events. Drought intensity is projected to increase between +25 and +50% during 2021–2050 and between +131 and +388% during 2071–2100. This translates into +3 to +5, and +7 to +8 more drought months per year during both periods, respectively. With longer lasting drought events, the number of drought events decreases. Projected droughts based on the high emission scenario are 1.7 times more severe than droughts based on the moderate scenario. That means that droughts in this region will likely become more severe in the coming decades. Despite the inherent high uncertainties of climate projections, the results provide a basis in planning and (water-)managing activities for climate change adaptation measures in Malawi. This is of particular relevance for water management issues referring hydro power generation and food production, both for rain-fed and irrigated agriculture. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1287 KW - meteorological drought KW - drought intensity KW - climate change KW - drought events KW - Lake Malawi KW - Shire River KW - drought projections KW - South-Eastern Africa Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-571284 SN - 1866-8372 IS - 1287 ER - TY - GEN A1 - Seleem, Omar A1 - Ayzel, Georgy A1 - Costa Tomaz de Souza, Arthur A1 - Bronstert, Axel A1 - Heistermann, Maik T1 - Towards urban flood susceptibility mapping using data-driven models in Berlin, Germany T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Identifying urban pluvial flood-prone areas is necessary but the application of two-dimensional hydrodynamic models is limited to small areas. Data-driven models have been showing their ability to map flood susceptibility but their application in urban pluvial flooding is still rare. A flood inventory (4333 flooded locations) and 11 factors which potentially indicate an increased hazard for pluvial flooding were used to implement convolutional neural network (CNN), artificial neural network (ANN), random forest (RF) and support vector machine (SVM) to: (1) Map flood susceptibility in Berlin at 30, 10, 5, and 2 m spatial resolutions. (2) Evaluate the trained models' transferability in space. (3) Estimate the most useful factors for flood susceptibility mapping. The models' performance was validated using the Kappa, and the area under the receiver operating characteristic curve (AUC). The results indicated that all models perform very well (minimum AUC = 0.87 for the testing dataset). The RF models outperformed all other models at all spatial resolutions and the RF model at 2 m spatial resolution was superior for the present flood inventory and predictor variables. The majority of the models had a moderate performance for predictions outside the training area based on Kappa evaluation (minimum AUC = 0.8). Aspect and altitude were the most influencing factors on the image-based and point-based models respectively. Data-driven models can be a reliable tool for urban pluvial flood susceptibility mapping wherever a reliable flood inventory is available. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1297 KW - Urban pluvial flood susceptibility KW - convolutional neural network KW - deep learning KW - random forest KW - support vector machine KW - spatial resolution KW - flood predictors Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-576806 SN - 1866-8372 IS - 1297 SP - 1640 EP - 1662 ER - TY - JOUR A1 - Yadav, Anshul A1 - Sen, Sumit A1 - Mao, Luca A1 - Schwanghart, Wolfgang T1 - Evaluation of flow resistance equations for high gradient rivers using geometric standard deviation of bed material JF - Journal of hydrology N2 - A dataset of 2184 field measurements reported in the literature was used to evaluate the predictive capability of eight conventional flow resistance equations to predict the mean flow velocity in gravel-bed rivers. The results reveal considerable disagreement with the observed flow velocities for relative submergence less than 4 and for the non-uniformity of the bed material greater than 7.5 for all the equations. However, the predictions made using the Smart and Jaggi (1983), Ferguson (2007), and Rickenmann and Recking (2011) equations were closer to the observed values. Furthermore, bedload sediment transport also reduces the predictive capability of the equations considered in this study except for the Recking et al. (2008) equation, which was developed consid- ering active bedload transport. The performance of flow resistance equations improves when corrected by considering the geometric standard deviation of the bed material. Here we present an empirical approach using the whole dataset and its subsets for accounting for the additional energy losses occurring due to the wake vortices, spill losses, and free surface instabilities occurring due to the protrusions from the bed. The results obtained using the validation dataset shows the importance and usefulness of this approach to account for the additional energy losses, especially for the Strickler (1923) and Keulegan (1938) equations. KW - Flow resistance KW - Relative submergence KW - Non-uniformity KW - Microtopography KW - Bedload sediment transport Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.127292 SN - 0022-1694 SN - 1879-2707 VL - 605 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Cai, Gaochao A1 - Tötzke, Christian A1 - Kaestner, Anders A1 - Ahmed, Mutez Ali T1 - Quantification of root water uptake and redistribution using neutron imaging: a review and future directions JF - The plant journal N2 - Quantifying root water uptake is essential to understanding plant water use and responses to different environmental conditions. However, non-destructive measurement of water transport and related hydraulics in the soil-root system remains a challenge. Neutron imaging, with its high sensitivity to hydrogen, has become an unparalleled tool to visualize and quantify root water uptake in vivo. In combination with isotopes (e.g., deuterated water) and a diffusion-convection model, root water uptake and hydraulic redistribution in root and soil can be quantified. Here, we review recent advances in utilizing neutron imaging to visualize and quantify root water uptake, hydraulic redistribution in roots and soil, and root hydraulic properties of different plant species. Under uniform soil moisture distributions, neutron radiographic studies have shown that water uptake was not uniform along the root and depended on both root type and age. For both tap (e.g., lupine [Lupinus albus L.]) and fibrous (e.g., maize [Zea mays L.]) root systems, water was mainly taken up through lateral roots. In mature maize, the location of water uptake shifted from seminal roots and their laterals to crown/nodal roots and their laterals. Under non-uniform soil moisture distributions, part of the water taken up during the daytime maintained the growth of crown/nodal roots in the upper, drier soil layers. Ultra-fast neutron tomography provides new insights into 3D water movement in soil and roots. We