TY - THES A1 - Güntner, Andreas T1 - Large-scale hydrological modelling in the semi-arid north-east of Brazil N2 - Semi-arid areas are, due to their climatic setting, characterized by small water resources. An increasing water demand as a consequence of population growth and economic development as well as a decreasing water availability in the course of possible climate change may aggravate water scarcity in future, which often exists already for present-day conditions in these areas. Understanding the mechanisms and feedbacks of complex natural and human systems, together with the quantitative assessment of future changes in volume, timing and quality of water resources are a prerequisite for the development of sustainable measures of water management to enhance the adaptive capacity of these regions. For this task, dynamic integrated models, containing a hydrological model as one component, are indispensable tools. The main objective of this study is to develop a hydrological model for the quantification of water availability in view of environmental change over a large geographic domain of semi-arid environments. The study area is the Federal State of Ceará (150 000 km2) in the semi-arid north-east of Brazil. Mean annual precipitation in this area is 850 mm, falling in a rainy season with duration of about five months. Being mainly characterized by crystalline bedrock and shallow soils, surface water provides the largest part of the water supply. The area has recurrently been affected by droughts which caused serious economic losses and social impacts like migration from the rural regions. The hydrological model Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) developed in this study is a deterministic, spatially distributed model being composed of conceptual, process-based approaches. Water availability (river discharge, storage volumes in reservoirs, soil moisture) is determined with daily resolution. Sub-basins, grid cells or administrative units (municipalities) can be chosen as spatial target units. The administrative units enable the coupling of Wasa in the framework of an integrated model which contains modules that do not work on the basis of natural spatial units. The target units mentioned above are disaggregated in Wasa into smaller modelling units within a new multi-scale, hierarchical approach. The landscape units defined in this scheme capture in particular the effect of structured variability of terrain, soil and vegetation characteristics along toposequences on soil moisture and runoff generation. Lateral hydrological processes at the hillslope scale, as reinfiltration of surface runoff, being of particular importance in semi-arid environments, can thus be represented also within the large-scale model in a simplified form. Depending on the resolution of available data, small-scale variability is not represented explicitly with geographic reference in Wasa, but by the distribution of sub-scale units and by statistical transition frequencies for lateral fluxes between these units. Further model components of Wasa which respect specific features of semi-arid hydrology are: (1) A two-layer model for evapotranspiration comprises energy transfer at the soil surface (including soil evaporation), which is of importance in view of the mainly sparse vegetation cover. Additionally, vegetation parameters are differentiated in space and time in dependence on the occurrence of the rainy season. (2) The infiltration module represents in particular infiltration-excess surface runoff as the dominant runoff component. (3) For the aggregate description of the water balance of reservoirs that cannot be represented explicitly in the model, a storage approach respecting different reservoirs size classes and their interaction via the river network is applied. (4) A model for the quantification of water withdrawal by water use in different sectors is coupled to Wasa. (5) A cascade model for the temporal disaggregation of precipitation time series, adapted to the specific characteristics of tropical convective rainfall, is applied for the generating rainfall time series of higher temporal resolution. All model parameters of Wasa can be derived from physiographic information of the study area. Thus, model calibration is primarily not required. Model applications of Wasa for historical time series generally results in a good model performance when comparing the simulation results of river discharge and reservoir storage volumes with observed data for river basins of various sizes. The mean water balance as well as the high interannual and intra-annual variability is reasonably represented by the model. Limitations of the modelling concept are most markedly seen for sub-basins with a runoff component from deep groundwater bodies of which the dynamics cannot be satisfactorily represented without calibration. Further results of model applications are: (1) Lateral processes of redistribution of runoff and soil moisture at the hillslope scale, in particular reinfiltration of surface runoff, lead to markedly smaller discharge volumes at the basin scale than the simple sum of runoff of the individual sub-areas. Thus, these processes are to be captured also in large-scale models. The different relevance of these processes for different conditions is demonstrated by a larger percentage decrease of discharge volumes in dry as compared to wet years. (2) Precipitation characteristics have a major impact on the hydrological response of semi-arid environments. In particular, underestimated rainfall intensities in the rainfall input due to the rough temporal resolution of the model and due to interpolation effects and, consequently, underestimated runoff volumes have to be compensated in the model. A scaling factor in the infiltration module or the use of disaggregated hourly rainfall data show good results in this respect. The simulation results of Wasa are characterized by large uncertainties. These are, on the one hand, due to uncertainties of the model structure to adequately represent the relevant hydrological processes. On the other hand, they are due to uncertainties of input data and parameters particularly in view of the low data availability. Of major importance is: (1) The uncertainty of rainfall data with regard to their spatial and temporal pattern has, due to the strong non-linear hydrological response, a large impact on the simulation results. (2) The uncertainty of soil parameters is in general of larger importance on model uncertainty than uncertainty of vegetation or topographic parameters. (3) The effect of uncertainty of individual model components or parameters is usually different for years with rainfall volumes being above or below the average, because individual hydrological processes are of different relevance in both cases. Thus, the uncertainty of individual model components or parameters is of different importance for the uncertainty of scenario simulations with increasing or decreasing precipitation trends. (4) The most important factor of uncertainty for scenarios of water availability in the study area is the uncertainty in the results of global climate models on which the regional climate scenarios are based. Both a marked increase or a decrease in precipitation can be assumed for the given data. Results of model simulations for climate scenarios until the year 2050 show that a possible future change in precipitation volumes causes a larger percentage change in runoff volumes by a factor of two to three. In the case of a decreasing precipitation trend, the efficiency of new reservoirs for securing water availability tends to decrease in the study area because of the interaction of the large number of reservoirs in retaining the overall decreasing runoff volumes. N2 - Semiaride Gebiete sind auf Grund der klimatischen Bedingungen durch geringe Wasserressourcen gekennzeichnet. Ein zukünftig steigender Wasserbedarf in Folge von Bevölkerungswachstum und ökonomischer Entwicklung sowie eine geringere Wasserverfügbarkeit durch mögliche Klimaänderungen können dort zu einer Verschärfung der vielfach schon heute auftretenden Wasserknappheit führen. Das Verständnis der Mechanismen und Wechselwirkungen des komplexen Systems von Mensch und Umwelt sowie die quantitative Bestimmung zukünftiger Veränderungen in der Menge, der zeitlichen Verteilung und der Qualität von Wasserressourcen sind eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung von nachhaltigen Maßnahmen des Wassermanagements mit dem Ziel einer höheren Anpassungsfähigkeit dieser Regionen gegenüber künftigen Änderungen. Hierzu sind dynamische integrierte Modelle unerlässlich, die als eine Komponente ein hydrologisches Modell beinhalten. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist daher die Erstellung eines hydrologischen Modells zur großräumigen Bestimmung der Wasserverfügbarkeit unter sich ändernden Umweltbedingungen in semiariden Gebieten. Als Untersuchungsraum dient der im semiariden tropischen Nordosten Brasiliens gelegene Bundestaat Ceará (150 000 km2). Die mittleren Jahresniederschläge in diesem Gebiet liegen bei 850 mm innerhalb einer etwa fünfmonatigen Regenzeit. Mit vorwiegend kristallinem Grundgebirge und geringmächtigen Böden stellt Oberflächenwasser den größten Teil der Wasserversorgung bereit. Die Region war wiederholt von Dürren betroffen, die zu schweren ökonomischen Schäden und sozialen Folgen wie Migration aus den ländlichen Gebieten geführt haben. Das hier entwickelte hydrologische Modell Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) ist ein deterministisches, flächendifferenziertes Modell, das aus konzeptionellen, prozess-basierten Ansätzen aufgebaut ist. Die Wasserverfügbarkeit (Abfluss im Gewässernetz, Speicherung in Stauseen, Bodenfeuchte) wird mit täglicher Auflösung bestimmt. Als räumliche Zieleinheiten können Teileinzugsgebiete, Rasterzellen oder administrative Einheiten (Gemeinden) gewählt werden. Letztere ermöglichen die Kopplung des Modells im Rahmen der integrierten Modellierung mit Modulen, die nicht auf der Basis natürlicher Raumeinheiten arbeiten. Im Rahmen eines neuen skalenübergreifenden, hierarchischen Ansatzes werden in Wasa die genannten Zieleinheiten in kleinere räumliche Modellierungseinheiten unterteilt. Die ausgewiesenen Landschaftseinheiten erfassen insbesondere die strukturierte Variabilität von Gelände-, Boden- und Vegetationseigenschaften entlang von Toposequenzen in ihrem Einfluss auf Bodenfeuchte und Abflussbildung. Laterale hydrologische Prozesse auf kleiner Skala, wie die für semiaride Bedingungen bedeutsame Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, können somit auch in der erforderlichen großskaligen Modellanwendung vereinfacht wiedergegeben werden. In Abhängigkeit von der Auflösung der verfügbaren Daten wird in Wasa die kleinskalige Variabilität nicht räumlich explizit sondern über die Verteilung von Flächenanteilen subskaliger Einheiten und über statistische Übergangshäufigkeiten für laterale Flüsse zwischen den Einheiten berücksichtigt. Weitere Modellkomponenten von Wasa, die spezifische Bedingungen semiarider Gebiete berücksichtigen, sind: (1) Ein Zwei-Schichten-Modell zur Bestimmung der Evapotranspiration berücksichtigt auch den Energieumsatz an der Bodenoberfläche (inklusive Bodenverdunstung), der in Anbetracht der meist lichten Vegetationsbedeckung von Bedeutung ist. Die Vegetationsparameter werden zudem flächen- und zeitdifferenziert in Abhängigkeit vom Auftreten der Regenzeit modifiziert. (2) Das Infiltrationsmodul bildet insbesondere Oberflächenabfluss durch Infiltrationsüberschuss als dominierender Abflusskomponente ab. (3) Zur aggregierten Beschreibung der Wasserbilanz von im Modell nicht einzeln erfassbaren Stauseen wird ein Speichermodell unter Berücksichtigung verschiedener Größenklassen und ihrer Interaktion über das Gewässernetz eingesetzt. (4) Ein Modell zur Bestimmung der Entnahme durch Wassernutzung in verschiedenen Sektoren ist an Wasa gekoppelt. (5) Ein Kaskadenmodell zur zeitlichen Disaggregierung von Niederschlagszeitreihen, das in dieser Arbeit speziell für tropische konvektive Niederschlagseigenschaften angepasst wird, wird zur Erzeugung höher aufgelöster Niederschlagsdaten verwendet. Alle Modellparameter von Wasa können von physiographischen Gebietsinformationen abgeleitet werden, sodass eine Modellkalibrierung primär nicht erforderlich ist. Die Modellanwendung von Wasa für historische Zeitreihen ergibt im Allgemeinen eine gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse für Abfluss und Stauseespeichervolumen mit Beobachtungsdaten in unterschiedlich großen Einzugsgebieten. Die mittlere Wasserbilanz sowie die hohe monatliche und jährliche Variabilität wird vom Modell angemessen wiedergegeben. Die Grenzen der Anwendbarkeit des Modell-konzepts zeigen sich am deutlichsten in Teilgebieten mit Abflusskomponenten aus tieferen Grundwasserleitern, deren Dynamik ohne Kalibrierung nicht zufriedenstellend abgebildet werden kann. Die Modellanwendungen zeigen weiterhin: (1) Laterale Prozesse der Umverteilung von Bodenfeuchte und Abfluss auf der Hangskala, vor allem die Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, führen auf der Skala von Einzugsgebieten zu deutlich kleineren Abflussvolumen als die einfache Summe der Abflüsse der Teilflächen. Diese Prozesse sollten daher auch in großskaligen Modellen abgebildet werden. Die unterschiedliche Ausprägung dieser Prozesse für unterschiedliche Bedingungen zeigt sich an Hand einer prozentual größeren Verringerung der Abflussvolumen in trockenen im Vergleich zu feuchten Jahren. (2) Die Niederschlagseigenschaften haben einen sehr großen Einfluss auf die hydrologische Reaktion in semiariden Gebieten. Insbesondere die durch die grobe zeitliche Auflösung des Modells und durch Interpolationseffekte unterschätzten Niederschlagsintensitäten in den Eingangsdaten und die daraus folgende Unterschätzung von Abflussvolumen müssen im Modell kompensiert werden. Ein Skalierungsfaktor in der Infiltrationsroutine oder die Verwendung disaggregierter stündlicher Niederschlagsdaten zeigen hier gute Ergebnisse. Die Simulationsergebnisse mit Wasa sind insgesamt durch große Unsicherheiten gekennzeichnet. Diese sind einerseits in Unsicherheiten der Modellstruktur zur adäquaten Beschreibung der relevanten hydrologischen Prozesse begründet, andererseits in Daten- und Parametersunsicherheiten in Anbetracht der geringen Datenverfügbarkeit. Von besonderer Bedeutung ist: (1) Die Unsicherheit der Niederschlagsdaten in ihrem räumlichen Muster und ihrer zeitlichen Struktur hat wegen der stark nicht-linearen hydrologischen Reaktion einen großen Einfluss auf die Simulationsergebnisse. (2) Die Unsicherheit von Bodenparametern hat im Vergleich zu Vegetationsparametern und topographischen Parametern im Allgemeinen einen größeren Einfluss auf die Modellunsicherheit. (3) Der Effekt der Unsicherheit einzelner Modellkomponenten und -parameter ist für Jahre mit unter- oder überdurchschnittlichen Niederschlagsvolumen zumeist unterschiedlich, da einzelne hydrologische Prozesse dann jeweils unterschiedlich relevant sind. Die Unsicherheit einzelner Modellkomponenten- und parameter hat somit eine unterschiedliche Bedeutung für die Unsicherheit von Szenarienrechnungen mit steigenden oder fallenden Niederschlagstrends. (4) Der bedeutendste Unsicherheitsfaktor für Szenarien der Wasserverfügbarkeit für die Untersuchungsregion ist die Unsicherheit der den regionalen Klimaszenarien zu Grunde liegenden Ergebnisse globaler Klimamodelle. Eine deutliche Zunahme oder Abnahme der Niederschläge bis 2050 kann gemäß den hier vorliegenden Daten für das Untersuchungsgebiet gleichermaßen angenommen werden. Modellsimulationen für Klimaszenarien bis zum Jahr 2050 ergeben, dass eine mögliche zukünftige Veränderung der Niederschlagsmengen zu einer prozentual zwei- bis dreifach größeren Veränderung der Abflussvolumen führt. Im Falle eines Trends von abnehmenden Niederschlagsmengen besteht in der Untersuchungsregion die Tendenz, dass auf Grund der gegenseitigen Beeinflussung der großen Zahl von Stauseen beim Rückhalt der tendenziell abnehmenden Abflussvolumen die Effizienz von neugebauten Stauseen zur Sicherung der Wasserverfügbarkeit zunehmend geringer wird. KW - Ceará / Semiarides Gebiet / Wasserreserve / Hydrologie / Mathematisches Modell KW - Hydrologie KW - Wasserverfügbarkeit KW - Klimaänderung KW - Niederschlag-Abfluss-Modellierung KW - Trockengebiet KW - semi-arid KW - Unsicherheiten KW - Brasilien KW - hydrology KW - water availability KW - climate change KW - rainfall-runoff modelling KW - drylands KW - semi-arid KW - uncertainties KW - Brazil Y1 - 2002 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000511 ER - TY - THES A1 - Thonicke, Kirsten T1 - Fire disturbance and vegetation dynamics : analysis and models N2 - Untersuchungen zur Rolle natürlicher Störungen in der Vegetation bzw. in Ökosystemen zeigen, dass natürliche Störungen ein essentielles und intrinsisches Element in Ökosystemen darstellen, substanziell zur Vitalität und strukturellen Diversität der Ökosysteme beitragen und Stoffkreisläufe sowohl auf dem lokalen als auch auf dem globalen Niveau beeinflussen. Feuer als Grasland-, Busch- oder Waldbrand ist ein besonderes Störungsagens, da es sowohl durch biotische als auch abiotische Umweltfaktoren verursacht wird. Es beeinflusst biogeochemische Kreisläufe und spielt für die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre durch Freisetzung klimarelevanter Spurengase und Aerosole aus der Verbrennung von Biomasse eine bedeutende Rolle. Dies wird auch durch die Emission von ca. 3.9 Gt Kohlenstoff pro Jahr unterstrichen, was einen großen Anteil am globalen Gesamtaufkommen ausmacht. Ein kombiniertes Modell, das die Effekte und Rückkopplungen zwischen Feuer und Vegetation beschreibt, wurde erforderlich, als Änderungen in den Feuerregimes als Folge von Änderungen in der Landnutzung und dem Landmanagement festgestellt wurden. Diese Notwendigkeit wurde noch durch die Erkenntnis unterstrichen, daß die Menge verbrennender Biomasse als ein bedeutender Kohlenstoffluß sowohl die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre und das Klima, aber auch die Vegetationsdynamik selbst beeinflusst. Die bereits existierenden Modellansätze reichen hier jedoch nicht aus, um entsprechende Untersuchungen durchzuführen. Als eine Schlussfolgerung daraus wurde eine optimale Menge von Faktoren gefunden, die das Auftreten und die Ausbreitung des Feuers, sowie deren ökosystemare Effekte ausreichend beschreiben. Ein solches Modell sollte die Merkmale beobachteter Feuerregime simulieren können und Analysen der Interaktionen zwischen Feuer und Vegetationsdynamik unterstützen, um auch Ursachen für bestimmte Änderungen in den Feuerregimes herausfinden zu können. Insbesondere die dynamischen Verknüpfungen zwischen Vegetation, Klima und Feuerprozessen sind von Bedeutung, um dynamische Rückkopplungen und Effekte einzelner, veränderter Umweltfaktoren zu analysieren. Dadurch ergab sich die Notwendigkeit, neue Feuermodelle zu entwickeln, die die genannten Untersuchungen erlauben und das Verständnis der Rolle des Feuer in der globalen Ökologie verbessern. Als Schlussfolgerung der Dissertation wird festgestellt, dass Feuchtebedingungen, ihre Andauer über die Zeit (Länge der Feuersaison) und die Streumenge die wichtigsten Komponenten darstellen, die die Verteilung der Feuerregime global beschreiben. Werden Zeitreihen einzelner Regionen simuliert, sollten besondere Entzündungsquellen, brandkritische Klimabedingungen und die Bestandesstruktur als zusätzliche Determinanten berücksichtigt werden. Die Bestandesstruktur verändert das Niveau des Auftretens und der Ausbreitung von Feuer, beeinflusst jedoch weniger dessen interannuelle Variabilität. Das es wichtig ist, die vollständige Wirkungskette wichtiger Feuerprozesse und deren Verknüpfungen mit der Vegetationsdynamik zu berücksichtigen, wird besonders unter Klimaänderungsbedingungen deutlich. Eine länger werdende, vom Klima abhängige Feuersaison bedeutet nicht automatisch eine im gleichen Maße anwachsende Menge verbrannter Biomasse. Sie kann durch Änderungen in der Produktivität der Vegetation gepuffert oder beschleunigt werden. Sowohl durch Änderungen der Bestandesstruktur als auch durch eine erhöhte Produktivität der Vegetation können Änderungen der Feuereigenschaften noch weiter intensiviert werden und zu noch höheren, feuerbezogenen Emissionen führen. N2 - Studies of the role of disturbance in vegetation or ecosystems showed that disturbances are an essential and intrinsic element of ecosystems that contribute substantially to ecosystem health, to structural diversity of ecosystems and to nutrient cycling at the local as well as global level. Fire as a grassland, bush or forest fire is a special disturbance agent, since it is caused by biotic as well abiotic environmental factors. Fire affects biogeochemical cycles and plays an important role in atmospheric chemistry by releasing climate-sensitive trace gases and aerosols, and thus in the global carbon cycle by releasing approximately 3.9 Gt C p.a. through biomass burning. A combined model to describe effects and feedbacks between fire and vegetation became relevant as changes in fire regimes due to land use and land management were observed and the global dimension of biomass burnt as an important carbon flux to the atmosphere, its influence on atmospheric chemistry and climate as well as vegetation dynamics were emphasized. The existing modelling approaches would not allow these investigations. As a consequence, an optimal set of variables that best describes fire occurrence, fire spread and its effects in ecosystems had to be defined, which can simulate observed fire regimes and help to analyse interactions between fire and vegetation dynamics as well as to allude to the reasons behind changing fire regimes. Especially, dynamic links between vegetation, climate and fire processes are required to analyse dynamic feedbacks and effects of changes of single environmental factors. This led us to the point, where new fire models had to be developed that would allow the investigations, mentioned above, and could help to improve our understanding of the role of fire in global ecology. In conclusion of the thesis, one can state that moisture conditions, its persistence over time and fuel load are the important components that describe global fire pattern. If time series of a particular region are to be reproduced, specific ignition sources, fire-critical climate conditions and vegetation composition become additional determinants. Vegetation composition changes the level of fire occurrence and spread, but has limited impact on the inter-annual variability of fire. The importance to consider the full range of major fire processes and links to vegetation dynamics become apparent under climate change conditions. Increases in climate-dependent length of fire season does not automatically imply increases in biomass burnt, it can be buffered or accelerated by changes in vegetation productivity. Changes in vegetation composition as well as enhanced vegetation productivity can intensify changes in fire and lead to even more fire-related emissions. --- Anmerkung: Die Autorin ist Trägerin des von der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam vergebenen Michelson-Preises für die beste Promotion des Jahres 2002/2003. KW - Waldbrand KW - Feuerregime KW - Vegetationsdynamik KW - natürliche Störungen KW - Waldbrandmodellierung KW - Klimaänderung KW - forest fires KW - fire regimes KW - vegetation dynamics KW - natural disturbances KW - fire modelling KW - climate change Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000713 ER - TY - THES A1 - Schwager, Monika T1 - Climate change, variable colony sizes and temporal autocorrelation : consequences of living in changing environments T1 - Klimawandel, variable Koloniegrößen und zeitliche Autokorrelation : Leben in einer variablen Umwelt N2 - Natural and human induced environmental changes affect populations at different time scales. If they occur in a spatial heterogeneous way, they cause spatial variation in abundance. In this thesis I addressed three topics, all related to the question, how environmental changes influence population dynamics. In the first part, I analysed the effect of positive temporal autocorrelation in environmental noise on the extinction risk of a population, using a simple population model. The effect of autocorrelation depended on the magnitude of the effect of single catastrophic events of bad environmental conditions on a population. If a population was threatened by extinction only, when bad conditions occurred repeatedly, positive autocorrelation increased extinction risk. If a population could become extinct, even if bad conditions occurred only once, positive autocorrelation decreased extinction risk. These opposing effects could be explained by two features of an autocorrelated time series. On the one hand, positive autocorrelation increased the probability of series of bad environmental conditions, implying a negative effect on populations. On the other hand, aggregation of bad years also implied longer periods with relatively good conditions. Therefore, for a given time period, the overall probability of occurrence of at least one extremely bad year was reduced in autocorrelated noise. This can imply a positive effect on populations. The results could solve a contradiction in the literature, where opposing effects of autocorrelated noise were found in very similar population models. In the second part, I compared two approaches, which are commonly used for predicting effects of climate change on future abundance and distribution of species: a "space for time approach", where predictions are based on the geographic pattern of current abundance in relation to climate, and a "population modelling approach" which is based on correlations between demographic parameters and the inter-annual variation of climate. In this case study, I compared the two approaches for predicting the effect of a shift in mean precipitation on a population of the sociable weaver Philetairus socius, a common colonially living passerine bird of semiarid savannahs of southern Africa. In the space for time approach, I compared abundance and population structure of the sociable weaver in two areas with highly different mean annual precipitation. The analysis showed no difference between the two populations. This result, as well as the wide distribution range of the species, would lead to the prediction of no sensitive