TY - JOUR A1 - Bürger, Gerd A1 - Heistermann, Maik T1 - Shallow and deep learning of extreme rainfall events from convective atmospheres JF - Natural hazards and earth system sciences : NHESS N2 - Our subject is a new catalogue of radar-based heavy rainfall events (CatRaRE) over Germany and how it relates to the concurrent atmospheric circulation. We classify daily ERA5 fields of convective indices according to CatRaRE, using an array of 13 statistical methods, consisting of 4 conventional (“shallow”) and 9 more recent deep machine learning (DL) algorithms; the classifiers are then applied to corresponding fields of simulated present and future atmospheres from the Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX) project. The inherent uncertainty of the DL results from the stochastic nature of their optimization is addressed by employing an ensemble approach using 20 runs for each network. The shallow random forest method performs best with an equitable threat score (ETS) around 0.52, followed by the DL networks ALL-CNN and ResNet with an ETS near 0.48. Their success can be understood as a result of conceptual simplicity and parametric parsimony, which obviously best fits the relatively simple classification task. It is found that, on summer days, CatRaRE convective atmospheres over Germany occur with a probability of about 0.5. This probability is projected to increase, regardless of method, both in ERA5-reanalyzed and CORDEX-simulated atmospheres: for the historical period we find a centennial increase of about 0.2 and for the future period one of slightly below 0.1. Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.5194/nhess-23-3065-2023 SN - 1561-8633 SN - 1684-9981 VL - 23 IS - 9 SP - 3065 EP - 3077 PB - European Geophysical Society CY - Katlenburg-Lindau ER - TY - JOUR A1 - Heistermann, Maik A1 - Francke, Till A1 - Scheiffele, Lena A1 - Petrova, Katya Dimitrova A1 - Budach, Christian A1 - Schrön, Martin A1 - Trost, Benjamin A1 - Rasche, Daniel A1 - Güntner, Andreas A1 - Doepper, Veronika A1 - Förster, Michael A1 - Köhli, Markus A1 - Angermann, Lisa A1 - Antonoglou, Nikolaos A1 - Zude, Manuela A1 - Oswald, Sascha T1 - Three years of soil moisture observations by a dense cosmic-ray neutron sensing cluster at an agricultural research site in north-east Germany JF - Earth system science data : ESSD N2 - Cosmic-ray neutron sensing (CRNS) allows for the estimation of root-zone soil water content (SWC) at the scale of several hectares. In this paper, we present the data recorded by a dense CRNS network operated from 2019 to 2022 at an agricultural research site in Marquardt, Germany - the first multi-year CRNS cluster. Consisting, at its core, of eight permanently installed CRNS sensors, the cluster was supplemented by a wealth of complementary measurements: data from seven additional temporary CRNS sensors, partly co-located with the permanent ones; 27 SWC profiles (mostly permanent); two groundwater observation wells; meteorological records; and Global Navigation Satellite System reflectometry (GNSS-R). Complementary to these continuous measurements, numerous campaign-based activities provided data by mobile CRNS roving, hyperspectral im-agery via UASs, intensive manual sampling of soil properties (SWC, bulk density, organic matter, texture, soil hydraulic properties), and observations of biomass and snow (cover, depth, and density). The unique temporal coverage of 3 years entails a broad spectrum of hydro-meteorological conditions, including exceptional drought periods and extreme rainfall but also episodes of snow coverage, as well as a dedicated irrigation experiment. Apart from serving to advance CRNS-related retrieval methods, this data set is expected to be useful for vari-ous disciplines, for example, soil and groundwater hydrology, agriculture, or remote sensing. Hence, we show exemplary features of the data set in order to highlight the potential for such subsequent studies. The data are available at doi.org/10.23728/b2share.551095325d74431881185fba1eb09c95 (Heistermann et al., 2022b). Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.5194/essd-15-3243-2023 SN - 1866-3508 SN - 1866-3516 VL - 15 IS - 7 SP - 3243 EP - 3262 PB - Copernics Publications CY - Katlenburg-Lindau ER - TY - THES A1 - Kemper, Tarek T1 - KLIMAGRAR – Neue Methoden der Begleitforschung am Beispiel des klimagerechten Handelns in der Landwirtschaft N2 - In Forschungsprogrammen werden zahlreiche Akteure mit unterschiedlichen Hintergründen und fachlichen Expertisen in Einzel- oder Verbundvorhaben vereint, die jedoch weitestgehend unabhängig voneinander durchgeführt werden. Vor dem Hintergrund, dass gesamtgesellschaftliche Herausforderungen wie die globale Erwärmung zunehmend disziplinübergreifende Lösungsansätze erfordern, sollten Vernetzungs- und Transferprozesse in Forschungsprogrammen stärker in den Fokus rücken. Mit der Implementierung einer Begleitforschung kann dieser Forderung Rechnung getragen werden. Begleitforschung unterscheidet sich in ihrer Herangehensweise und ihrer Zielvorstellung von den „üblichen“ Projekten und kann in unterschiedlichen theoretischen Reinformen auftreten. Verkürzt dargestellt agiert sie entweder (1) inhaltlich komplementär zu den jeweiligen Forschungsprojekten, (2) auf einer Metaebene mit Fokus auf die Prozesse im Forschungsprogramm oder (3) als integrierende, synthetisierende Instanz, für die die Vernetzung der Projekte im Forschungsprogramm sowie der Wissenstransfer von Bedeutung sind. Zwar sind diese Formen analytisch in theoretische Reinformen trennbar, in der Praxis ergibt sich in der Regel jedoch ein Mix aus allen dreien. In diesem Zusammenhang schließt die vorliegende Dissertation als ergänzende Studie an bisherige Ansätze zum methodischen Handwerkszeug der Begleitforschung an und fokussiert auf folgende Fragestellungen: Auf welcher Basis kann die Vernetzung der Akteure in einem Forschungsprogramm durchgeführt werden, um diese effektiv zusammenzubringen? Welche weiteren methodischen Elemente sollten daran ansetzen, um einen Mehrwert zu generieren, der die Summe der Einzelergebnisse des Forschungsprogrammes übersteigt? Von welcher Art kann dann ein solcher Mehrwert sein und welche Rolle spielt dabei die Begleitforschung? Das erste methodische Element bildet die Erhebung und Aufbereitung einer Ausgangsdatenbasis. Durch eine auf semantischer Analyse basierenden Verschlagwortung projektbezogener Texte lässt sich eine umfassende Datenbasis aus den Inhalten der Forschungsprojekte generieren. Die Schlagwörter werden dabei anhand eines kontrollierten Vokabulars in einem Schlagwortkatalog strukturiert. Parallel dazu werden sie wiederum den jeweiligen Projekten zugeordnet, wodurch diese thematische Merkmale erhalten. Um thematische Überschneidungen zwischen Forschungsprojekten sichtbar und interpretierbar zu machen, beinhaltet das zweite Element Ansätze zur Visualisierung. Dazu werden die Informationen in einen Netzwerkgraphen transferiert, der sowohl alle im Forschungsprogramm involvierten Projekte als auch die identifizierten Schlagwörter in Relation zueinander abbilden kann. So kann zum Beispiel sichtbar gemacht werden, welche Forschungsprojekte sich auf Basis ihrer Inhalte „näher“ sind als andere. Genau diese Information wird im dritten methodischen Element als Planungsgrundlage für unterschiedliche Veranstaltungsformate wie Arbeitstagungen oder Transferwerkstätten genutzt. Das vierte methodische Element umfasst die Synthesebildung. Diese gestaltet sich als Prozess über den gesamten Zeitraum der Zusammenarbeit zwischen Begleitforschung und den weiteren Forschungsprojekten hinweg, da in die Synthese unter anderem Zwischen-, Teil- und Endergebnisse der Projekte einfließen, genauso wie Inhalte aus den unterschiedlichen Veranstaltungen. Letztendlich ist dieses vierte Element auch das Mittel, um aus den integrierten und synthetisierten Informationen Handlungsempfehlungen für zukünftige Vorhaben abzuleiten. Die Erarbeitung der methodischen Elemente erfolgte im laufenden Prozess des Begleitforschungsprojektes KlimAgrar, welches der vorliegenden Dissertation als Fallbeispiel dient und dessen Hintergründe in der Thematik Klimaschutz und Klimaanpassung in der Landwirtschaft im Text ausführlich erläutert werden. N2 - Research programs combine numerous actors with diverse backgrounds and scientific expertise in single or joint projects that are to a considerable extent conducted independently and remain largely unrelated. At a time when societal challenges such as global warming require interdisciplinary collaboration and solution-oriented approaches, research programs should strengthen networking and transfer processes. Implementing a project doing accompanying research that has a different set of tasks compared to usual research projects can help address this demand. The work of such a project can be shaped in three theoretical forms: (1) to complement the research projects by filling in content-related gaps, (2) to investigate and assess the ongoing processes within the research program compiling insights for future research design, or (3) to enhance synergies within the community supporting the cooperation between research projects. De facto, hybrid forms of these approaches are used. In this context, the present doctoral thesis is set to enhance the existing methodology of accompanying research focusing on the following research questions: on what basis could the networking process be conducted most effectively? Which additional methodological elements should follow this networking process to reach an additional value that exceeds the sum of single project results? How could this additional value look and what role does the accompanying research project play? The first methodological element comprises the acquisition and processing of the initial data base. A ‘keywording’ process using semantic analysis of project-related texts provides an enormous amount of ‘index terms’ (keywords) that build the basis for networking approaches within this community. To organize these key data, a structured knowledge organization process has been implemented. This type of systematic or ‘controlled’ approach provides a structured subject catalogue. At the same time, these keywords were reassigned to the respective research projects as content-related attributes. Visualizing thematic overlaps between research projects is the essence of the second methodological element. Transferring this information into a network graph allows visualizing all research projects and identified keywords in relation to each other. Such a network graph demonstrates the closeness between research projects based on their topics and reveals thematic clusters that are suitable for joint workshops addressing stakeholders across different disciplines and fields. Based on this, element three comprises the organization and conduct of such workshops and other meeting formats focusing on, for example, transfer processes. The fourth methodological element is synthesis building. The synthesis process is conducted over the entire time of a research program and is used to integrate all kinds of partial, intermediate, or final results of the research projects as well as essential points derived from the different workshop formats. Eventually, this element is the means to frame recommendations with regard to future funding policy and research. This methodological approach has been elaborated during the ongoing processes of the accompanying research project KlimAgrar, which serves as case study in the present doctoral thesis. KlimAgrar’s thematic background in the field of climate action in agriculture is presented comprehensively in this thesis. T2 - KLIMAGRAR – A new methodological approach for accompanying research in the field of climate change mitigation and adaptation in agriculture KW - Begleitforschung KW - Verschlagwortung KW - Vernetzung KW - Landwirtschaft KW - Klimaschutz KW - Klimaanpassung KW - Synthese KW - accompanying research KW - agriculture KW - climate change adaptation KW - climate change mitigation KW - keywording KW - networking KW - synthesis Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601924 ER - TY - JOUR A1 - Rodrigues, Glauber Pontes A1 - Rodrigues, Ítalo Sampaio A1 - Raabe, Armin A1 - Holstein, Peter A1 - De Araujo, Josè Carlos T1 - Direct measurement of open-water evaporation BT - a newly developed sensor applied to a Brazilian tropical reservoir JF - Hydrological sciences journal N2 - This study investigates the sensitivity and uncertainty of evaporation assessment in a tropical reservoir in northeastern Brazil. For this purpose, four approaches were used: Penman, a Dalton-modified equation, a pressure meter and a novel acoustic sensor. The main objective is to evaluate whether sensors can be employed to adequately assess lake evaporation. The sensors were installed in floating pans and the equations are based on variables collected from a raft. The wind-inducted waves in the reservoir often disturbed the measurements using both pressure (uncertainty of +/- 0.6 mm) and acoustic (uncertainty of +/- 0.1 mm) sensors, causing flaws and affecting continuous monitoring. The modified Dalton model, based on data collected with a floating station, estimated values over three-hour courses of evaporation similar to those measured by the pressure meter. These findings are important contributions to an accurate monitoring of water losses through evaporation and reservoir operation, particularly in dry regions. KW - water management KW - sub-daily evaporation KW - direct measurement KW - instrumentation Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1080/02626667.2022.2157278 SN - 0262-6667 SN - 2150-3435 VL - 68 IS - 3 SP - 379 EP - 394 PB - Taylor & Francis CY - Abingdon, Oxon ER - TY - THES A1 - Riebold, Johannes T1 - On the linkage between future Arctic sea ice retreat, the large-scale atmospheric circulation and temperature extremes over Europe T1 - Untersuchung des Zusammenhangs zwischen zukünftigen Arktischen Meereisänderungen, der großskaligen atmosphärischen Zirkulation und Temperaturextremen über Europa N2 - Extreme weather and climate events are one of the greatest dangers for present-day society. Therefore, it is important to provide reliable statements on what changes in extreme events can be expected along with future global climate change. However, the projected overall response to future climate change is generally a result of a complex interplay between individual physical mechanisms originated within the different climate subsystems. Hence, a profound understanding of these individual contributions is required in order to provide meaningful assessments of future changes in extreme events. One aspect of climate change is the recently observed phenomenon of Arctic Amplification and the related dramatic Arctic sea ice decline, which is expected to continue over the next decades. The question to what extent Arctic sea ice loss is able to affect atmospheric dynamics and extreme events over mid-latitudes has received a lot of attention over recent years and still remains a highly debated topic. In this respect, the objective of this thesis is to contribute to a better understanding on the impact of future Arctic sea ice retreat on European temperature extremes and large-scale atmospheric dynamics. The outcomes are based on model data from the atmospheric general circulation model ECHAM6. Two different sea ice sensitivity simulations from the Polar Amplification Intercomparison Project are employed and contrasted to a present day reference experiment: one experiment with prescribed future sea ice loss over the entire Arctic, as well as another one with sea ice reductions only locally prescribed over the Barents-Kara Sea.