TY  - THES
A1  - Stettner, Samuel
T1  - Exploring the seasonality of rapid Arctic changes from space
T1  - Erkundung der Saisonalität schneller arktischer Veränderungen aus dem Weltraum
BT  - monitoring of permafrost disturbance, snow cover and vegetation in tundra environments with TerraSAR-X
BT  - Überwachung von Permafroststörungen, Schneebedeckung und Vegetation in Tundra-Umgebungen mit TerraSAR-X
N2  - Arctic warming has implications for the functioning of terrestrial Arctic ecosystems, global climate and socioeconomic systems of northern communities. A research gap exists in high spatial resolution monitoring and understanding of the seasonality of permafrost degradation, spring snowmelt and vegetation phenology. This thesis explores the diversity and utility of dense TerraSAR-X (TSX) X-Band time series for monitoring ice-rich riverbank erosion, snowmelt, and phenology of Arctic vegetation at long-term study sites in the central Lena Delta, Russia and on Qikiqtaruk (Herschel Island), Canada. In the thesis the following three research questions are addressed:
•	Is TSX time series capable of monitoring the dynamics of rapid permafrost degradation in ice-rich permafrost on an intra-seasonal scale and can these datasets in combination with climate data identify the climatic drivers of permafrost degradation?
•	Can multi-pass and multi-polarized TSX time series adequately monitor seasonal snow cover and snowmelt in small Arctic catchments and how does it perform compared to optical satellite data and field-based measurements?
•	Do TSX time series reflect the phenology of Arctic vegetation and how does the recorded signal compare to in-situ greenness data from RGB time-lapse camera data and vegetation height from field surveys?
To answer the research questions three years of TSX backscatter data from 2013 to 2015 for the Lena Delta study site and from 2015 to 2017 for the Qikiqtaruk study site were used in quantitative and qualitative analysis complimentary with optical satellite data and in-situ time-lapse imagery.
The dynamics of intra-seasonal ice-rich riverbank erosion in the central Lena Delta, Russia were quantified using TSX backscatter data at 2.4 m spatial resolution in HH polarization and validated with 0.5 m spatial resolution optical satellite data and field-based time-lapse camera data. Cliff top lines were automatically extracted from TSX intensity images using threshold-based segmentation and vectorization and combined in a geoinformation system with manually digitized cliff top lines from the optical satellite data and rates of erosion extracted from time-lapse cameras. The results suggest that the cliff top eroded at a constant rate throughout the entire erosional season. Linear mixed models confirmed that erosion was coupled with air temperature and precipitation at an annual scale, seasonal fluctuations did not influence 22-day erosion rates. The results highlight the potential of HH polarized X-Band backscatter data for high temporal resolution monitoring of rapid permafrost degradation.
The distinct signature of wet snow in backscatter intensity images of TSX data was exploited to generate wet snow cover extent (SCE) maps on Qikiqtaruk at high temporal resolution. TSX SCE showed high similarity to Landsat 8-derived SCE when using cross-polarized VH data. Fractional snow cover (FSC) time series were extracted from TSX and optical SCE and compared to FSC estimations from in-situ time-lapse imagery. The TSX products showed strong agreement with the in-situ data and significantly improved the temporal resolution compared to the Landsat 8 time series. The final combined FSC time series revealed two topography-dependent snowmelt patterns that corresponded to in-situ measurements. Additionally TSX was able to detect snow patches longer in the season than Landsat 8, underlining the advantage of TSX for detection of old snow. The TSX-derived snow information provided valuable insights into snowmelt dynamics on Qikiqtaruk previously not available.
The sensitivity of TSX to vegetation structure associated with phenological changes was explored on Qikiqtaruk. Backscatter and coherence time series were compared to greenness data extracted from in-situ digital time-lapse cameras and detailed vegetation parameters on 30 areas of interest. Supporting previous results, vegetation height corresponded to backscatter intensity in co-polarized HH/VV at an incidence angle of 31°. The dry, tall shrub dominated ecological class showed increasing backscatter with increasing greenness when using the cross polarized VH/HH channel at 32° incidence angle. This is likely driven by volume scattering of emerging and expanding leaves. Ecological classes with more prostrate vegetation and higher bare ground contributions showed decreasing backscatter trends over the growing season in the co-polarized VV/HH channels likely a result of surface drying instead of a vegetation structure signal. The results from shrub dominated areas are promising and provide a complementary data source for high temporal monitoring of vegetation phenology.
Overall this thesis demonstrates that dense time series of TSX with optical remote sensing and in-situ time-lapse data are complementary and can be used to monitor rapid and seasonal processes in Arctic landscapes at high spatial and temporal resolution.