response of the species to a slight shift in mean precipitation. In contrast, the population modelling approach, based on a correlation between reproductive success and rainfall, predicted a sensitive response in most model types. The inconsistency of predictions was confirmed in a cross-validation between the two approaches. I concluded that the inconsistency was caused, because the two approaches reflect different time scales. On a short time scale, the population may respond sensitively to rainfall. However, on a long time scale, or in a regional comparison, the response may be compensated or buffered by a variety of mechanisms. These may include behavioural or life history adaptations, shifts in the interactions with other species, or differences in the physical environment. The study implies that understanding, how such mechanisms work, and at what time scale they would follow climate change, is a crucial precondition for predicting ecological consequences of climate change. In the third part of the thesis, I tested why colony sizes of the sociable weaver are highly variable. The high variation of colony sizes is surprising, as in studies on coloniality it is often assumed that an optimal colony size exists, in which individual bird fitness is maximized. Following this assumption, the pattern of bird dispersal should keep colony sizes near an optimum. However, I showed by analysing data on reproductive success and survival that for the sociable weaver fitness in relation to colony size did not follow an optimum curve. Instead, positive and negative effects of living in large colonies overlaid each other in a way that fitness was generally close to one, and density dependence was low. I showed in a population model, which included an evolutionary optimisation process of dispersal that this specific shape of the fitness function could lead to a dispersal strategy, where the variation of colony sizes was maintained. N2 - Änderungen in der Umwelt - sowohl natürliche Variabilität als auch anthropogene Änderungen - beeinflussen Populationen auf verschiedenen Zeitskalen. Wenn sie räumlich heterogen wirken, verursachen sie räumliche Variabilität in der Abundanz. In dieser Dissertation habe ich drei Themen bearbeitet, die sich auf den Effekt von Änderungen in der Umwelt auf Populationsdynamiken beziehen. Im ersten Teil untersuchte ich an einem einfachen Populationsmodell den Effekt von positiver zeitlicher Autokorrelation im Umweltrauschen auf das Extinktionsrisiko einer Population. Der Effekt der Autokorrelation hing davon ab, wie empfindlich eine Population gegenüber singulären, katastrophenähnlichen Ereignissen schlechter Umweltbedingungen war. War die Population nur dann direkt bedroht, wenn eine Serie von schlechten Umweltbedingungen auftrat, erhöhte positive Autokorrelation das Extinktionsrisiko. Konnte eine Population auch dann aussterben, wenn schlechte Umweltbedingungen einzeln auftraten, verringerte positive Autokorrelation das Extinktionsrisiko. Diese unterschiedlichen Effekte konnten durch zwei Eigenschaften autokorrelierter Zeitreihen erklärt werden. Einerseits erhöht positive Autokorrelation die Wahrscheinlichkeit, daß in einer Zeitreihe Serien von schlechten Bedingungen auftreten. Andererseits führt die Aggregation von schlechten Jahren auch zu langen Zeiträumen mit relativ guten Bedingungen. Deshalb ist die Wahrscheinlichkeit, daß innerhalb eines bestimmten Zeitraums zumindest ein extrem schlechtes Jahr auftritt, geringer unter positiver Autokorrelation. Die Ergebnisse konnten einen Widerspruch in der Literatur aufklären, in dem unterschiedliche Effekte von autokorreliertem Umweltrauschen auf das Extinktionsrisiko gefunden wurden, obwohl sehr ähnliche Modelle verwendet wurden. Im zweiten Teil, verglich ich zwei Methoden, die häufig verwendet werden, um den Effekt von Klimawandel auf die zukünftige Verbreitung und Abundanz von Arten vorauszusagen: Ein "Raum-ersetzt-Zeit-Ansatz" ("space for time approach"), in dem Voraussagen aufgrund der aktuellen geographischen Verbreitung und Abundanz einer Art in Relation zum Klima getroffen werden, und ein "Populationsmodell-Ansatz", der auf Korrelationen zwischen demographischen Parametern und der jährlichen Variabilität im Klimas beruht. In einer Fallstudie verglich ich die beiden Methoden, um den Effekt einer Änderung im mittleren Niederschlag auf eine Population des Siedelwebers Philetairus socius vorauszusagen. Der Siedelweber ist eine häufige, koloniale Vogelart in semiariden Savannen im südlichen Afrika. Im "space for time approach" verglich ich zwei Populationen des Siedelwebers in Gebieten mit stark unterschiedlichem mittleren Niederschlag. Die Untersuchung zeigte keinen Unterschied zwischen den beiden Populationen. Sowohl dieses Ergebnis als auch das weite Verbreitungsgebiet des Siedelwebers implizieren keine sensitive Reaktion der Art auf eine geringfügige Änderung im mittleren Niederschlag. Im Unterschied dazu zeigte der "Populationsmodell-Ansatz", der auf einer Korrelation zwischen Niederschlag und dem Reproduktionserfolg des Siedlerwebers beruhte, eine sensitive Reaktion in den meisten der untersuchten Modelltypen. Die Inkonsistenz der Ergebnisse wurde in einer Kreuz-Validierung der beiden Ansätze bestätigt. Aus der Untersuchung folgerte ich, daß die unterschiedlichen Ergebnisse dadurch verursacht wurden, daß die beiden Methoden unterschiedliche Zeitskalen widerspiegeln. Auf einer kurzen Zeitskala reagiert die Population sensitiv auf Änderungen im Niederschlag. Auf einer großen Zeitskala oder im räumlichen Vergleich kann die sensitive Reaktion jedoch durch eine Reihe von Mechanismen gepuffert oder kompensiert werden. Diese Mechanismen können Anpassungen im Verhalten oder in der Lebensgeschichte ("life history"), Änderungen in den Interaktionen mit andern Arten oder Unterschiede in der physikalischen Umgebung beinhalten. Diese Studie zeigt, daß ein Verständnis, wie solche Mechanismen funktionieren, und auf welcher Zeitskala sie wirken, eine wesentliche Voraussetzung ist, um Prognosen über ökologische Effekte des Klimawandels treffen zu können. Im dritten Teil untersuchte ich, warum Kolonien des Siedelwebers so stark in ihrer Größe variieren. Die Variabilität der Koloniegrößen ist erstaunlich, da man in Untersuchungen zur Kolonialität bei Tieren oft davon ausgeht, daß eine optimale Koloniegröße besteht, bei der die individuelle Fitneß maximiert ist. Aufgrund dieser Annahme sollten Vögel sich so im Raum ausbreiten, daß die Koloniegrößen möglicht nahe am Optimum liegen. In dieser Arbeit konnte ich jedoch anhand von Daten zum Reproduktionserfolg und zur Überlebensrate in Relation zur Koloniegröße zeigen, daß die Funktion der Fitneß in Abhängigkeit von der Koloniegröße nicht einer Optimumskurve folgt. Statt dessen überlagern sich positive und negative Effekte der Koloniegröße so, daß die Populationswachstumsrate generell nahe eins ist, und die Dichteabhängigkeit gering ist. Auf diesen Ergebnissen aufbauend zeigte ich in einem Populationsmodell, das einen evolutionären Optimierungsprozeß der Dispersal-Strategie beinhaltet, daß die spezifische Form der Fitneßfunktion zu einer Dispersal-Strategie führen kann, bei der die hohe Variabilität der Koloniegrößen aufrecht erhalten wird. T2 - Climate change, variable colony sizes and temporal autocorrelation : consequences of living in changing environments KW - Populationsbiologie KW - Ökologie KW - Theoretische Ökologie KW - Ökologische Modelle KW - Klimawandel KW - Umweltrauschen KW - Extinktionsrisko KW - Kolonialität KW - ecological modelling KW - red noise KW - extinction risk KW - coloniality KW - climate change Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5744 ER - TY - JOUR A1 - Krol, Maarten A1 - Jaeger, Annekathrin A1 - Bronstert, Axel A1 - Güntner, Andreas T1 - Integrated modelling of climate, water, soil, agricultural and socio-economic processes: A general introduction of the methodology and some exemplary results from the semi-arid north-east of Brazil JF - Journal of hydrology N2 - Many semi-arid regions are characterised by water scarcity and vulnerability of natural resources, pronounced climatic variability and social stress. Integrated studies including climatotogy, hydrology, and socio-econornic studies are required both for analysing the dynamic natural conditions and to assess possible strategies to make semi-arid regions Less vulnerable to the present and changing climate. The model introduced here dynamically describes the retationships between climate forcing, water availability, agriculture and selected societal processes. The model has been tailored to simulate the rather complex situation in the semi-and north-eastern Brazil in a quantitative manner including the sensitivity to external forcing, such as climate change. The selected results presented show the general functioning of the integrated model, with a primary focus on climate change impacts. It becomes evident that due to Large differences in regional climate scenarios, it is still impossible to give quantitative values for the most probable development, e.g., to assign probabilities to the simulated results. However, it becomes clear that water is a very crucial factor, and that an efficient and ecologically sound water management is a key question for the further development of that semi-arid region. The simulation results show that, independent of the differences in climate change scenarios, rain-fed farming is more vulnerable to drought impacts compared to irrigated farming. However, the capacity of irrigation and other water infrastructure systems to enhance resilience in respect to climatic fluctuations is significantly constrained given a significant negative precipitation trend. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved. KW - integrated modelling KW - integrated river basin management KW - water resources management KW - semi-arid hydrology KW - climate change Y1 - 2006 U6 - https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2005.12.021 SN - 0022-1694 VL - 328 IS - 3-4 SP - 417 EP - 431 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - GEN A1 - Köchy, Martin T1 - Opposite trends in life stages of annual plants caused by daily rainfall variability BT - interaction with climate change N2 - Global Circulation Models of climate predict not only a change of annual precipitation amounts but also a shift in the daily distribution. To improve the understanding of the importance of daily rain pattern for annual plant communities, which represent a large portion of semi-natural vegetation in the Middle East, I used a detailed, spatially explicit model. The model explicitly considers water storage in the soil and has been parameterized and validated with data collected in field experiments in Israel and data from the literature. I manipulated daily rainfall variability by increasing the mean daily rain intensity on rainy days (MDI, rain volume/day) and decreasing intervals between rainy days while keeping the mean annual amount constant. In factorial combination, I also increased mean annual precipitation (MAP). I considered five climatic regions characterized by 100, 300, 450, 600, and 800 mm MAP. Increasing MDI decreased establishment when MAP was >250 mm but increased establishment at more arid sites. The negative effect of increasing MDI was compensated by increasing mortality with increasing MDI in dry and typical Mediterranean regions (c. 360–720 mm MAP). These effects were strongly tied to water availability in upper and lower soil layers and modified by competition among seedlings and adults. Increasing MAP generally increased water availability, establishment, and density. The order of magnitudes of MDI and MAP effects overlapped partially so that their combined effect is important for projections of climate change effects on annual vegetation. The effect size of MAP and MDI followed a sigmoid curve along the MAP gradient indicating that the semi-arid region (≈300 mm MAP) is the most sensitive to precipitation change with regard to annual communitie KW - Klimaänderung KW - Klimawandel KW - Einjahrespflanzen KW - Schwankung KW - tägliche Regenmenge KW - Israel KW - climate change KW - daily rainfall variability KW - annual plant KW - Israel Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14699 SP - 347 EP - 357 ER - TY - THES A1 - Post, Joachim T1 - Integrated process-based simulation of soil carbon dynamics in river basins under present, recent past and future environmental conditions T1 - Prozessbasierte Modellierung der Bodenkohlenstoffdynamik in Flusseinzugsgebieten unter heutigen und zukünftigen Umweltbedingungen N2 - Soils contain a large amount of carbon (C) that is a critical regulator of the global C budget. Already small changes in the processes governing soil C cycling have the potential to release considerable amounts of CO2, a greenhouse gas (GHG), adding additional radiative forcing to the atmosphere and hence to changing climate. Increased temperatures will probably create a feedback, causing soils to release more GHGs. Furthermore changes in soil C balance impact soil fertility and soil quality, potentially degrading soils and reducing soils function as important resource. Consequently the assessment of soil C dynamics under present, recent past and future environmental conditions is not only of scientific interest and requires an integrated consideration of main factors and processes governing soil C dynamics. To perform this assessment an eco-hydrological modelling tool was used and extended by a process-based description of coupled soil carbon and nitrogen turnover. The extended model aims at delivering sound information on soil C storage changes beside changes in water quality, quantity and vegetation growth under global change impacts in meso- to macro-scale river basins, exemplary demonstrated for a Central European river basin (the Elbe). As a result this study: ▪ Provides information on joint effects of land-use (land cover and land management) and climate changes on croplands soil C balance in the Elbe river basin (Central Europe) presently and in the future. ▪ Evaluates which processes, and at what level of process detail, have to be considered to perform an integrated simulation of soil C dynamics at the meso- to macro-scale and demonstrates the model’s capability to simulate these processes compared to observations. ▪ Proposes a process description relating soil C pools and turnover properties to readily measurable quantities. This reduces the number of model parameters, enhances the comparability of model results to observations, and delivers same performance simulating long-term soil C dynamics as other models. ▪ Presents an extensive assessment of the parameter and input data uncertainty and their importance both temporally and spatially on modelling soil C dynamics. For the basin scale assessments it is estimated that croplands in the Elbe basin currently act as a net source of carbon (net annual C flux of 11 g C m-2 yr-1, 1.57 106 tons CO2 yr-1 entire croplands on average). Although this highly depends on the amount of harvest by-products remaining on the field. Future anticipated climate change and observed climate change in the basin already accelerates soil C loss and increases source strengths (additional 3.2 g C m-2 yr-1, 0.48 106 tons CO2 yr-1 entire croplands). But anticipated changes of agro-economic conditions, translating to altered crop share distributions, display stronger effects on soil C storage than climate change. Depending on future use of land expected to fall out of agricultural use in the future (~ 30 % of croplands area as “surplus” land), the basin either considerably looses soil C and the net annual C flux to the atmosphere increases (surplus used as black fallow) or the basin converts to a net sink of C (sequestering 0.44 106 tons CO2 yr-1 under extensified use as ley-arable) or reacts with decrease in source strength when using bioenergy crops. Bioenergy crops additionally offer a considerable potential for fossil fuel substitution (~37 PJ, 1015 J per year), whereas the basin wide use of harvest by-products for energy generation has to be seen critically although offering an annual energy potential of approximately 125 PJ. Harvest by-products play a central role in soil C reproduction and a percentage between 50 and 80 % should remain on the fields in order to maintain soil quality and fertility. The established modelling tool allows quantifying climate, land use and major land management impacts on soil C balance. New is that the SOM turnover description is embedded in an eco-hydrological river basin model, allowing an integrated consideration of water quantity, water quality, vegetation growth, agricultural productivity and soil carbon changes under different environmental conditions. The methodology and assessment presented here demonstrates the potential for integrated assessment of soil C dynamics alongside with other ecosystem services under global change impacts and provides information on the potentials of soils for climate change mitigation (soil C sequestration) and on their soil fertility status. N2 - Böden speichern große Mengen Kohlenstoff (C) und beeinflussen wesentlich den globalen C Haushalt. Schon geringe Änderungen der Steuergrößen des Bodenkohlenstoffs können dazu führen, dass beträchtliche Mengen CO2, ein Treibhausgas, in die Atmosphäre gelangen und zur globalen Erwärmung und dem Klimawandel beitragen. Der globale Temperaturanstieg verursacht dabei höchstwahrscheinlich eine Rückwirkung auf den Bodenkohlenstoffhaushalt mit einem einhergehenden erhöhten CO2 Fluss der Böden in die Atmosphäre. Weiterhin wirken sich Änderungen im Bodenkohlenstoffhaushalt auf die Bodenfruchtbarkeit und Bodenqualität aus, wobei eine Minderung der Bodenkohlenstoffvorräte wichtige Funtionen des Bodens beeinträchtigt und folglich den Boden als wichtige Ressource nachhaltig beinflusst. Demzufolge ist die Quantifizierung der Bodenkohlenstoffdynamik unter heutigen und zukünftigen Bedingungen von hohem Interesse und erfordert eine integrierte Betrachtung der wesentlichen Faktoren und Prozesse. Zur Quantifizierung wurde ein ökohydrologisches Flusseinzugsgebietsmodell erweitert. Ziel des erweiterten Modells ist es fundierte Informationen zu Veränderungen des Bodenkohlenstoffhaushaltes, neben Veränderungen der Wasserqualität, der Wasserverfügbarkeit und des Vegetationswachstums unter Globalem Wandel in meso- bis makroskaligen Flusseinzugsgebieten bereitzustellen. Dies wird am Beispiel eines zentraleuropäischen Flusseinzugsgebietes (der Elbe) demonstriert. Zusammenfassend ergibt diese Arbeit: ▪ eine Quantifizierung der heutigen und zukünftigen Auswirkungen des Klimawandels sowie von Änderungen der Landnutzung (Bodenbedeckung und Bodenbearbeitung) auf den Bodenkohlenstoffhaushalt agrarisch genutzter Räume im Einzugsgebiet der Elbe. ▪ eine Beurteilung welche Prozesse, und zu welchem Prozessdetail, zur integrierten Simulation der Bodenkohlenstoffdynamik in der meso- bis makroskala zu berücksichtigen sind. Weiterhin wird die Eignung der Modellerweiterung zur Simulation dieser Prozesse unter der Zuhilfenahme von Messwerten dargelegt. ▪ darauf begründet wird eine Prozessbeschreibung vorgeschlagen die die Eigenschaften der Bodenkohlenstoffspeicher und deren Umsetzungsrate mit in der betrachteten Skala zur Verfügung stehenden Messdaten und Geoinformationen verbindet. Die vorgeschlagene Prozessbeschreibung kann als robust hinsichtlich der Parametrisierung angesehen werden, da sie mit vergleichsweise wenigen Modelparametern eine ähnliche Güte wie andere Bodenkohlenstoffmodelle ergibt. ▪ eine umfassende Betrachtung der Modell- und Eingangsdatenunsicherheiten von Modellergebnissen in ihrer räumlichen und zeitlichen Ausprägung. Das in dieser Arbeit vorgestellte Modellsystem erlaubt eine Quantifizierung der Auswirkungen des Klima- und Landnutzungswandels auf den Bodenkohlenstoffhaushalt. Neu dabei ist, dass neben Auswirkungen auf den Bodenkohlenstoffhaushalt auch Auswirkungen auf Wasserverfügbarkeit, Wasserqualität, Vegetationswachstum und landwirtschaftlicher Produktivität erfasst werden können. Die im Rahmen dieser Arbeit dargelegten Ergebnisse erlauben eine integrierte Betrachtung der Auswirkungen des Globalen Wandels auf wichtige Ökosystemfunktionen in meso- bis makro-skaligen Flusseinzugsgebieten. Weiterhin können hier gewonnene Informationen zur Potentialabschätzung der Böden zur Linderung des Klimawandels (durch C Festlegung) und zum Erhalt ihrer Fruchtbarkeit genutzt werden. KW - Kohlenstoff KW - Stickstoff KW - Anthropogene Klimaänderung KW - Bioenergie KW - Unsicherheit KW - Ökohydrologie KW - Ökosystemmodellierung KW - Landnutzungsänderung KW - Modellsensitivität KW - eco-hydrology KW - Ecosystem modelling KW - Carbon KW - Nitrogen KW - land use change KW - climate change KW - terrestrial carbon balance KW - model uncertainty Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-11507 ER - TY - GEN A1 - Köchy, Martin T1 - Stochastic time series of daily precipitation for the interior of Israel N2 - This contribution describes a generator of stochastic time series of daily precipitation for the interior of Israel from c. 90 to 900 mm mean annual precipitation (MAP) as a tool for studies of daily rain variability. The probability of rainfall on a given day of the year is described by a regular Gaussian peak curve function. The amount of rain is drawn randomly from an exponential distribution whose mean is the daily mean rain amount (averaged across years for each day of the year) described by a flattened Gaussian peak curve. Parameters for the curves have been calculated from monthly aggregated, long-term rain records from seven meteorological stations. Parameters for arbitrary points on the MAP gradient are calculated from a regression equation with MAP as the only independent variable. The simple structure of the generator allows it to produce time series with daily rain patterns that are projected under climate change scenarios and simultaneously control MAP. Increasing within-year variability of daily precipitation amounts also increases among-year variability of MAP as predicted by global circulation models. Thus, the time series incorporate important characteristics for climate change research and represent a flexible tool for simulations of daily vegetation or surface hydrology dynamics. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 029 KW - stochastische Zeitreihen KW - täglicher Niederschlag KW - Israel KW - Klimawandel KW - stochastic time series KW - daily precipitation KW - Israel KW - climate change Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-13155 ER - TY - THES A1 - Popp, Alexander T1 - An integrated modelling approach for sustainable management of semi-arid and arid rangelands T1 - Ein integrativer Modellierungsansatz für ein nachhaltiges Management semi-arider und arider Beweidungsgebiete N2 - The need to develop sustainable resource management strategies for semi-arid and arid rangelands is acute as non-adapted grazing strategies lead to irreversible environmental problems such as desertification and associated loss of economic support to society. In such vulnerable ecosystems, successful implementation of sustainable management strategies depends on well-founded under-standing of processes at different scales that underlay the complex system dynamic. There is ample evidence that, in contrast to traditional sectoral approaches, only interdisciplinary research does work for resolving problems in conservation and natural resource management. In this thesis I combined a range of modeling approaches that integrate different disciplines and spatial scales in order to contribute to basic guidelines for sustainable management of semi-arid and arid range-lands. Since water availability and livestock management are seen as most potent determinants for the dynamics of semi-arid and arid ecosystems I focused on (i) the interaction of ecological and hydro-logical processes and (ii) the effect of farming strategies. First, I developed a grid-based and small-scaled model simulating vegetation dynamics and inter-linked hydrological processes. The simulation results suggest that ecohydrological interactions gain importance in rangelands with ascending slope where vegetation cover serves to obstruct run-off and decreases evaporation from the soil. Disturbances like overgrazing influence these positive feedback mechanisms by affecting vegetation cover and composition. In the second part, I present a modeling approach that has the power to transfer and integrate ecological information from the small scale vegetation model to the landscape scale, most relevant for the conservation of biodiversity and sustainable management of natural resources. I combined techniques of stochastic modeling with remotely sensed data and GIS to investigate to which ex-tent spatial interactions, like the movement of surface water by run-off in water limited environments, affect ecosystem functioning at the landscape scale. My simulation experiments show that overgrazing decreases the number of vegetation patches that act as hydrological sinks and run-off increases. The results of both simulation models implicate that different vegetation types should not only be regarded as provider of forage production but also as regulator of ecosystem functioning. Vegetation patches with good cover of perennial vegetation are capable to catch and conserve surface run-off from degraded surrounding areas. Therefore, downstream out of the simulated system is prevented and efficient use of water resources is guaranteed at all times. This consequence also applies to commercial rotational grazing strategies for semi-arid and arid rangelands with ascending slope where non-degraded paddocks act as hydrological sinks. Finally, by the help of an integrated ecological-economic modeling approach, I analyzed the relevance of farmers’ ecological knowledge for longterm functioning of semi-arid and arid grazing systems under current and future climatic conditions. The modeling approach consists of an ecological and an economic module and combines relevant processes on either level. Again, vegetation dynamics and forage productivity is derived by the small-scaled vegetation model. I showed that sustainable management of semi-arid and arid rangelands relies strongly on the farmers’ knowledge on how the ecosystem works. Furthermore, my simulation results indicate that the projected lower annual rainfall due to climate change in combination with non-adapted grazing strategies adds an