% prescribed over the entire Arctic, as well as only locally over the Barent/Karasea with a present day reference experiment. The first part of the thesis focuses on how future Arctic sea ice reductions affect large-scale atmospheric dynamics over the Northern Hemisphere in terms of occurrence frequency changes of five preferred Euro-Atlantic circulation regimes. When compared to circulation regimes computed from ERA5 it shows that ECHAM6 is able to realistically simulate the regime structures. Both ECHAM6 sea ice sensitivity experiments exhibit similar regime frequency changes. Consistent with tendencies found in ERA5, a more frequent occurrence of a Scandinavian blocking pattern in midwinter is for instance detected under future sea ice conditions in the sensitivity experiments. Changes in occurrence frequencies of circulation regimes in summer season are however barely detected. After identifying suitable regime storylines for the occurrence of European temperature extremes in winter, the previously detected regime frequency changes are used to quantify dynamically and thermodynamically driven contributions to sea ice-induced changes in European winter temperature extremes. It is for instance shown how the preferred occurrence of a Scandinavian blocking regime under low sea ice conditions dynamically contributes to more frequent midwinter cold extreme occurrences over Central Europe. In addition, a reduced occurrence frequency of a Atlantic trough regime is linked to reduced winter warm extremes over Mid-Europe. Furthermore, it is demonstrated how the overall thermodynamical warming effect due to sea ice loss can result in less (more) frequent winter cold (warm) extremes, and consequently counteracts the dynamically induced changes. Compared to winter season, circulation regimes in summer are less suitable as storylines for the occurrence of summer heat extremes. Therefore, an approach based on circulation analogues is employed in order to quantify thermodyamically and dynamically driven contributions to sea ice-induced changes of summer heat extremes over three different European sectors. Reduced occurrences of blockings over Western Russia are detected in the ECHAM6 sea ice sensitivity experiments; however, arguing for dynamically and thermodynamically induced contributions to changes in summer heat extremes remains rather challenging. N2 - Wetter- und Klimaextreme stellen eine der größten Gefahren für die heutige Gesellschaft dar. Daher ist es essentiell verlässliche Aussagen darüber zu treffen, welche Änderungen solcher Extremereignisse im Zuge des zukünftigen globalen Klimawandels zu erwarten sind. Die projizierten Klimaänderungen, welche mit dem zukünftigen Klimawandel einhergehen, sind jedoch im Allgemeinen das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen von verschiedenen physikalischen und dynamischen Prozessen in den verschiedenen Subsystemen des Klimasystems. Daher ist ein tiefgreifendes Verständnis dieser einzelnen Prozesse erforderlich, um aussagekräftige Einschätzungen für die Zukunft abgeben zu können. Ein Aspekt des globalen Klimawandels über die letzten Dekaden ist das Phänomen der arktischen Verstärkung und der damit verbundene dramatische Rückgang des Arktischen Meereises, welcher sich voraussichtlich in den nächsten Jahrzehnten auch fortsetzen wird. Die Frage, inwieweit der Rückgang des arktischen Meereises die atmosphärische Dynamik sowie Wetter- und Klimaextreme über den mittleren Breiten beeinflussen kann, wurde in den letzten Jahren von einer Vielzahl von Studien adressiert, bleibt jedoch bis zum heutigen Tage ein kontrovers diskutiertes Thema. Aus diesem Grund zielt die vorliegende Arbeit darauf ab einen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen des zukünftigen arktischen Meereisrückgangs auf europäische Temperaturextreme, sowie auf Änderungen der relevanten großräumigen atmosphärischen Zirkulationsbedingungen zu leisten. Die Ergebnisse dieser Arbeit basieren auf Modelldaten des atmosphärischen Zirkulationsmodells ECHAM6. Zwei unterschiedliche Meereissensitivitätsexperimente aus dem Polar Amplification Intercomparison Project werden analysiert: ein Experiment mit vorgeschriebener zukünftiger Meereisreduktion über der gesamten Arktis, sowie ein Weiteres, in dem jediglich das Meereis über der Barents- und Karasee verringert wird. Beide Experimente werden einer Referenzsimulation gegenübergestellt, welche gegenwärtige Meereisbedingungen repräsentiert. Zunächst wird analysiert, inwieweit der zukünftige arktische Meereisrückgang Einfluss auf die großräumige atmosphärische Zirkulation über der nördlichen Hemisphäre hat. Dazu werden im Rahmen dieser Arbeit die Häufigkeitsänderungen von fünf bevorzugten atmosphärischen Zirkulationsregimen bestimmt. Beide Sensitivitätsexperimente zeigen diesbezüglich ähnliche Änderungen in den Auftrittswahrscheinlichkeiten der Regime. In Übereinstimmung mit Ergebnissen, welche auf der ERA5-Reanalyse basieren, zeigt sich beispielsweise ein häufigeres Auftreten eines skandinavischen Blockierungsmusters im Mittwinter unter reduzierten Meereisbedingungen. Änderungen in der Auftrittswahrscheinlichkeit verschiedener Zirkulationsregime in der Sommersaison werden hingegen kaum detektiert. Anschließend werden jene Regime identifiziert, welche mit einem häufigerem Auftreten von winterlichen Temperaturextremen über Europa in Verbindung gebracht werden können. In Kombination mit den zuvor erfassten meereisbedingten Änderungen in den Auftrittswahrscheinlichkeiten der Regime werden dann dynamisch und thermodynamisch induzierte Beiträge zu meereisbedingten Änderungen europäischer Temperaturextreme quantifiziert. Es zeigt sich beispielsweise, dass das bevorzugte Auftreten des skandinavischen Blockierungsmusters unter zukünftigen Meereisbedingungen dynamisch zu häufigeren Kälteextremereignissen im Winter über Mitteleuropa beiträgt. Darüber hinaus kann eine reduzierte Häufigkeit des Auftretens eines Regimes, welches mit einem Trog über dem westlichen Atlantik assoziiert werden kann, mit einer verringerten Anzahl von sehr warmen Wintertagen über Mitteleuropa in Verbindung gebracht werden. Es wird zudem gezeigt, wie der in den Modellsimulationen thermodynamisch induzierte Erwärmungseffekt infolge der reduzierten Meereisbedingungen zu einem häufigeren (weniger häufigeren) Auftreten von extrem warmen (kalten) Wintertagen führen kann. Dieser thermodynamische Effekt kann folglich den dynamisch induzierten Veränderungen entgegenwirken. Zirkulationsregime in der Sommersaison können nur bedingt mit einem häufigeren Auftreten von europäischen Hitzeextremen im Sommer in Verbindung gebracht werden. Aus diesem Grund wird ein zusätzlicher methodischer Ansatz verwendet, der auf der Identifikation von Zirkulationsmustern basiert, welche große Ähnlichkeit zu typischen atmosphärischen Blockierungen während vergangener Hitzewellen über verschiedenen europäischen Regionen aufweisen. Dies ermöglicht es meereisbedingte Änderungen im Auftreten von Hitzeextremen über drei verschiedene europäische Sektoren in thermodynamisch und dynamisch induzierte Beiträge zu zerlegen. In den Meereissensitivitätsexperimenten kann beispielsweise ein selteneres Auftreten von Blockierungen über Westrussland detektiert werden. Eine in sich geschlossene physikalische Argumentation bezüglich der dynamisch und thermodynamisch induzierten Beiträge zu den detektierten Änderungen in der Häufigkeit von sommerlichen Hitzeextremen stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar. Im Vergleich zu anderen Aspekten des zukünftigen Klimawandels, wie beispielsweise dem thermodynamischen Einfluss global erhöhter Meeresoberflächentemperaturen, zeigt sich, dass die meereisinduzierten Auswirkungen auf europäische Temperaturextreme wahrscheinlich von untergeordneter Bedeutung sind. Nichtsdestotrotz können die Ergebnisse dieser Arbeit zu einem besseren Verständnis gegenwärtiger und zeitnah zu erwartender Änderungen von Temperaturextremereignissen über Europa beitragen. Zusätzlich dazu bietet die vorliegende Arbeit eine nützliche und ergänzende Perspektive auf die wissenschaftliche Fragestellung, inwieweit der Arktische Klimawandel mit Änderungen in der atmosphärischen Zirkulation und Extremereignissen über den mittleren Breiten in Verbindung gebracht werden kann. Folglich trägt diese Arbeit damit dazu bei einem allgemeinen Konsens in diesem stark debattierten Forschungsgebiet einen Schritt näher zu kommen. KW - extreme events KW - Arctic sea ice KW - circulation regimes KW - atmosphere KW - climate change KW - Extremereignisse KW - arktisches Meereis KW - Zirkulationsregime KW - Klimawandel KW - Atmosphäre KW - large-scale circulation KW - großskalige Zirkulation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604883 ER - TY - THES A1 - Schoppa, Lukas T1 - Dynamics in the flood vulnerability of companies T1 - Dynamik der Hochwasservulnerabilität von Unternehmen N2 - River flooding is a constant peril for societies, causing direct economic losses in the order of $100 billion worldwide each year. Under global change, the prolonged concentration of people and assets in floodplains is accompanied by an emerging intensification of flood extremes due to anthropogenic global warming, ultimately exacerbating flood risk in many regions of the world. Flood adaptation plays a key role in the mitigation of impacts, but poor understanding of vulnerability and its dynamics limits the validity of predominant risk assessment methods and impedes effective adaptation strategies. Therefore, this thesis investigates new methods for flood risk assessment that embrace the complexity of flood vulnerability, using the understudied commercial sector as an application example. Despite its importance for accurate risk evaluation, flood loss modeling has been based on univariable and deterministic stage-damage functions for a long time. However, such simplistic methods only insufficiently describe the large variation in damage processes, which initiated the development of multivariable and probabilistic loss estimation techniques. The first study of this thesis developed flood loss models for companies that are based on emerging statistical and machine learning approaches (i.e., random forest, Bayesian network, Bayesian regression). In a benchmarking experiment on basis of object-level loss survey data, the study showed that all proposed models reproduced the heterogeneity in damage processes and outperformed conventional stage-damage functions with respect to predictive accuracy. Another advantage of the novel methods is that they convey probabilistic information in predictions, which communicates the large remaining uncertainties transparently and, hence, supports well-informed risk assessment. Flood risk assessment combines vulnerability assessment (e.g., loss estimation) with hazard and exposure analyses. Although all of the three risk drivers interact and change over time, such dependencies and dynamics are usually not explicitly included in flood risk models. Recently, systemic risk assessment that dissolves the isolated consideration of risk drivers has gained traction, but the move to holistic risk assessment comes with limited thoroughness in terms of loss estimation and data limitations. In the second study, I augmented a socio-hydrological system dynamics model for companies in Dresden, Germany, with the multivariable Bayesian regression loss model from the first study. The additional process-detail and calibration data improved the loss estimation in the systemic risk assessment framework and contributed to more accurate and reliable simulations. The model uses Bayesian inference to quantify uncertainty and learn the model parameters from a combination of prior knowledge and diverse data. The third study demonstrates the potential of the socio-hydrological flood risk model for continuous, long-term risk assessment and management. Using hydroclimatic ad socioeconomic forcing data, I projected a wide range of possible risk trajectories until the end of the century, taking into account the adaptive behavior of companies. The study results underline the necessity of increased adaptation efforts to counteract the expected intensification of flood risk due to climate change. A sensitivity analysis of the effectiveness of different adaptation measures and strategies revealed that optimized adaptation has the potential to mitigate flood risk by up to 60%, particularly when combining structural and non-structural measures. Additionally, the application shows that systemic risk assessment is capable of capturing adverse long-term feedbacks in the human-flood system such as the levee effect. Overall, this thesis advances the representation of vulnerability in flood risk modeling by offering modeling solutions that embrace the complexity of human-flood interactions and quantify uncertainties consistently using probabilistic modeling. The studies show how scarce information in data and previous experiments can be integrated in the inference process to provide model predictions and simulations that are reliable and rich in information. Finally, the focus on the flood vulnerability of companies provides new insights into the heterogeneous damage processes and distinct flood coping of this sector. N2 - Flussüberschwemmungen sind eine ständige Gefahr für die Gesellschaft und verursachen jedes Jahr weltweit wirtschaftliche Schäden in der Größenordnung von 100 Milliarden US-Dollar. Im Zuge des globalen Wandels erhöht sich die Konzentration von Menschen und Vermögenswerten in Überschwemmungsgebieten kontinuierlich, während der menschengemachte Klimawandel Hochwasserextreme verstärkt. Die Überlagerung dieser Prozesse führt zu einer Verschärfung des Hochwasserrisikos in vielen Weltregionen. Der Hochwasseranapassung kommt dabei eine Schlüsselrolle bei der Abschwächung von Schäden zu. Allerdings ist das Verständnis von Hochwasservulnerabilität (d.h., Anfälligkeit gegenüber Schäden) und damit verbundener Dynamiken noch sehr begrenzt, was die Risikoabschätzung und die Entwicklung von Anpassungsstrategien erschwert. In dieser kumulativen Dissertation werden anhand von drei Studien neue Methoden zur Hochwasserrisikoabschätzung für den gewerblichen Sektor vorgestellt, der in der Vergangenheit wenig untersucht wurde. Die erste Studie präsentiert Hochwasserschadensmodelle die auf statistischen Methoden und maschinellem Lernen basieren und eine Vielzahl von Einflussfaktoren berücksichtigen. In Verbindung mit probabilistischen Vorhersagen führt dies zu einer Verbesserung der Modellgenauigkeit und -verlässlichkeit. Anschließend wird in einer Pilotstudie für Dresden, Deutschland, eines der neuen Schadensmodelle in ein ganzheitliches systemdynamisches Modell integriert, um Veränderungen