N2  - Die Erwärmung der Arktis hat Auswirkungen auf die Stabilität und Funktion terrestrischer arktischer Ökosysteme, auf das globale Klima, sowie auf sozioökonomische Systeme nördlicher Gemeinden. Es besteht eine Forschungslücke bei der Überwachung der Saisonalität von Permafrostdegradation, Schneebedeckung und Vegetationsphänologie. Diese Dissertation untersucht den Nutzen von TerraSAR-X (TSX) X-Band Daten für die Überwachung eisreicher Ufererosion, Schneeschmelze, sowie Phänologie arktischer Vegetation im zentralen Lena Delta in Russland und auf Qikiqtaruk (Herschel Island), Kanada. Die Dynamik intrasaisonaler eisreicher Ufererosion im zentralen Lena-Delta in Russland wurde mit TSX Rückstreuintensitätsbildern quantifiziert und mit optischen Satelliten-Daten und Feldmessungen validiert. Kliff Kanten wurden automatisch aus TSX-Intensitätsbildern extrahiert und in einem Geoinformationssystem mit manuell digitalisierten Kliff Kanten aus optischen Satellitendaten, sowie mit Erosionsraten aus Zeitrafferkameras zusammengeführt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Kliff Kante während der gesamten Auftauzeit mit konstanter Geschwindigkeit zurückzog. Die Verwendung von linearen Mischmodellen bestätigte, dass die Erosion im jährlichen Maßstab mit der Lufttemperatur und dem Niederschlag gekoppelt war, saisonale Schwankungen beeinflussten die Erosionsrate nicht. Die Ergebnisse stützen die Verwendung von TSX zur Überwachung schneller Permafrostdegradation mit hoher zeitlicher Auflösung. Die eindeutige Signatur von nassem Schnee in TSX Rückstreuintensitätsbildern wurde genutzt, um Schneeverteilungskarten (SCE) auf Qikiqtaruk in hoher zeitlicher Auflösung zu erzeugen. Aus TSX abgeleitete SCE zeigten eine große Ähnlichkeit zu SCE aus Landsat 8 Daten. Zeitreihen von prozentualer Schneebedeckung (FSC) wurden aus TSX und optischen SCE extrahiert und mit FSC-Schätzungen aus in-situ Zeitrafferkamera Daten verglichen. Auch hier zeigte TSX eine starke Übereinstimmung mit den in-situ-Daten und verbesserte die zeitliche Auflösung im Vergleich zur Landsat 8 Zeitreihe erheblich. Aus einer finalen kombinierten FSC-Zeitreihe konnten zwei Muster von Schneeschmelzen in ausgewählten Einzugsgebieten abgeleitet werden, die sich mit den in-situ Messungen deckten. Zusätzlich konnte TSX später in der Saison Schnee länger erkennen als Landsat 8, was den Vorteil von TSX zur Erkennung von Altschnee unterstreicht. Die TSX-abgeleiteten Schnee-Informationen lieferten wertvolle Einblicke in die Schneeschmelz-Dynamik auf Qikiqtaruk, welche zuvor nicht verfügbar waren. Die Empfindlichkeit von TSX für Vegetationsstruktur, die mit phänologischen Veränderungen einhergeht, wurde auf Qikiqtaruk untersucht. Rückstreu- und Kohärenzzeitreihen wurden aus 30 Testgebieten extrahiert. Die Rückstreu- und Kohärenzsignale wurden mit Vitalitäts-Daten verglichen, die aus in-situ-Zeitrafferkamera Zeitreihen extrahiert wurden. Die Ergebnisse zeigten einen Zusammenhang zwischen Vegetationshöhe und der Rückstreuintensität in HH / VV polarisierten Daten bei einem Einfallswinkel von 31 °. Ferner zeigte die ökologische Klasse mit einer Kombination von hohen Sträuchern und trockenen Oberflächenbedingungen eine zunehmende Rückstreuung mit zunehmende Pflanzenvitalität, wenn der kreuzpolarisierte VH / HH-Kanal bei 32 ° Einfallswinkel verwendet wurde. Die Ergebnisse aus strauchdominierten Klassen sind vielversprechend und liefern eine ergänzende Datenquelle für zeitlich hochaufgelöste Beobachtung der Vegetationsphänologie. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass TSX X-Band-Daten schnelle und saisonale Prozesse in arktischen Landschaften mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung überwachen können.
KW  - SAR
KW  - remote sensing
KW  - arctic
KW  - SAR
KW  - Fernerkundung
KW  - Arktis
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-425783
ER  - 
TY  - THES
A1  - Morgenstern, Anne
T1  - Thermokarst and thermal erosion : degradation of Siberian ice-rich permafrost
T1  - Thermokarst und Thermoerosion : Degradation von sibirischem eisreichem Permafrost
N2  - Current climate warming is affecting arctic regions at a faster rate than the rest of the world. This has profound effects on permafrost that underlies most of the arctic land area. Permafrost thawing can lead to the liberation of considerable amounts of greenhouse gases as well as to significant changes in the geomorphology, hydrology, and ecology of the corresponding landscapes, which may in turn act as a positive feedback to the climate system. Vast areas of the east Siberian lowlands, which are underlain by permafrost of the Yedoma-type Ice Complex, are particularly sensitive to climate warming because of the high ice content of these permafrost deposits. Thermokarst and thermal erosion are two major types of permafrost degradation in periglacial landscapes. The associated landforms are prominent indicators of climate-induced environmental variations on the regional scale. Thermokarst lakes and basins (alasses) as well as thermo-erosional valleys are widely distributed in the coastal lowlands adjacent to the Laptev Sea. This thesis investigates the spatial distribution and morphometric properties of these degradational features to reconstruct their evolutionary conditions during the Holocene and to deduce information on the potential impact of future permafrost degradation under the projected climate warming. The methodological approach is a combination of remote sensing, geoinformation, and field investigations, which integrates analyses on local to regional spatial scales. Thermokarst and thermal erosion have affected the study region to a great extent. In the Ice Complex area of the Lena River Delta, thermokarst basins cover a much larger area than do present thermokarst lakes on Yedoma uplands (20.0 and 2.2 %, respectively), which indicates that the conditions for large-area thermokarst development were more suitable in the past. This is supported by the reconstruction of the development of an individual alas in the Lena River Delta, which reveals a prolonged phase of high thermokarst activity since the Pleistocene/Holocene transition that created a large and deep basin. After the drainage of the primary thermokarst lake during the mid-Holocene, permafrost aggradation and degradation have occurred in parallel and in shorter alternating stages within the alas, resulting in a complex thermokarst landscape. Though more dynamic than during the first phase, late Holocene thermokarst activity in the alas was not capable of degrading large portions of Pleistocene Ice Complex deposits and substantially altering the Yedoma relief. Further thermokarst development in existing alasses is restricted to thin layers of Holocene ice-rich alas sediments, because the Ice Complex deposits underneath the large primary thermokarst lakes have thawed completely and the underlying deposits are ice-poor fluvial sands. Thermokarst processes on undisturbed Yedoma uplands have the highest impact on the alteration of Ice Complex deposits, but will be limited to smaller areal extents in the future because of the reduced availability of large undisturbed upland surfaces with poor drainage. On Kurungnakh Island in the central Lena River Delta, the area of Yedoma uplands available for future thermokarst development amounts to only 33.7 %. The increasing proximity of newly developing thermokarst lakes on Yedoma uplands to existing degradational features and other topographic lows decreases the possibility for thermokarst lakes to reach large sizes before drainage occurs. Drainage of thermokarst lakes due to thermal erosion is common in the study region, but thermo-erosional valleys also provide water to thermokarst lakes and alasses. Besides these direct hydrological interactions between thermokarst and thermal erosion on the local scale, an interdependence between both processes exists on the regional scale. A regional analysis of extensive networks of thermo-erosional valleys in three lowland regions of the Laptev Sea with a total study area of 5,800 km² found that these features are more common in areas with higher slopes and relief gradients, whereas thermokarst development is more pronounced in flat lowlands with lower relief gradients. The combined results of this thesis highlight the need for comprehensive analyses of both, thermokarst and thermal erosion, in order to assess past and future impacts and feedbacks of the degradation of ice-rich permafrost on hydrology and climate of a certain region.
N2  - Die gegenwärtige Klimaerwärmung wirkt sich auf arktische Regionen stärker aus als auf andere Gebiete der Erde. Das hat weitreichende Konsequenzen für Permafrost, der weite Teile der terrestrischen Arktis unterlagert. Das Tauen von Permafrost kann zur Freisetzung erheblicher Mengen an Treibhausgasen sowie zu gravierenden Änderungen in der Geomorphologie, Hydrologie und Ökologie betroffener Landschaften führen, was wiederum als positive Rückkopplung auf das Klimasystem wirken kann. Ausgedehnte Gebiete der ostsibirischen Tiefländer, die mit Permafrost des Yedoma Eiskomplex unterlagert sind, gelten aufgrund des hohen Eisgehalts dieser Permafrostablagerungen als besonders empfindlich gegenüber Klimaerwärmungen. Thermokarst und Thermoerosion sind zwei Hauptformen der Permafrostdegradation in periglazialen Landschaften. Die zugehörigen Landschaftsformen sind auf der regionalen Skala bedeutende Indikatoren klimainduzierter Umweltvariationen. Thermokarstseen und senken (Alasse) sowie Thermoerosionstäler sind in den Küstentiefländern der Laptewsee weit verbreitet. Die vorliegende Dissertation untersucht die räumliche Verbreitung und die morphometrischen Eigenschaften dieser Degradationsformen mit dem Ziel, ihre Entwicklungsbedingungen während des Holozäns zu rekonstruieren und Hinweise auf potenzielle Auswirkungen zukünftiger Permafrostdegradation im Zuge der erwarteten Klimaerwärmung abzuleiten. Der methodische Ansatz ist eine Kombination aus Fernerkundungs-, Geoinformations- und Geländeuntersuchungen, die Analysen auf lokalen bis regionalen räumlichen Skalen integriert. Thermokarst und Thermoerosion haben die Untersuchungsregion tiefgreifend geprägt. Im Eiskomplexgebiet des Lena-Deltas nehmen Thermokarstsenken eine weitaus größere Fläche ein als Thermokarstseen auf Yedoma-Hochflächen (20,0 bzw. 2,2 %), was darauf hin deutet, dass die Bedingungen für die Entwicklung von großflächigem Thermokarst in der Vergangenheit wesentlich günstiger waren als heute. Die Rekonstruktion der Entwicklung eines einzelnen Alas im Lena-Delta belegt eine andauernde Phase hoher Thermokarstaktivität seit dem Übergang vom Pleistozän zum Holozän, die zur Entstehung einer großen und tiefen Senke führte. Nach der Drainage des primären Thermokarstsees im mittleren Holozän erfolgten Permafrostaggradation und degradation parallel und in kürzeren abwechselnden Etappen innerhalb des Alas und führten zu einer komplexen Thermokarstlandschaft. Trotzdem die spätholozäne Thermokarstentwicklung im Alas dynamischer ablief als die erste Entwicklungsphase, resultierte sie nicht in der Degradation großer Teile pleistozäner Eiskomplexablagerungen und einer wesentlichen Veränderung des Yedoma-Reliefs. Weitere Thermokarstentwicklung in bestehenden Alassen ist begrenzt auf geringmächtige Lagen holozäner eisreicher Alas-Sedimente, da die Eiskomplexablagerungen unter den großen primären Thermokarstseen vollständig getaut waren und die unterlagernden Sedimente aus eisarmen, fluvialen Sanden bestehen. Thermokarstprozesse auf ungestörten Yedoma-Hochflächen wirken am stärksten verändernd auf Eiskomplexablagerungen, werden aber in Zukunft auf geringere Ausmaße begrenzt sein, da die Verfügbarkeit großer ungestörter, schwach drainierter Yedoma-Hochflächen abnimmt. Auf der Insel Kurungnakh im zentralen Lena-Delta beträgt der für zukünftige Thermokarstentwicklung verfügbare Anteil an Yedoma-Hochflächen nur 33,7 %. Die zunehmende Nähe von sich entwickelnden Thermokarstseen auf Yedoma-Hochflächen zu bestehenden Degradationsstrukturen und anderen negativen Reliefformen verringert die Möglichkeit der Thermokarstseen, große Ausmaße zu erreichen bevor sie drainieren. Die Drainage von Thermokarstseen durch Thermoerosion ist in der Untersuchungsregion weit verbreitet, aber Thermoerosionstäler versorgen Thermokarstseen und –senken auch mit Wasser. Neben diesen direkten hydrologischen Wechselwirkungen zwischen Thermokarst und Thermoerosion auf der lokalen Ebene existiert auch eine Interdependenz zwischen beiden Prozessen auf der regionalen Ebene. Eine regionale Analyse weitreichender Netze von Thermoerosionstälern in drei Tieflandgebieten der Laptewsee mit einer Fläche von insgesamt 5800 km² zeigte, dass diese Formen häufiger in Gebieten mit höheren Geländeneigungen und Reliefgradienten auftreten, während Thermokarstentwicklung stärker in flachen Tiefländern mit geringeren Reliefgradienten ausgeprägt ist. Die kombinierten Ergebnisse dieser Dissertation zeigen die Notwendigkeit von umfassenden Analysen beider Prozesse und Landschaftsformen, Thermokarst und Thermoerosion, im Hinblick auf die Abschätzung vergangener und zukünftiger Auswirkungen der Degradation eisreichen Permafrosts auf Hydrologie und Klima der betrachteten Region und deren Rückkopplungen.
KW  - Fernerkundung
KW  - GIS
KW  - räumliche Analyse
KW  - periglaziale Landschaften
KW  - Arktis
KW  - remote sensing
KW  - GIS
KW  - spatial analyses
KW  - periglacial landscapes
KW  - Arctic
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62079
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mester, Benedikt
T1  - Modeling flood-induced human displacement risk under global change
T1  - Modellierung des hochwasserbedingten Risikos der Vertreibung von Menschen unter globalen Veränderungen
N2  - Extreme flooding displaces an average of 12 million people every year. Marginalized populations in low-income countries are in particular at high risk, but also industrialized countries are susceptible to displacement and its inherent societal impacts. The risk of being displaced results from a complex interaction of flood hazard, population exposed in the floodplains, and socio-economic vulnerability. Ongoing global warming changes the intensity, frequency, and duration of flood hazards, undermining existing protection measures. Meanwhile, settlements in attractive yet hazardous flood-prone areas have led to a higher degree of population exposure. Finally, the vulnerability to displacement is altered by demographic and social change, shifting economic power, urbanization, and technological development. These risk components have been investigated intensively in the context of loss of life and economic damage, however, only little is known about the risk of displacement under global change.
This thesis aims to improve our understanding of flood-induced displacement risk under global climate change and socio-economic change. This objective is tackled by addressing the following three research questions. First, by focusing on the choice of input data, how well can a global flood modeling chain reproduce flood hazards of historic events that lead to displacement? Second, what are the socio-economic characteristics that shape the vulnerability to displacement? Finally, to what degree has climate change potentially contributed to recent flood-induced displacement events?
To answer the first question, a global flood modeling chain is evaluated by comparing simulated flood extent with satellite-derived inundation information for eight major flood events. A focus is set on the sensitivity to different combinations of the underlying climate reanalysis datasets and global hydrological models which serve as an input for the global hydraulic model. An evaluation scheme of performance scores shows that simulated flood extent is mostly overestimated without the consideration of flood protection and only for a few events dependent on the choice of global hydrological models. Results are more sensitive to the underlying climate forcing, with two datasets differing substantially from a third one. In contrast, the incorporation of flood protection standards results in an underestimation of flood extent, pointing to potential deficiencies in the protection level estimates or the flood frequency distribution within the modeling chain.
Following the analysis of a physical flood hazard model, the socio-economic drivers of vulnerability to displacement are investigated in the next step. For this purpose, a satellite- based, global collection of flood footprints is linked with two disaster inventories to match societal impacts with the corresponding flood hazard. For each event the number of affected population, assets, and critical infrastructure, as well as socio-economic indicators are computed. The resulting datasets are made publicly available and contain 335 displacement events and 695 mortality/damage events. Based on this new data product, event-specific displacement vulnerabilities are determined and multiple (national) dependencies with the socio-economic predictors are derived. The results suggest that economic prosperity only partially shapes vulnerability to displacement; urbanization, infant mortality rate, the share of elderly, population density and critical infrastructure exhibit a stronger functional relationship, suggesting that higher levels of development are generally associated with lower vulnerability.
Besides examining the contextual drivers of vulnerability, the role of climate change in the context of human displacement is also being explored. An impact attribution approach is applied on the example of Cyclone Idai and associated extreme coastal flooding in Mozambique. A combination of coastal flood modeling and satellite imagery is used to construct factual and counterfactual flood events. This storyline-type attribution method allows investigating the isolated or combined effects of sea level rise and the intensification of cyclone wind speeds on coastal flooding. The results suggest that displacement risk has increased by 3.1 to 3.5% due to the total effects of climate change on coastal flooding, with the effects of increasing wind speed being the dominant factor.
In conclusion, this thesis highlights the potentials and challenges of modeling flood- induced displacement risk. While this work explores the sensitivity of global flood modeling to the choice of input data, new questions arise on how to effectively improve the reproduction of flood return periods and the representation of protection levels. It is also demonstrated that disentangling displacement vulnerabilities is feasible, with the results providing useful information for risk assessments, effective humanitarian aid, and disaster relief. The impact attribution study is a first step in assessing the effects of global warming on displacement risk, leading to new research challenges, e.g., coupling fluvial and coastal flood models or the attribution of other hazard types and displacement events. This thesis is one of the first to address flood-induced displacement risk from a global perspective. The findings motivate for further development of the global flood modeling chain to improve our understanding of displacement vulnerability and the effects of global warming.
N2  - Durch extreme Überschwemmungen werden jedes Jahr durchschnittlich 12 Millionen Menschen vertrieben. Vor allem marginalisierte Bevölkerungsgruppen in Ländern mit niedrigem Einkommen sind stark gefährdet, aber auch Industrieländer sind anfällig für Vertreibungen und die damit verbundenen gesellschaftlichen Auswirkungen. Das Risiko der Vertreibung ergibt sich aus einer komplexen Wechselwirkung zwischen der Hochwassergefahr, der Exposition der in den Überschwemmungsgebieten lebenden Bevölkerung und der sozioökonomischen Vulnerabilität. Die fortschreitende globale Erderwärmung verändert die Intensität, Häufigkeit und Dauer von Hochwassergefahren und untergräbt die bestehenden Schutzmaßnahmen. Gleichzeitig hat die Besiedlung attraktiver, aber gefährdeter Überschwemmungsgebiete zu einem höheren Maß an Exposition der Bevölkerung geführt. Schließlich wird die Vulnerabilität für Vertreibungen durch den demografischen und sozialen Wandel, die Verlagerung der Wirtschaftskräfte, die Urbanisierung und die technologische Entwicklung verändert. Diese Risikokomponenten wurden im Zusammenhang mit dem Verlust von Menschenleben und wirtschaftlichen Schäden intensiv untersucht, über das Risiko der Vertreibung im Rahmen des globalen Wandels ist jedoch nur wenig bekannt.
Diese Arbeit zielt darauf ab, unser Verständnis des durch Überschwemmungen verursachten Vertreibungsrisikos unter dem Einfluss des globalen Klimawandels und des sozioökonomischen Wandels zu verbessern. Dieses Ziel wird durch die Beantwortung der folgenden drei Forschungsfragen erreicht. Erstens: Wie gut kann eine globale Hochwassermodellierungskette die Hochwassergefahren historischer Ereignisse, die zu Vertreibung geführt haben, reproduzieren, wobei ein Fokus auf die Wahl der Eingangsdaten gelegt wird? Zweitens: Welches sind die sozioökonomischen Merkmale, die die Vulnerabilität für Vertreibung beeinflussen? Und schließlich, inwieweit hat der Klimawandel möglicherweise zu den jüngsten hochwasserbedingten Vertreibungsereignissen beigetragen?
Zur Beantwortung der ersten Frage wird eine globale Hochwassermodellierungskette durch den Vergleich der simulierten Überschwemmungsfläche mit satellitengestützten Überschwemmungsdaten für acht große Hochwasserereignisse überprüft. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Sensitivität gegenüber verschiedenen Kombinationen der zugrunde liegenden Klimareanalysedatensätzen und globalen hydrologischen Modellen, die als Input für das globale Hydraulikmodell dienen. Ein Bewertungsschema von Leistungsindikatoren zeigt, dass die simulierte Überschwemmungsfläche ohne Berücksichtigung des Hochwasserschutzes meist überschätzt wird und nur bei wenigen Ereignissen von der Wahl der globalen hydrologischen Modelle abhängt. Die Ergebnisse sind empfindlicher gegenüber dem zugrunde liegenden Climate Forcing, wobei sich zwei Datensätze erheblich von einem dritten unterscheiden. Im Gegensatz dazu führt die Einbeziehung von Hochwasserschutznormen zu einer Unterschätzung der Überschwemmungsfläche, was auf mögliche Mängel bei der Schätzung des Schutzniveaus oder der Hochwasserhäufigkeitsverteilung innerhalb der Modellierungskette hinweist.
Nach der Analyse des physikalischen Hochwassergefahrenmodells werden in einem nächsten Schritt die sozioökonomischen Triebkräfte für die Vulnerabilität für Vertreibungen untersucht. Zu diesem Zweck wird eine satellitengestützte, globale Sammlung von Hochwasseüberschwemmungsflächen mit zwei Katastrophendatenbänken verknüpft, um die gesellschaftlichen Auswirkungen mit der entsprechenden Hochwassergefahr zusammenzuführen. Für jedes Ereignis werden die Anzahl der betroffenen Menschen, Vermögenswerte und kritischen Infrastrukturen sowie sozioökonomische Indikatoren berechnet. Die daraus resultierenden Datensätze werden öffentlich zugänglich gemacht und enthalten 335 Vertreibungsereignisse und 695 Todesopfer-/Schadensereignisse. Auf der Grundlage dieses neuen Datenprodukts werden ereignisspezifische Vertreibungsvulnerabilitäten bestimmt und vielfältige (nationale) Abhängigkeiten mit den sozioökonomischen Prädiktoren abgeleitet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass wirtschaftlicher Wohlstand nur teilweise die Anfälligkeit für Vertreibungen beeinflusst; Urbanisierung, Kindersterblichkeitsrate, der Anteil älterer Menschen, Bevölkerungsdichte und kritische Infrastrukturen weisen eine stärkere funktionale Beziehung auf, was den Schluss zulässt, dass ein höheres Entwicklungsniveau im Allgemeinen mit einer geringeren Vulnerabilität verbunden ist.
Neben der Untersuchung der kontextabhängigen Faktoren der Vulnerabilität wird auch die Rolle des Klimawandels im Zusammenhang mit der Vertreibung von Menschen untersucht. Am Beispiel des Zyklons Idai und den damit verbundenen extremen Küstenüberschwemmungen in Mosambik wird ein Ansatz zur Attribution der Auswirkungen angewandt. Eine Kombination aus Küstenüberflutungsmodellierung und Satellitenbildern wird verwendet, um faktische und kontrafaktische Überschwemmungsereignisse zu konstruieren. Diese Storyline-artige Attributionsmethode ermöglicht die Untersuchung der isolierten oder kombinierten Auswirkungen des Meeresspiegelanstiegs und der Intensivierung der Windgeschwindigkeiten von Zyklonen auf die Küstenüberflutung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Vertreibungsrisiko durch die Gesamtwirkung des Klimawandels auf Küstenüberschwemmungen um 3,1 bis 3,5 % gestiegen ist, wobei die Auswirkungen der zunehmenden Windgeschwindigkeit der dominierende Faktor sind.
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die Potentiale und Herausforderungen der Modellierung von hochwasserbedingten Vertreibungsrisiken auf. Während diese Arbeit die Sensitivität der globalen Hochwassermodellierung in Bezug auf die Wahl der Eingabedaten untersucht, ergeben sich neue Fragen, wie die Reproduktion von Wiederkehrintervallen und die Darstellung von Schutzniveaus effektiv verbessert werden kann. Die Ergebnisse liefern nützliche Informationen für Risikobewertungen, effektive humanitäre Hilfe und Katastrophenhilfe. Die Studie zur Auswirkungs-Attribution ist ein erster Schritt zur Bewertung der Effekte der globalen Erwärmung auf das Vertreibungsrisiko und führt zu neuen Forschungsherausforderungen, z. B. zur Kopplung von Fluss- und Küstenhochwassermodellen oder zur Untersuchung anderer Gefahrenarten. Diese Arbeit ist eine der ersten, die das durch Überschwemmungen verursachte Vertreibungsrisiko aus einer globalen Perspektive heraus betrachtet. Die Ergebnisse motivieren dazu, die globale Hochwassermodellierungskette weiterzuentwickeln, um unser Verständnis der Vertreibungsvulnerabilität und der Auswirkungen der globalen Erderwärmung zu vertiefen.
KW  - displacement
KW  - flooding
KW  - remote sensing
KW  - vulnerability
KW  - global flood model
KW  - Vertreibung
KW  - Überschwemmungen
KW  - Fernerkundung
KW  - Vulnerabilität
KW  - globales Überschwemmungsmodell
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-609293
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hoffmann, Anne
T1  - Comparative aerosol studies based on multi-wavelength Raman LIDAR at Ny-Ålesund, Spitsbergen
T1  - Vergleichende Aerosolstudien mittels Mehrwellenlängen-Raman-LIDAR in Ny-Ålesund,Spitzbergen
N2  - The Arctic is a particularly sensitive area with respect to climate change due to the high surface albedo of snow and ice and the extreme radiative conditions. Clouds and aerosols as parts of the Arctic atmosphere play an important role in the radiation budget, which is, as yet, poorly quantified and understood. The LIDAR (Light Detection And Ranging) measurements presented in this PhD thesis contribute with continuous altitude resolved aerosol profiles to the understanding of occurrence and characteristics of aerosol layers above Ny-Ålesund, Spitsbergen. The attention was turned to the analysis of periods with high aerosol load. As the Arctic spring troposphere exhibits maximum aerosol optical depths (AODs) each year, March and April of both the years 2007 and 2009 were analyzed. Furthermore, stratospheric aerosol layers of volcanic origin were analyzed for several months, subsequently to the eruptions of the Kasatochi and Sarychev volcanoes in summer 2008 and 2009, respectively. The Koldewey Aerosol Raman LIDAR (KARL) is an instrument for the active remote sensing of atmospheric parameters using pulsed laser radiation. It is operated at the AWIPEV research base and was fundamentally upgraded within the framework of this PhD project. It is now equipped with a new telescope mirror and new detection optics, which facilitate atmospheric profiling from 450m above sea level up to the mid-stratosphere. KARL provides highly resolved profiles of the scattering characteristics of aerosol and cloud particles (backscattering, extinction and depolarization) as well as water vapor profiles within the lower troposphere. Combination of KARL data with data from other instruments on site, namely radiosondes, sun photometer, Micro Pulse LIDAR, and tethersonde system, resulted in a comprehensive data set of scattering phenomena in the Arctic atmosphere. The two spring periods March and April 2007 and 2009 were at first analyzed based on meteorological parameters, like local temperature and relative humidity profiles as well as large scale pressure patterns and air mass origin regions. Here, it was not possible to find a clear correlation between enhanced AOD and air mass origin. However, in a comparison of two cloud free periods in March 2007 and April 2009, large AOD values in 2009 coincided with air mass transport through the central Arctic. This suggests the occurrence of aerosol transformation processes during the aerosol transport to Ny-Ålesund. Measurements on 4 April 2009 revealed maximum AOD values of up to 0.12 and aerosol size distributions changing with altitude. This and other performed case studies suggest the differentiation between three aerosol event types and their origin: Vertically limited aerosol layers in dry air, highly variable hygroscopic boundary layer aerosols and enhanced aerosol load across wide portions of the troposphere. For the spring period 2007, the available KARL data were statistically analyzed using a characterization scheme, which is based on optical characteristics of the scattering particles. The scheme was validated using several case studies. Volcanic eruptions in the northern hemisphere in August 2008 and June 2009 arose the opportunity to analyze volcanic aerosol layers within the stratosphere. The rate of stratospheric AOD change was similar within both years with maximum values above 0.1 about three to five weeks after the respective eruption. In both years, the stratospheric AOD persisted at higher rates than usual until the measurements were stopped in late September due to technical reasons. In 2008, up to three aerosol layers were detected, the layer structure in 2009 was characterized by up to six distinct and thin layers which smeared out to one broad layer after about two months. The lowermost aerosol layer was continuously detected at the tropopause altitude. Three case studies were performed, all revealed rather large indices of refraction of m = (1.53–1.55) - 0.02i, suggesting the presence of an absorbing carbonaceous component. The particle radius, derived with inversion calculations, was also similar in both years with values ranging from 0.16 to 0.19 μm. However, in 2009, a second mode in the size distribution was detected at about 0.5 μm. The long term measurements with the Koldewey Aerosol Raman LIDAR in Ny-Ålesund provide the opportunity to study Arctic aerosols in the troposphere and the stratosphere not only in case studies but on longer time scales. In this PhD thesis, both, tropospheric aerosols in the Arctic spring and stratospheric aerosols following volcanic eruptions have been described qualitatively and quantitatively. Case studies and comparative studies with data of other instruments on site allowed for the analysis of microphysical aerosol characteristics and their temporal evolution.
N2  - Die Arktis ist ein bezüglich Klimaveränderungen besonders sensitives Gebiet, d.h. die globale Erwärmung wirkt sich aufgrund der saisonal hochvariablen Strahlungsbedingungen und der Bodenalbedo dort verstärkt aus.Wolken und Aerosole als Bestandteile der arktischen Atmosphäre spielen dabei eine besondere Rolle im Strahlungsgleichgewicht. Die vorliegende Promotionsarbeit leistet mit Hilfe von LIDAR-Messungen (Light Detection and Ranging) einen Beitrag zum Verständnis von Vorkommen und Eigenschaften von Aerosolschichten über Ny-Ålesund, Spitzbergen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Analyse von Zeiträumen mit erhöhter Aerosolbelastung. Es wurde zum einen die arktische Troposphäre zweier Frühjahre (März und April der Jahre 2007 und 2009) untersucht, da im Frühjahr die Aerosol-optische Dicke (AOD) in der Arktis Maximalwerte erreicht. Zum anderen wurden stratosphärische Aerosolschichten vulkanischen Ursprungs analysiert, die in den Sommern 2008 und 2009 nach Ausbrüchen der Kasatochi und Sarychev Vulkane jeweils für mehrere Monate in der unteren Stratosphäre messbar waren. Das an der AWIPEV Forschungsstation betriebene Koldewey Aerosol Raman LIDAR (KARL), ein Instrument zur optischen Fernerkundung atmosphärischer Parameter mittels gepulster Laserstrahlung, wurde im Rahmen der Promotion grundlegend überarbeitet und mit einem neuen Teleskop sowie neuen Detektoroptiken versehen. Dies ermöglicht die Profilerfassung ab 450m über dem Meeresspiegel bis in die mittlere Stratosphäre. KARL liefert hochaufgelöste Messungen der Streueigenschaften von Aerosol- undWolkenteilchen (Rückstreuung, Extinktion und Depolarisation) sowieWasserdampfprofile in der unteren Troposphäre. Durch die Kombination von KARL Messungen mit Daten anderer Messgeräte an der AWIPEV Forschungsstation wie Radiosonden, Sonnenphotometer, Micro Pulse LIDAR und Fesselsonden wurde ein umfassender Datenbestand von Streuphänomenen in der arktischen Atmosphäre geschaffen. Die beiden genannten Frühjahreszeiträume März und April 2007 und 2009 wurden zunächst anhand meteorologischer Parameter, wie lokaler Temperatur- und Feuchteprofile sowie großskaliger Druckmuster und Luftmassenquellgebiete analysiert. Dabei konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Quellgebieten und erhöhter AOD festgestellt werden. In einem Vergleich zweier wolkenfreier Perioden im März 2007 und April 2009 war jedoch die höhere Aerosolbelastung in 2009 mit dem Transport von Luftmassen durch die innere Arktis verbunden. Aufgrund der begrenzten Lebensdauer von Aerosolen lässt das entweder Aerosol-Entstehungsprozesse in der Zentralarktis oder Transformationsprozesse während des Transportes nach Ny-Ålesund vermuten. Für Messungen am 4. April 2009 mit Maximalwerten der AOD von bis zu 0.12 konnte die Größe der Aerosolteilchen in verschiedenen Höhen mit Hilfe von Inversionsrechnungen abgeschätzt werden. Diese und andere betrachtete Fallstudien legen eine Unterscheidung von Aerosolereignissen in drei Kategorien nahe, die sich in ihrer Entstehung deutlich unterscheiden: Vertikal begrenzte Aeosolschichten in trockener Luft, zeitlich hochvariable feuchte Aerosolschichten in der planetaren Grenzschicht sowie eine erhöhte Aerosolbelastung über große Teile der Troposphäre. Für das sehr klare Frühjahr 2007 wurden die vorhandenen KARL-Daten mit Hilfe eines Klassifikationsschemas, das auf den optischen Eigenschaften der streuenden Teilchen beruht, statistisch ausgewertet. Das verwendete Schema wurde mit Hilfe von verschiedenen Fallstudien validiert und ermöglicht bei Anwendung auf größere Datenbestände eine aussagekräftige Analyse von jährlichen Schwankungen der Aerosol- und Wolkenvorkommen über Ny-Ålesund. Die Ausbrüche zweier Vulkane in der nördlichen Hemisphäre im August 2008 und im Juni 2009 erlaubten die Analyse vulkanischer Aerosolschichten in der Stratosphäre. Die zeitliche Entwicklung der stratosphärischen AOD verlief in beiden Jahren ähnlich mit Maximalwerten von über 0.1 etwa drei bis fünfWochen nach dem jeweiligen Ausbruch. In beiden Jahren wurden bis zum technisch bedingten Abbruch der Messungen jeweils Ende September erhöhte stratosphärische AOD Werte gemessen. Die niedrigste Aerosolschicht konnte jeweils direkt an der Tropopause detektiert werden. Im Jahr 2008 wurden bis zu drei Schichten detektiert, die Struktur 2009 war durch bis zu sechs schmale Schichten gekennzeichnet, die nach etwa zwei Monaten zu einer breiten Schicht verschmierten. Drei Fallstudien zu mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften wurden durchgeführt. Dabei wurden für beide Jahre sehr große Brechungsindices von m=(1.53–1.55) - 0.02i ermittelt, die auf eine absorbierende Kohlenstoffkomponente der Vulkanaerosole hinweisen. Der errechnete Teilchenradius war ebenfalls in beiden Jahren vergleichbar mit Werten zwischen 0.16 und 0.19 μm. 2009 wurde zusätzlich ein zweites Maximum der Größenverteilung bei ca. 0.5μm gefunden. Die Langzeitmessungen mit dem Koldewey Aerosol Raman LIDAR KARL in Ny-Ålesund schaffen die Möglichkeit, arktische Aerosole in Troposphäre und Stratosphäre nicht nur in Fallstudien, sondern auch über längere Zeiträume hinweg zu analysieren. Im Rahmen dieser Promotionsarbeit konnten sowohl Aerosolvorkommen in der arktischen Troposphäre im Frühjahr als auch eine vulkanisch bedingte erhöhte Aerosolbelastung in der Stratosphäre qualitativ und quantitativ beschrieben werden. Fallstudien und die Kombination mit Daten anderer Messgeräte ermöglichten Analysen mikrophysikalischer Aerosolparameter und deren Entwicklungsprozesse.
KW  - Arktis
KW  - Lidar
KW  - Aerosole
KW  - Fernerkundung
KW  - Arctic
KW  - Lidar
KW  - Aerosols
KW  - Remote Sensing
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52426
ER  -