TY  - THES
A1  - Jaiser, Ralf
T1  - Dreidimensionale Diagnostik der großskaligen Zirkulation der Tropo- und Stratosphäre
T1  - Three-dimensional diagnostics of the large-scale circulation in the troposphere and stratosphere
N2  - In dieser Arbeit werden Konzepte für die Diagnostik der großskaligen Zirkulation in der Troposphäre und Stratosphäre entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf dem Energiehaushalt, auf der Wellenausbreitung und auf der Interaktion der atmosphärischen Wellen mit dem Grundstrom. Die Konzepte werden hergeleitet, wobei eine neue Form des lokalen Eliassen-Palm-Flusses unter Einbeziehung der Feuchte eingeführt wird. Angewendet wird die Diagnostik dann auf den Reanalysedatensatz ERA-Interim und einen durch beobachtete Meerestemperatur- und Eisdaten angetriebenen Lauf des ECHAM6 Atmosphärenmodells. Die diagnostischen Werkzeuge zur Analyse der großskaligen Zirkulation sind einerseits nützlich, um das Verständnis der Dynamik des Klimasystems weiter zu fördern. Andererseits kann das gewonnene Verständnis des Zusammenhangs von Energiequellen und -senken sowie deren Verknüpfung mit synoptischen und planetaren Wellensystemen und dem resultierenden Antrieb des Grundstroms auch verwendet werden, um Klimamodelle auf die korrekte Wiedergabe dieser Beobachtungen zu prüfen. Hier zeigt sich, dass die Abweichungen im untersuchten ECHAM6-Modelllauf bezüglich des Energiehaushalts klein sind, jedoch teils starke Abweichungen bezüglich der Ausbreitung von atmosphärischen Wellen existieren. Planetare Wellen zeigen allgemein zu große Intensitäten in den Eliassen-Palm-Flüssen, während innerhalb der Strahlströme der oberen Troposphäre der Antrieb des Grundstroms durch synoptische Wellen verfälscht ist, da deren vertikale Ausbreitung gegenüber den Beobachtungen verschoben ist. Untersucht wird auch der Einfluss von arktischen Meereisänderungen ausgehend vom Bedeckungsminimum im August/September bis in den Winter. Es werden starke positive Temperaturanomalien festgestellt, welche an der Oberfläche am größten sind. Diese führen vor allem im Herbst zur Intensivierung von synoptischen Systemen in den arktischen Breiten, da die Stabilität der troposphärischen Schichtung verringert ist. Im darauffolgenden Winter stellen sich barotrope bis in die Stratosphäre reichende Änderungen der großskaligen Zirkulation ein, welche auf Meereisänderungen zurückzuführen sind. Der meridionale Druckgradient sinkt und führt so zu einem Muster ähnlich einer negativen Phase der arktischen Oszillation in der Troposphäre und einem geschwächten Polarwirbel in der Stratosphäre. Diese Zusammenhänge werden ebenfalls in einem ECHAM6-Modelllauf untersucht, wobei vor allem der Erwärmungstrend in der Arktis zu gering ist. Die großskaligen Veränderungen im Winter können zum Teil auch im Modelllauf festgestellt werden, jedoch zeigen sich insbesondere in der Stratosphäre Abweichungen für die Periode mit der geringsten Eisausdehnung. Die vertikale Ausbreitung planetarer Wellen von der Troposphäre in die Stratosphäre ist in ECHAM6 mit sehr großen Abweichungen wiedergegeben. Somit stellt die Wellenausbreitung insgesamt den größten in dieser Arbeit festgestellten Mangel in ECHAM6 dar.
N2  - In this study concepts for the diagnostics of the large-scale circulation in the troposphere and the stratosphere are developed. Therefore the energy budget, wave propagation and the interaction between waves and the mean flow are analyzed. A corresponding set of diagnostic methods is derived. Furthermore a new type of localized Eliassen Palm Fluxes including moisture fluxes is introduced. These diagnostic methods are then applied to the ERA-Interim reanalysis and to a run of the ECHAM6 atmospheric model forced with observed sea surface temperatures and sea ice data. The diagnostics of the large scale circulation are useful to enhance the understanding of the climate system dynamics. Furthermore the knowledge of the relation between energy sources and sinks, atmospheric waves on planetary and synoptic scales and their forcing of the mean flow is applicable to validate global climate models. The results presented here show small deviations in terms of the energy balance in ECHAM6 but large discrepancies in terms of wave propagation. On the one hand Eliassen Palm fluxes connected to planetary waves are generally too strong. On the other hand the mean flow forcing within upper tropospheric jet streams by synoptic scale waves does not agree with observations, since the vertical propagation is shifted. A second part of this study analyses the influence of Arctic sea ice anomalies at the sea ice minimum in August/September on atmospheric conditions. Strong positive temperature anomalies with their maximum at the surface are observed. In autumn they lead to intensified synoptic scale systems, because of a reduced atmospheric vertical stability. A large-scale barotropic circulation pattern up to the stratosphere appears in winter related to previous late summer sea ice changes. A reduced meridional pressure gradient leads to a pattern related to a negative phase of the Arctic Oscillation in the troposp here as well as related to a weaker stratospheric polar vortex. The same analysis performed with an ECHAM6 model run shows a too small warming of Arctic latitudes. While tropospheric changes in the Arctic are covered by the model to some degree, the stratosphere shows large discrepancies in reproducing the observed changes in the low ice period. The vertical propagation of planetary waves from the troposphere into the stratosphere is reproduced with large differences. Accordingly this study shows the largest errors in ECHAM6 related to atmospheric wave propagation.
KW  - Energiehaushalt
KW  - Wellenausbreitung
KW  - Meereis
KW  - Eliassen-Palm-Fluss
KW  - Klimawandel
KW  - energy budget
KW  - wave propagation
KW  - sea ice
KW  - Eliassen Palm Flux
KW  - climate change
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69064
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bischoff, Juliane
T1  - Microbial communities and their response to Pleistocene and Holocene climate variabilities in the Russian Arctic
T1  - Mikrobielle Gemeinschaften und ihre Reaktion auf Klimaeveränderungen des Pleistozäns und Holozäns in der Russischen Arktis
N2  - The Arctic is considered as a focal region in the ongoing climate change debate. The currently observed and predicted climate warming is particularly pronounced in the high northern latitudes. Rising temperatures in the Arctic cause progressive deepening and duration of permafrost thawing during the arctic summer, creating an ‘active layer’ with high bioavailability of nutrients and labile carbon for microbial consumption. The microbial mineralization of permafrost carbon creates large amounts of greenhouse gases, including carbon dioxide and methane, which can be released to the atmosphere, creating a positive feedback to global warming. However, to date, the microbial communities that drive the overall carbon cycle and specifically methane production in the Arctic are poorly constrained. To assess how these microbial communities will respond to the predicted climate changes, such as an increase in atmospheric and soil temperatures causing increased bioavailability of organic carbon, it is necessary to investigate the current status of this environment, but also how these microbial communities reacted to climate changes in the past. This PhD thesis investigated three records from two different study sites in the Russian Arctic, including permafrost, lake shore and lake deposits from Siberia and Chukotka. A combined stratigraphic approach of microbial and molecular organic geochemical techniques were used to identify and quantify characteristic microbial gene and lipid biomarkers. Based on this data it was possible to characterize and identify the climate response of microbial communities involved in past carbon cycling during the Middle Pleistocene and the Late Pleistocene to Holocene. It is shown that previous warmer periods were associated with an expansion of bacterial and archaeal communities throughout the Russian Arctic, similar to present day conditions. Different from this situation, past glacial and stadial periods experienced a substantial decrease in the abundance of Bacteria and Archaea. This trend can also be confirmed for the community of methanogenic archaea that were highly abundant and diverse during warm and particularly wet conditions. For the terrestrial permafrost, a direct effect of the temperature on the microbial communities is likely. In contrast, it is suggested that the temperature rise in scope of the glacial-interglacial climate variations led to an increase of the primary production in the Arctic lake setting, as can be seen in the corresponding biogenic silica distribution. The availability of this algae-derived carbon is suggested to be a driver for the observed pattern in the microbial abundance. This work demonstrates the effect of climate changes on the community composition of methanogenic archae. Methanosarcina-related species were abundant throughout the Russian Arctic and were able to adapt to changing environmental conditions. In contrast, members of Methanocellales and Methanomicrobiales were not able to adapt to past climate changes. This PhD thesis provides first evidence that past climatic warming led to an increased abundance of microbial communities in the Arctic, closely linked to the cycling of carbon and methane production. With the predicted climate warming, it may, therefore, be anticipated that extensive amounts of microbial communities will develop. Increasing temperatures in the Arctic will affect the temperature sensitive parts of the current microbiological communities, possibly leading to a suppression of cold adapted species and the prevalence of methanogenic archaea that tolerate or adapt to increasing temperatures. These changes in the composition of methanogenic archaea will likely increase the methane production potential of high latitude terrestrial regions, changing the Arctic from a carbon sink to a source.
N2  - Die Arktis ist in den gegenwärtigen Diskussionen zum Klimawandel von besonderem Interesse. Die derzeitig beobachtete globale Erwärmung ist in den hohen nördlichen Breiten besonders ausgeprägt. Dies führt dazu, dass ehemals gefrorene Böden zunehmend tiefer auftauen und daher im Boden enthaltene Kohlenstoffquellen für die mikrobielle Umsetzung und Mineralisierung zur Verfügung stehen. Aufgrund dieser Prozesse entstehen klimarelevant Gase, darunter Kohlendioxid und Methan, die aus den Böden und Sedimenten freigesetzt werden können. Wenn man bedenkt, dass in den nördlichen Permafrostgebieten die Hälfte des weltweit unter der Bodenoberfläche gelagerten Kohlenstoffs gelagert ist, wird die Bedeutung dieser Region für das Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufes und der möglichen Treibhaus-gasemissionen sichtbar. Trotz dieser Relevanz, sind die am Kohlenstoffumsatz beteiligten Mikroorganismen in der Arktis wenig untersucht und ihre Anpassungsfähigkeit an die gegenwärtigen Klimaveränderungen unbekannt. Die vorliegende Arbeit untersucht daher, wie sich Klimaveränderungen in der Vergangenheit auf die Anzahl und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften ausgewirkt haben. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf die methanbildenden Archaeen, um das Verständnis der mikrobiellen Methandynamik zu vertiefen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Bohrkerne aus zwei verschiedenen Standorten in der russischen Arktis untersucht, darunter terrestrischer Permafrost und Seesedimente aus Sibirien und Chukotka, Russland. Mittels der Identifikation und Quantifizierung von mikrobiellen Genen und charakteristischen Bestandteilen der mikrobiellen Zellmembran war es möglich, fossile mikrobielle Gemeinschaften in Seesedimenten mit einem Alter von bis zu 480 000 Jahren und in Permafrostablagerungen mit einem Alter von bis zu 42 000 Jahren zu rekonstruieren. Es wurde gezeigt, dass es während vergangener warmen Perioden zu einem Wachstum von Bakterien und Archaeen in allen untersuchten Standorten gekommen ist. Dieser Trend konnte auch für die Gemeinschaft der methanogenen Archaeen gezeigt werden, die während warmen und insbesondere feuchten Klimabedingungen in großer Anzahl und Diversität vorhanden waren, was wiederrum Rückschlüsse auf mögliche Methanemissionen erlaubt. In den terrestrischen Permafroststandorten wird der Temperaturanstieg als direkte Ursache für die gefundene Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft vermutet. Im Gegenzug dazu, führte der Temperaturanstieg im untersuchten arktischen See wahrscheinlich zu einer erhöhten Primärproduktion von organischem Kohlenstoff, die wiederum das Wachstum der Mikroorganismen antrieb. Weiterhin konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass Methanosarcina-verwandte Spezies in der Russischen Arktis weit verbreitet sind und sich an veränderte Umweltbedingungen gut anpassen können. Im Gegensatz dazu stehen Vertreter von Methanocellales und Methano-microbiales, die nicht in der Lage sich an veränderte Lebensbedingungen anzupassen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, dass es in früheren Warmphasen zu einem vermehrten Wachstum der an der Umsetzung des organischen Kohlenstoffs beteiligten Mikroorganismen in der Russischen Arktis gekommen ist. Im Zusammenhang mit der zukünftigen Erwärmung der Arktis kann also von einer Veränderung der am Kohlenstoffkreislauf beteiligten Mikroorganismen ausgegangen werden kann. Mit den steigenden Temperaturen werden sich einige Vertreter der methanproduzierenden Mikroorganismen an die veränderten Bedingungen anpassen können, während Temperatur-empfindliche Vertreter aus dem Habitat verdrängt werden. Diese Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft können die Methanproduktion der hohen noerdlichen Breiten erhoehen und dazu beitragen, dass aus der Arktis als eine Kohlenstoffsenke eine Kohlenstoffquelle wird.
KW  - Arctic
KW  - climate change
KW  - microbial communities
KW  - lipid biomarkers
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68895
ER  - 
TY  - THES
A1  - Holsten, Anne
T1  - Climate change vulnerability assessments in the regional context
T1  - Studien zur Vulnerabilität gegenüber Klimawandel im regionalen Kontext
N2  - Adapting sectors to new conditions under climate change requires an understanding of regional vulnerabilities. Conceptually, vulnerability is defined as a function of sensitivity and exposure, which determine climate impacts, and adaptive capacity of a system. Vulnerability assessments for quantifying these components have become a key tool within the climate change field. However, there is a disagreement on how to make the concept operational in studies from a scientific perspective. This conflict leads to many still unsolved challenges, especially regarding the quantification and aggregation of the components and their suitable level of complexity. This thesis therefore aims at advancing the scientific foundation of such studies by translating the concept of vulnerability into a systematic assessment structure. This includes all components and implies that for each considered impact (e.g. flash floods) a clear sensitive entity is defined (e.g. settlements) and related to a direction of change for a specific climatic stimulus (e.g. increasing impact due to increasing days with heavy precipitation). Regarding the challenging aggregation procedure, two alternative methods allowing a cross-sectoral overview are introduced and their advantages and disadvantages discussed. This assessment structure is subsequently exemplified for municipalities of the German state North Rhine-Westphalia via an indicator-based deductive approach using information from literature. It can be transferred also to other regions. As for many relevant sectors, suitable indicators to express the vulnerability components are lacking, new quantification methods are developed and applied in this thesis, for example for the forestry and health sector. A lack of empirical data on relevant thresholds is evident, for example which climatic changes would cause significant impacts. Consequently, the multi-sectoral study could only provide relative measures for each municipality, in relation to the region. To fill this gap, an exemplary sectoral study was carried out on windthrow impacts in forests to provide an absolute quantification of the present and future impact. This is achieved by formulating an empirical relation between the forest characteristics and damage based on data from a past storm event. The resulting measure indicating the sensitivity is then combined with wind conditions. Multi-sectoral vulnerability assessments require considerable resources, which often hinders the implementation. Thus, in a next step, the potential for reducing the complexity is explored. To predict forest fire occurrence, numerous meteorological indices are available, spanning over a range of complexity. Comparing their performance, the single variable relative humidity outperforms complex indicators for most German states in explaining the monthly fire pattern. This is the case albeit it is itself an input factor in most indices. Thus, this meteorological factor alone is well suited to evaluate forest fire danger in many Germany regions and allows a resource-efficient assessment. Similarly, the complexity of methods is assessed regarding the application of the ecohydrological model SWIM to the German region of Brandenburg. The inter-annual soil moisture levels simulated by this model can only poorly be represented by simpler statistical approach using the same input data. However, on a decadal time horizon, the statistical approach shows a good performance and a strong dominance of the soil characteristic field capacity. This points to a possibility to reduce the input factors for predicting long-term averages, but the results are restricted by a lack of empirical data on soil water for validation. The presented assessments of vulnerability and its components have shown that they are still a challenging scientific undertaking. Following the applied terminology, many problems arise when implementing it for regional studies. Advances in addressing shortcomings of previous studies have been made by constructing a new systematic structure for characterizing and aggregating vulnerability components. For this, multiple approaches were presented, but they have specific advantages and disadvantages, which should also be carefully considered in future studies. There is a potential to simplify some methods, but more systematic assessments on this are needed. Overall, this thesis strengthened the use of vulnerability assessments as a tool to support adaptation by enhancing their scientific basis.
N2  - Die Anpassung von Sektoren an veränderte klimatische Bedingungen erfordert ein Verständnis von regionalen Vulnerabilitäten. Vulnerabilität ist als Funktion von Sensitivität und Exposition, welche potentielle Auswirkungen des Klimawandels darstellen, und der Anpassungsfähigkeit von Systemen definiert. Vulnerabilitätsstudien, die diese Komponenten quantifizieren, sind zu einem wichtigen Werkzeug in der Klimawissenschaft geworden. Allerdings besteht von der wissenschaftlichen Perspektive aus gesehen Uneinigkeit darüber, wie diese Definition in Studien umgesetzt werden soll. Ausdiesem Konflikt ergeben sich viele Herausforderungen, vor allem bezüglich der Quantifizierung und Aggregierung der einzelnen Komponenten und deren angemessenen Komplexitätsniveaus. Die vorliegende Dissertation hat daher zum Ziel die Anwendbarkeit des Vulnerabilitätskonzepts voranzubringen, indem es in eine systematische Struktur übersetzt wird. Dies beinhaltet alle Komponenten und schlägt für jede Klimaauswirkung (z.B. Sturzfluten) eine Beschreibung des vulnerablen Systems vor (z.B. Siedlungen), welches direkt mit einer bestimmten Richtung eines relevanten klimatischen Stimulus in Verbindung gebracht wird (z.B. stärkere Auswirkungen bei Zunahme der Starkregentage). Bezüglich der herausfordernden Prozedur der Aggregierung werden zwei alternative Methoden, die einen sektorübergreifenden Überblick ermöglichen, vorgestellt und deren Vor- und Nachteile diskutiert. Anschließend wird die entwickelte Struktur einer Vulnerabilitätsstudie mittels eines indikatorbasierten und deduktiven Ansatzes beispielhaft für Gemeinden in Nordrhein-Westfalen in Deutschland angewandt. Eine Übertragbarkeit auf andere Regionen ist dennoch möglich. Die Quantifizierung für die Gemeinden stützt sich dabei auf Informationen aus der Literatur. Da für viele Sektoren keine geeigneten Indikatoren vorhanden waren, werden in dieser Arbeit neue Indikatoren entwickelt und angewandt, beispielsweise für den Forst- oder Gesundheitssektor. Allerdings stellen fehlende empirische Daten bezüglich relevanter Schwellenwerte eine Lücke dar, beispielsweise welche Stärke von Klimaänderungen eine signifikante Auswirkung hervorruft. Dies führt dazu, dass die Studie nur relative Aussagen zum Grad der Vulnerabilität jeder Gemeinde im Vergleich zum Rest des Bundeslandes machen kann. Um diese Lücke zu füllen, wird für den Forstsektor beispielhaft die heutige und zukünftige Sturmwurfgefahr von Wäldern berechnet. Zu diesem Zweck werden die Eigenschaften der Wälder mit empirischen Schadensdaten eines vergangenen Sturmereignisses in Verbindung gebracht. Der sich daraus ergebende Sensitivitätswert wird anschließend mit den Windverhältnissen verknüpft. Sektorübergreifende Vulnerabilitätsstudien erfordern beträchtliche Ressourcen, was oft deren Anwendbarkeit erschwert. In einem nächsten Schritt wird daher das Potential einer Vereinfachung der Komplexität anhand zweier sektoraler Beispiele untersucht. Um das Auftreten von Waldbränden vorherzusagen, stehen zahlreiche meteorologische Indices zur Verfügung, welche eine Spannbreite unterschiedlicher Komplexitäten aufweisen. Bezüglich der Anzahl monatlicher Waldbrände weist die relative Luftfeuchtigkeit für die meisten deutschen Bundesländer eine bessere Vorhersagekraft als komplexere Indices auf. Dies ist er Fall, obgleich sie selbst als Eingangsvariable für die komplexeren Indices verwendet wird. Mit Hilfe dieses einzelnen meteorologischen Faktors kann also die Waldbrandgefahr in deutschen Region ausreichend genau ausgedrückt werden, was die Ressourceneffizienz von Studien erhöht. Die Methodenkomplexität wird auf ähnliche Weise hinsichtlich der Anwendung des ökohydrologischen Modells SWIM für die Region Brandenburg untersucht. Die interannuellen Bodenwasserwerte, welche durch dieses Modell simuliert werden, können nur unzureichend durch ein einfacheres statistisches Modell, welches auf denselben Eingangsdaten aufbaut, abgebildet werden. Innerhalb eines Zeithorizonts von Jahrzehnten, kann der statistische Ansatz jedoch das Bodenwasser zufriedenstellend abbilden und zeigt eine Dominanz der Bodeneigenschaft Feldkapazität. Dies deutet darauf hin, dass die Komplexität im Hinblick auf die Anzahl der Eingangsvariablen für langfristige Berechnungen reduziert werden kann. Allerdings sind die Aussagen durch fehlende beobachtete Bodenwasserwerte zur Validierung beschränkt. Die vorliegenden Studien zur Vulnerabilität und ihren Komponenten haben gezeigt, dass eine Anwendung noch immer wissenschaftlich herausfordernd ist. Folgt man der hier verwendeten Vulnerabilitätsdefinition, treten zahlreiche Probleme bei der Implementierung in regionalen Studien auf. Mit dieser Dissertation wurden Fortschritte bezüglich der aufgezeigten Lücken bisheriger Studien erzielt, indem eine systematische Struktur für die Beschreibung und Aggregierung von Vulnerabilitätskomponenten erarbeitet wurde. Hierfür wurden mehrere Ansätze diskutiert, die jedoch Vor- und Nachteile besitzen. Diese sollten vor der Anwendung von zukünftigen Studien daher ebenfalls sorgfältig abgewogen werden. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass ein Potential besteht einige Ansätze zu vereinfachen, jedoch sind hierfür weitere Untersuchungen nötig. Insgesamt konnte die Dissertation die Anwendung von Vulnerabilitätsstudien als Werkzeug zur Unterstützung von Anpassungsmaßnahmen stärken.
KW  - Klimawandel
KW  - Impakt
KW  - Vulnerabilität
KW  - Forstwirtschaft
KW  - Boden
KW  - climate change
KW  - impact
KW  - vulnerability
KW  - forestry
KW  - soil
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66836
ER  -