in Hochwasservulnerabilität und -risiko kontinuierlich zu simulieren. Die Methode integriert zusätzliche Prozessdetails und Kalibrierungsdaten in das Modell und verbessert so die Simulationsleistung. Schließlich werden mit dem systemdynamischen Modell in der dritten Studie langfristige Projektionsläufe durchgeführt, um die Entwicklung des Hochwasserrisikos bis zum Ende des Jahrhunderts abzuschätzen. Die Ergebnisse der Studie unterstreichen das Potential von Hochwasseranpassung - insbesondere in Zeiten des Klimawandels - und demonstrieren die Fähigkeit ganzheitlicher Modellierungsansätze, ungünstige Entwicklungen des Risikos frühzeitig aufzudecken. Insgesamt verbessert diese Arbeit die Darstellung der Vulnerabilität in der Hochwasserrisikoabschätzung, indem sie Modellierungslösungen anbietet, die der Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Mensch und Hochwasser gerecht werden und Unsicherheiten konsequent quantifizieren. KW - fluvial flooding KW - risk analysis KW - vulnerability KW - probabilistic modeling KW - Loss modeling KW - socio-hydrology KW - commercial sector KW - Flusshochwasser KW - Risikoanalyse KW - Vulnerabilität KW - probabilistische Modellierung KW - Schadensmodellierung KW - Soziohydrologie KW - gewerblicher Sektor Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-592424 ER - TY - THES A1 - Duy, Nguyen Le T1 - Hydrological processes in the Vietnamese Mekong Delta BT - Insights from stable water isotopes and monitoring data analysis BT - Erkenntnisse aus stabilen Wasserisotopen und Überwachungsdatenanalyse N2 - Understanding hydrological processes is of fundamental importance for the Vietnamese national food security and the livelihood of the population in the Vietnamese Mekong Delta (VMD). As a consequence of sparse data in this region, however, hydrologic processes, such as the controlling processes of precipitation, the interaction between surface and groundwater, and groundwater dynamics, have not been thoroughly studied. The lack of this knowledge may negatively impact the long-term strategic planning for sustainable groundwater resources management and may result in insufficient groundwater recharge and freshwater scarcity. It is essential to develop useful methods for a better understanding of hydrological processes in such data-sparse regions. The goal of this dissertation is to advance methodologies that can improve the understanding of fundamental hydrological processes in the VMD, based on the analyses of stable water isotopes and monitoring data. The thesis mainly focuses on the controlling processes of precipitation, the mechanism of surface–groundwater interaction, and the groundwater dynamics. These processes have not been fully addressed in the VMD so far. The thesis is based on statistical analyses of the isotopic data of Global Network of Isotopes in Precipitation (GNIP), of meteorological and hydrological data from Vietnamese agencies, and of the stable water isotopes and monitoring data collected as part of this work. First, the controlling processes of precipitation were quantified by the combination of trajectory analysis, multi-factor linear regression, and relative importance analysis (hereafter, a model‐based statistical approach). The validity of this approach is confirmed by similar, but mainly qualitative results obtained in other studies. The total variation in precipitation isotopes (δ18O and δ2H) can be better explained by multiple linear regression (up to 80%) than single-factor linear regression (30%). The relative importance analysis indicates that atmospheric moisture regimes control precipitation isotopes rather than local climatic conditions. The most crucial factor is the upstream rainfall along the trajectories of air mass movement. However, the influences of regional and local climatic factors vary in importance over the seasons. The developed model‐based statistical approach is a robust tool for the interpretation of precipitation isotopes and could also be applied to understand the controlling processes of precipitation in other regions. Second, the concept of the two-component lumped-parameter model (LPM) in conjunction with stable water isotopes was applied to examine the surface–groundwater interaction in the VMD. A calibration framework was also set up to evaluate the behaviour, parameter identifiability, and uncertainties of two-component LPMs. The modelling results provided insights on the subsurface flow conditions, the recharge contributions, and the spatial variation of groundwater transit time. The subsurface flow conditions at the study site can be best represented by the linear-piston flow distribution. The contributions of the recharge sources change with distance to the river. The mean transit time (mTT) of riverbank infiltration increases with the length of the horizontal flow path and the decreasing gradient between river and groundwater. River water infiltrates horizontally mainly via the highly permeable aquifer, resulting in short mTTs (<40 weeks) for locations close to the river (<200 m). The vertical infiltration from precipitation takes place primarily via a low‐permeable overlying aquitard, resulting in considerably longer mTTs (>80 weeks). Notably, the transit time of precipitation infiltration is independent of the distance to the river. All these results are hydrologically plausible and could be quantified by the presented method for the first time. This study indicates that the highly complex mechanism of surface–groundwater interaction at riverbank infiltration systems can be conceptualized by exploiting two‐component LPMs. It is illustrated that the model concept can be used as a tool to investigate the hydrological functioning of mixing processes and the flow path of multiple water components in riverbank infiltration systems. Lastly, a suite of time series analysis approaches was applied to examine the groundwater dynamics in the VMD. The assessment was focused on the time-variant trends of groundwater levels (GWLs), the groundwater memory effect (representing the time that an aquifer holds water), and the hydraulic response between surface water and multi-layer alluvial aquifers. The analysis indicates that the aquifers act as low-pass filters to reduce the high‐frequency signals in the GWL variations, and limit the recharge to the deep groundwater. The groundwater abstraction has exceeded groundwater recharge between 1997 and 2017, leading to the decline of groundwater levels (0.01-0.55 m/year) in all considered aquifers in the VMD. The memory effect varies according to the geographical location, being shorter in shallow aquifers and flood-prone areas and longer in deep aquifers and coastal regions. Groundwater depth, season, and location primarily control the variation of the response time between the river and alluvial aquifers. These findings are important contributions to the hydrogeological literature of a little-known groundwater system in an alluvial setting. It is suggested that time series analysis can be used as an efficient tool to understand groundwater systems where resources are insufficient to develop a physical-based groundwater model. This doctoral thesis demonstrates that important aspects of hydrological processes can be understood by statistical analysis of stable water isotope and monitoring data. The approaches developed in this thesis can be easily transferred to regions in similar tropical environments, particularly those in alluvial settings. The results of the thesis can be used as a baseline for future isotope-based studies and contribute to the hydrogeological literature of little-known groundwater systems in the VMD. N2 - Ein fundiertes Verständnis der hydrologischen Prozesse im vietnamesischen Mekong Delta (VMD) ist von grundlegender Bedeutung für den Lebensunterhalt der Bevölkerung im Mekong Delta, und darüber hinaus auch für die nationale Ernährungssicherheit. Aufgrund des Fehlens einer belastbaren Datenbasis konnten bislang eine Reihe von wichtigen hydrologischen Prozessen nur unzureichend untersucht und quantifiziert werden. Dazu zählen unter anderem die Analyse des Ursprungs des Niederschlages im Delta, die Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser, sowie die Grundwasserdynamik. Diese Lücken im Wissensstand verhindern eine solide datenbasierte Wasserwirtschaftsplanung, was unter Berücksichtigung der derzeitigen Trends mittelfristig zu weiter fallenden Grundwasserständen und Wasserknappheit führen wird. Daher ist es von großer Bedeutung, Methoden und Werkzeuge zu entwickeln, die auch unter der bestehenden Datenknappheit belastbare quantitative Ergebnisse für eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung liefern können. Das Ziel dieser Dissertation ist es, solche Methoden zu entwickeln und zu testen, um grundlegende hydrologische Prozesse im VMD besser verstehen und quantifizieren zu können. Hierzu werden die existierenden Messdaten sowie im Rahmen dieser Arbeit gesammelte Daten zum Gehalt an stabilen Wasserisotopen verwendet. Mit Hilfe dieser Daten wurden folgende Prozesse untersucht: 1. Der Ursprung und die Fraktionierung des Niederschlages im VMD. 2. Die Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser mit einem besonderen Fokus auf die ufernahen Gebiete. 3. Die großflächige Dynamik in den verschiedenen Grundwasserleitern der letzten Jahrzehnte. Die Prozesse, die den Ursprung und die Verteilung des Niederschlagsbestimmen, wurden mittels einer Kombination aus Isotopendaten, Trajektorienanalyse, multifaktorieller Regression, und relativer Wichtigkeitsanalyse untersucht. Diese Kombination ist nachfolgend „modelbasierter statistischer Ansatz“ betitelt. Hierbei wurde festgestellt, dass die Varianz im Isotopengehalt des Niederschlags (δ18O and δ2H) mit der multifaktoriellen Regression zu 80% erklärt werden konnte, was im Vergleich zu einer einfachen Regression mit 30% erklärter Varianz eine deutliche Verbesserung darstellt. Die Wichtigkeitsanalyse ergab zudem, dass großskalige atmosphärische Feuchtigkeitsverteilungen einen weitaus größeren Einfluss auf die Isotopenverteilung im Niederschlag haben, als lokale klimatische Bedingungen im VMD. Der hierbei wichtigste Faktor ist die Regenmenge entlang der Trajektorien der Luftmassenbewegungen. Die Wichtigkeit der Faktoren variiert jedoch saisonal zwischen Regen- und Trockenzeit. Der in dieser Dissertation entwickelte modelbasierte statistische Ansatz ist ein robustes Werkzeug zur Analyse und Interpretation der Isotopenverteilung im Niederschlag, der auch auf ähnliche Fragestellungen in andere Regionen übertragbar ist. Im zweiten Teil der Dissertation wurden Zweikomponentenmodelle (LPM) in Verbindung mit Isotopenmessungen im Niederschlag, Oberflächen- und Grundwasser verwendet, um die Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser qualitativ und quantitativ zu beschreiben. Verschiedene Modellansätze wurden hierbei in einem automatischen Kalibrieransatz getestet, und deren Unsicherheit bestimmt. Hierbei hat sich das lineare Kolbenfließmodell (linear piston flow model) als das am besten geeignetste herausgestellt. Die Modellierungsergebnisse ermöglichten daraufhin eine modellbasierte Abschätzung der Grundwasserschwankungen und -flüsse, der Grundwasserneubildung und der räumlichen Variabilität der Grundwasserlaufzeiten. Hierbei zeigte sich, dass Grundwasserneubildung und deren Quellen räumlich variabel ist, und sich mit zunehmender Entfernung vom Fluss die Neubildung von primär Uferinfiltration hin zu Neubildung durch Niederschläge ändert. Analog dazu erhöhen sich die Grundwasserlaufzeiten mit der Länge der horizontalen Fließwege (= Entfernung vom Vorfluter) und mit sinkendem Gradienten zwischen Grundwasserstand und Wasserstand im Fluss. Flusswasser infiltriert über das Flussufer in den wasserleitenden Aquifer, mit mittleren Transferzeiten (mTT) von < 40 Wochen für Bereiche mit weniger als 200 m Entfernung zum Fluss. In größeren Entfernungen findet die Neubildung im Wesentlichen durch Versickerung von Regenwaser statt. Da der betrachtete holozäne Grundwasserleiter mit einer schwerdurchlässigen Deckschicht überlagert ist, liegen die mTT in diesen Bereichen mit > 80 Wochen wesentlich höher. Es konnte mit dieser Studie gezeigt werden, dass die komplexe Interaktion zwischen Grund- und Oberflächenwasser mittels eines konzeptionellen Modells in Verbindung mit aus Wasserproben bestimmten Isotopendaten konzeptionalisiert und quantifiziert werden kann. Der Ansatz empfiehlt sich daher als Werkzeug für die Untersuchung der Mischungsprozesse der Ufer- und Regenwasserinfiltration, sowie der Fließwege des Grundwassers in ähnlichen Gebieten. Im letzten Teil der Dissertation wurden Trends in den Grundwasserständen im gesamtem VMD untersucht. Hierzu wurde eine Reihe von Methoden zur Zeitreihenanalyse angewandt. Der Fokus der Untersuchungen lag auf zeitvariablen Trends in den Grundwasserständen, der Wasserspeicherdauer (memory effect), und der hydraulischen Reaktionszeit zwischen dem Oberflächenwasser und den verschiedenen Aquiferen im VMD. Die Analyse ergab, dass die verschiedenen Schichten von Aquiferen und Aquitarden wie ein Tiefpassfilter auf die hydraulischen Signale des Oberflächenwassers wirken, was wiederum die Grundwasserneubildung in den tieferen Aquiferen stark reduziert. Die Zeitreihenanalyse ergab, dass die Entnahmemengen an Grundwasser insbesondere in den tieferen, stark genutzten Aquiferen die Neubildung im gesamten Analysezeitraum 1997 – 2017 überschritten hat. Dies führte zu Absenkung des Grundwasserspiegels von 0.01 – 0.55 m pro Jahr in den verschiedenen Aquiferen des VMD. Die Speicherdauer variiert zwischen den verschiedenen Regionen und Aquiferen des VMD. In den flacheren Aquiferen und in der Region mit tiefen Überflutungen während der Hochwassersaison sind die Speicherdauern kürzer, während sie in den tieferen Aquiferen und in den küstennahen Regionen wesentlich länger sind. Die Reaktionszeit variiert ebenfalls im Raum, wobei die wichtigsten Einflussfaktoren der Abstand des Grundwasserspiegels zur Oberfläche, die Saison und die Lage, hier besonders die Entfernung zum Fluss oder der Küste, sind. Diese qualitativen wie quantitativen Ergebnisse fügen wichtige und wesentlich Erkenntnisse zum Wissensstand über das Grundwasser im VMD hinzu. Die verwendeten Methoden empfehlen sich darüber hinaus für die Analyse von Grundwasserdynamiken in alluvialen Aquifersystemen im Generellen, wenn Daten und Ressourcen für ein physisches numerisches Grundwassermodell fehlen. Die vorliegende Dissertation zeigt, dass wichtige hydrologische Prozesse auch über statistische Analysen von Mess- und Isotopendaten quantitativ analysiert werden können. Die Ergebnisse stellen eine Basisanalyse der Grundwasserdynamik und der sie beeinflussenden Prozesse im VMD dar, und sollten in weiteren Studien ausgebaut werden. Die Analyse der Isotopendaten liefert darüber hinaus die Basislinie für hydrologische Analysen mit stabilen Isotopen im VMD und aufgrund der ähnlichen klimatischen und geografischen Lage auch für weite Teile Südostasiens. Die entwickelten Methodenkombinationen können aufgrund ihrer generellen Natur auch problemlos auf andere tropische Regionen, insbesondere solche mit alluvialen Aquiferen, übertragen werden. T2 - Hydrologische Prozesse