additional layer of risk to these ecosystems that are already prone to land degradation. All simulation models focus on the most essential factors and ignore specific details. Therefore, even though all simulation models are parameterized for a specific dwarf shrub savanna in arid southern Namibia, the conclusions drawn are applicable for semi-arid and arid rangelands in general. N2 - Nachhaltige Managementstrategien für semi-aride und aride Beweidungsgebiete sind äusserst bedeutend, da ein nicht nachhaltiges Management sehr schnell zu irreversiblen Umweltproblemen und damit verbundenem Verlust der ökonomischen Prosperität führt. Obwohl Wasserverfügbarkeit und Viehmanagement als die bedeutendsten Faktoren für die Dynamik semi-arider und arider Ökosysteme angesehen werden, ist deren Einfluss und Interaktion nicht genügend erforscht. Ziel der Dissertation war, das Wissen über diese Prozesse zu erweitern, um grundsätzliche Richtlinien für die nachhaltige Nutzung semi-arider und arider Beweidungsgebiete zu erstellen. Hierfür habe ich in dieser Arbeit, die aus drei aufeinander aufbauenden Teilen besteht, mehrere Modellierungstechniken kombiniert. Für den ersten Teil meiner Arbeit habe ich ein gitterbasiertes und kleinskaliges Modell entwickelt, welches die Vegetationsdynamik und damit verbundene hydrologische Prozesse wie Oberflächenabfluss und Evaporation simuliert. Da Entscheidungen zur nachhaltigen Nutzung von Resourcen auf der Landschaftsebene getroffen werden, stelle ich im zweiten Teil der Arbeit eine neue Methode vor, mit deren Hilfe man diese kleinskaligen ökologischen Informationen auf die Landschaftsebene übertragen kann. Um zu untersuchen wie Oberflächenabfluss das Funktionieren von Ökosystemen auf Landschaftsebene beeinflusst, habe ich Techniken der stochastischen Modellierung mit Techniken der Fernerkundung und GIS kombiniert.. Die Ergebnisse beider Simulationsmodelle implizieren, dass öko-hydrologische Interaktionen in Beweidungsgebieten mit ausgeprägter Topographie von Bedeutung sind. Verschiedene Vegetationstypen sollten nicht nur als Futterquelle für die Weidetiere betrachtet werden, sondern auch bezüglich ihrer Bedeutung als Regler der Ökosystemfunktion. Vegetationsbestände mit einem hohen Bedeckungsgrad an perennierender Vegetation können Oberflächenabfluss aus degradierten benachbarten Gebieten abfangen. Störungen wie Überweidung beeinflussen diesen positiven Rückkopplungsmechanismus negativ, indem sie Vegetationsbedeckung und -zusammensetzung verändern. Im letzten Teil der Arbeit habe ich mit Hilfe eines ökologisch-ökonomischen Simulationsmodells die Bedeutung des ökologischen Verständnisses der Farmer für ein langfristiges Funktionieren von semi-ariden und ariden Beweidungssystemen unter aktuellen und prognostizierten klimatischen Bedingungen untersucht. Auch hier wird die Vegetationsdynamik und – produktivität beider Module mit Hilfe des kleinskaligen Vegetationsmodells abgeleitet. Die Ergebnisse zeigen, dass ein nachhaltiges Management semi-arider und arider Savannen sehr stark vom Verständnis der Farmer für die Funktionsweise des Ökosystems abhängt. Des Weiteren weist das Modell darauf hin, dass ein durch den prognostizierten Klimawandel reduzierter Jahresniederschlag in Kombination mit nicht-angepassten Beweidungsstrategien ein hohes Risiko für diese Ökosysteme darstellt. Meine Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis grundlegender Prozesse der Ökosystemdynamik einer ariden Zwergstrauchsavanne im südlichen Namibia bei. Da sich alle drei Simulationsmodelle auf grundlegende Faktoren konzentrieren und spezifische Details ignorieren, können die Schlussfolgerungen auch auf andere semi-aride und aride Beweidungsgebiete übertragen werden. KW - Simulationsmodell KW - nachhaltige Landnutzung KW - Klimawandel KW - arid KW - simulation model KW - sustainable management KW - climate change KW - arid Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15103 ER - TY - THES A1 - Fürstenau, Cornelia T1 - The impact of silvicultural strategies and climate change on carbon sequestration and other forest ecosystem functions T1 - Der Einfluss von Waldbewirtschaftungsstrategien und Klimawandel auf die Kohlenstoffspeicherung und andere Waldfunktionen N2 - Forests are a key resource serving a multitude of functions such as providing income to forest owners, supplying industries with timber, protecting water resources, and maintaining biodiversity. Recently much attention has been given to the role of forests in the global carbon cycle and their management for increased carbon sequestration as a possible mitigation option against climate change. Furthermore, the use of harvested wood can contribute to the reduction of atmospheric carbon through (i) carbon sequestration in wood products, (ii) the substitution of non-wood products with wood products, and (iii) through the use of wood as a biofuel to replace fossil fuels. Forest resource managers are challenged by the task to balance these multiple while simultaneously meeting economic requirements and taking into consideration the demands of stakeholder groups. Additionally, risks and uncertainties with regard to uncontrollable external variables such as climate have to be considered in the decision making process. In this study a scientific stakeholder dialogue with forest-related stakeholder groups in the Federal State of Brandenburg was accomplished. The main results of this dialogue were the definition of major forest functions (carbon sequestration, groundwater recharge, biodiversity, and timber production) and priority setting among them by the stakeholders using the pair-wise comparison technique. The impact of different forest management strategies and climate change scenarios on the main functions of forest ecosystems were evaluated at the Kleinsee management unit in south-east Brandenburg. Forest management strategies were simulated over 100 years using the forest growth model 4C and a wood product model (WPM). A current climate scenario and two climate change scenarios based on global circulation models (GCMs) HadCM2 and ECHAM4 were applied. The climate change scenario positively influenced stand productivity, carbon sequestration, and income. The impact on the other forest functions was small. Furthermore, the overall utility of forest management strategies were compared under the priority settings of stakeholders by a multi-criteria analysis (MCA) method. Significant differences in priority setting and the choice of an adequate management strategy were found for the environmentalists on one side and the more economy-oriented forest managers of public and private owned forests on the other side. From an ecological perspective, a conservation strategy would be preferable under all climate scenarios, but the business as usual management would also fit the expectations under the current climate. In contrast, a forest manager in public-owned forests or a private forest owner would prefer a management strategy with an intermediate thinning intensity and a high share of pine stands to enhance income from timber production while maintaining the other forest functions. The analysis served as an example for the combined application of simulation tools and a MCA method for the evaluation of management strategies under multi-purpose and multi-user settings with changing climatic conditions. Another focus was set on quantifying the overall effect of forest management on carbon sequestration in the forest sector and the wood industry sector plus substitution effects. To achieve this objective, the carbon emission reduction potential of material and energy substitution (Smat and Sen) was estimated based on a literature review. On average, for each tonne of dry wood used in a wood product substituting a non-wood product, 0.71 fewer tonnes of fossil carbon are emitted into to the atmosphere. Based on Smat and Sen, the calculation of the carbon emission reduction through substitution was implemented in the WPM. Carbon sequestration and substitution effects of management strategies were simulated at three local scales using the WPM and the forest growth models 4C (management unit level) or EFISCEN (federal state of Brandenburg and Germany). An investigation was conducted on the influence of uncertainties in the initialisation of the WPM, Smat, and basic conditions of the wood product sector on carbon sequestration. Results showed that carbon sequestration in the wood industry sector plus substitution effects exceeded sequestration in the forest sector. In contrast to the carbon pools in the forest sector, which acted as sink or source, the substitution effects continually reduced carbon emission as long as forests are managed and timber is harvested. The main climate protection function was investigated for energy substitution which accounted for about half of the total carbon sequestration, followed by carbon storage in landfills. In Germany, the absolute annual carbon sequestration in the forest and wood industry sector plus substitution effects was 19.9 Mt C. Over 50 years the wood industry sector contributed 70% of the total carbon sequestration plus substitution effects. N2 - Wälder beeinflussen in vielfältiger Weise unser Leben. Für den Waldbesitzer sind sie Einkommensquelle, die Holzindustrie versorgen sie mit dem Rohstoff, aus dem unzählige Dinge für den täglichen Bedarfs hergestellt werden, wie zum Beispiel Baumaterialien, Möbel, Gartengeräte, Spielzeug und Papier. Außerdem versorgen Wälder uns mit sauberem Grundwasser, sind Lebensraum für Pflanzen und Tiere und tragen somit zum Erhalt der Artenvielfalt bei. Nicht zuletzt beeinflussen Wälder das Klimasystem, da sie der Atmosphäre das Treibhausgas CO2 entziehen und Kohlenstoff in Biomasse und Boden speichern. Förster stehen nun vor der anspruchsvollen Aufgabe, eine Balance zwischen den vielfältigen und oft auch gegensätzlichen Waldfunktionen zu finden und die Ansprüche von Interessengruppen wahrzunehmen. Zusätzlich müssen im waldbaulichen Entscheidungsprozess Risiken und Unsicherheiten durch unberechenbare externe Faktoren, wie das Klima, beachtet werden. Ziel der Arbeit war es, den Einfluss von Klima und Waldbaustrategien auf Waldfunktionen zu untersuchen. Als Testgebiet fungierte das Revier Kleinsee im Südosten Brandenburgs, in dem Kiefern- und Eichenbestände vorherrschen. In einem wissenschaftlichen Dialog mit Angestellten der Forstbehörde, Privatwaldbesitzern, Vertretern von Naturschutzverbänden sowie Wissenschaftlern definierten die Teilnehmer die wichtigsten Waldfunktionen: Kohlenstoffspeicherung, Grundwasserneubildung, Biodiversität und Holzproduktion. Die Simulationen wurden mit Hilfe des Waldwachstumsmodells 4C und einem neu implementierten Holzproduktmodell (WPM) über einen Zeitraum von 100 Jahren durchgeführt. Dabei wurden den heutigen Klimabedingungen zwei Klimaänderungsszenarien gegenübergestellt, die auf den globalen Zirkulationsmodellen HadCM2 und ECHAM4 basieren. Es stellte sich heraus, dass unter den angenommenen Klimaänderungen das Wachstum der Bestände steigt und sich damit die Kohlenstoffspeicherung und der Ertrag aus Holzernten erhöht, wohingegen Biodiversität und Grundwasserneubildung nur sehr gering beeinflusst werden. Der Nutzen der Waldbewirtschaftungsstrategien für drei Interessensgruppen (Forstbehörde, private Waldbesitzer, Naturschutzvereine) wurde mit einer multikriteriellen Analysemethode bewertet. Dabei unterschieden sich die Rangfolge und Gewichtung der einzelnen Waldfunktionen sowie die daraus resultierende Wahl der Waldbaustrategien zwischen den Naturschützern einerseits sowie den stärker ökonomisch orientierten Landeswaldförstern und privaten Waldbesitzern anderseits. Naturschutzvereine bevorzugen das Einstellen der Waldbewirtschaftung, aber auch die aktuelle Waldbaustrategie, mit mäßiger Durchforstungsintensität und einem hohen Anteil an Eichenbeständen entspricht ihren Zielsetzungen. Dagegen lag die Präferenz der Landeswaldförster sowie privaten Waldbesitzer auf einer Walbaustrategie mit einem hohen Anteil an Kiefernbeständen, um den Ertrag unter Beachtung der anderen Waldfunktionen zu steigern. Als Fazit geht aus dieser Teilstudie hervor, dass die Bewertung von Waldbaustrategien hinsichtlich ihrer Eignung für eine multifunktionale Waldbewirtschaftung unter Beachtung von Ansprüchen verschiedener Interessengruppen und ungewissen klimatischen Bedingungen unter Verwendung von 4C und einer multikriteriellen Analysemethode sehr gut möglich ist. Besonderes Augenmerk galt dem Einfluss von Waldbaustrategien auf den Kohlenstoffkreislauf, wobei nicht nur die Kohlenstoffspeicherung im Wald, sondern auch in Holzprodukten, sowie die Verringerung von CO2-Emissionen durch energetische und stoffliche Nutzung von Holz betrachtet wurden. Die potentielle Reduktion von CO2-Emissionen durch das Ersetzen von Erzeugnissen und Energie aus nicht nachwachsenden Rohstoffen durch Holz (Smat und Sen) wurde basierend auf Daten verschiedener Studien geschätzt. Eine Sensitivitätsanalyse untersuchte Unsicherheiten bei der Initialisierung des WPMs und der Berechung von Smat. Verschiedene Szenarien führten zu einem besseren Verständnis dafür, wie sich Änderungen im Energiesektor und Holzproduktsektor auf das Potential, Kohlenstoff zu speichern bzw. CO2-Emissionen zu verringen auswirken. Die Ergebnisse zeigen, dass die Reduzierung von CO2-Emissionen im Holzproduktsektor durch die Nutzung von Holz als Werkstoff und Brennstoff höher ist als durch die Akkumulation von Kohlenstoff im Wald. Im Gegensatz zu den Kohlenstoffspeichern im Wald, die sowohl Quellen als auch Senken sein können, werden durch die Nutzung von Holz CO2-Emissionen verringert, solange im Zuge der Waldbewirtschaftung Holz für die Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt wird. Simulationen auf Bundesebene ergaben, dass in Deutschland die Forst- und Holzwirtschaft jährlich dazu beitragen die CO2-Emissionen um 19,9 Mt Kohlenstoff zu verringern, wobei 70% auf die Holzindustrie und den Substitutionseffekt entfallen. KW - Kohlenstoffspeicherung KW - Waldwachstumsmodell 4C KW - Holzprodukte KW - Klimawandel KW - carbon sequestration KW - forest growth model 4C KW - wood products KW - climate change Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-27657 ER - TY - GEN A1 - Köchy, Martin A1 - Mathaj, Martin A1 - Jeltsch, Florian A1 - Malkinson, Dan T1 - Resilience of stocking capacity to changing climate in arid to Mediterranean landscapes N2 - Small livestock is an important resource for rural human populations in dry climates. How strongly will climate change affect the capacity of the rangeland? We used hierarchical modelling to scale quantitatively the growth of shrubs and annual plants, the main food of sheep and goats, to the landscape extent in the eastern Mediterranean region. Without grazing, productivity increased in a sigmoid way with mean annual precipitation. Grazing reduced productivity more strongly the drier the landscape. At a point just under the stocking capacity of the vegetation, productivity declined precipitously with more intense grazing due to a lack of seed production of annuals. We repeated simulations with precipitation patterns projected by two contrasting IPCC scenarios. Compared to results based on historic patterns, productivity and stocking capacity did not differ in most cases. Thus, grazing intensity remains the stronger impact on landscape productivity in this dry region even in the future. N2 - Kleinvieh ist eine wichtige Lebensgrundlage für die Landbevölkerung in trockenen Regionen. Wie stark wird sich der Klimawandel auf die Tragfähigkeit der Weideflächen auswirken? Wir benutzten hierarchische Modellierung, um das Wachstum von Sträuchern und einjährigen Kräutern, das wichtigste Futter für Ziegen und Schafe, quantitativ auf die Fläche von Landschaften in der östlichen Mittelmeerregion zu dimensionieren. Die Produktivität ohne Beweidung stieg sigmoidal mit dem mittleren Jahresniederschlag. Je trockener die Landschaft, desto stärker verminderte Beweidung die Produktion. An einem Punkt knapp unter der Tragfähigkeit der Vegetation, sank die Produktion stark mit zunehmender Beweidung, weil die Samenproduktion der Kräuter zu gering war. Wir wiederholten die Simulationen mit Niederschlagsverteilungsmustern gemäß zweier gegensätzlicher IPCC-Szenarien. Zukünftige Produktivität und Tragfähigkeit unterschieden sich in den meisten Fällen nicht von Ergebnissen auf Grund von historischer Niederschlagsverteilung. Allerdings war die zukünftige Produktivität in trockenen Habitaten der semiariden und trocken-mediterranen Regionen niedriger. Somit hat auch in Zukunft die Besatzdichte die größere Auswirkung auf die Produktivität dieser trockenen Landschaft als das Klima. "This abstract is provided by the authors, and is for convenience of the users only. The author certifies that the translation faithfully represents the official version in the language of the journal, which is the published Abstract of record and is the only Abstract to be used for reference and citation." T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 066 KW - topography KW - spatially explicit model KW - climate change KW - Middle East KW - stocking capacity Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-18720 ER - TY - THES A1 - Huber, Veronika Emilie Charlotte T1 - Climate impact on phytoplankton blooms in shallow lakes T1 - Der Einfluss des Klimas auf Algenblüten in Flachseen N2 - Lake ecosystems across the globe have responded to climate warming of recent decades. However, correctly attributing observed changes to altered climatic conditions is complicated by multiple anthropogenic influences on lakes. This thesis contributes to a better understanding of climate impacts on freshwater phytoplankton, which forms the basis of the food chain and decisively influences water quality. The analyses were, for the most part, based on a long-term data set of physical, chemical and biological variables of a shallow, polymictic lake in north-eastern Germany (Müggelsee), which was subject to a simultaneous change in climate and trophic state during the past three decades. Data analysis included constructing a dynamic simulation model, implementing a genetic algorithm to parameterize models, and applying statistical techniques of classification tree and time-series analysis. Model results indicated that climatic factors and trophic state interactively determine the timing of the phytoplankton spring bloom (phenology) in shallow lakes. Under equally mild spring conditions, the phytoplankton spring bloom collapsed earlier under high than under low nutrient availability, due to a switch from a bottom-up driven to a top-down driven collapse. A novel approach to model phenology proved useful to assess the timings of population peaks in an artificially forced zooplankton-phytoplankton system. Mimicking climate warming by lengthening the growing period advanced algal blooms and consequently also peaks in zooplankton abundance. Investigating the reasons for the contrasting development of cyanobacteria during two recent summer heat wave events revealed that anomalously hot weather did not always, as often hypothesized, promote cyanobacteria in the nutrient-rich lake studied. The seasonal timing and duration of heat waves determined whether critical thresholds of thermal stratification, decisive for cyanobacterial bloom formation, were crossed. In addition, the temporal patterns of heat wave events influenced the summer abundance of some zooplankton species, which as predators may serve as a buffer by suppressing phytoplankton bloom formation. This thesis adds to the growing body of evidence that lake ecosystems have strongly responded to climatic changes of recent decades. It reaches beyond many previous studies of climate impacts on lakes by focusing on underlying mechanisms and explicitly considering multiple environmental changes. Key findings show that climate impacts are more severe in nutrient-rich than in nutrient-poor lakes. Hence, to develop lake management plans for the future, limnologists need to seek a comprehensive, mechanistic understanding of overlapping effects of the multi-faceted human footprint on aquatic ecosystems. N2 - Weltweit haben Seeökosysteme auf den Klimawandel der letzten Jahrzehnte reagiert. Beobachtete Veränderungen eindeutig dem Klimawandel zuzuordnen, wird jedoch häufig dadurch erschwert, dass Seen gleichzeitig vielfachen anthropogenen Einflüssen ausgesetzt sind. Diese Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis des Klimaeinflusses auf Algen bei, die am Anfang der Nahrungskette stehen und maßgeblich die Wasserqualität eines Sees beeinflussen können. Zum größten Teil stützt sich die Arbeit auf eine dreißigjährige Datenreihe eines unregelmäßig geschichteten Flachsees im Nordosten von Deutschland (Müggelsee), in dem sowohl steigende Wassertemperaturen als auch sinkende Nährstoffeinträge zu verzeichnen waren. Bei der Datenanalyse wurde ein neu erstelltes dynamisches Simulationsmodell, genetische Algorithmen zur Parametrisierung von Modellen, und statistische Methoden der Klassifizierung und Zeitreihenanalyse genutzt. Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass nicht nur klimatische Faktoren sondern auch die Nährstoffverfügbarkeit im See den Zeitpunkt der Algenfrühjahrsblüte (Phänologie) beeinflussen. Durch eine Veränderung der Mechanismen, die zum Kollaps der Blüte führen, trat diese trotz ähnlich milder Winterbedingungen bei hoher Nährstoffverfügbarkeit früher auf als bei niedriger. Ein neuentwickelter Ansatz zur Modellierung von Phänologie erwies sich als geeignet, um vorherzusagen, wann Algen und ihre Räuber in einem künstlich periodisch angetriebenen Laborsystem ihre Populationshöhepunkte erreichten. Eine Verlängerung der Wachstumsperiode führte dazu, dass diese früher auftraten. Die Untersuchung, warum sich Blaualgen im betrachteten See während jüngster Hitzewellenereignisse überraschend unterschiedlich entwickelt hatten, ergab, dass ungewöhnlich warmes Wetter nicht wie häufig vermutet generell förderlich für ihre Entwicklung ist. Der Zeitpunkt und die Dauer der Hitzewellen waren entscheidend dafür, ob für Blaualgen kritische Schwellenwerte der thermischen Schichtung im See überschritten wurden. Zudem zeigte sich, dass saisonale Erwärmungsmuster einen bedeutenden Einfluss auf Räuber nahmen, die das Auftreten von Algenblüten verhindern können. Diese Arbeit reiht sich in eine wachsende Anzahl von Studien ein, die zeigen, dass Seeökosysteme bereits stark auf die Klimaveränderungen der letzen Jahrzehnte reagiert haben. Mit ihrem Fokus auf Mechanismen und der expliziten Berücksichtigung simultaner anthropogener Einflüsse geht diese Arbeit gleichzeitig über viele bisherige Studien hinaus, die sich auf reine Beobachtung und die Betrachtung klimatischer Faktoren beschränkten. Kernergebnisse deuten daraufhin, dass Klimafolgen in nährstoffreichen Seen stärker ausfallen als in nährstoffarmen Seen. Nur mit einem umfassenden, mechanistischen Verständnis des vielfältigen anthropogenen Einflusses wird eine hohe Wasserqualität in Seen auch in Zukunft aufrechtzuerhalten sein. KW - Klimawandel KW - Gewässer KW - Phytoplankton KW - Phänologie KW - Modellierung KW - climate change KW - freshwater KW - phytoplankton KW - phenology KW - modelling Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-42346 ER - TY - THES A1 - Natkhin, Marco T1 - Modellgestützte Analyse der Einflüsse von Veränderungen der Waldwirtschaft und des Klimas auf den Wasserhaushalt grundwasserabhängiger Landschaftselemente T1 - Model-based Analysis of the Impact of Changing Climate and Forest Cultivation on the Water Balance of Groundwater-Dependent Landscape Elements N2 - In den letzten drei Jahrzehnten wurden in einigen Seen und Feuchtgebieten in bewaldeten Einzugsgebieten Nordost-Brandenburgs sinkende Wasserstände beobachtet. In diesen Gebieten bestimmt die Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet maßgeblich das Wasserdargebot der Seen und Feuchtgebiete, die deshalb hier als grundwasserabhängige Landschaftselemente bezeichnet werden. Somit weisen die sinkenden Wasserstände auf einen Rückgang der wegen des geringen Niederschlagsdargebotes ohnehin schon geringen Grundwasserneubildung hin. Die Höhe der Grundwasserneubildung ist neben den hydroklimatischen Randbedingungen auch von der Landnutzung abhängig. Veränderungen in der Waldvegetation und der hydroklimatischen Randbedingungen bewirken Änderungen der Grundwasserneubildung und beeinflussen somit auch den Wasserhaushalt der Seen und Feuchtgebiete. Aktuell wird die Waldvegetation durch Kiefernmonokulturen dominiert, mit im Vergleich zu anderen Baumarten höherer Evapotranspiration. Entwicklungen in der Forstwirtschaft streben die Verringerung von Kiefernmonokulturen an. Diese sollen langfristig auf geeigneten Standorten durch Laubmischwälder ersetzt werden. Dadurch lassen sich eine geringere Evapotranspiration und damit eine höhere Grundwasserneubildung erreichen. In der vorliegenden Arbeit werden am Beispiel des Redernswalder Sees und des Briesensees die Ursachen der beobachteten sinkenden Wasserstände analysiert. Ihre Wasserstände nahmen in den letzten 25 Jahren um mehr als 3 Meter ab. Weiterhin wird untersucht, wie die erwarteten Klimaänderungen und Veränderungen in der Waldbewirtschaftung die zukünftige Grundwasserneubildung und den Wasserhaushalt von Seen beeinflussen können. Die Entwicklung der Grundwasserneubildung im Untersuchungsgebiet wurde mit dem Wasserhaushaltsmodell WaSiM-ETH simuliert. Die Analyse der Wechselwirkungen der Seen mit dem regionalen quartären Grundwasserleitersystem erfolgte mit dem 3D-Grundwassermodell FEFLOW. Mögliche zukünftige Veränderungen der Grundwasserneubildung und der Seewasserstände durch Klimaänderungen und Waldumbau wurden mit Szenarienrechnungen bis zum Jahr 2100 analysiert. Die modellgestützte Analyse zeigte, dass die beobachteten abnehmenden Wasserstände zu etwa gleichen Anteilen durch Veränderungen der hydroklimatischen Randbedingungen sowie durch Veränderungen in der Waldvegetation und damit abnehmenden Grundwasserneubildungsraten zu erklären sind. Die zukünftigen Entwicklungen der Grundwasserneubildung und der Wasserstände sind geprägt von sich ändernden hydroklimatischen Randbedingungen und einem sukzessiven Wandel der Kiefernbestände zu Laubwäldern. Der Waldumbau hat positive Wirkungen auf die Grundwasserneubildung und damit auf die Wasserstände. Damit können die Einflüsse des eingesetzten REMO-A1B-Klimaszenarios zum Ende des Modellzeitraumes durch den Waldumbau nicht kompensiert werden, das Sinken des Wasserstandes wird jedoch wesentlich reduziert. Bei dem moderateren REMO-B1-Klimaszenario werden die Wasserstände des Jahres 2008 durch den Waldumbau bis zum Jahr 2100 überschritten. N2 - Declining water levels have been observed in some lakes and wetlands in forested catchments in North-East Brandenburg (Germany). Groundwater recharge mainly controls the supply of water available for lakes and wetlands, therefore determining them as groundwater-dependent landscape elements. Thus, the declining water levels indicate a reduction of groundwater recharge. Aspects such as climate change and different forest management practices have been considered as main factors affecting the regional groundwater regime. Currently, forest landscapes in North-East Brandenburg are dominated by pine monoculture. Depending on the climate conditions, groundwater recharge can be significantly lower under pine than under broad-leaved species like beech or oak. Regional forest administration is currently planning to expand the share of broad-leaved trees among mixed deciduous forest in the future. For this study, two lakes were chosen, the Redernswalder See and the Briesensee at Poratz. Water gauge measurements over the last 25 years showed a decline in lake water level by more than 3 m. To identify and quantify the share of changes in both, climate and forest management, the principal processes were evaluated using field measurements and water balance modelling. In the following step, alternative climate change and forestry scenarios were analysed to discover their impacts on the regional distribution of groundwater recharge. At first, the causes of the declining observed water levels were analysed. For this purpose, the physically based and fully distributed water balance model WaSiM-ETH was used to simulate groundwater recharge in the catchment and evaporation from the lake surfaces from 1958 to 2007. To analyse the geohydrological conditions, a FEFLOW 3D groundwater model was built up for the underlying Quaternary aquifer system. Possible development directions of the water balance were simulated under the influence of climate change and forest conversion until 2100. The model based analysis showed that the observed declining water levels are caused by both changes in climatic boundary conditions and in forest vegetation (age distribution and understorey) followed by decreasing groundwater recharge with an equal magnitude. The future developments of groundwater recharge and water levels are governed by changes in climatic boundary conditions and a transition from pine monoculture to broad-leaved trees. Forest conversion will show a positive effect on groundwater recharge and likely increase the water levels of lakes and wetlands. The forest conversation can not completely compensate the impact of climate change to the lake water levels, but the decrease can be significantly limited. KW - Seewasserhaushalt KW - Waldumbau KW - Grundwasserneubildung KW - Nordostdeutsches Tiefland KW - Klimaänderungen KW - lakes water balance KW - forest conversion KW - groundwater recharge KW - North-East German Plain KW - climate change Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50627 ER - TY - THES A1 - Wulf, Hendrik T1 - Seasonal precipitation, river discharge, and sediment flux in the western Himalaya T1 - Saisonaler Niederschlag, Wasserabfluss und Sedimentationsfluss im westlichen Himalaya N2 - Rainfall, snow-, and glacial melt throughout the Himalaya control river discharge, which is vital for maintaining agriculture, drinking water and hydropower generation. However, the spatiotemporal contribution of these discharge components to Himalayan rivers is not well understood, mainly because of the scarcity of ground-based observations. Consequently, there is also little known about the triggers and sources of peak sediment flux events, which account for extensive hydropower reservoir filling and turbine abrasion. We therefore lack basic information on the distribution of water resources and controls of erosion processes. In this thesis, I employ various methods to assess and quantify general characteristics of and links between precipitation, river discharge, and sediment flux in the Sutlej Valley. First, I analyze daily precipitation data (1998-2007) from 80 weather stations in the western Himalaya, to decipher the distribution of rain- and snowfall. Rainfall magnitude frequency analyses indicate that 40% of the summer rainfall budget is attributed to monsoonal rainstorms, which show higher variability in the orogenic interior than in frontal regions. Combined analysis of rainstorms and sediment flux data of a major Sutlej River tributary indicate that monsoonal rainfall has a first order control on erosion processes in the orogenic interior, despite the dominance of snowfall in this region. Second, I examine the contribution of rainfall, snow and glacial melt to river discharge in the Sutlej Valley (s55,000 km2), based on a distributed hydrological model, which covers the period 2000-2008. To achieve high spatial and daily resolution despite limited ground-based observations the hydrological model is forced by daily remote sensing data, which I adjusted and calibrated with ground station data. The calibration shows that the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) 3B42 rainfall product systematically overestimates rainfall in semi-arid and arid regions, increasing with aridity. The model results indicate that snowmelt-derived discharge (74%) is most important during the pre-monsoon season (April to June) whereas rainfall (56%) and glacial melt (17%) dominate the monsoon season (July-September). Therefore, climate change most likely causes a reduction in river discharge during the pre-monsoon season, which especially affects the orogenic interior. Third, I investigate the controls on suspended sediment flux in different parts of the Sutlej catchments, based on daily gauging data from the past decade. In conjunction with meteorological data, earthquake records, and rock strength measurements I find that rainstorms are the most frequent trigger of high-discharge events with peaks in suspended sediment concentrations (SSC) that account for the bulk of the suspended sediment flux. The suspended sediment flux increases downstream, mainly due to increases in runoff. Pronounced erosion along the Himalayan Front occurs throughout the monsoon season, whereas efficient erosion of the orogenic interior is confined to single extreme events. The results of this thesis highlight the importance of snow and glacially derived melt waters in the western Himalaya, where extensive regions receive only limited amounts of monsoonal rainfall. These regions are therefore particularly susceptible to global warming with major implications on the hydrological cycle. However, the sediment discharge data show that infrequent monsoonal rainstorms that pass the orographic barrier of the Higher Himalaya are still the primary trigger of the highest-impact erosion events, despite being subordinate to snow and glacially–derived discharge. These findings may help to predict peak sediment flux events and could underpin the strategic development of preventative measures for hydropower infrastructures. N2 - Regen, Schnee- und Gletscherschmelze speisen die Flüsse des Himalajas, die eine große Bedeutung für die Landwirtschaft, Trinkwasserversorgung und Wasserkraftnutzung in Südasien aufweisen. Welchen Anteil die einzelnen Abflusskomponenten am Gesamtabfluss in Raum und Zeit besitzen, ist jedoch kaum quantifiziert, da es in der entlegenen Region an Bodenmessstationen mangelt. Aus diesem Grund ist auch wenig über die Auslöser und Herkunftsgebiete von hohen Sedimentaustragsereignissen bekannt, die im erheblichen Maße dazu beitragen, dass die Kapazität vonWasserkraftreservoiren abnimmt undWasserkraftturbinen abradieren. Daher fehlen bisher grundlegende Informationen zur räumlichen Verteilung von Wasserressourcen und zu den Ursachen von Erosionsprozessen. In dieser Arbeit benutze ich verschiedene Methoden um die Eigenschaften von und die Beziehungen zwischen Niederschlag, Abflussmenge und Sedimentaustrag im Sutlej-Tal zu untersuchen. In einer ersten Studie analysiere ich Tagesniederschläge (1998-2007) von 80 Wetterstationen aus dem westlichen Himalaja, um die räumliche Verteilung von Regen- und Schneeniederschlägen zu charakterisieren. Die weitere Analyse der Magnituden-Häufigkeitsverteilung von Regenfällen zeigt, dass 40% der sommerlichen Niederschläge auf monsunale Starkregenereignisse zurückgehen, die eine höhere Variabilität im Gebirgsinneren aufweisen als an der Gebirgsfront. Die Kombination von Niederschlagsdaten mit Sedimentaustragsdaten für einen der größten Zuflüsse des Sutlejs zeigt, dass monsunaler Niederschlag der primäre Auslöser von Erosionsprozessen im Gebirgsinneren ist, ungeachtet größerer Abflussmengen durch Schnee- und Gletscherschmelze. In einer zweiten Studie untersuche ich den Beitrag von Regen, Schnee- und Gletscherschmelze zur Abflussmenge im Sutlej-Tal (s55.000 km2) mit Hilfe eines hydrologischen Modells für den Jahreszeitraum 2000-2008. Um trotz der begrenzten Bodenmessungen eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung zu erzielen, basiert das Modell auf täglichen Fernerkundungsdaten, die ich mit allen verfügbaren Bodenstationsdaten kalibriert und an diese angepasst habe. Die Kalibrierung zeigt, dass das Regenniederschlagsprodukt 3B42 der „Tropical Rainfall Measuring Mission“ (TRMM) den Bodenniederschlag in den semi-ariden bis ariden Gebirgsregionen mit zunehmender Trockenheit systematisch überschätzt. Die Modellierungsergebnisse verdeutlichen, dass die Schneeschmelze den bedeutendsten Beitrag zur Abflussmenge (74 %) zwischen April und Juni aufbringt, während Regen (56%) und Gletscherschmelze (17%) die Monsunsaison (Juli-September) prägen. Daher ist anzunehmen, dass der Klimawandel zu einer Verringerung der Abflussmenge zwischen April und Juni führen wird, was sich besonders auf das Gebirgsinnere auswirkt. In einer dritten Studie untersuche ich mit Hilfe von täglichen Messdaten der letzten Dekade die Ursachen und Eigenschaften des Sedimentaustrags in verschiedenen Bereichen des Sutlej-Einzugsgebietes. Auf der Grundlage von meteorologischen Daten, Erdbebenaufzeichnungen und Gesteinsfestigkeitsmessungen identifiziere ich Starkregenereignisse als häufigste Ursache für extreme Erosionsereignisse, die einen Großteil des gesamten Sedimentaustrags ausmachen. Großräumig betrachtet nimmt der Sedimentaustrag flussabwärts zu, was hauptsächlich auf den Anstieg der Abflussmenge zurückzuführen ist. Zur Monsunzeit treten Erosionsprozesse entlang der Himalajafront besonders häufig auf, während im Gebirgsinneren die Erosion auf einzelne Extremereignisse beschränkt ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit untersteichen die Bedeutung von Schnee- und Gletscherschmelze im westlichen Himalaja, in dem große Gebiete nur vereinzelt von monsunalen Niederschlägen erreicht werden. Diese Gebiete sind daher besonders anfällig für den Klimawandel mit weitreichenden Konsequenzen für den Wasserhaushalt in der Region. Die Analyse von Sedimentaustragsdaten zeigt jedoch, dass vereinzelte monsunale Regenstürme, welche die topographische Barriere des Himalaja überqueren, die primäre Ursache von extremen Erosionsereignissen sind, trotz der größeren Abflussmengen von Schnee- und Gletscherschmelze im Gebirgsinneren. Diese Ergebnisse können dazu beitragen, große Erosionsereignisse vorherzusagen und vorbeugende Maßnahmen zum Schutz von Wasserkraftanlagen zu entwickeln. KW - Klimawandel KW - Erosion KW - Monsun KW - Regensturm KW - Suspendsionsfracht KW - climate change KW - erosion KW - monsoon KW - rainstorm KW - suspended sediment Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57905 ER - TY - THES A1 - Hallermeier, Larissa Diane T1 - Küsten und Klimawandel in den Augen von Touristen : eine Wahrnehmungsanalyse an der deutschen Ostsee T1 - How do tourists percieve the coast and climate change? : A perception analysis at the Baltic Sea N2 - Aufgrund seiner wirtschaftlichen Bedeutung spielt der Tourismus in Mecklenburg-Vorpommern eine große Rolle. Insbesondere die Küstengebiete sind beliebte Reiseziele. In den letzten Jahren konnte ein kontinuierlicher Anstieg der Ankünfte und Übernachtungen verzeichnet werden. Neben anderen Faktoren werden die regionalen Auswirkungen des Klimawandels jedoch in Zukunft eine Herausforderung für den Tourismussektor darstellen. Die globale Erwärmung wird für den Strand- und Badetourismus sowohl negative, als auch positive Folgen haben, auf die reagiert werden muss. Neben vorbeugenden Klimaschutzmaßnahmen werden künftig auch Anpassungsstrategien entwickelt werden müssen, die den zu erwartenden Veränderungen Rechnung tragen. Doch zu welchen tourismusrelevanten Veränderungen wird es überhaupt kommen und was geschieht bereits aktuell? Sind die Folgen des Klimawandels durch Touristen schon jetzt wahrnehmbar? Wie reagieren die Urlauber auf eventuelle Veränderungen? Diese und andere Fragen soll die vorliegende Arbeit, die innerhalb des RAdOST-Vorhabens (Regionale Anpassungsstrategien für die deutsche Ostseeküste) angesiedelt ist, beantworten. Dazu wurde zum einen eine Literaturrecherche zu tourismusrelevanten Klimawandelfolgen an der deutschen Ostseeküste durchgeführt. Zum anderen erfolgte in den Sommermonaten 2010 eine Befragung der Strandgäste in Markgrafenheide, Warnemünde und Nienhagen an der mecklenburgischen Ostseeküste. Im Mittelpunkt der Umfrage stand die Wahrnehmung von Erscheinungen (z.B. viele Quallen oder warmes Ostseewasser) sowie kurz- oder langfristigen Veränderungen an der Küste (z.B. schmalere Strände, vermehrter Strandanwurf) durch die Urlauber. Außerdem wurden die Einstellung und der Informationsgrad der Gäste zum Thema Klimawandel an der Ostseeküste analysiert. Ziel war es, aus den Umfrageergebnissen Handlungsempfehlungen für das lokale Strandmanagement hinsichtlich künftiger Anpassungsstrategien abzuleiten. Die Literaturrecherche zeigte, dass in einigen Bereichen schon jetzt Veränderungen (z.B. der Luft- und Wassertemperatur oder des Meeresspiegels) nachweisbar sind und laut verschiedener Modellprojektionen von weiteren Veränderungen ausgegangen werden kann. Wie die Umfrage deutlich machte, sind die Veränderungen momentan durch Touristen jedoch kaum oder gar nicht wahrnehmbar. Dementsprechend gering ist auch ihre Reaktion auf die einzelnen Phänomene. Generell ist die Wahrnehmung der Urlauber sehr subjektiv und selektiv. Manche Gegebenheiten wie beispielsweise existierende Küstenschutzmaßnahmen werden von einem großen Teil der Touristen gar nicht wahrgenommen. Hinsichtlich anderer Erscheinungen wie Strandanwurf und Quallen sind viele Besucher wiederum sehr sensibel. Es zeigte sich außerdem, dass es für die meisten Urlauber schwierig ist, zu beurteilen, ob bestimmte Gegebenheiten am Strand und an der Küste mit der globalen Erwärmung in Verbindung stehen oder nicht. Es besteht eine große Unsicherheit zu diesem Thema und oft wird der Klimawandel als Ursache für Erscheinungen genannt, auch wenn der kausale Zusammenhang wissenschaftlich nicht nachzuweisen ist. Es zeigte sich, dass die Urlauber sehr wenig über die regionalen Auswirkungen des Klimawandels informiert sind, sich aber Informationen wünschen. Folglich sollte zunächst die Aufklärung und Information der Urlauber über die Folgen der Veränderung des Klimas im Vordergrund stehen. Denn manche Aspekte, wie der Verlust von Strandabschnitten durch Erosion oder eine eventuelle Zunahme von Blaualgen in der Sommersaison, können nicht gänzlich vermieden werden. Durch gezielte Aufklärung könnte jedoch beispielsweise eine Akzeptanz für naturnahe Strände oder für den Rückzug aus einzelnen Gebieten geschaffen werden. Darüber hinaus sollte die zu erwartende Saisonverlängerung systematisch genutzt werden, um sowohl die Küste, als auch das Hinterland durch gezielte Angebote für Touristen attraktiv zu machen. Auf diese Weise könnte eine Entzerrung der Hauptsaison und eine bessere Auslastung der Beherbergungsbetriebe sowie der touristischen Infrastruktur erreicht werden. KW - Ostsee KW - Klimawandel KW - Anpassungsstrategien KW - Wahrnehmung KW - Tourismus KW - Baltic Sea KW - climate change KW - adaptation KW - perception KW - tourism Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53855 ER - TY - JOUR A1 - Geyer, Juliane A1 - Kiefer, Iris A1 - Kreft, Stefan A1 - Chavez, Veronica A1 - Salafsky, Nick A1 - Jeltsch, Florian A1 - Ibisch, Pierre L. T1 - Classification of climate-change-induced stresses on biological diversity JF - Conservation biology : the journal of the Society for Conservation Biology N2 - Conservation actions need to account for and be adapted to address changes that will occur under global climate change. The identification of stresses on biological diversity (as defined in the Convention on Biological Diversity) is key in the process of adaptive conservation management. We considered any impact of climate change on biological diversity a stress because such an effect represents a change (negative or positive) in key ecological attributes of an ecosystem or parts of it. We applied a systemic approach and a hierarchical framework in a comprehensive classification of stresses to biological diversity that are caused directly by global climate change. Through analyses of 20 conservation sites in 7 countries and a review of the literature, we identified climate-change-induced stresses. We grouped the identified stresses according to 3 levels of biological diversity: stresses that affect individuals and populations, stresses that affect biological communities, and stresses that affect ecosystem structure and function. For each stress category, we differentiated 3 hierarchical levels of stress: stress class (thematic grouping with the coarsest resolution, 8); general stresses (thematic groups of specific stresses, 21); and specific stresses (most detailed definition of stresses, 90). We also compiled an overview of effects of climate change on ecosystem services using the categories of the Millennium Ecosystem Assessment and 2 additional categories. Our classification may be used to identify key climate-change-related stresses to biological diversity and may assist in the development of appropriate conservation strategies. The classification is in list format, but it accounts for relations among climate-change-induced stresses. KW - adaptation of conservation strategies KW - adaptive management KW - climate change KW - conservation planning KW - conservation targets KW - hierarchical framework KW - threats to biological diversity Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1111/j.1523-1739.2011.01676.x SN - 0888-8892 VL - 25 IS - 4 SP - 708 EP - 715 PB - Wiley-Blackwell CY - Malden ER - TY - JOUR A1 - Loeffler, Jörg A1 - Anschlag, Kerstin A1 - Baker, Barry A1 - Finch, Oliver-D. A1 - Diekkrueger, Bernd A1 - Wundram, Dirk A1 - Schroeder, Boris A1 - Pape, Roland A1 - Lundberg, Anders T1 - Mountain ecosystem response to global change JF - Erdkunde : archive for scientific geography N2 - Mountain ecosystems are commonly regarded as being highly sensitive to global change. Due to the system complexity and multifaceted interacting drivers, however, understanding current responses and predicting future changes in these ecosystems is extremely difficult. We aim to discuss potential effects of global change on mountain ecosystems and give examples of the underlying response mechanisms as they are understood at present. Based on the development of scientific global change research in mountains and its recent structures, we identify future research needs, highlighting the major lack and the importance of integrated studies that implement multi-factor, multi-method, multi-scale, and interdisciplinary research. KW - High mountain ecology KW - arctic-alpine environments KW - climate change KW - land use and land cover change KW - tree line alteration KW - range shifts KW - altitudinal zonation Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.3112/erdkunde.2011.02.06 SN - 0014-0015 VL - 65 IS - 2 SP - 189 EP - 213 PB - Geographisches Inst., Univ. Bonn CY - Goch ER - TY - JOUR A1 - Wischnewski, Juliane A1 - Kramer, Annette A1 - Kong, Zhaochen A1 - Mackay, Anson W. A1 - Simpson, Gavin L. A1 - Mischke, Steffen A1 - Herzschuh, Ulrike T1 - Terrestrial and aquatic responses to climate change and human impact on the southeastern Tibetan Plateau during the past two centuries JF - Global change biology N2 - Rapid population growth and economic development have led to increased anthropogenic pressures on the Tibetan Plateau, causing significant land cover changes with potentially severe ecological consequences. To assess whether or not these pressures are also affecting the remote montane-boreal lakes on the SE Tibetan Plateau, fossil pollen and diatom data from two lakes were synthesized. The interplay of aquatic and terrestrial ecosystem response was explored in respect to climate variability and human activity over the past 200 years. Nonmetric multidimensional scaling and Procrustes rotation analysis were undertaken to determine whether pollen and diatom responses in each lake were similar and synchronous. Detrended canonical correspondence analysis was used to develop quantitative estimates of compositional species turnover. Despite instrumental evidence of significant climatic warming on the southeastern Plateau, the pollen and diatom records indicate very stable species composition throughout their profiles and show only very subtle responses to environmental changes over the past 200 years. The compositional species turnover (0.36-0.94 SD) is relatively low in comparison to the species reorganizations known from the periods during the mid-and early-Holocene (0.64-1.61 SD) on the SE Plateau, and also in comparison to turnover rates of sediment records from climate-sensitive regions in the circum arctic. Our results indicate that climatically induced ecological thresholds are not yet crossed, but that human activity has an increasing influence, particularly on the terrestrial ecosystem in our study area. Synergistic processes of post-Little Ice Age warming, 20th century climate warming and extensive reforestations since the 19th century have initiated a change from natural oak-pine forests to seminatural, likely less resilient pine-oak forests. Further warming and anthropogenic disturbances would possibly exceed the ecological threshold of these ecosystems and lead to severe ecological consequences. KW - climate change KW - compositional species turnover KW - diatoms KW - human impact KW - pollen KW - Procrustes rotation KW - Tibetan Plateau Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2011.02474.x SN - 1354-1013 VL - 17 IS - 11 SP - 3376 EP - 3391 PB - Wiley-Blackwell CY - Malden ER - TY - JOUR A1 - De Frenne, Pieter A1 - Brunet, Jorg A1 - Shevtsova, Anna A1 - Kolb, Annette A1 - Graae, Bente J. A1 - Chabrerie, Olivier A1 - Cousins, Sara Ao A1 - Decocq, Guillaume A1 - De Schrijver, An A1 - Diekmann, Martin A1 - Gruwez, Robert A1 - Heinken, Thilo A1 - Hermy, Martin A1 - Nilsson, Christer A1 - Stanton, Sharon A1 - Tack, Wesley A1 - Willaert, Justin A1 - Verheyen, Kris T1 - Temperature effects on forest herbs assessed by warming and transplant experiments along a latitudinal gradient JF - Global change biology N2 - Slow-colonizing forest understorey plants are probably not able to rapidly adjust their distribution range following large-scale climate change. Therefore, the acclimation potential to climate change within their actual occupied habitats will likely be key for their short-and long-term persistence. We combined transplant experiments along a latitudinal gradient with open-top chambers to assess the effects of temperature on phenology, growth and reproductive performance of multiple populations of slow-colonizing understorey plants, using the spring flowering geophytic forb Anemone nemorosa and the early summer flowering grass Milium effusum as study species. In both species, emergence time and start of flowering clearly advanced with increasing temperatures. Vegetative growth (plant height, aboveground biomass) and reproductive success (seed mass, seed germination and germinable seed output) of A. nemorosa benefited from higher temperatures. Climate warming may thus increase future competitive ability and colonization rates of this species. Apart from the effects on phenology, growth and reproductive performance of M. effusum generally decreased when transplanted southwards (e. g., plant size and number of individuals decreased towards the south) and was probably more limited by light availability in the south. Specific leaf area of both species increased when transplanted southwards, but decreased with open-top chamber installation in A. nemorosa. In general, individuals of both species transplanted at the home site performed best, suggesting local adaptation. We conclude that contrasting understorey plants may display divergent plasticity in response to changing temperatures which may alter future understorey community dynamics. KW - climate change KW - common garden experiment KW - forest understorey KW - latitude KW - local adaptation KW - open-top chambers KW - phenotypic plasticity KW - pot experiment Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2011.02449.x SN - 1354-1013 VL - 17 IS - 10 SP - 3240 EP - 3253 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Kahmen, Ansgar A1 - Sachse, Dirk A1 - Arndt, Stefan K. A1 - Tu, Kevin P. A1 - Farrington, Heraldo A1 - Vitousek, Peter M. A1 - Dawson, Todd E. T1 - Cellulose delta O-18 is an index of leaf-to-air vapor pressure difference (VPD) in tropical plants JF - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America N2 - Cellulose in plants contains oxygen that derives in most cases from precipitation. Because the stable oxygen isotope composition, delta O-18, of precipitation is associated with environmental conditions, cellulose delta O-18 should be as well. However, plant physiological models using delta O-18 suggest that cellulose delta O-18 is influenced by a complex mix of both climatic and physiological drivers. This influence complicates the interpretation of cellulose delta O-18 values in a paleo-context. Here, we combined empirical data analyses with mechanistic model simulations to i) quantify the impacts that the primary climatic drivers humidity (e(a)) and air temperature (T-air) have on cellulose delta O-18 values in different tropical ecosystems and ii) determine which environmental signal is dominating cellulose delta O-18 values. Our results revealed that e(a) and T-air equally influence cellulose delta O-18 values and that distinguishing which of these factors dominates the delta O-18 values of cellulose cannot be accomplished in the absence of additional environmental information. However, the individual impacts of e(a) and T-air on the delta O-18 values of cellulose can be integrated into a single index of plant-experienced atmospheric vapor demand: the leaf-to-air vapor pressure difference (VPD). We found a robust relationship between VPD and cellulose delta O-18 values in both empirical and modeled data in all ecosystems that we investigated. Our analysis revealed therefore that delta O-18 values in plant cellulose can be used as a proxy for VPD in tropical ecosystems. As VPD is an essential variable that determines the biogeochemical dynamics of ecosystems, our study has applications in ecological-, climate-, or forensic-sciences. KW - stable isotopes KW - plant-water relations KW - paleoecology KW - climate change KW - Hawaii Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1073/pnas.1018906108 SN - 0027-8424 VL - 108 IS - 5 SP - 1981 EP - 1986 PB - National Acad. of Sciences CY - Washington ER - TY - THES A1 - Robinson, Alexander T1 - Modeling the Greenland Ice Sheet response to climate change in the past and future T1 - Modellierung der Reaktion des Grönländischen Inlandeises auf den vergangenen und zukünftigen Klimawandel N2 - The Greenland Ice Sheet (GIS) contains enough water volume to raise global sea level by over 7 meters. It is a relic of past glacial climates that could be strongly affected by a warming world. Several studies have been performed to investigate the sensitivity of the ice sheet to changes in climate, but large uncertainties in its long-term response still exist. In this thesis, a new approach has been developed and applied to modeling the GIS response to climate change. The advantages compared to previous approaches are (i) that it can be applied over a wide range of climatic scenarios (both in the deep past and the future), (ii) that it includes the relevant feedback processes between the climate and the ice sheet and (iii) that it is highly computationally efficient, allowing simulations over very long timescales. The new regional energy-moisture balance model (REMBO) has been developed to model the climate and surface mass balance over Greenland and it represents an improvement compared to conventional approaches in modeling present-day conditions. Furthermore, the evolution of the GIS has been simulated over the last glacial cycle using an ensemble of model versions. The model performance has been validated against field observations of the present-day climate and surface mass balance, as well as paleo information from ice cores. The GIS contribution to sea level rise during the last interglacial is estimated to be between 0.5-4.1 m, consistent with previous estimates. The ensemble of model versions has been constrained to those that are consistent with the data, and a range of valid parameter values has been defined, allowing quantification of the uncertainty and sensitivity of the modeling approach. Using the constrained model ensemble, the sensitivity of the GIS to long-term climate change was investigated. It was found that the GIS exhibits hysteresis behavior (i.e., it is multi-stable under certain conditions), and that a temperature threshold exists above which the ice sheet transitions to an essentially ice-free state. The threshold in the global temperature is estimated to be in the range of 1.3-2.3°C above preindustrial conditions, significantly lower than previously believed. The timescale of total melt scales non-linearly with the overshoot above the temperature threshold, such that a 2°C anomaly causes the ice sheet to melt in ca. 50,000 years, but an anomaly of 6°C will melt the ice sheet in less than 4,000 years. The meltback of the ice sheet was found to become irreversible after a fraction of the ice sheet is already lost – but this level of irreversibility also depends on the temperature anomaly. N2 - Das grönländische Inlandeis (GIS) besteht aus einem Wasservolumen das ausreicht, um den globalen Meeresspiegel um 7 Meter ansteigen zu lassen. Es ist ein Relikt der vergangenen Eiszeit, das in einer zunehmend wärmer werdenden Welt stark in Mitleidenschaft gezogen werden könnte. In der vorliegenden Dissertation ist ein neues Verfahren zur Modellierung des Antwortverhaltens des Inlandeises auf Klimaänderungen entwickelt und angewendet worden. Die Vorteile des neuen Verfahrens im Vergleich zu den bisherigen Verfahren sind, (i) dass es über einen groen Bereich von Klimaszenarien (sowohl für die ferne Vergangenheit als auch für die Zukunft) anwendbar ist, (ii) dass es die wesentlichen Rückkopplungsprozesse zwischen Klima und Inlandeis enthält und (iii) dass es wegen seiner guten Rechenzeiteffizienz Simulationen über sehr lange Zeitskalen erlaubt. Das neue Modell (REMBO) ist für die Modellierung des Klimas und der Massenbilanz an der grönländischen Oberfläche entwickelt worden und stellt ein verbessertes Verfahren im Vergleich zu den bisherigen dar. Die Entwicklung von GIS über den letzten glazialen Zyklus ist mittels eines Ensembles von verschiedenen Modellversionen simuliert worden. Anschließend ist die Tauglichkeit der Modellversionen durch Vergleich mit Beobachtungsdaten des gegenwärtigen Klimas und der Oberflächenmassenbilanz, sowie mit paleoklimatischen Rekonstruktionen von Eisbohrkernen verifiziert worden. Der Anteil von GIS am Meeresspiegelanstieg während des letzten Interglazials ist im Bereich von 0.5 bis 4.1 m berechnet worden, was konsistent mit bisherigen Schätzungen ist. Von den Ensemblesimulationen sind diejenigen ausgewählt worden, deren Ergebnisse gut mit den Daten übereinstimmen. Durch die Auswahl von geeigneten Modellversionen sind gleichzeitig die Unsicherheiten der Parameterwerte begrenzt worden, so dass sich nun mit dem neuen Verfahren die Sensitivität von GIS auf Klimaänderungen bestimmen lässt. Mit den ausgewählten Modellversionen ist die Sensitivität von GIS auf langfristige Klimaänderungen untersucht worden. Es zeigt sich, dass das GIS ein Hystereseverhalten besitzt (d.h., eine Multistabilität für gewisse Klimazustände) und dass ein Temperaturschwellwert existiert. Bei Überschreiten des Schwellwertes bleibt das GIS nicht erhalten und wird langsam eisfrei werden. Der Temperaturschwellwert der globalen Mitteltemperatur relativ zur vorindustriellen Mitteltemperatur ist im Bereich 1.3-2.3°C ermittelt worden und liegt damit deutlich niedriger als bisher angenommen. Die Zeitdauer bis zum völligen Abschmelzen zeigt ein nichtlineares Verhalten hinsichtlich einer Erwärmung über den ermittelten Schwellwert. Eine Erwärmung von 2°C relativ zur vorindustriellen Zeit führt zu einem Abschmelzen nach 50.000 Jahren, aber eine Erwärmung um 6°C lässt das Inlandeis bereits nach 4.000 Jahren abschmelzen. Ein weiteres Ergebnis ist, dass der Abschmelzvorgang irreversibel werden kann, nachdem ein gewisser Anteil des Inlandeises abgeschmolzen ist – jedoch ist die Irreversibilität eines Abschmelzvorganges auch von der Temperaturanomalie abhängig. KW - Grönland KW - Inlandeis KW - Klimawandel KW - Stabilität KW - Hysterese KW - Greenland KW - ice sheet KW - climate change KW - stability KW - hysteresis Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50430 ER - TY - THES A1 - Zurell, Damaris T1 - Integrating dynamic and statistical modelling approaches in order to improve predictions for scenarios of environmental change T1 - Integration dynamischer und statistischer Modellansätze zur Verbesserung von Arealvorhersagen für Szenarien globalen Wandels N2 - Species respond to environmental change by dynamically adjusting their geographical ranges. Robust predictions of these changes are prerequisites to inform dynamic and sustainable conservation strategies. Correlative species distribution models (SDMs) relate species’ occurrence records to prevailing environmental factors to describe the environmental niche. They have been widely applied in global change context as they have comparably low data requirements and allow for rapid assessments of potential future species’ distributions. However, due to their static nature, transient responses to environmental change are essentially ignored in SDMs. Furthermore, neither dispersal nor demographic processes and biotic interactions are explicitly incorporated. Therefore, it has often been suggested to link statistical and mechanistic modelling approaches in order to make more realistic predictions of species’ distributions for scenarios of environmental change. In this thesis, I present two different ways of such linkage. (i) Mechanistic modelling can act as virtual playground for testing statistical models and allows extensive exploration of specific questions. I promote this ‘virtual ecologist’ approach as a powerful evaluation framework for testing sampling protocols, analyses and modelling tools. Also, I employ such an approach to systematically assess the effects of transient dynamics and ecological properties and processes on the prediction accuracy of SDMs for climate change projections. That way, relevant mechanisms are identified that shape the species’ response to altered environmental conditions and which should hence be considered when trying to project species’ distribution through time. (ii) I supplement SDM projections of potential future habitat for black grouse in Switzerland with an individual-based population model. By explicitly considering complex interactions between habitat availability and demographic processes, this allows for a more direct assessment of expected population response to environmental change and associated extinction risks. However, predictions were highly variable across simulations emphasising the need for principal evaluation tools like sensitivity analysis to assess uncertainty and robustness in dynamic range predictions. Furthermore, I identify data coverage of the environmental niche as a likely cause for contrasted range predictions between SDM algorithms. SDMs may fail to make reliable predictions for truncated and edge niches, meaning that portions of the niche are not represented in the data or niche edges coincide with data limits. Overall, my thesis contributes to an improved understanding of uncertainty factors in predictions of range dynamics and presents ways how to deal with these. Finally I provide preliminary guidelines for predictive modelling of dynamic species’ response to environmental change, identify key challenges for future research and discuss emerging developments. N2 - Das Vorkommen von Arten wird zunehmend bedroht durch Klima- und Landnutzungswandel. Robuste Vorhersagen der damit verbundenen Arealveränderungen sind ausschlaggebend für die Erarbeitung dynamischer und nachhaltiger Naturschutzstrategien. Habitateignungsmodelle erstellen statistische Zusammenhänge zwischen dem Vorkommen einer Art und relevanten Umweltvariablen und erlauben zügige Einschätzungen potentieller Arealveränderungen. Dabei werden jedoch transiente Dynamiken weitgehend ignoriert sowie demographische Prozesse und biotische Interaktionen. Daher wurden Vorschläge laut, diese statistischen Modelle mit mechanistischeren Ansätzen zu koppeln. In der vorliegenden Arbeit zeige ich zwei verschiedene Möglichkeiten solcher Kopplung auf. (i) Ich beschreibe den sogenannten ‚Virtuellen Ökologen’-Ansatz als mächtiges Validierungswerkzeug, in dem mechanistische Modelle virtuelle Testflächen bieten zur Erforschung verschiedener Probenahmedesigns oder statistischer Methoden sowie spezifischer Fragestellungen. Auch verwende ich diesen Ansatz, um systematisch zu untersuchen wie sich transiente Dynamiken sowie Arteigenschaften und ökologische Prozesse auf die Vorhersagegüte von Habitateignungsmodellen auswirken. So kann ich entscheidende Prozesse identifizieren welche in zukünftigen Modellen Berücksichtigung finden sollten. (ii) Darauf aufbauend koppele ich Vorhersagen von Habitateignungsmodellen mit einem individuen-basierten Populationsmodell, um die Entwicklung des Schweizer Birkhuhnbestandes unter Klimawandel vorherzusagen. Durch die explizite Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Habitat und demographischer Prozesse lassen sich direktere Aussagen über Populationsentwicklung und damit verbundener Extinktionsrisiken treffen. Allerdings führen verschiedene Simulationen auch zu hoher Variabilität zwischen Vorhersagen, was die Bedeutung von Sensitivitätsanalysen unterstreicht, um Unsicherheiten und Robustheit von Vorhersagen einzuschätzen. Außerdem identifiziere ich Restriktionen in der Datenabdeckung des Umweltraumes als möglichen Grund für kontrastierende Vorhersagen verschiedener Habitateignungsmodelle. Wenn die Nische einer Art nicht vollständig durch Daten beschrieben ist, kann dies zu unrealistischen Vorhersagen der Art-Habitat-Beziehung führen. Insgesamt trägt meine Arbeit erheblich bei zu einem besseren Verständnis der Auswirkung verschiedenster Unsicherheitsfaktoren auf Vorhersagen von Arealveränderungen und zeigt Wege auf, mit diesen umzugehen. Abschließend erstelle ich einen vorläufigen Leitfaden für Vorhersagemodelle und identifiziere Kernpunkte für weitere Forschung auf diesem Gebiet. KW - species distribution models KW - dynamic population models KW - climate change KW - prediction KW - uncertainty KW - Habitatmodelle KW - dynamische Populationsmodelle KW - Klimawandel KW - Vorhersage KW - Unsicherheit Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-56845 ER - TY - JOUR A1 - Schurr, Frank Martin A1 - Pagel, Jörn A1 - Sarmento, Juliano Sarmento A1 - Groeneveld, Juergen A1 - Bykova, Olga A1 - O'Hara, Robert B. A1 - Hartig, Florian A1 - Kissling, W. Daniel A1 - Linder, H. Peter A1 - Midgley, Guy F. A1 - Schröder-Esselbach, Boris A1 - Singer, Alexander A1 - Zimmermann, Niklaus E. T1 - How to understand species' niches and range dynamics: a demographic research agenda for biogeography JF - Journal of biogeography N2 - Range dynamics causes mismatches between a species geographical distribution and the set of suitable environments in which population growth is positive (the Hutchinsonian niche). This is because sourcesink population dynamics cause species to occupy unsuitable environments, and because environmental change creates non-equilibrium situations in which species may be absent from suitable environments (due to migration limitation) or present in unsuitable environments that were previously suitable (due to time-delayed extinction). Because correlative species distribution models do not account for these processes, they are likely to produce biased niche estimates and biased forecasts of future range dynamics. Recently developed dynamic range models (DRMs) overcome this problem: they statistically estimate both range dynamics and the underlying environmental response of demographic rates from species distribution data. This process-based statistical approach qualitatively advances biogeographical analyses. Yet, the application of DRMs to a broad range of species and study systems requires substantial research efforts in statistical modelling, empirical data collection and ecological theory. Here we review current and potential contributions of these fields to a demographic understanding of niches and range dynamics. Our review serves to formulate a demographic research agenda that entails: (1) advances in incorporating process-based models of demographic responses and range dynamics into a statistical framework, (2) systematic collection of data on temporal changes in distribution and abundance and on the response of demographic rates to environmental variation, and (3) improved theoretical understanding of the scaling of demographic rates and the dynamics of spatially coupled populations. This demographic research agenda is challenging but necessary for improved comprehension and quantification of niches and range dynamics. It also forms the basis for understanding how niches and range dynamics are shaped by evolutionary dynamics and biotic interactions. Ultimately, the demographic research agenda should lead to deeper integration of biogeography with empirical and theoretical ecology. KW - Biodiversity monitoring KW - climate change KW - ecological forecasts KW - ecological niche modelling KW - ecological theory KW - geographical range shifts KW - global environmental change KW - mechanistic models KW - migration KW - process-based statistics Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1111/j.1365-2699.2012.02737.x SN - 0305-0270 VL - 39 IS - 12 SP - 2146 EP - 2162 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - De Frenne, Pieter A1 - Graae, Bente J. A1 - Brunet, Jörg A1 - Shevtsova, Anna A1 - De Schrijver, An A1 - Chabrerie, Olivier A1 - Cousins, Sara A. O. A1 - Decocq, Guillaume A1 - Diekmann, Martin A1 - Hermy, Martin A1 - Heinken, Thilo A1 - Kolb, Annette A1 - Nilsson, Christer A1 - Stanton, Sharon A1 - Verheyen, Kris T1 - The response of forest plant regeneration to temperature variation along a latitudinal gradient JF - Annals of botany N2 - The response of forest herb regeneration from seed to temperature variations across latitudes was experimentally assessed in order to forecast the likely response of understorey community dynamics to climate warming. Seeds of two characteristic forest plants (Anemone nemorosa and Milium effusum) were collected in natural populations along a latitudinal gradient from northern France to northern Sweden and exposed to three temperature regimes in growth chambers (first experiment). To test the importance of local adaptation, reciprocal transplants were also made of adult individuals that originated from the same populations in three common gardens located in southern, central and northern sites along the same gradient, and the resulting seeds were germinated (second experiment). Seedling establishment was quantified by measuring the timing and percentage of seedling emergence, and seedling biomass in both experiments. Spring warming increased emergence rates and seedling growth in the early-flowering forb A. nemorosa. Seedlings of the summer-flowering grass M. effusum originating from northern populations responded more strongly in terms of biomass growth to temperature than southern populations. The above-ground biomass of the seedlings of both species decreased with increasing latitude of origin, irrespective of whether seeds were collected from natural populations or from the common gardens. The emergence percentage decreased with increasing home-away distance in seeds from the transplant experiment, suggesting that the maternal plants were locally adapted. Decreasing seedling emergence and growth were found from the centre to the northern edge of the distribution range for both species. Stronger responses to temperature variation in seedling growth of the grass M. effusum in the north may offer a way to cope with environmental change. The results further suggest that climate warming might differentially affect seedling establishment of understorey plants across their distribution range and thus alter future understorey plant dynamics. KW - Anemone nemorosa KW - climate change KW - common garden KW - growth chambers KW - latitudinal gradient KW - local adaptation KW - Milium effusum KW - plant regeneration KW - range edges KW - recruitment KW - seedling establishment KW - temperature Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1093/aob/mcs015 SN - 0305-7364 VL - 109 IS - 5 SP - 1037 EP - 1046 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER - TY - THES A1 - Waha, Katharina T1 - Climate change impacts on agricultural vegetation in sub-Saharan Africa T1 - Auswirkungen von Klimaänderungen auf die landwirtschaftliche Vegetation in Afrika südlich der Sahara N2 - Agriculture is one of the most important human activities providing food and more agricultural goods for seven billion people around the world and is of special importance in sub-Saharan Africa. The majority of people depends on the agricultural sector for their livelihoods and will suffer from negative climate change impacts on agriculture until the middle and end of the 21st century, even more if weak governments, economic crises or violent conflicts endanger the countries’ food security. The impact of temperature increases and changing precipitation patterns on agricultural vegetation motivated this thesis in the first place. Analyzing the potentials of reducing negative climate change impacts by adapting crop management to changing climate is a second objective of the thesis. As a precondition for simulating climate change impacts on agricultural crops with a global crop model first the timing of sowing in the tropics was improved and validated as this is an important factor determining the length and timing of the crops´ development phases, the occurrence of water stress and final crop yield. Crop yields are projected to decline in most regions which is evident from the results of this thesis, but the uncertainties that exist in climate projections and in the efficiency of adaptation options because of political, economical or institutional obstacles have to be considered. The effect of temperature increases and changing precipitation patterns on crop yields can be analyzed separately and varies in space across the continent. Southern Africa is clearly the region most susceptible to climate change, especially to precipitation changes. The Sahel north of 13° N and parts of Eastern Africa with short growing seasons below 120 days and limited wet season precipitation of less than 500 mm are also vulnerable to precipitation changes while in most other part of East and Central Africa, in contrast, the effect of temperature increase on crops overbalances the precipitation effect and is most pronounced in a band stretching from Angola to Ethiopia in the 2060s. The results of this thesis confirm the findings from previous studies on the magnitude of climate change impact on crops in sub-Saharan Africa but beyond that helps to understand the drivers of these changes and the potential of certain management strategies for adaptation in more detail. Crop yield changes depend on the initial growing conditions, on the magnitude of climate change, and on the crop, cropping system and adaptive capacity of African farmers which is only now evident from this comprehensive study for sub-Saharan Africa. Furthermore this study improves the representation of tropical cropping systems in a global crop model and considers the major food crops cultivated in sub-Saharan Africa and climate change impacts throughout the continent. N2 - Landwirtschaft ist eine der wichtigsten menschlichen Aktivitäten, sie stellt Nahrungsmittel und andere landwirtschaftliche Produkte für weltweit 7 Milliarden Menschen zur Verfügung und ist in den Ländern Afrikas südlich der Sahara von besonderer Bedeutung. Die Mehrheit der afrikanischen Bevölkerung bestreitet ihren Lebensunterhalt in der Landwirtschaft und wird von Klimaänderungen stark betroffen sein. Die Doktorarbeit ist durch die Frage motiviert, wie sich von Klimamodellen vorhergesagte Temperaturerhöhungen und sich verändernde Niederschlagsverteilungen auf die landwirtschaftliche Vegetation auswirken werden. Die Forschungsfragen in diesem Kontext beschäftigen sich mit regionalen Unterschieden von Klimaänderungen und ihren Auswirkungen auf die Landwirtschaft und mit möglichen Anpassungsstrategien die mit geringem technischem Aufwand genutzt werden können. In diesem Zusammenhang wird schnell deutlich, dass Daten über die komplexen landwirtschaftlichen Systeme in Afrika südlich der Sahara häufig nur selten vorhanden sind, aus fragwürdigen Quellen stammen oder von schlechter Qualität sind. Die Methoden und Modelle zur Untersuchung der Auswirkungen von Klimaänderungen auf die Landwirtschaft werden zudem ausschließlich in Europa oder Nordamerika entwickelt and häufig in den temperierten Breiten aber seltener in tropischen Gebieten angewendet. Vor allem werden globale, dynamische Vegetationsmodelle in Kombination mit Klimamodellen eingesetzt um Änderungen in der landwirtschaftlichen Produktion auf Grund von Klimaänderungen in der zweiten Hälfte des 21.Jahrhunderts abzuschätzen. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen einen mittleren Ertragsrückgang für die wichtigsten landwirtschaftlichen Pflanzen um 6% bis 24% bis 2090 je nach Region, Klimamodell und Anpassungsstrategie. Dieses Ergebnis macht deutlich, dass Landwirte die negativen Folgen von Klimaänderungen abschwächen können, wenn sie die Wahl der Feldfrucht, die Wahl des Anbausystems und den Aussaattermin an geänderte Klimabedingungen anpassen. Die Arbeit stellt methodische Ansätze zur Berechung des Aussaattermins in temperierten und tropischen Gebieten (Kapitel 2) sowie zur Simulation von Mehrfachanbausystemen in den Tropen vor (Kapitel 3). Dabei werden wichtige Parameter für das globale, dynamische Vegetationsmodell LPJmL überprüft und neu berechnet. Es zeigt sich, dass das südliche Afrika und die Sahelregion die am stärksten betroffenen Regionen sind, vor allem aufgrund von Niederschlagsänderungen, weniger aufgrund von Temperaturerhöhungen. In den meisten anderen Teilen, vor allem Zentral- und Ostafrikas bedingen Temperaturerhöhungen Rückgänge der Erträge (Kapitel 4). Diese Arbeit leistet einen wichtigen und umfassenden Beitrag zum Verständnis der Auswirkung von Klimaänderung auf die landwirtschaftliche Vegetation und damit zu einem großen Teil auf die Lebensgrundlage von afrikanischen Landwirten. KW - Klimawandel KW - Anpassung KW - Afrika KW - Pflanzenwachstum KW - Landwirtschaft KW - climate change KW - Africa KW - crop modeling KW - adapation KW - agriculture Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64717 ER - TY - JOUR A1 - Huggel, Christian A1 - Clague, John J. A1 - Korup, Oliver T1 - Is climate change responsible for changing landslide activity in high mountains? JF - Earth surface processes and landforms : the journal of the British Geomorphological Research Group N2 - Climate change, manifested by an increase in mean, minimum, and maximum temperatures and by more intense rainstorms, is becoming more evident in many regions. An important consequence of these changes may be an increase in landslides in high mountains. More research, however, is necessary to detect changes in landslide magnitude and frequency related to contemporary climate, particularly in alpine regions hosting glaciers, permafrost, and snow. These regions not only are sensitive to changes in both temperature and precipitation, but are also areas in which landslides are ubiquitous even under a stable climate. We analyze a series of catastrophic slope failures that occurred in the mountains of Europe, the Americas, and the Caucasus since the end of the 1990s. We distinguish between rock and ice avalanches, debris flows from de-glaciated areas, and landslides that involve dynamic interactions with glacial and river processes. Analysis of these events indicates several important controls on slope stability in high mountains, including: the non-linear response of firn and ice to warming; three-dimensional warming of subsurface bedrock and its relation to site geology; de-glaciation accompanied by exposure of new sediment; and combined short-term effects of precipitation and temperature. Based on several case studies, we propose that the following mechanisms can significantly alter landslide magnitude and frequency, and thus hazard, under warming conditions: (1) positive feedbacks acting on mass movement processes that after an initial climatic stimulus may evolve independently of climate change; (2) threshold behavior and tipping points in geomorphic systems; (3) storage of sediment and ice involving important lag-time effects. KW - climate change KW - landslides KW - glaciers KW - permafrost Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1002/esp.2223 SN - 0197-9337 VL - 37 IS - 1 SP - 77 EP - 91 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Korup, Oliver A1 - Görüm, Tolga A1 - Hayakawa, Yuichi T1 - Without power? - Landslide inventories in the face of climate change JF - Earth surface processes and landforms : the journal of the British Geomorphological Research Group N2 - Projected scenarios of climate change involve general predictions about the likely changes to the magnitude and frequency of landslides, particularly as a consequence of altered precipitation and temperature regimes. Whether such landslide response to contemporary or past climate change may be captured in differing scaling statistics of landslide size distributions and the erosion rates derived thereof remains debated. We test this notion with simple Monte Carlo and bootstrap simulations of statistical models commonly used to characterize empirical landslide size distributions. Our results show that significant changes to total volumes contained in such inventories may be masked by statistically indistinguishable scaling parameters, critically depending on, among others, the size of the largest of landslides recorded. Conversely, comparable model parameter values may obscure significant, i.e. more than twofold, changes to landslide occurrence, and thus inferred rates of hillslope denudation and sediment delivery to drainage networks. A time series of some of Earth's largest mass movements reveals clustering near and partly before the last glacial-interglacial transition and a distinct step-over from white noise to temporal clustering around this period. However, elucidating whether this is a distinct signal of first-order climate-change impact on slope stability or simply coincides with a transition from short-term statistical noise to long-term steady-state conditions remains an important research challenge. KW - landslide KW - climate change KW - magnitude & frequency Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1002/esp.2248 SN - 0197-9337 VL - 37 IS - 1 SP - 92 EP - 99 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - THES A1 - Lohmann, Dirk T1 - Sustainable management of semi-arid African savannas under environmental and political change T1 - Nachhaltige Nutzung semiarider Savannen in Afrika unter dem Einfluss von klimatischem und politischem Wandel N2 - Drylands cover about 40% of the earth’s land surface and provide the basis for the livelihoods of 38% of the global human population. Worldwide, these ecosystems are prone to heavy degradation. Increasing levels of dryland degradation result a strong decline of ecosystem services. In addition, in highly variable semi-arid environments changing future environmental conditions will potentially have severe consequences for productivity and ecosystem dynamics. Hence, global efforts have to be made to understand the particular causes and consequences of dryland degradation and to promote sustainable management options for semi-arid and arid ecosystems in a changing world. Here I particularly address the problem of semi-arid savanna degradation, which mostly occurs in form of woody plant encroachment. At this, I aim at finding viable sustainable management strategies and improving the general understanding of semi-arid savanna vegetation dynamics under conditions of extensive livestock production. Moreover, the influence of external forces, i.e. environmental change and land reform, on the use of savanna vegetation and on the ecosystem response to this land use is assessed. Based on this I identify conditions and strategies that facilitate a sustainable use of semi-arid savanna rangelands in a changing world. I extended an eco-hydrological model to simulate rangeland vegetation dynamics for a typical semi-arid savanna in eastern Namibia. In particular, I identified the response of semi-arid savanna vegetation to different land use strategies (including fire management) also with regard to different predicted precipitation, temperature and CO2 regimes. Not only environmental but also economic and political constraints like e.g. land reform programmes are shaping rangeland management strategies. Hence, I aimed at understanding the effects of the ongoing process of land reform in southern Africa on land use and the semi-arid savanna vegetation. Therefore, I developed and implemented an agent-based ecological-economic modelling tool for interactive role plays with land users. This tool was applied in an interdisciplinary empirical study to identify general patterns of management decisions and the between-farm cooperation of land reform beneficiaries in eastern Namibia. The eco-hydrological simulations revealed that the future dynamics of semi-arid savanna vegetation strongly depend on the respective climate change scenario. In particular, I found that the capacity of the system to sustain domestic livestock production will strongly depend on changes in the amount and temporal distribution of precipitation. In addition, my simulations revealed that shrub encroachment will become less likely under future climatic conditions although positive effects of CO2 on woody plant growth and transpiration have been considered. While earlier studies predicted a further increase in shrub encroachment due to increased levels of atmospheric CO2, my contrary finding is based on the negative impacts of temperature increase on the drought sensitive seedling germination and establishment of woody plant species. Further simulation experiments revealed that prescribed fires are an efficient tool for semi-arid rangeland management, since they suppress woody plant seedling establishment. The strategies tested have increased the long term productivity of the savanna in terms of livestock production and decreased the risk for shrub encroachment (i.e. savanna degradation). This finding refutes the views promoted by existing studies, which state that fires are of minor importance for the vegetation dynamics of semi-arid and arid savannas. Again, the difference in predictions is related to the bottleneck at the seedling establishment stage of woody plants, which has not been sufficiently considered in earlier studies. The ecological-economic role plays with Namibian land reform beneficiaries showed that the farmers made their decisions with regard to herd size adjustments according to economic but not according to environmental variables. Hence, they do not manage opportunistically by tracking grass biomass availability but rather apply conservative management strategies with low stocking rates. This implies that under the given circumstances the management of these farmers will not per se cause (or further worsen) the problem of savanna degradation and shrub encroachment due to overgrazing. However, as my results indicate that this management strategy is rather based on high financial pressure, it is not an indicator for successful rangeland management. Rather, farmers struggle hard to make any positive revenue from their farming business and the success of the Namibian land reform is currently disputable. The role-plays also revealed that cooperation between farmers is difficult even though obligatory due to the often small farm sizes. I thus propose that cooperation needs to be facilitated to improve the success of land reform beneficiaries. N2 - Semiaride (halbtrockene) Savannen bedecken große Teile der Erdoberfläche und sichern die Lebensgrundlage von vielen Millionen Menschen. Die häufigste Form der Landnutzung in diesen Trockengebieten ist die Produktion von Vieh in extensiver Weidelandbewirtschaftung. In Folge klimatischer Veränderungen und als Konsequenz aus der teils intensiven Beweidung dieser Trockengebiete kommt es häufig zur Degradierung derselben in Form einer Zunahme von ‚unerwünschter‘ holziger Vegetation auf Kosten von futterverwertbaren Gräsern. Dieser als Verbuschung bezeichnete Prozess hat schwere negative Auswirkungen auf die betroffenen Ökosysteme und ist die Ursache für einen zunehmenden Rückgang der ökonomischen Leistungsfähigkeit der betroffenen Betriebe. In meiner Dissertation befasse ich mich mit den Auswirkungen von Klimawandel und politischen Veränderungen auf die Savannenvegetation im südlichen Afrika und auf die Möglichkeiten für die Nutzung dieser Ökosysteme in Form von Viehwirtschaft. Hierbei möchte ich sowohl das allgemeine Verständnis der ökologischen Zusammenhänge verbessern, als auch Strategien für die nachhaltige Nutzung der Savannen identifizieren und bewerten. Da nicht nur ökologische, sondern auch ökonomische und politische Einflussfaktoren, wie zum Beispiel die umfangreichen Landumverteilungen im Rahmen der Bodenreform im südlichen Afrika auf die tatsächliche Landnutzung wirken, habe ich im Rahmen der Dissertation zudem untersucht, nach welchen Umwelt und Kapitalvariablen sich die Farmer, welche Ihr Land im Rahmen der Bodenreform zugeteilt bekommen haben, bei Ihren Entscheidungen richten. Methodisch verwende ich verschiedene Simulationsmodelle, welche zur Untersuchung der langfristigen Veränderungen von verschiedensten Szenarien (Klimawandel, Landnutzung) geeignet sind. Hierbei habe ich teilweise bestehende Modelle angepasst, aber auch ein neues Modell, welches zur Befragung von Farmern in Namibia verwendet wurde, entwickelt. Meine Dissertation führt im Wesentlichen zu vier Erkenntnissen: Erstens, zeigen meine Ergebnisse, welche große Bedeutung die spezifischen ökologischen Eigenschaften der Bäume und Sträucher in semiariden Savannen für die Vorhersage der Entwicklung dieser Systeme unter Klimawandel hat. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere die Sensitivität der Keimlinge gegenüber Trockenheit und Feuer eine entscheidende Rolle spielt. Daraus folgt die zweite wesentliche Erkenntnis: Feuer eignet sich in herausragender Weise, um halbtrockene Savannen vor der Verbuschung zu bewahren. Drittens haben die Rollenspiele mit Farmern in Namibia gezeigt, dass deren Entscheidungen im Wesentlichen von finanziellen Schwierigkeiten und nicht von Umwelteinflüssen getrieben werden. Dennoch zeigten meine Ergebnisse, dass diese Farmer mit Ihrem derzeitigen Verhalten wahrscheinlich nicht zur weiteren Degradierung der Savannenvegetation beitragen. Die vierte, und mit am bedeutendste Erkenntnis aus meiner Arbeit ist, dass konservative Beweidungsstrategien mit geringen und konstanten Viehdichten notwendig sind um semiaride Savannen dauerhaft in ökologisch und ökonomisch nachhaltiger Weise zu Nutzen. KW - Savanne KW - nachhaltige Landnutzung KW - ökohydrologische Modellierung KW - Land Reform KW - Klimawandel KW - Savanna KW - sustainable land use KW - eco-hydrological modelling KW - land reform KW - climate change Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65069 ER - TY - JOUR A1 - Tekken, Vera A1 - Kropp, Jürgen T1 - Climate-Driven or Human-Induced indicating severe water scarcity in the Moulouya River Basin (Morocco) JF - Water N2 - Many agriculture-based economies are increasingly under stress from climate change and socio-economic pressures. The excessive exploitation of natural resources still represents the standard procedure to achieve socio-economic development. In the area of the Moulouya river basin, Morocco, natural water availability represents a key resource for all economic activities. Agriculture represents the most important sector, and frequently occurring water deficits are aggravated by climate change. On the basis of historical trends taken from CRU TS 2.1, this paper analyses the impact of climate change on the per capita water availability under inclusion of population trends. The Climatic Water Balance (CWB) shows a significant decrease for the winter period, causing adverse effects for the main agricultural season. Further, moisture losses due to increasing evapotranspiration rates indicate problems for the annual water budget and groundwater recharge. The per capita blue water availability falls below a minimum threshold of 500 m(3) per year, denoting a high regional vulnerability to increasing water scarcity assuming a no-response scenario. Regional development focusing on the water-intense sectors of agriculture and tourism appears to be at risk. Institutional capacities and policies need to address the problem, and the prompt implementation of innovative water production and efficiency measures is recommended. KW - North Africa KW - Moulouya river basin KW - climate change KW - population growth KW - regional development KW - water availability KW - water management KW - water scarcity Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.3390/w4040959 SN - 2073-4441 VL - 4 IS - 4 SP - 959 EP - 982 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Schewe, Jacob A1 - Levermann, Anders T1 - A statistically predictive model for future monsoon failure in India JF - Environmental research letters N2 - Indian monsoon rainfall is vital for a large share of the world's population. Both reliably projecting India's future precipitation and unraveling abrupt cessations of monsoon rainfall found in paleorecords require improved understanding of its stability properties. While details of monsoon circulations and the associated rainfall are complex, full-season failure is dominated by large-scale positive feedbacks within the region. Here we find that in a comprehensive climate model, monsoon failure is possible but very rare under pre-industrial conditions, while under future warming it becomes much more frequent. We identify the fundamental intraseasonal feedbacks that are responsible for monsoon failure in the climate model, relate these to observational data, and build a statistically predictive model for such failure. This model provides a simple dynamical explanation for future changes in the frequency distribution of seasonal mean all-Indian rainfall. Forced only by global mean temperature and the strength of the Pacific Walker circulation in spring, it reproduces the trend as well as the multidecadal variability in the mean and skewness of the distribution, as found in the climate model. The approach offers an alternative perspective on large-scale monsoon variability as the result of internal instabilities modulated by pre-seasonal ambient climate conditions. KW - monsoon failure KW - climate change KW - coupled climate model KW - stochastic model KW - non-linear dynamics Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1088/1748-9326/7/4/044023 SN - 1748-9326 VL - 7 IS - 4 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - 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 - 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 - JOUR A1 - Huber, Robert A1 - Rigling, Andreas A1 - Bebi, Peter A1 - Brand, Fridolin Simon A1 - Briner, Simon A1 - Buttler, Alexandre A1 - Elkin, Che A1 - Gillet, Francois A1 - Gret-Regamey, Adrienne A1 - Hirschi, Christian A1 - Lischke, Heike A1 - Scholz, Roland Werner A1 - Seidl, Roman A1 - Spiegelberger, Thomas A1 - Walz, Ariane A1 - Zimmermann, Willi A1 - Bugmann, Harald T1 - Sustainable land use in Mountain Regions under global change synthesis across scales and disciplines JF - Ecology and society : a journal of integrative science for resilience and sustainability N2 - Mountain regions provide essential ecosystem goods and services (EGS) for both mountain dwellers and people living outside these areas. Global change endangers the capacity of mountain ecosystems to provide key services. The Mountland project focused on three case study regions in the Swiss Alps and aimed to propose land-use practices and alternative policy solutions to ensure the provision of key EGS under climate and land-use changes. We summarized and synthesized the results of the project and provide insights into the ecological, socioeconomic, and political processes relevant for analyzing global change impacts on a European mountain region. In Mountland, an integrative approach was applied, combining methods from economics and the political and natural sciences to analyze ecosystem functioning from a holistic human-environment system perspective. In general, surveys, experiments, and model results revealed that climate and socioeconomic changes are likely to increase the vulnerability of the EGS analyzed. We regard the following key characteristics of coupled human-environment systems as central to our case study areas in mountain regions: thresholds, heterogeneity, trade-offs, and feedback. Our results suggest that the institutional framework should be strengthened in a way that better addresses these characteristics, allowing for (1) more integrative approaches, (2) a more network-oriented management and steering of political processes that integrate local stakeholders, and (3) enhanced capacity building to decrease the identified vulnerability as central elements in the policy process. Further, to maintain and support the future provision of EGS in mountain regions, policy making should also focus on project-oriented, cross-sectoral policies and spatial planning as a coordination instrument for land use in general. KW - adaptive management KW - climate change KW - ecosystem services KW - experiments KW - interdisciplinary research KW - land-use change KW - modeling KW - transdisciplinary research Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.5751/ES-05499-180336 SN - 1708-3087 VL - 18 IS - 3 PB - Resilience Alliance CY - Wolfville ER - TY - JOUR A1 - Sarmento, Juliano Sarmento A1 - Jeltsch, Florian A1 - Thuiller, Wilfried A1 - Higgins, Steven A1 - Midgley, Guy F. A1 - Rebelo, Anthony G. A1 - Rouget, Mathieu A1 - Schurr, Frank Martin T1 - Impacts of past habitat loss and future climate change on the range dynamics of South African Proteaceae JF - Diversity & distributions : a journal of biological invasions and biodiversity N2 - Aim To assess how habitat loss and climate change interact in affecting the range dynamics of species and to quantify how predicted range dynamics depend on demographic properties of species and the severity of environmental change. Location South African Cape Floristic Region. Methods We use data-driven demographic models to assess the impacts of past habitat loss and future climate change on range size, range filing and abundances of eight species of woody plants (Proteaceae). The species-specific models employ a hybrid approach that simulates population dynamics and long-distance dispersal on top of expected spatio-temporal dynamics of suitable habitat. Results Climate change was mainly predicted to reduce range size and range filling (because of a combination of strong habitat shifts with low migration ability). In contrast, habitat loss mostly decreased mean local abundance. For most species and response measures, the combination of habitat loss and climate change had the most severe effect. Yet, this combined effect was mostly smaller than expected from adding or multiplying effects of the individual environmental drivers. This seems to be because climate change shifts suitable habitats to regions less affected by habitat loss. Interspecific variation in range size responses depended mostly on the severity of environmental change, whereas responses in range filling and local abundance depended mostly on demographic properties of species. While most surviving populations concentrated in areas that remain climatically suitable, refugia for multiple species were overestimated by simply overlying habitat models and ignoring demography. Main conclusions Demographic models of range dynamics can simultaneously predict the response of range size, abundance and range filling to multiple drivers of environmental change. Demographic knowledge is particularly needed to predict abundance responses and to identify areas that can serve as biodiversity refugia under climate change. These findings highlight the need for data-driven, demographic assessments in conservation biogeography. KW - biodiversity refugia KW - CFR Proteaceae KW - climate change KW - demographic properties KW - habitat loss KW - local abundances KW - process-based range models KW - range filling KW - range size KW - species distribution models Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1111/ddi.12011 SN - 1366-9516 VL - 19 IS - 4 SP - 363 EP - 376 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Wasof, Safaa A1 - Lenoir, Jonathan A1 - Gallet-Moron, Emilie A1 - Jamoneau, Aurelien A1 - Brunet, Jörg A1 - Cousins, Sara A. O. A1 - De Frenne, Pieter A1 - Diekmann, Martin A1 - Hermy, Martin A1 - Kolb, Annette A1 - Liira, Jaan A1 - Verheyen, Kris A1 - Wulf, Monika A1 - Decocq, Guillaume T1 - Ecological niche shifts of understorey plants along a latitudinal gradient of temperate forests in north-western Europe JF - Global ecology and biogeography : a journal of macroecology N2 - Aim In response to environmental changes and to avoid extinction, species may either track suitable environmental conditions or adapt to the modified environment. However, whether and how species adapt to environmental changes remains unclear. By focusing on the realized niche (i.e. the actual space that a species inhabits and the resources it can access as a result of limiting biotic factors present in its habitat), we here examine shifts in the realized-niche width (i.e. ecological amplitude) and position (i.e. ecological optimum) of 26 common and widespread forest understorey plants across their distributional ranges. Location Temperate forests along a ca. 1800-km-long latitudinal gradient from northern France to central Sweden and Estonia. Methods We derived species' realized-niche width from a -diversity metric, which increases if the focal species co-occurs with more species. Based on the concept that species' scores in a detrended correspondence analysis (DCA) represent the locations of their realized-niche positions, we developed a novel approach to run species-specific DCAs allowing the focal species to shift its realized-niche position along the studied latitudinal gradient while the realized-niche positions of other species were held constant. Results None of the 26 species maintained both their realized-niche width and position along the latitudinal gradient. Few species (9 of 26: 35%) shifted their realized-niche width, but all shifted their realized-niche position. With increasing latitude, most species (22 of 26: 85%) shifted their realized-niche position for soil nutrients and pH towards nutrient-poorer and more acidic soils. Main conclusions Forest understorey plants shifted their realized niche along the latitudinal gradient, suggesting local adaptation and/or plasticity. This macroecological pattern casts doubt on the idea that the realized niche is stable in space and time, which is a key assumption of species distribution models used to predict the future of biodiversity, hence raising concern about predicted extinction rates. KW - Beta diversity KW - climate change KW - detrended correspondence analyses KW - Ellenberg indicator values KW - forest understorey plant species KW - niche optimum KW - niche width KW - plant community KW - realized niche Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1111/geb.12073 SN - 1466-822X VL - 22 IS - 10 SP - 1130 EP - 1140 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - De Frenne, Pieter A1 - Rodriguez-Sanchez, Francisco A1 - Coomes, David Anthony A1 - Bäten, Lander A1 - Versträten, Gorik A1 - Vellend, Mark A1 - Bernhardt-Römermann, Markus A1 - Brown, Carissa D. A1 - Brunet, Jörg A1 - Cornelis, Johnny A1 - Decocq, Guillaume M. A1 - Dierschke, Hartmut A1 - Eriksson, Ove A1 - Gilliam, Frank S. A1 - Hedl, Radim A1 - Heinken, Thilo A1 - Hermy, Martin A1 - Hommel, Patrick A1 - Jenkins, Michael A. A1 - Kelly, Daniel L. A1 - Kirby, Keith J. A1 - Mitchell, Fraser J. G. A1 - Naaf, Tobias A1 - Newman, Miles A1 - Peterken, George A1 - Petrik, Petr A1 - Schultz, Jan A1 - Sonnier, Gregory A1 - Van Calster, Hans A1 - Waller, Donald M. A1 - Walther, Gian-Reto A1 - White, Peter S. A1 - Woods, Kerry D. A1 - Wulf, Monika A1 - Graae, Bente Jessen A1 - Verheyen, Kris T1 - Microclimate moderates plant responses to macroclimate warming JF - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America N2 - Recent global warming is acting across marine, freshwater, and terrestrial ecosystems to favor species adapted to warmer conditions and/or reduce the abundance of cold-adapted organisms (i.e., "thermophilization" of communities). Lack of community responses to increased temperature, however, has also been reported for several taxa and regions, suggesting that "climatic lags" may be frequent. Here we show that microclimatic effects brought about by forest canopy closure can buffer biotic responses to macroclimate warming, thus explaining an apparent climatic lag. Using data from 1,409 vegetation plots in European and North American temperate forests, each surveyed at least twice over an interval of 12-67 y, we document significant thermophilization of ground-layer plant communities. These changes reflect concurrent declines in species adapted to cooler conditions and increases in species adapted to warmer conditions. However, thermophilization, particularly the increase of warm-adapted species, is attenuated in forests whose canopies have become denser, probably reflecting cooler growing-season ground temperatures via increased shading. As standing stocks of trees have increased in many temperate forests in recent decades, local microclimatic effects may commonly be moderating the impacts of macroclimate warming on forest understories. Conversely, increases in harvesting woody biomass-e.g., for bioenergy-may open forest canopies and accelerate thermophilization of temperate forest biodiversity. KW - climate change KW - forest management KW - understory KW - climatic debt KW - range shifts Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1073/pnas.1311190110 SN - 0027-8424 VL - 110 IS - 46 SP - 18561 EP - 18565 PB - National Acad. of Sciences CY - Washington 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 - TY - JOUR A1 - Levermann, Anders A1 - Clark, Peter U. A1 - Marzeion, Ben A1 - Milne, Glenn A. A1 - Pollard, David A1 - Radic, Valentina A1 - Robinson, Alexander T1 - The multimillennial sea-level commitment of global warming JF - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America N2 - Global mean sea level has been steadily rising over the last century, is projected to increase by the end of this century, and will continue to rise beyond the year 2100 unless the current global mean temperature trend is reversed. Inertia in the climate and global carbon system, however, causes the global mean temperature to decline slowly even after greenhouse gas emissions have ceased, raising the question of how much sea-level commitment is expected for different levels of global mean temperature increase above preindustrial levels. Although sea-level rise over the last century has been dominated by ocean warming and loss of glaciers, the sensitivity suggested from records of past sea levels indicates important contributions should also be expected from the Greenland and Antarctic Ice Sheets. Uncertainties in the paleo-reconstructions, however, necessitate additional strategies to better constrain the sea-level commitment. Here we combine paleo-evidence with simulations from physical models to estimate the future sea-level commitment on a multimillennial time scale and compute associated regional sea-level patterns. Oceanic thermal expansion and the Antarctic Ice Sheet contribute quasi-linearly, with 0.4 m degrees C-1 and 1.2 m degrees C-1 of warming, respectively. The saturation of the contribution from glaciers is overcompensated by the nonlinear response of the Greenland Ice Sheet. As a consequence we are committed to a sea-level rise of approximately 2.3 m degrees C-1 within the next 2,000 y. Considering the lifetime of anthropogenic greenhouse gases, this imposes the need for fundamental adaptation strategies on multicentennial time scales. KW - climate change KW - climate impacts KW - sea-level change Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1073/pnas.1219414110 SN - 0027-8424 VL - 110 IS - 34 SP - 13745 EP - 13750 PB - National Acad. of Sciences CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Lischke, Betty A1 - Hilt, Sabine A1 - Janse, Jan H. A1 - Kuiper, Jan J. A1 - Mehner, Thomas A1 - Mooij, Wolf M. A1 - Gaedke, Ursula T1 - Enhanced input of terrestrial particulate organic matter reduces the resilience of the clear-water state of shallow lakes: A model study JF - Ecosystems N2 - The amount of terrestrial particulate organic matter (t-POM) entering lakes is predicted to increase as a result of climate change. This may especially alter the structure and functioning of ecosystems in small, shallow lakes which can rapidly shift from a clear-water, macrophyte-dominated into a turbid, phytoplankton-dominated state. We used the integrative ecosystem model PCLake to predict how rising t-POM inputs affect the resilience of the clear-water state. PCLake links a pelagic and benthic food chain with abiotic components by a number of direct and indirect effects. We focused on three pathways (zoobenthos, zooplankton, light availability) by which elevated t-POM inputs (with and without additional nutrients) may modify the critical nutrient loading thresholds at which a clear-water lake becomes turbid and vice versa. Our model results show that (1) increased zoobenthos biomass due to the enhanced food availability results in more benthivorous fish which reduce light availability due to bioturbation, (2) zooplankton biomass does not change, but suspended t-POM reduces the consumption of autochthonous particulate organic matter which increases the turbidity, and (3) the suspended t-POM reduces the light availability for submerged macrophytes. Therefore, light availability is the key process that is indirectly or directly changed by t-POM input. This strikingly resembles the deteriorating effect of terrestrial dissolved organic matter on the light climate of lakes. In all scenarios, the resilience of the clear-water state is reduced thus making the turbid state more likely at a given nutrient loading. Therefore, our study suggests that rising t-POM input can add to the effects of climate warming making reductions in nutrient loadings even more urgent. KW - climate change KW - PCLake KW - bistability KW - alternative stable states KW - critical nutrient loading KW - ecosystem modeling KW - allochthony KW - t-POM Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1007/s10021-014-9747-7 SN - 1432-9840 SN - 1435-0629 VL - 17 IS - 4 SP - 616 EP - 626 PB - Springer CY - New York ER - TY - THES A1 - Strauß, Jens T1 - Organic carbon in ice-rich permafrost T1 - Organischer Kohlenstoff in eisreichen Permafrostablagerungen BT - characteristics, quantity, and availability BT - stoffliche Charakteristik, Bilanzierung und Verfügbarkeit N2 - Permafrost, defined as ground that is frozen for at least two consecutive years, is a distinct feature of the terrestrial unglaciated Arctic. It covers approximately one quarter of the land area of the Northern Hemisphere (23,000,000 km²). Arctic landscapes, especially those underlain by permafrost, are threatened by climate warming and may degrade in different ways, including active layer deepening, thermal erosion, and development of rapid thaw features. In Siberian and Alaskan late Pleistocene ice-rich Yedoma permafrost, rapid and deep thaw processes (called thermokarst) can mobilize deep organic carbon (below 3 m depth) by surface subsidence due to loss of ground ice. Increased permafrost thaw could cause a feedback loop of global significance if its stored frozen organic carbon is reintroduced into the active carbon cycle as greenhouse gases, which accelerate warming and inducing more permafrost thaw and carbon release. To assess this concern, the major objective of the thesis was to enhance the understanding of the origin of Yedoma as well as to assess the associated organic carbon pool size and carbon quality (concerning degradability). The key research questions were: - How did Yedoma deposits accumulate? - How much organic carbon is stored in the Yedoma region? - What is the susceptibility of the Yedoma region's carbon for future decomposition? To address these three research questions, an interdisciplinary approach, including detailed field studies and sampling in Siberia and Alaska as well as methods of sedimentology, organic biogeochemistry, remote sensing, statistical analyses, and computational modeling were applied. To provide a panarctic context, this thesis additionally includes results both from a newly compiled northern circumpolar carbon database and from a model assessment of carbon fluxes in a warming Arctic. The Yedoma samples show a homogeneous grain-size composition. All samples were poorly sorted with a multi-modal grain-size distribution, indicating various (re-) transport processes. This contradicts the popular pure loess deposition hypothesis for the origin of Yedoma permafrost. The absence of large-scale grinding processes via glaciers and ice sheets in northeast Siberian lowlands, processes which are necessary to create loess as material source, suggests the polygenetic origin of Yedoma deposits. Based on the largest available data set of the key parameters, including organic carbon content, bulk density, ground ice content, and deposit volume (thickness and coverage) from Siberian and Alaskan study sites, this thesis further shows that deep frozen organic carbon in the Yedoma region consists of two distinct major reservoirs, Yedoma deposits and thermokarst deposits (formed in thaw-lake basins). Yedoma deposits contain ~80 Gt and thermokarst deposits ~130 Gt organic carbon, or a total of ~210 Gt. Depending on the approach used for calculating uncertainty, the range for the total Yedoma region carbon store is ±75 % and ±20 % for conservative single and multiple bootstrapping calculations, respectively. Despite the fact that these findings reduce the Yedoma region carbon pool by nearly a factor of two compared to previous estimates, this frozen organic carbon is still capable of inducing a permafrost carbon feedback to climate warming. The complete northern circumpolar permafrost region contains between 1100 and 1500 Gt organic carbon, of which ~60 % is perennially frozen and decoupled from the short-term carbon cycle. When thawed and reintroduced into the active carbon cycle, the organic matter qualities become relevant. Furthermore, results from investigations into Yedoma and thermokarst organic matter quality studies showed that Yedoma and thermokarst organic matter exhibit no depth-dependent quality trend. This is evidence that after freezing, the ancient organic matter is preserved in a state of constant quality. The applied alkane and fatty-acid-based biomarker proxies including the carbon-preference and the higher-land-plant-fatty-acid indices show a broad range of organic matter quality and thus no significantly different qualities of the organic matter stored in thermokarst deposits compared to Yedoma deposits. This lack of quality differences shows that the organic matter biodegradability depends on different decomposition trajectories and the previous decomposition/incorporation history. Finally, the fate of the organic matter has been assessed by implementing deep carbon pools and thermokarst processes in a permafrost carbon model. Under various warming scenarios for the northern circumpolar permafrost region, model results show a carbon release from permafrost regions of up to ~140 Gt and ~310 Gt by the years 2100 and 2300, respectively. The additional warming caused by the carbon release from newly-thawed permafrost contributes 0.03 to 0.14°C by the year 2100. The model simulations predict that a further increase by the 23rd century will add 0.4°C to global mean surface air temperatures. In conclusion, Yedoma deposit formation during the late Pleistocene was dominated by water-related (alluvial/fluvial/lacustrine) as well as aeolian processes under periglacial conditions. The circumarctic permafrost region, including the Yedoma region, contains a substantial amount of currently frozen organic carbon. The carbon of the Yedoma region is well-preserved and therefore available for decomposition after thaw. A missing quality-depth trend shows that permafrost preserves the quality of ancient organic matter. When the organic matter is mobilized by deep degradation processes, the northern permafrost region may add up to 0.4°C to the global warming by the year 2300. N2 - Permafrost, definiert als mehr als zwei aufeinander folgende Jahre gefrorenes Bodenmaterial, ist eines der prägenden Merkmale der unvergletscherten arktischen Landgebiete. Verursacht durch extrem kalte Wintertemperaturen und geringe Schneebedeckung nimmt das Permafrost-Verbreitungsgebiet mit ~23.000.000 km² rund ein Viertel der Landfläche der Nordhemisphäre ein. Von Permafrost unterlagerte arktische Landschaften sind besonders anfällig hinsichtlich einer Erwärmung des Klimas. Verglichen mit der globalen Mitteltemperatur prognostizieren Klimamodelle für die Arktis einen doppelt so starken Anstieg der Temperatur. In einer sich erwärmenden Arktis bewirken Störungen des thermisch-hydrologischen Gleichgewichts eine Degradation von Permafrost und Veränderungen des Oberflächenreliefs. Diese Störungen können zum Beispiel zu einer Vertiefung der saisonalen Auftauschicht, zu thermisch bedingter Erosion sowie zu schneller Oberflächenabsenkung und Thermokarst führen. Im Verbreitungsgebiet der spätpleistozänen eisreichen Permafrost-Ablagerungen Sibiriens und Alaskas, bezeichnet als Yedoma, können Thermokarstprozesse auch mehr als 3 m tiefe organischen Kohlenstoffspeicher verfügbar machen, wenn durch schmelzendes Grundeis und Schmelzwasserdrainage die Oberfläche abgesenkt wird. So kann das Tauen von Permafrost eine globale Bedeutung entwickeln, indem vorher eingefrorener Kohlenstoff wieder dem aktiven Kohlenstoffkreislauf zugeführt wird. Dies kann durch Treibhausgasfreisetzung aus Permafrost zu einer sich selbst verstärkenden weiteren Erwärmung und somit zu fortschreitendem Tauen mit weiterer Kohlenstofffreisetzung führen. Diesen Prozess nennt man Permafrost-Kohlenstoff Rückkopplung. Um das Verständnis der Permafrostkohlenstoffdynamik grundlegend zu verbessern, wurde in dieser Doktorarbeit die Entstehung der Yedoma-Ablagerungen eingeschlossen des darin - Wie wurden die Yedoma-Sedimente abgelagert? - Wie viel Kohlenstoff ist in der Yedoma Region gespeichert? - Wie ist die Anfälligkeit dieses Kohlenstoffs für eine Degradation in der Zukunft? Um die oben genannten drei Forschungsfragen zu beantworten, wurde ein interdisziplinärer Forschungsansatz gewählt. In Sibirien und Alaska wurden detaillierte Felduntersuchungen durchgeführt und Methoden der Sedimentologie, der organischen Biogeochemie, der Fernerkundung sowie der statistischen Analyse und computergestützten Modellierung angewendet. Um diese Ergebnisse in den panarktische Kontext zu setzen, enthält diese Doktorarbeit ebenfalls Ergebnisse einer Studie, welche auf Grundlage einer neu zusammengestellten Datenbank den gesamten Kohlenstoff des arktischen Permafrosts abschätzt. Eine Modellierungsstudie ergänzt die Arbeit bezüglich einer Abschätzung der Kohlenstoffflüsse der Permafrostregion und deren Einfluss auf die globale Erwärmung. Die Ergebnisse zur Yedoma-Entstehung zeigen, dass die Korngrößenverteilungen dieser Ablagerungen, tiefenabhängig betrachtet, sehr homogen sind. Alle gemessenen Korngrößenverteilungen sind schlecht sortiert. Dies deutet auf eine Vielzahl von Transportprozessen hin und widerspricht der populären Hypothese einer reinen Löß-Ablagerung. Interpretiert im Kontext mit der Abwesenheit von Gletschern sowie Eisschilden, als Ausgangsgebiete von Löß-Ablagerungen, in den sibirischen Tiefländern des Spätpleistozäns, zeigt diese Arbeit, dass Yedoma-Ablagerungen polygenetischen Ursprungs sind. Basierend auf dem größten verfügbaren Datensatz der Schlüsselparameter Kohlenstoffgehalt, Lagerungsdichte, Grundeis und Volumen der Ablagerungen von über 20 Untersuchungsgebieten in Sibirien und Alaska zeigt diese Arbeit mit Yedoma- und Thermokarstablagerungen zwei wesentliche Kohlenstoffspeicher der Yedoma Region auf. Yedoma-Ablagerungen enthalten ~80 Gt und Thermokarstablagerungen ~130 Gt organischen Kohlenstoffs, was einer Gesamtmenge von ~210 Gt organischen Kohlenstoffs entspricht. Abhängig vom gewählten Ansatz der Fehlerberechnung liegt der Unsicherheitsbereich dieser Quantitätsabschätzung bei ±75 % (einfaches Bootstrapping) oder ±20 % (wiederholtes Bootstrapping). Obwohl diese Zahlen die bisherigen Berechnungen des Yedoma-Region-Kohlenstoffspeichers vorhergehender Studien halbieren, stellen 210 Gt organischen Kohlenstoffs noch immer einen großen Kohlenstoffspeicher dar, der eine positive Rückkopplung zur globalen Klimaerwärmung bewirken könnte. Die gesamte Permafrostregion beinhaltet zwischen 1100 und 1500 Gt Kohlenstoff, wovon ~60 % dauerhaft gefroren und somit dem derzeitigen Kohlenstoffkreislauf entzogen sind. Wenn dieser Kohlenstoff freigesetzt wird, ist ein weiterer Faktor, die Kohlenstoffqualität, relevant. Die Untersuchungen zur Kohlenstoffqualität zeigen keinen tiefenabhängigen Trend in Yedoma- und Thermokarstablagerungen. Dies belegt, dass nach dem Einfrieren die fossile organische Substanz konserviert wurde. Die genutzten Biomarkerdaten, z.B. der 'carbon preference' Index und der 'higher land plant fatty acid' Index zeigen sowohl für Yedoma- als auch für Thermokarstablagerungen keine signifikanten Unterschiede der Kohlenstoffqualität. Das bedeutet, dass der Kohlenstoffabbau nach dem Auftauen von unterschiedlichen Faktoren abhängig ist. Dazu gehören verschiedene Abbauwege oder schon vor dem Einfrieren geschehener Abbau. Um die Bedeutung des aufgetauten Kohlenstoffs abzuschätzen, wurden Thermokarstprozesse in ein Permafrost-Kohlenstoff-Modell einbezogen. Unter Berücksichtigung verschiedener Erwärmungsszenarien könnte die zirkumarktische Permafrostregion bis zum Jahr 2100 ~140 Gt Kohlenstoff und bis 2300 ~310 Gt in die Atmosphäre freisetzen. Dies entspricht einer Erwärmung der mittleren globalen Oberflächentemperatur von ~0,03 bis ~0,14°C bis 2100 und bis zu ~0,4°C bis 2300. Zusammenfassend stellt diese Dissertation heraus, dass die Yedoma-Ablagerungen während des Spätpleistozäns durch eine Kombination verschiedener aquatischer (alluviale, fluviale, lakustrine) sowie äolische Prozesse entstanden sind. Die zirkumarktische Region, inklusive der Yedoma Region, beinhaltet eine erhebliche Menge an derzeit eingefrorenem organischen Kohlenstoffs. Dieser Kohlenstoff ist gut erhalten und damit nach dem Auftauen für den mikrobiellen Abbau verfügbar. Eine fehlende Tiefenabhängigkeit der Kohlenstoffqualität zeigt, dass Permafrost die Qualität zum Einfrierzeitpunkt bewahrt. Wenn auch der tiefliegende organische Kohlenstoff durch Thermokarstprozesse verfügbar gemacht wird, kann die Permafrostregion bis zum Jahr 2300 bis zu 0,4°C zur mittleren globalen Oberflächentemperatur beitragen. KW - permafrost KW - Arctic KW - climate change KW - vulnerability KW - Dauerfrostboden KW - Arktis KW - Klimawandel KW - Vulnerabilität Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-75236 ER - TY - JOUR A1 - Lehmann, Jascha A1 - Coumou, Dim A1 - Frieler, Katja A1 - Eliseev, Alexey V. A1 - Levermann, Anders T1 - Future changes in extratropical storm tracks and baroclinicity under climate change JF - Environmental research letters N2 - The weather in Eurasia, Australia, and North and South America is largely controlled by the strength and position of extratropical storm tracks. Future climate change will likely affect these storm tracks and the associated transport of energy, momentum, and water vapour. Many recent studies have analyzed how storm tracks will change under climate change, and how these changes are related to atmospheric dynamics. However, there are still discrepancies between different studies on how storm tracks will change under future climate scenarios. Here, we show that under global warming the CMIP5 ensemble of coupled climate models projects only little relative changes in vertically averaged mid-latitude mean storm track activity during the northern winter, but agree in projecting a substantial decrease during summer. Seasonal changes in the Southern Hemisphere show the opposite behaviour, with an intensification in winter and no change during summer. These distinct seasonal changes in northern summer and southern winter storm tracks lead to an amplified seasonal cycle in a future climate. Similar changes are seen in the mid-latitude mean Eady growth rate maximum, a measure that combines changes in vertical shear and static stability based on baroclinic instability theory. Regression analysis between changes in the storm tracks and changes in the maximum Eady growth rate reveal that most models agree in a positive association between the two quantities over mid-latitude regions. KW - storm tracks KW - baroclinicity KW - climate change Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1088/1748-9326/9/8/084002 SN - 1748-9326 VL - 9 IS - 8 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - THES A1 - Bittermann, Klaus T1 - Semi-empirical sea-level modelling T1 - Semiempirische Meeresspiegelmodellierung N2 - Semi-empirical sea-level models (SEMs) exploit physically motivated empirical relationships between global sea level and certain drivers, in the following global mean temperature. This model class evolved as a supplement to process-based models (Rahmstorf (2007)) which were unable to fully represent all relevant processes. They thus failed to capture past sea-level change (Rahmstorf et al. (2012)) and were thought likely to underestimate future sea-level rise. Semi-empirical models were found to be a fast and useful tool for exploring the uncertainties in future sea-level rise, consistently giving significantly higher projections than process-based models. In the following different aspects of semi-empirical sea-level modelling have been studied. Models were first validated using various data sets of global sea level and temperature. SEMs were then used on the glacier contribution to sea level, and to infer past global temperature from sea-level data via inverse modelling. Periods studied encompass the instrumental period, covered by tide gauges (starting 1700 CE (Common Era) in Amsterdam) and satellites (first launched in 1992 CE), the era from 1000 BCE (before CE) to present, and the full length of the Holocene (using proxy data). Accordingly different data, model formulations and implementations have been used. It could be shown in Bittermann et al. (2013) that SEMs correctly predict 20th century sea-level when calibrated with data until 1900 CE. SEMs also turned out to give better predictions than the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 4th assessment report (AR4, IPCC (2007)) models, for the period from 1961–2003 CE. With the first multi-proxy reconstruction of global sea-level as input, estimate of the human-induced component of modern sea-level change and projections of future sea-level rise were calculated (Kopp et al. (2016)). It turned out with 90% confidence that more than 40 % of the observed 20th century sea-level rise is indeed anthropogenic. With the new semi-empirical and IPCC (2013) 5th assessment report (AR5) projections the gap between SEM and process-based model projections closes, giving higher credibility to both. Combining all scenarios, from strong mitigation to business as usual, a global sea-level rise of 28–131 cm relative to 2000 CE, is projected with 90% confidence. The decision for a low carbon pathway could halve the expected global sea-level rise by 2100 CE. Present day temperature and thus sea level are driven by the globally acting greenhouse-gas forcing. Unlike that, the Milankovich forcing, acting on Holocene timescales, results mainly in a northern-hemisphere temperature change. Therefore a semi-empirical model can be driven with northernhemisphere temperatures, which makes it possible to model the main subcomponent of sea-level change over this period. It showed that an additional positive constant rate of the order of the estimated Antarctic sea-level contribution is then required to explain the sea-level evolution over the Holocene. Thus the global sea level, following the climatic optimum, can be interpreted as the sum of a temperature induced sea-level drop and a positive long-term contribution, likely an ongoing response to deglaciation coming from Antarctica. N2 - Semiempirische Meeresspiegelmodelle (SEMe) nutzen die physikalisch motivierte, empirische Beziehung des globalen Meeresspiegels zu einem bestimmten Antrieb. Im Folgenden ist das die mittlere globale Temperatur. Diese Modellklasse entstand als Ergänzung zu prozeßbasierten Modellen, die nicht alle relevanten Prozesse abbilden konnten (Rahmstorf (2007)) und die deshalb weder den beobachteten Meeresspiegel erklären konnten (Rahmstorf et al. (2012)) noch vertrauenswürdige Zukunftsprojektionen lieferten. Semiempirische Modelle sind eine gute und schnelle Option, die Unsicherheit im zukünftigen Meeresspiegelanstieg auszuloten, wobei sie konsistent höhere Zukunftsprojektionen lieferten als prozeßbasierte Modelle. Im Folgenden wurden verschiedene Aspekte der semiempirischen Meeresspiegelmodellierung untersucht. Modelle wurden erst mit verschiedenen globalen Temperatur- und Meeresspiegeldatensätzen validiert. SEMe wurden dann auf den Meeresspiegelbeitrag von Gletschern angewandt und genutzt, um die globale Temperatur aus Meeresspiegeldaten abzuleiten. Die untersuchten Zeiträume variieren zwischen dem instrumentellen Abschnitt mit Pegelstandsmessungen (seit dem Jahr 1700 in Amsterdam) und Satellitendaten (seit 1992), dem Zeitraum seit 1000 vor Christus und dem gesamten Holozän (mittels Proxydaten). Entsprechend wurden verschiedene Daten, Modellformulierungen und -implementationen benutzt. Es konnte in Bittermann et al. (2013) gezeigt werden, dass SEMe den beobachteten Meeresspiegel des 20sten Jahrhunderts korrekt vorhersagen können, wenn sie bis zum Jahr 1900 kalibriert wurden. Auch für den Zeitraum 1961 bis 2003 lieferten SEMe bessere Vorhersagen als der vierte Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (AR4, IPCC (2007)). Mit der ersten globalen multi-proxy Rekonstruktion des globalen Meeresspiegels als Input konnten sowohl der anthropogene Anteil des modernen Meeresspiegelanstiegs als auch Zukunftsprojektionen berechnet werden (Kopp et al. (2016)). Es zeigt sich mit 90% Sicherheit, dass mehr als 40 % des beobachteten Meeresspiegelanstiegs im 20sten Jahrhundert anthropogenen Ursprungs sind. Mit den neuen semiempirischen Zukunftsprojektionen und denen des fünften Sachstandsberichtes (AR5) des IPCC (2013) läßt sich die Kluft zwischen SEMen und prozeßbasierten Modellen schließen, was beide vertrauenswürdiger macht. Über alle Szenarien hinweg, von starker Treibhausgaseinsparung bis zum ungebremsten Ausstoß, ergibt sich, mit 90% Sicherheit, zwischen 2000 und 2100 ein Meeresspiegelanstieg von 28 bis 131 cm. Die Entscheidung starker Treibhausgaseinsparungen kann den erwarteten globalen Meeresspiegelanstieg im Jahr 2100 halbieren. Die gegenwärtige globale Temperatur, und damit der globale Meeresspiegel, werden von dem global wirkenden Treibhausgasforcing bestimmt. Im Gegensatz dazu wirkt das orbitale Forcing, welches über Holozän-Zeitskalen dominiert, hauptsächlich auf die Nordhemisphäre. Deshalb kann man ein SEM mit Nordhemisphärentemperaturen antreiben und dadurch die Hauptkomponente der Meeresspiegeländerung über das Holozän simulieren. Es stellte sich heraus, dass eine zusätzliche konstante Rate, von der Größenordnung des antarktischen Beitrags zum Meeresspiegel, nötig ist, um den Meeresspiegelverlauf des Holozäns zu erklären. Der Meeresspiegel seit dem Holozän-Klimaoptimum kann also als eine Summe von temperaturbedingtem Fallen und einem langfristigen positiven Beitrag, wahrscheinlich einer andauernden Reaktion auf die Deglaziation der Antarktis, interpretiert werden. KW - sea level KW - Meeresspiegel KW - climate change KW - Klimawandel KW - projections KW - Projektionen KW - anthropogenic sea level KW - anthropogener Meeresspiegel KW - Holocene KW - Holozän KW - semi-empirical models KW - semiempirische Modelle Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93881 ER - TY - GEN A1 - Alter, S. Elizabeth A1 - Meyer, Matthias A1 - Post, Klaas A1 - Czechowski, Paul A1 - Gravlund, Peter A1 - Gaines, Cork A1 - Rosenbaum, Howard C. A1 - Kaschner, Kristin A1 - Turvey, Samuel T. A1 - van der Plicht, Johannes A1 - Shapiro, Beth A1 - Hofreiter, Michael T1 - Climate impacts on transocean dispersal and habitat in gray whales from the Pleistocene to 2100 T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Arctic animals face dramatic habitat alteration due to ongoing climate change. Understanding how such species have responded to past glacial cycles can help us forecast their response to today's changing climate. Gray whales are among those marine species likely to be strongly affected by Arctic climate change, but a thorough analysis of past climate impacts on this species has been complicated by lack of information about an extinct population in the Atlantic. While little is known about the history of Atlantic gray whales or their relationship to the extant Pacific population, the extirpation of the Atlantic population during historical times has been attributed to whaling. We used a combination of ancient and modern DNA, radiocarbon dating and predictive habitat modelling to better understand the distribution of gray whales during the Pleistocene and Holocene. Our results reveal that dispersal between the Pacific and Atlantic was climate dependent and occurred both during the Pleistocene prior to the last glacial period and the early Holocene immediately following the opening of the Bering Strait. Genetic diversity in the Atlantic declined over an extended interval that predates the period of intensive commercial whaling, indicating this decline may have been precipitated by Holocene climate or other ecological causes. These first genetic data for Atlantic gray whales, particularly when combined with predictive habitat models for the year 2100, suggest that two recent sightings of gray whales in the Atlantic may represent the beginning of the expansion of this species' habitat beyond its currently realized range. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 965 KW - ancient DNA KW - climate change KW - last glacial maximum KW - marine mammal Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-438920 SN - 1866-8372 IS - 965 SP - 1510 EP - 1522 ER - TY - JOUR A1 - Seifert, Linda I. A1 - Weithoff, Guntram A1 - Vos, Matthijs T1 - Extreme heat changes post-heat wave community reassembly JF - Ecology and evolution N2 - Climate forecasts project further increases in extremely high-temperature events. These present threats to biodiversity, as they promote population declines and local species extinctions. This implies that ecological communities will need to rely more strongly on recovery processes, such as recolonization from a meta-community context. It is poorly understood how differences in extreme event intensity change the outcome of subsequent community reassembly and if such extremes modify the biotic environment in ways that would prevent the successful re-establishment of lost species. We studied replicated aquatic communities consisting of algae and herbivorous rotifers in a design that involved a control and two different heat wave intensity treatments (29 degrees C and 39 degrees C). Animal species that suffered heat-induced extinction were subsequently re-introduced at the same time and density, in each of the two treatments. The 39 degrees C treatment led to community closure in all replicates, meaning that a previously successful herbivore species could not re-establish itself in the postheat wave community. In contrast, such closure never occurred after a 29 degrees C event. Heat wave intensity determined the number of herbivore extinctions and strongly affected algal relative abundances. Re-introduced herbivore species were thus confronted with significantly different food environments. This ecological legacy generated by heat wave intensity led to differences in the failure or success of herbivore species re-introductions. Reassembly was significantly more variable, and hence less predictable, after an extreme heat wave, and was more canalized after a moderate one. Our results pertain to relatively simple communities, but they suggest that ecological legacies introduced by extremely high-temperature events may change subsequent ecological recovery and even prevent the successful re-establishment of lost species. Knowing the processes promoting and preventing ecological recovery is crucial to the success of species re-introduction programs and to our ability to restore ecosystems damaged by environmental extremes. KW - Biodiversity KW - climate change KW - conservation KW - ecological restoration KW - extinction KW - extreme temperature events KW - global warming KW - maximum temperature KW - variability Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1002/ece3.1490 SN - 2045-7758 VL - 5 IS - 11 SP - 2140 EP - 2148 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Wiesmeier, Martin A1 - Munro, Sam A1 - Barthold, Frauke Katrin A1 - Steffens, Markus A1 - Schad, Peter A1 - Kögel-Knabner, Ingrid T1 - Carbon storage capacity of semi-arid grassland soils and sequestration potentials in northern China JF - Global change biology N2 - Organic carbon (OC) sequestration in degraded semi-arid environments by improved soil management is assumed to contribute substantially to climate change mitigation. However, information about the soil organic carbon (SOC) sequestration potential in steppe soils and their current saturation status remains unknown. In this study, we estimated the OC storage capacity of semi-arid grassland soils on the basis of remote, natural steppe fragments in northern China. Based on the maximum OC saturation of silt and clay particles <20m, OC sequestration potentials of degraded steppe soils (grazing land, arable land, eroded areas) were estimated. The analysis of natural grassland soils revealed a strong linear regression between the proportion of the fine fraction and its OC content, confirming the importance of silt and clay particles for OC stabilization in steppe soils. This relationship was similar to derived regressions in temperate and tropical soils but on a lower level, probably due to a lower C input and different clay mineralogy. In relation to the estimated OC storage capacity, degraded steppe soils showed a high OC saturation of 78-85% despite massive SOC losses due to unsustainable land use. As a result, the potential of degraded grassland soils to sequester additional OC was generally low. This can be related to a relatively high contribution of labile SOC, which is preferentially lost in the course of soil degradation. Moreover, wind erosion leads to substantial loss of silt and clay particles and consequently results in a direct loss of the ability to stabilize additional OC. Our findings indicate that the SOC loss in semi-arid environments induced by intensive land use is largely irreversible. Observed SOC increases after improved land management mainly result in an accumulation of labile SOC prone to land use/climate changes and therefore cannot be regarded as contribution to long-term OC sequestration. KW - climate change KW - fine fraction KW - soil organic carbon KW - soil texture KW - steppe soils Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1111/gcb.12957 SN - 1354-1013 SN - 1365-2486 VL - 21 IS - 10 SP - 3836 EP - 3845 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Frank, Dorothe A. A1 - Reichstein, Markus A1 - Bahn, Michael A1 - Thonicke, Kirsten A1 - Frank, David A1 - Mahecha, Miguel D. A1 - Smith, Pete A1 - Van der Velde, Marijn A1 - Vicca, Sara A1 - Babst, Flurin A1 - Beer, Christian A1 - Buchmann, Nina A1 - Canadell, Josep G. A1 - Ciais, Philippe A1 - Cramer, Wolfgang A1 - Ibrom, Andreas A1 - Miglietta, Franco A1 - Poulter, Ben A1 - Rammig, Anja A1 - Seneviratne, Sonia I. A1 - Walz, Ariane A1 - Wattenbach, Martin A1 - Zavala, Miguel A. A1 - Zscheischler, Jakob T1 - Effects of climate extremes on the terrestrial carbon cycle: concepts, processes and potential future impacts JF - Global change biology N2 - Extreme droughts, heat waves, frosts, precipitation, wind storms and other climate extremes may impact the structure, composition and functioning of terrestrial ecosystems, and thus carbon cycling and its feedbacks to the climate system. Yet, the interconnected avenues through which climate extremes drive ecological and physiological processes and alter the carbon balance are poorly understood. Here, we review the literature on carbon cycle relevant responses of ecosystems to extreme climatic events. Given that impacts of climate extremes are considered disturbances, we assume the respective general disturbance-induced mechanisms and processes to also operate in an extreme context. The paucity of well-defined studies currently renders a quantitative meta-analysis impossible, but permits us to develop a deductive framework for identifying the main mechanisms (and coupling thereof) through which climate extremes may act on the carbon cycle. We find that ecosystem responses can exceed the duration of the climate impacts via lagged effects on the carbon cycle. The expected regional impacts of future climate extremes will depend on changes in the probability and severity of their occurrence, on the compound effects and timing of different climate extremes, and on the vulnerability of each land-cover type modulated by management. Although processes and sensitivities differ among biomes, based on expert opinion, we expect forests to exhibit the largest net effect of extremes due to their large carbon pools and fluxes, potentially large indirect and lagged impacts, and long recovery time to regain previous stocks. At the global scale, we presume that droughts have the strongest and most widespread effects on terrestrial carbon cycling. Comparing impacts of climate extremes identified via remote sensing vs. ground-based observational case studies reveals that many regions in the (sub-)tropics are understudied. Hence, regional investigations are needed to allow a global upscaling of the impacts of climate extremes on global carbon-climate feedbacks. KW - carbon cycle KW - climate change KW - climate extremes KW - climate variability KW - disturbance KW - terrestrial ecosystems Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1111/gcb.12916 SN - 1354-1013 SN - 1365-2486 VL - 21 IS - 8 SP - 2861 EP - 2880 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Alter, S. Elizabeth A1 - Meyer, Matthias A1 - Post, Klaas A1 - Czechowski, Paul A1 - Gravlund, Peter A1 - Gaines, Cork A1 - Rosenbaum, Howard C. A1 - Kaschner, Kristin A1 - Turvey, Samuel T. A1 - van der Plicht, Johannes A1 - Shapiro, Beth A1 - Hofreiter, Michael T1 - Climate impacts on transocean dispersal and habitat in gray whales from the Pleistocene to 2100 JF - Molecular ecology N2 - Arctic animals face dramatic habitat alteration due to ongoing climate change. Understanding how such species have responded to past glacial cycles can help us forecast their response to today's changing climate. Gray whales are among those marine species likely to be strongly affected by Arctic climate change, but a thorough analysis of past climate impacts on this species has been complicated by lack of information about an extinct population in the Atlantic. While little is known about the history of Atlantic gray whales or their relationship to the extant Pacific population, the extirpation of the Atlantic population during historical times has been attributed to whaling. We used a combination of ancient and modern DNA, radiocarbon dating and predictive habitat modelling to better understand the distribution of gray whales during the Pleistocene and Holocene. Our results reveal that dispersal between the Pacific and Atlantic was climate dependent and occurred both during the Pleistocene prior to the last glacial period and the early Holocene immediately following the opening of the Bering Strait. Genetic diversity in the Atlantic declined over an extended interval that predates the period of intensive commercial whaling, indicating this decline may have been precipitated by Holocene climate or other ecological causes. These first genetic data for Atlantic gray whales, particularly when combined with predictive habitat models for the year 2100, suggest that two recent sightings of gray whales in the Atlantic may represent the beginning of the expansion of this species' habitat beyond its currently realized range. KW - ancient DNA KW - climate change KW - last glacial maximum KW - marine mammal Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1111/mec.13121 SN - 0962-1083 SN - 1365-294X VL - 24 IS - 7 SP - 1510 EP - 1522 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Caron, Maria Mercedes A1 - De Frenne, Pieter A1 - Brunet, J. A1 - Chabrerie, Olivier A1 - Cousins, S. A. O. A1 - De Backer, L. A1 - Decocq, G. A1 - Diekmann, M. A1 - Heinken, Thilo A1 - Kolb, A. A1 - Naaf, T. A1 - Plue, J. A1 - Selvi, Federico A1 - Strimbeck, G. R. A1 - Wulf, Monika A1 - Verheyen, Kris T1 - Interacting effects of warming and drought on regeneration and early growth of Acer pseudoplatanus and A. platanoides JF - Plant biology N2 - Climate change is acting on several aspects of plant life cycles, including the sexual reproductive stage, which is considered amongst the most sensitive life-cycle phases. In temperate forests, it is expected that climate change will lead to a compositional change in community structure due to changes in the dominance of currently more abundant forest tree species. Increasing our understanding of the effects of climate change on currently secondary tree species recruitment is therefore important to better understand and forecast population and community dynamics in forests. Here, we analyse the interactive effects of rising temperatures and soil moisture reduction on germination, seedling survival and early growth of two important secondary European tree species, Acer pseudoplatanus and A.platanoides. Additionally, we analyse the effect of the temperature experienced by the mother tree during seed production by collecting seeds of both species along a 2200-km long latitudinal gradient. For most of the responses, A.platanoides showed higher sensitivity to the treatments applied, and especially to its joint manipulation, which for some variables resulted in additive effects while for others only partial compensation. In both species, germination and survival decreased with rising temperatures and/or soil moisture reduction while early growth decreased with declining soil moisture content. We conclude that although A.platanoides germination and survival were more affected after the applied treatments, its initial higher germination and larger seedlings might allow this species to be relatively more successful than A.pseudoplatanus in the face of climate change. KW - Acer platanoides KW - Acer pseudoplatanus KW - climate change KW - drought KW - reproduction KW - seed KW - temperature Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1111/plb.12177 SN - 1435-8603 SN - 1438-8677 VL - 17 IS - 1 SP - 52 EP - 62 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - THES A1 - Aich, Valentin T1 - Floods in the Niger River Basin in the face of global change T1 - Hochwasser im Niger Einzugsgebiet im Kontext des Globalen Wandels BT - analysis, attribution and projections BT - Analyse, Zuschreibung und Projektionen N2 - In the last decade, the number and dimensions of catastrophic flooding events in the Niger River Basin (NRB) have markedly increased. Despite the devastating impact of the floods on the population and the mainly agriculturally based economy of the riverine nations, awareness of the hazards in policy and science is still low. The urgency of this topic and the existing research deficits are the motivation for the present dissertation. The thesis is an initial detailed assessment of the increasing flood risk in the NRB. The research strategy is based on four questions regarding (1) features of the change in flood risk, (2) reasons for the change in the flood regime, (3) expected changes of the flood regime given climate and land use changes, and (4) recommendations from previous analysis for reducing the flood risk in the NRB. The question examining the features of change in the flood regime is answered by means of statistical analysis. Trend, correlation, changepoint, and variance analyses show that, in addition to the factors exposure and vulnerability, the hazard itself has also increased significantly in the NRB, in accordance with the decadal climate pattern of West Africa. The northern arid and semi-arid parts of the NRB are those most affected by the changes. As potential reasons for the increase in flood magnitudes, climate and land use changes are attributed by means of a hypothesis-testing framework. Two different approaches, based on either data analysis or simulation, lead to similar results, showing that the influence of climatic changes is generally larger compared to that of land use changes. Only in the dry areas of the NRB is the influence of land use changes comparable to that of climatic alterations. Future changes of the flood regime are evaluated using modelling results. First ensembles of statistically and dynamically downscaled climate models based on different emission scenarios are analyzed. The models agree with a distinct increase in temperature. The precipitation signal, however, is not coherent. The climate scenarios are used to drive an eco-hydrological model. The influence of climatic changes on the flood regime is uncertain due to the unclear precipitation signal. Still, in general, higher flood peaks are expected. In a next step, effects of land use changes are integrated into the model. Different scenarios show that regreening might help to reduce flood peaks. In contrast, an expansion of agriculture might enhance the flood peaks in the NRB. Similarly to the analysis of observed changes in the flood regime, the impacts of climate- and land use changes for the future scenarios are also most severe in the dry areas of the NRB. In order to answer the final research question, the results of the above analysis are integrated into a range of recommendations for science and policy on how to reduce flood risk in the NRB. The main recommendations include a stronger consideration of the enormous natural climate variability in the NRB and a focus on so called “no-regret” adaptation strategies which account for high uncertainty, as well as a stronger consideration of regional differences. Regarding the prevention and mitigation of catastrophic flooding, the most vulnerable and sensitive areas in the basin, the arid and semi-arid Sahelian and Sudano-Sahelian regions, should be prioritized. Eventually, an active, science-based and science-guided flood policy is recommended. The enormous population growth in the NRB in connection with the expected deterioration of environmental and climatic conditions is likely to enhance the region´s vulnerability to flooding. A smart and sustainable flood policy can help mitigate these negative impacts of flooding on the development of riverine societies in West Africa. N2 - Während des vergangenen Jahrzehnts nahmen die Anzahl und die Ausmaße von katastrophalen Hochwassern im Einzugsgebiet des Nigerflussess (NEZG) deutlich zu. Trotz der verheerenden Auswirkungen der Hochwasserkatastrophen auf die Menschen und die hauptsächlich auf Landwirtschaft basierende Wirtschaft der Anrainerstaaten wird das Thema von Politik und Wissenschaft noch kaum beachtet. Die vorliegende Dissertation ist die erste ausführliche Analyse des steigenden Hochwasserrisikos im NEZG. Die Forschungsstrategie basiert auf vier Fragen nach (1) der Art der Veränderungen des Hochwasserrisikos, (2) den Ursachen der Veränderungen im Hochwasserregime, (3) den zukünftigen Entwicklungen im Hochwasserregime hinsichtlich der erwartenden Klima- und Landnutzungswandel und (4) den aus den Untersuchungen abgeleiteten Empfehlungen zur Reduzierung des Hochwasserrisikos im NEZG. Die Frage nach den Merkmalen der Veränderungen im Hochwasserrisiko wurde mithilfe von statistischen Untersuchungen beantwortet. Die Analysen zeigen, dass neben den Risikofaktoren Exponiertheit und Verwundbarkeit auch die Hochwasserstände selbst im NEZG in den letzten Jahrzehnten signifikant und entsprechend der typischen dekadischen Klimamuster Westafrikas angestiegen sind. Als potentielle Ursachen des Hochwasseranstiegs werden Klima- und Landnutzungswandel untersucht. Zwei verschiedene Ansätze, basierend auf Daten sowie auf Simulationen, führen zu ähnlichen Ergebnissen und zeigen, dass der Einfluss der Klimaveränderungen im Allgemeinen größer als der des Landnutzungswandels ist. Das zukünftige Hochwasserrisiko wird anhand des öko-hydrologisches Modells SWIM abgeschätzt. Der Einfluss des Klimawandels auf das Hochwasserregime ist auf Grund des problematischen Niederschlagssignals unsicher. Tendenziell werden aber höhere Maximalabflüsse erwartet. Der Effekt der Landnutzungsänderung beeinflusst das Hochwasserverhalten ebenfalls stark, besonders in den trockenen Gebieten. Verschiedene Szenarien zeigen, dass Renaturierung hülfe, Hochwasserspitzen zu kappen. Eine Ausweitung der Agrarflächen dagegen würde die Hochwässer im NEZG weiter verstärken Zentrale Empfehlungen sind eine stärkere Einbeziehung der enorm starken natürlichen Klimavariabilität im NEZG und eine Fokussierung auf sogenannte „no-regret“ Anpassungsstrategien. Dabei sollte den verwundbarsten Regionen des Einzugsgebiets, den ariden und semi-ariden Regionen, Priorität eingeräumt werden. Die enorme Bevölkerungszunahme im NEZG verbunden mit der zu erwartenden Verschlechterung der Umwelt- und Klimabedingungen wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch die Verwundbarkeit bezüglich Hochwässer weiter ansteigen lassen. Eine vernünftige und nachhaltige Hochwasserpolitik kann helfen, die negativen Folgen auf die Entwicklung der Anrainerstaaten des Nigerflusses abzumindern. KW - flood KW - Niger KW - climate change KW - land use change KW - Hochwasser KW - Niger KW - Klimawandel KW - Landnutzungswandel Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-91577 ER - TY - GEN A1 - Battarbee, Richard W. A1 - Lamb, Henry F. A1 - Bennett, Keith A1 - Edwards, Mary A1 - Bjune, Anne E. A1 - Kaland, Peter E. A1 - Berglund, Björn E. A1 - Lotter, André F. A1 - Seppä, Heikki A1 - Willis, Kathy J. A1 - Herzschuh, Ulrike A1 - Birks, Hilary H. T1 - John Birks BT - pioneer in quantitative palaeoecology T2 - The Holocene N2 - We describe the career of John Birks as a pioneering scientist who has, over a career spanning five decades, transformed palaeoecology from a largely descriptive to a rigorous quantitative science relevant to contemporary questions in ecology and environmental change. We review his influence on students and colleagues not only at Cambridge and Bergen Universities, his places of primary employment, but also on individuals and research groups in Europe and North America. We also introduce the collection of papers that we have assembled in his honour. The papers are written by his former students and close colleagues and span many of the areas of palaeoecology to which John himself has made major contributions. These include the relationship between ecology and palaeoecology, late-glacial and Holocene palaeoecology, ecological succession, climate change and vegetation history, the role of palaeoecological techniques in reconstructing and understanding the impact of human activity on terrestrial and freshwater ecosystems and numerical analysis of multivariate palaeoecological data. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 420 KW - climate change KW - ecosystem history KW - Holocene KW - late-glacial KW - numerical data analysis KW - palaeoecology KW - palaeolimnology Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404544 ER - TY - JOUR A1 - Imholt, Christian A1 - Reil, Daniela A1 - Eccard, Jana A1 - Jacob, Daniela A1 - Hempelmann, Nils A1 - Jacob, Jens T1 - Quantifying the past and future impact of climate on outbreak patterns of bank voles (Myodes glareolus) JF - Pest management science N2 - BACKGROUND Central European outbreak populations of the bank vole (Myodes glareolus Schreber) are known to cause damage in forestry and to transmit the most common type of Hantavirus (Puumala virus, PUUV) to humans. A sound estimation of potential effects of future climate scenarios on population dynamics is a prerequisite for long-term management strategies. Historic abundance time series were used to identify the key weather conditions associated with bank vole abundance, and were extrapolated to future climate scenarios to derive potential long-term changes in bank vole abundance dynamics. RESULTS Classification and regression tree analysis revealed the most relevant weather parameters associated with high and low bank vole abundances. Summer temperatures 2 years prior to trapping had the highest impact on abundance fluctuation. Extrapolation of the identified parameters to future climate conditions revealed an increase in years with high vole abundance. CONCLUSION Key weather patterns associated with vole abundance reflect the importance of superabundant food supply through masting to the occurrence of bank vole outbreaks. Owing to changing climate, these outbreaks are predicted potentially to increase in frequency 3-4-fold by the end of this century. This may negatively affect damage patterns in forestry and the risk of human PUUV infection in the long term. (c) 2014 Society of Chemical Industry KW - climate change KW - population dynamics KW - bank vole KW - regression tree KW - outbreak Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1002/ps.3838 SN - 1526-498X SN - 1526-4998 VL - 71 IS - 2 SP - 166 EP - 172 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER -