TY - THES A1 - Lehmann, Lukas T1 - Performance Test von Phasenpickern T1 - Performance test of phase pickers N2 - Die genauen Einsatzzeiten seismischer P-Phasen von Erdbeben werden in SeisComP3 und anderen Auswerteprogrammen standardmäßig und in Echtzeit automatisch bestimmt. S-Phasen stellen dagegen eine weit größere Herausforderung dar. Nur mit genauen Picks der P- bzw. S-Phasen können die Erdbebenlokationen korrekt und stabil bestimmt werden. Darum besteht erhebliches Interesse, diese mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit war es, vier verschiedene, bereits vorhandene S-Phasenpicker auf ausgewählte Parameter optimal zu konfigurieren, auf Testdaten anzuwenden und deren Leistungsfähigkeit objektiv zu bewerten. Dazu wurden ein S-Picker (S-L2) aus dem OpenSource SeisComp3-Programmpaket, zwei S-Picker (S-AIC, S-AIC-V) als kommerzielles Modul der Firma gempa GmbH für SeisComP3 und ein S-Picker (Frequenzband) aus dem OpenSource PhasePaPy-Paket ausgewählt. Die Bewertung erfolgte durch Vergleich automatischer Picks mit manuell bestimmten Einsatzzeiten. Alle vier Picker wurden separat konfiguriert und auf drei verschiedene Datensätze von Erdbeben in N-Chile und im Vogtland, Deutschland, angewandt. Dazu wurden regional bzw. lokal typische Erdbeben zufällig ausgewählt und die P- und S-Phasen manuell bestimmt. Mit den zu testenden S-Pickeralgorithmen wurden dieselben Daten durchsucht und die Picks automatisch bestimmt. Die Konfigurationen der Picker wurden gleichzeitig automatisch und objektiv durch iterative Anpassung optimiert. Ein neu erstelltes Bewertungssystem vergleicht die manuellen und die automatisch gefundenen S-Picks anhand von definierten Qualitätsfaktoren. Die Qualitätsfaktoren sind: der Mittelwert und die Standardabweichung der zeitlichen Differenzen zwischen den S-Picks, die Anzahl an übereinstimmenden S-Picks, die Prozentangaben über mögliche S-Picks und die benötigt Rechenzeit. Die objektive Bewertung erfolgte anhand eines Scores. Der Scorewert ergibt sich aus der gewichteten Summe folgender normierter Qualitätsfaktoren: Standardabweichung (20%), Mittelwert (20%) und Prozentangabe über mögliche S-Picks (60%). Konfigurationen mit hohem Score werden bevorzugt. Die bevorzugten Konfigurationen der verschiedenen Picker wurden miteinander verglichen, um den am besten geeigneten S-Pickeralgorithmus zu bestimmen. Allgemein zeigt sich, dass der S-AIC Picker für jeden der drei Datensätze die höchsten Scores und damit die besten Ergebnisse liefert. Dabei wurde für jeden Datensatz ein andere Konfiguration der Parameter des S-AIC Pickers als die am besten geeignete bezeichnet. Daher ist für jede Erdbebenregion eine andere Konfigurationen erforderlich, um optimale Ergebnisse mit diesem S-Picker zu bekommen. N2 - The exact onset times of seismic P phases are automatically determined in analysis programs like SeisComP3 by default and in real-time. However the S phases are more challenging. To get an exact and stable result for earthquake location determination both, the P and the S phases, have to be picked accurate. The aim of this bachelor thesis was to optimize four different existing S phase pickers for different parameters, to apply these to data and to evaluate the results objectively. The chosen pickers were one S picker (S-L2) from the OpenSource SeisComp3 program package, two S pickers (S-AIC, S-AIC-V) as commercial module of the company gempa GmbH for SeisComp3 and one S picker (Frequency Band) from the OpenSource PhasePaPy package. The evaluation was based on the comparison between automatic and manually determined onset times. All those four pickers were configured separately and applied to three different records of earthquakes from northern Chile and Vogtland, Germany. The data sets consist of regional and/or local typical randomly chosen earthquakes for which both P and S phases were manually picked. The tested S pick algorithms determined the automatic picks for the exact same records. A newly created evaluation system compares the manual and the automatic S picks for predefined quality factors. These factors are: the mean and the standard deviation of the pick time differences, the number of corresponding S picks, the rates of possible S picks and the needed calculation time. The objectively rating was based on a score value. This value is calculated by a weighted sum of the following normalized quality factors: standard deviation (20%), mean (20%) and the rate of possible S picks (60%). The higher the score the better the configuration. The best configurations of the tested S pickers were compared to find the best algorithm, dataset wise. In general it is shown that the S-AIC picker has for each data set the highest score value and as a result it is named the best picker algorithm. But for each data set the picker has a different set of parameters which were determined as the best ones. For that reason there is a need to change the configuration for every earthquake location and field of application to find the best results with the S-AIC picker algorithm. KW - Geophysik KW - Seismologie KW - Erdbeben KW - Phasenpicker KW - S-Phase KW - SeisComP3 KW - PhasePaPy KW - geophysics KW - seismology KW - earthquake KW - phasepicker KW - S Phase KW - SeisComP3 KW - PhasePaPy KW - Picker KW - picker KW - Einsatzzeiten KW - onset times Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-401993 ER - TY - CHAP A1 - López-Tarazón, José Andrés A1 - Bronstert, Axel A1 - Thieken, Annegret A1 - Petrow, Theresia ED - López-Tarazón, José Andrés ED - Bronstert, Axel ED - Thieken, Annegret ED - Petrow, Theresia T1 - International symposium on the effects of global change on floods, fluvial geomorphology and related hazards in mountainous rivers T2 - Book of Abstracts N2 - Both Alpine and Mediterranean areas are considered sensitive to so-called global change, considered as the combination of climate and land use changes. All panels on climate evolution predict future scenarios of increasing frequency and magnitude of floods which are likely to lead to huge geomorphic adjustments of river channels so major metamorphosis of fluvial systems is expected as a result of global change. Such pressures are likely to give rise to major ecological and economic changes and challenges that governments need to address as a matter of priority. Changes in river flow regimes associated with global change are therefore ushering in a new era, where there is a critical need to evaluate hydro-geomorphological hazards from headwaters to lowland areas (flooding can be not just a problem related to being under the water). A key question is how our understanding of these hazards associated with global change can be improved; improvement has to come from integrated research which includes the climatological and physical conditions that could influence the hydrology and sediment generation and hence the conveyance of water and sediments (including the river’s capacity, i.e. amount of sediment, and competence, i.e. channel deformation) and the vulnerabilities and economic repercussions of changing hydrological hazards (including the evaluation of the hydro-geomorphological risks too). Within this framework, the purpose of this international symposium is to bring together researchers from several disciplines as hydrology, fluvial geomorphology, hydraulic engineering, environmental science, geography, economy (and any other related discipline) to discuss the effects of global change over the river system in relation with floods. The symposium is organized by means of invited talks given by prominent experts, oral lectures, poster sessions and discussion sessions for each individual topic; it will try to improve our understanding of how rivers are likely to evolve as a result of global change and hence address the associated hazards of that fluvial environmental change concerning flooding. Four main topics are going to be addressed: - Modelling global change (i.e. climate and land-use) at relevant spatial (regional, local) and temporal (from the long-term to the single-event) scales. - Measuring and modelling river floods from the hydrological, sediment transport (both suspended and bedload) and channel morphology points of view at different spatial (from the catchment to the reach) and temporal (from the long-term to the single-event) scales. - Evaluation and assessment of current and future river flooding hazards and risks in a global change perspective. - Catchment management to face river floods in a changing world. We are very pleased to welcome you to Potsdam. We hope you will enjoy your participation at the International Symposium on the Effects of Global Change on Floods, Fluvial Geomorphology and Related Hazards in Mountainous Rivers and have an exciting and profitable experience. Finally, we would like to thank all speakers, participants, supporters, and sponsors for their contributions that for sure will make of this event a very remarkable and fruitful meeting. We acknowledge the valuable support of the European Commission (Marie Curie Intra-European Fellowship, Project ‘‘Floodhazards’’, PIEF-GA-2013-622468, Seventh EU Framework Programme) and the Deutschen Forschungsgemeinschaft (Research Training Group “Natural Hazards and Risks in a Changing World” (NatRiskChange; GRK 2043/1) as the symposium would not have been possible without their help. Without your cooperation, this symposium would not be either possible or successful. KW - natural hazards KW - mountainous rivers KW - floods KW - global change KW - geomorphology Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396922 ER - TY - GEN A1 - Malinowski, Radosław A1 - Groom, Geoff A1 - Schwanghart, Wolfgang A1 - Heckrath, Goswin T1 - Detection and delineation of localized flooding from WorldView-2 multispectral data N2 - Remote sensing technology serves as a powerful tool for analyzing geospatial characteristics of flood inundation events at various scales. However, the performance of remote sensing methods depends heavily on the flood characteristics and landscape settings. Difficulties might be encountered in mapping the extent of localized flooding with shallow water on riverine floodplain areas, where patches of herbaceous vegetation are interspersed with open water surfaces. To address the difficulties in mapping inundation on areas with complex water and vegetation compositions, a high spatial resolution dataset has to be used to reduce the problem of mixed pixels. The main objective of our study was to investigate the possibilities of using a single date WorldView-2 image of very high spatial resolution and supporting data to analyze spatial patterns of localized flooding on a riverine floodplain. We used a decision tree algorithm with various combinations of input variables including spectral bands of the WorldView-2 image, selected spectral indices dedicated to mapping water surfaces and vegetation, and topographic data. The overall accuracies of the twelve flood extent maps derived with the decision tree method and performed on both pixels and image objects ranged between 77% and 95%. The highest mapping overall accuracy was achieved with a method that utilized all available input data and the object-based image analysis. Our study demonstrates the possibility of using single date WorldView-2 data for analyzing flooding events at high spatial detail despite the absence of spectral bands from the short-waveform region that are frequently used in water related studies. Our study also highlights the importance of topographic data in inundation analyses. The greatest difficulties were met in mapping water surfaces under dense canopy herbaceous vegetation, due to limited water surface exposure and the dominance of vegetation reflectance. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 348 KW - decision tree KW - floodplain KW - inundation KW - localized flooding KW - object-based image analysis KW - wetlands KW - WorldView-2 Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400149 ER - TY - THES A1 - Meier, Tobias T1 - Borehole Breakouts in Transversely Isotropic Posidonia Shale T1 - Bohrlochrandausbrüche in transversal isotropen Posidonienschiefer N2 - Borehole instabilities are frequently encountered when drilling through finely laminated, organic rich shales (Økland and Cook, 1998; Ottesen, 2010; etc.); such instabilities should be avoided to assure a successful exploitation and safe production of the contained unconventional hydrocarbons. Borehole instabilities, such as borehole breakouts or drilling induced tensile fractures, may lead to poor cementing of the borehole annulus, difficulties with recording and interpretation of geophysical logs, low directional control and in the worst case the loss of the well. If these problems are not recognized and expertly remedied, pollution of the groundwater or the emission of gases into the atmosphere can occur since the migration paths of the hydrocarbons in the subsurface are not yet fully understood (e.g., Davies et al., 2014; Zoback et al., 2010). In addition, it is often mentioned that the drilling problems encountered and the resulting downtimes of the wellbore system in finely laminated shales significantly increase drilling costs (Fjaer et al., 2008; Aadnoy and Ong, 2003). In order to understand and reduce the borehole instabilities during drilling in unconventional shales, we investigate stress-induced irregular extensions of the borehole diameter, which are also referred to as borehole breakouts. For this purpose, experiments with different borehole diameters, bedding plane angles and stress boundary conditions were performed on finely laminated Posidonia shales. The Lower Jurassic Posidonia shale is one of the most productive source rocks for conventional reservoirs in Europe and has the greatest potential for unconventional oil and gas in Europe (Littke et al., 2011). In this work, Posidonia shale specimens from the North (PN) and South (PS) German basins were selected and characterized petrophysically and mechanically. The composition of the two shales is dominated by calcite (47-56%) followed by clays (23-28%) and quartz (16-17%). The remaining components are mainly pyrite and organic matter. The porosity of the shales varies considerably and is up to 10% for PS and 1% for PN, which is due to a larger deposition depth of PN. Both shales show marked elasticity and strength anisotropy, which can be attributed to a macroscopic distribution and orientation of soft and hard minerals. Under load the hard minerals form a load-bearing, supporting structure, while the soft minerals compensate the deformation. Therefore, if loaded parallel to the bedding, the Posidonia shale is more brittle than loaded normal to the bedding. The resulting elastic anisotropy, which can be defined by the ratio of the modulus of elasticity parallel and normal to the bedding, is about 50%, while the strength anisotropy (i.e., the ratio of uniaxial compressive strength normal and parallel to the bedding) is up to 66%. Based on the petrophysical characterization of the two rocks, a transverse isotropy (TVI) was derived. In general, PS is softer and weaker than PN, which is due to the stronger compaction of the material due to the higher burial depth. Conventional triaxial borehole breakout experiments on specimens with different borehole diameters showed that, when the diameter of the borehole is increased, the stress required to initiate borehole breakout decreases to a constant value. This value can be expressed as the ratio of the tangential stress and the uniaxial compressive strength of the rock. The ratio increases exponentially with decreasing borehole diameter from about 2.5 for a 10 mm diameter hole to ~ 7 for a 1 mm borehole (increase of initiation stress by 280%) and can be described by a fracture mechanic based criterion. The reduction in borehole diameter is therefore a considerable aspect in reducing the risk of breakouts. New drilling techniques with significantly reduced borehole diameters, such as "fish-bone" holes, are already underway and are currently being tested (e.g., Xing et al., 2012). The observed strength anisotropy and the TVI material behavior are also reflected in the observed breakout processes at the borehole wall. Drill holes normal to the bedding develop breakouts in a plane of isotropy and are not affected by the strength or elasticity anisotropy. The observed breakouts are point-symmetric and form compressive shear failure planes, which can be predicted by a Mohr-Coulomb failure approach. If the shear failure planes intersect, conjugate breakouts can be described as "dog-eared” breakouts. While the initiation of breakouts for wells oriented normal to the stratification has been triggered by random local defects, reduced strengths parallel to bedding planes are the starting point for breakouts for wells parallel to the bedding. In the case of a deflected borehole trajectory, therefore, the observed failure type changes from shear-induced failure surfaces to buckling failure of individual layer packages. In addition, the breakout depths and widths increased, resulting in a stress-induced enlargement of the borehole cross-section and an increased output of rock material into the borehole. With the transition from shear to buckling failure and changing bedding plane angle with respect to the borehole axis, the stress required for inducing wellbore breakouts drops by 65%. These observations under conventional triaxial stress boundary conditions could also be confirmed under true triaxial stress conditions. Here breakouts grew into the rock as a result of buckling failure, too. In this process, the broken layer packs rotate into the pressure-free drill hole and detach themselves from the surrounding rock by tensile cracking. The final breakout shape in Posidonia shale can be described as trapezoidal when the bedding planes are parallel to the greatest horizontal stress and to the borehole axis. In the event that the largest horizontal stress is normal to the stratification, breakouts were formed entirely by shear fractures between the stratification and required higher stresses to initiate similar to breakouts in conventional triaxial experiments with boreholes oriented normal to the bedding. In the content of this work, a fracture mechanics-based failure criterion for conventional triaxial loading conditions in isotropic rocks (Dresen et al., 2010) has been successfully extended to true triaxial loading conditions in the transverse isotropic rock to predict the initiation of borehole breakouts. The criterion was successfully verified on the experiments carried out. The extended failure criterion and the conclusions from the laboratory and numerical work may help to reduce the risk of borehole breakouts in unconventional shales. N2 - Bei Bohrungen in feinlaminierten, organikreichen Schiefern werden häufig Bohrlochinstabilitäten beobachtet (Økland und Cook, 1998; Ottesen, 2010 und weitere), welche für eine sichere und erfolgreiche Erschließung der darin gespeicherten unkonventionellen Kohlenwasserstoffe vermieden werden sollten. Bohrlochinstabilitäten, wie zum Beispiel Bohrlochrandausbrüche oder bohrungsbedingte Zugrisse, führen unter Umständen zu einer schlechten bzw. unzureichenden Zementierung des Ringraum, zu Schwierigkeiten bei der Aufnahme und späteren Interpretation bohrlochgeophysikalischer Messungen sowie zu einer verringerten Kontrolle über die Auslenkung der Bohrung und im schlimmsten Fall zum Verlust der Bohrung. Werden diese Probleme nicht erkannt und fachmännisch behoben, kann es zur Verschmutzung des Grundwassers oder zum Austritt von Gasen in die Atmosphäre kommen, da die Migrationspfade der Kohlenwasserstoffe im Untergrund noch nicht vollständig verstanden sind (z.B. Davies et al., 2014; Zoback et al., 2010). Darüber hinaus wird häufig erwähnt, dass die angetroffenen Bohrprobleme und die daraus entstehenden Ausfallzeiten der Bohrlochanlage in feinlaminierten Schiefern die Bohrkosten erheblich erhöhen (Fjaer et al., 2008; Aadnoy und Ong, 2003). Um die Bohrlochinstabilitäten während des Bohrens in unkonventionellen Speichergesteinen zu verstehen und zu reduzieren, untersuchen wir in dieser Arbeit spannungsbedingte unregelmäßige Erweiterungen des Bohrlochdurchmessers, die auch als Bohrlochrandausbrüche (borehole breakouts) bezeichnet werden. Dazu wurden Versuche mit unterschiedlichen Bohrlochdurchmessern, Schichteinfallswinkeln und Belastungsrandbedingungen an feinlaminierten Posidonienschiefern durchgeführt. Der aus dem Unteren Jura stammende Posidonienschiefer ist eines der produktivsten Muttergesteine für konventionelle Lagerstätten in Europa und besitzt zeitgleich das größte Potential für unkonventionelles Öl und Gas in Europa (Littke et al., 2011). Im Rahmen dieser Arbeit wurden Posidonienschieferproben aus dem Norddeutschen (PN) und Süddeutschen (PS) Becken ausgewählt und petrophysikalisch sowie mechanisch charakterisiert. Die Zusammensetzung der beiden Schiefer wird dominiert von Kalzit (47-56%) gefolgt von Tonen (23-28%) und Quarz (16-17%). Die verbleibenden Komponenten sind hauptsächlich Pyrit und organische Substanz. Die Porosität des Schiefers schwankt beträchtlich und beträgt bis zu 10% für PS und 1% für PN, was auf eine größere Versenkungstiefe von PN zurückzuführen ist. Beide Schiefer zeigen ausgeprägte Elastizitäts- und Festigkeitsanisotropie, welche einer makroskopischen Verteilung und Orientierung von weichen und harten Mineralen zugeschrieben werden kann. Unter Belastung bilden die harten Minerale eine tragende Struktur, während die weichen Minerale die Verformung kompensieren. Daher verhält sich der Posidonienschiefer bei Belastung parallel zur Schichtfläche spröder als bei einer Belastung normal zur Schichtfläche. Die resultierende elastische Anisotropie, die über das Verhältnis des Elastizitätsmoduls parallel und normal zu Schichtung definiert werden kann, beträgt circa 50%, während die Festigkeitsanisotropie (d.h. das Verhältnis der uniaxialen Druckfestigkeit normal und parallel zur Schichtung) bis zu 66% beträgt. Basierend auf der petrophysikalischen Charakterisierung der beiden Gesteine konnte eine transversale Isotropie (TVI) abgeleitet werden. Im Allgemeinen ist PS weicher und schwächer als PN, was auf der stärkeren Verdichtung des Materials aufgrund der höheren Versenkungstiefe beruht. Konventionelle triaxiale Experimente zur Entstehung von Bohrlochrandausbrüchen an Proben mit unterschiedlichen Bohrlochdurchmessern zeigten, dass bei Vergrößerung des Bohrlochdurchmessers die zum Auslösen des Randausbruches erforderliche Spannung gegen einen konstanten Wert absinkt. Dieser kann als Verhältnis der Tangentialspannung und der einachsialen Druckfestigkeit des Gesteins ausgedrückt werden. Das Verhältnis erhöht sich exponentiell mit kleiner werdendem Bohrlochdurchmesser von circa 2,5 für ein 10 mm großes Bohrloch auf ~7 für ein 1 mm großes Bohrloch (Zunahme der Initiierungsspannung um 280%) und kann durch ein bruchmechanisch basiertes Kriterium beschrieben werden. Die Verringerung des Bohrlochdurchmessers stellt daher einen beträchtlichen Aspekt bei der Verringerung des Risikos für Bohrlochausbrüche dar. Neue Bohrtechniken mit deutlich reduzierten Bohrlochdurchmessern wie zum Beispiel „fish-bone“ Bohrungen nehmen dieses Konzept bereits auf und werden derzeit getestet (z. B. Xing et al., 2012). Die beobachtete Festigkeitsanisotropie und das TVI Materialverhalten spiegeln sich auch in den beobachteten Ausbruchsprozessen am Bohrlochrand wider. Bohrlöcher normal zur Schichtung entwickeln Randausbrüche in einer Ebene der Isotropie und werden nicht durch die Festigkeitsoder Elastizitätsanisotropie beeinflusst. Die beobachteten Ausbrüche sind punktsymmetrisch und bilden kompressive Schubversagensebenen, die durch einen Mohr-Coulomb-Versagensansatz vorhergesagt werden können. Falls sich die Schubversagensebenen schneiden, bilden sich konjugierte Ausbrüche die als „hundeohrförmig“ (dog-eared breakout) beschrieben werden können. Während die Initiierung von Randausbrüchen für Bohrlöcher normal zur Schichtung durch zufällige lokale Defekte ausgelöst wurde, sind reduzierte Festigkeiten parallel zur Schichtung der Ausgangspunkt für Bohrlochrandausbrüche für Bohrlöcher parallel zur Schichtung. Im Falle einer abgelenkten Bohrlochtrajektorie ändert sich daher der beobachtete Versagenstyp von schubdominiertem Versagensflächen zu Knickversagen einzelner Schichtpakete. Darüber hinaus nahmen die Ausbruchtiefen und -breiten zu, was zu einer spannungsbedingten Vergrößerung des Bohrlochquerschnitts und einem vermehrten Ausstoß von Gesteinsmaterial in das Bohrloch führte. Zeitgleich sinkt beim Übergang von Schub- zu Knickversagen und sich ändernden Schichteinfallswinkel, die für das Induzieren von Bohrlochrandausbrüchen notwendige Spannung um 65%, deutlich ab. Diese Beobachtungen unter konventionellen triaxialen Belastungsrandbedingungen konnten auch unter echt-triaxialen Belastungsrandbedingungen bestätigt werden. Hier wuchsen die Randausbrüche ebenfalls normal zur Schichtfläche durch Knickfehler in das Gestein. Dabei rotierten die gebrochenen Schichtpakete in das druckfreie Bohrloch und lösten sich vom umgebenden Gestein durch Zugrisse ab. Die endgültige Ausbruchform im Posidonienschiefer kann als trapezförmig beschrieben werden, wenn die Schichtfläche parallel zur größten horizontalen Spannung liegt. In dem Fall, dass die größte horizontale Spannung normal zur Schichtung orientiert ist, wurden Ausbrüche vollständig durch Scherbrüche zwischen den Schichtflächen gebildet und benötigten höhere Spannungen zur Initiierung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein bruchmechanisch-basiertes Versagenskriterium für konventionelle triaxiale Belastungsbedingungen in isotropen Gesteinen (Dresen et al., 2010) erfolgreich auf echte triaxiale Belastungsbedingungen im transversal isotropen Gestein erweitert, um die Initiierung von Bohrlochrandausbrüchen vorherzusagen. Das Kriterium konnte erfolgreich an den durchgeführten Versuchen verifiziert werden. Das erweiterte Versagenskriterium und die Schlussfolgerungen aus dem Labor und der numerischen Arbeit helfen, das Risiko von Bohrlochausbrüchen in unkonventionellen Schiefern zu reduzieren. KW - borehole breakouts KW - unconventional shale KW - Posidonia shale KW - hollow cylinder experiments KW - shale strength KW - Bohrlochrandausbrüche KW - unkonventionelle Schiefer KW - Posidonienschiefer KW - Hohlzylinderversuche KW - Festigkeit des Schiefer Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400019 ER - TY - GEN A1 - Mielke, Christian A1 - Rogass, Christian A1 - Boesche, Nina A1 - Segl, Karl A1 - Altenberger, Uwe T1 - EnGeoMAP 2.0 BT - automated hyperspectral mineral identification for the German EnMAP space mission N2 - Algorithms for a rapid analysis of hyperspectral data are becoming more and more important with planned next generation spaceborne hyperspectral missions such as the Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP) and the Japanese Hyperspectral Imager Suite (HISUI), together with an ever growing pool of hyperspectral airborne data. The here presented EnGeoMAP 2.0 algorithm is an automated system for material characterization from imaging spectroscopy data, which builds on the theoretical framework of the Tetracorder and MICA (Material Identification and Characterization Algorithm) of the United States Geological Survey and of EnGeoMAP 1.0 from 2013. EnGeoMAP 2.0 includes automated absorption feature extraction, spatio-spectral gradient calculation and mineral anomaly detection. The usage of EnGeoMAP 2.0 is demonstrated at the mineral deposit sites of Rodalquilar (SE-Spain) and Haib River (S-Namibia) using HyMAP and simulated EnMAP data. Results from Hyperion data are presented as supplementary information. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 365 KW - EnMAP KW - Hyperion KW - EnGeoMAP 2.0 KW - mineral mapping KW - imaging spectroscopy Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400650 ER - TY - GEN A1 - Milewski, Robert A1 - Chabrillat, Sabine A1 - Behling, Robert T1 - Analyses of Recent Sediment Surface Dynamic of a Namibian Kalahari Salt Pan Based on Multitemporal Landsat and Hyperspectral Hyperion Data T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - This study combines spaceborne multitemporal and hyperspectral data to analyze the spatial distribution of surface evaporite minerals and changes in a semi-arid depositional environment associated with episodic flooding events, the Omongwa salt pan (Kalahari, Namibia). The dynamic of the surface crust is evaluated by a change-detection approach using the Iterative-reweighted Multivariate Alteration Detection (IR-MAD) based on the Landsat archive imagery from 1984 to 2015. The results show that the salt pan is a highly dynamic and heterogeneous landform. A change gradient is observed from very stable pan border to a highly dynamic central pan. On the basis of hyperspectral EO-1 Hyperion images, the current distribution of surface evaporite minerals is characterized using Spectral Mixture Analysis (SMA). Assessment of field and image endmembers revealed that the pan surface can be categorized into three major crust types based on diagnostic absorption features and mineralogical ground truth data. The mineralogical crust types are related to different zones of surface change as well as pan morphology that influences brine flow during the pan inundation and desiccation cycles. These combined information are used to spatially map depositional environments where the more dynamic halite crust concentrates in lower areas although stable gypsum and calcite/sepiolite crusts appear in higher elevated areas. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 987 KW - salt pan KW - playa KW - hyperspectral KW - multitemporal KW - change detection KW - evaporite minerals Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-475642 SN - 1866-8372 IS - 987 ER - TY - THES A1 - Muldashev, Iskander T1 - Modeling of the great earthquake seismic cycles T1 - Modellierung der seismischen Zyklen von Mega-Erdbeben N2 - The timing and location of the two largest earthquakes of the 21st century (Sumatra, 2004 and Tohoku 2011, events) greatly surprised the scientific community, indicating that the deformation processes that precede and follow great megathrust earthquakes remain enigmatic. During these phases before and after the earthquake a combination of multi-scale complex processes are acting simultaneously: Stresses built up by long-term tectonic motions are modified by sudden jerky deformations during earthquakes, before being restored by multiple ensuing relaxation processes. This thesis details a cross-scale thermomechanical model developed with the aim of simulating the entire subduction process from earthquake (1 minute) to million years’ time scale, excluding only rupture propagation. The model employs elasticity, non-linear transient viscous rheology, and rate-and-state friction. It generates spontaneous earthquake sequences, and, by using an adaptive time-step algorithm, recreates the deformation process as observed naturally over single and multiple seismic cycles. The model is thoroughly tested by comparing results to those from known high- resolution solutions of generic modeling setups widely used in modeling of rupture propagation. It is demonstrated, that while not modeling rupture propagation explicitly, the modeling procedure correctly recognizes the appearance of instability (earthquake) and correctly simulates the cumulative slip at a fault during great earthquake by means of a quasi-dynamic approximation. A set of 2D models is used to study the effects of non-linear transient rheology on the postseismic processes following great earthquakes. Our models predict that the viscosity in the mantle wedge drops by 3 to 4 orders of magnitude during a great earthquake with magnitude above 9. This drop in viscosity results in spatial scales and timings of the relaxation processes following the earthquakes that are significantly different to previous estimates. These models replicate centuries long seismic cycles exhibited by the greatest earthquakes (like the Great Chile 1960 Earthquake) and are consistent with the major features of postseismic surface displacements recorded after the Great Tohoku Earthquake. The 2D models are also applied to study key factors controlling maximum magnitudes of earthquakes in subduction zones. Even though methods of instrumentally observing earthquakes at subduction zones have rapidly improved in recent decades, the characteristic recurrence interval of giant earthquakes (Mw>8.5) is much larger than the currently available observational record and therefore the necessary conditions for giant earthquakes are not clear. Statistical studies have recognized the importance of the slab shape and its surface roughness, state of the strain of the upper plate and thickness of sediments filling the trenches. In this thesis we attempt to explain these observations and to identify key controlling parameters. We test a set of 2D models representing great earthquake seismic cycles at known subduction zones with various known geometries, megathrust friction coefficients, and convergence rates implemented. We found that low-angle subduction (large effect) and thick sediments in the subduction channel (smaller effect) are the fundamental necessary conditions for generating giant earthquakes, while the change of subduction velocity from 10 to 3.5 cm/yr has a lower effect. Modeling results also suggest that having thick sediments in the subduction channel causes low static friction, resulting in neutral or slightly compressive deformation in the overriding plate for low-angle subduction zones. These modeling results agree well with observations for the largest earthquakes. The model predicts the largest possible earthquakes for subduction zones of given dipping angles. The predicted maximum magnitudes exactly threshold magnitudes of all known giant earthquakes of 20th and 21st centuries. The clear limitation of most of the models developed in the thesis is their 2D nature. Development of 3D models with comparable resolution and complexity will require significant advances in numerical techniques. Nevertheless, we conducted a series of low-resolution 3D models to study the interaction between two large asperities at a subduction interface separated by an aseismic gap of varying width. The novelty of the model is that it considers behavior of the asperities during multiple seismic cycles. As expected, models show that an aseismic gap with a narrow width could not prevent rupture propagation from one asperity to another, and that rupture always crosses the entire model. When the gap becomes too wide, asperities do not interact anymore and rupture independently. However, an interesting mode of interaction was observed in the model with an intermediate width of the aseismic gap: In this model the asperities began to stably rupture in anti-phase following multiple seismic cycles. These 3D modeling results, while insightful, must be considered preliminary because of the limitations in resolution. The technique developed in this thesis for cross-scale modeling of seismic cycles can be used to study the effects of multiple seismic cycles on the long-term deformation of the upper plate. The technique can be also extended to the case of continental transform faults and for the advanced 3D modeling of specific subduction zones. This will require further development of numerical techniques and adaptation of the existing advanced highly scalable parallel codes like LAMEM and ASPECT. N2 - Zeitpunkt und Ort der zwei größten Erdbeben des 21. Jahrhunderts (Sumatra 2004 und Tohoku 2011) überraschten die wissenschaftliche Gemeinschaft, da sie darauf hindeuten, dass die einem Megathrust-Erdbeben vorangehenden und folgenden Deformationsprozesse weiterhin rästelhaft bleiben. Ein Problem ist die komplexe Art der Subduktionsprozesse auf unterschiedlichen Skalen. Spannungen werden durch langzeitliche, tektonische Bewegungen aufgebaut, von plötzlicher, ruckartiger Deformation während Erdbeben modifiziert und anschließend durch verschiedene Entspannungsprozesse wiederhergestellt. In dieser Arbeit wird ein skalen-übergreifendes thermomechanisches Modell entwickelt mit dem Ziel den vollständigen Subduktionsprozess von kleiner Skala (Minuten, z.B. Erdbeben) bis zu Millionen Jahren zu simulieren. Dabei bleibt nur das dynamische Prozess der unberücksichtigt. Das Modell nutzt Elastizität, nicht-lineare transient viskose Rheologie und „rate-and-state“ Reibungsgesetz. Es erzeugt spontane Erdbeben-Sequenzen und stellt durch das Nutzen eines adaptiven Zeitschritt Algorithmus den Deformationsprozess nach, wie er in der Natur während einzelner und mehrerer seismischer Zyklen beobachtet wird. Anhand der 2D-Modell Reihe werden die Effekte der nicht-linearen transient (viskosen) Rheologie auf postseismische Prozesse nach großen Erdbeben untersucht. Die Modelle sagen eine Verringerung der Mantelkeil-Viskosität um 3 bis 4 Größenordnungen während der großen Erdbeben (Mw > 9) vorher. Im Gegensatz zur momentanen Meinung, ergeben sich andere räumliche und zeitliche Verteilungen des Entspannungsprozesses nach großen Erdbeben. Jahrhunderte lange seismische Zyklen, wie zum Beispiel das große Erdbeben in Chile 1960, werden reproduziert und stimmen mit den Hauptmerkmalen der postseismischen Oberflächenverschiebungen überein, die nach dem großen Tohoku Erdbeben aufgezeichnet wurden. Mithilfe der 2D-Modelle werden außerdem Schlüsselfaktoren untersucht, die die maximale Magnitude von Erdbeben bestimmen. Obwohl die instrumentellen Methoden zur Beobachtung von Erdbeben in Subduktionszonen in den letzten Jahrzehnten stetig verbessert wurden, kann das Auftreten der größten Erdbeben (Mw > 8.5) und die dafür vorrauszusetzenden Bedingungen nicht genau bestimmt werden, da die charackeristische Zeit für ein Wiederauftreten deutlich größer als der Beobachtungszeitraum ist. Wir versuchen in dieser Arbeit diese Beobachtungen zu erklären und die kontrollierenden Schlüsselfaktoren zu bestimmen. Eine 2D-Modell Reihe mit großen, seismischen Erdbebenzyklen untersucht unterschiedliche Geometrien von Subduktionszonen sowie Reibungskoeffizieten an der Subduktions Platten-Grenzoberfläche und Konvergenzraten. Subduktion mit geringem Winkel (großer Effekt) und mächtige Sedimente im Subduktionskanal (kleiner Effekt) sind grundlegend notwendige Bedingungen für riesige Erdbeben, während eine Änderung des Reibungsparameters nur geringe Auswirkungen hat. Die Modellierungsergebnisse sind in viiÜbereinstimmung mit den Beobachtungen von den größten Erdbeben. Die maximale vohergesagte Magnituden liegen an der oberen Grenze alle historische Beben der 20. und 21. Jahrhunderden. Die größte Einschränkung der entwickelten Modelle ist ihre 2-dimensionale Natur. Um die Interaktion zwischen zwei großen Unebenheiten („asperities“) auf der Subduktions Platten-Grenzoberfläche, die von einer aseismischen Lücke („gap“) voneinander getrennt sind, zu untersuchen, wurde eine 3D-Modell Reihe mit geringer Auflösung durchgeführt. Neu an diesem Modell ist, dass das Verhalten der Unebenheiten während mehrerer seismischer Zyklen berücksichtigt wird. Wie erwartet zeigt das Modell, dass eine schmale, aseismische Lücke ein Propagieren von Brüchen von einer Unebenheit zur nächsten nicht verhindern kann und diese Brüche das gesamte Modell durchkreuzen. Wird die Lücke zu groß interagieren die Unebenheiten nicht mehr miteinander und brechen unabhängig voneinander. Allerdings wurde in dem Modell mit mittlerer Breite der aseismischen Lücke eine interessante Art von Interaktion beobachtet: Nach einigen seismischen Zyklen beginnen die Unebenheiten kontinuerlich und zwar in Gegen-Phasen zu brechen. Diese Ergebnisse sind andeutend, aber können aufgrund der geringen Auflösung des Models nur als vorläufig angesehen werden und erfordern weitere Bestätigung mit hoch-auflösenden Modellen. KW - earthquake modeling KW - seismic cycle modeling KW - subduction KW - numerical modeling KW - Erdbeben Modellierung KW - Modellierung des seismischen Zyklus KW - Subduktion KW - numerische Modellierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398926 ER - TY - THES A1 - Murawski, Aline T1 - Trends in precipitation over Germany and the Rhine basin related to changes in weather patterns T1 - Zeitliche Veränderungen im Niederschlag über Deutschland und dem Rheineinzugsgebiet in Zusammenhang mit Wetterlagen N2 - Niederschlag als eine der wichtigsten meteorologischen Größen für Landwirtschaft, Wasserversorgung und menschliches Wohlbefinden hat schon immer erhöhte Aufmerksamkeit erfahren. Niederschlagsmangel kann verheerende Auswirkungen haben, wie z.B. Missernten und Wasserknappheit. Übermäßige Niederschläge andererseits bergen jedoch ebenfalls Gefahren in Form von Hochwasser oder Sturzfluten und wiederum Missernten. Daher wurde viel Arbeit in die Detektion von Niederschlagsänderungen und deren zugrundeliegende Prozesse gesteckt. Insbesondere angesichts von Klimawandel und unter Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und atmosphärischer Wasserhaltekapazität, ist großer Bedarf an Forschung zum Verständnis der Auswirkungen von Klimawandel auf Niederschlagsänderungen gegeben. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, vergangene Veränderungen in Niederschlag und anderen meteorologischen Variablen zu verstehen. Für verschiedene Zeiträume wurden Tendenzen gefunden und mit entsprechenden Veränderungen in der großskaligen atmosphärischen Zirkulation in Zusammenhang gebracht. Die Ergebnisse dieser Arbeit können als Grundlage für die Attributierung von Hochwasserveränderungen zu Klimawandel genutzt werden. Die Annahmen für die Maßstabsverkleinerung („Downscaling“) der Daten von großskaligen Zirkulationsmodellen auf die lokale Skala wurden hier getestet und verifziert. In einem ersten Schritt wurden Niederschlagsveränderungen in Deutschland analysiert. Dabei lag der Fokus nicht nur auf Niederschlagssummen, sondern auch auf Eigenschaften der statistischen Verteilung, Übergangswahrscheinlichkeiten als Maß für Trocken- und Niederschlagsperioden und Extremniederschlagsereignissen. Den räumlichen Fokus auf das Rheineinzugsgebiet, das größte Flusseinzugsgebiet Deutschlands und einer der Hauptwasserwege Europas, verlagernd, wurden nachgewiesene Veränderungen in Niederschlag und anderen meteorologischen Größen in Bezug zu einer „optimierten“ Wetterlagenklassifikation analysiert. Die Wetterlagenklassifikation wurde unter der Maßgabe entwickelt, die Varianz des lokalen Klimas bestmöglich zu erklären. Die letzte hier behandelte Frage dreht sich darum, ob die beobachteten Veränderungen im lokalen Klima eher Häufigkeitsänderungen der Wetterlagen zuzuordnen sind oder einer Veränderung der Wetterlagen selbst. Eine gebräuchliche Annahme für einen Downscaling-Ansatz mit Hilfe von Wetterlagen und einem stochastischen Wettergenerator ist, dass Klimawandel sich allein durch eine Veränderung der Häufigkeit von Wetterlagen ausdrückt, die Eigenschaften der Wetterlagen dabei jedoch konstant bleiben. Diese Annahme wurde überprüft und die Fähigkeit der neuesten Generation von Zirkulationsmodellen, diese Wetterlagen zu reproduzieren, getestet. Niederschlagsveränderungen in Deutschland im Zeitraum 1951–2006 lassen sich zusammenfassen als negativ im Sommer und positiv in allen anderen Jahreszeiten. Verschiedene Niederschlagscharakteristika bestätigen die Tendenz in den Niederschlagssummen: während mittlere und extreme Niederschlagstageswerte im Winter zugenommen haben, sind auch zusammenhängende Niederschlagsperioden länger geworden (ausgedrückt als eine gestiegene Wahrscheinlichkeit für einen Tag mit Niederschlag gefolgt von einem weiteren nassen Tag). Im Sommer wurde das Gegenteil beobachtet: gesunkene Niederschlagssummen, untermauert von verringerten Mittel- und Extremwerten und längeren Trockenperioden. Abseits dieser allgemeinen Zusammenfassung für das gesamte Gebiet Deutschlands, ist die räumliche Verteilung von Niederschlagsveränderungen deutlich heterogener. Vermehrter Niederschlag im Winter wurde hauptsächlich im Nordwesten und Südosten Deutschlands beobachtet, während im Frühling die stärksten Veränderungen im Westen und im Herbst im Süden aufgetreten sind. Das saisonale Bild wiederum löst sich für die zugehörigen Monate auf, z.B. setzt sich der Anstieg im Herbstniederschlag aus deutlich vermehrtem Niederschlag im Südwesten im Oktober und im Südosten im November zusammen. Diese Ergebnisse betonen die starken räumlichen Zusammenhänge der Niederschlagsänderungen. Der nächste Schritt hinsichtlich einer Zuordnung von Niederschlagsveränderungen zu Änderungen in großskaligen Zirkulationsmustern, war die Ableitung einer Wetterlagenklassifikation, die die betrachteten lokalen Klimavariablen hinreichend stratifizieren kann. Fokussierend auf Temperatur, Globalstrahlung und Luftfeuchte zusätzlich zu Niederschlag, wurde eine Klassifikation basierend auf Luftdruck, Temperatur und spezifischer Luftfeuchtigkeit als am besten geeignet erachtet, die Varianz der lokalen Variablen zu erklären. Eine vergleichsweise hohe Anzahl von 40 Wetterlagen wurde ausgewählt, die es erlaubt, typische Druckmuster durch die zusätzlich verwendete Temperaturinformation einzelnen Jahreszeiten zuzuordnen. Während die Fähigkeit, Varianz im Niederschlag zu erklären, relativ gering ist, ist diese deutlich besser für Globalstrahlung und natürlich Temperatur. Die meisten der aktuellen Zirkulationsmodelle des CMIP5-Ensembles sind in der Lage, die Wetterlagen hinsichtlich Häufigkeit, Saisonalität und Persistenz hinreichend gut zu reproduzieren. Schließlich wurden dieWetterlagen bezüglich Veränderungen in ihrer Häufigkeit, Saisonalität und Persistenz, sowie der Wetterlagen-spezifischen Niederschläge und Temperatur, untersucht. Um Unsicherheiten durch die Wahl eines bestimmten Analysezeitraums auszuschließen, wurden alle möglichen Zeiträume mit mindestens 31 Jahren im Zeitraum 1901–2010 untersucht. Dadurch konnte die Annahme eines konstanten Zusammenhangs zwischen Wetterlagen und lokalem Wetter gründlich überprüft werden. Es wurde herausgefunden, dass diese Annahme nur zum Teil haltbar ist. Während Veränderungen in der Temperatur hauptsächlich auf Veränderungen in der Wetterlagenhäufigkeit zurückzuführen sind, wurde für Niederschlag ein erheblicher Teil von Veränderungen innerhalb einzelner Wetterlagen gefunden. Das Ausmaß und sogar das Vorzeichen der Veränderungen hängt hochgradig vom untersuchten Zeitraum ab. Die Häufigkeit einiger Wetterlagen steht in direkter Beziehung zur langfristigen Variabilität großskaliger Zirkulationsmuster. Niederschlagsveränderungen variieren nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich – Aussagen über Tendenzen sind nur in Bezug zum jeweils untersuchten Zeitraum gültig. Während ein Teil der Veränderungen auf Änderungen der großskaligen Zirkulation zurückzuführen ist, gibt es auch deutliche Veränderungen innerhalb einzelner Wetterlagen. Die Ergebnisse betonen die Notwendigkeit für einen sorgfältigen Nachweis von Veränderungen möglichst verschiedene Zeiträume zu untersuchen und mahnen zur Vorsicht bei der Anwendung von Downscaling-Ansätzen mit Hilfe von Wetterlagen, da diese die Auswirkungen von Klimaveränderungen durch das Vernachlässigen von Wetterlagen-internen Veränderungen falsch einschätzen könnten. N2 - Precipitation as the central meteorological feature for agriculture, water security, and human well-being amongst others, has gained special attention ever since. Lack of precipitation may have devastating effects such as crop failure and water scarcity. Abundance of precipitation, on the other hand, may as well result in hazardous events such as flooding and again crop failure. Thus, great effort has been spent on tracking changes in precipitation and relating them to underlying processes. Particularly in the face of global warming and given the link between temperature and atmospheric water holding capacity, research is needed to understand the effect of climate change on precipitation. The present work aims at understanding past changes in precipitation and other meteorological variables. Trends were detected for various time periods and related to associated changes in large-scale atmospheric circulation. The results derived in this thesis may be used as the foundation for attributing changes in floods to climate change. Assumptions needed for the downscaling of large-scale circulation model output to local climate stations are tested and verified here. In a first step, changes in precipitation over Germany were detected, focussing not only on precipitation totals, but also on properties of the statistical distribution, transition probabilities as a measure for wet/dry spells, and extreme precipitation events. Shifting the spatial focus to the Rhine catchment as one of the major water lifelines of Europe and the largest river basin in Germany, detected trends in precipitation and other meteorological variables were analysed in relation to states of an ``optimal'' weather pattern classification. The weather pattern classification was developed seeking the best skill in explaining the variance of local climate variables. The last question addressed whether observed changes in local climate variables are attributable to changes in the frequency of weather patterns or rather to changes within the patterns itself. A common assumption for a downscaling approach using weather patterns and a stochastic weather generator is that climate change is expressed only as a changed occurrence of patterns with the pattern properties remaining constant. This assumption was validated and the ability of the latest generation of general circulation models to reproduce the weather patterns was evaluated. % Paper 1 Precipitation changes in Germany in the period 1951-2006 can be summarised briefly as negative in summer and positive in all other seasons. Different precipitation characteristics confirm the trends in total precipitation: while winter mean and extreme precipitation have increased, wet spells tend to be longer as well (expressed as increased probability for a wet day followed by another wet day). For summer the opposite was observed: reduced total precipitation, supported by decreasing mean and extreme precipitation and reflected in an increasing length of dry spells. Apart from this general summary for the whole of Germany, the spatial distribution within the country is much more differentiated. Increases in winter precipitation are most pronounced in the north-west and south-east of Germany, while precipitation increases are highest in the west for spring and in the south for autumn. Decreasing summer precipitation was observed in most regions of Germany, with particular focus on the south and west. The seasonal picture, however, was again differently represented in the contributing months, e.g.\ increasing autumn precipitation in the south of Germany is formed by strong trends in the south-west in October and in the south-east in November. These results emphasise the high spatial and temporal organisation of precipitation changes. % Paper 2 The next step towards attributing precipitation trends to changes in large-scale atmospheric patterns was the derivation of a weather pattern classification that sufficiently stratifies the local climate variables under investigation. Focussing on temperature, radiation, and humidity in addition to precipitation, a classification based on mean sea level pressure, near-surface temperature, and specific humidity was found to have the best skill in explaining the variance of the local variables. A rather high number of 40 patterns was selected, allowing typical pressure patterns being assigned to specific seasons by the associated temperature patterns. While the skill in explaining precipitation variance is rather low, better skill was achieved for radiation and, of course, temperature. Most of the recent GCMs from the CMIP5 ensemble were found to reproduce these weather patterns sufficiently well in terms of frequency, seasonality, and persistence. % Paper 3 Finally, the weather patterns were analysed for trends in pattern frequency, seasonality, persistence, and trends in pattern-specific precipitation and temperature. To overcome uncertainties in trend detection resulting from the selected time period, all possible periods in 1901-2010 with a minimum length of 31 years were considered. Thus, the assumption of a constant link between patterns and local weather was tested rigorously. This assumption was found to hold true only partly. While changes in temperature are mainly attributable to changes in pattern frequency, for precipitation a substantial amount of change was detected within individual patterns. Magnitude and even sign of trends depend highly on the selected time period. The frequency of certain patterns is related to the long-term variability of large-scale circulation modes. Changes in precipitation were found to be heterogeneous not only in space, but also in time - statements on trends are only valid for the specific time period under investigation. While some part of the trends can be attributed to changes in the large-scale circulation, distinct changes were found within single weather patterns as well. The results emphasise the need to analyse multiple periods for thorough trend detection wherever possible and add some note of caution to the application of downscaling approaches based on weather patterns, as they might misinterpret the effect of climate change due to neglecting within-type trends. KW - precipitation KW - weather pattern KW - trend analyses KW - Niederschlag KW - Wetterlagen KW - Trendanalysen Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-412725 ER - TY - THES A1 - Osei Tutu, Anthony T1 - Linking global mantle dynamics with lithosphere dynamics using the geoid, plate velocities and lithosphere stress state as constraints T1 - Verknüpfung der globalen Manteldynamik mit der Lithosphärendynamik, unter Berücksichtigung des Geoids, der Plattengeschwindigkeiten und des Spannungszustandes der Lithosphäre als Einschränkungen BT - lithosphere and mantle dynamics coupling N2 - Lithospheric plates move over the low viscosity asthenosphere balancing several forces. The driving forces include basal shear stress exerted by mantle convection and plate boundary forces such as slab pull and ridge push, whereas the resisting forces include inter-plate friction, trench resistance, and cratonic root resistance. These generate plate motions, the lithospheric stress field and dynamic topography which are observed with different geophysical methods. The orientation and tectonic regime of the observed crustal/lithospheric stress field further contribute to our knowledge of different deformation processes occurring within the Earth's crust and lithosphere. Using numerical models previous studies were able to identify major forces generating stresses in the crust and lithosphere which also contribute to the formation of topography as well as driving lithospheric plates. They showed that the first-order stress pattern explaining about 80\,\% of the stress field originates from a balance of forces acting at the base of the moving lithospheric plates due to convective flow in the underlying mantle. The remaining second-order stress pattern is due to lateral density variations in the crust and lithosphere in regions of pronounced topography and high gravitational potential, such as the Himalayas and mid-ocean ridges. By linking global lithosphere dynamics to deep mantle flow this study seeks to evaluate the influence of shallow and deep density heterogenities on plate motions, lithospheric stress field and dynamic topography using the geoid as a major constraint for mantle rheology. We use the global 3D lithosphere-asthenosphere model SLIM3D with visco-elasto-plastic rheology coupled at 300 km depth to a spectral model of mantle flow. The complexity of the lithosphere-asthenosphere component allows for the simulation of power-law rheology with creep parameters accounting for both diffusion and dislocation creep within the uppermost 300 km. First we investigate the influence of intra-plate friction and asthenospheric viscosity on present-day plate motions. Previous modelling studies have suggested that small friction coefficients (µ < 0.1, yield stress ~ 100 MPa) can lead to plate tectonics in models of mantle convection. Here we show that, in order to match present-day plate motions and net rotation, the frictional parameter must be less than 0.05. We are able to obtain a good fit with the magnitude and orientation of observed plate velocities (NUVEL-1A) in a no-net-rotation (NNR) reference frame with µ < 0.04 and minimum asthenosphere viscosity ~ 5*10e19 Pas to 10e20 Pas. Our estimates of net rotation (NR) of the lithosphere suggest that amplitudes ~ 0.1-0.2 °/Ma, similar to most observation-based estimates, can be obtained with asthenosphere viscosity cutoff values of ~ 10e19 Pas to 5*10e19 Pas and friction coefficient µ < 0.05. The second part of the study investigates further constraints on shallow and deep mantle heterogeneities causing plate motion by predicting lithosphere stress field and topography and validating with observations. Lithosphere stresses and dynamic topography are computed using the modelling setup and rheological parameters for prescribed plate motions. We validate our results with the World Stress Map 2016 (WSM2016) and the observed residual topography. Here we tested a number of upper mantle thermal-density structures. The one used to calculate plate motions is considered the reference thermal-density structure. This model is derived from a heat flow model combined with a sea floor age model. In addition we used three different thermal-density structures derived from global S-wave velocity models to show the influence of lateral density heterogeneities in the upper 300 km on model predictions. A large portion of the total dynamic force generating stresses in the crust/lithosphere has its origin in the deep mantle, while topography is largely influenced by shallow heterogeneities. For example, there is hardly any difference between the stress orientation patterns predicted with and without consideration of the heterogeneities in the upper mantle density structure across North America, Australia, and North Africa. However, the crust is dominant in areas of high altitude for the stress orientation compared to the all deep mantle contribution. This study explores the sensitivity of all the considered surface observables with regards to model parameters providing insights into the influence of the asthenosphere and plate boundary rheology on plate motion as we test various thermal-density structures to predict stresses and topography. N2 - Lithosphärenplatten bewegen sich über die niederviskose Asthenosphäre, wobei mehrere Kräfte im Gleichgewicht stehen. Die antreibenden Kräfte umfassen eine basale Schubspannung, die durch Mantelkonvektion verursacht wird, und Plattengrenzkräfte, wie z.B. slab pull und ridge push, während die widerstehenden Kräfte die Reibung zwischen Platten, Widerstand an Tiefseegräben sowie an den kratonischen Wurzeln umfassen. Diese Kräfte erzeugen Plattenbewegungen, das lithosphärische Spannungsfeld und die dynamische Topographie, die mit verschiedenen geophysikalischen Methoden beobachtet werden. Die Orientierung und das tektonische Regime des beobachteten Krusten- und lithosphärischen Spannungsfeldes tragen weiter zu unserem Wissen über unterschiedliche Deformationsprozesse in der Erdkruste und Lithosphäre bei. Mit Hilfe von numerischen Modellen konnten frühere Studien die wichtigsten Kräfte identifizieren, die Spannungen in der Kruste und in der Lithosphäre erzeugen, und die auch zur Bildung von Topographie sowie zum Antrieb der lithosphärischen Platten beitragen. Sie zeigten, dass das Spannungsmuster erster Ordnung, das etwa 80% des Spannungsfeldes erklärt, aus einem Gleichgewicht der Kräfte stammt, die an der Basis der sich bewegenden lithosphärischen Platten aufgrund der konvektiven Strömung in dem darunter liegenden Mantel wirken. Das verbleibende Spannungsmuster der zweiten Ordnung ist auf laterale Dichtevariationen in der Kruste und der Lithosphäre in Regionen mit ausgeprägter Topographie und hohem Gravitationspotential zurückzuführen, wie im Himalaya und an den Mittelozeanischen Rücken. Durch die Verknüpfung der globalen Lithosphären-Dynamik mit den tiefen Mantelströmungen versucht diese Studie, den Einfluss von flachen und tiefen Dichte-Heterogenitäten auf die Plattenbewegungen, das lithosphärische Spannungsfeld und die dynamische Topographie mit dem Geoid als einer wesentlichen Randbedingung für die Mantel-Rheologie zu untersuchen. Ich verwende das globale 3D-Lithosphären-Asthenosphären-Modell SLIM3D mit viskoelasto-plastischer Rheologie, gekoppelt in 300 km Tiefe an ein spektrales Modell der Mantelströmung. Die Komplexität der Lithosphären-Asthenosphären- Komponente ermöglicht die Simulation der Power-law-Rheologie mit Kriechparametern, die sowohl Diffusions-als auch Dislokationskriechen in den obersten 300km einschließen. Zuerst untersuche ich den Einfluss der Intra-Platten-Reibung und der asthenosphärischen Viskosität auf heutige Plattenbewegungen. Bisherige Modellierungsstudien haben vorgeschlagen, dass kleine Reibungskoeffizienten ( u < 0,1, FlieSSspannung ~ 100 MPa) zu Plattentektonik in Modellen der Mantelkonvektion führen können. Hier zeigen wir, dass der Reibungsparameter, um den heutigen Plattenbewegungen und der Netto-Rotation zu entsprechen, kleiner als 0,05 sein muss. Wir können eine gute Übereinstimmung mit der Größe und Orientierung der beobachteten Plattengeschwindigkeiten (NUVEL-1A) in einem No-Net- Rotation- (NNR) Bezug system mit < 0,04 und minimaler Asthenosphärenviskosität ~ 510^19 Pas bis 10^20 Pas erreichen. Unsere Schätzungen der Netto-Rotation (NR) der Lithosphäre deuten darauf hin, dass Amplituden ~ 0:1 - 0:2 (◦/Ma), ähnlich den meisten Beobachtungs-basierten Schätzungen, mit Asthenosphären- Viskositäts-Cutoff-Werten von ~ 10^19 Pas bis 5 10^19 Pas und Reibungskoeffizient u < 0,05 erreicht werden können. Der zweite Teil der Studie untersucht weitere Einschränkungen auf flache und tiefe Mantelheterogenitäten, welche Plattenbewegungen verursachen, durch die Vorhersage des Lithosphärenspannungsfeldes und der Topographie und deren Validierung mit Beobachtungen. Lithosphärenspannungen und dynamische Topographie werden mit dem Modellaufbau und den rheologischen Parametern für vorgeschriebene Plattenbewegungen berechnet.Wir validieren unsere Ergebnisse mit der Weltspannungskarte 2016 (WSM2016) und der beobachteten Residualtopographie. Hier haben wir eine Anzahl von thermischen Dichte-Strukturen für den oberen Mantel getestet. Diejenige, die verwendet wurde, um Plattenbewegungen zu berechnen, wird als Referenz- thermische Dichte-Struktur betrachtet. Dieses Modell ist abgeleitet aus einem Wärmestrommodell, kombiniert mit einem Ozeanbodenalter-Modell. Darüber hinaus haben wir drei verschiedene thermische Dichtestrukturen abgeleitet aus globalen S-Wellengeschwindigkeits modellen verwendet, um den Einfluss von Heterogenitäten der lateralen Dichte in den oberen 300 km auf Modellvorhersagen zu zeigen. Ein großer Teil der gesamten dynamischen Kraft, die Spannungen in der Kruste / Lithosphäre erzeugt, hat ihren Ursprung im tiefen Mantel, während die Topographie weitgehend durch flache Heterogenitäten beeinflusst wird. Zum Beispiel gibt es kaum einen Unterschied zwischen den Spannungsorientierungsmustern, die mit und ohne Berücksichtigung der Heterogenitäten in der Dichtestruktur des oberen Mantels in Nordamerika, Australien und Nordafrika vorhergesagt wurden. Allerdings dominiert die Kruste in Gebieten von großer Höhe für die Spannungorientierung im Vergleich zu allen tiefen Mantelbeiträgen. Diese Studieerforschen die Empfindlichkeit aller betrachteten Oberflächen-Observablen in Bezug auf Modellparameter und gibt Einblicke über den Einfluss der Asthenosphäre und Plattengrenzen-Rheologie auf Plattenbewegung, wobei wir verschiedene thermische Dichte Strukturen zur Vorhersage von Spannungen und Topographie testen. KW - plate motions KW - plate boundary friction KW - upper mantle viscosity structure KW - lithosphere stress field KW - dynamic topography KW - lithosphere net rotation KW - upper mantle density heterogeneities KW - Plattenbewegungen KW - Reibung an Plattengrenzen KW - Viskositätsstruktur im oberen Mantel KW - lithosphärisches Spannungsfeld KW - dynamische Topographie KW - Nettorotation der Lithosphäre KW - Dichteheterogenitäten im oberen Mantel Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407057 ER - TY - THES A1 - Otto, Christopher T1 - Numerical analysis of thermal, hydraulic and mechanical processes in the near- and far-field of underground coal gasification reactors T1 - Numerische Analyse von thermalen, hydraulischen und mechanischen Prozessen im Nah- und Fernfeld von Untertage-Kohlevergasungs-Reaktoren N2 - Die Untertagevergasung von Kohle (UTV) ermöglicht die Erschließung konventionell nicht förderbarer Kohleressourcen und bietet dadurch Potenzial zur Erhöhung der weltweiten Kohlereserven. Bei der in-situ Kohleumwandlung entsteht ein hochkalorisches Synthesegas, das elektrifiziert oder zur Gewinnung chemischer Rohstoffe und synthetischer Kraftstoffe eingesetzt werden kann. Neben den wirtschaftlichen Möglichkeiten, bestehen jedoch auch standort-spezifische Umweltgefährdungspotentiale durch Subsidenz und Schadstoffmigration von UTV-Rückständen in nutzbare Grundwasserleiter. Eine nachhaltige und effiziente UTV erfordert ein umfangreiches Verständnis der thermisch, hydraulisch und mechanisch gekoppelten Prozesse im UTV-Reaktornahbereich. Aufgrund der hohen Investitionskosten von UTV-Pilotanlagen, sind numerische Simulationen gekoppelter Prozesse von entscheidender Bedeutung für die Bewertung möglicher UTV-Umweltauswirkungen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die UTV-induzierte Permeabilitätsveränderung, Erzeugung möglicher hydraulischer Kurzschlüsse benachbarter Reaktoren und Dynamik nicht-isothermer Multiphasenflüsse mit gekoppelten Simulationen analysiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass eine Implementierung temperaturabhängiger thermo-mechanischer Gesteinsparameter nur für Untersuchungen von Permeabilitäts-änderungen im Reaktornachbereich notwendig ist. Die Ergebnisse erlauben somit eine recheneffiziente Realisierung von komplexen thermo-mechanisch gekoppelten Simulations-studien regionalskaliger Modelle mit konstanten Gesteinsparametern, bei nahezu gleichbleibender Ergebnisgenauigkeit, die zur Bewertung von UTV-Umweltgefährdungs-potenzialen beitragen. Simulationen zur Ausbildung hydraulischer Kurzschlüsse zwischen einzelnen UTV-Reaktoren auf regionaler Skala, verdeutlichen die Relevanz von geologischen Störungen an einem UTV-Standort, da diese durch Reaktivierung hydraulische Verbindungen induzieren und somit einen effizienten und nachhaltigen UTV-Betrieb negativ beeinträchtigen können. In diesem Zusammenhang kommt der Ausbildung einer Wasserdampfphase, der sogenannte „steam jacket“, im Hochtemperaturnahbereich von UTV-Reaktoren, als potenzielle Barriere zur Vermeidung von UTV-Schadstoffaustritten und zur potenziellen Minimierung von Energieverlusten eine entscheidende Bedeutung zu. Diese steam jackets entstehen durch evaporiertes Formationswasser und sind komplexe nicht-isotherme Multiphasenfluss-Phänomene. Für ein verbessertes Prozessverständnis dieser Multiphasenflüsse, wurde ein neuartiges Modellkonzept entwickelt, welches, validiert gegen Feldversuchsdaten, erstmals sowohl eine Quantifizierung als auch Prognose von Wasserflussraten in und aus einem UTV-Reaktor erlaubt. Die Ergebnisse der vorgelegten Doktorarbeit bilden eine wichtige Grundlage für eine erfolgreiche Integration gekoppelter thermo-hydro-mechanischer Simulationen in weiterführende Studien. Vor dem Hintergrund hoher UTV-Umweltgefährdungspotentiale, können diese zur verbesserten Bewertung und Minderung von UTV-Umweltauswirkungen beitragen, sowie die UTV-Effizienz nachhaltig optimieren. N2 - Underground coal gasification (UCG) has the potential to increase worldwide coal reserves by developing coal resources, currently not economically extractable by conventional mining methods. For that purpose, coal is combusted in situ to produce a high-calorific synthesis gas with different end-use options, including electricity generation as well as production of fuels and chemical feedstock. Apart from the high economic potentials, UCG may induce site‐specific environmental impacts, including ground surface subsidence and pollutant migration of UCG by-products into shallow freshwater aquifers. Sustainable and efficient UCG operation requires a thorough understanding of the coupled thermal, hydraulic and mechanical processes, occurring in the UCG reactor vicinity. The development and infrastructure costs of UCG trials are very high; therefore, numerical simulations of coupled processes in UCG are essential for the assessment of potential environmental impacts. Therefore, the aim of the present study is to assess UCG-induced permeability changes, potential hydraulic short circuit formation and non-isothermal multiphase fluid flow dynamics by means of coupled numerical simulations. Simulation results on permeability changes in the UCG reactor vicinity demonstrate that temperature-dependent thermo-mechanical parameters have to be considered in near-field assessments, only. Hence, far-field simulations do not become inaccurate, but benefit from increased computational efficiency when thermo-mechanical parameters are maintained constant. Simulations on potential hydraulic short circuit formation between single UCG reactors at regional-scale emphasize that geologic faults may induce hydraulic connections, and thus compromise efficient UCG operation. In this context, the steam jacket surrounding high-temperature UCG reactors plays a vital role in avoiding UCG by-products escaping into freshwater aquifers and in minimizing energy consumption by formation fluid evaporation. A steam jacket emerges in the close reactor vicinity due to phase transition of formation water and is a non-isothermal flow phenomenon. Considering this complex multiphase flow behavior, an innovative conceptual modeling approach, validated against field data, enables the quantification and prediction of UCG reactor water balances. The findings of this doctoral thesis provide an important basis for integration of thermo-hydro-mechanical simulations in UCG, required for the assessment and mitigation of its potential environmental impacts as well as optimization of its efficiency. KW - underground coal gasification KW - numerical simulation KW - non-isothermal multiphase flow KW - thermo-mechanical modeling KW - Untertage-Kohlevergasung KW - numerische Simulation KW - nichtisothermer Mehrphasenfluss KW - thermo-mechanische Modellierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404625 ER - TY - THES A1 - Petersen, Gesa Maria T1 - Source array and receiver array analysis of Vogtland/ West Bohemia earthquake clusters T1 - Untersuchung von Erdbebenclustern im Vogtland/ Westböhmen durch Quell- und Empfängerarrays N2 - Die Region Vogtland/ West Böhmen im Grenzgebiet zwischen Deutschland und Tschechien ist bekannt für ihre geologische Aktivität. Holozäner Vulkanismus, Gasaustritte an Mofetten und Quellen und wiederkehrende Erdbebenschwärme sind Ausdruck geodynamischer Prozesse im Untergrund. Während des Erdbebenschwarms 2008/2009 in Nový Kostel installierte die Universität Potsdam ein temporäres Array in Rohrbach, in einer Epizentraldistanz von etwa 10 km und mit einer Aperatur von etwa 0.75 km. 22 Erdbeben wurden für Quellarray- beam forming ausgewählt. Quellarrays sind örtliche Cluster von Erdbeben, die von einer Empfängerstation aufgezeichnet werden. Wegen der Reziprozität der Green’schen Funktionen können diese in ähnlicher Weise genutzt werden wie Empfängerarrays, bei denen mehrere Stationen ein einzelnes Beben aufzeichnen. Die Kreuzkorrelationskoeffizienten aller Beben des Quellarrays, aufgezeichnet an einer einzelnen Station, sind in der Regel höher als für einzelne Ereignisse, die an allen Stationen des Empfängerarrays aufgezeichnet wurden. Dies deutet hinsichtlich der aufgelösten Frequenzen auf einen heterogenen Untergrund unter den Array-Stationen und ein vergleichsweise homogenes Quellarray-Volumen hin. Beam forming wurde mit den horizontalen und vertikalen Spuren aller Quellarray-Beben, aufgezeichnet auf allen 11 Stationen des Empfängerarrays, durchgeführt. Die Ergebnisse wurden im Hinblick auf Konversionen und reflektierte Phasen analysiert. Während die theoretische Richtung der direkten P-Welle im Falle der Quellarray-Aufzeichnungen gut übereinstimmt, wird eine Empfängerarray-Missweisung von 15° bis 25° beobachtet. Eine PS Phase, die der direkten P Phase folgt und eine mögliche SP Phase, die kurz vor der direkten S-Phase ankommt, wurden auf den summierten Spuren mehrerer Stationen interpretiert. Aus der Betrachtung der Laufzeiten resultiert eine Konversionstiefe von 0.6-0.9 km Tiefe. Ein zweites Quellarray, bestehend aus 12 tieferen Beben wurde zusätzlich analysiert, um eine nach ca. 0.85 s ausschließlich auf den Aufzeichnungen tieferer Beben auftretende Strukturphase zu deuten. Zusätzlich zum beam forming wurden zwei Lokalisierungsmethoden von Reflexionen und Konversionen für einfach reflektierte/konvertierte Phasen entwickelt und zur Auswertung verwendet. Während die erste, analytische Methode eine homogene Geschwindigkeit entlang des Laufwegs annimmt, wird in der zweiten Methode eine 3-D-Rastersuche ausgeführt, in der ein 1-D-Geschwindigkeitsmodell verwendet wird. Auf Grund der eindeutigen beam forming Ergebnisse und der hohen Ähnlichkeit der Wellenformen der Erdbeben, die für das Quellarray genutzt wurden, bieten Quellarrays bestehend aus Mikrobeben aus dem untersuchten Gebiet gute Möglichkeiten zur Untersuchung von Krustenstrukturen. N2 - The Vogtland, located at the border region between the Czech Republic and Germany, is known for Holocene volcanism, gas and fluid emissions as well as for reoccurring earthquake swarms, pointing towards a high geodynamic activity. During the earthquake swarm in 2008/2009, a temporary array was installed close to Rohrbach (Germany), at an epicentral distance of about 10 km from the Nový Kostel focal zone (aperture ~0.75 km). 22 events of the recorded swarm were selected to set up a source array. Source arrays are spatially clustered earthquakes, which can be used in a similar manner as receiver array recordings of single events (Green’s functions reciprocity). The application of array seismology techniques like beam forming requires similar waveforms and precisely known origin times and locations. The resemblance of waveforms was assured by visual selection of events and quantified with the calculation of cross-correlation coefficients. We observed that the different events recorded at a single station generally show greater resemblances than the recordings of one event at all stations of the receiver array. This indicates a heterogeneous subsurface beneath the receiver array and a comparably homogeneous source array volume with respect to the frequency-dependent resolution of both arrays. Beam forming was applied on the Z, N and E component recordings of the source array events at 11 stations, and the results were analysed with respect to converted or reflected crustal phases. While the theoretical back azimuth of the direct phases match the beam forming results in case of the source array analysis, in case of receiver array beam forming derivations of 15°-25° are observed. PS phases, closely following the direct P phase and presumably SP phases, arriving shortly before the direct S phase can be observed on several stations. Based on the time differences to the direct P and S phases we inferred a conversion depth of about 0.6-0.9 km. A second deeper source array was set up in order to interpret a structural phase arriving 0.85 s after the direct P phase on records of deeper events only. Additionally to the source array beam forming method an analytical method with a fixed medium velocity and a grid search method, both for determining conversion/ reflection locations of phases traveling off the direct line between source and receiver array, were developed and applied to other observed phases. In conclusion, we think that the distinct beam forming results along with the striking waveform resemblance reveal the opportunities of using source arrays consisting of small swarm events for the analysis of crustal structures. KW - seismology KW - Vogtland KW - West Bohemia KW - source array KW - beam forming KW - earthquake swarms KW - Seismologie KW - Vogtland KW - Westböhmen KW - Quellarray KW - Beamforming KW - Erdbebenschwärme KW - Schwarmbeben Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406671 ER - TY - GEN A1 - Pilz, Tobias A1 - Francke, Till A1 - Bronstert, Axel T1 - lumpR 2.0.0: an R package facilitating landscape discretisation for hillslope-based hydrological models N2 - The characteristics of a landscape pose essential factors for hydrological processes. Therefore, an adequate representation of the landscape of a catchment in hydrological models is vital. However, many of such models exist differing, amongst others, in spatial concept and discretisation. The latter constitutes an essential pre-processing step, for which many different algorithms along with numerous software implementations exist. In that context, existing solutions are often model specific, commercial, or depend on commercial back-end software, and allow only a limited or no workflow automation at all. Consequently, a new package for the scientific software and scripting environment R, called lumpR, was developed. lumpR employs an algorithm for hillslope-based landscape discretisation directed to large-scale application via a hierarchical multi-scale approach. The package addresses existing limitations as it is free and open source, easily extendible to other hydrological models, and the workflow can be fully automated. Moreover, it is user-friendly as the direct coupling to a GIS allows for immediate visual inspection and manual adjustment. Sufficient control is furthermore retained via parameter specification and the option to include expert knowledge. Conversely, completely automatic operation also allows for extensive analysis of aspects related to landscape discretisation. In a case study, the application of the package is presented. A sensitivity analysis of the most important discretisation parameters demonstrates its efficient workflow automation. Considering multiple streamflow metrics, the employed model proved reasonably robust to the discretisation parameters. However, parameters determining the sizes of subbasins and hillslopes proved to be more important than the others, including the number of representative hillslopes, the number of attributes employed for the lumping algorithm, and the number of sub-discretisations of the representative hillslopes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 389 Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-402880 ER - TY - GEN A1 - Purinton, Benjamin A1 - Bookhagen, Bodo T1 - Validation of digital elevation models (DEMs) and comparison of geomorphic metrics on the southern Central Andean Plateau N2 - In this study, we validate and compare elevation accuracy and geomorphic metrics of satellite-derived digital elevation models (DEMs) on the southern Central Andean Plateau. The plateau has an average elevation of 3.7 km and is characterized by diverse topography and relief, lack of vegetation, and clear skies that create ideal conditions for remote sensing. At 30m resolution, SRTM-C, ASTER GDEM2, stacked ASTER L1A stereopair DEM, ALOS World 3D, and TanDEM-X have been analyzed. The higher-resolution datasets include 12m TanDEM-X, 10m single-CoSSC TerraSAR-X/TanDEM-X DEMs, and 5m ALOS World 3D. These DEMs are state of the art for optical (ASTER and ALOS) and radar (SRTM-C and TanDEM-X) spaceborne sensors. We assessed vertical accuracy by comparing standard deviations of the DEM elevation versus 307 509 differential GPS measurements across 4000m of elevation. For the 30m DEMs, the ASTER datasets had the highest vertical standard deviation at > 6.5 m, whereas the SRTM-C, ALOS World 3D, and TanDEM-X were all < 3.5 m. Higher-resolution DEMs generally had lower uncertainty, with both the 12m TanDEM-X and 5m ALOSWorld 3D having < 2m vertical standard deviation. Analysis of vertical uncertainty with respect to terrain elevation, slope, and aspect revealed the low uncertainty across these attributes for SRTM-C (30 m), TanDEM-X (12–30 m), and ALOS World 3D (5–30 m). Single-CoSSC TerraSAR-X/TanDEM-X 10m DEMs and the 30m ASTER GDEM2 displayed slight aspect biases, which were removed in their stacked counterparts (TanDEM-X and ASTER Stack). Based on low vertical standard deviations and visual inspection alongside optical satellite data, we selected the 30m SRTM-C, 12–30m TanDEM-X, 10m single-CoSSC TerraSAR-X/TanDEM-X, and 5m ALOS World 3D for geomorphic metric comparison in a 66 km2 catchment with a distinct river knickpoint. Consistent m=n values were found using chi plot channel profile analysis, regardless of DEM type and spatial resolution. Slope, curvature, and drainage area were calculated and plotting schemes were used to assess basin-wide differences in the hillslope-to-valley transition related to the knickpoint. While slope and hillslope length measurements vary little between datasets, curvature displays higher magnitude measurements with fining resolution. This is especially true for the optical 5m ALOS World 3D DEM, which demonstrated high-frequency noise in 2–8 pixel steps through a Fourier frequency analysis. The improvements in accurate space-radar DEMs (e.g., TanDEM-X) for geomorphometry are promising, but airborne or terrestrial data are still necessary for meter-scale analysis. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 338 Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396277 ER - TY - GEN A1 - Rözer, Viktor A1 - Müller, Meike A1 - Bubeck, Philip A1 - Kienzler, Sarah A1 - Thieken, Annegret A1 - Pech, Ina A1 - Schröter, Kai A1 - Buchholz, Oliver A1 - Kreibich, Heidi T1 - Coping with pluvial floods by private households N2 - Pluvial floods have caused severe damage to urban areas in recent years. With a projected increase in extreme precipitation as well as an ongoing urbanization, pluvial flood damage is expected to increase in the future. Therefore, further insights, especially on the adverse consequences of pluvial floods and their mitigation, are needed. To gain more knowledge, empirical damage data from three different pluvial flood events in Germany were collected through computer-aided telephone interviews. Pluvial flood awareness as well as flood experience were found to be low before the respective flood events. The level of private precaution increased considerably after all events, but is mainly focused on measures that are easy to implement. Lower inundation depths, smaller potential losses as compared with fluvial floods, as well as the fact that pluvial flooding may occur everywhere, are expected to cause a shift in damage mitigation from precaution to emergency response. However, an effective implementation of emergency measures was constrained by a low dissemination of early warnings in the study areas. Further improvements of early warning systems including dissemination as well as a rise in pluvial flood preparedness are important to reduce future pluvial flood damage. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 355 KW - pluvial floods KW - surface water flooding KW - emergency response KW - early warning KW - preparedness KW - damage KW - mitigation Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400465 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Katja T1 - Assessing, testing, and implementing socio-cultural valuation methods to operationalise ecosystem services in land use management T1 - Berücksichtigung, Überprüfung und Implentierung sozio-kultureller Bewertungsmethoden für die Operationalisierung von Ökosystemleistungen im Landschaftsmanagement N2 - Ecosystem services (ESs) are defined as the contributions that ecosystems make to human wellbeing and are increasingly being used as an approach to explore the importance of ecosystems for humans through their valuation. Although value plurality has been recognised long before the mainstreaming of ESs research, socio-cultural valuation is still underrepresented in ESs assessments. It is the central goal of this PhD dissertation to explore the ability of socio-cultural valuation methods for the operationalisation of ESs research in land management. To address this, I formulated three research objectives that are briefly outlined below and relate to the three studies conducted during this dissertation. The first objective relates to the assessment of the current role of socio-cultural valuation in ESs research. Human values are central to ESs research yet non-monetary socio-cultural valuation methods have been found underrepresented in the field of ESs science. In regard to the unbalanced consideration of value domains and conceptual uncertainties, I perform a systematic literature review aiming to answer the research question: To what extent have socio-cultural values been addressed in ESs assessments. The second objective aims to test socio-cultural valuation methods of ESs and their relevance for land use preferences by exploring their methodological opportunities and limitations. Socio-cultural valuation methods have only recently become a focus in ESs research and therefore bear various uncertainties in regard to their methodological implications. To overcome these uncertainties, I analysed responses to a visitor survey. The research questions related to the second objective were: What are the implications of different valuation methods for ESs values? To what extent are land use preferences explained by socio-cultural values of ESs? The third objective addressed in this dissertation is the implementation of ESs research into land management through socio-cultural valuation. Though it is emphasised that the ESs approach can assist decision making, there is little empirical evidence of the effect of ESs knowledge on land management. I proposed a way to implement transdisciplinary, spatially explicit research on ESs by answering the following research questions: Which landscape features underpinning ESs supply are considered in land management? How can participatory approaches accounting for ESs be operationalised in land management? The empirical research resulted in five main findings that provide answers to the research questions. First, this dissertation provides evidence that socio-cultural values are an integral part of ESs research. I found that they can be assessed for provisioning, regulating, and cultural services though they are linked to cultural services to a greater degree. Socio-cultural values have been assessed by monetary and non-monetary methods and their assessment is effectively facilitated by stakeholder participation. Second, I found that different methods of socio-cultural valuation revealed different information. Whereas rating revealed a general value of ESs, weighting was found more suitable to identify priorities across ESs. Value intentions likewise differed in the distribution of values, generally implying a higher value for others than for respondents themselves. Third, I showed that ESs values were distributed similarly across groups with differing land use preferences. Thus, I provided empirical evidence that ESs values and landscape values should not be used interchangeably. Fourth, I showed which landscape features important for ESs supply in a Scottish regional park are not sufficiently accounted for in the current management strategy. This knowledge is useful for the identification of priority sites for land management. Finally, I provide an approach to explore how ESs knowledge elicited by participatory mapping can be operationalised in land management. I demonstrate how stakeholder knowledge and values can be used for the identification of ESs hotspots and how these hotspots can be compared to current management priorities. This dissertation helps to bridge current gaps of ESs science by advancing the understanding of the current role of socio-cultural values in ESs research, testing different methods and their relevance for land use preferences, and implementing ESs knowledge into land management. If and to what extent ESs and their values are implemented into ecosystem management is mainly the choice of the management. An advanced understanding of socio-cultural valuation methods contributes to the normative basis of this management, while the proposal for the implementation of ESs in land management presents a practical approach of how to transfer this type of knowledge into practice. The proposed methods for socio-cultural valuation can support guiding land management towards a balanced consideration of ESs and conservation goals. N2 - Das Konzept der Ökosystemleistungen (ÖSL) wird in der Wissenschaft seit einigen Jahren vermehrt verwendet, um die Beiträge von Ökosystemen zum menschlichen Wohlbefinden zu bewerten. Das Konzept der ÖSL sieht vor, dass dabei viele verschiedene Wertkategorien gleichberechtigt zum Tragen kommen. Dazu gehören etwa ökonomische, ökologische und sozio-kulturelle Werte, die zu integrieren sind. Diesem Anspruch zum Trotz wird jedoch bislang der Bereich der sozio-kulturellen Werte zugunsten monetärer Werte in der Wissenschaft weitgehend vernachlässigt. Zudem müssen Wege gefunden werden, das Wissen über ÖSL und deren Werte in der Landschafts- und Raumplanung umzusetzen und damit praktisch nutzbar zu machen. Es ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, die Eignung von sozio-kulturellen Bewertungsmethoden für die Operationalisierung von ÖSL in Landschafts- und Raumplanung zu untersuchen. Hierfür wurden drei Forschungsschwerpunkte verfolgt. (1) Es wurde untersucht, inwieweit gegenwärtige ÖSL-Bewertungsstudien sozio-kulturelle Werte berücksichtigen. (2) Verschiedene sozio-kulturelle Bewertungsmethoden für ÖSL wurden daraufhin geprüft, inwieweit sie geeignet sind, die Landschaftspräferenzen unterschiedlicher Nutzergruppen offenzulegen und (3) wurde ein Ansatz entwickelt, um die ÖSL-Forschung in die Landschafts- und Raumplanung zu implementieren. (1) Mittels einer Literaturanalyse konnte gezeigt werden, dass sozio-kulturelle Werte bei der Bewertung von produktiven, regulierenden und kulturellen ÖSL erhoben werden, wobei ein engerer Zusammenhang zwischen sozio-kulturellen Werten und kulturellen ÖSL festgestellt wurde. Zwischen sozio-kulturellen Werten und kulturellen Leistungen konnten einige Überlappungen aber auch zahlreiche Unterschiede aufgezeigt werden, was auf eine Trennung der beiden Bereiche hinweist. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich nicht-monetäre Bewertungsmethoden besonders für die Erhebung sozio-kultureller Werte eignen wobei auch monetäre Bewertungsmethoden sozio-kulturelle Werte erfassen, vor allem mittels simulierter Marktansätze (z.B. Zahlungsbereitschaft, Choice Experimente). Die Arbeit zeigte zudem, dass Studien, welche Stakeholder oder die Öffentlichkeit beteiligten, häufiger ebenfalls sozio-kulturelle Werte erhoben. (2) Bei einer Besucherbefragung in einem schottischen Regionalpark führten unterschiedliche Methoden zu unterschiedlichen Ergebnissen. Die Bewertung von ÖSL auf einer 5-Punkteskala führte zu einer allgemeinen Einschätzung über die Wichtigkeit der verschiedenen ÖSL während eine Gewichtung der Leistungen (Verteilung von insgesamt 100 Punkten auf 9 ÖSL) eine relative Einschätzung über die Wichtigkeit der ÖSL und deren Prioritäten ermöglichte. Verschiedene Werteintentionen lieferten ähnlich unterschiedliche Ergebnisse, wobei persönliche Werte differenzierter und allgemein höher ausfielen als gesellschaftliche Werte. Zudem konnte gezeigt werden, dass sozio-kulturelle Werte für ÖSL ähnlich zwischen fünf Gruppen mit unterschiedlichen Landschaftspräferenzen verteilt waren. Die Arbeit liefert demnach empirische Belege dafür, dass es sich bei ÖSL und Landschaftspräferenzen um zwei Konzepte handelt, die nicht untereinander austauschbar sind. (3) Für die Entwicklung eines Ansatzes zur Implementierung von ÖSL-Forschung in die Landschafts- und Raumplanung wurde ein Methodenmix verwendet. Es wurden Ergebnisse eines Stakeholderworkshops verwendet bei dem ÖSL von Stakeholdern kartiert wurden. Mittels dieser Kartierung wurden Landschaftseigenschaften untersucht, die eine besondere Bedeutung für die Bereitstellung der ÖSL haben. Es wurde weiterhin untersucht, inwieweit diese Landschaftseigenschaften im derzeitigen Management Plan priorisiert werden. Die Diskrepanz zwischen Landschaftseigenschaften, die zentral für die Bereitstellung von ÖSL sind, und denen, die derzeit im Management Plan berücksichtigt werden, kann Aufschluss über mögliche Zielkonflikte geben und kann zudem dabei helfen, künftige Planungsprioritäten festzulegen, etwa indem Vorranggebiete für bestimmte ÖSL ausgewiesen werden. Diese Arbeit untersucht die Eignung von sozio-kulturellen Bewertungsmethoden für die Operationalisierung von ÖSL in Landschafts- und Raumplanung. In diesem Zusammenhang liefert die Arbeit neue Erkenntnisse darüber, inwiefern derzeit sozio-kulturellen Werten in ÖSL-Bewertungsstudien berücksichtigt werden. Sie zeigt Möglichkeiten und Grenzen von verschiedenen anerkannten sozio-kulturellen Bewertungsmethoden auf und ermöglicht ein besseres Verständnis über deren Abgrenzung zu Landschaftspräferenzen. Schließlich präsentiert diese Arbeit einen komplexen methodischen Ansatz, um ÖSL-Forschung in die Landschafts- und Raumplanung zu integrieren. KW - non-monetary valuation KW - participatory mapping KW - PPGIS KW - landscape preferences KW - nicht-monetäre Bewertung KW - PPGIS KW - Landschaftspräferenzen Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411049 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Silke Regina T1 - Analyzing lakes in the time frequency domain T1 - Analyse von Seen in der Zeit-Frequenz-Domäne N2 - The central aim of this thesis is to demonstrate the benefits of innovative frequency-based methods to better explain the variability observed in lake ecosystems. Freshwater ecosystems may be the most threatened part of the hydrosphere. Lake ecosystems are particularly sensitive to changes in climate and land use because they integrate disturbances across their entire catchment. This makes understanding the dynamics of lake ecosystems an intriguing and important research priority. This thesis adds new findings to the baseline knowledge regarding variability in lake ecosystems. It provides a literature-based, data-driven and methodological framework for the investigation of variability and patterns in environmental parameters in the time frequency domain. Observational data often show considerable variability in the environmental parameters of lake ecosystems. This variability is mostly driven by a plethora of periodic and stochastic processes inside and outside the ecosystems. These run in parallel and may operate at vastly different time scales, ranging from seconds to decades. In measured data, all of these signals are superimposed, and dominant processes may obscure the signals of other processes, particularly when analyzing mean values over long time scales. Dominant signals are often caused by phenomena at long time scales like seasonal cycles, and most of these are well understood in the limnological literature. The variability injected by biological, chemical and physical processes operating at smaller time scales is less well understood. However, variability affects the state and health of lake ecosystems at all time scales. Besides measuring time series at sufficiently high temporal resolution, the investigation of the full spectrum of variability requires innovative methods of analysis. Analyzing observational data in the time frequency domain allows to identify variability at different time scales and facilitates their attribution to specific processes. The merit of this approach is subsequently demonstrated in three case studies. The first study uses a conceptual analysis to demonstrate the importance of time scales for the detection of ecosystem responses to climate change. These responses often occur during critical time windows in the year, may exhibit a time lag and can be driven by the exceedance of thresholds in their drivers. This can only be detected if the temporal resolution of the data is high enough. The second study applies Fast Fourier Transform spectral analysis to two decades of daily water temperature measurements to show how temporal and spatial scales of water temperature variability can serve as an indicator for mixing in a shallow, polymictic lake. The final study uses wavelet coherence as a diagnostic tool for limnology on a multivariate high-frequency data set recorded between the onset of ice cover and a cyanobacteria summer bloom in the year 2009 in a polymictic lake. Synchronicities among limnological and meteorological time series in narrow frequency bands were used to identify and disentangle prevailing limnological processes. Beyond the novel empirical findings reported in the three case studies, this thesis aims to more generally be of interest to researchers dealing with now increasingly available time series data at high temporal resolution. A set of innovative methods to attribute patterns to processes, their drivers and constraints is provided to help make more efficient use of this kind of data. N2 - See-Ökosysteme sind eine der bedrohtesten Ressourcen der Hydrosphäre. Sie reagieren besonders sensibel auf Veränderungen des Klimas und auf Einflüsse durch Landnutzung, da verschiedene Prozesse im gesamten Einzugsgebiet auf sie einwirken. Daher ist es von besonderer Dringlichkeit, die verschiedenen Prozess-Dynamiken in See-Ökosystemen besser zu verstehen. Die hier vorliegende Doktorarbeit hat zum Ziel, das bestehende Wissen bezüglich der verschiedenen einwirkenden Prozesse in See-Ökosystemen zu erweitern. Die Arbeit stellt ein Forschungsdesign zur Diskussion, das eine Literatur-basierte und auf empirischen Erhebungen beruhende Analyse von Variabilität und Mustern in großen Datensätzen verschiedener Umweltparameter im Zeit-Frequenz-Raum ermöglicht. Umweltparameter sind häufig charakterisiert durch eine hohe zeitliche Dynamik. Diese Variabilität steht im Zentrum dieser Arbeit. Sie wird durch eine Fülle an periodischen und stochastischen Prozessen innerhalb und außerhalb des Ökosystems getrieben. Diese Prozesse können gleichzeitig und auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen, von Sekunden bis hin zu Dekaden, ablaufen. In Messdaten überlagern sich alle diese Signale, und dominante Prozesse können die Signale anderer Prozesse verschleiern, insbesondere wenn Mittelwerte über längere Zeiträume analysiert werden. Dominante Signale werden oft durch Prozesse auf längeren Zeitskalen verursacht, wie z. B. saisonale Zyklen. Diese sind im Allgemeinen in der limnologischen Literatur gut dokumentiert. See-Ökosysteme werden allerdings von Prozessen auf allen Zeitskalen beeinflusst. Insbesondere biologische, chemische und physikalische Prozesse operieren in kürzeren Zeitrahmen. Die Variabilität, die über solche Prozesse in See-Ökosysteme eingebracht wird, ist bisher weit weniger gut erforscht. Neben der Notwendigkeit, Umweltparameter in hoher zeitlicher Auflösung zu messen, erfordert die Untersuchung der kompletten Bandbreite an Variabilität innovative Analysemethoden. Die Berücksichtigung der Zeit-Frequenz-Domäne kann dabei helfen, Dynamiken auf verschiedenen Zeitskalen zu identifizieren und daraus bestimmte Prozesse abzuleiten. Diese Arbeit zeigt die Vorzüge dieser Herangehensweise anhand von drei Fallstudien auf. Die erste Studie zeigt die Bedeutung von Zeitskalen für die Erfassung von Ökosystem-Reaktionen auf klimatische Veränderungen. Diese ereignen sich oft während kritischer Zeitfenster im Jahresverlauf und können durch die Überschreitung von Schwellenwerten in den treibenden Variablen, unter Umständen zeitlich verzögert, verursacht sein. Solche Zusammenhänge können nur erfasst werden, wenn die zeitliche Auflösung der Daten hoch genug ist. In der zweiten Studie wird die Spektralanalyse, basierend auf der Fast Fourier Transformation, auf einen Datensatz täglicher Messungen der Wassertemperatur über zwanzig Jahre hinweg angewendet. Es wird gezeigt, wie zeitliche und räumliche Skalen der Variabilität der Wassertemperatur als Indikator für Mischprozesse in einem polymiktischen See dienen können. In der dritten Studie wird die Wavelet Coherence als Diagnose-Werkzeug für einen multivariaten, hochfrequenten Datensatz genutzt. Dieser wurde zwischen dem Einsetzen einer Eisbedeckung und einer Sommerblüte von Cyanobakteriern in einem polymiktischen See im Jahr 2009 erhoben. Synchronizitäten zwischen limnologischen und meteorologischen Zeitreihen in schmalen Frequenz-Bändern wurden genutzt, um vorherrschende limnologische Prozesse zu identifizieren und analytisch zu trennen. Neben den neuen empirischen Erkenntnissen, die in den drei Fallstudien präsentiert werden, zielt diese Doktorarbeit darauf ab, Forscher*innen, Behörden und politischen Entscheidungsträger*innen eine Grundlage zu liefern, die hohe zeitliche Auflösung der heute vielfach verfügbaren Monitoring-Datensätze effizienter zu nutzen. Innovative Methoden sollen dabei helfen, Muster in den Daten Prozessen zuzuordnen und die entsprechenden Treiber und Limitationen zu identifizieren. KW - variability KW - time scale KW - wavelet KW - coherence KW - spectral analysis KW - time series analysis KW - polymictic lakes KW - process identification KW - Variabilität KW - Zeitskala KW - Spektralanalyse KW - Zeitreihenanalyse KW - polymiktische Seen KW - Prozessidentifikation Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406955 ER - TY - THES A1 - Siddiqui, Tarique Adnan T1 - Long-term investigation of the lunar tide in the equatorial electrojet during stratospheric sudden warmings T1 - Analyse von Langzeit-Registrierungen zur Untersuchung der lunaren Gezeiten des äquatorialer Elektrojet bei plötzlichen stratosphärischen Erwärmungsereignissen N2 - The ionosphere, which is strongly influenced by the Sun, is known to be also affected by meteorological processes. These processes, despite having their origin in the troposphere and stratosphere, interact with the upper atmosphere. Such an interaction between atmospheric layers is known as vertical coupling. During geomagnetically quiet times, when near-Earth space is not under the influence of solar storms, these processes become important drivers for ionospheric variability. Studying the link between these processes in the lower atmosphere and the ionospheric variability is important for our understanding of fundamental mechanisms in ionospheric and meteorological research. A prominent example of vertical coupling between the stratosphere and the ionosphere are the so-called stratospheric sudden warming (SSW) events that occur usually during northern winters and result in an increase in the polar stratospheric temperature and a reversal of the circumpolar winds. While the phenomenon of SSW is confined to the northern polar stratosphere, its influence on the ionosphere can be observed even at equatorial latitudes. During SSW events, the connection between the polar stratosphere and the equatorial ionosphere is believed to be through the modulation of global atmospheric tides. These tides are fundamental for the ionospheric E-region wind dynamo that generates electric fields and currents in the ionosphere. Observations of ionospheric currents indicate a large enhancement of the semidiurnal lunar tide in response to SSW events. Thus, the semidiurnal lunar tide becomes an important driver of ionospheric variability during SSW events. In this thesis, the ionospheric effect of SSW events is investigated in the equatorial region, where a narrow but an intense E-region current known as the equatorial electrojet (EEJ) flows above the dip equator during the daytime. The day-to-day variability of the EEJ can be determined from magnetic field records at geomagnetic observatories close to the dip equator. Such magnetic data are available for several decades and allows to investigate the impact of SSW events on the EEJ and, even more importantly, helps in understanding the effects of SSW events on the equatorial ionosphere. An excellent long-term record of the geomagnetic field at the equator from 1922 onwards is available for the observatory Huancayo in Peru and is extensively utilized in this study. The central subject of this thesis is the investigation of lunar tides in the EEJ during SSW events by analyzing long time series. This is done by estimating the lunar tidal amplitude in the EEJ from the magnetic records at Huancayo and by comparing them to measurements of the polar stratospheric wind and temperature, which led to the identification of the known SSW events from 1952 onwards. One goal of this thesis is to identify SSW events that predate 1952. To this end, superposed epoch analysis (SEA) is employed to establish a relationship between the lunar tidal power and the wind and temperature conditions in the lower atmosphere. A threshold value for the lunar tidal power is identified that is discriminative for the known SSW events. This threshold is then used to identify lunar tidal enhancements, which are indicative for any historic SSW events prior to 1952. It can be shown, that the number of lunar tidal enhancements and thus the occurrence frequency of historic SSW events between 1926 and 1952 is similar to the occurrence frequency of the known SSW events from 1952 onwards. Next to the classic SSW definition, the concept of polar vortex weakening (PVW) is utilized in this thesis. PVW is defined for higher latitudes and altitudes (≈ 40km) than the classical SSW definition (≈ 32km). The correlation between the timing and magnitude of lunar tidal enhancements in the EEJ and the timing and magnitude of PVW is found to be better than for the classic SSW definition. This suggests that the lunar tidal enhancements in the EEJ are closely linked to the state of the middle atmosphere. Geomagnetic observatories located in different longitudes at the dip equator allow investigating the longitudinally dependent variability of the EEJ during SSW events. For this purpose, the lunar tidal enhancements in the EEJ are determined for the Peruvian and Indian sectors during the major SSW events of the years 2006 and 2009. It is found that the lunar tidal amplitude shows similar enhancements in the Peruvian sector during both SSW events, while the enhancements are notably different for the two events in the Indian sector. In summary, this thesis shows that lunar tidal enhancements in the EEJ are indeed correlated to the occurrence of SSW events and they should be considered a prominent driver of low latitude ionospheric variability. Secondly, lunar tidal enhancements are found to be longitudinally variable. This suggests that regional effects, such as ionospheric conductivity and the geometry and strength of the geomagnetic field, also play an important role and have to be considered when investigating the mechanisms behind vertical coupling. N2 - Die Ionosphäre, die hauptsächlich durch Prozesse solaren Ursprungs beeinflusst wird, wird auch durch meteorologische Prozesse beeinflusst. Obwohl diese Prozesse ihren Ursprung in der Troposphäre und Stratosphäre haben, wechselwirken sie mit der oberen Atmosphäre. Eine solche Wechselwirkung zwischen atmosphärischen Schichten wird als vertikale Kopplung bezeichnet. Bei magnetisch ruhigen Bedingungen, wenn der erdnahe Weltraum nicht durch solare Stürme beeinflusst wird, werden diese Prozesse zu wichtigen Einflussfaktoren für die ionosphärische Variabilität. Für unser Verständnis von fundamentalen Mechanismen im Forschungsfeld der Ionosphäre und der Meteorologie ist es wichtig, die Verbindung zwischen diesen Prozessen in der unteren Atmosphäre und der ionosphärischen Variabilität zu ermitteln. Ein wichtiges Beispiel für die vertikale Kopplung zwischen Stratosphäre und Ionosphäre sind die sogenannten plötzlichen stratosphärischen Erwärmungsereignisse (sudden stratospheric warming, SSW), die üblicherweise im Winter stattfinden und zu einer Erhöhung der stratosphärischen Temperatur und einer Umkehrung der zirkumpolarenWinde führen. Während das Phänomen des SSW auf die nördliche polare Stratosphäre beschränkt ist, kann sein Einfluss auf die Ionosphäre sogar in äquatorialen Breiten beobachtet werden. Bei SSW - Ereignissen wird vermutet, dass die Verbindung zwischen der polaren Stratosphäre und der äquatorialen Ionosphäre durch die Modulation globaler atmosphärischer Gezeiten erfolgt. Diese Gezeiten sind grundlegend für den Wind-Dynamo in der ionosphärischen E-Region, der dort elektrische Felder und Ströme erzeugt. Beobachtungen ionosphärischer Ströme zeigen, dass die semidiurnalen lunaren Gezeiten als Reaktion auf ein SSW - Ereignis eine starke Erhöhung erfahren. Damit werden die semidiurnalen lunaren Gezeiten zu einem wichtigen Faktor für die ionosphärische Variabilität während eines SSW - Ereignis. In dieser Dissertation wird der äquatoriale ionosphärische Effekt von SSW - Ereignissen untersucht. In der E-Region über dem magnetischen Äquator fließt tagsüber ein schmaler aber intensiver Strom, der als äquatorialer Strahlstrom oder Elektrojet (EEJ) bekannt ist. Der von Tag zu Tag unterschiedlich ausgeprägte EEJ kann aus Magnetfeldregistrierungen von geomagnetischen Observatorien nahe dem magnetischen Äquator abgeschätzt werden. Solche Magnetfeldregistrierungen stehen über mehrere Jahrzehnte zur Verfügung und erlauben es, den Einfluss der SSW-Ereignisse auf den EEJ zu untersuchen, und, noch wesentlicher, helfen sie, den Einfluss von SSW-Ereignissen auf die äquatoriale Ionosphäre zu verstehen. Eine ausgezeichnete, im Jahre 1922 beginnende Langzeit-Registrierung des Magnetfeldes am Äquator gibt es für das Observatorium Huancayo in Peru. Sie wird in der vorliegenden Arbeit intensiv genutzt. Das zentrale Thema der Dissertation ist die Analyse von Langzeit - Registrierungen zur Untersuchung der lunaren Gezeiten des EEJ bei SSW - Ereignissen. Dazu wird die Amplitude der lunaren Gezeiten des EEJ aus den Magnetfeldregistrierungen des Observatoriums Huancayo bestimmt und mit den Messungen des polaren stratosphärischen Windes und der Temperatur verglichen, die zur Identifizierung der bekannten SSW - Ereignisse seit 1952 geführt haben. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, auch SSW - Ereignisse vor 1952 zu identifizieren. Dahingehend wird eine Superposed Epoch Analysis (SEA) benutzt, und damit wird eine Beziehung zwischen die Leistung der lunaren Gezeiten und den Wind- und Temperaturbedingungen in der unteren Atmosphäre hergestellt. So wird ein Grenzwert für die Leistung der lunaren Gezeiten für die bekannten SSW - Ereignisse ermittelt. Dieser Grenzwert wird dann benutzt, um eine Verstärkung der lunaren Gezeiten zu identifizieren, die historische SSW - Ereignisse vor 1952 anzeigt. Es zeigt sich, dass die Häufigkeit der Verstärkung der lunaren Gezeiten, und damit die Häufigkeit der historischen SSW - Ereignisse zwischen 1926 und 1952, ähnlich ist zu der Häufigkeit der bekannten SSW - Ereignisse seit 1952 ist. Neben der klassischen SSW - Definition wird in dieser Dissertation das Konzept des Polar Vortex Weakening (PVW) genutzt. Das PVW ist für höhere Breiten und Höhenlagen (40 km) festgelegt als die klassische SSW - Definition (32 km). Die Korrelation zwischen dem Zeitpunkt und der Stärke der Verstärkung der lunaren Gezeiten des EEJ einerseits und dem Zeitpunkt und der Stärke des PVW andererseits ist besser als die entsprechende Korrelation bei Anwendung der klassischen SSW - Definition. Dies lässt darauf schließen, dass die Verstärkung der lunaren Gezeiten des EEJ eng mit dem Zustand der mittleren Atmosphäre verknüpft ist. Geomagnetische Observatorien, die bei verschiedenen Längengraden am magnetischen Äquator liegen, erlauben es, die längengradabhängige Variabilität des EEJ bei SSW - Ereignissen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wird die Verstärkung der lunaren Gezeiten fär zwei ausgeprägte SSW - Ereignisse in den Jahren 2006 und 2009 im peruanischen und im indischen Sektor bestimmt. Es zeigt sich, dass die Amplitude der lunaren Gezeiten im peruanischen Sektor bei beiden Ereignissen eine ähnliche Verstärkung aufweist, während die Verstärkung im indischen Sektor für die zwei Ereignisse deutliche Unterschiede aufweist. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Verstärkung der lunaren Gezeiten des EEJ in der Tat mit dem Auftreten von SSW - Ereignissen korreliert ist und dass sie als wichtiger Einflussfaktor auf die Variabilität der Ionosphäre der niederen Breiten berücksichtigt werden muss. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Verstärkung der lunaren Gezeiten eine längengradabhängige Variabilität aufweist. Dies legt nahe, dass regionale Gegebenheiten, wie die Leitfähigkeit der Ionosphäre und die Geometrie und Stärke des Erdmagnetfeldes, bei der vertikalen Kopplung auch eine wichtige Rolle spielen und bei der Untersuchung der dabei zugrundeliegenden Mechanismen berücksichtigt werden müssen. KW - lunar tides KW - equatorial electrojet KW - sudden stratospheric warming KW - vertical coupling KW - lunare Gezeiten KW - äquatorialer Elektrojet KW - plötzliche stratosphärische Erwärmungsereignisse KW - vertikale Kuppelung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406384 ER - TY - GEN A1 - Smith, Taylor A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Rheinwalt, Aljoscha T1 - Spatiotemporal patterns of High Mountain Asia's snowmelt season identified with an automated snowmelt detection algorithm, 1987-2016 N2 - High Mountain Asia (HMA) - encompassing the Tibetan Plateau and surrounding mountain ranges - is the primary water source for much of Asia, serving more than a billion downstream users. Many catchments receive the majority of their yearly water budget in the form of snow, which is poorly monitored by sparse in situ weather networks. Both the timing and volume of snowmelt play critical roles in downstream water provision, as many applications - such as agriculture, drinking-water generation, and hydropower - rely on consistent and predictable snowmelt runoff. Here, we examine passive microwave data across HMA with five sensors (SSMI, SSMIS, AMSR-E, AMSR2, and GPM) from 1987 to 2016 to track the timing of the snowmelt season - defined here as the time between maximum passive microwave signal separation and snow clearance. We validated our method against climate model surface temperatures, optical remote-sensing snow-cover data, and a manual control dataset (n = 2100, 3 variables at 25 locations over 28 years); our algorithm is generally accurate within 3-5 days. Using the algorithm-generated snowmelt dates, we examine the spatiotemporal patterns of the snowmelt season across HMA. The climatically short (29-year) time series, along with complex interannual snowfall variations, makes determining trends in snowmelt dates at a single point difficult. We instead identify trends in snowmelt timing by using hierarchical clustering of the passive microwave data to determine trends in self-similar regions. We make the following four key observations. (1) The end of the snowmelt season is trending almost universally earlier in HMA (negative trends). Changes in the end of the snowmelt season are generally between 2 and 8 days decade 1 over the 29-year study period (5-25 days total). The length of the snowmelt season is thus shrinking in many, though not all, regions of HMA. Some areas exhibit later peak signal separation (positive trends), but with generally smaller magnitudes than trends in snowmelt end. (2) Areas with long snowmelt periods, such as the Tibetan Plateau, show the strongest compression of the snowmelt season (negative trends). These trends are apparent regardless of the time period over which the regression is performed. (3) While trends averaged over 3 decades indicate generally earlier snowmelt seasons, data from the last 14 years (2002-2016) exhibit positive trends in many regions, such as parts of the Pamir and Kunlun Shan. Due to the short nature of the time series, it is not clear whether this change is a reversal of a long-term trend or simply interannual variability. (4) Some regions with stable or growing glaciers - such as the Karakoram and Kunlun Shan - see slightly later snowmelt seasons and longer snowmelt periods. It is likely that changes in the snowmelt regime of HMA account for some of the observed heterogeneity in glacier response to climate change. While the decadal increases in regional temperature have in general led to earlier and shortened melt seasons, changes in HMA's cryosphere have been spatially and temporally heterogeneous. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 397 Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403911 ER - TY - THES A1 - Theuring, Philipp Christian T1 - Suspended sediments in the Kharaa River, sources and impacts T1 - Feinsedimente im Kharaa Fluss, Quellen und Auswirkungen N2 - Anthropogenically amplified erosion leads to increased fine-grained sediment input into the fluvial system in the 15.000 km2 Kharaa River catchment in northern Mongolia and constitutes a major stressing factor for the aquatic ecosystem. This study uniquely combines the application of intensive monitoring, source fingerprinting and catchment modelling techniques to allow for the comparison of the credibility and accuracy of each single method. High-resolution discharge data were used in combination with daily suspended solid measurements to calculate the suspended sediment budget and compare it with estimations of the sediment budget model SedNet. The comparison of both techniques showed that the development of an overall sediment budget with SedNet was possible, yielding results in the same order of magnitude (20.3 kt a- 1 and 16.2 kt a- 1). Radionuclide sediment tracing, using Be-7, Cs-137 and Pb-210 was applied to differentiate sediment sources for particles < 10μm from hillslope and riverbank erosion and showed that riverbank erosion generates 74.5% of the suspended sediment load, whereas surface erosion contributes 21.7% and gully erosion only 3.8%. The contribution of the single subcatchments of the Kharaa to the suspended sediment load was assessed based on their variation in geochemical composition (e.g. in Ti, Sn, Mo, Mn, As, Sr, B, U, Ca and Sb). These variations were used for sediment source discrimination with geochemical composite fingerprints based on Genetic Algorithm driven Discriminant Function Analysis, the Kruskal–Wallis H-test and Principal Component Analysis. The contributions of the individual sub-catchment varied from 6.4% to 36.2%, generally showing higher contributions from the sub-catchments in the middle, rather than the upstream portions of the study area. The results indicate that river bank erosion generated by existing grazing practices of livestock is the main cause for elevated fine sediment input. Actions towards the protection of the headwaters and the stabilization of the river banks within the middle reaches were identified as the highest priority. Deforestation and by lodging and forest fires should be prevented to avoid increased hillslope erosion in the mountainous areas. Mining activities are of minor importance for the overall catchment sediment load but can constitute locally important point sources for particular heavy metals in the fluvial system. N2 - Durch Landnutzung erhöhte Erosion führt zu verstärktem Eintrag von Feinsedimenten im 15.000 km2 großen Einzugsgebiet des Kharaa in der nördlichen Mongolei. Diese Einträge stellen einen starken Stressor für das aquatische Ökosystem dar. Im Rahmen dieser Studie werden auf neuartige Weise verschiedene Ansätze zur Untersuchung der Feinsedimentdynamik im Einzugsgebiet kombiniert. Der Vergleich der Ergebnisse aus zeitlich hochaufgelösten Abfluss- und Schwebstoffanalysen, Sedimentbudgetmodellierung und „Sediment Source Fingerprinting“ Techniken erlaubt eine Bewertung der Genauigkeit und Anwendbarkeit jeder einzelnen Methodik im Untersuchungsgebiet. Das anhand von Abflussund Schwebstoffmessdaten berechnete Sedimentbudget am Gebietsauslass wurde mit dem mittels des Sedimentbudgetmodels SedNet berechneten Sedimentbudget verglichen. Die Ergebnisse von des aus Abfluss- und Schwebstoffmessdaten berechneten Sedimentbudgets (20,3 kt a- 1) und der mittels SedNet berechneten Werte (16,2 kt a- 1) zeigen eine befriedigende Übereinstimmung und bekräftigen die Anwendbarkeit des Models. Zur Unterscheidung der Herkunft der Feinsedimente hinsichtlich des dominanten Erosionsprozesses wurde die Sedimentfraktion < 10μm hinsichtlich der Konzentrationen der Radioisotope Be-7, Cs-137 und Pb-210 analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Gerinneerosion für 74.5% der Suspensionsfracht verantwortlich ist und Einträge durch Flächenerosion 21.7% und durch Gully-erosion nur 3.8% beitragen. Zur Untersuchung der Anteile der Teileinzugsgebiete an der Gesamtsuspensionsfracht am Gebietsauslass wurden die Sedimente der Teilgebiete hinsichtlich der Variation ihrer geochemischen Zusammensetzung untersucht (z.B. Ti, Sn, Mo, Mn, As, Sr, B, U, Ca und Sb). Anhand der Zusammensetzung wurde jeweils ein spezifischer “Fingerabdruck” für Sedimente aus spezifischen Teileinzugsgebieten definiert. Mittels Diskriminanzanalyse, Kruskal–Wallis H-test und Hauptkomponentenanalyse konnten die Beiträge der Teileinzugsgebiete an der Gesamtfracht mit einem Mischungsmodel berechnet werden. Generell trugen die oberläufigen Teileinzugsgebiete am geringsten, und die mittelläufigen am stärksten zur Sediment Fracht bei. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass durch Überweidung begünstigte Ufererosion für den Hauptteil der Suspensionsfracht im Kharaa Fluss verantwortlich ist. Zur Verringerung des Schwebstoffeintrags in den Fluss werden Maßnahmen zur Uferbefestigung, insbesondere der Schutz und die Wiederherstellung der Ufervegetation als primäre Maßnahmen empfohlen. KW - sediment source fingerprinting KW - Mongolia KW - suspended sediments KW - sediment transport modelling KW - Mongolei KW - Sedimentquellenidentifizierung KW - Feinsedimente KW - Sedimentfracht Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410550 ER - TY - GEN A1 - Tötzke, Christian A1 - Kardjilov, Nikolay A1 - Manke, Ingo A1 - Oswald, Sascha T1 - Capturing 3D Water Flow in Rooted Soil by Ultra-fast Neutron Tomography N2 - Water infiltration in soil is not only affected by the inherent heterogeneities of soil, but even more by the interaction with plant roots and their water uptake. Neutron tomography is a unique non-invasive 3D tool to visualize plant root systems together with the soil water distribution in situ. So far, acquisition times in the range of hours have been the major limitation for imaging 3D water dynamics. Implementing an alternative acquisition procedure we boosted the speed of acquisition capturing an entire tomogram within 10 s. This allows, for the first time, tracking of a water front ascending in a rooted soil column upon infiltration of deuterated water time-resolved in 3D. Image quality and resolution could be sustained to a level allowing for capturing the root system in high detail. Good signal-to-noise ratio and contrast were the key to visualize dynamic changes in water content and to localize the root uptake. We demonstrated the ability of ultra-fast tomography to quantitatively image quick changes of water content in the rhizosphere and outlined the value of such imaging data for 3D water uptake modelling. The presented method paves the way for time-resolved studies of various 3D flow and transport phenomena in porous systems T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 385 Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-402237 ER -