im Mekong Delta KW - Vietnamese Mekong Delta KW - stable isotopes KW - data analysis KW - hydrological processes KW - Mekong Delta KW - Datenanalyse KW - hydrologische Prozesse KW - stabile Isotope Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-602607 ER - TY - THES A1 - Zhou, Xiangqian T1 - Modeling of spatially distributed nitrate transport to investigate the effects of drought and river restoration in the Bode catchment, Central Germany N2 - The European Water Framework Directive (WFD) has identified river morphological alteration and diffuse pollution as the two main pressures affecting water bodies in Europe at the catchment scale. Consequently, river restoration has become a priority to achieve the WFD's objective of good ecological status. However, little is known about the effects of stream morphological changes, such as re-meandering, on in-stream nitrate retention at the river network scale. Therefore, catchment nitrate modeling is necessary to guide the implementation of spatially targeted and cost-effective mitigation measures. Meanwhile, Germany, like many other regions in central Europe, has experienced consecutive summer droughts from 2015-2018, resulting in significant changes in river nitrate concentrations in various catchments. However, the mechanistic exploration of catchment nitrate responses to changing weather conditions is still lacking. Firstly, a fully distributed, process-based catchment Nitrate model (mHM-Nitrate) was used, which was properly calibrated and comprehensively evaluated at numerous spatially distributed nitrate sampling locations. Three calibration schemes were designed, taking into account land use, stream order, and mean nitrate concentrations, and they varied in spatial coverage but used data from the same period (2011–2019). The model performance for discharge was similar among the three schemes, with Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) scores ranging from 0.88 to 0.92. However, for nitrate concentrations, scheme 2 outperformed schemes 1 and 3 when compared to observed data from eight gauging stations. This was likely because scheme 2 incorporated a diverse range of data, including low discharge values and nitrate concentrations, and thus provided a better representation of within-catchment heterogenous. Therefore, the study suggests that strategically selecting gauging stations that reflect the full range of within-catchment heterogeneity is more important for calibration than simply increasing the number of stations. Secondly, the mHM-Nitrate model was used to reveal the causal relations between sequential droughts and nitrate concentration in the Bode catchment (3200 km2) in central Germany, where stream nitrate concentrations exhibited contrasting trends from upstream to downstream reaches. The model was evaluated using data from six gauging stations, reflecting different levels of runoff components and their associated nitrate-mixing from upstream to downstream. Results indicated that the mHM-Nitrate model reproduced dynamics of daily discharge and nitrate concentration well, with Nash-Sutcliffe Efficiency ≥ 0.73 for discharge and Kling-Gupta Efficiency ≥ 0.50 for nitrate concentration at most stations. Particularly, the spatially contrasting trends of nitrate concentration were successfully captured by the model. The decrease of nitrate concentration in the lowland area in drought years (2015-2018) was presumably due to (1) limited terrestrial export loading (ca. 40% lower than that of normal years 2004-2014), and (2) increased in-stream retention efficiency (20% higher in summer within the whole river network). From a mechanistic modelling perspective, this study provided insights into spatially heterogeneous flow and nitrate dynamics and effects of sequential droughts, which shed light on water-quality responses to future climate change, as droughts are projected to be more frequent. Thirdly, this study investigated the effects of stream restoration via re-meandering on in-stream nitrate retention at network-scale in the well-monitored Bode catchment. The mHM-Nitrate model showed good performance in reproducing daily discharge and nitrate concentrations, with median Kling-Gupta values of 0.78 and 0.74, respectively. The mean and standard deviation of gross nitrate retention efficiency, which accounted for both denitrification and assimilatory uptake, were 5.1 ± 0.61% and 74.7 ± 23.2% in winter and summer, respectively, within the stream network. The study found that in the summer, denitrification rates were about two times higher in lowland sub-catchments dominated by agricultural lands than in mountainous sub-catchments dominated by forested areas, with median ± SD of 204 ± 22.6 and 102 ± 22.1 mg N m-2 d-1, respectively. Similarly, assimilatory uptake rates were approximately five times higher in streams surrounded by lowland agricultural areas than in those in higher-elevation, forested areas, with median ± SD of 200 ± 27.1 and 39.1 ± 8.7 mg N m-2 d-1, respectively. Therefore, restoration strategies targeting lowland agricultural areas may have greater potential for increasing nitrate retention. The study also found that restoring stream sinuosity could increase net nitrate retention efficiency by up to 25.4 ± 5.3%, with greater effects seen in small streams. These results suggest that restoration efforts should consider augmenting stream sinuosity to increase nitrate retention and decrease nitrate concentrations at the catchment scale. N2 - Die Europäische Wasserrahmenrichtlinie hat die morphologischen Veränderungen der Flüsse und die diffuse Verschmutzung als die Hauptprobleme der Gewässer in Europa identifiziert. Um diese Probleme anzugehen, hat die Renaturierung von Fließgewässern hohe Priorität. Es ist jedoch nur wenig darüber bekannt, wie sich Veränderungen der Flussform, wie z. B. die Re-Mäanderung, auf die Nitratrückhaltung im Fließgewässer auswirken. Deutschland hat in den letzten Jahren Dürreperioden erlebt, die zu Veränderungen der Nitratkonzentration in den Fließgewässern geführt haben. Es gibt jedoch nur wenig Erkenntnisse darüber, wie sich diese Dürreperioden auf die Nitratkonzentration auswirken. Zur Untersuchung dieser Einflüsse kann eine Modellierung des Nitrat-Transports und -Rückhalts in Einzugsgebieten wichtige Hinweise zu wirksamen Reduzierungsmaßnahmen liefern. In dieser Studie wurde ein prozessbasiertes hydrologisches Wasserqualitätsmodell (mHM-Nitrate) verwendet, um die Nitratdynamik im Einzugsgebiet der Bode (3200 km2) zu simulieren. Das Modell wurde anhand von Daten aus verschiedenen Teileinzugsgebieten kalibriert und bewertet. Es wurden drei Kalibrierungsvarianten entwickelt, die die Flächennutzung, die Ordnung der Fließgewässer und die mittleren Nitratkonzentrationen mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad berücksichtigten. Die Modellierungsgüte für den Abfluss war bei allen drei Kalibrierungsvarianten ähnlich, während sich bei den Nitratkonzentrationen deutliche Unterschiede ergaben. Die Studie zeigte, dass die Auswahl von Messstationen, die die charakteristischen Gebietseigenschaften widerspiegeln, für die Nitrat-Kalibrierung wichtiger ist als die reine Anzahl der Messstationen. Das Modell wurde auch verwendet, um die Beziehung zwischen Dürreperioden und der Nitratdynamik im Bodegebiet zu untersuchen. Das Modell gab die Dynamik von Abfluss und Nitrat sehr gut wider und erfasste hierbei auch die räumlichen Unterschiede in den Nitratkonzentrationen sehr gut. Die Studie ergab, dass Dürreperioden zu niedrigeren Nitratkonzentrationen in den landwirtschaftlich genutzten Gebieten im Tiefland führten, was auf einen geringeren terrestrischen Export und einen erhöhten Rückhalt in den Fließgewässern zurückzuführen war. Die Untersuchung liefert Erkenntnisse über die Auswirkungen von Dürren auf den Nitrataustrag, was für das Verständnis der Auswirkungen des künftigen Klimawandels wichtig ist. Darüber hinaus untersuchte die Studie die Auswirkungen der Renaturierung von Fließgewässern, insbesondere der Re-Mäanderung, auf die Nitratrückhaltung im Fließgewässernetz. Die Untersuchung zeigte, dass der gewässerinterne Nitratrückhalt in landwirtschaftlichen Tieflandgebieten höher war als in bewaldeten Gebieten. Die Wiederherstellung natürlich meandrierender Fließgewässer erhöhte die Nitratretention und verringerte die Nitratkonzentration im Fließgewässer, insbesondere in kleinen Bächen in landwirtschaftlichen Gebieten. Dies deutet darauf hin, dass bei Sanierungsmaßnahmen die Erhöhung der Gewässersinuosität berücksichtigt werden sollte, um den Nitratrückhalt und die Wasserqualität insbesondere in den Teiflandgebieten zu erhöhen. KW - multi-site calibration KW - spatiotemporal validation KW - uncertainty KW - parameter transferability KW - drought KW - catchment hydrology Water quality model KW - river restoration KW - stream sinuosity KW - mHM-Nitrate model KW - stream denitrification KW - assimilatory uptake KW - Kalibrierung an mehreren Standorten KW - räumlich-zeitliche Validierung KW - Ungewissheit KW - Übertragbarkeit der Parameter KW - Dürre KW - Einzugsgebietshydrologie Wasserqualitätsmodell KW - Restaurierung von Flüssen KW - Strömungsneigung KW - mHM-Nitrat-Modell KW - Bachdenitrifikation KW - assimilatorische Aufnahme Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-621059 ER - TY - GEN A1 - Miechielsen, Milena A1 - Schmidt, Katja T1 - Leitfaden für die Erstellung von kommunalen Aktionsplänen zur Steigerung der urbanen Klimaresilienz N2 - Die durch Klimaveränderungen hervorgerufenen Auswirkungen auf Menschen und Umwelt werden immer offensichtlicher: Neben der gesundheitlichen Gefährdung durch Hitzewellen, die deutschlandweit seit einigen Jahren eine steigende Rate an Todes- und Krankheitsfällen zur Folge hat sind in den letzten Jahren zunehmend Starkniederschläge und daraus resultierenden Überschwemmungen bzw. Sturzfluten aufgetreten. Diese ziehen zum Teil immensen wirtschaftlichen Schäden, aber auch Beeinträchtigungen für die menschliche Gesundheit – sowohl physisch als auch psychisch – sowie gar Todesopfer nach sich. Es ist davon auszugehen, dass diese Extremwetterereignisse zukünftiger noch häufiger auftreten werden. Um die Bevölkerung besser vor den Folgen dieser Wetterextreme zu schützen, sind neben Klimaschutzmaßnahmen auch Vorsorge- und Anpassungsmaßnahmen zur Steigerung der kommunalen Klimaresilienz dringend notwendig. Dazu bedarf es einerseits einer Auseinandersetzung mit den eigenen kommunalen Risiken und daraus resultierenden Handlungsbedarfen, und andererseits eines interdisziplinären, querschnittsorientierten und prozessorientierten Planens und Handelns. Aktionspläne sollen diese beiden Aspekte bündeln. In den letzten Jahren sind einige kommunale und kommunenübergreifende (Hitze-) aufgestellt worden. Diese unterscheiden sich jedoch in ihrem Inhalt und Umfang zum Teil erheblich. Mit dem vorliegenden Leitfaden soll eine effektive Hilfestellung geschaffen werden, um Kommunen bzw. die kommunale Verwaltung auf dem Weg zum eigenen Aktionsplan zu unterstützt. Dabei fokussiert der Leitfaden auf die Herausforderungen, die sich durch vermehrte Hitze- und Starkregenereignisse ergeben. Er stützt sich auf schon vorhandene Arbeitshilfen, Handlungsempfehlungen, Leitfäden und weitere Hinweise und verweist an vielen Stellen auch darauf. So soll ein praxistauglicher Leitfaden entstehen, der flexibel anwendbar ist. Mit Hilfe des vorliegenden Leitfadens können Kommunen ihre Aktivitäten auf Hitze oder Starkregen fokussieren oder einen umfassenden Aktionsplan für beide Themenbereiche erstellen. N2 - The effects of climate change on people and the environment are becoming ever more apparent: in addition to the health risks posed by heatwaves, which have resulted in an increasing number of deaths and illnesses across Germany in recent years, heavy rainfall and the resulting floods and flash floods have become more frequent in recent years. In some cases, these have caused immense economic damage, but have also had a negative impact on human health - both physically and psychologically - and even resulted in fatalities. It can be assumed that these extreme weather events will occur even more frequently in the future. In order to protect the population from the consequences of these extreme weather events, precautionary and adaptation measures to increase municipal climate resilience are urgently needed in addition to climate protection measures. This requires, on the one hand, an examination of the local authority's own risks and the resulting need for action and, on the other hand, interdisciplinary, cross-sectional and process-oriented planning and action. Action plans should combine these two aspects. A number of municipal and cross-municipal (heat) plans have been drawn up in recent years. However, some of these differ considerably in terms of content and scope. The aim of this guide is to provide effective assistance to support municipalities and municipal administrations on the path to their own action plan. It focuses on the challenges posed by increased heat and heavy rainfall events. It is based on existing work aids, recommendations for action, guidelines and other information and also refers to them in many places. The aim is to create a practical guide that can be applied flexibly. With the help of this guide, local authorities can focus their activities on heat or heavy rainfall or create a comprehensive action plan for both topics. KW - Klimaresilienz KW - Hitzeaktionsplan KW - Starkregen KW - Klimaanpassung KW - climate mitigation KW - pluvial flooding KW - heat action plan KW - climate resilience KW - Stadtplanung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-630578 ER - TY - THES A1 - Li, Yunfei T1 - On the influence of density and morphology on the Urban Heat Island intensity N2 - The urban heat island (UHI) effect, describing an elevated temperature of urban areas compared with their natural surroundings, can expose urban dwellers to additional heat stress, especially during hot summer days. A comprehensive understanding of the UHI dynamics along with urbanization is of great importance to efficient heat stress mitigation strategies towards sustainable urban development. This is, however, still challenging due to the difficulties of isolating the influences of various contributing factors that interact with each other. In this work, I present a systematical and quantitative analysis of how urban intrinsic properties (e.g., urban size, density, and morphology) influence UHI intensity. To this end, we innovatively combine urban growth modelling and urban climate simulation to separate the influence of urban intrinsic factors from that of background climate, so as to focus on the impact of urbanization on the UHI effect. The urban climate model can create a laboratory environment which makes it possible to conduct controlled experiments to separate the influences from different driving factors, while the urban growth model provides detailed 3D structures that can be then parameterized into different urban development scenarios tailored for these experiments. The novelty in the methodology and experiment design leads to the following achievements of our work. First, we develop a stochastic gravitational urban