discuss the limitations of using neutron imaging and propose future directions to utilize neutron imaging to advance our understanding of root water uptake and soil-root interactions. KW - attenuation coefficient KW - convection KW - diffusion KW - radiography KW - root hydraulics KW - root water uptake KW - tomography Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1111/tpj.15839 SN - 0960-7412 SN - 1365-313X VL - 111 IS - 2 SP - 348 EP - 359 PB - Wiley-Blackwell CY - Oxford [u.a.] ER - TY - JOUR A1 - Schweppe, Robert A1 - Thober, Stephan A1 - Müller, Sebastian A1 - Kelbling, Matthias A1 - Kumar, Rohini A1 - Attinger, Sabine A1 - Samaniego, Luis T1 - MPR 1.0: a stand-alone multiscale parameter regionalization tool for improved parameter estimation of land surface models JF - Geoscientific model development : an interactive open access journal of the European Geosciences Union N2 - Distributed environmental models such as land surface models (LSMs) require model parameters in each spatial modeling unit (e.g., grid cell), thereby leading to a high-dimensional parameter space. One approach to decrease the dimensionality of the parameter space in these models is to use regularization techniques. One such highly efficient technique is the multiscale parameter regionalization (MPR) framework that translates high-resolution predictor variables (e.g., soil textural properties) into model parameters (e.g., porosity) via transfer functions (TFs) and upscaling operators that are suitable for every modeled process. This framework yields seamless model parameters at multiple scales and locations in an effective manner. However, integration of MPR into existing modeling workflows has been hindered thus far by hard-coded configurations and non-modular software designs. For these reasons, we redesigned MPR as a model-agnostic, stand-alone tool. It is a useful software for creating graphs of NetCDF variables, wherein each node is a variable and the links consist of TFs and/or upscaling operators. In this study, we present and verify our tool against a previous version, which was implemented in the mesoscale hydrologic model (mHM; https://www.ufz.de/mhm, last access: 16 January 2022). By using this tool for the generation of continental-scale soil hydraulic parameters applicable to different models (Noah-MP and HTESSEL), we showcase its general functionality and flexibility. Further, using model parameters estimated by the MPR tool leads to significant changes in long-term estimates of evapotranspiration, as compared to their default parameterizations. For example, a change of up to 25 % in long-term evapotranspiration flux is observed in Noah-MP and HTESSEL in the Mississippi River basin. We postulate that use of the stand-alone MPR tool will considerably increase the transparency and reproducibility of the parameter estimation process in distributed (environmental) models. It will also allow a rigorous uncertainty estimation related to the errors of the predictors (e.g., soil texture fields), transfer function and its parameters, and remapping (or upscaling) algorithms. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.5194/gmd-15-859-2022 SN - 1991-959X SN - 1991-9603 VL - 15 IS - 2 SP - 859 EP - 882 PB - Copernicus CY - Göttingen ER - TY - JOUR A1 - Funk, Roger A1 - Busse, Jaqueline A1 - Siegmund, Nicole A1 - Sommer, Michael A1 - Iturri, Laura Antonela A1 - Panebianco, Juan E. A1 - Avecilla, Fernando A1 - Buschiazzo, Daniel T1 - Phytoliths in particulate matter released by wind erosion on arable land in La Pampa, Argentina JF - Frontiers in environmental science N2 - Silicon (Si) is considered a beneficial element in plant nutrition, but its importance on ecosystems goes far beyond that. Various forms of silicon are found in soils, of which the phytogenic pool plays a decisive role due to its good availability. This Si returns to the soil through the decomposition of plant residues, where they then participate in the further cycle as biogenic amorphous silica (bASi) or so-called phytoliths. These have a high affinity for water, so that the water holding capacity and water availability of soils can be increased even by small amounts of ASi. Agricultural land is a considerable global dust source, and dust samples from arable land have shown in cloud formation experiments a several times higher ice nucleation activity than pure mineral dust. Here, particle sizes in the particulate matter fractions (PM) are important, which can travel long distances and reach high altitudes in the atmosphere. Based on this, the research question was whether phytoliths could be detected in PM samples from wind erosion events, what are the main particle sizes of phytoliths and whether an initial quantification was possible.Measurements of PM concentrations were carried out at a wind erosion measuring field in the province La Pampa, Argentina. PM were sampled during five erosion events with Environmental Dust Monitors (EDM). After counting and classifying all particles with diameters between 0.3 and 32 mu m in the EDMs, they are collected on filters. The filters were analyzed by Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive X-Ray analysis (SEM-EDX) to investigate single or ensembles of particles regarding composition and possible origins.The analyses showed up to 8.3 per cent being phytoliths in the emitted dust and up to 25 per cent of organic origin. Particles of organic origin are mostly in the coarse dust fraction, whereas phytoliths are predominately transported in the finer dust fractions. Since phytoliths are both an important source of Si as a plant nutrient and are also involved in soil C fixation, their losses from arable land via dust emissions should be considered and its specific influence on atmospheric processes should be studied in detail in the future. KW - dust KW - dust composition KW - particulate matter KW - scanning electron microscope KW - (SEM) analysis KW - phytolith Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3389/fenvs.2022.969898 SN - 2296-665X VL - 10 PB - Frontiers Media CY - Lausanne ER - TY - JOUR A1 - Francke, Till A1 - Heistermann, Maik A1 - Köhli, Markus A1 - Budach, Christian A1 - Schrön, Martin A1 - Oswald, Sascha T1 - Assessing the feasibility of a directional cosmic-ray neutron sensing sensor for estimating soil moisture JF - Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems N2 - Cosmic-ray neutron sensing (CRNS) is a non-invasive tool for measuring hydrogen pools such as soil moisture, snow or vegetation. The intrinsic integration over a radial hectare-scale footprint is a clear advantage for averaging out small-scale heterogeneity, but on the other hand the data may become hard to interpret in complex terrain with patchy land use. This study presents a directional shielding approach to prevent neutrons from certain angles from being counted while counting neutrons entering the detector from other angles and explores its potential to gain a sharper horizontal view on the surrounding soil moisture distribution. Using the Monte Carlo code URANOS (Ultra Rapid Neutron-Only Simulation), we modelled the effect of additional polyethylene shields on the horizontal field of view and assessed its impact on the epithermal count rate, propagated uncertainties and aggregation time. The results demonstrate that directional CRNS measurements are strongly dominated by isotropic neutron transport, which dilutes the signal of the targeted direction especially from the far field. For typical count rates of customary CRNS stations, directional shielding of half-spaces could not lead to acceptable precision at a daily time resolution. However, the mere statistical distinction of two rates should be feasible. KW - water-balance KW - quantification KW - calibration KW - validation Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.5194/gi-11-75-2022 SN - 2193-0864 SN - 2193-0856 VL - 11 SP - 75 EP - 92 PB - Copernicus Publ. CY - Göttingen ER - TY - JOUR A1 - Agarwal, Ankit A1 - Guntu, Ravikumar A1 - Banerjee, Abhirup A1 - Gadhawe, Mayuri Ashokrao A1 - Marwan, Norbert T1 - A complex network approach to study the extreme precipitation patterns in a river basin JF - Chaos : an interdisciplinary journal of nonlinear science N2 - The quantification of spatial propagation of extreme precipitation events is vital in water resources planning and disaster mitigation. However, quantifying these extreme events has always been challenging as many traditional methods are insufficient to capture the nonlinear interrelationships between extreme event time series. Therefore, it is crucial to develop suitable methods for analyzing the dynamics of extreme events over a river basin with a diverse climate and complicated topography. Over the last decade, complex network analysis emerged as a powerful tool to study the intricate spatiotemporal relationship between many variables in a compact way. In this study, we employ two nonlinear concepts of event synchronization and edit distance to investigate the extreme precipitation pattern in the Ganga river basin. We use the network degree to understand the spatial synchronization pattern of extreme rainfall and identify essential sites in the river basin with respect to potential prediction skills. The study also attempts to quantify the influence of precipitation seasonality and topography on extreme events. The findings of the study reveal that (1) the network degree is decreased in the southwest to northwest direction, (2) the timing of 50th percentile precipitation within a year influences the spatial distribution of degree, (3) the timing is inversely related to elevation, and (4) the lower elevation greatly influences connectivity of the sites. The study highlights that edit distance could be a promising alternative to analyze event-like data by incorporating event time and amplitude and constructing complex networks of climate extremes. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1063/5.0072520 SN - 1054-1500 SN - 1089-7682 VL - 32 IS - 1 PB - American Institute of Physics CY - Woodbury, NY ER - TY - GEN A1 - Francke, Till A1 - Heistermann, Maik A1 - Köhli, Markus A1 - Budach, Christian A1 - Schrön, Martin A1 - Oswald, Sascha T1 - Assessing the feasibility of a directional cosmic-ray neutron sensing sensor for estimating soil moisture T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Cosmic-ray neutron sensing (CRNS) is a non-invasive tool for measuring hydrogen pools such as soil moisture, snow or vegetation. The intrinsic integration over a radial hectare-scale footprint is a clear advantage for averaging out small-scale heterogeneity, but on the other hand the data may become hard to interpret in complex terrain with patchy land use. This study presents a directional shielding approach to prevent neutrons from certain angles from being counted while counting neutrons entering the detector from other angles and explores its potential to gain a sharper horizontal view on the surrounding soil moisture distribution. Using the Monte Carlo code URANOS (Ultra Rapid Neutron-Only Simulation), we modelled the effect of additional polyethylene shields on the horizontal field of view and assessed its impact on the epithermal count rate, propagated uncertainties and aggregation time. The results demonstrate that directional CRNS measurements are strongly dominated by isotropic neutron transport, which dilutes the signal of the targeted direction especially from the far field. For typical count rates of customary CRNS stations, directional shielding of half-spaces could not lead to acceptable precision at a daily time resolution. However, the mere statistical distinction of two rates should be feasible. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1228 KW - water-balance KW - quantification KW - calibration KW - validation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-544229 SN - 1866-8372 SP - 75 EP - 92 ER - TY - JOUR A1 - Houben, Timo A1 - Pujades, Estanislao A1 - Kalbacher, Thomas A1 - Dietrich, Peter A1 - Attinger, Sabine T1 - From dynamic groundwater level measurements to regional aquifer parameters - assessing the power of spectral analysis JF - Water resources research N2 - Large-scale groundwater models are required to estimate groundwater availability and to inform water management strategies on the national scale. However, parameterization of large-scale groundwater models covering areas of major river basins and more is challenging due to the lack of observational data and the mismatch between the scales of modeling and measurements. In this work, we propose to bridge the scale gap and derive regional hydraulic parameters by spectral analysis of groundwater level fluctuations. We hypothesize that specific locations in aquifers can reveal regional parameters of the hydraulic system. We first generate ensembles of synthetic but realistic aquifers which systematically differ in complexity. Applying Liang and Zhang's (2013), , semi-analytical solution for the spectrum of hydraulic head time series, we identify for each ensemble member and at different locations representative aquifer parameters. Next, we extend our study to investigate the use of spectral analysis in more complex numerical models and in real settings. Our analyses indicate that the variance of inferred effective transmissivity and storativity values for stochastic aquifer ensembles is small for observation points which are far away from the Dirichlet boundary. Moreover, the head time series has to cover a period which is roughly 10 times as long as the characteristic time of the aquifer. In deterministic aquifer models we infer equivalent, regionally valid parameters. A sensitivity analysis further reveals that as long as the aquifer length and the position of the groundwater measurement location is roughly known, the parameters can be robustly estimated. KW - spectral analysis of groundwater level fluctuations KW - proof of concept in numerical environments KW - homogeneous KW - stochastic and deterministic numerical model design KW - regional aquifer parameters KW - sensitivity analysis with field data KW - plausibility test with field data Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1029/2021WR031289 SN - 0043-1397 SN - 1944-7973 VL - 58 IS - 5 PB - Wiley CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Pánek, Tomáš A1 - Břežný, Michal A1 - Harrison, Stephan A1 - Schönfeldt, Elisabeth A1 - Winocur, Diego T1 - Large landslides cluster at the margin of a deglaciated mountain belt JF - Scientific reports N2 - Landslides in deglaciated and deglaciating mountains represent a major hazard, but their distribution at the spatial scale of entire mountain belts has rarely been studied. Traditional models of landslide distribution assume that landslides are concentrated in the steepest, wettest, and most tectonically active parts of the orogens, where glaciers reached their greatest thickness. However, based on mapping large landslides (>0.9 km(2)) over an unprecedentedly large area of Southern Patagonia (similar to 305,000 km(2)), we show that the distribution of landslides can have the opposite trend. We show that the largest landslides within the limits of the former Patagonian Ice Sheet (PIS) cluster along its eastern margins occupying lower, tectonically less active, and arid part of the Patagonian Andes. In contrast to the heavily glaciated, highest elevations of the mountain range, the peripheral regions have been glaciated only episodically, leaving a larger volume of unstable sedimentary and volcanic rocks that are subject to ongoing slope instability. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1038/s41598-022-09357-9 SN - 2045-2322 VL - 12 IS - 1 PB - Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature CY - London ER - TY - JOUR A1 - Trautmann, Tina A1 - Koirala, Sujan A1 - Carvalhais, Nuno A1 - Güntner, Andreas A1 - Jung, Martin T1 - The importance of vegetation in understanding terrestrial water storage variations JF - Hydrology and Earth System Sciences N2 - So far, various studies have aimed at decomposing the integrated terrestrial water storage variations observed by satellite gravimetry (GRACE, GRACE-FO) with the help of large-scale hydrological models. While the results of the storage decomposition depend on model structure, little attention has been given to the impact of the way that vegetation is represented in these models. Although vegetation structure and activity represent the crucial link between water, carbon, and energy cycles, their representation in large-scale hydrological models remains a major source of uncertainty. At the same time, the increasing availability and quality of Earth-observation-based vegetation data provide valuable information with good prospects for improving model simulations and gaining better insights into the role of vegetation within the global water cycle. In this study, we use observation-based vegetation information such as vegetation indices and rooting depths for spatializing the parameters of a simple global hydrological model to define infiltration, root water uptake, and transpiration processes. The parameters are further constrained by considering observations of terrestrial water storage anomalies (TWS), soil moisture, evapotranspiration (ET) and gridded runoff ( Q) estimates in a multi-criteria calibration approach. We assess the implications of including varying vegetation characteristics on the simulation results, with a particular focus on the partitioning between water storage components. To isolate the effect of vegetation, we compare a model experiment in which vegetation parameters vary in space and time to a baseline experiment in which all parameters are calibrated as static, globally uniform values. Both experiments show good overall performance, but explicitly including varying vegetation data leads to even better performance and more physically plausible parameter values. The largest improvements regarding TWS and ET are seen in supply-limited (semi-arid) regions and in the tropics, whereas Q simulations improve mainly in northern latitudes. While the total fluxes and storages are similar, accounting for vegetation substantially changes the contributions of different soil water storage components to the TWS variations. This suggests an important role of the representation of vegetation in hydrological models for interpreting TWS variations. Our simulations further indicate a major effect of deeper moisture storages and groundwater-soil moisture-vegetation interactions as a key to understanding TWS variations. We highlight the need for further observations to identify the adequate model structure rather than only model parameters for a reasonable representation and interpretation of vegetation-water interactions. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.5194/hess-26-1089-2022 SN - 1027-5606 SN - 1607-7938 VL - 26 IS - 4 SP - 1089 EP - 1109 PB - Copernicus CY - Göttingen ER - TY - JOUR A1 - Kawa, Nura A1 - Cucchi, Karina A1 - Rubin, Yoram A1 - Attinger, Sabine A1 - Hesse, Falk T1 - Defining Hydrogeological Site Similarity with Hierarchical Agglomerative Clustering JF - Groundwater : journal of the Association of Ground-Water Scientists and Engineers, a division of the National Ground Water Association N2 - Hydrogeological information about an aquifer is difficult and costly to obtain, yet essential for the efficient management of groundwater resources. Transferring information from sampled sites to a specific site of interest can provide information when site-specific data is lacking. Central to this approach is the notion of site similarity, which is necessary for determining relevant sites to include in the data transfer process. In this paper, we present a data-driven method for defining site similarity. We apply this method to selecting groups of similar sites from which to derive prior distributions for the Bayesian estimation of hydraulic conductivity measurements at sites of interest. We conclude that there is now a unique opportunity to combine hydrogeological expertise with data-driven methods to improve the predictive ability of stochastic hydrogeological models. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1111/gwat.13261 SN - 0017-467X SN - 1745-6584 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - RPRT A1 - Thieken, Annegret A1 - Otto, Antje A1 - Haupt, Wolfgang A1 - Eckersley, Peter A1 - Kern, Kristine A1 - Ullrich, Susann A1 - Hautz, Timo A1 - Rocker, Philipp A1 - Schulz, Rabea A1 - Sausen, Hannah A1 - Dillenardt, Lisa A1 - Rose, Claudia A1 - Schmidt, Katja A1 - Huber, Bettina A1 - Sterzel, Till A1 - Marken, Marieke A1 - Miechielsen, Milena ED - Otto, Antje ED - Thieken, Annegret T1 - Urbane Resilienz gegenüber extremen Wetterereignissen T1 - Urban resilience to extreme weather events BT - Gemeinsamer Verbundabschlussbericht des Forschungsprojektes ExTrass BT - Joint final report of the research project ExTrass N2 - Aufgrund der hohen Konzentration von Bevölkerung, ökonomischen Werten und Infrastrukturen können Städte stark von extremen Wetterereignissen getroffen werden. Insbesondere Hitzewellen und Überflutungen in Folge von Starkregen verursachen in Städten immense gesundheitliche und finanzielle Schäden. Um Schäden zu verringern oder gar zu vermeiden, ist es notwendig, entsprechende Vorsorge- und Klimaanpassungsmaßnahmen zu implementieren. Im Projekt „Urbane Resilienz gegenüber extremen Wetterereignissen – Typologien und Transfer von Anpassungsstrategien in kleinen Großstädten und Mittelstädten” (ExTrass) lag der Fokus auf den beiden extremen Wetterereignissen Hitze und Starkregen sowie auf kleineren Großstädten (100.000 bis 500.000 Einwohner:innen) und kreisfreien Mittelstädten mit mehr als 50.000 Einwohner:innen. Im Projekt wurde die Stärkung der Klimaresilienz als Verbesserung der Fähigkeiten von Städten, aus vergangenen Ereignissen zu lernen sowie sich an antizipierte Gefahren anzupassen, verstanden. Klimaanpassung wurde demnach als ein Prozess aufgefasst, der durch die Umsetzung von potenziell schadensreduzierenden Maßnahmen beschreib- und operationalisierbar wird. Das Projekt hatte zwei Ziele: Erstens sollte die Klimaresilienz in den drei Fallstudienstädten Potsdam, Remscheid und Würzburg messbar gestärkt werden. Zweitens sollten Transferpotenziale zwischen Groß- und Mittelstädten in Deutschland identifiziert und besser nutzbar gemacht werden, damit die Wirkung von Pilotvorhaben über die direkt involvierten Städte hinausgehen kann. Im Projekt standen folgende vier Leitfragen im Fokus: • Wie verbreitet sind Klimaanpassungsaktivitäten in Großstädten und größeren kreisfreien Mittelstädten in Deutschland? • Welche hemmenden und begünstigenden Faktoren beeinflussen die Klimaanpassung? • Welche Maßnahmen der Klimaanpassung werden tatsächlich umgesetzt, und wie kann die Umsetzung verbessert werden? Was behindert? • Inwiefern lassen sich Beispiele guter Praxis auf andere Städte übertragen, adaptieren oder weiterentwickeln? Die Hauptergebnisse zu diesen Fragestellungen sind im vorliegenden Bericht zusammengefasst. N2 - Due to the high concentration of population, economic assets and infrastructure, cities are severely affected by the effects of climate change. In particular, heat waves and flooding as a result of heavy rain cause immense health and financial damages in cities. In order to reduce or even avoid the effects of such extreme weather events, appropriate precautionary and climate adaptation measures must be implemented. The project "Urban resilience to extreme weather events – typologies and transfer of adaptation strategies in small and medium-sized cities" (ExTrass) focused on the two extreme weather events heat and heavy rain as well as on smaller cities (100,000 to 500,000 inhabitants) and independent medium-sized towns with more than 50,000 inhabitants. Within the project, strengthening climate resilience was understood as improving the ability of cities to learn from past events and adapt to anticipated hazards. Accordingly, climate adaptation was seen as a process that can be described and operationalized through the implementation of potentially damage-reducing measures. The project had two goals: The first goal was to measurably strengthen climate resilience in the three case study cities of Potsdam, Remscheid and Würzburg. The second goal was to identify and improve the transfer potential of climate adaptation measures between cities in Germany. The project focused on the following four key questions: • How widespread are climate adaptation activities in large cities and larger independent medium-sized cities in Germany? • Which inhibiting and enabling factors influence climate adaptation and how do they work? • Which climate adaptation measures are actually being implemented and how can implementation be improved? What hinders implementation? • To what extent can examples of good practice be transferred, adapted or further developed to other cities? The main results of these questions have been summarized in the present report. KW - Klimaanpassung KW - Resilienz KW - Hitze KW - Starkregen KW - Risikokommunikation KW - Stadtplanung KW - Begrünung KW - climate adaptation KW - resilience KW - heat KW - heavy rain KW - risk communication KW - urban planning KW - greening Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-555427 ER - TY - JOUR A1 - Bryant, Seth A1 - Davies, Evan A1 - Sol, David A1 - Davis, Sandy T1 - The progression of flood risk in southern Alberta since the 2013 flood JF - Journal of flood risk management N2 - After a century of semi-restricted floodplain development, Southern Alberta, Canada, was struck by the devastating 2013 Flood. Aging infrastructure and limited property-level floodproofing likely contributed to the $4-6 billion (CAD) losses. Following this catastrophe, Alberta has seen a revival in flood management, largely focused on structural protections. However, concurrent with the recent structural work was a 100,000+ increase in Calgary's population in the 5 years following the flood, leading to further densification of high-hazard areas. This study implements the novel Stochastic Object-based Flood damage Dynamic Assessment (SOFDA) model framework to quantify the progression of the direct-damage flood risk in a mature urban neighborhood after the 2013 Flood. Five years of remote-sensing data, property assessment records, and inundation simulations following the flood are used to construct the model. Results show that in these 5 years, vulnerability trends (like densification) have increased flood risk by 4%; however, recent structural mitigation projects have reduced overall flood risk by 47% for this case study. These results demonstrate that the flood management revival in Southern Alberta has largely been successful at reducing flood risk; however, the gains are under threat from continued development and densification absent additional floodproofing regulations. KW - Calgary KW - depth-damage functions KW - expected annual damages KW - flood risk KW - model KW - property level protection measures KW - risk analysis KW - risk dynamics Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1111/jfr3.12811 SN - 1753-318X VL - 15 IS - 3 PB - Wiley-Blackwell CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Dietze, Michael A1 - Bell, Rainer A1 - Öztürk, Ugur A1 - Cook, Kristen L. A1 - Andermann, Christoff A1 - Beer, Alexander R. A1 - Damm, Bodo A1 - Lucia, Ana A1 - Fauer, Felix S. A1 - Nissen, Katrin M. A1 - Sieg, Tobias A1 - Thieken, Annegret H. T1 - More than heavy rain turning into fast-flowing water - a landscape perspective on the 2021 Eifel floods JF - Natural hazards and earth system sciences N2 - Rapidly evolving floods are rare but powerful drivers of landscape reorganisation that have severe and long-lasting impacts on both the functions of a landscape's subsystems and the affected society. The July 2021 flood that particularly hit several river catchments of the Eifel region in western Germany and Belgium was a drastic example. While media and scientists highlighted the meteorological and hydrological aspects of this flood, it was not just the rising water levels in the main valleys that posed a hazard, caused damage, and drove environmental reorganisation. Instead, the concurrent coupling of landscape elements and the wood, sediment, and debris carried by the fast-flowing water made this flood so devastating and difficult to predict. Because more intense floods are able to interact with more landscape components, they at times reveal rare non-linear feedbacks, which may be hidden during smaller events due to their high thresholds of initiation. Here, we briefly review the boundary conditions of the 14-15 July 2021 flood and discuss the emerging features that made this event different from previous floods. We identify hillslope processes, aspects of debris mobilisation, the legacy of sustained human land use, and emerging process connections and feedbacks as critical non-hydrological dimensions of the flood. With this landscape scale perspective, we develop requirements for improved future event anticipation, mitigation, and fundamental system understanding. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.5194/nhess-22-1845-2022 SN - 1561-8633 SN - 1684-9981 VL - 22 IS - 6 SP - 1845 EP - 1856 PB - Copernicus CY - Göttingen ER - TY - JOUR A1 - von Hippel, Barbara A1 - Stoof-Leichsenring, Kathleen R. A1 - Schulte, Luise A1 - Seeber, Peter Andreas A1 - Epp, Laura Saskia A1 - Biskaborn, Boris A1 - Diekmann, Bernhard A1 - Melles, Martin A1 - Pestryakova, Luidmila Agafyevna A1 - Herzschuh, Ulrike T1 - Long-term funguseplant covariation from multi-site sedimentary ancient DNA metabarcoding JF - Quaternary science reviews : the international multidisciplinary research and review journal N2 - Climate change has a major impact on arctic and boreal terrestrial ecosystems as warming leads to northward treeline shifts, inducing consequences for heterotrophic organisms associated with the plant taxa. To unravel ecological dependencies, we address how long-term climatic changes have shaped the co-occurrence of plants and fungi across selected sites in Siberia. We investigated sedimentary ancient DNA from five lakes spanning the last 47,000 years, using the ITS1 marker for fungi and the chloroplast P6 loop marker for vegetation metabarcoding. We obtained 706 unique fungal operational taxonomic units (OTUs) and 243 taxa for the plants. We show higher OTU numbers in dry forest tundra as well as boreal forests compared to wet southern tundra. The most abundant fungal taxa in our dataset are Pseudeurotiaceae, Mortierella, Sordariomyceta, Exophiala, Oidiodendron, Protoventuria, Candida vartiovaarae, Pseudeurotium, Gryganskiella fimbricystis, and Tricho-sporiella cerebriformis. The overall fungal composition is explained by the plant composition as revealed by redundancy analysis. The fungal functional groups show antagonistic relationships in their climate susceptibility. The advance of woody taxa in response to past warming led to an increase in the abun-dance of mycorrhizae, lichens, and parasites, while yeast and saprotroph distribution declined. We also show co-occurrences between Salicaceae, Larix, and Alnus and their associated pathogens and detect higher mycorrhizal fungus diversity with the presence of Pinaceae. Under future warming, we can expect feedbacks between fungus composition and plant diversity changes which will affect forest advance, species diversity, and ecosystem stability in arctic regions. KW - Ecosystem dynamics KW - Fungus -plant covariation KW - ITS marker KW - Metabarcoding KW - Sedimentary ancient DNA KW - Siberia KW - trnL P6 loop Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2022.107758 SN - 0277-3791 SN - 1873-457X VL - 295 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Stoof-Leichsenring, Kathleen R. A1 - Huang, Sichao A1 - Liu, Sisi A1 - Jia, Weihan A1 - Li, Kai A1 - Liu, Xingqi A1 - Pestryakova, Luidmila A. A1 - Herzschuh, Ulrike T1 - Sedimentary DNA identifies modern and past macrophyte diversity and its environmental drivers in high-latitude and high-elevation lakes in Siberia and China JF - Limnology and oceanography N2 - Arctic and alpine aquatic ecosystems are changing rapidly under recent global warming, threatening water resources by diminishing trophic status and changing biotic composition. Macrophytes play a key role in the ecology of freshwaters and we need to improve our understanding of long-term macrophytes diversity and environmental change so far limited by the sporadic presence of macrofossils in sediments. In our study, we applied metabarcoding using the trnL P6 loop marker to retrieve macrophyte richness and composition from 179 surface-sediment samples from arctic Siberian and alpine Chinese lakes and three representative lake cores. The surface-sediment dataset suggests that macrophyte richness and composition are mostly affected by temperature and conductivity, with highest richness when mean July temperatures are higher than 12 degrees C and conductivity ranges between 40 and 400 mu S cm(-1). Compositional turnover during the Late Pleistocene/Holocene is minor in Siberian cores and characterized by a less rich, but stable emergent macrophyte community. Richness decreases during the Last Glacial Maximum and rises during wetter and warmer climate in the Late-glacial and Mid-Holocene. In contrast, we detect a pronounced change from emergent to submerged taxa at 14 ka in the Tibetan alpine core, which can be explained by increasing temperature and conductivity due to glacial runoff and evaporation. Our study provides evidence for the suitability of the trnL marker to recover modern and past macrophyte diversity and its applicability for the response of macrophyte diversity to lake-hydrochemical and climate variability predicting contrasting macrophyte changes in arctic and alpine lakes under intensified warming and human impact. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1002/lno.12061 SN - 0024-3590 SN - 1939-5590 VL - 67 IS - 5 SP - 1126 EP - 1141 PB - Wiley-Blackwell CY - Oxford [u.a.] ER - TY - JOUR A1 - Tian, Fang A1 - Qin, Wen A1 - Zhang, Ran A1 - Herzschuh, Ulrike A1 - Ni, Jian A1 - Zhang, Chengjun A1 - Mischke, Steffen A1 - Cao, Xianyong T1 - Palynological evidence for the temporal stability of the plant community in the Yellow River Source Area over the last 7,400 years JF - Vegetation history and archaeobotany N2 - The terrestrial ecosystem in the Yellow River Source Area (YRSA) is sensitive to climate change and human impacts, although past vegetation change and the degree of human disturbance are still largely unknown. A 170-cm-long sediment core covering the last 7,400 years was collected from Lake Xingxinghai (XXH) in the YRSA. Pollen, together with a series of other environmental proxies (including grain size, total organic carbon (TOC) and carbonate content), were analysed to explore past vegetation and environmental changes for the YRSA. Dominant and common pollen components-Cyperaceae, Poaceae, Artemisia, Chenopodiaceae and Asteraceae-are stable throughout the last 7,400 years. Slight vegetation change is inferred from an increasing trend of Cyperaceae and decreasing trend of Poaceae, suggesting that alpine steppe was replaced by alpine meadow at ca. 3.5 ka cal bp. The vegetation transformation indicates a generally wetter climate during the middle and late Holocene, which is supported by increased amounts of TOC and Pediastrum (representing high water-level) and is consistent with previous past climate records from the north-eastern Tibetan Plateau. Our results find no evidence of human impact on the regional vegetation surrounding XXH, hence we conclude the vegetation change likely reflects the regional climate signal. KW - Pollen KW - Lake Xingxinghai KW - Tibetan Plateau KW - Holocene KW - Vegetation change KW - Regional climate Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1007/s00334-022-00870-5 SN - 0939-6314 SN - 1617-6278 VL - 31 IS - 6 SP - 549 EP - 558 PB - Springer CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Jia, Weihan A1 - Anslan, Sten A1 - Chen, Fahu A1 - Cao, Xianyong A1 - Dong, Hailiang A1 - Dulias, Katharina A1 - Gu, Zhengquan A1 - Heinecke, Liv A1 - Jiang, Hongchen A1 - Kruse, Stefan A1 - Kang, Wengang A1 - Li, Kai A1 - Liu, Sisi A1 - Liu, Xingqi A1 - Liu, Ying A1 - Ni, Jian A1 - Schwalb, Antje A1 - Stoof-Leichsenring, Kathleen R. A1 - Shen, Wei A1 - Tian, Fang A1 - Wang, Jing A1 - Wang, Yongbo A1 - Wang, Yucheng A1 - Xu, Hai A1 - Yang, Xiaoyan A1 - Zhang, Dongju A1 - Herzschuh, Ulrike T1 - Sedimentary ancient DNA reveals past ecosystem and biodiversity changes on the Tibetan Plateau: overview and prospects JF - Quaternary science reviews : the international multidisciplinary research and review journal N2 - Alpine ecosystems on the Tibetan Plateau are being threatened by ongoing climate warming and intensified human activities. Ecological time-series obtained from sedimentary ancient DNA (sedaDNA) are essential for understanding past ecosystem and biodiversity dynamics on the Tibetan Plateau and their responses to climate change at a high taxonomic resolution. Hitherto only few but promising studies have been published on this topic. The potential and limitations of using sedaDNA on the Tibetan Plateau are not fully understood. Here, we (i) provide updated knowledge of and a brief introduction to the suitable archives, region-specific taphonomy, state-of-the-art methodologies, and research questions of sedaDNA on the Tibetan Plateau; (ii) review published and ongoing sedaDNA studies from the Tibetan Plateau; and (iii) give some recommendations for future sedaDNA study designs. Based on the current knowledge of taphonomy, we infer that deep glacial lakes with freshwater and high clay sediment input, such as those from the southern and southeastern Tibetan Plateau, may have a high potential for sedaDNA studies. Metabarcoding (for microorganisms and plants), metagenomics (for ecosystems), and hybridization capture (for prehistoric humans) are three primary sedaDNA approaches which have been successfully applied on the Tibetan Plateau, but their power is still limited by several technical issues, such as PCR bias and incompleteness of taxonomic reference databases. Setting up high-quality and open-access regional taxonomic reference databases for the Tibetan Plateau should be given priority in the future. To conclude, the archival, taphonomic, and methodological conditions of the Tibetan Plateau are favorable for performing sedaDNA studies. More research should be encouraged to address questions about long-term ecological dynamics at ecosystem scale and to bring the paleoecology of the Tibetan Plateau into a new era. KW - Sedimentary ancient DNA (sedaDNA) KW - Tibetan Plateau KW - Environmental DNA KW - Taphonomy KW - Ecosystem KW - Biodiversity KW - Paleoecology KW - Paleogeography Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2022.107703 SN - 0277-3791 SN - 1873-457X VL - 293 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Miesner, Timon A1 - Herzschuh, Ulrike A1 - Pestryakova, Luidmila Agafyevna A1 - Wieczorek, Mareike A1 - Zakharov, Evgenii S. A1 - Kolmogorov, Alexei I. A1 - Davydova, Paraskovya V. A1 - Kruse, Stefan T1 - Forest structure and individual tree inventories of northeastern Siberia along climatic gradients JF - Earth system science data : ESSD N2 - We compile a data set of forest surveys from expeditions to the northeast of the Russian Federation, in Krasnoyarsk Krai, the Republic of Sakha (Yakutia), and the Chukotka Autonomous Okrug (59-73 degrees N, 97-169 degrees E), performed between the years 2011 and 2021. The region is characterized by permafrost soils and forests dominated by larch (Larix gmelinii Rupr. and Larix cajanderi Mayr). Our data set consists of a plot database describing 226 georeferenced vegetation survey plots and a tree database with information about all the trees on these plots. The tree database, consisting of two tables with the same column names, contains information on the height, species, and vitality of 40 289 trees. A subset of the trees was subject to a more detailed inventory, which recorded the stem diameter at base and at breast height, crown diameter, and height of the beginning of the crown. We recorded heights up to 28.5 m (median 2.5 m) and stand densities up to 120 000 trees per hectare (median 1197 ha(-1)), with both values tending to be higher in the more southerly areas. Observed taxa include Larix Mill., Pinus L., Picea A. Dietr., Abies Mill., Salix L., Betula L., Populus L., Alnus Mill., and Ulmus L. In this study, we present the forest inventory data aggregated per plot. Additionally, we connect the data with different remote sensing data products to find out how accurately forest structure can be predicted from such products. Allometries were calculated to obtain the diameter from height measurements for every species group. For Larix, the most frequent of 10 species groups, allometries depended also on the stand density, as denser stands are characterized by thinner trees, relative to height. The remote sensing products used to compare against the inventory data include climate, forest biomass, canopy height, and forest loss or disturbance. We find that the forest metrics measured in the field can only be reconstructed from the remote sensing data to a limited extent, as they depend on local properties. This illustrates the need for ground inventories like those data we present here. The data can be used for studying the forest structure of northeastern Siberia and for the calibration and validation of remotely sensed data. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.5194/essd-14-5695-2022 SN - 1866-3508 SN - 1866-3516 VL - 14 IS - 12 SP - 5695 EP - 5716 PB - Copernicus CY - Göttingen ER - TY - JOUR A1 - Kruse, Stefan A1 - Stünzi, Simone Maria A1 - Boike, Julia A1 - Langer, Moritz A1 - Gloy, Josias A1 - Herzschuh, Ulrike T1 - Novel coupled permafrost-forest model (LAVESI-CryoGrid v1.0) revealing the interplay between permafrost, vegetation, and climate across eastern Siberia JF - Geoscientific model development : GMD ; an interactive open access journal of the European Geosciences Union N2 - Boreal forests of Siberia play a relevant role in the global carbon cycle. However, global warming threatens the existence of summergreen larch-dominated ecosystems, likely enabling a transition to evergreen tree taxa with deeper active layers. Complex permafrost-vegetation interactions make it uncertain whether these ecosystems could develop into a carbon source rather than continuing atmospheric carbon sequestration under global warming. Consequently, shedding light on the role of current and future active layer dynamics and the feedbacks with the apparent tree species is crucial to predict boreal forest transition dynamics and thus for aboveground forest biomass and carbon stock developments. Hence, we established a coupled model version amalgamating a one-dimensional permafrost multilayer forest land-surface model (CryoGrid) with LAVESI, an individual-based and spatially explicit forest model for larch species (Larix Mill.), extended for this study by including other relevant Siberian forest species and explicit terrain.
Following parameterization, we ran simulations with the coupled version to the near future to 2030 with a mild climate-warming scenario. We focus on three regions covering a gradient of summergreen forests in the east at Spasskaya Pad, mixed summergreen-evergreen forests close to Nyurba, and the warmest area at Lake Khamra in the southeast of Yakutia, Russia. Coupled simulations were run with the newly implemented boreal forest species and compared to runs allowing only one species at a time, as well as to simulations using just LAVESI. Results reveal that the coupled version corrects for overestimation of active layer thickness (ALT) and soil moisture, and large differences in established forests are simulated. We conclude that the coupled version can simulate the complex environment of eastern Siberia by reproducing vegetation patterns, making it an excellent tool to disentangle processes driving boreal forest dynamics. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.5194/gmd-15-2395-2022 SN - 1991-959X SN - 1991-9603 VL - 15 IS - 6 SP - 2395 EP - 2422 PB - Copernicus CY - Göttingen ER - TY - JOUR A1 - Schulte, Luise A1 - Li, Chenzhi A1 - Lisovski, Simeon A1 - Herzschuh, Ulrike T1 - Forest-permafrost feedbacks and glacial refugia help explain the unequal distribution of larch across continents JF - Journal of biogeography N2 - Aim: The continental-scale distribution of plant functional types, such as evergreen and summergreen needle-leaf forest, is assumed to be determined by contemporary climate. However, the distribution of summergreen needle-leaf forest of larch (Larix Mill.) differs markedly between the continents, despite relatively similar climatic conditions. The reasons for these differences are little understood. Our aim is to identify potential triggers and drivers of the current distribution patterns by comparing species' bioclimatic niches, glacial refugia and postglacial recolonization patterns. Location: Northern hemisphere. Taxon: Species of the genus Larix (Mill.). Methods: We compare species distribution and dominance using species ranges and sites of dominance, as well as their occurrence on modelled permafrost extent, and active layer thickness (ALT). We compare the bioclimatic niches and calculate the niche overlap between species, using the same data in addition to modern climate data. We synthesize pollen, macrofossil and ancient DNA palaeo-evidence of past Larix occurrences of the last 60,000 years and track differences in distribution patterns through time. Results: Bioclimatic niches show large overlaps between Asian larch species and American Larix laricina. The distribution across various degrees of permafrost extent is distinctly different for Asian L. gmelinii and L. cajanderi compared to the other species, whereas the distribution on different depths of ALT is more similar among Asian and American species. Northern glacial refugia for Larix are only present in eastern Asia and Alaska. Main Conclusion: The dominance of summergreen larches in Asia, where evergreen conifers dominate most of the rest of the boreal forests, is dependent on the interaction of several factors which allows Asian L. gmelinii and L. cajanderi to dominate where these factors coincide. These factors include the early postglacial spread out of northern glacial refugia in the absence of competitors as well as a positive feedback mechanism between frozen ground and forest. KW - bioclimatic niche KW - glacial refugia KW - larch KW - Larix KW - permafrost KW - phylogeography KW - postglacial recolonization Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1111/jbi.14456 SN - 0305-0270 SN - 1365-2699 VL - 49 IS - 10 SP - 1825 EP - 1838 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Radosavljevic, Boris A1 - Lantuit, Hugues A1 - Knoblauch, Christian A1 - Couture, Nicole A1 - Herzschuh, Ulrike A1 - Fritz, Michael T1 - Arctic nearshore sediment dynamics - an example from Herschel Island - Qikiqtaruk, Canada JF - Journal of marine science and engineering N2 - Increasing arctic coastal erosion rates imply a greater release of sediments and organic matter into the coastal zone. With 213 sediment samples taken around Herschel Island-Qikiqtaruk, Canadian Beaufort Sea, we aimed to gain new insights on sediment dynamics and geochemical properties of a shallow arctic nearshore zone. Spatial characteristics of nearshore sediment texture (moderately to poorly sorted silt) are dictated by hydrodynamic processes, but ice-related processes also play a role. We determined organic matter (OM) distribution and inferred the origin and quality of organic carbon by C/N ratios and stable carbon isotopes delta C-13. The carbon content was higher offshore and in sheltered areas (mean: 1.0 wt.%., S.D.: 0.9) and the C/N ratios also showed a similar spatial pattern (mean: 11.1, S.D.: 3.1), while the delta C-13 (mean: -26.4 parts per thousand VPDB, S.D.: 0.4) distribution was more complex. We compared the geochemical parameters of our study with terrestrial and marine samples from other studies using a bootstrap approach. Sediments of the current study contained 6.5 times and 1.8 times less total organic carbon than undisturbed and disturbed terrestrial sediments, respectively. Therefore, degradation of OM and separation of carbon pools take place on land and continue in the nearshore zone, where OM is leached, mineralized, or transported beyond the study area. KW - permafrost KW - Arctic Ocean KW - stable carbon isotopes KW - nitrogen KW - sediment KW - chemistry KW - sediment dynamics KW - Beaufort Sea KW - grain size Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/jmse10111589 SN - 2077-1312 VL - 10 IS - 11 PB - MDPI CY - Basel ER -