growth model that can generate 3D structures varying in size, morphology, compactness, and density gradient. We compare various characteristics, like fractal dimensions (box-counting, area-perimeter scaling, area-population scaling, etc.), and radial gradient profiles of land use share and population density, against those of real-world cities from empirical studies. The model shows the capability of creating 3D structures resembling real-world cities. This model can generate 3D structure samples for controlled experiments to assess the influence of some urban intrinsic properties in question. [Chapter 2] With the generated 3D structures, we run several series of simulations with urban structures varying in properties like size, density and morphology, under the same weather conditions. Analyzing how the 2m air temperature based canopy layer urban heat island (CUHI) intensity varies in response to the changes of the considered urban factors, we find the CUHI intensity of a city is directly related to the built-up density and an amplifying effect that urban sites have on each other. We propose a Gravitational Urban Morphology (GUM) indicator to capture the neighbourhood warming effect. We build a regression model to estimate the CUHI intensity based on urban size, urban gross building volume, and the GUM indicator. Taking the Berlin area as an example, we show the regression model capable of predicting the CUHI intensity under various urban development scenarios. [Chapter 3] Based on the multi-annual average summer surface urban heat island (SUHI) intensity derived from Land surface temperature, we further study how urban intrinsic factors influence the SUHI effect of the 5,000 largest urban clusters in Europe. We find a similar 3D GUM indicator to be an effective predictor of the SUHI intensity of these European cities. Together with other urban factors (vegetation condition, elevation, water coverage), we build different multivariate linear regression models and a climate space based Geographically Weighted Regression (GWR) model that can better predict SUHI intensity. By investigating the roles background climate factors play in modulating the coefficients of the GWR model, we extend the multivariate linear model to a nonlinear one by integrating some climate parameters, such as the average of daily maximal temperature and latitude. This makes it applicable across a range of background climates. The nonlinear model outperforms linear models in SUHI assessment as it captures the interaction of urban factors and the background climate. [Chapter 4] Our work reiterates the essential roles of urban density and morphology in shaping the urban thermal environment. In contrast to many previous studies that link bigger cities with higher UHI intensity, we show that cities larger in the area do not necessarily experience a stronger UHI effect. In addition, the results extend our knowledge by demonstrating the influence of urban 3D morphology on the UHI effect. This underlines the importance of inspecting cities as a whole from the 3D perspective. While urban 3D morphology is an aggregated feature of small-scale urban elements, the influence it has on the city-scale UHI intensity cannot simply be scaled up from that of its neighbourhood-scale components. The spatial composition and configuration of urban elements both need to be captured when quantifying urban 3D morphology as nearby neighbourhoods also cast influences on each other. Our model serves as a useful UHI assessment tool for the quantitative comparison of urban intervention/development scenarios. It can support harnessing the capacity of UHI mitigation through optimizing urban morphology, with the potential of integrating climate change into heat mitigation strategies. N2 - Der städtische Wärmeinseleffekt (engl. Urban Heat Island – UHI) beschreibt höhere Temperaturen in städtischen Gebieten im Vergleich zur natürlichen Umgebung, was zu einer erhöhten Hitzebelastung für städtische Bewohner führt. Das Verständnis der UHI-Dynamik im Zusammenhang mit der Urbanisierung ist entscheidend für die Entwicklung effektiver Strategien zur Minderung von Hitzestress und für eine nachhaltige städtische Entwicklung. Es bleibt jedoch herausfordernd, die Einflüsse verschiedener Faktoren zu trennen. Diese Arbeit stellt eine systematische und quantitative Analyse dar, inwieweit die Eigenschaften einer Stadt wie Dichte und Form die UHI-Intensität beeinflussen können. Zu diesem Zweck kombinieren wir das Modellieren des Stadtwachstums und des Stadtklimas, um den Einfluss städtischer Faktoren von der Hintergrundklimatologie zu trennen und den Fokus auf die Auswirkungen der Urbanisierung auf den UHI-Effekt zu legen. Mittels des Stadtklimamodels mit kontrollierten Einstellungen können die Auswirkungen verschiedener treibender Faktoren bewertet werden, während das Stadtwachstumsmodell detaillierte 3D-Strukturen für verschiedene Stadtentwicklungsszenarien erzeugt. Wir stellen ein physikalisches Stadtwachstumsmodell vor, das 3D-Strukturen mit unterschiedlicher Größe, Form, Dichte und Verteilung erzeugen kann. Wir überprüfen die Genauigkeit des Modells, indem wir seine Eigenschaften mit denen realer Städte vergleichen. Mit den generierten 3D-Strukturen führen wir mehrere Simulationen unter den gleichen Wetterbedingungen durch, um zu untersuchen, wie Veränderungen in städtischen Faktoren wie Größe, Dichte und Form die UHI-Intensität beeinflussen. Die Studie zeigt, dass die Dichte der bebauten Fläche und die Wechselwirkungen zwischen städtischen Standorten direkt mit der UHI-Intensität zusammenhängen. Um den Einfluss der Nachbarschaftserwärmung zu messen, führen wir einen Indikator namens Gravitational Urban Morphology (GUM) ein. Darüber hinaus entwickeln wir ein Regressionsmodell, das die UHI-Intensität anhand der Stadtgröße, des gesamten Gebäudevolumens und des GUM-Indikators schätzt. Des Weiteren untersuchen wir, wie bestimmte Faktoren in Städten den durch die Landoberflächentemperatur gemessenen städtischen Wärmeinseleffekt (engl. Surface Urban Heat Island – SUHI) in den 5.000 größten städtischen Ballungsräume in Europa beeinflussen. Hierbei stützen wir uns auf mehrjährige durchschnittliche Landoberflächentemperaturen während des Sommers. Wir stellen fest, dass ein ähnlicher GUM-Indikator ein effektiverer Vorhersagefaktor für die SUHI-Intensität. Um die Intensität der städtischen Wärmeinsel genauer vorhersagen zu können, berücksichtigen wir auch andere städtische Faktoren wie den Zustand der Vegetation, die Höhe, die Wasserfläche und Klimaparameter. Hierfür entwickeln wir verschiedene Regressionsmodelle. Das nichtlineare Modell, das Klimaparameter einbezieht und die Wechselwirkung zwischen städtischen Faktoren und dem Hintergrundklima berücksichtigt, erzielt bessere Ergebnisse als lineare Modelle bei der Bewertung der städtischen Wärmeinsel. Die Arbeit beleuchtet die Bedeutung der Dichte und Form einer Stadt für die Entstehung ihrer eigenen thermischen Umgebung. Dabei wird die Annahme infrage gestellt, dass größere Städte zwangsläufig einen stärkeren UHI-Effekt haben. Stattdessen wird die Bedeutung der 3D-Struktur der Stadt hervorgehoben. Die Studie betont die Notwendigkeit, Städte als Ganzes und aus einer 3D-Perspektive zu betrachten. Der Einfluss der Stadtformen kann nicht einfach von kleineren Bestandteilen aufaddiert werden. Unser Modell ist ein nützliches Werkzeug, um verschiedene Stadtplanungsszenarien und ihre Auswirkungen quantitativ zu vergleichen. Es unterstützt auch die Bemühungen, den UHI-Effekt durch Optimierung der städtischen Morphologie zu reduzieren und den Klimawandel in Strategien zur Bekämpfung von Hitze einzubeziehen. KW - urban heat island KW - simulation, size KW - density KW - morphology KW - Dichte KW - Morphologie KW - Simulation, Größe KW - städtisch KW - städtischer Wärmeinseleffekt Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-621504 ER - TY - THES A1 - Rasche, Daniel T1 - Cosmic-ray neutron sensing for the estimation of soil moisture T1 - Cosmic-Ray Neutron Sensing zur Messung der Bodenfeuchte BT - from the atmosphere to the near-surface and to larger depths N2 - Water stored in the unsaturated soil as soil moisture is a key component of the hydrological cycle influencing numerous hydrological processes including hydrometeorological extremes. Soil moisture influences flood generation processes and during droughts when precipitation is absent, it provides plant with transpirable water, thereby sustaining plant growth and survival in agriculture and natural ecosystems. Soil moisture stored in deeper soil layers e.g. below 100 cm is of particular importance for providing plant transpirable water during dry periods. Not being directly connected to the atmosphere and located outside soil layers with the highest root densities, water in these layers is less susceptible to be rapidly evaporated and transpired. Instead, it provides longer-term soil water storage increasing the drought tolerance of plants and ecosystems. Given the importance of soil moisture in the context of hydro-meteorological extremes in a warming climate, its monitoring is part of official national adaption strategies to a changing climate. Yet, soil moisture is highly variable in time and space which challenges its monitoring on spatio-temporal scales relevant for flood and drought risk modelling and forecasting. Introduced over a decade ago, Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) is a noninvasive geophysical method that allows for the estimation of soil moisture at relevant spatio-temporal scales of several hectares at a high, subdaily temporal resolution. CRNS relies on the detection of secondary neutrons above the soil surface which are produced from high-energy cosmic-ray particles in the atmosphere and the ground. Neutrons in a specific epithermal energy range are sensitive to the amount of hydrogen present in the surroundings of the CRNS neutron detector. Due to same mass as the hydrogen nucleus, neutrons lose kinetic energy upon collision and are subsequently absorbed when reaching low, thermal energies. A higher amount of hydrogen therefore leads to fewer neutrons being detected per unit time. Assuming that the largest amount of hydrogen is stored in most terrestrial ecosystems as soil moisture, changes of soil moisture can be estimated through an inverse relationship with observed neutron intensities. Although important scientific advancements have been made to improve the methodological framework of CRNS, several open challenges remain, of which some are addressed in the scope of this thesis. These include the influence of atmospheric variables such as air pressure and absolute air humidity, as well as, the impact of variations in incoming primary cosmic-ray intensity on observed epithermal and thermal neutron signals and their correction. Recently introduced advanced neutron-to-soil moisture transfer functions are expected to improve CRNS-derived soil moisture estimates, but potential improvements need to be investigated at study sites with differing environmental conditions. Sites with strongly heterogeneous, patchy soil moisture distributions challenge existing transfer functions and further research is required to assess the impact of, and correction of derived soil moisture estimates under heterogeneous site conditions. Despite its capability of measuring representative averages of soil moisture at the field scale, CRNS lacks an integration depth below the first few decimetres of the soil. Given the importance of soil moisture also in deeper soil layers, increasing the observational window of CRNS through modelling approaches or in situ measurements is of high importance for hydrological monitoring applications. By addressing these challenges, this thesis aids to closing knowledge gaps and finding answers to some of the open questions in CRNS research. Influences of different environmental variables are quantified, correction approaches are being tested and developed. Neutron-to-soil moisture transfer functions are evaluated and approaches to reduce effects of heterogeneous soil moisture distributions are presented. Lastly, soil moisture estimates from larger soil depths are derived from CRNS through modified, simple modelling approaches and in situ estimates by using CRNS as a downhole technique. Thereby, this thesis does not only illustrate the potential of new, yet undiscovered applications of CRNS in future but also opens a new field of CRNS research. Consequently, this thesis advances the methodological framework of CRNS for above-ground and downhole applications. Although the necessity of further research in order to fully exploit the potential of CRNS needs to be emphasised, this thesis contributes to current hydrological research and not least to advancing hydrological monitoring approaches being of utmost importance in context of intensifying hydro-meteorological extremes in a changing climate. N2 - Wasser, das als Bodenfeuchte in der ungesättigten Bodenzone gespeichert ist, beeinflusst zahlreiche hydrologische Prozesse. Sie ist von großer Bedeutung für hydrometeorologische Extremereignisse, da sie sowohl die Prozesse zur Entstehung von Hochwassereignissen beeinflusst als auch pflanzenverfügbares Wasser in Dürreperioden bereitstellt, in denen Regen ausbleibt. Vor allem Bodenfeuchte in tieferen Schichten des Bodens wird zum Beispiel durch die geringere Dichte an Pflanzenwurzeln langsamer aufgenommen und reduziert. Die Bodenfeuchte in diesen tieferen Schichten kann daher vor allem in Trockenperioden zum Überleben der Pflanzen in landwirtschaftlichen Gebieten und natürlichen Ökosystemen beitragen. Im Kontext hydro-meteorologischer Extremereignisse kommt der Bodenfeuchte so eine besondere Bedeutung zu und ist daher Teil nationaler Monitoring- und Anpassungsstrategien an sich verändernde Klimabedingungen. Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) ist ein geophysikalisches Messverfahren, das natürlich vorkommende Neutronen aus kosmischer Strahlung zur Bodenfeuchtebestimmung nutzt. Die Intensität der über dem Boden gemessenen Neutronen ist dabei abhängig von der Menge anWasserstoff in der Umgebung des Neutronendetektors. Da in den meisten Bereichen an Land die Bodenfeuchte den größten Teil des Wasserstoffs ausmacht, lassen Veränderungen in der gemessenen Neutronenintensität auf veränderte Bodenfeuchtebedingungen schließen. Ein Vorteil dieser nichtinvasiven Methode ist ihr großer Messbereich von mehreren Hektar. Die, selbst über kurze Distanzen und Zeiträume auftretenden, Unterschiede werden somit repräsentativ gemittelt und gemessene Bodenfeuchtewerte können so besser für Vorhersagemodelle von Hochwasser- und Dürreereignissen genutzt werden. Trotz des Potentials von CRNS für das Monitoring von Bodenfeuchte bleiben zahlreiche offene Forschungsfragen, von denen einige im Rahmen dieser Arbeit betrachtet werden. Hierzu zählt die Bestimmung und Korrektur von Einflussgrößen, die das Neutronensignal zusätzlich zur Bodenfeuchte beeinflussen. Ebenso gehört die Ableitung von Bodenfeuchte aus dem Neutronensignal selbst sowie der Umgang mit stark unterschiedlichen Bodenfeuchtebedingungen im Messbereich dazu. Obwohl CRNS einen großen horizontalen Messbereich besitzt, ist die Messtiefe auf die oberen ca. 30 cm des Bodens begrenzt. Hierzu werden Ansätze untersucht, die Bodenfeuchte mathematisch in größere Tiefen zu extrapolieren und sie direkt dort zu messen, indem Neutronendetektoren in Bohrlöchern installiert werden. Mit der Betrachtung der Forschungsfragen kann diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von CRNS und der Anwendbarkeit der Methode z.B. im Rahmen nationaler Monitoring-Programme leisten, denen im Kontext zunehmend intensiverer hydro-meteorologischer Extremereignisse eine besondere Bedeutung zukommt. KW - cosmic-ray neutron sensing KW - soil moisture KW - Cosmic-Ray Neutron Sensing KW - Bodenfeuchte KW - soil hydrology KW - geophysics KW - Bodenhydrologie KW - Geophysik Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636465 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Lena Katharina T1 - Altered hydrological and sediment dynamics in high-alpine areas – Exploring the potential of machine-learning for estimating past and future changes N2 - Climate change fundamentally transforms glaciated high-alpine regions, with well-known cryospheric and hydrological implications, such as accelerating glacier retreat, transiently increased runoff, longer snow-free periods and more frequent and intense summer rainstorms. These changes affect the availability and transport of sediments in high alpine areas by altering the interaction and intensity of different erosion processes and catchment properties. Gaining insight into the future alterations in suspended sediment transport by high alpine streams is crucial, given its wide-ranging implications, e.g. for flood damage potential, flood hazard in downstream river reaches, hydropower production, riverine ecology and water quality. However, the current understanding of how climate change will impact suspended sediment dynamics in these high alpine regions is limited. For one, this is due to the scarcity of measurement time series that are long enough to e.g. infer trends. On the other hand, it is difficult – if not impossible – to develop process-based models, due to the complexity and multitude of processes involved in high alpine sediment dynamics. Therefore, knowledge has so far been confined to conceptual models (which do not facilitate deriving concrete timings or magnitudes for individual catchments) or qualitative estimates (‘higher export in warmer years’) that may not be able to capture decreases in sediment export. Recently, machine-learning approaches have gained in popularity for modeling sediment dynamics, since their black box nature tailors them to the problem at hand, i.e. relatively well-understood input and output data, linked by very complex processes. Therefore, the overarching aim of this thesis is to estimate sediment export from the high alpine Ötztal valley in Tyrol, Austria, over decadal timescales in the past and future – i.e. timescales relevant to anthropogenic climate change. This is achieved by informing, extending, evaluating and applying a quantile regression forest (QRF) approach, i.e. a nonparametric, multivariate machine-learning technique based on random forest. The first study included in this thesis aimed to understand present sediment dynamics, i.e. in the period with available measurements (up to 15 years). To inform the modeling setup for the two subsequent studies, this study identified the most important predictors, areas within the catchments and time periods. To that end, water and sediment yields from three nested gauges in the upper Ötztal, Vent, Sölden and Tumpen (98 to almost 800 km² catchment area, 930 to 3772 m a.s.l.) were analyzed for their distribution in space, their seasonality and spatial differences therein, and the relative importance of short-term events. The findings suggest that the areas situated above 2500 m a.s.l., containing glacier tongues and recently deglaciated areas, play a pivotal role in sediment generation across all sub-catchments. In contrast, precipitation events were relatively unimportant (on average, 21 % of annual sediment yield was associated to precipitation events). Thus, the second and third study focused on the Vent catchment and its sub-catchment above gauge Vernagt (11.4 and 98 km², 1891 to 3772 m a.s.l.), due to their higher share of areas above 2500 m. Additionally, they included discharge, precipitation and air temperature (as well as their antecedent conditions) as predictors. The second study aimed to estimate sediment export since the 1960s/70s at gauges Vent and Vernagt. This was facilitated by the availability of long records of the predictors, discharge, precipitation and air temperature, and shorter records (four and 15 years) of turbidity-derived sediment concentrations at the two gauges. The third study aimed to estimate future sediment export until 2100, by applying the QRF models developed in the second study to pre-existing precipitation and temperature projections (EURO-CORDEX) and discharge projections (physically-based hydroclimatological and snow model AMUNDSEN) for the three representative concentration pathways RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5. The combined results of the second and third study show overall increasing sediment export in the past and decreasing export in the future. This suggests that peak sediment is underway or has already passed – unless precipitation changes unfold differently than represented in the projections or changes in the catchment erodibility prevail and override these trends. Despite the overall future decrease, very high sediment export is possible in response to precipitation events. This two-fold development has important implications for managing sediment, flood hazard and riverine ecology. This thesis shows that QRF can be a very useful tool to model sediment export in high-alpine areas. Several validations in the second study showed good performance of QRF and its superiority to traditional sediment rating curves – especially in periods that contained high sediment export events, which points to its ability to deal with threshold effects. A technical limitation of QRF is the inability to extrapolate beyond the range of values represented in the training data. We assessed the number and severity of such out-of-observation-range (OOOR) days in both studies, which showed that there were few OOOR days in the second study and that uncertainties associated with OOOR days were small before 2070 in the third study. As the pre-processed data and model code have been made publically available, future studies can easily test further approaches or apply QRF to further catchments. N2 - Der Klimawandel verändert vergletscherte Hochgebirgsregionen grundlegend, mit wohlbekannten Auswirkungen auf Kryosphäre und Hydrologie, wie beschleunigtem Gletscherrückgang, vorübergehend erhöhtem Abfluss, längeren schneefreien Perioden und häufigeren und intensiveren sommerlichen Starkniederschlägen. Diese Veränderungen wirken sich auf die Verfügbarkeit und den Transport von Sedimenten in hochalpinen Gebieten aus, indem sie die Interaktion und Intensität verschiedener Erosionsprozesse und Einzugsgebietseigenschaften verändern. Eine Abschätzung der zukünftigen Veränderungen des Schwebstofftransports in hochalpinen Bächen ist von entscheidender Bedeutung, da sie weitreichende Auswirkungen haben, z. B. auf das Hochwasserschadenspotenzial, die Hochwassergefahr in den Unterläufen, sowie Wasserkraftproduktion, aquatische Ökosysteme und Wasserqualität. Das derzeitige Verständnis der Auswirkungen des Klimawandels auf die Schwebstoffdynamik in diesen hochalpinen Regionen ist jedoch begrenzt. Dies liegt zum einen daran, dass es kaum ausreichend lange Messzeitreihen gibt, um z.B. Trends ableiten zu können. Zum anderen ist es aufgrund der Komplexität und der Vielzahl der Prozesse, die an der hochalpinen Sedimentdynamik beteiligt sind, schwierig - wenn nicht gar unmöglich - prozessbasierte Modelle zu entwickeln. Daher beschränkte sich das Wissen bisher auf konzeptionelle Modelle (die es nicht ermöglichen, konkrete Zeitpunkte oder Größenordnungen für einzelne Einzugsgebiete abzuleiten) oder qualitative Schätzungen ("höherer Sedimentaustrag in wärmeren Jahren"), die möglicherweise nicht in der Lage sind, Rückgänge im Sedimentaustrag abzubilden. In jüngster Zeit haben Ansätze des maschinellen Lernens für die Modellierung der Sedimentdynamik an Popularität gewonnen, da sie aufgrund ihres Black-Box-Charakters auf das vorliegende Problem zugeschnitten sind, d. h. auf relativ gut verstandene Eingangs- und Ausgangsdaten, die durch sehr komplexe Prozesse verknüpft sind. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist daher die Abschätzung des Sedimentaustrags am Beispiel des hochalpinen Ötztals in Tirol, Österreich, auf dekadischen Zeitskalen in der Vergangenheit und Zukunft – also Zeitskalen, die für den anthropogenen Klimawandel relevant sind. Dazu wird ein Quantile Regression Forest (QRF)-Ansatz, d.h. ein nichtparametrisches, multivariates maschinelles Lernverfahren auf der Basis von Random Forest, erweitert, evaluiert und angewendet. Die erste Studie im Rahmen dieser Arbeit zielte darauf ab, die "gegenwärtige" Sedimentdynamik zu verstehen, d. h. in dem Zeitraum, für den Messungen vorliegen (bis zu 15 Jahre). Um die Modellierung für die beiden folgenden Studien zu ermöglichen, wurden in dieser Studie die wichtigsten Prädiktoren, Teilgebiete des Untersuchungsgebiets und Zeiträume ermittelt. Zu diesem Zweck wurden die Wasser- und Sedimenterträge von drei verschachtelten Pegeln im oberen Ötztal, Vent, Sölden und Tumpen (98 bis fast 800 km² Einzugsgebiet, 930 bis 3772 m ü.d.M.), auf ihre räumliche Verteilung, ihre Saisonalität und deren räumlichen Unterschiede, sowie die relative Bedeutung von Niederschlagsereignissen hin untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Gebiete oberhalb von 2500 m ü. M., in denen sich Gletscherzungen und kürzlich entgletscherte Gebiete befinden, eine zentrale Rolle in der Sedimentdynamik in allen Teileinzugsgebieten spielen. Im Gegensatz dazu waren Niederschlagsereignisse relativ unbedeutend (im Durchschnitt wurden 21 % des jährlichen Austrags mit Niederschlagsereignissen in Verbindung gebracht). Daher konzentrierten sich die zweite und dritte Studie auf das Vent-Einzugsgebiet und sein Teileinzugsgebiet oberhalb des Pegels Vernagt (11,4 und 98 km², 1891 bis 3772 m ü. M.), da sie einen höheren Anteil an Gebieten oberhalb von 2500 m aufweisen. Außerdem wurden Abfluss, Niederschlag und Lufttemperatur (sowie deren Vorbedingungen) als Prädiktoren einbezogen. Die zweite Studie zielte darauf ab, den Sedimentexport seit den 1960er/70er Jahren an den Pegeln Vent und Vernagt abzuschätzen. Dies wurde durch die Verfügbarkeit langer Aufzeichnungen der Prädiktoren Abfluss, Niederschlag und Lufttemperatur sowie kürzerer Aufzeichnungen (vier und 15 Jahre) von aus Trübungsmessungen abgeleiteten Sedimentkonzentrationen an den beiden Pegeln ermöglicht. Die dritte Studie zielte darauf ab, den zukünftigen Sedimentexport bis zum Jahr 2100 abzuschätzen, indem die in der zweiten Studie entwickelten QRF-Modelle auf bereits existierende Niederschlags- und Temperaturprojektionen (EURO-CORDEX) und Abflussprojektionen (des physikalisch basierten hydroklimatologischen und Schneemodells AMUNDSEN) in den drei repräsentativen Konzentrationspfaden RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 angewendet wurden. Die kombinierten Ergebnisse der zweiten und dritten Studie legen nahe, dass der Sedimentexport in der Vergangenheit insgesamt zugenommen hat und in der Zukunft abnehmen wird. Dies deutet darauf hin, dass der Höhepunkt des Sedimenteintrags erreicht ist oder bereits überschritten wurde - es sei denn, die Niederschlagsveränderungen entwickeln sich anders, als es in den Projektionen dargestellt ist, oder Veränderungen in der Erodierbarkeit des Einzugsgebiets setzen sich durch. Trotz des allgemeinen Rückgangs in der Zukunft sind sehr hohe Sedimentausträge als Reaktion auf Niederschlagsereignisse möglich. Diese zweifältige Entwicklung hat wichtige Auswirkungen auf das Sedimentmanagement, die Hochwassergefahr und die Flussökologie. Diese Arbeit zeigt, dass QRF ein sehr nützliches Instrument zur Modellierung des Sedimentexports in hochalpinen Gebieten sein kann. Mehrere Validierungen in der zweiten Studie zeigten eine gute Modell-Performance und die Überlegenheit gegenüber traditionellen Sediment-Abfluss-Beziehungen – insbesondere in Zeiträumen, in denen es zu einem hohen Sedimentexport kam, was auf die Fähigkeit von QRF hinweist, mit Schwelleneffekten umzugehen. Eine technische Einschränkung von QRF ist die Unfähigkeit, über den Bereich der in den Trainingsdaten dargestellten Werte hinaus zu extrapolieren. Die Anzahl und den Schweregrad an solchen Tagen, in denen der Wertebereich der Trainingsdaten überschritten wurde, wurde in beiden Studien untersucht. Dabei zeigte sich, dass es in der zweiten Studie nur wenige solcher Tage gab und dass die mit den Überschreitungen verbundenen Unsicherheiten in der dritten Studie vor 2070 gering waren. Da die vorverarbeiteten Daten und der Modellcode öffentlich zugänglich gemacht wurden, können künftige Studien darauf aufbauend weitere Ansätze testen oder QRF auf weitere Einzugsgebiete anwenden. KW - suspended sediment KW - glacier melt KW - climate change KW - natural hazards KW - hydrology KW - geomorphology KW - Klimawandel KW - Geomorphologie KW - Gletscherschmelze KW - Hydrologie KW - Naturgefahren KW - suspendiertes Sediment Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-623302 ER - TY - THES A1 - Bubeck, Philip T1 - Flood impacts, behavioural responses of individuals, and integrated risk management Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Hartmann, Anne T1 - Tracing the evolution of hillslope structure and hillslope hydrological response over ten millennia in two glacial forefields of different geology T1 - Nachverfolgung der Evolution von Hangstruktur und hydrologischer Reaktion über zehn Jahrtausende in zwei Gletschervorfeldern N2 - Assessing the impact of global change on hydrological systems is one of the greatest hydrological challenges of our time. Changes in land cover, land use, and climate have an impact on water quantity, quality, and temporal availability. There is a widespread consensus that, given the far-reaching effects of global change, hydrological systems can no longer be viewed as static in their structure; instead, they must be regarded as entire ecosystems, wherein hydrological processes interact and coevolve with biological, geomorphological, and pedological processes. To accurately predict the hydrological response under the impact of global change, it is essential to understand this complex coevolution. The knowledge of how hydrological processes, in particular the formation of subsurface (preferential) flow paths, evolve within this coevolution and how they feed back to the other processes is still very limited due to a lack of observational data. At the hillslope scale, this intertwined system of interactions is known as the hillslope feedback cycle. This thesis aims to enhance our understanding of the hillslope feedback cycle by studying the coevolution of hillslope structure and hillslope hydrological response. Using chronosequences of moraines in two glacial forefields developed from siliceous and calcareous glacial till, the four studies shed light on the complex coevolution of hydrological, biological, and structural hillslope properties, as well as subsurface hydrological flow paths over an evolutionary period of 10 millennia in these two contrasting geologies. The findings indicate that the contrasting properties of siliceous and calcareous parent materials lead to variations in soil structure, permeability, and water storage. As a result, different plant species and vegetation types are favored on siliceous versus calcareous parent material, leading to diverse ecosystems with distinct hydrological dynamics. The siliceous parent material was found to show a higher activity level in driving the coevolution. The soil pH resulting from parent material weathering emerges as a crucial factor, influencing vegetation development, soil formation, and consequently, hydrology. The acidic weathering of the siliceous parent material favored the accumulation of organic matter, increasing the soils’ water storage capacity and attracting acid-loving shrubs, which further promoted organic matter accumulation and ultimately led to podsolization after 10 000 years. Tracer experiments revealed that the subsurface flow path evolution was influenced by soil and vegetation development, and vice versa. Subsurface flow paths changed from vertical, heterogeneous matrix flow to finger-like flow paths over a few hundred years, evolving into macropore flow, water storage, and lateral subsurface flow after several thousand years. The changes in flow paths among younger age classes were driven by weathering processes altering soil structure, as well as by vegetation development and root activity. In the older age class, the transition to more water storage and lateral flow was attributed to substantial organic matter accumulation and ongoing podsolization. The rapid vertical water transport in the finger-like flow paths, along with the conductive sandy material, contributed to podsolization and thus to the shift in the hillslope hydrological response. In contrast, the calcareous site possesses a high pH buffering capacity, creating a neutral to basic environment with relatively low accumulation of dead organic matter, resulting in a lower water storage capacity and the establishment of predominantly grass vegetation. The coevolution was found to be less dynamic over the millennia. Similar to the siliceous site, significant changes in subsurface flow paths occurred between the young age classes. However, unlike the siliceous site, the subsurface flow paths at the calcareous site only altered in shape and not in direction. Tracer experiments showed that flow paths changed from vertical, heterogeneous matrix flow to vertical, finger-like flow paths after a few hundred to thousands of years, which was driven by root activities and weathering processes. Despite having a finer soil texture, water storage at the calcareous site was significantly lower than at the siliceous site, and water transport remained primarily rapid and vertical, contributing to the flourishing of grass vegetation. The studies elucidated that changes in flow paths are predominantly shaped by the characteristics of the parent material and its weathering products, along with their complex interactions with initial water flow paths and vegetation development. Time, on the other hand, was not found to be a primary factor in describing the evolution of the hydrological response. This thesis makes a valuable contribution to closing the gap in the observations of the coevolution of hydrological processes within the hillslope feedback cycle, which is important to improve predictions of hydrological processes in changing landscapes. Furthermore, it emphasizes the importance of interdisciplinary studies in addressing the hydrological challenges arising from global change. N2 - Die Einschätzung der Auswirkungen des globalen Wandels auf die lokale Hydrologie stellt zweifellos eine der bedeutendsten hydrologischen Herausforderungen unserer Zeit dar. Die zuverlässige Vorhersage der zukünftigen Verfügbarkeit, Menge und Qualität des Wassers in Landschaften gewinnt dabei an höchster Bedeutung. Es herrscht weitgehender Konsens darüber, dass hydrologische Systeme aufgrund des globalen Wandels nicht mehr als statische Gebilde betrachtet werden können. Vielmehr sind sie als ganzheitliche Ökosysteme zu verstehen, in denen hydrologische Prozesse mit biologischen, geomorphologischen und pedologischen Faktoren interagieren und sich gemeinsam entwickeln. Allerdings ist das Wissen über die Entwicklung und die Rückkopplung hydrologischer Prozesse, insbesondere im Hinblick auf die Entstehung unterirdischer (präferenzieller) Fließwege, aufgrund mangelnder Beobachtungsdaten noch stark begrenzt. Das Hauptziel dieser Studie liegt daher darin, anhand von Untersuchungen auf der Hangskala die Wechselwirkung zwischen Struktur und hydrologischem Verhalten zu erforschen. Dadurch soll ein besseres Verständnis für den Rückkopplungszyklus gewonnen werden. Die vier in dieser Arbeit präsentierten Studien befassen sich mit der Entwicklung hydrologischer, biologischer und physikalischer Eigenschaften von Hängen sowie der Evolution hydrologischer Fließwege über einen Zeitraum von zehntausend Jahren in zwei unterschiedlichen geologischen Geologien. Durch die Analyse von Moränen-Chronosequenzen in zwei Gletschervorfeldern, die jeweils aus silikatreichem bzw. kalkreichem Geschiebemergel entstanden sind, wird die komplexe Koevolution in Abhängigkeit von der geologischen Beschaffenheit des Ausgangsmaterials beleuchtet. Die Ergebnisse zeigen, dass die verschiedenen Eigenschaften von silikatreichem und kalkhaltigem Ausgangsmaterial unter den gegebenen Klimabedingungen zu Unterschieden in Bodeneigenschaften, Durchlässigkeit und Wasserspeicherung führen. Dies wiederum begünstigt unterschiedliche Vegetationstypen und resultiert in vielfältigen Ökosystemen mit variierenden hydrologischen Dynamiken. Interessanterweise treibt das silikatreiche Ausgangsmaterial die Koevolution stärker an. Hierbei spielt der pH-Wert des Bodens eine Schlüsselrolle, da er Auswirkungen auf Vegetation, Bodenbildung und folglich auch auf die Hydrologie hat. Die saure Verwitterung des silikatreichen Materials begünstigt die Anreicherung organischer Substanz, was zu einer Erhöhung der Wasserspeicherkapazität des Bodens und zur Podsolisierung führt. Innerhalb weniger Jahrhunderte entwickelt sich das unterirdische Wassertransportsystem von einer vertikalen, heterogenen Matrixströmung zu fingerartigen Fließwegen und nach mehreren Jahrtausenden zu einem System aus Makroporen, wobei die Wasserspeicherung und die unterirdische, laterale Strömung überwiegen. Im Gegensatz dazu weist der kalkhaltige Standort eine hohe pH-Pufferkapazität auf. In dem basischen bis neutralen Milieu sammelt sich vergleichsweise wenig abgestorbene, organische Substanz an, was zu einer geringeren Wasserspeicherkapazität führt und die Ansiedlung von Grasvegetation begünstigt. Die Fließwege ändern lediglich ihre Form, nicht jedoch ihre Richtung. Es wurde lediglich ein Übergang von vertikaler, heterogener Matrixströmung zu vertikalen, fingerartigen Fließwegen beobachtet. Der schnelle vertikale Wassertransport mit geringer Speicherung begünstigt die Erhaltung der Grasvegetation. Die durchgeführten Studien verdeutlichen, dass die Entwicklung der Fließwege hauptsächlich von den Eigenschaften des Ausgangsgesteins und seinen Verwitterungsprodukten sowie von deren komplexen Interaktionen mit den ursprünglichen Fließwegen und der Entwicklung der Vegetation geprägt ist. Im Gegensatz dazu spielt die Zeit keine entscheidende Rolle bei der Beschreibung der Evolution der hydrologischen Reaktion. Diese Studie trägt wesentlich dazu bei, die bestehende Lücke in Beobachtungen für die Erforschung der Koevolution von hydrologischen, biologischen, geomorphologischen und pedologischen Prozessen zu schließen. Dies ist von großer Bedeutung, um Vorhersagen hydrologischer Prozesse in sich wandelnden Landschaften zu verbessern. Sie zeigt außerdem die Relevanz interdisziplinärer Studien auf, um den zukünftigen Herausforderungen in der Hydrologie im Zuge des globalen Wandels erfolgreich zu begegnen. KW - soil hydrology KW - chronosequence study KW - landscape evolution KW - Chronosequenzstudie KW - Landschaftsentwicklung KW - Bodenhydrologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628629 ER - TY - THES A1 - Bryant, Seth T1 - Aggregation and disaggregation in flood risk models T1 - Aggregation und Disaggregation in Hochwasserrisikomodellen N2 - Floods continue to be the leading cause of economic damages and fatalities among natural disasters worldwide. As future climate and exposure changes are projected to intensify these damages, the need for more accurate and scalable flood risk models is rising. Over the past decade, macro-scale flood risk models have evolved from initial proof-of-concepts to indispensable tools for decision-making at global-, nationaland, increasingly, the local-level. This progress has been propelled by the advent of high-performance computing and the availability of global, space-based datasets. However, despite such advancements, these models are rarely validated and consistently fall short of the accuracy achieved by high-resolution local models. While capabilities have improved, significant gaps persist in understanding the behaviours of such macro-scale models, particularly their tendency to overestimate risk. This dissertation aims to address such gaps by examining the scale transfers inherent in the construction and application of coarse macroscale models. To achieve this, four studies are presented that, collectively, address exposure, hazard, and vulnerability components of risk affected by upscaling or downscaling. The first study focuses on a type of downscaling where coarse flood hazard inundation grids are enhanced to a finer resolution. While such inundation downscaling has been employed in numerous global model chains, ours is the first study to focus specifically on this component, providing an evaluation of the state of the art and a novel algorithm. Findings demonstrate that our novel algorithm is eight times faster than existing methods, offers a slight improvement in accuracy, and generates more physically coherent flood maps in hydraulically challenging regions. When applied to a case study, the algorithm generated a 4m resolution inundation map from 30m hydrodynamic model outputs in 33 s, a 60-fold improvement in runtime with a 25% increase in RMSE compared with direct hydrodynamic modelling. All evaluated downscaling algorithms yielded better accuracy than the coarse hydrodynamic model when compared to observations, demonstrating similar limits of coarse hydrodynamic models reported by others. The substitution of downscaling into flood risk model chains, in place of high-resolution modelling, can drastically improve the lead time of impactbased forecasts and the efficiency of hazard map production. With downscaling, local regions could obtain high resolution local inundation maps by post-processing a global model without the need for expensive modelling or expertise. The second study focuses on hazard aggregation and its implications for exposure, investigating implicit aggregations commonly used to intersect hazard grids with coarse exposure models. This research introduces a novel spatial classification framework to understand the effects of rescaling flood hazard grids to a coarser resolution. The study derives closed-form analytical solutions for the location and direction of bias from flood grid aggregation, showing that bias will always be present in regions near the edge of inundation. For example, inundation area will be positively biased when water depth grids are aggregated, while volume will be negatively biased when water elevation grids are aggregated. Extending the analysis to effects of hazard aggregation on building exposure, this study shows that exposure in regions at the edge of inundation are an order of magnitude more sensitive to aggregation errors than hazard alone. Among the two aggregation routines considered, averaging water surface elevation grids better preserved flood depths at buildings than averaging of water depth grids. The study provides the first mathematical proof and generalizeable treatment of flood hazard grid aggregation, demonstrating important mechanisms to help flood risk modellers understand and control model behaviour. The final two studies focus on the aggregation of vulnerability models or flood damage functions, investigating the practice of applying per-asset functions to aggregate exposure models. Both studies extend Jensen’s inequality, a well-known 1906 mathematical proof, to demonstrate how the aggregation of flood damage functions leads to bias. Applying Jensen’s proof in this new context, results show that typically concave flood damage functions will introduce a positive bias (overestimation) when aggregated. This behaviour was further investigated with a simulation experiment including 2 million buildings in Germany, four global flood hazard simulations and three aggregation scenarios. The results show that positive aggregation bias is not distributed evenly in space, meaning some regions identified as “hot spots of risk” in assessments may in fact just be hot spots of aggregation bias. This study provides the first application of Jensen’s inequality to explain the overestimates reported elsewhere and advice for modellers to minimize such artifacts. In total, this dissertation investigates the complex ways aggregation and disaggregation influence the behaviour of risk models, focusing on the scale-transfers underpinning macro-scale flood risk assessments. Extending a key finding of the flood hazard literature to the broader context of flood risk, this dissertation concludes that all else equal, coarse models overestimate risk. This dissertation goes beyond previous studies by providing mathematical proofs for how and where such bias emerges in aggregation routines, offering a mechanistic explanation for coarse model overestimates. It shows that this bias is spatially heterogeneous, necessitating a deep understanding of how rescaling may bias models to effectively reduce or communicate uncertainties. Further, the dissertation offers specific recommendations to help modellers minimize scale transfers in problematic regions. In conclusion, I argue that such aggregation errors are epistemic, stemming from choices in model structure, and therefore hold greater potential and impetus for study and mitigation. This deeper understanding of uncertainties is essential for improving macro-scale flood risk models and their effectiveness in equitable, holistic, and sustainable flood management. N2 - Hochwasser sind weiterhin die größte Ursache für wirtschaftliche Schäden undTodesopfer durch Naturkatastrophen weltweit. Da prognostiziert wird, dass künftige Klima- und Expositionsänderungen diese Schäden noch verstärken werden, steigt der Bedarf an genaueren und skalierbaren Hochwasserrisikomodellen. In den letzten zehn Jahren haben sich makroskalige Hochwasserrisikomodelle von ersten Machbarkeitsversuchen zu unverzichtbaren Instrumenten für Entscheidungsträger auf globaler, nationaler und zunehmend auch lokaler Ebene entwickelt. Dieser Fortschritt wurde weitgehend durch das Aufkommen von Hochleistungsrechnern und dieVerfügbarkeit globaler,weltraumgestützter Datensätze vorangetrieben. Trotz dieser Fortschrittewerden diese Modelle jedoch nur selten validiert und bleiben durchweg hinter der Genauigkeit zurück, die von hochauflösenden lokalen Modellen erreicht wird. Obwohl sich die Möglichkeiten verbessert haben, gibt es immer noch erhebliche Lücken im Verständnis der Skalenübertragungen, die typischerweise in großskaligen Modellen verwendet werden, insbesondere zu deren Tendenz zur Überschätzung von Risiken. Diese Dissertation zielt darauf ab, diese Lücken zu schließen, indem sie diese Skalentransfers untersucht, die mit der Konstruktion und Anwendung solcher groben makroskaligen Modelle einhergehen. Zu diesem Zweck werden vier Studien vorgestellt, die gemeinsam die Expositions- , Gefährdungs- und Vulnerabilitätskomponenten des Risikos betrachten, welche durch Upscaling oder Downscaling beeinflusst werden. Die erste Studie konzentriert sich auf eine Art von Downscaling, bei dem grobe Überschwemmungsraster auf eine feinere Auflösung umskaliert werden. Eine solche Herabskalierung von Überschwemmungsdaten wurde zwar bereits in zahlreichen globalen Modellketten eingesetzt, doch ist unsere Studie die erste, die sich speziell auf diese Komponente konzentriert und eine Bewertung des Standes der Technik sowie einen neuartigen Algorithmus liefert. Die Ergebnisse zeigen, dass unser neuartiger Algorithmus achtmal schneller ist als bestehende Methoden, eine leichte Verbesserung der Genauigkeit bietet und physikalisch kohärentere Überschwemmungskarten in hydraulisch anspruchsvollen Regionen erzeugt. Bei der Anwendung in einer Fallstudie erzeugte der Algorithmus eine Überschwemmungskarte mit einer Auflösung von 4 Metern aus den Ergebnissen eines 30-metrigen hydrodynamischen Modells in 33 Sekunden, was eine 60-fache Verbesserung der Laufzeit bei einem 25-prozentigen Anstieg des RMSE im Vergleich zur direkten hydrodynamischen Modellierung darstellt. Alle bewerteten Downscaling-Algorithmen erbrachten – im Vergleich zu Messergebnissen – eine bessere Genauigkeit als das grobe hydrodynamische Modell, was die Grenzen der groben hydrodynamischen Modelle aus früheren Studien bestätigt. Der Einsatz von Downscaling in Hochwasserrisikomodellketten anstelle von hochauflösender Modellierung kann die Vorlaufzeit von auswirkungsbasierten Vorhersagen und die Effizienz der Erstellung von Gefahrenkarten drastisch verbessern. Downscaling könnte es regional erlauben, hochauflösende lokale Überschwemmungskarten aus einem globalen Modell zu generieren, ohne dass teure Modellierung oder Fachwissen erforderlich sind. Die zweite Studie befasst sich mit der Aggregation von Gefahren und deren Auswirkungen auf die Exposition, wobei implizite Aggregationen untersucht werden, die üblicherweise Verwendung finden, wenn Gefahrenraster mit groben Expositionsmodellen verknüpft werden. In dieser Studie wird ein neuartiges räumliches Klassifizierungsframework eingeführt, um die Auswirkungen der Umskalierung von Hochwassergefahrenrastern auf eine gröbere Auflösung zu verstehen. Die Studie leitet analytische Lösungen in geschlossener Form für die räumliche Ausprägung und die Richtung des systematischen Fehlers durch die Aggregation von Überschwemmungsrastern ab und zeigt, dass dieser Fehler in Regionen nahe der Überschwemmungsgrenze immer auftritt. So wird beispielsweise die Überschwemmungsfläche positiv beeinflusst, wenn Einstautiefenraster aggregiert werden, während das Hochwasservolumen negativ beeinflusst wird, wenn Wasserhöhenraster aggregiert werden. Bei der Ausweitung der Analyse auf die Auswirkungen der Gefahrenaggregation auf die Gebäudeexposition zeigt diese Studie, dass die Exposition in Regionen am Rande der Überschwemmung um eine Größenordnung empfindlicher auf Aggregationsfehler reagiert als die Hochwassergefahr allein. Von den beiden betrachteten Aggregationsroutinen bewahrte die Mittelung von Wasseroberflächen-Höhenrastern die Überschwemmungstiefen an Gebäuden besser als die Mittelung von Einstautiefenrastern. Die Studie liefert den ersten mathematischen Beweis und eine verallgemeinerungsfähige Aggregationsmethode für Hochwassergefahrenraster und zeigt wichtige Mechanismen auf, die Hochwasserrisikomodellierern helfen können, das Modellverhalten zu verstehen und zu kontrollieren. Die letzten beiden Studien konzentrieren sich auf die Aggregation von Vulnerabilitätsmodellen oder Hochwasserschadensfunktionen und untersuchen die Praxis der Anwendung von gebäudespezifischen Funktionen auf aggregierte Expositionsmodelle. Beide Studien erweitern die Jensen’sche Ungleichung, einen bekannten mathematischen Beweis, um zu zeigen, wie die Aggregation von Flutschadensfunktionen zu systematischen Fehlern führt. Die Anwendung von Jensens Beweis aus dem Jahr 1906 in diesem neuen Kontext zeigt, dass typischerweise konkave Hochwasserschadensfunktionen zu einer systematischen Überschätzung führen, wenn sie aggregiert werden. Dieses Verhalten wurde anhand eines Simulationsexperiments mit 2 Millionen Gebäuden in Deutschland, vier globalen Hochwasserrisikosimulationen und drei Aggregationsszenarien weiter untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die positive Aggregationsverzerrung nicht gleichmäßig im Raum verteilt ist, was bedeutet, dass einige Regionen, die in den Bewertungen als „Hochrisikogebiete“ identifiziert wurden, in Wirklichkeit bloß „Hochfehlergebiet“ seien könnten. Dies ist die erste Anwendung der Jensen’schen Ungleichung zur Erklärung der Überschätzungen, die in anderen Studien für grobskalige Hochwasserrisikomodelle berichtet wurden. Diese Dissertation untersucht die komplexe Art und Weise, wie Aggregation und Disaggregation das Verhalten von Risikomodellen beeinflussen, und konzentriert sich dabei auf die Skalentransfers, die den makroskaligen Hochwasserrisikobewertungen zugrunde liegen. Indem sie eine wichtige Erkenntnis aus der Literatur zur Hochwassergefahr auf den breiteren Kontext des Hochwasserrisikos ausweitet, zeigt diese Dissertation, dass grobe Modelle das Risiko überschätzen, wenn alle anderen Faktoren gleich sind. Diese Dissertation geht über frühere Studien hinaus, indem sie mathematische Beweise dafür liefert, wie und wo systematische Fehler in Aggregationsroutinen entstehen, und bietet eine mechanistische Erklärung für die Überschätzung in groben Modellen. Es wird gezeigt, dass diese Verzerrung räumlich heterogen ist, was ein tiefes Verständnis der Art und Weise erfordert, wie die Umskalierung Modelle verzerren kann, um Unsicherheiten effektiv zu reduzieren oder zu kommunizieren. Die Dissertation enthält spezifische Empfehlungen, die Modellierern helfen sollen, Skalenübertragungen in problematischen Regionen zu minimieren. Abschließend argumentiere ich, dass solche Aggregationsfehler epistemischer Natur sind, da sie aus der Wahl der Modellstruktur resultieren, und daher ein größeres Potenzial und einen stärkeren Anstoß zur Verbesserung bieten sollten. Dieses tiefere Verständnis von Unsicherheiten ist unerlässlich, wenn makroskalige Hochwasserrisikomodelle ihr volles Potenzial als Werkzeuge für ein gerechtes, ganzheitliches und nachhaltiges Zusammenleben mit extremen Überschwemmungen entfalten sollen. KW - flood risk KW - uncertainty KW - models KW - GIS KW - Hochwasserrisiko KW - Unsicherheit KW - Modelle KW - GIS Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-650952 ER - TY - THES A1 - Reuß, Maximilian T1 - Laborexperimente, Überwachung und Simulation einer reaktiven Wand zur Abreinigung von eisen- und sulfathaltigen Bergbauwässern bei sauren und neutralen pH-Bedingungen T1 - Optical in-situ monitoring of acid and neutral mine drainage remediation: Laboratory and model investigation N2 - In dieser Arbeit wurde eine reaktive Wand in einem kleinskaligen Laborma\ss stab (Länge~=~40\,cm) entwickelt, die Eisen- und Sulfatbelastungen aus sauren Minenabwässern (engl. \textit{acid mine drainage} (AMD)) mit einer Effizienz von bis zu 30.2 bzw. 24.2\,\% über einen Zeitraum von 146~Tagen (50\,pv) abreinigen können sollte. Als reaktives Material wurde eine Mischung aus Gartenkompost, Buchenholz, Kokosnussschale und Calciumcarbonat verwendet. Die Zugabebedingungen waren eine Eisenkonzentration von 1000\,mg/L, eine Sulfatkonzentration von 3000\,mg/L und ein pH-Wert von 6.2. Unterschiede in der Materialzusammensetzung ergaben keine grö\ss eren Änderungen in der Sanierungseffizienz von Eisen- und Sulfatbelastungen (12.0 -- 15.4\,\% bzw. 7.0 -- 10.1\,\%) über einen Untersuchungszeitraum von 108~Tagen (41 -- 57\,pv). Der wichtigste Einflussfaktor auf die Abreinigungsleistung von Sulfat- und Eisenbelastungen war die Verweilzeit der AMD-Lösung im reaktiven Material. Diese kann durch eine Verringerung des Durchflusses oder eine Erhöhung der Länge der reaktiven Wand (engl. \textit{Permeable Reactive Barrier} (PRB)) erhöht werden. Ein halbierter Durchfluss erhöhte die Sanierungseffizienzen von Eisen und Sulfat auf 23.4 bzw. 32.7\,\%. Weiterhin stieg die Sanierungseffizienz der Eisenbelastungen auf 24.2\,\% bei einer Erhöhung der Sulfatzugabekonzentration auf 6000\,mg/L. Saure Startbedingungen (pH~=~2.2) konnten, durch das Calciumcarbonat im reaktiven Material, über einen Zeitraum von 47~Tagen (24\,pv) neutralisiert werden. Durch die Neutralisierung der sauren Startbedingungen wurde Calciumcarbonat in der \gls{prb} verbraucht und Calcium-Ionen freigesetzt, die die Sulfatsanierungseffizienz erhöht haben (24.9\,\%). Aufgrund einer Vergrö\ss erung der \gls{prb} in Breite und Tiefe und einer 2D-Parameterbestimmung konnten Randläufigkeiten beobachtet werden, ohne deren Einfluss sich die Sanierungseffizienz für Eisen- und Sulfatbelastungen erhöht (30.2 bzw. 24.2\,\%). \par Zur \textit{in-situ} Überwachung der \gls{prb} wurden optische Sensoren verwendet, um den pH-Wert, die Sauerstoffkonzentration und die Temperatur zu ermitteln. Es wurden, nach dem Ort und der Zeit aufgelöst, stabile Sauerstoffkonzentrationen und pH-Verläufe detektiert. Auch die Temperatur konnte nach dem Ort aufgelöst ermittelt werden. Damit zeigte diese Arbeit, dass optische Sensoren zur Überwachung der Stabilität einer \gls{prb} für die Reinigung von \gls{amd} verwendet werden können. \par Mit dem Simulationsprogramm MIN3P wurde eine Simulation erstellt, die die entwickelte PRB darstellt. Die Simulation kann die erhaltenen Laborergebnisse gut wiedergeben. Anschlie\ss end wurde eine simulierte \gls{prb} bei unterschiedlichen Filtergeschwindigkeiten ((4.0 -- 23.5)~$\cdot~\mathrm{10^{-7}}$\,m/s) und Längen der PRB (25 -- 400\,cm) untersucht. Es wurden Zusammenhänge der untersuchten Parameter mit der Sanierungseffizienz von Eisen- und Sulfatbelastungen ermittelt. Diese Zusammenhänge können verwendet werden, um die benötigte Verweilzeit der AMD-Lösung in einem zukünftigen PRB-System, die für die maximal mögliche Sanierungsleistung notwendig ist, zu berechnen. N2 - A subsurface permeable reactive barrier (\gls{prb}) can be deployed to remediate acid mine drainage (AMD). The performance of a \gls{prb} material under different boundary conditions (pH, flow velocity, sulfate concentration, dimension) was investigated in a series of column experiments applying in situ optical sensing methods for pH and oxygen detection. The reactive material consisted of organic components (compost, wood and coconut shell) mixed with calcium carbonate and fine gravel. The input concentrations were around 1000\,mg/L for iron and 3000\,mg/L for sulfate and the pH value was 6.2. The remediation efficiency could reach was 30.2\,\% in case of iron and for sulfate 24.2\,\% for a 40\,cm \gls{prb} for a duration time of 146~days (50\,pv). It can be expected to scale up when moving to a field-site \gls{prb} with greater thickness. The differences in organic material composition as chosen appeared minor (12.0 -- 15.4\,\% for iron and 7.0 -- 10.1\,\% for sulfate). Decreasing the flow velocity and increasing the sulfate input concentration and the pH value influenced the iron and sulfate removal. Low pH boundary conditions (pH = 2.2) were neutralized in the \gls{prb} by calcium carbonate during an experiment duration of 47~days (24\,pv). When enlarging the set-up to have a 2D dimension and expanding the parameter detection accordingly, boundary effects were seen, which decrease the remediation efficiency. Without these boundary effects the remediation efficiency of iron and sulfate increase to 30.0 and 24.2\,\%, respectively. \par This study also demonstrated the application of optical oxygen, pH and temperature monitoring in PRBs. Stable oxygen concentration and pH cources could be monitored time- and location-dependent. Also location-dependent temperature monitoring could be shown in this study. In this context, they can be used to monitor the stability of a \gls{prb} for the remediation of \gls{amd}. \par The modelling program MIN3P was used to create a simulation of the laboratory experiments. Additionally, different flow velocities and length of PRB were investigated with the simulation. This helps to design parameters, e.g. the residence time in the \gls{prb}, which is necessary for close to 100\,\% remediation efficiency. KW - Reaktive Wand KW - Saures Mienenwasser KW - faseroptische chemische Sensoren KW - permeable reactive barrier KW - acid mine drainage KW - fiber optical chemical sensors Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-648564 ER - TY - JOUR A1 - Schubarth, Wilfried A1 - Kohlstruck, Michael A1 - Rolfes, Manfred T1 - Expertise zum Handlungskonzept der Landesregierung "Tolerantes Brandenburg - für eine Starke und lebendige Demokratie" JF - Potsdamer Geographische Praxis Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468198 SN - 978-3-86956-483-8 SN - 2194-1599 SN - 2194-1602 IS - 15 SP - 129 EP - 172 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - JOUR A1 - Bode, Dagmar A1 - Rolfes, Manfred T1 - Einschätzungen zum politischen Handlungsfeld "Stärkung der Demokratie und Intensivierung der gesellschaftlichen Beteiligung" im Land Brandenburg BT - Ergebnisse der Befragung der teilnehmenden der 18 Zukunftdialoge 2015 bis 2016 JF - Potsdamer Geographische Praxis Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468187 SN - 978-3-86956-483-8 SN - 2194-1599 SN - 2194-1602 IS - 15 SP - 59 EP - 128 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - JOUR A1 - Schubarth, Wilfried A1 - Kohlstruck, Michael A1 - Rolfes, Manfred T1 - Zukunftsdialog tolerantes Brandenburg BT - Ergebnisse der wissenschaftlichen Beobachtung JF - Potsdamer Geographischer Praxis Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468179 SN - 978-3-86956-483-8 SN - 2194-1599 SN - 2194-1602 IS - 15 SP - 21 EP - 57 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - JOUR A1 - Rolfes, Manfred T1 - Beobachtungen zum Handlungskonzept "Tolerantes Brandenburg" JF - Potsdamer Geographische Praxis Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468164 SN - 978-3-86956-483-8 SN - 2194–1599 SN - 2194-1602 VL - 15 SP - 7 EP - 19 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER -