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 - 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 - 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 - 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 - Zhang, Xiaolin T1 - Evaluation of nitrogen dynamics in high-order streams and rivers based on high-frequency monitoring T1 - Bewertung der Stickstoffdynamik in Fliessgewässern 4.-6. Ordnung auf der Grundlage zeitlich hochaufgelöster Sensormessungen N2 - Nutrient storage, transform and transport are important processes for achieving environmental and ecological health, as well as conducting water management plans. Nitrogen is one of the most noticeable elements due to its impacts on tremendous consequences of eutrophication in aquatic systems. Among all nitrogen components, researches on nitrate are blooming because of widespread deployments of in-situ high-frequency sensors. Monitoring and studying nitrate can become a paradigm for any other reactive substances that may damage environmental conditions and cause economic losses. Identifying nitrate storage and its transport within a catchment are inspiring to the management of agricultural activities and municipal planning. Storm events are periods when hydrological dynamics activate the exchange between nitrate storage and flow pathways. In this dissertation, long-term high-frequency monitoring data at three gauging stations in the Selke river were used to quantify event-scale nitrate concentration-discharge (C-Q) hysteretic relationships. The Selke catchment is characterized into three nested subcatchments by heterogeneous physiographic conditions and land use. With quantified hysteresis indices, impacts of seasonality and landscape gradients on C-Q relationships are explored. For example, arable area has deep nitrate legacy and can be activated with high intensity precipitation during wetting/wet periods (i.e., the strong hydrological connectivity). Hence, specific shapes of C-Q relationships in river networks can identify targeted locations and periods for agricultural management actions within the catchment to decrease nitrate output into downstream aquatic systems like the ocean. The capacity of streams for removing nitrate is of both scientific and social interest, which makes the quantification motivated. Although measurements of nitrate dynamics are advanced compared to other substances, the methodology to directly quantify nitrate uptake pathways is still limited spatiotemporally. The major problem is the complex convolution of hydrological and biogeochemical processes, which limits in-situ measurements (e.g., isotope addition) usually to small streams with steady flow conditions. This makes the extrapolation of nitrate dynamics to large streams highly uncertain. Hence, understanding of in-stream nitrate dynamic in large rivers is still necessary. High-frequency monitoring of nitrate mass balance between upstream and downstream measurement sites can quantitatively disentangle multi-path nitrate uptake dynamics at the reach scale (3-8 km). In this dissertation, we conducted this approach in large stream reaches with varying hydro-morphological and environmental conditions for several periods, confirming its success in disentangling nitrate uptake pathways and their temporal dynamics. Net nitrate uptake, autotrophic assimilation and heterotrophic uptake were disentangled, as well as their various diel and seasonal patterns. Natural streams generally can remove more nitrate under similar environmental conditions and heterotrophic uptake becomes dominant during post-wet seasons. Such two-station monitoring provided novel insights into reach-scale nitrate uptake processes in large streams. Long-term in-stream nitrate dynamics can also be evaluated with the application of water quality model. This is among the first time to use a data-model fusion approach to upscale the two-station methodology in large-streams with complex flow dynamics under long-term high-frequency monitoring, assessing the in-stream nitrate retention and its responses to drought disturbances from seasonal to sub-daily scale. Nitrate retention (both net uptake and net release) exhibited substantial seasonality, which also differed in the investigated normal and drought years. In the normal years, winter and early spring seasons exhibited extensive net releases, then general net uptake occurred after the annual high-flow season at later spring and early summer with autotrophic processes dominating and during later summer-autumn low-flow periods with heterotrophy-characteristics predominating. Net nitrate release occurred since late autumn until the next early spring. In the drought years, the late-autumn net releases were not so consistently persisted as in the normal years and the predominance of autotrophic processes occurred across seasons. Aforementioned comprehensive results of nitrate dynamics on stream scale facilitate the understanding of instream processes, as well as raise the importance of scientific monitoring schemes for hydrology and water quality parameters. N2 - Die Speicherung, Umwandlung und der Transport von Nährstoffen sind wichtige Prozesse, welche den ökologische Status der Fließgewässer bestimmen. Aufgrund seiner Auswirkungen auf die Eutrophierung von aquatischen Systemen ist hierbei Stickstoff eines der wichtigsten Elemente. Durch neue Entwicklungen in der Sensortechnik zeigt die Forschung zum Nitrat derzeit eine besonders große Dynamik. In dieser Dissertation werden die hysteretischen Beziehungen zwischen Nitratkonzentration und Abfluss (C-Q) an drei Pegeln der Selke im Bodegebiet analysiert, um die Dynamik von Nitratspeicherung und -transport während Hochwasserereignissen in einem genesteten Einzugsgebiet zu untersuchen. Verschiedene Kombinationen der C-Q-Hysterese-Indizes deuten auf unterschiedliche Muster des Nitrat-Transports und seiner Einflussfaktoren hin. Die Hysterese im Uhrzeigersinn tritt eher während der Trockenzeit auf, was auf eine geringe hydrologische Konnektivität vom Land zum Fließgewässer auf den Export distaler Nitratquellen hinweist. Im untersten Einzugsgebiet der Selke dominieren Verdünnungseffekte, die möglicherweise durch Abflüsse aus flussaufwärts gelegenen Teileinzugsgebieten während der Niederschlagsereignisse oder durch schnelle Abflüsse von befestigten Flächen beeinflusst wurden. Unterschiede in der Reaktion des Nitratexports auf Abflussereignisse können während sommerlicher Trockenperioden verstärkt werden, wenn sich die hydrologische Konnektivität und die biogeochemischen Prozesse stark verändern. Daher können spezifische Formen von C-Q-Beziehungen in Fließgewässern zur Verortung und Bestimmung von Zeiträume für landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmaßnahmen innerhalb des Wassereinzugsgebiets genutzt werden, um den Nitrateintrag in die Fließ- und Standgewässer zu verringern. Die Fähigkeit von Fließgewässern, Nitrat zu entfernen, ist sowohl von wissenschaftlichem als auch von gesellschaftlichem Interesse. Obwohl die Untersuchungen der Nitratdynamik im Vergleich zu anderen Wasserinhaltsstoffen fortgeschritten sind, ist die Methodik zur direkten Quantifizierung der Nitrataufnahme- und -retention räumlich und zeitlich nicht vollständig verstanden. Das Hauptproblem ist die komplexe Verflechtung von hydrologischen und biogeochemischen Prozessen. In-situ-Messungen (z. B. Isotopenanreicherung) sind aufgrund methodischer Beschränkungen in der Regel auf kleine Fließgewässer mit konstanten Strömungsverhältnissen beschränkt. Dadurch ist die Extrapolation der Nitratdynamik auf große Bäche und kleine Flüsse mit großen Unsicherheiten behaftet. Daher bestehen große Defizite beim Verständnis der Nitratdynamik in größeren Fließgewässer. Die hochfrequente Messung der Nitrat-Massenbilanz zwischen flussaufwärts und flussabwärts gelegenen Messstellen kann die Dynamik der Nitrataufnahme über unterschiedliche Aufnahme- und Retentionspfade anhand der gezielten Untersuchung von Gewässerabschnitten (3-8 km) quantitativ erfassen. In dieser Dissertation wurde dieser Ansatz in Fließgewässern mittlerer Größe mit unterschiedlichen hydro-morphologischen und saisonalen Bedingungen eingesetzt. Die Ergebnisse erlaubten eine Aufschlüsselung der unterschiedlichen Nitrataufnahmewege und ihrer zeitlichen Dynamik. Die Netto-Nitrataufnahme, die autotrophe Assimilation und die heterotrophe Aufnahme sowie ihre unterschiedlichen tages- und jahreszeitlichen Muster konnten analysiert werden. Natürliche Fließgewässer können im Allgemeinen unter ähnlichen Umweltbedingungen mehr Nitrat entfernen als anthropogen überprägte Fließgewässer. Es konnte gezeigt werden, dass die heterotrophe Aufnahme während der trockenen Jahreszeit dominiert. Auf der Basis von gezielten Untersuchungen von Gewässerabschnitten lieferte die Zwei-Stationen-Methode neue Einblicke in die Prozesse der Nitrataufnahme in größeren Fließgewässern. Die langfristige Nitratdynamik in Fließgewässern kann auch durch die zusätzliche Anwendung von Wasserqualitätsmodellen analysiert werden. Dies ist eines der ersten Forschungsvorhaben, bei dem die Zwei-Stationen-Methode in größeren Fließgewässern mit komplexer Strömungsdynamik im Rahmen einer zeitliche hochaufgelösten Langzeitüberwachung eingesetzt wird, um den Nitratrückhalt im Fließgewässer und den Einfluss von Niedrigwasserbedingungen hinsichtlich saisonaler und diurnaler Zeitskalen zu untersuchen. Der Nitratrückhalt (sowohl die Nettoaufnahme als auch die Nettoabgabe) wies erhebliche saisonale Schwankungen auf, die sich auch in den untersuchten normalen Jahren und Jahren mit ausgeprägten Niedrigwasserbedingungen unterschieden. In den normalen Jahren kam es im Winter und zu Beginn des Frühjahrs zu einer umfangreichen Freisetzung von Stickstoff, während die Nettoaufnahme nach der jährlichen abflussreichen Winterperiode im späteren Frühjahr und im Frühsommer am höchsten war, wobei autotrophe Prozesse dominierten. Während der Niedrigwasserperioden im Spätsommer und Herbst dominierte bei der Netto-Stickstoffretention die heterotrophe Aufnahme. Die Netto-Nitratfreisetzung erfolgte vom Spätherbst bis zum folgenden Frühjahr. In den Dürrejahren war die Netto-Nitratfreisetzung im Spätherbst weniger konstant wie in den Normaljahren, und die autotrophen Prozesse dominierten über die Jahreszeiten hinweg. Diese umfassenden Ergebnisse der Nitratdynamik in größeren Fließgewässern verbessern das Verständnis von gewässerinternen Umsetzungsprozessen und zeigen die Möglichkeiten auf, die der gezielte Einsatz von zeitlich hochaufgelöster Sensormessungen in der Gewässerüberwachung bieten kann. KW - high-frequency monitoring KW - in-stream nitrogen dynamics KW - high-order streams and rivers KW - Bäche und Flüsse hoher Ordnung KW - Stickstoffdynamik in Fliessgewässern KW - zeitlich hochaufgelöste Sensormessungen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-607642 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 - 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 - Calitri, Francesca T1 - Co-evolution of erosion rates, weathering and profile development in soil landscapes of hummocky ground moraines N2 - Soil is today considered a non-renewable resource on societal time scale, as the rate of soil loss is higher than the one of soil formation. Soil formation is complex, can take several thousands of years and is influenced by a variety of factors, one of them is time. Oftentimes, there is the assumption of constant and progressive conditions for soil and/or profile development (i.e., steady-state). In reality, for most of the soils, their (co-)evolution leads to a complex and irregular soil development in time and space characterised by “progressive” and “regressive” phases. Lateral transport of soil material (i.e., soil erosion) is one of the principal processes shaping the land surface and soil profile during “regressive” phases and one of the major environmental problems the world faces. Anthropogenic activities like agriculture can exacerbate soil erosion. Thus, it is of vital importance to distinguish short-term soil redistribution rates (i.e., within decades) influenced by human activities differ from long-term natural rates. To do so, soil erosion (and denudation) rates can be determined by using a set of isotope methods that cover different time scales at landscape level. With the aim to unravel the co-evolution of weathering, soil profile development and lateral redistribution on a landscape level, we used Pluthonium-239+240 (239+240Pu), Beryllium-10 (10Be, in situ and meteoric) and Radiocarbon (14C) to calculate short- and long-term erosion rates in two settings, i.e., a natural and an anthropogenic environment in the hummocky ground moraine landscape of the Uckermark, North-eastern Germany. The main research questions were: 1. How do long-term and short-term rates of soil redistributing processes differ? 2. Are rates calculated from in situ 10Be comparable to those of using meteoric 10Be? 3. How do soil redistribution rates (short- and long-term) in an agricultural and in a natural landscape compare to each other? 4. Are the soil patterns observed in northern Germany purely a result of past events (natural and/or anthropogenic) or are they imbedded in ongoing processes? Erosion and deposition are reflected in a catena of soil profiles with no or almost no erosion on flat positions (hilltop), strong erosion on the mid-slope and accumulation of soil material at the toeslope position. These three characteristic process domains were chosen within the CarboZALF-D experimental site, characterised by intense anthropogenic activities. Likewise, a hydrosequence in an ancient forest was chosen for this study and being regarded as a catena strongly influenced by natural soil transport. The following main results were obtained using the above-mentioned range of isotope methods available to measure soil redistribution rates depending on the time scale needed (e.g., 239+240Pu, 10Be, 14C): 1. Short-term erosion rates are one order of magnitude higher than long-term rates in agricultural settings. 2. Both meteoric and in situ 10Be are suitable soil tracers to measure the long-term soil redistribution rates giving similar results in an anthropogenic environment for different landscape positions (e.g., hilltop, mid-slope, toeslope) 3. Short-term rates were extremely low/negligible in a natural landscape and very high in an agricultural landscape – -0.01 t ha-1 yr-1 (average value) and -25 t ha-1 yr-1 respectively. On the contrary, long-term rates in the forested landscape are comparable to those calculated in the agricultural area investigated with average values of -1.00 t ha-1 yr-1 and -0.79 t ha-1 yr-1. 4. Soil patterns observed in the forest might be due to human impact and activities started after the first settlements in the region, earlier than previously postulated, between 4.5 and 6.8 kyr BP, and not a result of recent soil erosion. 5. Furthermore, long-term soil redistribution rates are similar independently from the settings, meaning past natural soil mass redistribution processes still overshadow the present anthropogenic erosion processes. Overall, this study could make important contributions to the deciphering of the co-evolution of weathering, soil profile development and lateral redistribution in North-eastern Germany. The multi-methodological approach used can be challenged by the application in a wider range of landscapes and geographic regions. N2 - Boden wird heute im gesellschaftlichen Zeitmaßstab als nicht erneuerbare Ressource angesehen, da die Geschwindigkeit des Bodenverlusts höher ist als die der Bodenbildung. Bodenbildung ist komplex, kann mehrere tausend Jahre dauern und wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, unter anderem Zeit. Häufig wird von konstanten und fortschreitenden Bedingungen für die Boden- und/oder Profilentwicklung (d. h. «Steady-State») ausgegangen. Tatsächlich führt ihre (Co-)Evolution bei den meisten Böden zu einer komplexen und zeitlich und räumlich unregelmäßigen Bodenentwicklung, die durch „progressive“ und „regressive“ Phasen gekennzeichnet ist. Der laterale Transport von Bodenmaterial (d. h. Bodenerosion) ist einer der Hauptprozesse, der die Landoberfläche und das Bodenprofil während „rückläufiger“ Phasen bilden, und eines der größten Umweltprobleme, mit denen die Welt konfrontiert ist. Anthropogene Aktivitäten wie die Landwirtschaft können die Bodenerosion verstärken. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, kurzfristige Bodenumverteilungsraten (d. h. innerhalb von Jahrzehnten), die durch menschliche Aktivitäten beeinflusst werden, von langfristigen natürlichen Raten zu unterscheiden. Zu diesem Zweck können Bodenerosions- (und Denudations-) Raten mithilfe einer Reihe von Isotopenmethoden bestimmt werden, die verschiedene Zeitskalen auf Landschaftsebene abdecken. Mit dem Ziel, die Co-Evolution von Verwitterung, Bodenprofilentwicklung und lateraler Umverteilung auf Landschaftsebene aufzuklären, verwendeten wir Plutonium-239+240 (239+240Pu), Beryllium-10 (10Be, in situ und meteorisch) und Radiokohlenstoff (14C) zur Berechnung kurz- und langfristiger Erosionsraten in zwei Umgebungen: einer natürlichen und einer anthropogenen Umgebung in der hügeligen Grundmoränenlandschaft der Uckermark in Nordostdeutschland. Die wichtigsten Forschungsfragen waren: 1. Wie unterscheiden sich langfristige und kurzfristige Raten von Bodenumverteilungsprozessen? 2. Sind die aus in situ 10Be berechneten Raten vergleichbar mit denen der Verwendung von meteorischem 10Be? 3. Wie verhalten sich Bodenumlagerungsraten (kurz- und langfristig) in einer Agrar- und in einer Naturlandschaft zueinander? 4. Sind die in Norddeutschland beobachteten Bodenmuster reine Folge vergangener Ereignisse (natürlich und/oder anthropogen) oder sind sie in laufende Prozesse eingebettet? Erosion und Ablagerung spiegeln sich in einer Kette von Bodenprofilen mit keiner oder fast keiner Erosion auf flachen Positionen (Hügelkuppe), starker Erosion auf der Hangmitte und Anhäufung von Bodenmaterial am Hangfuss wider. Diese drei charakteristischen Prozessdomänen wurden innerhalb des CarboZALF-D-Versuchsstandorts ausgewählt, der durch intensive anthropogene Aktivitäten gekennzeichnet ist. Ebenso wurde für diese Studie eine Hydrosequenz in einem alten Wald ausgewählt, die als stark vom natürlichen Bodentransport beeinflusste Catena angesehen wird. Die folgenden Hauptergebnisse wurden unter Verwendung der oben erwähnten Reihe von Isotopenmethoden erzielt, die zur Messung der Bodenumverteilungsraten in Abhängigkeit von der erforderlichen Zeitskala (z. B. 239+240Pu, 10Be, 14C) verfügbar sind: 1. Im landwirtschaftlichen Umfeld sind kurzfristige Erosionsraten eine Größenordnung höher als langfristige Raten. 2. Sowohl meteorisches als auch in situ 10Be sind geeignete Bodenindikatoren, um die langfristigen Bodenumverteilungsraten zu messen. Sie liefern ähnliche Ergebnisse in einer anthropogenen Umgebung für verschiedene Landschaftspositionen (z. B. Hügelkuppe, Mittelhang, Hangfuss). 3. Die Kurzzeitraten waren in einer Naturlandschaft extrem niedrig/vernachlässigbar und in einer Agrarlandschaft sehr hoch – -0,01 t ha-1 Jahr-1 (Durchschnittswert) bzw. -25 t ha-1 Jahr- 1. Im Gegensatz dazu sind die langjährigen Belastungen in der Waldlandschaft vergleichbar mit den berechneten in der untersuchten landwirtschaftlichen Fläche mit Durchschnittswerten von -1,00 t ha-1 Jahr-1 und -0,79 t ha-1 Jahr-1. 4. Die im Wald beobachteten Bodenmuster könnten auf menschliche Einflüsse und Aktivitäten zurückzuführen sein, die nach den ersten Siedlungen in der Region begannen, und nicht auf die jüngste Bodenerosion. Diese Aktivitäten könnten früher als zuvor angenommen, zwischen 2’500 und 4’800 Jahren vor Christus, erfolgt sein. 5. Darüber hinaus sind die langfristigen Bodenumverteilungsraten unabhängig vom Umfeld ähnlich, was bedeutet, dass vergangene natürliche Bodenmassenumverteilungsprozesse immer noch die gegenwärtigen anthropogenen Erosionsprozesse überschatten. Insgesamt konnte diese Studie wichtige Beiträge zur Entschlüsselung der Co-Evolution von Verwitterung, Bodenprofilentwicklung und lateraler Umverteilung in Nordostdeutschland leisten. Der verwendete multimethodische Ansatz kann durch die Anwendung in einem breiteren Spektrum von Landschaften und geografischen Regionen herausgefordert werden. T2 - Co-Evolution von Erosionsraten, Verwitterung und Profilentwicklung in Bodenlandschaften hügeliger Grundmoränen KW - soil erosion KW - 239+240Plutonium KW - 10Be KW - Agricultural soils KW - Forest KW - Bodenerosion KW - 239+240Plutonium KW - 10Be KW - Landwirtschaftlicher Böden KW - Wald Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601387 ER - TY - THES A1 - Schmitz, Seán T1 - Using low-cost sensors to gather high resolution measurements of air quality in urban environments and inform mobility policy N2 - Air pollution has been a persistent global problem in the past several hundred years. While some industrialized nations have shown improvements in their air quality through stricter regulation, others have experienced declines as they rapidly industrialize. The WHO’s 2021 update of their recommended air pollution limit values reflects the substantial impacts on human health of pollutants such as NO2 and O3, as recent epidemiological evidence suggests substantial long-term health impacts of air pollution even at low concentrations. Alongside developments in our understanding of air pollution's health impacts, the new technology of low-cost sensors (LCS) has been taken up by both academia and industry as a new method for measuring air pollution. Due primarily to their lower cost and smaller size, they can be used in a variety of different applications, including in the development of higher resolution measurement networks, in source identification, and in measurements of air pollution exposure. While significant efforts have been made to accurately calibrate LCS with reference instrumentation and various statistical models, accuracy and precision remain limited by variable sensor sensitivity. Furthermore, standard procedures for calibration still do not exist and most proprietary calibration algorithms are black-box, inaccessible to the public. This work seeks to expand the knowledge base on LCS in several different ways: 1) by developing an open-source calibration methodology; 2) by deploying LCS at high spatial resolution in urban environments to test their capability in measuring microscale changes in urban air pollution; 3) by connecting LCS deployments with the implementation of local mobility policies to provide policy advice on resultant changes in air quality. In a first step, it was found that LCS can be consistently calibrated with good performance against reference instrumentation using seven general steps: 1) assessing raw data distribution, 2) cleaning data, 3) flagging data, 4) model selection and tuning, 5) model validation, 6) exporting final predictions, and 7) calculating associated uncertainty. By emphasizing the need for consistent reporting of details at each step, most crucially on model selection, validation, and performance, this work pushed forward with the effort towards standardization of calibration methodologies. In addition, with the open-source publication of code and data for the seven-step methodology, advances were made towards reforming the largely black-box nature of LCS calibrations. With a transparent and reliable calibration methodology established, LCS were then deployed in various street canyons between 2017 and 2020. Using two types of LCS, metal oxide (MOS) and electrochemical (EC), their performance in capturing expected patterns of urban NO2 and O3 pollution was evaluated. Results showed that calibrated concentrations from MOS and EC sensors matched general diurnal patterns in NO2 and O3 pollution measured using reference instruments. While MOS proved to be unreliable for discerning differences among measured locations within the urban environment, the concentrations measured with calibrated EC sensors matched expectations from modelling studies on NO2 and O3 pollution distribution in street canyons. As such, it was concluded that LCS are appropriate for measuring urban air quality, including for assisting urban-scale air pollution model development, and can reveal new insights into air pollution in urban environments. To achieve the last goal of this work, two measurement campaigns were conducted in connection with the implementation of three mobility policies in Berlin. The first involved the construction of a pop-up bike lane on Kottbusser Damm in response to the COVID-19 pandemic, the second surrounded the temporary implementation of a community space on Böckhstrasse, and the last was focused on the closure of a portion of Friedrichstrasse to all motorized traffic. In all cases, measurements of NO2 were collected before and after the measure was implemented to assess changes in air quality resultant from these policies. Results from the Kottbusser Damm experiment showed that the bike-lane reduced NO2 concentrations that cyclists were exposed to by 22 ± 19%. On Friedrichstrasse, the street closure reduced NO2 concentrations to the level of the urban background without worsening the air quality on side streets. These valuable results were communicated swiftly to partners in the city administration responsible for evaluating the policies’ success and future, highlighting the ability of LCS to provide policy-relevant results. As a new technology, much is still to be learned about LCS and their value to academic research in the atmospheric sciences. Nevertheless, this work has advanced the state of the art in several ways. First, it contributed a novel open-source calibration methodology that can be used by a LCS end-users for various air pollutants. Second, it strengthened the evidence base on the reliability of LCS for measuring urban air quality, finding through novel deployments in street canyons that LCS can be used at high spatial resolution to understand microscale air pollution dynamics. Last, it is the first of its kind to connect LCS measurements directly with mobility policies to understand their influences on local air quality, resulting in policy-relevant findings valuable for decisionmakers. It serves as an example of the potential for LCS to expand our understanding of air pollution at various scales, as well as their ability to serve as valuable tools in transdisciplinary research. N2 - Luftverschmutzung ist seit hundert Jahren ein anhaltendes globales Problem. Während sich die Luftqualität in einigen Industrieländern durch strengere Vorschriften verbessert hat, hat sie sich in anderen Ländern im Zuge der schnell fortschreitenden Industrialisierung verschlechtert. Die Aktualisierung der von der WHO für das Jahr 2021 empfohlenen Grenzwerte für die Luftverschmutzung spiegelt die erheblichen Aus-wirkungen von Schadstoffen wie Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) auf die menschliche Gesundheit wider, da neuere epidemiologische Erkenntnisse darauf hindeuten, dass Luft-verschmutzung selbst bei niedrigen Konzentrationen erhebliche langfristige gesundheitliche Auswirkungen hat. Parallel zu den Entwicklungen in unserem Verständnis der gesundheitlichen Auswirkungen von Luftverschmutzung wurde die neue Technologie der Low-Cost-Sensoren (LCS) sowohl von der Wissenschaft als auch von der Industrie als neue Methode zur Messung der Luftverschmutzung aufgegriffen. Vor allem aufgrund ihrer geringeren Kosten und kleineren Größe können sie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, u. a. bei der Entwicklung von Messnetzen mit höherer räumlicher Auf-lösung, bei der Identifizierung von Quellen und bei der Messung der Luftverschmutzung. Es wurden zwar erhebliche Anstrengungen unternommen, um LCS mit Hilfe von Referenzinstrumenten und verschiedenen statistischen Modellen genau zu kalibrieren, aber die Genauigkeit und Präzision bleiben durch die variable Sensorempfindlichkeit begrenzt. Darüber hinaus gibt es immer noch keine Standardverfahren für die Kalibrierung, und die meisten proprietären Kalibrierungsalgorithmen sind Blackboxen, die für die Öffentlichkeit nicht zugänglich sind. Mit dieser Arbeit soll die Wissensbasis über LCS auf verschiedene Weise erweitert werden: 1) durch die Entwicklung einer Open-Source-Kalibrierungsmethodik; 2) durch den Einsatz von LCS mit hoher räumlicher Auflösung in städtischen Umgebungen, um ihre Fähigkeit zur Messung kleinräumlicher Veränderungen der städtischen Luftverschmutzung zu testen; 3) durch die Verknüpfung von LCS-Einsätzen mit der Umsetzung lokaler Verkehrsmaßnahmen, um politische Empfehlungen zu den daraus resultierenden Veränderungen der Luftqualität geben zu können. In einem ersten Schritt wurde festgestellt, dass LCS mit Hilfe von sieben allgemeinen Schritten konsistent und mit guter Leistung gegenüber Referenzinstrumenten kalibriert werden können: 1) Bewertung der Rohdatenverteilung, 2) Datenbereinigung, 3) Kenn-zeichnung von Daten, 4) Modellauswahl und -abstimmung, 5) Modellvalidierung, 6) Export der endgültigen Vorhersagen und 7) Berechnung der damit verbundenen Unsicherheit. Durch die Betonung der Notwendigkeit einer konsistenten Berichterstattung über Details bei jedem Schritt, insbesondere bei der Modellauswahl, -validierung und -leistung, hat diese Arbeit die Bemühungen um eine Standardisierung der Kalibrierungs-methoden vorangetrieben. Darüber hinaus wurden mit der Open-Source-Veröffentlichung von Code und Daten für die siebenstufige Methodik Fortschritte bei der Reformierung der weitgehenden Blackbox-Natur von LCS-Kalibrierungen erzielt. Nach der Einführung einer transparenten und zuverlässigen Kalibrierungsmethode wurden die LCS zwischen 2017 und 2020 an verschiedenen Straßen eingesetzt. Unter Ver-wendung von zwei Arten von LCS, Metalloxid (MOS) und elektrochemisch (EC), wurde ihre Leistung bei der Erfassung der erwarteten Muster der NO2- und O3-Belastung in Städten bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass die kalibrierten Konzentrationen der MOS- und EC-Sensoren mit den allgemeinen Tagesmustern der NO2- und O3-Belastung überein-stimmten, die mit Referenzgeräten gemessen wurden. Während sich MOS als unzuverlässig erwies, wenn es darum ging, Unterschiede zwischen den gemessenen Orten inner-halb der städtischen Umgebung zu erkennen, entsprachen die mit kalibrierten EC-Sensoren gemessenen Konzentrationen den Erwartungen aus Modellierungsstudien zur Verteilung der NO2- und O3-Belastung in Straßenschluchten. Daraus wurde der Schluss gezogen, dass LCS für die Messung der Luftqualität in Städten geeignet sind, auch zur Unterstützung der Entwicklung von Luftverschmutzungsmodellen auf städtischer Ebene, und dass sie neue Erkenntnisse über die Luftverschmutzung in städtischen Umgebungen liefern können. Um das letzte Ziel dieser Arbeit zu erreichen, wurden zwei Messkampagnen im Zusammenhang mit der Umsetzung von drei verkehrspolitischen Maßnahmen in Berlin durchgeführt. Bei der ersten handelte es sich um den Bau einer Pop-up-Radweg auf dem Kottbusser Damm als Reaktion auf die COVID-19-Pandemie, bei der zweiten um die vorübergehende Einrichtung eines Gemeinschaftsraums in der Böckhstraße und bei der letzten um die Sperrung eines Teils der Friedrichstraße für den gesamten motorisierten Verkehr. In allen Fällen wurden NO2-Messungen vor und nach der Durchführung der Maßnahme durchgeführt, um die Veränderungen der Luftqualität infolge dieser Maßnahmen zu bewerten. Die Ergebnisse des Experiments am Kottbusser Damm zeigten, dass die NO2-Konzentrationen, denen die Radfahrer ausgesetzt waren, durch den Radweg um 22 ± 19 % gesenkt wurden. In der Friedrichstraße sank die NO2-Konzentration durch die Straßensperrung auf das Niveau des städtischen Hintergrunds, ohne dass sich die Luft-qualität in den Seitenstraßen verschlechterte. Diese wertvollen Ergebnisse wurden den verantwortlichen Ansprechpersonen in der Stadtverwaltung, die für die Bewertung des Erfolgs und der Zukunft der Maßnahmen verantwortlich sind, schnell mitgeteilt, was die Fähigkeit von LCS unterstreicht, politisch relevante Ergebnisse zu liefern. Da es sich um eine neue Technologie handelt, muss noch viel über LCS und ihren Wert für die akademische Forschung im Bereich der Atmosphärenwissenschaften gelernt werden. Dennoch hat diese Arbeit den Stand der Technik in mehrfacher Hinsicht verbessert. Erstens wurde eine neuartige Open-Source-Kalibrierungsmethode entwickelt, die von LCS-Anwender*innen für verschiedene Luftschadstoffe verwendet werden kann. Zweitens wurde die Beweisgrundlage für die Zuverlässigkeit von LCS zur Messung der Luftqualität in Städten gestärkt, indem durch neuartige Einsätze in Straßenschluchten festgestellt wurde, dass LCS mit hoher räumlicher Auflösung zum Verständnis der Dynamik der Luftverschmutzung auf kleinräumlicher Ebene eingesetzt werden kann. Schließlich ist es die erste Studie dieser Art, die LCS-Messungen direkt mit verkehrspolitischen Maßnahmen verknüpft, um deren Einfluss auf die lokale Luftqualität zu verstehen, was zu politisch relevanten Erkenntnissen führt, die für Entscheidungsträger*innen wertvoll sind. Die Studie ist ein Beispiel für das Potenzial von LCS, unser Verständnis von Luftverschmutzung in verschiedenen Maßstäben zu erweitern, sowie für ihre Fähigkeit, als wert-volle Werkzeuge in der transdisziplinären Forschung zu dienen. T2 - Verwendung kostengünstiger Sensoren zur Erfassung hochauflösender Messungen der Luftqualität in städtischen Umgebungen und zur Information über die Mobilitätspolitik KW - air pollution KW - urban KW - low-cost sensor KW - transdisciplinary KW - sustainability KW - mobility KW - policy KW - Luftverschmutzung KW - Mobilität KW - Politik KW - Nachhaltigkeit KW - Transdisziplinarität KW - Städte Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601053 ER - TY - THES A1 - Luna, Lisa Victoria T1 - Rainfall-triggered landslides: conditions, prediction, and warning N2 - Rainfall-triggered landslides are a globally occurring hazard that cause several thousand fatalities per year on average and lead to economic damages by destroying buildings and infrastructure and blocking transportation networks. For people living and governing in susceptible areas, knowing not only where, but also when landslides are most probable is key to inform strategies to reduce risk, requiring reliable assessments of weather-related landslide hazard and adequate warning. Taking proper action during high hazard periods, such as moving to higher levels of houses, closing roads and rail networks, and evacuating neighborhoods, can save lives. Nevertheless, many regions of the world with high landslide risk currently lack dedicated, operational landslide early warning systems. The mounting availability of temporal landslide inventory data in some regions has increasingly enabled data-driven approaches to estimate landslide hazard on the basis of rainfall conditions. In other areas, however, such data remains scarce, calling for appropriate statistical methods to estimate hazard with limited data. The overarching motivation for this dissertation is to further our ability to predict rainfall-triggered landslides in time in order to expand and improve warning. To this end, I applied Bayesian inference to probabilistically quantify and predict landslide activity as a function of rainfall conditions at spatial scales ranging from a small coastal town, to metropolitan areas worldwide, to a multi-state region, and temporal scales from hourly to seasonal. This thesis is composed of three studies. In the first study, I contributed to developing and validating statistical models for an online landslide warning dashboard for the small town of Sitka, Alaska, USA. We used logistic and Poisson regressions to estimate daily landslide probability and counts from an inventory of only five reported landslide events and 18 years of hourly precipitation measurements at the Sitka airport. Drawing on community input, we established two warning thresholds for implementation in the dashboard, which uses observed rainfall and US National Weather Service forecasts to provide real-time estimates of landslide hazard. In the second study, I estimated rainfall intensity-duration thresholds for shallow landsliding for 26 cities worldwide and a global threshold for urban landslides. I found that landslides in urban areas occurred at rainfall intensities that were lower than previously reported global thresholds, and that 31% of urban landslides were triggered during moderate rainfall events. However, landslides in cities with widely varying climates and topographies were triggered above similar critical rainfall intensities: thresholds for 77% of cities were indistinguishable from the global threshold, suggesting that urbanization may harmonize thresholds between cities, overprinting natural variability. I provide a baseline threshold that could be considered for warning in cities with limited landslide inventory data. In the third study, I investigated seasonal landslide response to annual precipitation patterns in the Pacific Northwest region, USA by using Bayesian multi-level models to combine data from five heterogeneous landslide inventories that cover different areas and time periods. I quantitatively confirmed a distinctly seasonal pattern of landsliding and found that peak landslide activity lags the annual precipitation peak. In February, at the height of the landslide season, landslide intensity for a given amount of monthly rainfall is up to ten times higher than at the season onset in November, underlining the importance of antecedent seasonal hillslope conditions. Together, these studies contributed actionable, objective information for landslide early warning and examples for the application of Bayesian methods to probabilistically quantify landslide hazard from inventory and rainfall data. N2 - Durch Regenfälle ausgelöste Erdrutsche sind eine weltweit auftretende Gefahr, die im Durchschnitt mehrere tausend Todesopfer pro Jahr fordern und zu wirtschaftlichen Schäden führen, indem sie Gebäude und Infrastrukturen zerstören und Verkehrsnetze blockieren. Für Bewohner, sowie lokale Regierungen in potentiell gefährdeten Gebieten, ist es entscheidend zu wissen, nicht nur wo, sondern auch wann Erdrutsche am wahrscheinlichsten sind, um Strategien zur Verringerung des Risikos zu entwickeln. Dies erfordert zuverlässige Bewertungen der wetterbedingten Erdrutschgefahr und eine angemessene Warnung. Angemessene Maßnahmen während Hochrisikoperioden, wie der Umzug in höhere Etagen, die Sperrung von Straßen und Schienennetzen, sowie die Evakuierung von Wohngebieten, können Leben retten. In vielen Regionen mit hohem Erdrutschrisiko gibt es jedoch derzeit keine spezifischen, einsatzfähigen Frühwarnsysteme für Erdrutsche. In einigen Regionen ermöglichte die zunehmende Verfügbarkeit von zeitlich-aufgelösten Erdrutschdaten datengestützte Ansätze zur Abschätzung der Erdrutschgefahr auf Grundlage von Niederschlagsbedingungen. In anderen Gebieten sind solche Daten jedoch nach wie vor spärlich, sodass geeignete statistische Methoden erforderlich sind, um die Gefährdung trotz einer begrenzten Datenmenge abzuschätzen. Die übergreifende Motivation für diese Dissertation besteht darin, unsere Fähigkeit zur rechtzeitigen Vorhersage von niederschlagsbedingten Erdrutschen zu verbessern, um Frühwarnsysteme zu erweitern und optimieren. Zu diesem Zweck habe ich Bayes'sche Inferenz angewandt, um die Erdrutschaktivität in Abhängigkeit von den Niederschlagsbedingungen probabilistisch zu quantifizieren und vorherzusagen. Meine Studien decken dabei sowohl eine breite räumliche Skala, welche von einer lokalen bis regionalen Betrachtung reicht, als auch eine von stündlich bis saisonal reichende zeitliche Skala ab. Diese Dissertation setzt sich aus drei Studien zusammen. In der ersten Studie habe ich zur Entwicklung und Validierung statistischer Modelle für ein Online-Dashboard zur Erdrutschwarnung in der Kleinstadt Sitka, Alaska, USA, beigetragen. Wir verwendeten logistische und Poisson-Regressionen zur Einschätzung der täglichen Erdrutschwahrscheinlichkeit und der Anzahl der Erdrutsche auf Grundlage von nur fünf dokumentierten Erdrutschereignissen und 18 Jahren stündlicher Niederschlagsmessungen am Flughafen von Sitka. Basierend auf Hinweisen aus der Bevölkerung legten wir zwei Warnschwellenwerte für die Umsetzung des Dashboards fest, welches wiederum beobachtete Niederschläge und Vorhersagen des US-amerikanischen Wetterdienstes (US National Weather Service) nutzt, um Echtzeiteinschätzungen der Erdrutschgefahr zu liefern. In der zweiten Studie habe ich Schwellenwerte für die Niederschlagsintensität und -dauer für Erdrutsche in 26 Städten weltweit, sowie einen globalen Schwellenwert für urbane Erdrutsche ermittelt. Dabei stellte ich fest, dass Erdrutsche in urbanen Gebieten bei Niederschlagsintensitäten auftreten, die unter den zuvor gemeldeten globalen Schwellenwerten liegen, und dass 31 % der Erdrutsche in Städten durch moderate Niederschlagsereignisse ausgelöst wurden. Erdrutsche in Städten mit sehr unterschiedlichen klimatischen und topografischen Bedingungen wurden jedoch bei vergleichbaren kritischen Niederschlagsintensitäten ausgelöst: Für 77 % der Städte unterschieden sich die lokalen Schwellenwerte nicht von den globalen Schwellenwerten, was darauf hindeutet, dass eine zunehmende Urbanisierung die Schwellenwerte zwischen Städten angleicht und natürliche Schwankungen überlagern kann. Ich habe einen Basisschwellenwert festgelegt, der für die Warnung in Städten mit begrenzten Erdrutschdaten in Betracht gezogen werden könnte. In der dritten Studie untersuchte ich saisonale Reaktionen von Erdrutschen auf jährliche Niederschlagsmuster im pazifischen Nordwesten der USA. Dafür verwendete ich Bayes'sche Mehrebenenmodelle, um Daten aus fünf heterogenen Erdrutschinventaren zu kombinieren, welche unterschiedliche Gebiete und Zeiträume abdecken. Ich fand heraus, dass Erdrutsche deutlich saisonabhängig sind und dass der Höhepunkt der Erdrutschaktivität mit einem zeitlichen Versatz auf den jährlichen Niederschlagsspitzenwert folgt. Im Februar, auf dem Höhepunkt der Erdrutschsaison, ist die Erdrutschintensität bei einer gegebenen monatlichen Niederschlagsmenge bis zu zehnmal höher als zu Beginn der Saison im November. Dies unterstreicht die Bedeutung von vorherigen saisonalen Hangbedingungen. Zusammengefasst liefern die in dieser Dissertation vorgestellten Studien umsetzbare, objektive Informationen für die Frühwarnung vor Erdrutschen und Beispiele für die Anwendung von Bayes'schen Methoden zur probabilistischen Quantifizierung der Erdrutschgefahr mittels Bestands- und Niederschlagsdaten. T2 - Durch Regenfälle ausgelöste Erdrutsche: Bedingungen, Vorhersage und Warnung KW - landslide KW - natural hazards KW - Bayesian statistics KW - early warning KW - geomorphology KW - Bayessche Statistik KW - Erdrutsch KW - Naturgefahren KW - Frühwarnung KW - Geomorphologie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-600927 ER - TY - THES A1 - Mtilatila, Lucy Mphatso Ng'ombe T1 - Climate change effects on drought, freshwater availability and hydro-power generation in an African environment T1 - Auswirkungen des Klimawandels auf Dürre, Wasserverfügbarkeit und Wasserkrafterzeugung in einer tropischen afrikanischen Region BT - observations and projections for the Lake Malawi and Shire River Basins in Malawi BT - Datenanalysen und Projektionen für die Einzugsgebiete des Malawi-Sees und des Shire-Flusses in Malawi N2 - The work is designed to investigate the impacts and sensitivity of climate change on water resources, droughts and hydropower production in Malawi, the South-Eastern region which is highly vulnerable to climate change. It is observed that rainfall is decreasing and temperature is increasing which calls for the understanding of what these changes may impact the water resources, drought occurrences and hydropower generation in the region. The study is conducted in the Greater Lake Malawi Basin (Lake Malawi and Shire River Basins) and is divided into three projects. The first study is assessing the variability and trends of both meteorological and hydrological droughts from 1970-2013 in Lake Malawi and Shire River basins using the standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation and evaporation Index (SPEI) for meteorological droughts and the lake level change index (LLCI) for hydrological droughts. And later the relationship of the meteorological and hydrological droughts is established. While the second study extends the drought analysis into the future by examining the potential future meteorological water balance and associated drought characteristics such as the drought intensity (DI), drought months (DM), and drought events (DE) in the Greater Lake Malawi Basin. The sensitivity of drought to changes of rainfall and temperature is also assessed using the scenario-neutral approach. The climate change projections from 20 Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX) models for Africa based on two scenarios (RCP4.5 and RCP8.5) for the periods 2021–2050 and 2071–2100 are used. The study also investigates the effect of bias-correction (i.e., empirical quantile mapping) on the ability of the climate model ensemble in reproducing observed drought characteristics as compared to raw climate projections. The sensitivity of key hydrologic variables and hydropower generation to climate change in Lake Malawi and Shire River basins is assessed in third study. The study adapts the mesoscale Hydrological Model (mHM) which is applied separately in the Upper Lake Malawi and Shire River basins. A particular Lake Malawi model, which focuses on reservoir routing and lake water balance, has been developed and is interlinked between the two basins. Similar to second study, the scenario-neutral approach is also applied to determine the sensitivity of climate change on water resources more particularly Lake Malawi level and Shire River flow which later helps to estimate the hydropower production susceptibility. Results suggest that meteorological droughts are increasing due to a decrease in precipitation which is exacerbated by an increase in temperature (potential evapotranspiration). The hydrological system of Lake Malawi seems to have a >24-month memory towards meteorological conditions since the 36-months SPEI can predict hydrological droughts ten-months in advance. The study has found the critical lake level that would trigger hydrological drought to be 474.1 m.a.s.l. Despite the differences in the internal structures and uncertainties that exist among the climate models, they all agree on an increase of meteorological droughts in the future in terms of higher DI and longer events (DM). DI is projected to increase between +25% and +50% during 2021-2050 and between +131% and +388% during 2071-2100. This translates into +3 to +5, and +7 to +8 more drought months per year during both periods, respectively. With longer lasting drought events, DE is decreasing. Projected droughts based on RCP8.5 are 1.7 times more severe than droughts based on RCP4.5. It is also found that an annual temperature increase of 1°C decreases mean lake level and outflow by 0.3 m and 17%, respectively, signifying the importance of intensified evaporation for Lake Malawi’s water budget. Meanwhile, a +5% (-5%) deviation in annual rainfall changes mean lake level by +0.7 m (-0.6 m). The combined effects of temperature increase and rainfall decrease result in significantly lower flows on Shire River. The hydrological river regime may change from perennial to seasonal with the combination of annual temperature increase and precipitation decrease beyond 1.5°C (3.5°C) and -20% (-15%). The study further projects a reduction in annual hydropower production between 1% (RCP8.5) and 2.5% (RCP4.5) during 2021–2050 and between 5% (RCP4.5) and 24% (RCP8.5) during 2071–2100. The findings are later linked to global policies more particularly the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC)’s Paris Agreement and the United Nations (UN)’s Sustainable Development Goals (SDGs), and how the failure to adhere the restriction of temperature increase below the global limit of 1.5°C will affect drought and the water resources in Malawi consequently impact the hydropower production. As a result, the achievement of most of the SDGs will be compromised. The results show that it is of great importance that a further development of hydro energy on the Shire River should take into account the effects of climate change. The information generation is important for decision making more especially supporting the climate action required to fight against climate change. The frequency of extreme climate events due to climate change has reached the climate emergency as saving lives and livelihoods require urgent action. N2 - Ziel der Arbeit ist es, die Auswirkungen und die Sensitivität des Klimawandels auf die Wasser¬ressourcen, Dürren und die Wasserkrafterzeugung in Malawi zu untersuchen, einer Region im Südosten Afrikas, die besonders anfällig für den Klimawandel ist. Es ist zu beobachten, dass die Niederschläge abnehmen und die Temperaturen steigen, was Untersuchungen nahelegt, inwiefern sich diese Veränderungen auf die Wasserressourcen, Dürren und die Wasserkraft¬erzeugung in der Region auswirken können. Die Studie wird im Flussgebiet des Malawi-Sees (Einzugsgebiet des Malawi-Sees und des Shire-Flusses) durchgeführt und ist in drei Projekte unterteilt. In der ersten Studie werden die Variabilität und die Trends von meteorologischen und hydrologischen Dürren im Zeitraum 1970-2013 im Malawi-See- und Shire-Flusseinzugs¬gebiet anhand des standardisierten Niederschlagsindexes (SPI) und des standardisierten Niederschlags- und Verdunstungsindexes (SPEI) für meteorologische Dürren und des Indexes für die Veränderung des Seespiegels (LLCI) für hydrologische Dürren untersucht. Anschließend wird der Zusammenhang zwischen meteorologischen und hydrologischen Dürren hergestellt. In der zweiten Studie wird die Dürreanalyse in die Zukunft ausgedehnt, indem die potenzielle künftige meteorologische Wasserbilanz und die damit verbundenen Dürremerkmale wie Dürre¬intensität (DI), Dürremonate (DM) und Dürreereignisse (DE) im Einzugsgebiet des Malawisees untersucht werden. Die Empfindlichkeit der Dürre gegenüber Veränderungen der Nieder¬schlags¬menge und der Temperatur wird anhand des „Szenario-neutralen“ Ansatzes bewertet. Es werden die Projektionen des Klimawandels aus 20 „Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment“ Modellen für Afrika auf der Grundlage von zwei Szenarien (RCP4.5 und RCP8.5) für die Zeiträume 2021-2050 und 2071-2100 verwendet. Die Studie untersucht auch die Auswirkung der Fehlerkorrektur (via „empirical quantile mapping) auf die Möglichkeit des Klimamodell-Ensembles, beobachtete Dürrecharakteristika im Vergleich zu den Originaldaten der Klimaprojektionen wieder¬zugeben. In der dritten Studie wird die Sensitivität der wichtigsten hydrologischen Variablen und der Wasserkrafterzeugung auf den Klimawandel in den Einzugsgebieten des Malawi-Sees und des Shire-Flusses untersucht. In der Studie wird das meso-skalige hydrologische Modell (mHM) angepasst, welches in den Einzugsgebieten des Malawisees und des Shire-Flusses getrennt angewendet wird. Ein spezielles Modell für den Malawisee, welches sich auf die Wellenver¬formung im See und dessen Wasserbilanz, wurde entwickelt und wurde mit den beiden Einzugsgebieten gekoppelt. Ähnlich wie in der zweiten Studie wird auch hier der Szenario-neutrale Ansatz angewandt, um die Sensitivität des Klimawandels auf die Wasserressourcen zu bestimmen, insbesondere auf den Wasserstand im Malawisee und den Durchfluss des Shire-Flusses, was später zur Abschätzung der Anfälligkeit der Wasserkraft-produktion nötig ist. Die Ergebnisse lassen erwarten, dass meteorologische Dürren aufgrund von Niederschlags-rückgang zunehmen, was durch einen Temperaturanstieg (und dadurch erhöhte Verdunstung) noch verschärft wird. Das hydrologische System des Malawi-Sees scheint ein >24-monatiges „meteorologisches Gedächtnis“ zu haben, da mit den 36-monatigen SPEI-Indizes, hydrologische Dürren zehn Monate im Voraus vorhersagbar sind. Die Studie ergab zudem, dass der kritische Seespiegel zur Auslösung hydrologische Dürren bei 474,1 m+NN liegt. Trotz der Unterschiede in internen Strukturen und Unsicherheiten der verschiedenen Klimamodelle, stimmen sie darin überein, dass meteorologische Dürren in der Zukunft in Form von höheren DI und längeren Ereignissen (DM) zunehmen werden. Die DI würde im Zeitraum 2021-2050 um +25 % bis +50 % und im Zeitraum 2071-2100 um +131 % bis +388 % zunehmen. Dies bedeutet 3 bis 5 bzw. 7 bis 8 Dürremonate mehr pro Jahr in beiden Zeiträumen. Bei länger anhaltenden Dürreereignissen nehmen die DE ab. Die prognostizierten Dürren auf der Grundlage des RCP8.5 sind 1,7-mal schwerer als die Dürren auf der Grundlage des RCP4.5. Es wird auch festgestellt, dass ein jährlicher Temperaturanstieg von 1°C den mittleren See-spiegel und den Abfluss um 0,3 m bzw. 17 % verringert, was auf die Bedeutung einer verstärk¬ten Verdunstung für den Wasserhaushalt des Malawisees hinweist. Eine Abweichung von +5 % (-5 %) bei den jährlichen Niederschlägen verändert den mittleren Seespiegel um +0,7 m (-0,6 m). Die kombinierten Auswir¬kungen des Temperaturanstiegs und des Niederschlagsrück¬gangs führen zu einem deutlich geringeren Durchfluss im Shire River. Das hydrologische Regime des Flusses kann sich bei einer Kombination aus jährlicher Temperaturerhöhung und Niederschlagsabnahme um mehr als 1,5°C (3,5°C) und -20% (-15%) von mehrjährig zu saisonal ändern. Die Studie prognostiziert ferner einen Rückgang der jährlichen Wasserkraft¬produktion zwischen 1 % (RCP8.5) und 2,5 % (RCP4.5) im Zeitraum 2021-2050 und zwischen 5 % (RCP4.5) und 24 % (RCP8.5) im Zeitraum 2071-2100. Die Ergebnisse werden letztlich mit der globalen Politik in Verbindung gebracht, insbesondere mit dem Pariser Abkommen des Rahmenübereinkommens der Vereinten Nationen über Klima-änderungen (UNFCCC) und den Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs) der Vereinten Nationen (UN). Zudem damit, wie sich die Nichteinhaltung der Begrenzung des Temperatur-anstiegs auf 1,5°C auf die Dürre und die Wasserressourcen in Malawi auswirken wird, was wiederum Auswirkungen auf die Wasserkraftproduktion hat. Infolgedessen wird die Erreichung der meisten SDGs gefährdet sein. Die Ergebnisse zeigen, dass es von großer Bedeutung ist, dass bei der weiteren Entwicklung der Wasserkraft am Shire River die Auswirkungen des Klimawandels berücksichtigt werden sollten. Die Generierung von Informationen ist wichtig für die Entscheidungsfindung, insbesondere für die Unterstützung von Klimaschutzmaßnahmen, die zur Bekämpfung des Klimawandels erforderlich sind. Die Häufigkeit extremer Klimaereignisse aufgrund des Klimawandels hat einen kritischen Punkt erreicht, so dass die Rettung von Leben und die Bewahrung der Lebensgrundlagen dringende Maßnahmen erfordert. KW - climate change KW - Klimaänderung KW - Malawi KW - water balance KW - Wasserbilanz KW - drought KW - Dürre KW - water resources KW - Wasserressourcen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-599298 ER - TY - THES A1 - Seleem, Omar T1 - Towards urban pluvial flood mapping using data-driven models T1 - Kartierung städtischer Überschwemmungen mit datengesteuerten Modellen N2 - Casualties and damages from urban pluvial flooding are increasing. Triggered by short, localized, and intensive rainfall events, urban pluvial floods can occur anywhere, even in areas without a history of flooding. Urban pluvial floods have relatively small temporal and spatial scales. Although cumulative losses from urban pluvial floods are comparable, most flood risk management and mitigation strategies focus on fluvial and coastal flooding. Numerical-physical-hydrodynamic models are considered the best tool to represent the complex nature of urban pluvial floods; however, they are computationally expensive and time-consuming. These sophisticated models make large-scale analysis and operational forecasting prohibitive. Therefore, it is crucial to evaluate and benchmark the performance of other alternative methods. The findings of this cumulative thesis are represented in three research articles. The first study evaluates two topographic-based methods to map urban pluvial flooding, fill–spill–merge (FSM) and topographic wetness index (TWI), by comparing them against a sophisticated hydrodynamic model. The FSM method identifies flood-prone areas within topographic depressions while the TWI method employs maximum likelihood estimation to calibrate a TWI threshold (τ) based on inundation maps from the 2D hydrodynamic model. The results point out that the FSM method outperforms the TWI method. The study highlights then the advantage and limitations of both methods. Data-driven models provide a promising alternative to computationally expensive hydrodynamic models. However, the literature lacks benchmarking studies to evaluate the different models' performance, advantages and limitations. Model transferability in space is a crucial problem. Most studies focus on river flooding, likely due to the relative availability of flow and rain gauge records for training and validation. Furthermore, they consider these models as black boxes. The second study uses a flood inventory for the city of Berlin and 11 predictive features which potentially indicate an increased pluvial flooding hazard to map urban pluvial flood susceptibility using a convolutional neural network (CNN), an artificial neural network (ANN) and the benchmarking machine learning models random forest (RF) and support vector machine (SVM). I investigate the influence of spatial resolution on the implemented models, the models' transferability in space and the importance of the predictive features. The results show that all models perform well and the RF models are superior to the other models within and outside the training domain. The models developed using fine spatial resolution (2 and 5 m) could better identify flood-prone areas. Finally, the results point out that aspect is the most important predictive feature for the CNN models, and altitude is for the other models. While flood susceptibility maps identify flood-prone areas, they do not represent flood variables such as velocity and depth which are necessary for effective flood risk management. To address this, the third study investigates data-driven models' transferability to predict urban pluvial floodwater depth and the models' ability to enhance their predictions using transfer learning techniques. It compares the performance of RF (the best-performing model in the previous study) and CNN models using 12 predictive features and output from a hydrodynamic model. The findings in the third study suggest that while CNN models tend to generalise and smooth the target function on the training dataset, RF models suffer from overfitting. Hence, RF models are superior for predictions inside the training domains but fail outside them while CNN models could control the relative loss in performance outside the training domains. Finally, the CNN models benefit more from transfer learning techniques than RF models, boosting their performance outside training domains. In conclusion, this thesis has evaluated both topographic-based methods and data-driven models to map urban pluvial flooding. However, further studies are crucial to have methods that completely overcome the limitation of 2D hydrodynamic models. N2 - Die Zahl der Todesopfer und Schäden durch Überschwemmungen in Städten nimmt zu. Ausgelöst durch kurze, lokal begrenzte und intensive Niederschlagsereignisse können urbane pluviale Überschwemmungen überall auftreten - sogar in Gebieten, in denen es in der Vergangenheit keine Überschwemmungen gab. Urbane pluviale Überschwemmungen haben eine relativ geringe zeitliche und räumliche Ausdehnung. Obwohl die kumulativen Verluste durch urbane pluviale Überschwemmungen vergleichbar sind, konzentrieren sich die meisten Hochwasserrisikomanagement- und -minderungsstrategien auf Fluss- und Küstenüberschwemmungen. Numerisch-physikalisch-hydrodynamische Modelle gelten als das beste Instrument zur Darstellung der komplexen Natur städtischer pluvialer Überschwemmungen; sie sind jedoch rechenintensiv und zeitaufwändig. Diese anspruchsvollen Modelle machen groß angelegte Analysen und operationelle Vorhersagen unerschwinglich. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Leistung anderer Methoden zu bewerten und zu vergleichen, die komplexe hydrodynamische Modelle ersetzen könnten. Die Ergebnisse dieser kumulativen Arbeit werden in drei Forschungsartikeln dargestellt. In der ersten Studie bewerte ich zwei topografiebasierte Methoden zur Kartierung von Überschwemmungen in Städten, die Fill-Spill-Merge-Methode (FSM) und den topografischen Nässeindex (TWI), indem ich sie mit einem hochentwickelten hydrodynamischen Modell vergleiche. Die FSM-Methode identifiziert überschwemmungsgefährdete Gebiete innerhalb topografischer Senken, während die TWI-Methode eine Maximum-Likelihood-Schätzung verwendet, um einen TWI-Schwellenwert (τ) auf der Grundlage von Überschwemmungskarten aus dem hydrodynamischen 2D-Modell zu kalibrieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die FSM-Methode die TWI-Methode übertrifft. Anschließend werden die Vorteile und Grenzen beider Methoden aufgezeigt. Datengesteuerte Modelle stellen eine vielversprechende Alternative zu rechenintensiven hydrodynamischen Modellen dar. In der Literatur fehlt es jedoch an Benchmarking-Studien zur Bewertung der Leistung, Vorteile und Grenzen der verschiedenen Modelle. Die räumliche Übertragbarkeit von Modellen ist ein entscheidendes Problem. Die meisten Studien konzentrieren sich auf Flussüberschwemmungen, was wahrscheinlich auf die relative Verfügbarkeit von Abfluss- und Regenmesserdaten für Training und Validierung zurückzuführen ist. Außerdem betrachten sie diese Modelle als Black Boxes. In der zweiten Studie verwende ich ein Hochwasserinventar für die Stadt Berlin und 11 prädiktive Merkmale, die potenziell auf eine erhöhte pluviale Hochwassergefahr hinweisen, um die Anfälligkeit für pluviale Überschwemmungen in Städten zu kartieren. Dazu verwende ich ein Faltungsneuronales Netzwerk (CNN), ein Künstliches Neuronales Netzwerk (ANN) und die Benchmarking-Modelle Random Forest (RF) und Support Vector Machine (SVM). Ich untersuche den Einfluss der räumlichen Auflösung auf die implementierten Modelle, die Übertragbarkeit der Modelle im Raum und die Bedeutung der prädiktiven Merkmale. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Modelle gut abschneiden und die RF-Modelle den anderen Modellen innerhalb und außerhalb des Trainingsbereichs überlegen sind. Die Modelle, die mit feiner räumlicher Auflösung (2 und 5 m) entwickelt wurden, konnten hochwassergefährdete Gebiete besser identifizieren. Schließlich zeigen die Ergebnisse, dass der Aspekt das wichtigste Vorhersagemerkmal für die CNN-Modelle ist, und die Höhe für die anderen Modelle. Während Hochwasseranfälligkeitskarten überschwemmungsgefährdete Gebiete identifizieren, stellen sie keine Hochwasservariablen wie Geschwindigkeit und Wassertiefe dar, die für ein effektives Hochwasserrisikomanagement notwendig sind. Um dieses Problem anzugehen, untersuche ich in der dritten Studie die Übertragbarkeit datengesteuerter Modelle auf die Vorhersage der Überschwemmungstiefe in städtischen Gebieten und die Fähigkeit der Modelle, ihre Vorhersagen durch Transfer-Learning-Techniken zu verbessern. Ich vergleiche die Leistung von RF- (das beste Modell in der vorherigen Studie) und CNN-Modellen anhand von 12 Vorhersagemerkmalen und den Ergebnissen eines hydrodynamischen Modells. Die Ergebnisse der dritten Studie deuten darauf hin, dass CNN-Modelle dazu neigen, die Zielfunktion auf dem Trainingsdatensatz zu verallgemeinern und zu glätten, während RF-Modelle unter Overfitting leiden. Daher sind RF-Modelle für Vorhersagen innerhalb der Trainingsbereiche überlegen, versagen aber außerhalb davon, während CNN-Modelle den relativen Leistungsverlust außerhalb der Trainingsdomänen kontrollieren können. Schließlich profitieren die CNN-Modelle mehr von Transfer-Learning-Techniken als RF-Modelle, was ihre Leistung außerhalb der Trainingsbereiche erhöht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit sowohl topografiebasierte Methoden als auch datengesteuerte Modelle zur Kartierung von Überschwemmungen in Städten bewertet wurden. Weitere Studien sind jedoch von entscheidender Bedeutung, um Methoden zu entwickeln, die die Beschränkungen von 2D-hydrodynamischen Modellen vollständig überwinden. KW - urban pluvial flood KW - machine learning KW - deep learning KW - topography KW - tiefes Lernen KW - maschinelles Lernen KW - Topographie KW - städtische Überschwemmungen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-598137 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 - Nomosatryo, Sulung T1 - Biogeochemical characteristics of a tropical lake T1 - Biogeochemische Merkmale eines tropischen Sees BT - a study case from Lake Sentani, Papua, Indonesia BT - eine Fallstudie des Sentani-Sees, Papua, Indonesien N2 - Biogeochemical analyses of lacustrine environments are well-established methods that allow exploring and understanding complex systems in the lake ecosystem. However, most were conducted in temperate lakes controlled by entirely different physical conditions than in tropical climates. The most important difference between the temperate and tropical lakes is lacking seasonal temperature fluctuations in the latter, which leads to a stable temperature gradient in the water column. Thus, the water column in tropical latitudes generally is void of perturbations that can be seen in their temperate counterparts. Permanent stratification in the water column provides optimal conditions for intact sedimentation. The geochemical processes in the water column and the weathering process in the distinct lithology in the catchment leads to the different biogeochemical characteristic in the sediment. Conducting a biogeochemical study in this lake sediment, especially in the Sediment Water Interface (SWI) helps reveal the sedimentation and diagenetic process records influenced by the internal or external loading. Lake Sentani, the study area, is one of the thousands of lakes in Indonesia and located in the Papua province. This tropical lake has a unique feature, as it consists of four interconnected sub-basins with different water depths. More importantly, its catchment is comprised of various different lithologies. Hence, its lithological characteristics are highly diverse, and range from mafic and ultramafic rocks to clastic sediment and carbonates. Each sub-basin receives a distinct sediment input. Equally important, besides the natural loading, Lake Sentani is also influenced by anthropogenic input. Previous studies have elaborated that there is an increase in population growth rate around the lake which has direct consequences on eutrophication. Considering these factors, the government of The Republic of Indonesia put Lake Sentani on the list of national priority lakes for restoration. This thesis aims to develop a fundamental understanding of Lake Sentani's sedimentary geochemistry and geomicrobiology with a special focus on the effects of different lithologies and anthropogenic pressures in the catchment area. We conducted geochemical and geomicrobiology research on Lake Sentani to meet this objective. We investigated geochemical characteristics in the water column, porewater, and sediment core of the four sub-basins. Additional to direct investigations of the lake itself, we also studied the sediments in the tributary rivers, of which some are ephemeral, as well as the river mouths, as connections between riverine and the lacustrine habitat. The thesis is composed of three main publications about Lake Sentani and supported by several publications that focus on other tropical lakes in Indonesia. The first main publication investigates the geochemical characterization of the water column, porewater, and surface sediment (upper 40-50 cm) from the center of the four sub-basins. It reveals that besides catchment lithology, the water column heavily influences the geochemical characteristics in the lake sediments and their porewater. The findings indicate that water column stratification has a strong influence on overall chemistry. The four sub-basins are very different with regard to their water column chemistry. Based on the physicochemical profiles, especially dissolved oxygen, one sub-basin is oxygenated, one intermediate i.e. just reaches oxygen depletion at the sediment-water interface, and two sub-basins are fully meromictic. However, all four sub-basins share the same surface water chemistry. The structure of the water column creates differences on the patterns of anions and cations in the porewater. Likewise, the distinct differences in geochemical composition between the sub-basins show that the lithology in the catchment affects the geochemical characteristic in the sediment. Overall, water column stratification and particularly bottom water oxygenation strongly influence the overall elemental composition of the sediment and porewater composition. The second publication reveals differences in surface sediment composition between habitats, influenced by lithological variations in the catchment area. The macro-element distribution shows that the geochemical characteristics between habitats are different. Furthermore, the geochemical composition also indicates a distinct distribution between the sub-basins. The geochemical composition of the eastern sub-basin suggests that lithogenic elements are more dominant than authigenic elements. This is also supported by sulfide speciation, particle distribution, and smear slide data. The third publication is a geomicrobiological study of the surface sediment. We compare the geochemical composition of the surface sediment and its microbiological composition and compare the different signals. Next Generation Sequencing (NGS) of the 16S rRNA gene was applied to determine the microbial community composition of the surface sediment from a great number of locations. We use a large number of sampling sites in all four sub-basins as well as in the rivers and river mouths to illustrate the links between the river, the river mouth, and the lake. Rigorous assessment of microbial communities across the diverse Lake Sentani habitats allowed us to study some of these links and report novel findings on microbial patterns in such ecosystems. The main result of the Principal Coordinates Analysis (PCoA) based on microbial community composition highlighted some commonalities but also differences between the microbial community analysis and the geochemical data. The microbial community in rivers, river mouths and sub-basins is strongly influenced by anthropogenic input from the catchment area. Generally, Bacteroidetes and Firmicutes could be an indicator for river sediments. The microbial community in the river is directly influenced by anthropogenic pressure and is markedly different from the lake sediment. Meanwhile, the microbial community in the lake sediment reflects the anoxic environment, which is prevalent across the lake in all sediments below a few mm burial depth. The lake sediments harbour abundant sulfate reducers and methanogens. The microbial communities in sediments from river mouths are influenced by both rivers and lake ecosystems. This study provides valuable information to understand the basic processes that control biogeochemical cycling in Lake Sentani. Our findings are critical for lake managers to accurately assess the uncertainties of the changing environmental conditions related to the anthropogenic pressure in the catchment area. Lake Sentani is a unique study site directly influenced by the different geology across the watershed and morphometry of the four studied basins. As a result of these factors, there are distinct geochemical differences between the habitats (river, river mouth, lake) and the four sub-basins. In addition to geochemistry, microbial community composition also shows differences between habitats, although there are no obvious differences between the four sub-basins. However, unlike sediment geochemistry, microbial community composition is impacted by human activities. Therefore, this thesis will provide crucial baseline data for future lake management. N2 - Biogeochemische Studien werden schon seit langer Zeit durchgeführt. Die meisten Studien wurden jedoch in Seen der gemäßigten Zonen durchgeführt, in denen ganz andere physikalische Bedingungen herrschen als in Seen mit tropischem Klima. Der wichtigste Unterschied zwischen gemäßigten und tropischen Seen ist das Fehlen saisonaler Temperaturschwankungen in letzteren, was zu einem stabilen Temperaturgefälle in der Wassersäule führt. Die Wassersäule wird daher nicht durch wechselnde Oberflächentemperaturen gestört. Die permanente Schichtung in der Wassersäule bietet optimale Bedingungen für eine intakte Sedimentation. Geochemischen Prozesse in der Wassersäule und Verwitterungsprozesse in den unterschiedlichen Lithologien im Einzugsgebiet führen zu unterschiedlichen biogeochemischen Eigenschaften im Sediment. Die Durchführung einer biogeochemischen Studie in diesem Seesediment, insbesondere an der Sediment-Wasser-Grenzfläche (SWI), hilft dabei, die Sedimentations- und diagenetischen Prozessaufzeichnungen aufzuzeigen, die durch interne oder externe Belastung beeinflusst werden. Der See Sentani, das Untersuchungsgebiet, ist einer von tausenden Seen in Indonesien, der in der Provinz Papua liegt. Der See wurde ausgewählt, weil er die Einzigartigkeit der tropischen Seen repräsentiert, und mit vier Unterbecken verbunden ist, welche in unterschiedlichen Wassertiefen liegen. Des Weiteren, weist sein Einzugsgebiet unterschiedliche Lithologien auf. Die Lithologie ist sehr vielfältig und reicht von mafischem und ultramafischem Gestein bis hin zu klastischen Sedimenten und Karbonaten. Somit erhält jedes Teileinzugsgebiet einen anderen Sedimenteintrag. Ebenso wichtig ist, dass dieser See neben der natürlichen Belastung auch von anthropogenen Einträgen aus seinem Einzugsgebiet beeinflusst wird. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Zunahme des Bevölkerungswachstums eine Eutrophierung zur Folge hat. In Anbetracht dieser Faktoren wurde der See von der Regierung der Republik Indonesien zu einem der vorrangig zu restaurierenden nationalen Seen erklärt. Ziel dieser Arbeit ist es ein grundlegendes Verständnis der Sedimentgeochemie und Geomikrobiologie des Sentani-Sees zu entwickeln, mit besonderem Augenmerk auf die Auswirkungen verschiedener Lithologien und anthropogener Einflüsse im Einzugsgebiet. Um dieses Ziel zu erreichen, führten wir geochemische und geomikrobiologische Untersuchungen am Sentani-See durch. Wir untersuchten die geochemischen Merkmale in der Wassersäule, im Porenwasser und im Sedimentkern der vier Teileinzugsgebiete. Wir untersuchten nicht nur den See selbst, sondern auch die Sedimente in den Nebenflüssen, von denen einige nur saisonal Wasser führen, sowie die Flussmündungen, welche die Verbindung zwischen dem fluvialen und dem lakustrinen Lebensraum darstellen. Die Arbeit ist eine Synthese aus drei Publikationen über den Sentani-See und wird durch mehrere Veröffentlichungen über andere tropische Seen in Indonesien ergänzt. Die erste Publikation untersucht die geochemischen Bedingungen in der Wassersäule, des Porenwassers und des Oberflächensediments (obere 40-50 cm) in den Zentren der vier Becken des Sees. Sie zeigt, dass neben der Lithologie des Einzugsgebiets auch die Wassersäule die geochemischen Eigenschaften der Seesedimente und ihres Porenwassers beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schichtung der Wassersäule einen starken Einfluss auf die Gesamtchemie hat. Die vier Teilbecken unterscheiden sich jedoch sehr stark in ihrer Wassersäulenchemie. Ausgehend von den physikalisch-chemischen Profilen, insbesondere dem gelösten Sauerstoff, ist ein Teilbecken sauerstoffreich, in einem weiteren erreicht die Sauerstoffkonzentration Werte um Null an der Sediment-Wasser-Grenzfläche, und zwei Teilbecken sind vollständig meromiktisch. Alle vier Teilbecken weisen jedoch die gleiche Oberflächenwasserchemie auf. Die Struktur der Wassersäule führt zu Unterschieden in den Profilen der Anionen und Kationen im Porenwasser. Ebenso zeigen die deutlichen Unterschiede in der geochemischen Zusammensetzung zwischen den Teilbecken, dass die Lithologie im Einzugsgebiet die geochemischen Merkmale im Sediment beeinflusst. Insgesamt haben die Schichtung der Wassersäule und insbesondere die Sauerstoffanreicherung des Bodenwassers einen starken Einfluss auf die elementare Gesamtzusammensetzung des Sediments und die Zusammensetzung des Porenwassers. Die zweite Veröffentlichung zeigt, dass die Zusammensetzung des Oberflächensediments zwischen den Lebensräumen durch die lithologischen Unterschiede im Einzugsgebiet beeinflusst wird. Die Makroelementverteilung zeigt, dass die geochemischen Merkmale zwischen den Lebensräumen unterschiedlich sind. Darüber hinaus weist die unterschiedliche geochemische Zusammensetzung auch auf eine unterschiedliche Verteilung zwischen den Teilbecken hin. Die geochemische Zusammensetzung des östlichen Teilbeckens deutet darauf hin, dass lithogene Elemente dominanter sind als authigene Elemente. Dies wird auch durch die Sulfid-Speziation, die Partikelverteilung und die Daten der Smear-Slide Analyse bestätigt. Bei der dritten Veröffentlichung handelt es sich um eine geomikrobiologische Studie des Oberflächensediments. Wir stellen die geochemische Zusammensetzung des Oberflächensediments und seine mikrobiologische Zusammensetzung gegenüber und vergleichen die verschiedenen Signale. Next Generation Sequencing (NGS) des 16S rRNA-Gens wurde angewandt, um die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft des Oberflächensediments an einer großen Anzahl von Standorten zu bestimmen. Wir verwenden eine große Anzahl von Probenahmestellen in allen vier Teilbecken sowie in den Flüssen und Flussmündungen, um die Verbindungen zwischen den Flüssen, den Flussmündungen und dem See aufzuzeigen. Eine statistische Analyse der mikrobiellen Gemeinschaften in den verschiedenen Lebensräumen des Sentani-Sees ermöglichte es uns, einige dieser Verbindungen zu untersuchen und einige neue Erkenntnisse über mikrobielle Muster in solchen Ökosystemen zu gewinnen. Das Hauptergebnis der Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) auf der Grundlage der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften zeigte einige Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede zwischen der Analyse der mikrobiellen Gemeinschaften und den geochemischen Daten auf. Die mikrobielle Gemeinschaft in Flüssen, Flussmündungen und in den vier Teilbecken wird stark von anthropogenen Einträgen aus dem Einzugsgebiet beeinflusst. Im Allgemeinen könnten Bacteroidetes und Firmicutes ein Indikator für Flusssedimente sein. Die mikrobielle Gemeinschaft im Fluss wird direkt durch den anthropogenen Druck beeinflusst und unterscheidet sich deutlich von den Seesedimenten. Die mikrobielle Gemeinschaft in den Seesedimenten spiegelt das anoxische Milieu wider, das im gesamten See in allen Sedimenten unterhalb einiger mm Tiefe vorherrscht. Die Seesedimente beherbergen eine Vielzahl von Sulfatreduzierern und Methanogenen. Die mikrobiellen Gemeinschaften in den Sedimenten von Flussmündungen werden sowohl von den Ökosystemen der Flüsse als auch der Seen beeinflusst. Diese Studie liefert wertvolle Informationen zum Verständnis der grundlegenden Prozesse, die den biogeochemischen Kreislauf im Sentani-See steuern. Die Studie bietet den Verantwortlichen Managern des Sees wertvolle Informationen, um die Unsicherheiten der sich ändernden Umweltbedingungen im Zusammenhang mit dem anthropogenen Druck im Einzugsgebiet zu erfassen. Der Sentani-See wird direkt von der unterschiedlichen Geologie im Wassereinzugsgebiet und der Morphometrie der vier untersuchten Teilbecken und deren Einzugsgebieten beeinflusst, was ihn zu einem einzigartigen Untersuchungsgebiet macht. Dies bietet eine außergewöhnliche Gelegenheit, den Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf die Sedimentzusammensetzung unter identischen klimatischen und hydrologischen Bedingungen zu untersuchen. Der Sentani-See ist ein einzigartiges Untersuchungsgebiet, das direkt von der unterschiedlichen Geologie im Wassereinzugsgebiet und der Morphometrie der vier untersuchten Einzugsgebiete beeinflusst wird. Als Ergebnis dieser Faktoren gibt es deutliche geochemische Unterschiede zwischen den Lebensräumen (Fluss, Flussmündung, See) und den vier Teileinzugsgebieten. Neben der Geochemie weist auch die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften Unterschiede zwischen den Lebensräumen auf, obwohl es keine offensichtlichen Unterschiede zwischen den vier Teileinzugsgebieten gibt. Im Gegensatz zur Geochemie der Sedimente wird die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften jedoch durch menschliche Aktivitäten beeinflusst. Daher wird diese Arbeit wichtige Grundlagendaten für die künftige Bewirtschaftung der Seen liefern. KW - tropical lake KW - limnology KW - lacustrine sediment KW - surface sediment KW - sediment geochemistry KW - XRF analysis KW - microbial communities KW - XRF-Analyse KW - limnische Sedimente (Seesedimente) KW - Limnologie (Seenkunde) KW - mikrobielle Gemeinschaften KW - Sedimentgeochemie KW - Oberflächensediment KW - tropischer See Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-594006 ER - TY - THES A1 - Han, Sungju T1 - Perceptions of nature-based solutions in the context of floods T1 - Wahrnehmung von Naturbasierten Lösungen im Kontext vom Hochwasser BT - understanding the complexity of people and places at risk BT - Erfassung der Komplexität von gefährdeten Menschen und Orten N2 - Traditional ways of reducing flood risk have encountered limitations in a climate-changing and rapidly urbanizing world. For instance, there has been a demanding requirement for massive investment in order to maintain a consistent level of security as well as increased flood exposure of people and property due to a false sense of security arising from the flood protection infrastructure. Against this background, nature-based solutions (NBS) have gained popularity as a sustainable and alternative way of dealing with diverse societal challenges such as climate change and biodiversity loss. In particular, their ability to reduce flood risks while also offering ecological benefits has recently received global attention. Diverse co-benefits of NBS that favor both humans and nature are viewed as promising a wide endorsement of NBS. However, people’s perceptions of NBS are not always positive. Local resistance to NBS projects as well as decision-makers’ and practitioners’ unwillingness to adopt NBS have been pointed out as a bottleneck to the successful realization and mainstreaming of NBS. In this regard, there has been a growing necessity to investigate people’s perceptions of NBS. Current research has lacked an integrative perspective of both attitudinal and contextual factors that guide perceptions of NBS; it not only lacks empirical evidence, but a few existing ones are rather conflicting without having underlying theories. This has led to the overarching research question of this dissertation, "What shapes people’s perceptions of NBS in the context of flooding?" The dissertation aims to answer the following sub-questions in the three papers that make up this dissertation: 1. What are the topics reflected in the previous literature influencing perceptions of NBS as a means to reduce hydro-meteorological risks? (Paper I) 2. What are the stimulating and hampering attitudinal and contextual factors for mainstreaming NBS for flood risk management? How are NBS conceptualized? (Paper II) 3. How are public attitudes toward the NBS projects shaped? How do risk-and place-related factors shape individual attitudes toward NBS? (Paper III) This dissertation follows an integrative approach of considering “place” and “risk”, as well as the surrounding context, by analyzing attitudinal (i.e., individual) and contextual (i.e., systemic) factors. “Place” is mainly concerned with affective elements (e.g., bond to locality and natural environment) whereas “risk” is related to cognitive elements (e.g., threat appraisal). The surrounding context provides systemic drivers and barriers with the possibility of interfering the influence of place and risk for perceptions of NBS. To empirically address the research questions, the current status of the knowledge about people’s perceptions of NBS for flood risks was investigated by conducting a systematic review (Paper I). Based on these insights, a case study of South Korea was used to demonstrate key contextual and attitudinal factors for mainstreaming NBS through the lens of experts (Paper II). Lastly, by conducting a citizen survey, it investigated the relationship between the previously discussed concepts in Papers I and II using structural equation modeling, focusing on the core concepts, namely risk and place (Paper III). As a result, Paper I identified the key topics relating to people’s perceptions, including the perceived value of co-benefits, perceived effectiveness of risk reduction effectiveness, participation of stakeholders, socio-economic and place-specific conditions, environmental attitude, and uncertainty of NBS. Paper II confirmed Paper I's findings regarding attitudinal factors. In addition, several contextual hampering or stimulating factors were found to be similar to those of any emerging technologies (i.e., path dependence, lack of operational and systemic capacity). Among all, one of the distinctive features in NBS contexts, at least in the South Korean case, is the politicization of NBS, which can lead to polarization of ideas and undermine the decision-making process. Finally, Paper III provides a framework with the core topics (i.e., place and risk) that were considered critical in Paper I and Paper II. This place-based risk appraisal model (PRAM) connects people at risk and places where hazards (i.e., floods) and interventions (i.e., NBS) take place. The empirical analysis shows that, among the place-related variables, nature bonding was a positive predictor of the perceived risk-reduction effectiveness of NBS, and place identity was a negative predictor of supportive attitude. Among the risk-related variables, threat appraisal had a negative effect on perceived risk reduction effectiveness and supportive attitude, while well-communicated information, trust in flood risk management, and perceived co-benefit were positive predictors. This dissertation proves that the place and risk attributes of NBS shape people’s perceptions of NBS. In order to optimize the NBS implementation, it is necessary to consider the meanings and values held in place before project implementation and how these attributes interact with individual and/or community risk profiles and other contextual factors. With the increasing necessity of using NBS to lower flood risks, these results make important suggestions for the future NBS project strategy and NBS governance. N2 - Herkömmliche Methoden zur Verminderung des Hochwasserrisikos stoßen in Zeiten des Klimawandels und der Urbanisierung an ihre Grenzen. So sind beispielsweise massive Investitionen erforderlich, um ein gleichbleibendes Sicherheitsniveau aufrechtzuerhalten, und das Hochwasserrisiko für Menschen und Eigentum steigt, weil die Hochwasserschutzinfrastruktur ein falsches Sicherheitsgefühl vermittelt. Vor diesem Hintergrund haben naturbasierte Lösungen (engl. Nature-Based Solutions, kurz: NBS) als nachhaltiger und alternativer Weg zur Bewältigung verschiedener gesellschaftlicher Herausforderungen wie Klimawandel und Verlust der biologischen Vielfalt an Popularität gewonnen. Insbesondere ihre Eigenschaft, das Hochwasserrisiko zu verringern und gleichzeitig ökologische Vorteile zu bieten, hat zuletzt weltweit Aufmerksamkeit erregt. Die vielfältigen Vorteile der NBS, die sowohl den Menschen als auch der Natur zugutekommen, sind vielversprechende Gründe für eine breite Befürwortung der NBS. Die Wahrnehmung der NBS durch die Bevölkerung ist jedoch nicht immer positiv. Lokaler Widerstand gegen NBS-Projekte sowie die mangelnde Bereitschaft von Entscheidungsträgern und Praktikern, NBS zu übernehmen, wurden als Hürden für die erfolgreiche Umsetzung und langfristige Etablierung von NBS identifiziert. In diesem Zusammenhang hat sich die Notwendigkeit ergeben, die Wahrnehmung von NBS genauer zu untersuchen. In der aktuellen Forschung fehlt eine integrative Perspektive sowohl auf einstellungs- als auch auf kontextbezogene Faktoren, die die Wahrnehmung von NBS beeinflussen; es mangelt nicht nur an empirischen Belegen, sondern die wenigen vorhandenen Befunde sind eher widersprüchlich, ohne dass zugrunde liegende Theorien vorhanden sind. Daraus ergibt sich die übergeordnete Forschungsfrage dieser Dissertation: "Was beeinflusst die Wahrnehmung der Menschen von NBS im Kontext von Hochwasser?" Die Dissertation intendiert, die folgenden Unterfragen in den drei Publikationen zu beantworten, die diese Dissertation bilden: 1. Welche Themen spiegeln sich in der bisherigen Literatur wider und beeinflussen die Wahrnehmung von NBS als Mittel zur Verringerung hydrometeorologischer Risiken? (Publikation I) 2. Was sind die fördernden und hemmenden Einstellungs- und Kontextfaktoren für das Mainstreaming von NBS für das Hochwasserrisikomanagement? Wie werden NBS von Experten konzeptualisiert? (Publikation II) 3. Wie wird die Einstellung der Öffentlichkeit zu NBS-Projekten geprägt? Wie beeinflussen risiko- und ortsbezogene Faktoren die individuelle Einstellung zu NBS? (Publikation III) In dieser Dissertation wird ein integrativer Ansatz verfolgt, der Ort (Place) und Risiko (Risk) sowie den umgebenden Kontext berücksichtigt, indem einstellungsbezogene (d. h. individuelle) und kontextbezogene (d. h. systemische) Faktoren analysiert werden. "Ort" affektive Elemente betrifft (z. B. die Bindung an den Ort und die natürliche Umgebung), während "Risiko" bezieht sich auf kognitive Elemente (z. B. die Einschätzung der Bedrohung). Der umgebende Kontext bietet systemische Triebkräfte und Hindernisse, die den Einfluss von Ort und Risiko auf die Wahrnehmung der NBS beeinflussen können. Zur empirischen Beantwortung der Forschungsfragen wurde der aktuelle Stand der Forschung über die Wahrnehmung der NBS für Hochwasserrisiken durch eine systematische Literaturanalyse untersucht (Publikation I). Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wird eine Fallstudie aus Südkorea herangezogen, um die wichtigsten Kontext- und Einstellungsfaktoren für das Mainstreaming von NBS aus der Sicht von Experten aufzuzeigen (Publikation II). Schließlich wurde anhand einer Bürgerbefragung die Beziehung zwischen den zuvor in den Publikationen I und II erörterten Konzepten untersucht, mit Schwerpunkt auf den Kernkonzepten, nämlich Risiko und Ort. Die Analzse basiert auf einem Strukturgleichungsmodell (Publikation III). In Publikation I wurden die wichtigsten Themen im Zusammenhang mit der Wahrnehmung der Menschen identifiziert, darunter der wahrgenommene Wert von Zusatznutzen, die wahrgenommene Wirksamkeit der Risikominderung, die Beteiligung von Interessengruppen, sozioökonomische und ortsspezifische Bedingungen, die Einstellung zur Umwelt und die Unsicherheit der NBS. Publikation II bestätigte die Ergebnisse von Publikation I hinsichtlich der Einstellungsfaktoren (d.h. die Bereiche Ort und Risiko). Zusätzlich wurde festgestellt, dass mehrere hemmende und fördernde Kontextfaktoren denen aller neuen Technologien ähneln (d. h. Pfadabhängigkeit, fehlende operative und systemische Kapazitäten). Eines der besonderen Merkmale im Kontext der NBS, zumindest im Fall Südkoreas, ist die Politisierung der NBS, die möglicherweise zu einer Polarisierung der Ideen an sich führen und damit den Entscheidungsprozess untergraben kann. Schließlich bietet Publikation III einen Rahmen mit dem Fokus auf die Faktoren (d. h. Ort und Risiko), die in Papier I und Papier II als entscheidend angesehen wurden. Dieses ortsbezogene Risikobewertungsmodell (place-based risk appraisal model, PRAM) stellt eine Verbindung zwischen den gefährdeten Menschen und den Orten her, an denen Gefahren (z. B. Hochwasser) und Interventionen (z. B. NBS) stattfinden. Die empirische Analyse zeigt, dass bei den ortsbezogenen Konstrukten die Naturverbundenheit ein positiver Prädiktor für die wahrgenommene risikomindernde Wirksamkeit der NBS war und die Ortsidentität ein negativer Prädiktor für die unterstützende Einstellung. Bei den risikobezogenen Konstrukten wirkte sich die Einschätzung der Bedrohung negativ auf die wahrgenommene Wirksamkeit der Risikominderung und die unterstützende Einstellung aus, während gut kommunizierte Informationen, Vertrauen in das Hochwasserrisikomanagement und wahrgenommener Zusatznutzen positive Prädiktoren waren. Diese Dissertation zeigt, dass die verschiedenen Ebenen der Orts-, Risiko- und Landschaftsattribute der NBS die Wahrnehmung der NBS durch die Menschen beeinflussen. Um die Umsetzung der NBS zu optimieren, müssen die vor der Projektumsetzung bestehenden Vorstellungen und Werte der dort lebenden Menschen berücksichtigt und analysiert werden, wie diese Attribute mit dem Risikokontext und anderen systemischen und kontextuellen Faktoren interagieren. Angesichts der zunehmenden Notwendigkeit, naturbasierte Methoden zur Verringerung von Hochwasserrisiken einzusetzen, liefern diese Ergebnisse wichtige Anregungen für die künftige NBS-Projektstrategie und NBS-Governance. KW - nature-based solutions KW - flood risk management KW - dike relocation KW - risk perception KW - place attachment KW - acceptance KW - attitude KW - systematic review KW - semi-structured interview KW - structural equation modeling KW - Akzeptanz KW - Einstellung KW - Deichrückverlegung KW - Hochwasserrisikomanagement KW - naturbasierte Lösungen KW - Ortsbindung KW - Risikowahrnehmung KW - halbstrukturiertes Interview KW - Strukturgleichungsmodell KW - systematische Übersicht Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-579524 ER - TY - THES A1 - Fischer, Melanie T1 - Outburst floods in the Greater Himalayas T1 - Dammbruchfluten in der Großregion des Himalayas BT - from regional susceptibility to local hazard BT - von regionaler Suszeptibilität zu lokaler Gefährdung N2 - High-mountain regions provide valuable ecosystem services, including food, water, and energy production, to more than 900 million people worldwide. Projections hold, that this population number will rapidly increase in the next decades, accompanied by a continued urbanisation of cities located in mountain valleys. One of the manifestations of this ongoing socio-economic change of mountain societies is a rise in settlement areas and transportation infrastructure while an increased power need fuels the construction of hydropower plants along rivers in the high-mountain regions of the world. However, physical processes governing the cryosphere of these regions are highly sensitive to changes in climate and a global warming will likely alter the conditions in the headwaters of high-mountain rivers. One of the potential implications of this change is an increase in frequency and magnitude of outburst floods – highly dynamic flows capable of carrying large amounts of water and sediments. Sudden outbursts from lakes formed behind natural dams are complex geomorphological processes and are often part of a hazard cascade. In contrast to other types of natural hazards in high-alpine areas, for example landslides or avalanches, outburst floods are highly infrequent. Therefore, observations and data describing for example the mode of outburst or the hydraulic properties of the downstream propagating flow are very limited, which is a major challenge in contemporary (glacial) lake outburst flood research. Although glacial lake outburst floods (GLOFs) and landslide-dammed lake outburst floods (LLOFs) are rare, a number of documented events caused high fatality counts and damage. The highest documented losses due to outburst floods since the start of the 20th century were induced by only a few high-discharge events. Thus, outburst floods can be a significant hazard to downvalley communities and infrastructure in high-mountain regions worldwide. This thesis focuses on the Greater Himalayan region, a vast mountain belt stretching across 0.89 million km2. Although potentially hundreds of outburst floods have occurred there since the beginning of the 20th century, data on these events is still scarce. Projections of cryospheric change, including glacier-mass wastage and permafrost degradation, will likely result in an overall increase of the water volume stored in meltwater lakes as well as the destabilisation of mountain slopes in the Greater Himalayan region. Thus, the potential for outburst floods to affect the increasingly more densely populated valleys of this mountain belt is also likely to increase in the future. A prime example of one of these valleys is the Pokhara valley in Nepal, which is drained by the Seti Khola, a river crossing one of the steepest topographic gradients in the Himalayas. This valley is also home to Nepal’s second largest, rapidly growing city, Pokhara, which currently has a population of more than half a million people – some of which live in informal settlements within the floodplain of the Seti Khola. Although there is ample evidence for past outburst floods along this river in recent and historic times, these events have hardly been quantified. The main motivation of my thesis is to address the data scarcity on past and potential future outburst floods in the Greater Himalayan region, both at a regional and at a local scale. For the former, I compiled an inventory of >3,000 moraine-dammed lakes, of which about 1% had a documented sudden failure in the past four decades. I used this data to test whether a number of predictors that have been widely applied in previous GLOF assessments are statistically relevant when estimating past GLOF susceptibility. For this, I set up four Bayesian multi-level logistic regression models, in which I explored the credibility of the predictors lake area, lake-area dynamics, lake elevation, parent-glacier-mass balance, and monsoonality. By using a hierarchical approach consisting of two levels, this probabilistic framework also allowed for spatial variability on GLOF susceptibility across the vast study area, which until now had not been considered in studies of this scale. The model results suggest that in the Nyainqentanglha and Eastern Himalayas – regions with strong negative glacier-mass balances – lakes have been more prone to release GLOFs than in regions with less negative or even stable glacier-mass balances. Similarly, larger lakes in larger catchments had, on average, a higher probability to have had a GLOF in the past four decades. Yet, monsoonality, lake elevation, and lake-area dynamics were more ambiguous. This challenges the credibility of a lake’s rapid growth in surface area as an indicator of a pending outburst; a metric that has been applied to regional GLOF assessments worldwide. At a local scale, my thesis aims to overcome data scarcity concerning the flow characteristics of the catastrophic May 2012 flood along the Seti Khola, which caused 72 fatalities, as well as potentially much larger predecessors, which deposited >1 km³ of sediment in the Pokhara valley between the 12th and 14th century CE. To reconstruct peak discharges, flow depths, and flow velocities of the 2012 flood, I mapped the extents of flood sediments from RapidEye satellite imagery and used these as a proxy for inundation limits. To constrain the latter for the Mediaeval events, I utilised outcrops of slackwater deposits in the fills of tributary valleys. Using steady-state hydrodynamic modelling for a wide range of plausible scenarios, from meteorological (1,000 m³ s-1) to cataclysmic outburst floods (600,000 m³ s-1), I assessed the likely initial discharges of the recent and the Mediaeval floods based on the lowest mismatch between sedimentary evidence and simulated flood limits. One-dimensional HEC-RAS simulations suggest, that the 2012 flood most likely had a peak discharge of 3,700 m³ s-1 in the upper Seti Khola and attenuated to 500 m³ s-1 when arriving in Pokhara’s suburbs some 15 km downstream. Simulations of flow in two-dimensions with orders of magnitude higher peak discharges in ANUGA show extensive backwater effects in the main tributary valleys. These backwater effects match the locations of slackwater deposits and, hence, attest for the flood character of Mediaeval sediment pulses. This thesis provides first quantitative proof for the hypothesis, that the latter were linked to earthquake-triggered outbursts of large former lakes in the headwaters of the Seti Khola – producing floods with peak discharges of >50,000 m³ s-1. Building on this improved understanding of past floods along the Seti Khola, my thesis continues with an analysis of the impacts of potential future outburst floods on land cover, including built-up areas and infrastructure mapped from high-resolution satellite and OpenStreetMap data. HEC-RAS simulations of ten flood scenarios, with peak discharges ranging from 1,000 to 10,000 m³ s-1, show that the relative inundation hazard is highest in Pokhara’s north-western suburbs. There, the potential effects of hydraulic ponding upstream of narrow gorges might locally sustain higher flow depths. Yet, along this reach, informal settlements and gravel mining activities are close to the active channel. By tracing the construction dynamics in two of these potentially affected informal settlements on multi-temporal RapidEye, PlanetScope, and Google Earth imagery, I found that exposure increased locally between three- to twentyfold in just over a decade (2008 to 2021). In conclusion, this thesis provides new quantitative insights into the past controls on the susceptibility of glacial lakes to sudden outburst at a regional scale and the flow dynamics of propagating flood waves released by past events at a local scale, which can aid future hazard assessments on transient scales in the Greater Himalayan region. My subsequent exploration of the impacts of potential future outburst floods to exposed infrastructure and (informal) settlements might provide valuable inputs to anticipatory assessments of multiple risks in the Pokhara valley. N2 - Hochgebirgsregionen stellen wertvolle Ökosystemdienstleistungen wie Nahrung, Wasser und Energieerzeugung für weltweit mehr als 900 Millionen Menschen bereit. Prognosen zufolge wird diese Zahl in den nächsten Jahrzehnten weiter rapide ansteigen, begleitet von einer zunehmenden Urbanisierung der in den Bergtälern lebenden Bevölkerung. Dieser anhaltende sozioökonomische Wandel äußert sich unter anderem in der Zunahme von Siedlungsflächen und dem Ausbau der Verkehrsinfrastruktur, während gleichzeitig ein erhöhter Energiebedarf den Bau von Wasserkraftwerken entlang von Hochgebirgsflüssen vorantreibt. Physikalische Prozesse, welche die Hochgebirgs-Kryosphäre beeinflussen, reagieren jedoch sehr empfindlich auf Klimaveränderungen. Die globale Erwärmung wird somit wahrscheinlich auch die Bedingungen in den Einzugsgebieten und Oberläufen dieser Hochgebirgsflüsse verändern. Eine mögliche Folge dieses Wandels ist eine Zunahme der Frequenz und Magnitude von natürlichen Dammbruchfluten (im Englischen outburst floods), welche hochdynamisch sind und potenziell große Mengen Wasser und Sedimente mit sich führen können. Plötzliche Ausbrüche von Seen, welche sich zuvor hinter natürlichen Dämmen aufgestaut haben, sind komplexe geomorphologische Prozesse und oft Teil einer mehrteiligen Gefahrenkaskade. Dammbruchfluten sind jedoch, im Gegensatz zu anderen Naturgefahren im Hochgebirge wie beispielsweise Erdrutsche oder Lawinen, sehr selten. Daher sind direkte Beobachtungen und Messdaten, welche z.B. die Art des Ausbruchs oder die hydraulischen Eigenschaften der sich stromabwärts ausbreitenden Strömung festhalten, nur sehr begrenzt vorhanden, was eine der größten Herausforderungen für die gegenwärtige Forschung an natürlichen Dammbruchfluten darstellt. Trotz der Seltenheit von Ausbrüchen von Gletscherseen (glacial lake outburst floods oder GLOFs) beziehungsweise von durch Erdrutschmassen aufgestauten Seen (landslide-dammed lake outburst floods oder LLOFs), ist dieser Fluttyp für eine hohe Anzahl an dokumentierten Opferzahlen und Schäden weltweit verantwortlich. Ein Großteil dieser Schäden wurde dabei nach Aufzeichnungen seit Beginn des 20. Jahrhunderts durch nur wenige Ereignisse verursacht. Natürliche Dammbruchfluten stellen somit eine ernsthafte Gefahr für weiter talabwärts gelegene Siedlungen und die Infrastruktur in den Hochgebirgsregionen der Welt dar. Die vorliegende Dissertation fokussiert sich räumlich auf den Himalaya und die angrenzenden Gebirgszüge – die sogenannte Großregion des Himalayas – welche sich über eine Fläche von 0.89 Millionen km² erstreckt. Obwohl sich in diesem Gebirgsgürtel seit Beginn des 20. Jahrhunderts möglicherweise Hunderte natürlicher Dammbruchfluten ereignet haben, liegen nur wenige Daten über derartige Ereignisse vor. Aktuelle Prognosen der Veränderungen der Kryosphäre in diesem Gebiet zeigen einen zunehmenden Verlust an Gletschermasse und das Abtauen von Permafrostböden, was wahrscheinlich wiederum zu einem allgemeinen Anstieg des in den Gletscherseen gespeicherten Wasservolumens sowie zur Destabilisierung der Berghänge in der Großregion des Himalayas führen wird. In Zukunft ist somit auch eine Zunahme des Potenzials für solche Überschwemmungen in den zunehmend dichter besiedelten Tälern dieses Gebirgsgürtels wahrscheinlich. Ein Paradebeispiel eines solchen gefährdeten Himalaya-Tals ist das Pokhara Tal in Nepal, welches vom Seti Khola („Khola“ heißt auf Nepalesisch Fluss) entwässert wird, dem Hochgebirgsfluss mit dem steilsten topographischen Gefälle im zentralen Himalaya. Das Pokhara Tal beherbergt die gleichnamige Stadt Pokhara, welche mit einer Einwohnerzahl von über 500.000 die zweitgrößte und am schnellsten wachsende Stadt Nepals darstellt. Ein Teil der Einwohner Pokharas lebt in informellen Siedlungen, welche sich oftmals direkt im Überschwemmungsgebiet des Seti Khola befinden. Trotz zahlreicher Hinweise auf frühere natürliche Dammbruchfluten entlang dieses Flusses aus jüngerer und historischer Zeit, wurden diese Ereignisse bisher kaum quantifiziert. Die Hauptmotivation meiner Dissertation besteht darin, den Mangel an Daten über vergangene und potenzielle zukünftige natürliche Dammbruchfluten in der Großregion des Himalayas zu überwinden, sowohl auf regionaler als auch auf lokaler Ebene. Zu diesem Zweck habe ich ein Inventar von mehr als 3.000 hinter Moränen aufgestauten Gletscherseen erstellt, von welchen etwa 1% in den letzten vier Jahrzehnten einen dokumentierten GLOF produziert haben. Auf dieser Datengrundlage testete ich, ob eine Reihe von Prädiktoren, die in bisherigen GLOF-Studien häufig verwendet wurden, statistisch relevant für die Abschätzung der Suszeptibilität von moränengedämmten Gletscherseen für GLOFs in der Vergangenheit sind. Zu diesem Zweck habe ich vier Bayesische hierarchische logistische Regressionsmodelle aufgestellt, mit welchen ich die Glaubwürdigkeit der Prädiktoren Seefläche, Seeflächendynamik, Seehöhe über dem Meeresspiegel, Gletschermassenbilanz und „Monsunalität“ (definiert als der Anteil des während der Sommermonate fallenden Niederschlages am Jahresniederschlag) untersuchen konnte. Die Anwendung eines hierarchischen Ansatzes mit zwei Ebenen ermöglichte dabei die Berücksichtigung einer möglichen räumlichen Variabilität der GLOF-Suszeptibilität im Untersuchungsgebiet, was in bisherigen Studien dieser Größenordnung bislang nicht berücksichtigt worden ist. Die Modellergebnisse deuten darauf hin, dass Gletscherseen im Nyainqentanglha und im östlichen Himalaya, also Regionen mit stark negativen Gletschermassenbilanzen, eine höhere Suszeptibilität für GLOFs hatten als Gletscherseen in Regionen mit weniger stark negativen oder stabilen Gletschermassenbilanzen. Größere Gletscherseen in größeren Einzugsgebieten zeigten durchschnittlich ebenfalls eine höhere Wahrscheinlichkeit für einen nachgewiesenen GLOF in den letzten vier Jahrzehnten. Ein Einfluss der Monsunalität, der Höhe des Sees über dem Meeresspiegel sowie der Dynamik der Seefläche waren jedoch uneindeutig in den Modellen. Dieses Ergebnis stellt die Gültigkeit eines raschen Seewachstums als Indikator eines bevorstehenden GLOFs, ein in regionalen GLOF-Studien häufig angewandter Prädiktor, in Frage. Auf lokaler Ebene kann meine Dissertation dabei helfen, die Datenknappheit bezüglich der Fließcharakteristika der katastrophalen Flut vom Mai 2012 mit 72 Opfern entlang des Seti Khola sowie deren potenziell viel größeren Vorgängerereignissen des 12. bis 14. Jahrhunderts, welche >1 km³ an Sedimenten deponierten, zu überwinden. Um Spitzenabflüsse, Fließtiefen und Fließgeschwindigkeiten der 2012 Flut zu rekonstruieren, habe ich die Erstreckung der Flutsedimente aus RapidEye-Satellitenbildern kartiert und diese als Proxy für die Grenzen der Überflutungsflächen verwendet. Um letztere auch für die mittelalterlichen Ereignisse einzuschätzen, nutzte ich die Aufschlüsse von Stauwasserablagerungen (slackwater deposits) in den Talverfüllungen der Tributäre des Seti Kholas. Mit Hilfe stationärer hydrodynamischer Modelle simulierte ich eine breite Palette plausibler Fließszenarien, von meteorologischen Fluten (1.000 m³ s-1) bis hin zu kataklystischen Ausbrüchen (600.000 m³ s-1). Die Abschätzung der wahrscheinlichen anfänglichen Spitzenabflüsse der rezenten und mittelalterlichen Überschwemmungen geschah dabei auf der Grundlage der geringsten räumlichen Diskrepanz zwischen den sedimentären Beweisen und den simulierten Überflutungsgrenzen. Meine eindimensionalen Flutsimulationen mit der Modellierungssoftware HEC-RAS ergaben, dass die Flut von 2012 höchstwahrscheinlich einen Spitzenabfluss von 3.700 m³ s-1 im oberen Abschnitt des Seti Khola aufwies, sich jedoch beim Erreichen der etwa 15 km flussabwärts gelegenen Randbereiche Pokharas bereits auf 500 m³ s-1 abgeschwächt hatte. Um Größenordnungen höhere zweidimensionale Flutsimulationen mit der Modellierungssoftware ANUGA zeigen extensive Rückstaueffekte in den Haupttributären. Die Grenzen dieser Rückstaueffekte stimmen mit den Vorkommen von Stauwasserablagerungen überein und belegen somit den fluviatilen Charakter der mittelalterlichen Sedimentationsereignisse. Diese Dissertation liefert somit den ersten quantitativen Beweis für die Hypothese, dass die mächtigen mittelalterlichen Sedimentablagerungen des Pokhara Tals durch von starken Erdbeben ausgelösten Ausbrüchen großer ehemaliger Gletscherseen im Oberlauf des Seti Khola zusammenhängen, welche Fluten mit Spitzenabflüssen von >50.000 m³ s-1 produzierten. Aufbauend auf diesem verbesserten Verständnis vergangener Fluten entlang des Seti Khola analysierte ich die Auswirkungen potenzieller zukünftiger natürlicher Dammbruchfluten auf die Landbedeckung des Pokhara Tals, einschließlich Siedlungsfläche und Infrastruktur, anhand von hochauflösenden Satelliten- und OpenStreetMap-Daten. Meine HEC-RAS-Simulationen von zehn Flutszenarien mit Spitzenabflüssen zwischen 1.000 und 10.000 m³ s-1 ergaben, dass die relative Überflutungsgefahr in den nordwestlichen Randbereichen Pokharas am höchsten ist. Dort kann eine hydraulische Aufstauung oberhalb von engen Schluchten zu lokal höheren Überflutungstiefen führen, was eine potenzielle Gefahr für die sich in diesen Flussabschnitten befindenden informellen Siedlungen und Kiesabbaulokalitäten darstellt. Meine Analyse der Bebauungsdynamik zweier potenziell betroffener informeller Siedlungen mithilfe von hochauflösenden, multi-temporalen RapidEye-, PlanetScope- und Google Earth-Satellitenbildern ergab, dass sich die Exposition in etwas mehr als einem Jahrzehnt (2008 bis 2021) lokal um das Drei- bis Zwanzigfache erhöhte. Die vorliegende Dissertation liefert neue quantitative Erkenntnisse einerseits über die Suszeptibilität von moränengedämmten Seen für plötzliche Gletscherseeausbrüche (GLOFs) auf regionaler Ebene und andererseits, auf lokaler Ebene, über die Strömungsdynamik der sich talabwärtsbewegenden Flutwellen vergangener Ereignisse. Meine anschließende Untersuchung der Auswirkungen potenzieller künftiger natürlicher Dammbruchfluten auf exponierte Infrastruktur und (informelle) Siedlungen kann einen wertvollen Beitrag zu zukünftigen Multi-Risikobewertung für das Pokhara Tal leisten. KW - outburst floods KW - Bayesian multi-level logistic regression KW - hydrodynamic modelling KW - Himalayas KW - GLOF KW - Nepal KW - flood hazard KW - Bayes'sche Mehrebenenregression KW - GLOF (Gletscherseeausbruchsflut) KW - Himalaya-Gebirge KW - Nepal KW - Flutgefährdung KW - hydrodynamische Modellierung KW - Dammbruchfluten Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-569972 ER - TY - THES A1 - Zeitz, Maria T1 - Modeling the future resilience of the Greenland Ice Sheet T1 - Numerische Modellierung der zukünftigen Resilienz des grönländischen Eisschildes BT - from the flow of ice to the interplay of feedbacks N2 - The Greenland Ice Sheet is the second-largest mass of ice on Earth. Being almost 2000 km long, more than 700 km wide, and more than 3 km thick at the summit, it holds enough ice to raise global sea levels by 7m if melted completely. Despite its massive size, it is particularly vulnerable to anthropogenic climate change: temperatures over the Greenland Ice Sheet have increased by more than 2.7◦C in the past 30 years, twice as much as the global mean temperature. Consequently, the ice sheet has been significantly losing mass since the 1980s and the rate of loss has increased sixfold since then. Moreover, it is one of the potential tipping elements of the Earth System, which might undergo irreversible change once a warming threshold is exceeded. This thesis aims at extending the understanding of the resilience of the Greenland Ice Sheet against global warming by analyzing processes and feedbacks relevant to its centennial to multi-millennial stability using ice sheet modeling. One of these feedbacks, the melt-elevation-feedback is driven by the temperature rise with decreasing altitudes: As the ice sheet melts, its thickness and surface elevation decrease, exposing the ice surface to warmer air and thus increasing the melt rates even further. The glacial isostatic adjustment (GIA) can partly mitigate this melt-elevation feedback as the bedrock lifts in response to an ice load decrease, forming the negative GIA feedback. In my thesis, I show that the interaction between these two competing feedbacks can lead to qualitatively different dynamical responses of the Greenland Ice Sheet to warming – from permanent loss to incomplete recovery, depending on the feedback parameters. My research shows that the interaction of those feedbacks can initiate self-sustained oscillations of the ice volume while the climate forcing remains constant. Furthermore, the increased surface melt changes the optical properties of the snow or ice surface, e.g. by lowering their albedo, which in turn enhances melt rates – a process known as the melt-albedo feedback. Process-based ice sheet models often neglect this melt-albedo feedback. To close this gap, I implemented a simplified version of the diurnal Energy Balance Model, a computationally efficient approach that can capture the first-order effects of the melt-albedo feedback, into the Parallel Ice Sheet Model (PISM). Using the coupled model, I show in warming experiments that the melt-albedo feedback almost doubles the ice loss until the year 2300 under the low greenhouse gas emission scenario RCP2.6, compared to simulations where the melt-albedo feedback is neglected, and adds up to 58% additional ice loss under the high emission scenario RCP8.5. Moreover, I find that the melt-albedo feedback dominates the ice loss until 2300, compared to the melt-elevation feedback. Another process that could influence the resilience of the Greenland Ice Sheet is the warming induced softening of the ice and the resulting increase in flow. In my thesis, I show with PISM how the uncertainty in Glen’s flow law impacts the simulated response to warming. In a flow line setup at fixed climatic mass balance, the uncertainty in flow parameters leads to a range of ice loss comparable to the range caused by different warming levels. While I focus on fundamental processes, feedbacks, and their interactions in the first three projects of my thesis, I also explore the impact of specific climate scenarios on the sea level rise contribution of the Greenland Ice Sheet. To increase the carbon budget flexibility, some warming scenarios – while still staying within the limits of the Paris Agreement – include a temporal overshoot of global warming. I show that an overshoot by 0.4◦C increases the short-term and long-term ice loss from Greenland by several centimeters. The long-term increase is driven by the warming at high latitudes, which persists even when global warming is reversed. This leads to a substantial long-term commitment of the sea level rise contribution from the Greenland Ice Sheet. Overall, in my thesis I show that the melt-albedo feedback is most relevant for the ice loss of the Greenland Ice Sheet on centennial timescales. In contrast, the melt-elevation feedback and its interplay with the GIA feedback become increasingly relevant on millennial timescales. All of these influence the resilience of the Greenland Ice Sheet against global warming, in the near future and on the long term. N2 - Das grönländische Eisschild ist die zweitgrößte Eismasse der Erde. Es fasst genug Eis, um den globalen Meeresspiegel um 7m anzuheben, wenn er vollständig schmilzt. Trotz seiner Größe ist es durch den vom Menschen verursachten Klimawandel immens gefährdet: Die Temperaturen über Grönland sind in den letzten 30 Jahren um mehr als 2,7◦C gestiegen, doppelt so stark wie im globalen Mittel. Daher verliert das Eisschild seit den 1980er Jahren an Masse und die Verlustrate hat sich seitdem versechsfacht. Zudem ist das grönländische Eisschild ein Kippelement des Erdsystems, es könnte sich unwiederbringlich verändern, wenn die globale Erwärmung einen Schwellwert überschreiten sollte. Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis für die Resilienz des grönländischen Eisschildes zu erweitern, indem relevante Rückkopplungen und Prozesse analysiert werden. Eine dieser Rückkopplungen, die positive Schmelz-Höhen-Rückkopplung wird durch den Temperaturanstieg bei abnehmender Höhe angetrieben: Wenn der Eisschild schmilzt, nehmen seine Dicke und die Oberflächenhöhe ab, wodurch die Eisoberfläche wärmerer Luft ausgesetzt wird und die Schmelzraten noch weiter ansteigen. Die glaziale isostatische Anpassung (GIA) kann die Schmelz-Höhen-Rückkopplung teilweise abschwächen, da sich der Erdmantel als Reaktion auf die abnehmende Eislast hebt und so die negative GIA-Rückkopplung bildet. Ich zeige, dass die Interaktion zwischen diesen beiden konkurrierenden Rückkopplungen zu qualitativ unterschiedlichem dynamischen Verhalten des grönländischen Eisschildes bei Erwärmung führen kann - von permanentem Verlust bis hin zu unvollständiger Erholung. Das Zusammenspiel dieser Rückkopplungen kann zudem Oszillationen des Eisvolumens in einem konstanten Klima auslösen. Die verstärkte Oberflächenschmelze ändert die optischen Eigenschaften von Schnee und Eis und verringert deren Albedo, was wiederum die Schmelzraten erhöht – die sogenannte Schmelz-Albedo Rückkopplung. Da viele Eisschildmodelle diese vernachlässigen, habe ich eine vereinfachte Version des tageszeitlichen Energiebilanzmodells, welches die Effekte der Schmelz-Albedo-Rückkopplung erster Ordnung erfassen kann, in das Eisschildmodell PISM implementiert. Mithilfe des gekoppelten Modells zeige ich, dass die Schmelz-Albedo-Rückkopplung den Eisverlust bis zum Jahr 2300 im moderaten Klimaszenario RCP2.6 fast verdoppelt und im RCP8.5-Szenario, welches von starken Emissionen ausgeht, bis zu 58% zusätzlichen Eisverlust verursacht, im Vergleich zu Simulationen in denen die Schmelz-Albedo-Rückkopplung vernachlässigt wird. Bis zum Jahr 2300 trägt die Schmelz-Albedo-Rückkopplung mehr zum Eisverlust bei als die Schmelz-Höhen-Rückkopplung. Ein weiterer Prozess, der die Widerstandsfähigkeit des grönländischen Eisschilds beeinflussen könnte, ist die Erweichung des Eises bei steigenden Temperaturen, sowie die daraus resultierende Zunahme des Eisflusses. In meiner Dissertation zeige ich, wie sich die parametrische Unsicherheit in dem Flussgesetz auf die Ergebnisse von PISM Simulationen bei Erwärmung auswirkt. In einem idealisierten, zweidimensionalen Experiment mit fester klimatischer Massenbilanz führt die Unsicherheit in den Strömungsparametern zu einer Bandbreite des Eisverlustes, die mit der Bandbreite durch unterschiedliche Erwärmungen vergleichbar ist. Neben den grundsätzlichen Prozessen und Rückkopplungen untersuchte ich auch die Auswirkungen konkreter Klimaszenarien auf den Eisverlust von Grönland. Um die Flexibilität des Kohlenstoffbudgets zu erhöhen sehen einige Erwärmungsszenarien eine temporäre Überschreitung der globalen Temperaturen über das Ziel von 1,5◦C vor. Ich zeige, dass eine solche Temperaturerhöhung den kurz- und langfristigen Eisverlust von Grönland um mehrere Zentimeter erhöht. Der langfristige Meeresspiegelanstieg ist auf die anhaltende Temperaturerhöhung in hohen Breitengraden zurückzuführen. Solche Prozesse führen zu einem langfristigen und bereits festgelegtem Meeresspiegelanstieg, selbst wenn die Temperaturen nicht weiter steigen. Insgesamt zeige ich in meiner Arbeit, dass die Schmelz-Albedo-Rückkopplung für den Eisverlust des grönländischen Eisschilds in den nächsten Jahrhunderten am wichtigsten ist. Im Gegensatz dazu werden die Schmelz-Höhen-Rückkopplung und ihr Zusammenspiel mit der GIA-Rückkopplung auf längeren Zeiträumen immer relevanter. KW - Greenland Ice Sheet KW - ice-flow modeling KW - sea-level rise KW - Grönländisches Eisschild KW - Computersimulation KW - Meeresspiegelanstieg Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-568839 ER - TY - THES A1 - Trautmann, Tina T1 - Understanding global water storage variations using model-data integration T1 - Verständnis der Variabilität globaler Wasserspeicher mittels Modell-Daten Integration N2 - Climate change is one of the greatest challenges to humanity in this century, and most noticeable consequences are expected to be impacts on the water cycle – in particular the distribution and availability of water, which is fundamental for all life on Earth. In this context, it is essential to better understand where and when water is available and what processes influence variations in water storages. While estimates of the overall terrestrial water storage (TWS) variations are available from the GRACE satellites, these represent the vertically integrated signal over all water stored in ice, snow, soil moisture, groundwater and surface water bodies. Therefore, complementary observational data and hydrological models are still required to determine the partitioning of the measured signal among different water storages and to understand the underlying processes. However, the application of large-scale observational data is limited by their specific uncertainties and the incapacity to measure certain water fluxes and storages. Hydrological models, on the other hand, vary widely in their structure and process-representation, and rarely incorporate additional observational data to minimize uncertainties that arise from their simplified representation of the complex hydrologic cycle. In this context, this thesis aims to contribute to improving the understanding of global water storage variability by combining simple hydrological models with a variety of complementary Earth observation-based data. To this end, a model-data integration approach is developed, in which the parameters of a parsimonious hydrological model are calibrated against several observational constraints, inducing GRACE TWS, simultaneously, while taking into account each data’s specific strengths and uncertainties. This approach is used to investigate 3 specific aspects that are relevant for modelling and understanding the composition of large-scale TWS variations. The first study focusses on Northern latitudes, where snow and cold-region processes define the hydrological cycle. While the study confirms previous findings that seasonal dynamics of TWS are dominated by the cyclic accumulation and melt of snow, it reveals that inter-annual TWS variations on the contrary, are determined by variations in liquid water storages. Additionally, it is found to be important to consider the impact of compensatory effects of spatially heterogeneous hydrological variables when aggregating the contribution of different storage components over large areas. Hence, the determinants of TWS variations are scale-dependent and underlying driving mechanism cannot be simply transferred between spatial and temporal scales. These findings are supported by the second study for the global land areas beyond the Northern latitudes as well. This second study further identifies the considerable impact of how vegetation is represented in hydrological models on the partitioning of TWS variations. Using spatio-temporal varying fields of Earth observation-based data to parameterize vegetation activity not only significantly improves model performance, but also reduces parameter equifinality and process uncertainties. Moreover, the representation of vegetation drastically changes the contribution of different water storages to overall TWS variability, emphasizing the key role of vegetation for water allocation, especially between sub-surface and delayed water storages. However, the study also identifies parameter equifinality regarding the decay of sub-surface and delayed water storages by either evapotranspiration or runoff, and thus emphasizes the need for further constraints hereof. The third study focuses on the role of river water storage, in particular whether it is necessary to include computationally expensive river routing for model calibration and validation against the integrated GRACE TWS. The results suggest that river routing is not required for model calibration in such a global model-data integration approach, due to the larger influence other observational constraints, and the determinability of certain model parameters and associated processes are identified as issues of greater relevance. In contrast to model calibration, considering river water storage derived from routing schemes can already significantly improve modelled TWS compared to GRACE observations, and thus should be considered for model evaluation against GRACE data. Beyond these specific findings that contribute to improved understanding and modelling of large-scale TWS variations, this thesis demonstrates the potential of combining simple modeling approaches with diverse Earth observational data to improve model simulations, overcome inconsistencies of different observational data sets, and identify areas that require further research. These findings encourage future efforts to take advantage of the increasing number of diverse global observational data. N2 - Der Klimawandel stellt mit Abstand eine der größten Herausforderungen für die Menschheit in diesem Jahrhundert da, und die spürbarsten Folgen werden voraussichtlich die Auswirkungen auf den Wasserkreislauf sein - insbesondere auf die Verteilung und Verfügbarkeit von Wasser, welches Grundlage allen Lebens dieser Erde ist. In diesem Zusammenhang ist es von entscheidender Bedeutung, besser zu verstehen, wo und wann Wasser verfügbar ist und welche Prozesse natürliche Schwankungen der Wasserspeicher beeinflussen. Obwohl Schätzungen der Gesamtschwankungen der terrestrischen Wasserspeicher (TWS) basierend auf Daten der GRACE-Satelliten vorliegen, stellen diese nur das vertikal integrierte Signal über alles in Eis, Schnee, Bodenfeuchtigkeit, Grundwasser und Oberflächengewässern gespeicherte Wasser dar. Daher sind ergänzende Beobachtungsdaten und hydrologische Modelle notwendig, um die Aufteilung des gemessenen Signals auf verschiedenen Wasserspeicher zu bestimmen und die zugrunde liegenden Prozesse zu verstehen. Die Verwendung von großmaßstäblichen Beobachtungsdaten ist jedoch durch ihre spezifischen Unsicherheiten und die Unfähigkeit, bestimmte Wasserflüsse und -speicher zu messen, eingeschränkt. Hydrologische Modelle hingegen unterscheiden sich stark in ihrer Struktur und Prozessdarstellung und beziehen nur selten zusätzliche Beobachtungsdaten ein, um Unsicherheiten zu minimieren, die sich aus ihrer vereinfachten Darstellung des komplexen Wasserkreislaufs ergeben. In diesem Zusammenhang gibt diese Arbeit einen Beitrag zum besseren Verständnis der Schwankungen globaler Wasserspeicher, indem einfache hydrologische Modelle mit einer Vielzahl sich ergänzender Erdbeobachtungsdaten kombiniert werden. Dafür wird ein Ansatz zur Integration von Modellen und Daten entwickelt, bei dem die Parameter eines einfachen hydrologischen Modells gleichzeitig gegen mehrere Beobachtungsdaten, inklusive GRACE TWS, kalibriert werden, wobei deren spezifischen Stärken und Unsicherheiten berücksichtigt werden. Dieser Ansatz wird genutzt, um drei spezifische Aspekte, die für die Modellierung und das Verständnis der Zusammensetzung großskaliger TWS-Schwankungen relevant sind, zu untersuchen. Die erste Studie konzentriert sich auf die nördlichen Breiten, wo Schnee und Prozesse kalter Regionen den hydrologischen Kreislauf bestimmen. Während die Studie frühere Erkenntnisse darin bestätigt, dass die saisonale Dynamik des TWS von der zyklischen Akkumulation und Schmelze von Schnee dominiert wird, zeigt sie, dass die zwischenjährlichen TWS-Schwankungen im Gegenteil durch Variationen der Flüssigwasserspeicher bestimmt werden. Darüber hinaus wird festgestellt, dass es wichtig ist, die Auswirkungen kompensatorischer Effekte räumlich heterogener hydrologischer Variablen zu berücksichtigen, wenn der Beitrag verschiedener Speicherkomponenten über große Gebiete aggregiert wird. Die Determinanten der TWS-Schwankungen sind skalenabhängig, und die zugrunde liegenden Antriebsmechanismen lassen sich nicht einfach zwischen räumlichen und zeitlichen Skalen übertragen. Diese Ergebnisse werden durch die zweite Studie auch auf globaler Skale bestätigt. Diese zweite Studie zeigt außerdem, dass die Art und Weise, wie Vegetation in hydrologischen Modellen dargestellt wird, einen erheblichen Einfluss auf die Aufteilung der TWS-Variationen hat. Die Verwendung von raum-zeitlich variierenden Erdbeobachtungsdaten zur Parametrisierung der Vegetationsaktivität verbessert nicht nur die Modellleistung erheblich, sondern verringert auch die Parameterequifinalität und somit die Prozessunsicherheiten. Darüber hinaus beeinflusst die Repräsentation der Vegetation drastisch den Einfluss verschiedener Wasserspeicher zur Gesamtvariabilität des TWS und unterstreicht damit die Schlüsselrolle der Vegetation für die Wasserverteilung, insbesondere zwischen unterirdischen und verzögerten Wasserspeichern. Die Studie zeigt jedoch auch, dass die Parameter für den Verringerung der unterirdischen und verzögerten Wasserspeichern, entweder via Evapotranspiration oder via Abfluss, äquivalent sind, und unterstreicht damit die Notwendigkeit weiterer Eingrenzung durch Beobachtungsdaten. Die dritte Studie befasst sich mit der Rolle der Wasserspeicherung in Flüssen, insbesondere mit der Frage, ob es notwendig ist, das rechenintensive Abfluss-Routing für die Kalibrierung und Validierung des Modells gegen GRACE TWS Daten zu berücksichtigen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Abfluss-Routing für die Modellkalibrierung in einem solchen globalen Modell-Daten-Integrationsansatz nicht erforderlich ist, da andere Beobachtungsdaten einen größeren Einfluss haben und die Definierbarkeit bestimmter Modellparameter und damit zusammenhängender Prozesse relevantere Probleme darstellen. Im Gegensatz zur Modellkalibrierung kann die Berücksichtigung von Flusswasserspeichern jedoch den modellierten TWS im Vergleich zu GRACE-Beobachtungen bereits erheblich verbessern und sollte daher bei der Modellevaluierung gegen GRACE-Daten berücksichtigt werden. Über diese spezifischen Ergebnisse hinaus, die zum besseren Verständnis und Modellierung großskaliger TWS-Variationen beitragen, zeigt diese Arbeit das Potenzial der Kombination einfacher Modellierungsansätze mit verschiedenen Erdbeobachtungsdaten zur Verbesserung von Modellsimulationen, zur Überwindung von Inkonsistenzen zwischen verschiedenen Beobachtungsdatensätzen und zur Identifizierung von Themen, die weitere Forschung erfordern. Diese Ergebnisse ermutigen künftige Forschungen, die zunehmende Zahl unterschiedlicher globaler Beobachtungsdaten zu nutzen. KW - global hydrological modeling KW - model-data integration KW - terrestrial water storage variation KW - model calibration KW - globale hydrologische Modellierung KW - Modellkalibrierung KW - Model-Daten Integration KW - Variationen terrestrischer Wasserspeicher Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-565954 ER - TY - THES A1 - Krummenauer, Linda T1 - Global heat adaptation among urban populations and its evolution under different climate futures T1 - Globale Hitzeanpassung urbaner Bevölkerungen und deren Entwicklung unter verschiedenen klimatischen Zukünften N2 - Heat and increasing ambient temperatures under climate change represent a serious threat to human health in cities. Heat exposure has been studied extensively at a global scale. Studies comparing a defined temperature threshold with the future daytime temperature during a certain period of time, had concluded an increase in threat to human health. Such findings however do not explicitly account for possible changes in future human heat adaptation and might even overestimate heat exposure. Thus, heat adaptation and its development is still unclear. Human heat adaptation refers to the local temperature to which populations are adjusted to. It can be inferred from the lowest point of the U- or V-shaped heat-mortality relationship (HMR), the Minimum Mortality Temperature (MMT). While epidemiological studies inform on the MMT at the city scale for case studies, a general model applicable at the global scale to infer on temporal change in MMTs had not yet been realised. The conventional approach depends on data availability, their robustness, and on the access to daily mortality records at the city scale. Thorough analysis however must account for future changes in the MMT as heat adaptation happens partially passively. Human heat adaptation consists of two aspects: (1) the intensity of the heat hazard that is still tolerated by human populations, meaning the heat burden they can bear and (2) the wealth-induced technological, social and behavioural measures that can be employed to avoid heat exposure. The objective of this thesis is to investigate and quantify human heat adaptation among urban populations at a global scale under the current climate and to project future adaptation under climate change until the end of the century. To date, this has not yet been accomplished. The evaluation of global heat adaptation among urban populations and its evolution under climate change comprises three levels of analysis. First, using the example of Germany, the MMT is calculated at the city level by applying the conventional method. Second, this thesis compiles a data pool of 400 urban MMTs to develop and train a new model capable of estimating MMTs on the basis of physical and socio-economic city characteristics using multivariate non-linear multivariate regression. The MMT is successfully described as a function of the current climate, the topography and the socio-economic standard, independently of daily mortality data for cities around the world. The city-specific MMT estimates represents a measure of human heat adaptation among the urban population. In a final third analysis, the model to derive human heat adaptation was adjusted to be driven by projected climate and socio-economic variables for the future. This allowed for estimation of the MMT and its change for 3 820 cities worldwide for different combinations of climate trajectories and socio-economic pathways until 2100. The knowledge on the evolution of heat adaptation in the future is a novelty as mostly heat exposure and its future development had been researched. In this work, changes in heat adaptation and exposure were analysed jointly. A wide range of possible health-related outcomes up to 2100 was the result, of which two scenarios with the highest socio-economic developments but opposing strong warming levels were highlighted for comparison. Strong economic growth based upon fossil fuel exploitation is associated with a high gain in heat adaptation, but may not be able to compensate for the associated negative health effects due to increased heat exposure in 30% to 40% of the cities investigated caused by severe climate change. A slightly less strong, but sustainable growth brings moderate gains in heat adaptation but a lower heat exposure and exposure reductions in 80% to 84% of the cities in terms of frequency (number of days exceeding the MMT) and intensity (magnitude of the MMT exceedance) due to a milder global warming. Choosing a 2 ° C compatible development by 2100 would therefore lower the risk of heat-related mortality at the end of the century. In summary, this thesis makes diverse and multidisciplinary contributions to a deeper understanding of human adaptation to heat under the current and the future climate. It is one of the first studies to carry out a systematic and statistical analysis of urban characteristics which are useful as MMT drivers to establish a generalised model of human heat adaptation, applicable at the global level. A broad range of possible heat-related health options for various future scenarios was shown for the first time. This work is of relevance for the assessment of heat-health impacts in regions where mortality data are not accessible or missing. The results are useful for health care planning at the meso- and macro-level and to urban- and climate change adaptation planning. Lastly, beyond having met the posed objective, this thesis advances research towards a global future impact assessment of heat on human health by providing an alternative method of MMT estimation, that is spatially and temporally flexible in its application. N2 - Hitze und steigende Umgebungstemperaturen im Zuge des Klimawandels stellen eine ernsthafte Bedrohung für die menschliche Gesundheit in Städten dar. Die Hitzeexposition wurde umfassend auf globaler Ebene untersucht. Studien, die eine definierte Temperaturschwelle mit der zukünftigen Tagestemperatur während eines bestimmten Zeitraums verglichen, hatten eine Zunahme der Gefährdung der menschlichen Gesundheit ergeben. Solche Ergebnisse berücksichtigen jedoch nicht explizit mögliche Veränderungen der zukünftigen menschlichen Hitzeadaption und könnten daher sogar die Hitzeexposition überschätzen. Somit ist die menschliche Adaption an Hitze und ihre zukünftige Entwicklung noch unklar. Die menschliche Hitzeadaption bezieht sich auf die lokale Temperatur, an die sich die Bevölkerung angepasst hat. Sie lässt sich aus dem Tiefpunkt der U- oder V-förmigen Relation zwischen Hitze und Mortalität (HMR), der Mortalitätsminimaltemperatur (MMT), ableiten. Während epidemiologische Fallstudien über die MMT auf Stadtebene informieren, wurde ein auf globaler Ebene anwendbares allgemeines Modell, um auf die zeitliche Veränderung der MMTs zu schließen, bisher noch nicht realisiert. Der konventionelle Ansatz ist abhängig von der Datenverfügbarkeit, ihrer Robustheit und dem Zugang zu täglichen Mortalitätsdaten auf Stadtebene. Eine gründliche Analyse muss jedoch zukünftige Veränderungen in der MMT berücksichtigen, da die menschliche Hitzeanpassung teils passiv erfolgt. Die menschliche Hitzeanpassung besteht aus zwei Aspekten: (1) aus der Intensität der Hitze, die von der menschlichen Bevölkerung noch toleriert wird, also die Hitzebelastung, die sie ertragen kann, und (2) aus vermögensbedingten technologischen, sozialen und verhaltensbezogenen Maßnahmen, die zur Vermeidung von Hitzeexposition eingesetzt werden können. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die menschliche Hitzeanpassung der städtischen Bevölkerung unter dem aktuellen Klima auf globaler Ebene zu untersuchen und zu quantifizieren und die zukünftige Anpassung an den Klimawandel bis zum Ende des Jahrhunderts zu projizieren. Dies wurde bis heute noch nicht erreicht. Die Bewertung der globalen Hitzeanpassung städtischer Bevölkerungen und ihrer Entwicklung unter dem Klimawandel umfasst drei Analyseebenen. Erstens wird am Beispiel Deutschlands die MMT auf Stadtebene nach der konventionellen Methode berechnet. Zweitens trägt diese Arbeit einen Datenpool von 400 städtischen MMTs zusammen, um auf dessen Basis ein neues Modell zu entwickeln und zu trainieren, welches in der Lage ist, MMTs auf der Grundlage von physischen und sozioökonomischen Stadtmerkmalen mittels multivariater nichtlinearer multivariater Regression zu schätzen. Es wird gezeigt, dass die MMT als Funktion des aktuellen Klimas, der Topographie und des sozioökonomischen Standards beschrieben werden kann, unabhängig von täglichen Sterblichkeitsdaten für Städte auf der ganzen Welt. Die stadtspezifischen MMT-Schätzungen stellen ein Maß für die menschliche Hitzeanpassung der städtischen Bevölkerung dar. In einer letzten dritten Analyse wurde das Modell zur Schätzung der menschlichen Hitzeadaption angepasst, um von für die Zukunft projizierten Klima- und sozioökonomischen Variablen angetrieben zu werden. Dies ermöglichte eine Schätzung des MMT und seiner Veränderung für 3 820 Städte weltweit für verschiedene Kombinationen aus Klimatrajektorien und sozioökonomischen Entwicklungspfaden bis 2100. Das Wissen über die Entwicklung der menschlichen Hitzeanpassung in der Zukunft ist ein Novum, da bisher hauptsächlich die Hitzeexposition und ihre zukünftige Entwicklung erforscht wurden. In dieser Arbeit wurden die Veränderungen der menschlichen Hitzeadaptation und der Hitzeexposition gemeinsam analysiert. Das Ergebnis ist ein breites Spektrum möglicher gesundheitsbezogener Zukünfte bis 2100, von denen zum Vergleich zwei Szenarienkombinationen mit den höchsten sozioökonomischen Entwicklungen, aber gegensätzlichen starken Erwärmungsniveaus hervorgehoben wurden. Ein starkes Wirtschaftswachstum auf der Grundlage der Nutzung fossiler Brennstoffe fördert zwar einen hohen Zugewinn an Hitzeanpassung, kann jedoch die damit verbundenen negativen gesundheitlichen Auswirkungen aufgrund der erhöhten Exposition in rund 30% bis 40% der untersuchten Städte aufgrund eines starken Klimawandels möglicherweise nicht ausgleichen. Ein etwas weniger starkes, dafür aber nachhaltiges Wachstum bringt aufgrund einer milderen globalen Erwärmung eine moderate Hitzeanpassung und eine geringere Hitzeexposition und sogar eine Abnahme der Exposition in 80% bis 84% der Städte in Bezug auf Häufigkeit (Anzahl der Tage über der MMT) und Intensität (Magnitude der MMT-Überschreitung). Die Wahl einer 2 ° C-kompatiblen Entwicklung bis 2100 würde daher das Risiko einer hitzebedingten Sterblichkeit am Ende des Jahrhunderts senken. Zusammenfassend liefert diese Dissertation vielfältige und multidisziplinäre Beiträge zu einem tieferen Verständnis der menschlichen Hitzeanpassung unter dem gegenwärtigen und zukünftigen Klima. Es ist eine der ersten Studien, die eine systematische und statistische Analyse städtischer Merkmale durchführt, die sich als MMT-Treiber verwenden lassen, um ein verallgemeinertes Modell der menschlichen Hitzeanpassung zu erarbeiten, das auf globaler Ebene anwendbar ist. Erstmals wurde ein breites Spektrum möglicher hitzebedingter Gesundheitsoptionen für verschiedene Zukunftsszenarien aufgezeigt. Diese Arbeit ist von Bedeutung für die Bewertung von hitzebezogener Gesundheitsauswirkungen in Regionen, in denen Mortalitätsdaten nicht zugänglich sind oder fehlen. Die Ergebnisse sind nützlich für die Gesundheitsplanung auf Meso- und Makroebene sowie für die Stadtplanung und die Planung der Anpassung an den Klimawandel. Über das Erreichen des gestellten Ziels hinaus treibt diese Dissertation die Forschung in Richtung einer globalen zukünftigen Folgenabschätzung von Hitze auf die menschliche Gesundheit voran, indem eine alternative Methode der MMT-Schätzung bereitgestellt wird, die in ihrer Anwendung räumlich und zeitlich flexibel ist. KW - heat KW - adaptation KW - global KW - populations KW - climate change KW - temperature KW - mortality KW - minimum mortality temperature KW - projection KW - future KW - health KW - model KW - socio-economy KW - wealth KW - acclimatisation KW - Akklimatisierung KW - Anpassung KW - Hitzeanpassung KW - Klimawandel KW - Zukunft KW - global KW - Gesundheit KW - Hitze KW - Mortalitäts-Minimal-Temperatur KW - Modell KW - Mortalität KW - Bevölkerung KW - Projektion KW - Sozioökonomie KW - Temperatur KW - Wohlstand KW - exposure KW - hazard KW - cities KW - Exposition KW - Naturgefahr KW - Städte Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559294 ER - TY - THES A1 - Heidenreich, Anna T1 - Risk Communicaton of Natural Hazards BT - explaining pathways to adaptive behaviour by applying psychological theories and using multiple quantative methods in the context of heat stress and flooding N2 - Natural hazards pose a threat to human health and life. In Germany, where the research for this thesis was conducted, numerous weather extremes occurred in the recent past that caused high numbers of fatalities and huge financial losses. The focus of this research is centred around two relevant natural hazards: heat stress and flooding. Preventing negative health impacts and deaths, as well as structural and monetary damage is the purpose of risk management and this requires citizens to adapt as well. Risk communication is implemented to foster people’s risk perception and motivate individual adaptation. However, methods of risk and crisis communication are often not evaluated in a structured manner. Much interdisciplinary research exists on both risk perception and adaptation, however, not much is known on the connection between the two. Furthermore, the existing research on risk communication is often not theory-driven and its impact on individual adaptation and risk perception is not thoroughly documented. This dissertation follows three research aims: (1) Compare psychological theories that contribute to natural hazard research. (2) Explore risk perception and adaptive behaviour by applying multiple methods. And (3) evaluate one risk communication method and one crisis communication method in a theory-driven manner to determine their impact on risk perception and adaptive behaviour. First, a literature review is provided on existing psychological theories which aim to explain the behaviour of individuals with regards to natural hazards. The three key theories included are the Protection Motivation Theory (PMT), the Protective Action Decision Model (PADM), and the Risk Information Seeking and Processing Model (RISP). Each of these are described and compared to each other with a focus on their explanatory power and practical significance in interdisciplinary research. Theoretical adaptations and possible extensions for future research are proposed for the presented approaches. Second, a multimethod field study on heat stress at an open-air event is presented. Face-to-face surveys (n = 306) and behavioural observations (n = 2750) were carried out at a horticultural show in Würzburg in summer 2018. The visitors’ risk perception, adaptive behaviour, and activity level were analysed and compared between hot days, summer days, and rainy days, applying correlation analyses, ANOVA, and multiple regression analyses. Heat risk perception was generally high, but most respondents were unaware of heat warnings on the day of their visit. During hot days the highest level of adaptation and lower activity levels were observed. Discrepancies between reported and observed adaptation emerged for different age groups.. Third, a telephone and web-based household survey on heat stress was conducted in the cities of Würzburg, Potsdam, and Remscheid in 2019 (n = 1417). The PADM served as the study’s theoretical framework. In multiple regression analyses the PADM factors of environmental and demographic context, risk communication, and psychological processes explained a substantial share of variance of protection motivation, protective response, and emotion-focused coping. Elements of crisis communication of a heat warning were evaluated experimentally. Results showed that understanding and adaptation intention was significantly higher in individuals that had received action recommendations alongside the heat warning. Fourth, the focus is set on a risk communication method of the flood context. A series of workshops on individual flood protection was carried out in six different settings. The participants (n = 115) answered a pretest-posttest questionnaire. Mixed-model analyses revealed significant increases in self-efficacy, subjective knowledge, and protection motivation. Stronger effects were observed in younger participants and those with lower levels of previous knowledge on flood adaptation as well as no flood experience. The findings of this thesis help to understand individual adaptation, as well as possible impacts of risk and crisis communication on risk perception and adaptation. The scientific background of this work is rooted in the disciplines of psychology and geosciences. The two theories PMT and PADM proved to be useful theoretical frameworks for the presented studies to suggest improvements in risk communication methods. A broad picture of individual adaptation is captured through a variety of methods of self-reports (face-to-face, telephone-based, web-based, and paper-pencil surveys) and behavioural observations, which recorded past and intended behaviour. Alongside with further methodological recommendations, the theory-driven evaluations of risk and crisis communication methods can serve as best-practice examples for future evaluation studies in natural hazard research but also other sciences dealing with risk behaviour to identify and improve effective risk communication pathways. N2 - Naturgefahren stellen eine ernsthafte Gefahr für Gesundheit und Leben dar. In Deutschland, wo die Untersuchungen dieser Dissertation durchgeführt wurden, sind in der jüngeren Vergangenheit verschiedene Wetterextreme aufgetreten, die zahlreiche Menschenleben gekostet und hohe finanzielle Schäden verursacht haben. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf Hitzebelastung und Hochwasser. Die Vermeidung von Gesundheitsbelastungen, Todesfällen, strukturellen und monetären Schäden ist Aufgabe des Risikomanagements, welches auch individuelles Anpassungsverhalten von Bürger:innen umfasst. Risikokommunikation hat das Ziel, Risikowahrnehmung zu steigern und individuelle Anpassung zu motivieren. Allerdings wurden Methoden der Risiko- und auch Krisenkommunikation in bislang selten strukturiert evaluiert. Es existiert viel interdisziplinäre Forschung zu Risikowahrnehmung und Anpassung, jedoch ist wenig über den Zusammenhang beider Aspekte bekannt. Des Weiteren ist die bisherige Forschung zu Risikokommunikation selten theoriegeleitet und ihr Einfluss auf individuelle Anpassung und Risikowahrnehmung ist nicht systematisch untersucht. Diese Dissertation verfolgt drei Forschungsziele: (1) Psychologische Theorien, die einen Beitrag zur Naturrisikenforschung leisten (können), vergleichen, (2) Risikowahrnehmung und individuelle Anpassung mittels unterschiedlicher Methoden erforschen und (3) je eine Methode der Risiko- und der Krisenkommunikation theoriebasiert evaluieren und ihren Einfluss auf Risikowahrnehmung und Anpassungsverhalten bestimmen. Als Erstes werden psychologische Theorien vorgestellt, die, menschliches Verhalten im Zusammenhang mit Naturrisiken erklären. Der Fokus liegt dabei auf drei Theorien: der Protection Motivation Theory (PMT), dem Protective Action Decision Model (PADM), und dem Risk Information Seeking and Processing Model (RISP). Diese Theorien werden beschrieben und hinsichtlich ihrer Erklärungskraft und ihrer praktischen Bedeutung in der interdisziplinären Forschung verglichen. Anpassungen der vorgestellten Theorien und mögliche Erweiterungen für zukünftige Forschung werden vorgeschlagen. Als Zweites wird eine multimethodische Feldstudie vorgestellt. Im Rahmen der Landesgartenschau in Würzburg wurden im Sommer 2018 Befragungen (n = 306) und Verhaltensbeobachtungen (n = 2750) durchgeführt. Mithilfe von Korrelationsanalysen, ANOVAs und multiplen Regressionen wurden die Risikowahrnehmung, das Anpassungsverhalten und das Aktivitätsniveau von Besucher:innen an heißen Tagen, Sommertagen und Regentagen verglichen. Die Wahrnehmung von Hitzerisiko war allgemein hoch, jedoch wussten die meisten Befragten an Tagen mit einer aktuellen Hitzewarnung nicht über diese Warnung Bescheid. An heißen Tagen wurde das höchste Niveau an Anpassung und die niedrigste Aktivität beobachtet. Allerdings fanden sich Unterschiede zwischen selbstberichtetem und tatsächlich beobachtetem Anpassungsverhalten bei einigen Altersgruppen. Als Drittes wurde eine Haushaltsbefragung zum Thema Hitzebelastung durchgeführt, an der 2019 insgesamt 1417 Personen aus Würzburg, Potsdam und Remscheid per Telefon oder online teilnahmen. Das PADM stellt das theoretische Rahmenmodell dieser Untersuchung dar. Aus multiplen Regressionen konnte abgeleitet werden, dass die Umwelt- und demographischen Faktoren, Risikokommunikation und psychologische Prozesse des PADM substanzielle Varianzanteile der Schutzmotivation, des Schutzverhaltens und einer emotionalen Bewältigung erklärten. Elemente einer Hitzewarnung, die eine Methode der Krisenkommunikation darstellt, wurden experimentell verglichen. Es zeigte sich, dass die Bereitstellung zusätzlicher Handlungsinformationen im Rahmen der Warnung das Verständnis und die Anpassungsabsicht signifikant steigerte. Als Viertes wurde der Fokus auf eine Methode der Hochwasserrisikokommunikation gelegt. Insgesamt wurden sechs Workshops zu privaten Hochwasserschutzmaßnahmen durchgeführt. Zur Evaluation füllten die Teilnehmenden (n = 115) einen Vorher-Nachher-Fragebogen aus. Analysen zeigten signifikante Anstiege in Selbstwirksamkeit, subjektivem Wissen und Schutzmotivation. Für jüngere Teilnehmende und solche mit geringerem Vorwissen und ohne Hochwassererfahrung waren die Effekte des Workshops am stärksten. Die Ergebnisse dieser Dissertation helfen, individuelle Anpassung und mögliche Einflüsse von Risiko- und Krisenkommunikation auf Risikowahrnehmung und Anpassung besser zu verstehen. Der wissenschaftliche Hintergrund dieser Arbeit liegt in der Psychologie und den Geowissenschaften. Die beiden angewandten Theorien PMT und PADM erwiesen sich als hilfreiche theoretische Rahmenmodelle der vorgestellten Studien, um praktische Verbesserungen von Kommunikationen vorzuschlagen. Ein breites Bild vergangener und intendierter individueller Anpassung wurde mittels Befragungsmethoden (persönlich, telefonisch, online und in Papierform) und der Verhaltensbeobachtung gezeichnet. Zusammen mit methodischen Empfehlungen können die theoriebasierten Risiko- und Krisenkommunikationsevaluationen als Best-Practice-Beispiel für kommende Evaluationen in der (Natur-)Risikoforschung dienen und effektive Risikokommunikationswege identifizieren und stetig verbessern.  KW - Risk Behaviour KW - Crisis Communication KW - Climate Change Adaptation KW - Environmental Psychology KW - Model Comparison KW - Risikoverhalten KW - Krisenkommunikation KW - Klimawandelanpassung KW - Umweltpsychologie KW - Modellvergleich Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Kemter, Matthias T1 - River floods in a changing world T1 - Flusshochwasser in einer sich ändernden Welt N2 - River floods are among the most devastating natural hazards worldwide. As their generation is highly dependent on climatic conditions, their magnitude and frequency are projected to be affected by future climate change. Therefore, it is crucial to study the ways in which a changing climate will, and already has, influenced flood generation, and thereby flood hazard. Additionally, it is important to understand how other human influences - specifically altered land cover - affect flood hazard at the catchment scale. The ways in which flood generation is influenced by climatic and land cover conditions differ substantially in different regions. The spatial variability of these effects needs to be taken into account by using consistent datasets across large scales as well as applying methods that can reflect this heterogeneity. Therefore, in the first study of this cumulative thesis a complex network approach is used to find 10 clusters of similar flood behavior among 4390 catchments in the conterminous United States. By using a consistent set of 31 hydro-climatological and land cover variables, and training a separate Random Forest model for each of the clusters, the regional controls on flood magnitude trends between 1960-2010 are detected. It is shown that changes in rainfall are the most important drivers of these trends, while they are regionally controlled by land cover conditions. While climate change is most commonly associated with flood magnitude trends, it has been shown to also influence flood timing. This can lead to trends in the size of the area across which floods occur simultaneously, the flood synchrony scale. The second study is an analysis of data from 3872 European streamflow gauges and shows that flood synchrony scales have increased in Western Europe and decreased in Eastern Europe. These changes are attributed to changes in flood generation, especially a decreasing relevance of snowmelt. Additionally, the analysis shows that both the absolute values and the trends of flood magnitudes and flood synchrony scales are positively correlated. If these trends persist in the future and are not accounted for, the combined increases of flood magnitudes and flood synchrony scales can exceed the capacities of disaster relief organizations and insurers. Hazard cascades are an additional way through which climate change can influence different aspects of flood hazard. The 2019/2020 wildfires in Australia, which were preceded by an unprecedented drought and extinguished by extreme rainfall that led to local flooding, present an opportunity to study the effects of multiple preceding hazards on flood hazard. All these hazards are individually affected by climate change, additionally complicating the interactions within the cascade. By estimating and analyzing the burn severity, rainfall magnitude, soil erosion and stream turbidity in differently affected tributaries of the Manning River catchment, the third study shows that even low magnitude floods can pose a substantial hazard within a cascade. This thesis shows that humanity is affecting flood hazard in multiple ways with spatially and temporarily varying consequences, many of which were previously neglected (e.g. flood synchrony scale, hazard cascades). To allow for informed decision making in risk management and climate change adaptation, it will be crucial to study these aspects across the globe and to project their trajectories into the future. The presented methods can depict the complex interactions of different flood drivers and their spatial variability, providing a basis for the assessment of future flood hazard changes. The role of land cover should be considered more in future flood risk modelling and management studies, while holistic, transferable frameworks for hazard cascade assessment will need to be designed. N2 - Flusshochwasser gehören zu den verheerendsten Naturkatastrophen weltweit. Ihre Entstehung hängt von klimatischen Bedingungen ab, weshalb vorhergesagt wird, dass sich ihre Magnituden und Häufigkeit durch den Klimawandel ändern werden. Daher ist es notwendig zu untersuchen, auf welche Art sich ein verändertes Klima - auch im Vergleich mit Effekten durch Landbedeckungsänderungen - auf Hochwasserentstehung und -gefahr auswirken könnte und das bereits getan hat. Diese kumulative Arbeit beleuchtet drei Teilaspekte dieses Themas. In der ersten Studie werden mittels maschinellen Lernens die wichtigsten Variablen entdeckt und untersucht, die die Änderungen von Hochwassermagnituden in 4390 Einzugsgebieten in den USA von 1960-2010 kontrolliert haben. Es wird gezeigt, dass Änderungen der Regenmengen der entscheidende Faktor waren, während Landnutzung regional von großer Bedeutung war. Die zweite Studie untersucht von 1960-2010 Änderungen in der Distanz innerhalb welcher Hochwasser in verschiedenen Flüssen gleichzeitig auftreten. Daten von 3872 europäischen Flusspegeln zeigen, dass sich die Fläche der gleichzeitigen Überflutung in Westeuropa vergrößert und in Osteuropa verkleinert hat, was auf abnehmende Relevanz der Schneeschmelze bei der Hochwasserentstehung zurückzuführen ist. Die dritte Studie behandelt die Auswirkungen kaskadierender Naturkatastrophen auf Hochwasser am Beispiel der australischen Waldbrände 2019/2020. Die Untersuchung der verschieden stark betroffenen Nebenflüsse des Manning River zeigt, dass in einer Naturgefahrenkaskade selbst gewöhnliche Hochwasser substantielle Auswirkungen haben können. Diese Arbeit zeigt, dass die Menschheit Hochwassergefahren auf verschiedene Arten und mit räumlich sowie zeitlich variablen Resultaten beeinflusst. Diese Aspekte müssen zukünftig global näher untersucht und ihre Entwicklung für die Zukunft modelliert werden, um fundierte Entscheidungen in Hochwasserschutz treffen zu können. Für Hochwassermagnituden und die Fläche gleichzeitiger Überflutung können hierfür die präsentierten Methoden adaptiert werden. KW - hydrology KW - climate change KW - flood KW - Hydrologie KW - Klimawandel KW - Hochwasser Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558564 ER - TY - THES A1 - Samprogna Mohor, Guilherme T1 - Exploring the transferability of flood loss models across flood types N2 - The estimation of financial losses is an integral part of flood risk assessment. The application of existing flood loss models on locations or events different from the ones used to train the models has led to low performance, showing that characteristics of the flood damaging process have not been sufficiently well represented yet. To improve flood loss model transferability, I explore various model structures aiming at incorporating different (inland water) flood types and pathways. That is based on a large survey dataset of approximately 6000 flood-affected households which addresses several aspects of the flood event, not only the hazard characteristics but also information on the affected building, socioeconomic factors, the household's preparedness level, early warning, and impacts. Moreover, the dataset reports the coincidence of different flood pathways. Whilst flood types are a classification of flood events reflecting their generating process (e.g. fluvial, pluvial), flood pathways represent the route the water takes to reach the receptors (e.g. buildings). In this work, the following flood pathways are considered: levee breaches, river floods, surface water floods, and groundwater floods. The coincidence of several hazard processes at the same time and place characterises a compound event. In fact, many flood events develop through several pathways, such as the ones addressed in the survey dataset used. Earlier loss models, although developed with one or multiple predictor variables, commonly use loss data from a single flood event which is attributed to a single flood type, disregarding specific flood pathways or the coincidence of multiple pathways. This gap is addressed by this thesis through the following research questions: 1. In which aspects do flood pathways of the same (compound inland) flood event differ? 2. How much do factors which contribute to the overall flood loss in a building differ in various settings, specifically across different flood pathways? 3. How well can Bayesian loss models learn from different settings? 4. Do compound, that is, coinciding flood pathways result in higher losses than a single pathway, and what does the outcome imply for future loss modelling? Statistical analysis has found that households affected by different flood pathways also show, in general, differing characteristics of the affected building, preparedness, and early warning, besides the hazard characteristics. Forecasting and early warning capabilities and the preparedness of the population are dominated by the general flood type, but characteristics of the hazard at the object-level, the impacts, and the recovery are more related to specific flood pathways, indicating that risk communication and loss models could benefit from the inclusion of flood-pathway-specific information. For the development of the loss model, several potentially relevant predictors are analysed: water depth, duration, velocity, contamination, early warning lead time, perceived knowledge about self-protection, warning information, warning source, gap between warning and action, emergency measures, implementation of property-level precautionary measures (PLPMs), perceived efficacy of PLPMs, previous flood experience, awareness of flood risk, ownership, building type, number of flats, building quality, building value, house/flat area, building area, cellar, age, household size, number of children, number of elderly residents, income class, socioeconomic status, and insurance against floods. After a variable selection, descriptors of the hazard, building, and preparedness were deemed significant, namely: water depth, contamination, duration, velocity, building area, building quality, cellar, PLPMs, perceived efficacy of PLPMs, emergency measures, insurance, and previous flood experience. The inclusion of the indicators of preparedness is relevant, as they are rarely involved in loss datasets and in loss modelling, although previous studies have shown their potential in reducing losses. In addition, the linear model fit indicates that the explanatory factors are, in several cases, differently relevant across flood pathways. Next, Bayesian multilevel models were trained, which intrinsically incorporate uncertainties and allow for partial pooling (i.e. different groups of data, such as households affected by different flood pathways, can learn from each other), increasing the statistical power of the model. A new variable selection was performed for this new model approach, reducing the number of predictors from twelve to seven variables but keeping factors of the hazard, building, and preparedness, namely: water depth, contamination, duration, building area, PLPMs, insurance, and previous flood experience. The new model was trained not only across flood pathways but also across regions of Germany, divided according to general socioeconomic factors and insurance policies, and across flood events. The distinction across regions and flood events did not improve loss modelling and led to a large overlap of regression coefficients, with no clear trend or pattern. The distinction of flood pathways showed credibly distinct regression coefficients, leading to a better understanding of flood loss modelling and indicating one potential reason why model transferability has been challenging. Finally, new model structures were trained to include the possibility of compound inland floods (i.e. when multiple flood pathways coincide on the same affected asset). The dataset does not allow for verifying in which sequence the flood pathway waves occurred and predictor variables reflect only their mixed or combined outcome. Thus, two Bayesian models were trained: 1. a multi-membership model, a structure which learns the regression coefficients for multiple flood pathways at the same time, and 2. a multilevel model wherein the combination of coinciding flood pathways makes individual categories. The multi-membership model resulted in credibly different coefficients across flood pathways but did not improve model performance in comparison to the model assuming only a single dominant flood pathway. The model with combined categories signals an increase in impacts after compound floods, but due to the uncertainty in model coefficients and estimates, it is not possible to ascertain such an increase as credible. That is, with the current level of uncertainty in differentiating the flood pathways, the loss estimates are not credibly distinct from individual flood pathways. To overcome the challenges faced, non-linear or mixed models could be explored in the future. Interactions, moderation, and mediation effects, as well as non-linear effects, should also be further studied. Loss data collection should regularly include preparedness indicators, and either data collection or hydraulic modelling should focus on the distinction of coinciding flood pathways, which could inform loss models and further improve estimates. Flood pathways show distinct (financial) impacts, and their inclusion in loss modelling proves relevant, for it helps in clarifying the different contribution of influencing factors to the final loss, improving understanding of the damaging process, and indicating future lines of research. N2 - Die Schätzung finanzieller Schäden ist ein wesentlicher Bestandteil der Hochwasserrisikoanalyse. Die Anwendung bestehender Hochwasserschadensmodelle auf anderen Orten oder Ereignisse als jene, die zur Kalibrierung der Modelle verwendet wurden, hat zu einer geringen Modellgüte geführt. Dies zeigt, dass die Merkmale des Hochwasserschadensprozesses in den Modellen noch nicht hinreichend repräsentiert sind. Um die Übertragbarkeit von Hochwasserschadensmodellen zu verbessern, habe ich verschiedene Modellstrukturen untersucht, die darauf abzielen, unterschiedliche Hochwassertypen und wirkungspfade einzubeziehen. Dies geschieht auf der Grundlage eines großen Datensatzes von ca. 6000 Fällen überschwemmungsgeschädigter Haushalte, der mehrere Aspekte des Hochwasserereignisses berücksichtigt. Diese sind nicht nur die Gefährdungsmerkmale, sondern auch Informationen über das betroffene Gebäude, sozioökonomische Faktoren, die Vorsorge des Haushalts, die Frühwarnung und die Auswirkungen. Darüber hinaus enthält der Datensatz Informationen über das Vorkommen verschiedener Hochwasserwirkungspfade. Im Gegensatz zu den Hochwassertypen, die eine Klassifizierung von Hochwasserereignissen darstellen und deren Entstehungsprozess widerspiegeln (z. B. Fluss- oder Regenhochwasser), repräsentieren die Hochwasserwirkungspfade den Weg, den das Wasser nimmt, um die Rezeptoren (z. B. die Gebäude) zu erreichen. In dieser Arbeit werden folgende Hochwasserwirkungspfade betrachtet: Deichbrüche, Flusshochwasser, Überflutung durch oberflächlich abfließendes Wasser und Grundwasserhochwasser. Das Zusammentreffen mehrerer Gefahrenprozesse zur selben Zeit und am selben Ort kennzeichnet ein Verbundereignis (compound event). Tatsächlich entwickeln sich viele Hochwasserereignisse über mehrere Wirkungspfade, z. B. die vorher erwähnten. Frühere Schadensmodelle, die zwar mit einer oder mehreren Prädiktorvariablen entwickelt wurden, verwenden in der Regel Schadensdaten eines einzelnen Hochwasserereignisses, das einem bestimmten Hochwassertyp zugeordnet wird. Spezifische Hochwasserwirkungspfade oder das Zusammentreffen mehrerer Wirkungspfade werden dabei vernachlässigt. An dieser Forschungslücke setzt die vorliegende Arbeit mit folgenden Forschungsfragen an: 1) Inwiefern unterscheiden sich die Hochwasserwirkungspfade desselben (zusammengesetzten) Hochwasserereignisses? 2) Inwieweit unterscheiden sich die Faktoren, die zum gesamten Hochwasserschaden an einem Gebäude beitragen, in verschiedenen Situationen, insbesondere bei verschiedenen Hochwasserwirkungspfaden? 3) Wie gut können Bayes'sche Schadensmodelle aus verschiedenen Situationen lernen? 4) Führen gemischte, d. h. mehrere zusammentreffende Hochwasserwirkungspfade, zu höheren Schäden als ein einzelner Pfad und was bedeuten die Ergebnisse für die künftige Schadensmodellierung? Die statistische Analyse zeigt, dass Haushalte, die von verschiedenen Hochwasserwirkungspfaden betroffen sind, im Allgemeinen neben den Gefahrenmerkmalen auch unterschiedliche Eigenschaften des betroffenen Gebäudes sowie der Vorsorge und der Frühwarnung aufweisen. Die Variablen des Frühwarnsystems und die Vorsorge der Bevölkerung werden von dem allgemeinen Hochwassertyp dominiert, wohingegen die Merkmale der Gefahr auf Objektebene, die Auswirkungen und die Wiederherstellung von den spezifischeren Hochwasserwirkungspfaden dominiert. Dies deutet darauf hin, dass Risikokommunikation und Schadensmodelle von der Einbeziehung hochwasserwirkungspfad-spezifischer Informationen profitieren könnten. Für die Entwicklung des Schadensmodells wurden mehrere potenziell relevante Prädiktoren analysiert: Wassertiefe, Dauer, Geschwindigkeit, Verschmutzung, Vorwarnzeit, wahrgenommenes Wissen über Selbstschutz, Warninformation, Warnquelle, Zeitspanne zwischen Warnung und Handlung, Notfallmaßnahmen, Umsetzung von Vorsorgemaßnahmen auf Grundstücksebene (PLPMs), wahrgenommene Wirksamkeit von PLPMs, frühere Hochwassererfahrungen, Bewusstsein für das Hochwasserrisiko, Eigentumsverhältnisse, Gebäudetyp, Anzahl der Wohnungen, Gebäudequalität, Gebäudewert, Haus-/Wohnungsfläche, Gebäudefläche, Keller, Alter der befragten Person, Haushaltsgröße, Anzahl der Kinder, Anzahl der älteren Menschen, monatliches Einkommen sowie sozioökonomischer Status und Versicherung gegen Hochwasser. Nach einer Variablenauswahl wurden folgende Deskriptoren der Gefahr, des Gebäudes und der Vorbereitung als signifikant eingestuft: Wassertiefe, Verschmutzung, Überflutungsdauer, Geschwindigkeit, Gebäudefläche, Gebäudequalität, Keller, PLPMs, wahrgenommene Wirksamkeit von PLPMs, Notfallmaßnahmen, Versicherung und frühere Hochwassererfahrung. Die Einbeziehung der letztgenannten Gruppe von Faktoren ist von Bedeutung, da Indikatoren für die Vorsorge nur selten in Schadensdatensätze und Schadensmodellierung integriert werden, obwohl frühere Studien gezeigt haben, dass sie zur Verringerung von Schäden beitragen können. Die lineare Modellanpassung zeigte, dass die erklärenden Faktoren in mehreren Fällen je nach Hochwasserpfad unterschiedlich relevant sind. Als Nächstes wurden Bayes'sche Mehrebenenmodelle trainiert, die Unsicherheiten immanent einbeziehen und ein partielles Pooling ermöglichen. Das heißt, verschiedene Datengruppen (Haushalte, die von verschiedenen Hochwasserwirkungspfaden betroffen sind) können voneinander lernen, was die statistische Aussagekraft des Modells erhöht. Für diesen neuen Modellansatz wurde eine aktualisierte Variablenauswahl getroffen, bei der die Anzahl der Prädiktoren von zwölf auf sieben reduziert wurde, aber Faktoren der Gefahr, des Gebäudes und der Vorbereitung beibehalten wurden. Diese sind Wassertiefe, Verschmutzung, Dauer, Gebäudefläche, PLPMs, Versicherung und frühere Hochwassererfahrung. Das neue Modell wurde nicht nur über Hochwasserwirkungspfade, sondern auch über Regionen in Deutschland – unterteilt nach allgemeinen sozioökonomischen Faktoren und Versicherungspolicen – sowie über Hochwasserereignisse trainiert. Die Unterscheidung nach Regionen und Hochwasserereignissen verbesserte die Schadensmodellierung nicht und führte zu einer großen Überlappung der Regressionskoeffizienten ohne klaren Trend oder eindeutiges Muster. Die Unterscheidung nach Hochwasserwirkungspfaden ergab glaubhaft unterschiedliche Regressionskoeffizienten, was zu einem besseren Verständnis der Modellierung von Hochwasserschäden führte und einen möglichen Grund für die schwierige Übertragbarkeit der Modelle auf andere Situationen darstellt. Schließlich wurden neue Modellstrukturen trainiert, um die Möglichkeit gemischter (Binnen)überschwemmungen, d. h. das Zusammentreffen mehrerer Hochwasserwirkungspfade auf demselben Objekt, zu berücksichtigen. Anhand des Datensatzes lässt sich nicht überprüfen, in welcher Reihenfolge die Hochwasserpfadwellen auftraten, und die Prädiktorvariablen zeigen nur deren gemischtes oder kombiniertes Ergebnis. Daher wurden zwei Bayes'sche Modelle trainiert: 1) ein Multi-Membership-Modell als Struktur, die die Regressionskoeffizienten für mehrere Hochwasserwirkungspfade gleichzeitig lernt, und 2) ein Mehrebenenmodell, bei dem die Kombination zusammentreffender Hochwasserwirkungspfade einzelne Kategorien bildet. Ersteres führte zu glaubhaft unterschiedlichen Koeffizienten für die verschiedenen Hochwasserwirkungspfade, verbesserte aber nicht die Modellleistung im Vergleich zu dem Modell, das nur einen einzigen, dominanten Hochwasserpfad annimmt. Das Modell mit kombinierten Wirkungspfadkategorien deutet auf eine Zunahme der Auswirkungen nach gemischten Überschwemmungen hin. Aufgrund der Unsicherheit der Modellkoeffizienten und -schätzungen ist es jedoch nicht möglich, eine solche Zunahme als glaubwürdig plausibel zu bewerten. Das heißt, bei dem derzeitigen Grad an Unsicherheit hinsichtlich der Differenzierung der Hochwasserwirkungspfade sind die Schadensschätzungen nicht glaubwürdig von den einzelnen Hochwasserwirkungspfaden zu unterscheiden. Zur Überwindung der bestehenden Probleme könnten nichtlineare oder gemischte Modelle untersucht werden. Zudem sollten Interaktionseffekte, Moderations- und Mediationseffekte sowie nichtlineare Effekte weiter erforscht werden. Bei der Schadensdaten\-erhebung sollten außerdem regelmäßig Indikatoren für die Vorsorge einbezogen werden, und entweder bei der Datenerhebung oder bei der hydraulischen Modellierung sollte der Schwerpunkt auf der Unterscheidung kombinierter Hochwasserwirkungspfade liegen, was die Schadensmodelle bereichern und die Schätzungen weiter verbessern könnte. Hochwasserwirkungspfade zeigen differente (finanzielle) Auswirkungen und ihre Einbeziehung in die Schadensmodellierung hat sich als relevant erwiesen, da sie dazu beitragen, den unterschiedlichen Beitrag der Einflussfaktoren zum endgültigen Schaden zu klären, das Verständnis des Schadensprozesses zu verbessern und künftige Forschungslinien aufzuzeigen. T2 - Untersuchung der Übertragbarkeit von Hochwasserschadensmodellen über Hochwassertypen KW - flood KW - financial loss KW - flood loss modelling KW - Bayesian model KW - multilevel modelling KW - flood pathway KW - Hochwasser KW - finanzielle Schäden KW - Schätzung finanzieller Schäden KW - Bayes'sche Modelle KW - Mehrebenenmodelle KW - Hochwasserwirkungspfad Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-557141 ER - TY - THES A1 - Münch, Steffen T1 - The relevance of the aeolian transport path for the spread of antibiotic-resistant bacteria on arable fields T1 - Die Bedeutung des äolischen Transportpfads für die Ausbreitung antibiotikaresistenter Bakterien von Ackerböden N2 - The spread of antibiotic-resistant bacteria poses a globally increasing threat to public health care. The excessive use of antibiotics in animal husbandry can develop resistances in the stables. Transmission through direct contact with animals and contamination of food has already been proven. The excrements of the animals combined with a binding material enable a further potential path of spread into the environment, if they are used as organic manure in agricultural landscapes. As most of the airborne bacteria are attached to particulate matter, the focus of the work will be the atmospheric dispersal via the dust fraction. Field measurements on arable lands in Brandenburg, Germany and wind erosion studies in a wind tunnel were conducted to investigate the risk of a potential atmospheric dust-associated spread of antibiotic-resistant bacteria from poultry manure fertilized agricultural soils. The focus was to (i) characterize the conditions for aerosolization and (ii) qualify and quantify dust emissions during agricultural operations and wind erosion. PM10 (PM, particulate matter with an aerodynamic diameter smaller than 10 µm) emission factors and bacterial fluxes for poultry manure application and incorporation have not been previously reported before. The contribution to dust emissions depends on the water content of the manure, which is affected by the manure pretreatment (fresh, composted, stored, dried), as well as by the intensity of manure spreading from the manure spreader. During poultry manure application, PM10 emission ranged between 0.05 kg ha-1 and 8.37 kg ha-1. For comparison, the subsequent land preparation contributes to 0.35 – 1.15 kg ha-1 of PM10 emissions. Manure particles were still part of dust emissions but they were accounted to be less than 1% of total PM10 emissions due to the dilution of poultry manure in the soil after manure incorporation. Bacterial emissions of fecal origin were more relevant during manure application than during the subsequent manure incorporation, although PM10 emissions of manure incorporation were larger than PM10 emissions of manure application for the non-dried manure variants. Wind erosion leads to preferred detachment of manure particles from sandy soils, when poultry manure has been recently incorporated. Sorting effects were determined between the low-density organic particles of manure origin and the soil particles of mineral origin close above the threshold of 7 m s-1. In dependence to the wind speed, potential erosion rates between 101 and 854 kg ha-1 were identified, if 6 t ha-1 of poultry manure were applied. Microbial investigation showed that manure bacteria got detached more easily from the soil surface during wind erosion, due to their attachment on manure particles. Although antibiotic-resistant bacteria (ESBL-producing E. coli) were still found in the poultry barns, no further contamination could be detected with them in the manure, fertilized soils or in the dust generated by manure application, land preparation or wind erosion. Parallel studies of this project showed that storage of poultry manure for a few days (36 – 72 h) is sufficient to inactivate ESBL-producing E. coli. Further antibiotic-resistant bacteria, i.e. MRSA and VRE, were only found sporadically in the stables and not at all in the dust. Therefore, based on the results of this work, the risk of a potential infection by dust-associated antibiotic-resistant bacteria can be considered as low. N2 - Die Ausbreitung antibiotikaresistenter Bakterien stellt eine global zunehmende Gefahr für die öffentliche Gesundheitsfürsorge dar. Über den unsachgemäßen Einsatz von Antibiotika in der Tierhaltung können sich in den Ställen Resistenzen entwickeln. Übertragungen über den direkten Kontakt mit Tieren und der Kontaminierung von Lebensmitteln wurden bisher schon nachgewiesen. Die Exkremente der Tiere in Verbindung mit einem Bindemedium ermöglichen einen weiteren potentiellen Ausbreitungspfad in die Umwelt, wenn sie als organische Wirtschaftsdünger in Agrarlandschaften verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Feld- und Windkanalmessungen durchgeführt, um dem von den Ackerflächen ausgehenden potentiellen Risiko einer partikulären Ausbreitung antibiotikaresistenter Bakterien nachzugehen. Kern der Arbeit ist zum einen die Bedingungen zu charakterisieren, die zu Staubemissionen während der Prozesskette (Düngerausbringung mit Geflügelmist, nachfolgende Feldbearbeitungen, Winderosion) führen, zum anderen Staubemissionen dieser Prozesskette zu klassifizieren und quantifizieren. Flächenbezogene Emissionen für PM10 als ein Teil des Schwebstaubs (sogenannte PM10 Emissionsfaktoren) wurden zum ersten Mal für die Düngerausbringung mit Geflügelmist bestimmt. Sie lagen zwischen 0,05 und 8,37 kg ha-1 PM10 und waren abhängig vom Wassergehalt des Materials, der durch die Vorbehandlungen (frisch, kompostiert, gelagert, getrocknet) der Düngervarianten bestimmt war. Im Vergleich dazu wurden für die nachfolgenden Bodenbearbeitungen zwischen 0,35 kg ha-1 und 1,15 kg ha-1 PM10 freigesetzt. Zwar waren Mistpartikel weiterhin Bestanteil der Staubemissionen während der Bodenbearbeitung, jedoch sank ihr Anteil durch die Verdünnung des Düngers im Boden nach der Düngereinarbeitung auf unter 1 % ab. Ähnliche Tendenzen ergaben sich bei der mikrobiellen Betrachtung der freigesetzten Bakterien während der Ausbringung und Einarbeitung des Geflügelmists. Trotz eines höheren PM10 Austrags während der Düngereinarbeitung, verglichen mit der Ausbringung des Düngers, waren die Bakterienemissionen während der Düngerausbringung relevanter als bei der Düngereinarbeitung. Winderosion sorgt für eine bevorzugte Verfrachtung des Geflügelmists auf sandigen Böden, nachdem der Dünger frisch eingearbeitet wurde. Da vor allem organische Bestandteile im Boden durch ihre geringe Dichte von der Auswehung betroffen sind, führt Winderosion auch bei mit Geflügelmist gedüngten Böden bereits kurz nach Erreichen der Schwellenwindgeschwindigkeit von 7 m s-1 zu einer Entmischung der eingebrachten organischen Mistpartikel und der mineralischen Bestandteile des Bodens. Diese Effekte treten vor allem dann auf, wenn in trockenen Böden der Gefügezustand zwischen mineralischen und organischen Partikeln kaum oder nicht vorhanden ist. In Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit konnten potentielle Austräge zwischen 101 und 854 kg ha-1 bei einer eingebrachten Düngermenge von 6 t ha-1 bestimmt werden. Der bevorzugte Austrag von Mistpartikeln bedingt auch einen bevorzugten Austrag von Bakterien fäkalen Ursprungs, da diese nach der Einarbeitung an den Mistpartikeln mit geringerer Dichte anhaften. Obwohl in den Geflügelställen antibiotikaresistente Bakterien in Form von ESBL bildenden Escherichia Coli (E. coli) in hohen Keimzahlen gefunden wurden, konnten keine weiteren Kontaminationen mit resistenten E.coli im Mist, in gedüngten Böden oder im Staub nachgewiesen werden. Parallelstudien aus dem Projekt zeigten, dass eine mehrtägige Lagerung von Hühnerstreu ausreichend ist (36 – 72 h), die Mehrzahl resistenter E.coli zu reduzieren, sodass sie sich nach der Düngerausbringung nicht mehr über Agrarflächen ausbreiten konnten. Weitere antibiotikaresistente Bakterien (MRSA, VRE) wurden nur vereinzelt in den Ställen und überhaupt nicht im Staub nachgewiesen. Aus unseren Versuchen kann daher das Risiko einer möglichen Infektion durch staubassoziierte antibiotikaresistente Bakterien als gering eingeschätzt werden. KW - wind erosion KW - dust emission KW - PM10 KW - manure application KW - tillage KW - sandy soils KW - poultry manure KW - antibiotic resistance KW - airborne bacteria KW - agricultural KW - fecal contamination KW - fertilization KW - PM10 KW - landwirtschaftlich KW - luftgetragene Bakterien KW - Antibiotikaresistenz KW - Staubemission KW - fäkale Kontamination KW - Düngung KW - Mistausbringung KW - Geflügelmist KW - sandige Böden KW - Bodenbearbeitung KW - Winderosion Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-536089 ER - TY - THES A1 - Mahata, Khadak Singh T1 - Spatiotemporal variations of key air pollutants and greenhouse gases in the Himalayan foothills T1 - Raumzeitliche Variationen der wichtigsten Luftschadstoffe und Treibhausgase in den Ausläufern des Himalaya N2 - South Asia is a rapidly developing, densely populated and highly polluted region that is facing the impacts of increasing air pollution and climate change, and yet it remains one of the least studied regions of the world scientifically. In recognition of this situation, this thesis focuses on studying (i) the spatial and temporal variation of key greenhouse gases (CO2 and CH4) and air pollutants (CO and O3) and (ii) the vertical distribution of air pollutants (PM, BC) in the foothills of the Himalaya. Five sites were selected in the Kathmandu Valley, the capital region of Nepal, along with two sites outside of the valley in the Makawanpur and Kaski districts, and conducted measurements during the period of 2013-2014 and 2016. These measurements are analyzed in this thesis. The CO measurements at multiple sites in the Kathmandu Valley showed a clear diurnal cycle: morning and evening levels were high, with an afternoon dip. There are slight differences in the diurnal cycles of CO2 and CH4, with the CO2 and CH4 mixing ratios increasing after the afternoon dip, until the morning peak the next day. The mixing layer height (MLH) of the nocturnal stable layer is relatively constant (~ 200 m) during the night, after which it transitions to a convective mixing layer during the day and the MLH increases up to 1200 m in the afternoon. Pollutants are thus largely trapped in the valley from the evening until sunrise the following day, and the concentration of pollutants increases due to emissions during the night. During afternoon, the pollutants are diluted due to the circulation by the valley winds after the break-up of the mixing layer. The major emission sources of GHGs and air pollutants in the valley are transport sector, residential cooking, brick kilns, trash burning, and agro-residue burning. Brick industries are influential in the winter and pre-monsoon season. The contribution of regional forest fires and agro-residue burning are seen during the pre-monsoon season. In addition, relatively higher CO values were also observed at the valley outskirts (Bhimdhunga and Naikhandi), which indicates the contribution of regional emission sources. This was also supported by the presence of higher concentrations of O3 during the pre-monsoon season. The mixing ratios of CO2 (419.3 ±6.0 ppm) and CH4 (2.192 ±0.066 ppm) in the valley were much higher than at background sites, including the Mauna Loa observatory (CO2: 396.8 ± 2.0 ppm, CH4:1.831 ± 0.110 ppm) and Waligaun (CO2: 397.7 ± 3.6 ppm, CH4: 1.879 ± 0.009 ppm), China, as well as at an urban site Shadnagar (CH4: 1.92 ± 0.07 ppm) in India. The daily 8 hour maximum O3 average in the Kathmandu Valley exceeds the WHO recommended value during more than 80% of the days during the pre-monsoon period, which represents a significant risk for human health and ecosystems in the region. Moreover, in the measurements of the vertical distribution of particulate matter, which were made using an ultralight aircraft, and are the first of their kind in the region, an elevated polluted layer at around ca. 3000 m asl. was detected over the Pokhara Valley. The layer could be associated with the large-scale regional transport of pollution. These contributions towards understanding the distributions of key air pollutants and their main sources will provide helpful information for developing management plans and policies to help reduce the risks for the millions of people living in the region. N2 - Südasien ist eine sich schnell entwickelnde, dicht besiedelte und stark umweltbelastete Region, die mit den Auswirkungen der zunehmenden Luftverschmutzung und des Klimawandels konfrontiert ist, und dennoch bleibt sie wissenschaftlich gesehen eine der am wenigsten untersuchten Regionen der Welt. In Anerkennung dieser Situation liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Untersuchung (i) der räumlichen und zeitlichen Variation der wichtigsten Treibhausgase (CO2 und CH4) und Luftschadstoffe (CO und O3) und (ii) der vertikalen Verteilung der Luftverschmutzung (PM, BC) in den Vorgebirgen des Himalayas. Fünf Standorte wurden im Kathmandu-Tal, der Hauptstadtregion Nepals, sowie zwei Standorte außerhalb des Tals in den Distrikten Makawanpur und Kaski ausgewählt und im Zeitraum 2013-2014 und 2016 wurden Messungen durchgeführt. Diese Messungen werden in dieser Arbeit analysiert. Die CO-Messungen an mehreren Standorten im Kathmandu-Tal zeigten einen klaren Tagesablauf: Die Werte am Morgen und am Abend waren hoch, mit einem Rückgang am Nachmittag. Es gibt leichte Unterschiede in den Tageszyklen von CO2 und CH4, wobei die Mischungsverhältnisse von CO2 und CH4 nach dem Nachmittagsdip bis zu den höchsten Werten am nächsten Morgen zunehmen. Die Höhe der nächtlichen stabilen planetaren Grenzschicht ist relativ konstant (~ 200 m), danach geht sie tagsüber in eine konvektive Mischschicht über und die MLH ("Mixing layer height") steigt am Nachmittag auf bis zu 1400 m an. So werden Schadstoffe vom Abend bis zum Sonnenaufgang des folgenden Tages weitgehend im Tal gefangen, und die Schadstoffkonzentration steigt durch nächtliche Emissionen an. Während des Nachmittags werden die Schadstoffe aufgrund der Zirkulation durch die Talwinde nach dem Aufbrechen der Mischschicht verdünnt. Die Hauptemissionsquellen für GHGs und Luftschadstoffe im Tal sind der Verkehrssektor, das Kochen in privaten Haushalten, Ziegeleien, die Müllverbrennung und die Verbrennung von landwirtschaftlichen Reststoffen. Die Ziegelindustrie ist in der Winter- und Vormonsunzeit von großer Bedeutung für die Emissionen von Ruß. Der Beitrag der regionalen Waldbrände und der Verbrennung von landwirtschaftlichen Reststoffen ist besonders wichtig in der Vormonsunzeit. Darüber hinaus wurden auch am Talrand (Bhimdhunga und Naikhandi) relativ hohe CO-Werte beobachtet, was auf den Beitrag der regionalen Emissionsquellen hinweist. Dies wurde auch durch das Vorhandensein höherer Konzentrationen von O3 während der Vormonsunzeit unterstützt. Die Mischungsverhältnisse von CO2 (419,3 ±6,0 ppmv) und CH4 (2.192 ±0,066 ppmv) im Tal waren viel höher als an bekannten Hintergrundstandorten, darunter das Observatorium Mauna Loa (CO2: 396,8 ± 2,0 ppmv, CH4:1.831 ± 0,110 ppmv) und Waligaun (CO2: 397,7 ± 3,6 ppmv, CH4: 1,879 ± 0,009 ppmv), China, sowie an einem städtischen Standort Shadnagar (CH4: 1,92 ± 0,07 ppmv) in Indien. Der tägliche 8-stündige maximale O3-Durchschnitt im Kathmandu-Tal übersteigt den WHO-Empfehlungswert an mehr als 80% der Tage während der Vormonsunzeit, was ein erhebliches Risiko für die menschliche Gesundheit und die Ökosysteme in der Region darstellt. Darüber hinaus wurde bei den Messungen der vertikalen Verteilung der Feinstaubpartikel, die mit einem Ultraleichtflugzeug durchgeführt wurden und die ersten ihrer Art in der Region sind, eine höherliegende verschmutzte Schicht, ca. 3000 m über dem mittleren Meeresspiegel über dem Pokhara-Tal, festgestellt. Die Schicht könnte mit dem großräumigen regionalen Transport von Schadstoffen in Verbindung gebracht werden. Diese Beiträge zum Verständnis der Verteilung der wichtigsten Luftschadstoffe und ihrer Hauptquellen werden hilfreiche Informationen für die Entwicklung von Mitigationsplänen und -strategien liefern, die dazu beitragen, die Risiken für die Millionen von Menschen, die in der Region leben, zu verringern. KW - Air pollution KW - Greenhouse gases KW - Himalayan foothills KW - Luftverschmutzung KW - Treibhausgase KW - Ausläufer des Himalaya Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519910 ER - TY - THES A1 - Rottler, Erwin T1 - Transient merging of two Rhine flow regimes from climate change T1 - Vorübergehende Überlagerung von zwei Abflussregimen im Rhein durch den Klimawandel N2 - River flooding poses a threat to numerous cities and communities all over the world. The detection, quantification and attribution of changes in flood characteristics is key to assess changes in flood hazard and help affected societies to timely mitigate and adapt to emerging risks. The Rhine River is one of the major European rivers and numerous large cities reside at its shores. Runoff from several large tributaries superimposes in the main channel shaping the complex from regime. Rainfall, snowmelt as well as ice-melt are important runoff components. The main objective of this thesis is the investigation of a possible transient merging of nival and pluvial Rhine flood regimes under global warming. Rising temperatures cause snowmelt to occur earlier in the year and rainfall to be more intense. The superposition of snowmelt-induced floods originating from the Alps with more intense rainfall-induced runoff from pluvial-type tributaries might create a new flood type with potentially disastrous consequences. To introduce the topic of changing hydrological flow regimes, an interactive web application that enables the investigation of runoff timing and runoff season- ality observed at river gauges all over the world is presented. The exploration and comparison of a great diversity of river gauges in the Rhine River Basin and beyond indicates that river systems around the world undergo fundamental changes. In hazard and risk research, the provision of background as well as real-time information to residents and decision-makers in an easy accessible way is of great importance. Future studies need to further harness the potential of scientifically engineered online tools to improve the communication of information related to hazards and risks. A next step is the development of a cascading sequence of analytical tools to investigate long-term changes in hydro-climatic time series. The combination of quantile sampling with moving average trend statistics and empirical mode decomposition allows for the extraction of high resolution signals and the identification of mechanisms driving changes in river runoff. Results point out that the construction and operation of large reservoirs in the Alps is an important factor redistributing runoff from summer to winter and hint at more (intense) rainfall in recent decades, particularly during winter, in turn increasing high runoff quantiles. The development and application of the analytical sequence represents a further step in the scientific quest to disentangling natural variability, climate change signals and direct human impacts. The in-depth analysis of in situ snow measurements and the simulations of the Alpine snow cover using a physically-based snow model enable the quantification of changes in snowmelt in the sub-basin upstream gauge Basel. Results confirm previous investigations indicating that rising temperatures result in a decrease in maximum melt rates. Extending these findings to a catchment perspective, a threefold effect of rising temperatures can be identified: snowmelt becomes weaker, occurs earlier and forms at higher elevations. Furthermore, results indicate that due to the wide range of elevations in the basin, snowmelt does not occur simultaneously at all elevation, but elevation bands melt together in blocks. The beginning and end of the release of meltwater seem to be determined by the passage of warm air masses, and the respective elevation range affected by accompanying temperatures and snow availability. Following those findings, a hypothesis describing elevation-dependent compensation effects in snowmelt is introduced: In a warmer world with similar sequences of weather conditions, snowmelt is moved upward to higher elevations, i.e., the block of elevation bands providing most water to the snowmelt-induced runoff is located at higher elevations. The movement upward the elevation range makes snowmelt in individual elevation bands occur earlier. The timing of the snowmelt-induced runoff, however, stays the same. Meltwater from higher elevations, at least partly, replaces meltwater from elevations below. The insights on past and present changes in river runoff, snow covers and underlying mechanisms form the basis of investigations of potential future changes in Rhine River runoff. The mesoscale Hydrological Model (mHM) forced with an ensemble of climate projection scenarios is used to analyse future changes in streamflow, snowmelt, precipitation and evapotranspiration at 1.5, 2.0 and 3.0 ◦ C global warming. Simulation results suggest that future changes in flood characteristics in the Rhine River Basin are controlled by increased precipitation amounts on the one hand, and reduced snowmelt on the other hand. Rising temperatures deplete seasonal snowpacks. At no time during the year, a warming climate results in an increase in the risk of snowmelt-driven flooding. Counterbalancing effects between snowmelt and precipitation often result in only little and transient changes in streamflow peaks. Although, investigations point at changes in both rainfall and snowmelt-driven runoff, there are no indications of a transient merging of nival and pluvial Rhine flood regimes due to climate warming. Flooding in the main tributaries of the Rhine, such as the Moselle River, as well as the High Rhine is controlled by both precipitation and snowmelt. Caution has to be exercised labelling sub-basins such as the Moselle catchment as purely pluvial-type or the Rhine River Basin at Basel as purely nival-type. Results indicate that this (over-) simplifications can entail misleading assumptions with regard to flood-generating mechanisms and changes in flood hazard. In the framework of this thesis, some progress has been made in detecting, quantifying and attributing past, present and future changes in Rhine flow/flood characteristics. However, further studies are necessary to pin down future changes in the flood genesis of Rhine floods, particularly very rare events. N2 - Überflutungen durch Flusshochwasser stellen für zahlreiche Städte und Gemeinden auf der ganzen Welt eine große Gefahr dar. Die Detektion, Quantifizierung und Attribuierung sich verändernder Hochwassereigenschaften ist wichtig, um Änderungen in der Gefahrenlage zu bewerten und Anrainerstaaten die Möglichkeit zur Abschwächung und Anpassung an das Hochwasserrisiko zu geben. Der Rhein ist einer der großen Flüsse Europas und zahlreiche Städte liegen an seinen Ufern. Sich überlagernde Abflüsse aus den großen Zuflüssen prägen das komplexe Abflussregime des Rheins. Sowohl Regen, Schneeschmelze als auch Eisschmelze sind wichtige Abflusskomponenten. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Möglichkeit einer durch den Klimawandel verursachten vorübergehenden Überlagerung von nivalen und pluvial Hochwasserereignissen im Rheingebiet. Steigende Temperaturen können zu einer früheren Schneeschmelze und intensivieren Niederschlägen führen. Die Überlagerung von durch Schneeschmelze angetriebenen Spitzenabflüssen aus den Alpen mit intensiveren Hochwasserereignissen aus den pluvialen Zuflüssen, könnte zur Bildung eines neuen Hochwassertyps mit möglicherweise katastrophalen Folgen führen. Eine interaktive Web-Anwendung, die es ermöglicht, Zeitpunkt und Saisonalität von Abfluss auf der ganzen Welt zu untersuchen, führt in die Thematik sich verändernder hydrologischer Abflussregime ein. Die Untersuchungen und der Vergleich von unterschiedlichsten Abflusspegeln im Rheingebiet und darüber hinaus weißen darauf hin, dass sich Flusssysteme auf der ganzen Welt im Wandel befinden. In der Gefahren- und Risikoforschung ist die Bereitstellung von Hintergrundinformationen und Informationen zu aktuellen Entwicklungen für Anwohner und Entscheidungsträger auf leicht zugängliche Weise von großer Bedeutung. Zukünftige Studien sollten sich das Potential wissenschaftlicher Web-Anwendungen, um die Kommunikation in Bezug auf Naturgefahren und -risiken zu verbessern, verstärkt zu Nutze machen. Nächster Schritt ist die Entwicklung einer kaskadierenden Sequenz analytischer Methoden, um langfristige Änderungen in hydro-klimatoligischen Zeitreihen zu detektieren. Eine Kombination aus Quantil-Berechnungen, Statistiken basierend auf gleitenden Mittelwerten und empirischer Bandzerlegung ermöglicht die Extraktion hochaufgelöster Signale und die Identifizierungen zu Grunde liegender Antriebsmechanismen. Die Ergebnisse der Analysen zeigen, dass der Bau und Betrieb von großen Stauseen zur Gewinnung von Wasserkraft zu einer Umverteilung von Wasser vom Sommer in den Winter führt. Zudem weisen die Ergebnisse auf (mehr) intensivere Niederschläge hin, die wiederum hohe Abflussquantile intensivieren. Die Entwicklung und Anwendung der analytischen Sequenz stellt einen weiteren Schritt in dem wissenschaftlichen Bestreben, natürliche Klimavariabilität, Signale des Klimawandels und direkte anthropogene Einflüsse zu entwirren, dar. Die detaillierte Untersuchung von Schneemessungen und die Simulation der alpinen Schneedecke mittels physikalisch-basiertem Schneemodell, ermöglicht die Quantifizierung von Änderungen in der Schneeschmelze im Rheingebiet oberhalb von Basel. Steigenden Temperaturen verringern nicht nur hohe Schmelzraten, ein Dreifach-Effekt kann identifiziert werden: Schneeschmelze wird schwächer, findet früher statt und formiert sich in höhere Lagen. Auf Grund der großen Höhenunterschiede im Gebiet, findet die Schneeschmelze nicht gleichzeitig in allen Höhenlagen statt. Simulationen weisen darauf hin, dass Höhenbänder zusammen in Blöcken schmelzen. Der Beginn und das Ende eines Schmelzereignisses scheint durch vorbeiziehende warme Luftmassen und die betroffenen Höhenlagen durch zugehörige Temperaturen und die Schneeverfügbarkeit bestimmt zu werden. Basieren auf diesen Erkenntnissen, wird eine Hypothese, die höhenabhängige Kompensationseffekte in der Schneeschmelze beschreibt, vorgestellt: In einem wärmeren Klima mit einer gleichbleibenden Abfolge von Witterungsbedingungen, findet die Schneeschmelze in höheren Lagen statt, d.h., der Block an Höhenbändern, der den Hauptbestandteil des Schmelzwassers freigibt, ist nach oben verschoben. Die Verschiebung in höhere Lagen führt dazu, dass die Schneeschmelze in einzelnen Höhenbändern früher kommt, der Zeitpunkt des Schmelzereignisses jedoch unverändert bleibt. Schmelzwasser aus höheren Lagen ersetzt, zumindest teilweise, Schmelzwasser aus tieferen Lagen. Die Erkenntnisse über historische und gegenwärtige Änderungen im Abfluss, der Schneedecke und zu Grunde liegenden Mechanismen bilden die Grundlage der Untersuchungen möglicher zukünftiger Änderungen im Abfluss des Rheins. Das für die Mesoskala entwickelte hydrologisiche Modell mHM wird mit einem Ensemble aus Klimaszenarien angetrieben und projizierte Änderungen im Abfluss, der Schneeschmelze, im Niederschlag und der Evapotranspiration bei 1.5, 2.0 und 3.0 ◦ C Erwärmung untersucht. Ergebnisse der hydrologischen Simulationen zeigen, dass künftige Änderungen der Hochwassereigenschaften im Rheingebiet durch zunehmenden Niederschlagsmengen und abnehmende Schneeschmelze bestimmt werden. Steigende Temperaturen verringern saisonale Schneedecken. Zu keinem Zeitpunkt im Jahr führen höhere Temperaturen zu einer Zunahme des Hochwasserrisikos durch die Schneeschmelze. Kompensationseffekte zwischen Schneeschmelze und Niederschlag resultieren oftmals in geringe und nur vorübergehende Erhöhungen von Spitzenabflüssen. Obwohl Untersuchungen auf Veränderungen sowohl in der Schneeschmelze als auch im Niederschlag hinweisen, finden sich keine Hinweise auf eine durch den Klimawandel verursachte vorübergehende Überlagerung von nivalen und pluvialen Hochwasserregimen im Rheingebiet. Hochwasserereignisse in den Hauptzuflüssen, wie zu Beispiel der Mosel, und dem Hochrhein werden sowohl durch Niederschläge als auch Schneeschmelze kontrolliert. Vorsicht muss geübt werden, wenn Teilgebiete, wie das Einzugsgebiet der Mosel als rein pluvial oder das Rheingebiet oberhalb von Basel als rein nival gesehen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass diese (zu starke) Vereinfachung zu irreführenden Annahmen bezüglich möglicher Änderungen von Hochwasser verursachender Mechanismen und Hochwassergefahr führen können. Diese Doktorarbeit ist ein Schritt vorwärts im wissenschaftlichen Streben die Detektion, Quantifizierung und Attribuierung vergangener und zukünftiger Veränderungen in den Abfluss- und Hochwasserregimen des Rheins zu verbessern. Weitere Untersuchungen sind nötig, um zukünftige Veränderungen in der Hochwassergenese sehr seltener Hochwasserereignisse einzuschätzen. KW - runoff seasonality KW - Rhine River KW - flooding KW - snowmelt KW - Abflusssaisonalität KW - Rhein KW - Hochwasser KW - Schneeschmelze Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-517665 ER - TY - THES A1 - Koç, Gamze T1 - A comprehensive analysis of severe flood events in Turkey T1 - Eine ausführliche Analyse schwerer Flutereignisse in der Türkei BT - event documentation, triggering mechanisms and impact modelling BT - Ereignisdokumentation, Auslösemechanismen und Auswirkungsmodellierung N2 - Over the past decades, natural hazards, many of which are aggravated by climate change and reveal an increasing trend in frequency and intensity, have caused significant human and economic losses and pose a considerable obstacle to sustainable development. Hence, dedicated action toward disaster risk reduction is needed to understand the underlying drivers and create efficient risk mitigation plans. Such action is requested by the Sendai Framework for Disaster Risk Reduction 2015-2030 (SFDRR), a global agreement launched in 2015 that establishes stating priorities for action, e.g. an improved understanding of disaster risk. Turkey is one of the SFDRR contracting countries and has been severely affected by many natural hazards, in particular earthquakes and floods. However, disproportionately little is known about flood hazards and risks in Turkey. Therefore, this thesis aims to carry out a comprehensive analysis of flood hazards for the first time in Turkey from triggering drivers to impacts. It is intended to contribute to a better understanding of flood risks, improvements of flood risk mitigation and the facilitated monitoring of progress and achievements while implementing the SFDRR. In order to investigate the occurrence and severity of flooding in comparison to other natural hazards in Turkey and provide an overview of the temporal and spatial distribution of flood losses, the Turkey Disaster Database (TABB) was examined for the years 1960-2014. The TABB database was reviewed through comparison with the Emergency Events Database (EM-DAT), the Dartmouth Flood Observatory database, the scientific literature and news archives. In addition, data on the most severe flood events between 1960 and 2014 were retrieved. These served as a basis for analyzing triggering mechanisms (i.e. atmospheric circulation and precipitation amounts) and aggravating pathways (i.e. topographic features, catchment size, land use types and soil properties). For this, a new approach was developed and the events were classified using hierarchical cluster analyses to identify the main influencing factor per event and provide additional information about the dominant flood pathways for severe floods. The main idea of the study was to start with the event impacts based on a bottom-up approach and identify the causes that created damaging events, instead of applying a model chain with long-term series as input and searching for potentially impacting events as model outcomes. However, within the frequency analysis of the flood-triggering circulation pattern types, it was discovered that events in terms of heavy precipitation were not included in the list of most severe floods, i.e. their impacts were not recorded in national and international loss databases but were mentioned in news archives and reported by the Turkish State Meteorological Service. This finding challenges bottom-up modelling approaches and underlines the urgent need for consistent event and loss documentation. Therefore, as a next step, the aim was to enhance the flood loss documentation by calibrating, validating and applying the United Nations Office for Disaster Risk Reduction (UNDRR) loss estimation method for the recent severe flood events (2015-2020). This provided, a consistent flood loss estimation model for Turkey, allowing governments to estimate losses as quickly as possible after events, e.g. to better coordinate financial aid. This thesis reveals that, after earthquakes, floods have the second most destructive effects in Turkey in terms of human and economic impacts, with over 800 fatalities and US$ 885.7 million in economic losses between 1960 and 2020, and that more attention should be paid on the national scale. The clustering results of the dominant flood-producing mechanisms (e.g. circulation pattern types, extreme rainfall, sudden snowmelt) present crucial information regarding the source and pathway identification, which can be used as base information for hazard identification in the preliminary risk assessment process. The implementation of the UNDRR loss estimation model shows that the model with country-specific parameters, calibrated damage ratios and sufficient event documentation (i.e. physically damaged units) can be recommended in order to provide first estimates of the magnitude of direct economic losses, even shortly after events have occurred, since it performed well when estimates were compared to documented losses. The presented results can contribute to improving the national disaster loss database in Turkey and thus enable a better monitoring of the national progress and achievements with regard to the targets stated by the SFDRR. In addition, the outcomes can be used to better characterize and classify flood events. Information on the main underlying factors and aggravating flood pathways further supports the selection of suitable risk reduction policies. All input variables used in this thesis were obtained from publicly available data. The results are openly accessible and can be used for further research. As an overall conclusion, it can be stated that consistent loss data collection and better event documentation should gain more attention for a reliable monitoring of the implementation of the SFDRR. Better event documentation should be established according to a globally accepted standard for disaster classification and loss estimation in Turkey. Ultimately, this enables stakeholders to create better risk mitigation actions based on clear hazard definitions, flood event classification and consistent loss estimations. N2 - In den letzten Jahrzehnten verursachten Naturgefahren hohe humanitäre und wirtschaftliche Verluste, wobei viele dieser Ereignisse durch den Klimawandel verstärkt werden und einen zunehmenden Trend in Häufigkeit und Schwere aufweisen. Daher sind gezielte Verfahren zur Reduzierung von Katastrophenrisiken erforderlich, um zugrundeliegende Treiber zu verstehen und effektive Risikominderungspläne zu erstellen. Solche Verfahren werden durch das Sendai-Rahmenwerk für Katastrophenvorsorge 2015-2030 (SFDRR) eingefordert. Das SFDRR ist, ein internationales Rahmenwerk, das 2015 verabschiedet wurde und prioritäre Maßnahmen festlegt, z.B. eine Verbesserung der Wissensgrundlagen zum Katastrophenrisiko. Die Türkei ist eines der SFDRR-Vertragsländer und wurde in der Vergangenheit von vielen Naturgefahren, insbesondere Erdbeben und Überschwemmungen schwer getroffen. Über die Hochwassergefahren und -risiken in der Türkei ist jedoch vergleichsweise wenig bekannt. In dieser Arbeit wird daher zum ersten Mal eine umfassende Analyse der Hochwassergefahren in der Türkei durchgeführt, von den auslösenden Ursachen bis hin zu den Auswirkungen. Ziel ist es, das Verständnis über Hochwasserrisiken zu verbessern, Studien zur Minderung des Hochwasserrisikos anzuregen und das Monitoring der Fortschritte und Zielerreichung bei der Umsetzung des SFDRR zu erleichtern. Um das Auftreten und die Stärke von Überschwemmungen im Vergleich zu anderen Naturgefahren in der Türkei zu untersuchen und einen Überblick über die raumzeitliche Verteilung von Hochwasserschäden, wurde die Turkey Disaster Database (TABB) für den Zeitraum 1960 bis 2014 ausgewertet. Die TABB Datenbank wurde durch Vergleiche mit der Emergency Events Datenbank (EM-DAT), der Dartmouth Flood Observatory Datenbank, wissenschaftlicher Literatur und Nachrichtenarchive überprüft. Zudem wurden die stärksten Überschwemmungen zwischen 1960 und 2014 identifiziert. Diese bildeten die Basis für eine Analyse der Auslösemechanismen (bspw. atmosphärische Zirkulationsmuster und Niederschlagsmengen) und verstärkende Wirkungspfade (z.B. topographische Eigenschaften, Größe der Einzugsgebiete, Landnutzung und Bodeneigenschaften). Dafür wurde ein neues Verfahren entwickelt, und die Ereignisse wurden mithilfe von hierarchischen Clusteranalysen klassifiziert, um die Haupteinflussfaktoren pro Ereignis zu identifizieren und zusätzliche Informationen über die dominanten Wirkungspfade bei schweren Überschwemmungen bereitzustellen. Die grundlegende Idee dieser Arbeit bestand darin, bei den Ereignisauswirkungen als Bottom-up-Ansatz zu beginnen und die Ursachen für Schadensereignisse zu identifizieren, anstatt eine Modellkette mit Langzeitreihen als Eingabe anzuwenden und darin nach potenziellen Schadensereignissen zu suchen. Bei der Häufigkeitsanalyse von hochwasserauslösenden Zirkulationsmustern wurde jedoch festgestellt, dass einige schwer Niederschlagsereignisse nicht in der Liste der schwersten Hochwasserereignisse waren, d.h., ihre Auswirkungen waren nicht in nationalen und internationalen Schadensdatenbanken dokumentiert, wurden jedoch in Nachrichtenarchiven erwähnt und vom türkischen staatlichen Wetterdienst gemeldet. Dieses Erkenntnis stellt den Bottom-up-Modelansatz in Frage und unterstreicht die Dringlichkeit einer konsistenten Ereignis- und Schadensdokumentation. Daher wurde im nächsten Schritt gezielt das Schadenmodell der Vereinten Nationen für Katastrophenvorsorge (UNDRR) für kürzlich aufgetretene starke Flutereignisse (2015-2020) angepasst, validiert und angewendet. Damit wurde ein konsistentes Hochwasserschadenmodell für die Türkei bereitgestellt, das es den Behörden ermöglicht, Verluste so schnell wie möglich nach Ereignissen abzuschätzen, zum Beispiel um eine bessere Koordination von finanziellen Hilfen zu gewährleisten. Diese Arbeit zeigt, dass Überschwemmungen mit mehr als 800 Todesfällen und 885,7 Millionen US Dollar wirtschaftlichen Schaden zwischen 1960 und 2020 nach Erdbeben den zweit höchsten zerstörerischen Effekt in der Türkei in Bezug auf humanitäre und wirtschaftliche Auswirkungen haben. Daher sollte dieses Thema mehr Aufmerksamkeit auf nationaler Ebene erhalten. Die Cluster-Ergebnisse der dominanten hochwasser-auslösenden Mechanismen (z.B. Zirkulationsmuster, Starkniederschlag, plötzliche Schneeschmelze) erhalten wichtige Informationen zur Quell- und Pfad-Identifikation, welche als Basisinformation für Gefahren-identifikation in der vorläufigen Risikoeinschätzung dienen kann. Die Implementierung des UNDRR-Schadenmodells zeigt, dass das Modell mit länderspezifischen Parametern, kalibrierten Schadensgraden und ausreichender Ereignisdokumentation (d.h. physischer geschädigte Einheiten) empfohlen werden kann, um erste Schätzungen zur Höhe der direkten wirtschaftlichen Schäden bereitzustellen -- auch unmittelbar nach Eintreten von Ereignissen, da die Modellschätzungen im Vergleich mit dokumentierten Verlusten gut übereinstimmten. Die präsentierten Ergebnisse können dazu beitragen, die nationale Schadensdatenbank der Türkei zu verbessern, und somit ein besseres Monitoring der nationalen Fortschritte und Erfolge im Hinblick auf die Ziele des SFDRR ermöglichen. Zusätzlich können die Ergebnisse für eine bessere Charakterisierung und Klassifizierung von Hochwasserereignissen verwendet werden. Informationen zu den zugrundeliegenden Einflussfaktoren und verstärkenden Wirkungspfaden unterstützen die Auswahl geeigneter Risikomanagementstrategien. Alle Eingabevariablen dieser Arbeit wurden aus öffentlich verfügbaren Daten bezogen. Die Ergebnisse sind zugänglich und können für die weitere Forschung verwendet werden. Insgesamt konnte festgestellt werden, dass die konsistente Erfassung von Schadensdaten und eine bessere Ereignisdokumentation mehr Beachtung finden muss, um die Implementierung des SFDRR verlässlich zu überwachen. Bessere Ereignisdokumentationen sollten nach einem weltweit anerkannten Standard für Gefahrenklassifizierung und Schadensabschätzung in der Türkei etabliert werden. Letztendlich ermöglicht dies den Verantwortlichen auf Basis von eindeutigen Gefahrendefinitionen, Hochwasser-Ereignisklassifizierungen und konsistenten Schadenschätzungen bessere Maßnahmen zur Risikominderung zu erarbeiten. KW - Flood hazards KW - Turkey KW - Triggering mechanisms KW - Cluster analysis KW - Hochwassergefahren KW - Türkei KW - Auslösemechanismen KW - Clusteranalyse KW - Impact modelling KW - Schadenmodell Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-517853 ER - TY - THES A1 - Nguyen, Van Khanh Triet T1 - Flood dynamics in the Vietnamese Mekong Delta T1 - Hochwasserdynamik im vietnamesischen Mekong-Delta BT - Current state and future projections BT - Aktueller Stand und künftige Prognosen N2 - Today, the Mekong Delta in the southern of Vietnam is home for 18 million people. The delta also accounts for more than half of the country’s food production and 80% of the exported rice. Due to the low elevation, it is highly susceptible to the risk of fluvial and coastal flooding. Although extreme floods often result in excessive damages and economic losses, the annual flood pulse from the Mekong is vital to sustain agricultural cultivation and livelihoods of million delta inhabitants. Delta-wise risk management and adaptation strategies are required to mitigate the adverse impacts from extreme events while capitalising benefits from floods. However, a proper flood risk management has not been implemented in the VMD, because the quantification of flood damage is often overlooked and the risks are thus not quantified. So far, flood management has been exclusively focused on engineering measures, i.e. high- and low- dyke systems, aiming at flood-free or partial inundation control without any consideration of the actual risks or a cost-benefit analysis. Therefore, an analysis of future delta flood dynamics driven these stressors is valuable to facilitate the transition from sole hazard control towards a risk management approach, which is more cost-effective and also robust against future changes in risk. Built on these research gaps, this thesis investigates the current state and future projections of flood hazard, damage and risk to rice cultivation, the most important economic activity in the VMD. The study quantifies the changes in risk and hazard brought by the development of delta-based flood control measures in the last decades, and analyses the expected changes in risk driven by the changing climate, rising sea-level and deltaic land subsidence, and finally the development of hydropower projects in the Mekong Basin. For this purpose, flood trend analyses and comprehensive hydraulic modelling were performed, together with the development of a concept to quantify flood damage and risk to rice plantation. The analysis of observed flood levels revealed strong and robust increasing trends of peak and duration downstream of the high-dyke areas with a step change in 2000/2001, i.e. after the disastrous flood which initiated the high-dyke development. These changes were in contrast to the negative trends detected upstream, suggested that high-dyke development has shifted flood hazard downstream. Findings of the trend’s analysis were later confirmed by hydraulic simulations of the two recent extreme floods in 2000 and 2011, where the hydrological boundaries and dyke system settings were interchanged. However, the high-dyke system was not the only and often not the main cause for a shift of flood hazard, as a comparative analysis of these two extreme floods proved. The high-dyke development was responsible for 20–90% of the observed changes in flood level between 2000 and 2011, with large spatial variances. The particular flood hydrograph of the two events had the highest contribution in the northern part of the delta, while the tidal level had 2–3 times higher influence than the high-dyke in the lower-central and coastal areas downstream of high-dyke areas. The impact of the high-dyke development was highest in the areas closely downstream of the high-dyke area just south of the Cambodia-Vietnam border. The hydraulic simulations also validated that the concurrence of the flood peak with spring tides, i.e. high sea level along the coast, amplified the flood level and inundation in the central and coastal regions substantially. The risk assessment quantified the economic losses of rice cultivation to USD 25.0 and 115 million (0.02–0.1% of the total GDP of Vietnam in 2011) corresponding to the 10-year and the 100-year floods, with an expected annual damage of about USD 4.5 million. A particular finding is that the flood damage was highly sensitive to flood timing. Here, a 10-year event with an early peak, i.e. late August-September, could cause as much damage as a 100-year event that peaked in October. This finding underlines the importance of a reliable early flood warning, which could substantially reduce the damage to rice crops and thus the risk. The developed risk assessment concept was furthermore applied to investigate two high-dyke development alternatives, which are currently under discussion among the administrative bodies in Vietnam, but also in the public. The first option favouring the utilization of the current high-dyke compartments as flood retention areas instead for rice cropping during the flood season could reduce flood hazard and expected losses by 5–40%, depending on the region of the delta. On the contrary, the second option promoting the further extension of the areas protected by high-dyke to facilitate third rice crop planting on a larger area, tripled the current expected annual flood damage. This finding challenges the expected economic benefit of triple rice cultivation, in addition to the already known reducing of nutrient supply by floodplain sedimentation and thus higher costs for fertilizers. The economic benefits of the high-dyke and triple rice cropping system is further challenged by the changes in the flood dynamics to be expected in future. For the middle of the 21st century (2036-2065) the effective sea-level rise an increase of the inundation extent by 20–27% was projected. This corresponds to an increase of flood damage to rice crops in dry, normal and wet year by USD 26.0, 40.0 and 82.0 million in dry, normal and wet year compared to the baseline period 1971-2000. Hydraulic simulations indicated that the planned massive development of hydropower dams in the Mekong Basin could potentially compensate the increase in flood hazard and agriculture losses stemming from climate change. However, the benefits of dams as mitigation of flood losses are highly uncertain, because a) the actual development of the dams is highly disputed, b) the operation of the dams is primarily targeted at power generation, not flood control, and c) this would require international agreements and cooperation, which is difficult to achieve in South-East Asia. The theoretical flood mitigation benefit is additionally challenged by a number of negative impacts of the dam development, e.g. disruption of floodplain inundation in normal, non-extreme flood years. Adding to the certain reduction of sediment and nutrient load to the floodplains, hydropower dams will drastically impair rice and agriculture production, the basis livelihoods of million delta inhabitants. In conclusion, the VMD is expected to face increasing threats of tidal induced floods in the coming decades. Protection of the entire delta coastline solely with “hard” engineering flood protection structures is neither technically nor economically feasible, adaptation and mitigation actions are urgently required. Better control and reduction of groundwater abstraction is thus strongly recommended as an immediate and high priority action to reduce the land subsidence and thus tidal flooding and salinity intrusion in the delta. Hydropower development in the Mekong basin might offer some theoretical flood protection for the Mekong delta, but due to uncertainties in the operation of the dams and a number of negative effects, the dam development cannot be recommended as a strategy for flood management. For the Vietnamese authorities, it is advisable to properly maintain the existing flood protection structures and to develop flexible risk-based flood management plans. In this context the study showed that the high-dyke compartments can be utilized for emergency flood management in extreme events. For this purpose, a reliable flood forecast is essential, and the action plan should be materialised in official documents and legislation to assure commitment and consistency in the implementation and operation. N2 - Das Mekong-Delta im Süden Vietnams ist die Heimat von 18 Millionen Menschen. Im Delta werden mehr als die Hälfte der Nahrungsmittel des Landes und 80 % des exportierten Reises produziert. Aufgrund der geringen Höhen und Topographie ist das Delta sehr anfällig für Überflutungen, sowohl durch Fußhochwasser als auch durch gezeitenbedingte Rückstauüberflutungen. Obwohl extreme Überschwemmungen oft zu hohen Schäden und wirtschaftlichen Verlusten führen, ist der jährliche Hochwasserimpuls des Mekong lebenswichtig für die Aufrechterhaltung des landwirtschaftlichen Anbaus und des Lebensunterhalts von Millionen Deltabewohnern. Ein deltaweites Risikomanagement bestehend aus Hochwasserschutzmaßnahmen und Anpassungsstrategien ist erforderlich, um die negativen Auswirkungen von Extremereignissen zu mindern, zeitgleich aber auch die positiven Aspekte der Hochwasser beizubehalten. Ein Hochwasserrisikomanagement ist im VMD jedoch nicht implementiert, da die Quantifizierung von Hochwasserschäden typischerweise nicht vorgenommen wird. Bisher konzentriert sich das Hochwassermanagement ausschließlich auf ingenieurtechnische Maßnahmen zur Eindämmung der Gefährdung. Dies geschieht entweder durch Hoch- oder Niederdeichung, die auf eine hochwasserfreie oder teilweise Überflutungssteuerung abzielen. Eine risikobasierte Bewertung der Vor- und Nachteile zwischen Hoch- und Niederdeichansatz sowie Kosten-Nutzen-Rechnungen fehlen allerdings ebenfalls. Zudem ist zu erwarten, dass sich die Überschwemmungen Dynamik und das Hochwasserrisiko im Mekong Delta als Folge des Klimawandels und menschlicher Eingriffe in das Delta und das Mekong-Einzugsgebiet verändern werden. Die Analyse der zukünftigen Hochwasserdynamik in Abhängigkeit von diesen Stressoren ist notwendig, um den Übergang von einer alleinigen Gefahrenabwehr zu einem zukunftssicheren, probabilistischen Risikomanagement zu erleichtern. Ausgehend von diesen Forschungslücken untersucht diese Arbeit den aktuelle Hochwassergefährdung und die zu erwartenden zukünftigen Änderungen, sowie der damit einhergehenden Schäden und Risiken für den Reisanbau im Mekong Delta unter Berücksichtigung existierender und möglicher Hochwasserschutzmaßnahmen, des sich ändernden Klimas, des steigenden Meeresspiegels in Kombination mit der Landabsenkung des Deltas und der geplanten Staudämme im Mekong Einzugsgebiet. Eine Analyse der jährlichen Hochwasserpegel zeigte starke und robuste steigende Trends in den maximalen Wasserständen der Hochwasser und der Hochwasserdauer flussabwärts der Hochdeichgebiete, wobei eine sprunghafte Veränderung in den Jahren 2000/2001 nach. dem katastrophalen Hochwasser, das die Hochdeichentwicklung einleitete, festgestellt wurde. Diese Veränderungen stehen im Gegensatz zu den negativen Trends, oberstrom der Hocdeichgebiete, was darauf schließen lässt, dass die Hochdeichentwicklung die Hochwassergefahr flussabwärts verlagert hat. Die Ergebnisse der Trendanalyse wurden weiterhin durch hydraulische Simulationen der Überflutungsdynamiken der Hochwasser von 2000 und 2011 bestätigt. Allerdings waren die Hochdeiche nicht die Haupt- und einzige Ursache für den höheren Hochwasserpegel im Jahr 2011 im Vergleich zum Hochwasser im Jahr 2000. Die Hochwasserganglinie des Mekongs hatte den höchsten Beitrag im nördlichen Teil des Deltas oberstrom der Hochdeichgebiete, während der Tidenhub in den zentralen und küstennahen Gebieten stromabwärts des Hochdeichs einen 2-3 mal höheren Einfluss hatte als die Hochdeiche. Die wirtschaftlichen Verluste des Reisanbaus wurden rezent auf 25,0-115 Mio. USD geschätzt, für jeweils das 10- und 100-jährliche Hochwasser. Die Schäden sind hierbei sehr sensitiv gegenüber der Hochwasserganglinie, insbesondere dem Zeitpunkt des Auftretens des Hochwasserscheitels. Ein frühes 10-jährliches Hochwasser kann aufgrund des Zusammentreffens des Hochwassers mit der Ernte der Frühjahrsaussaat oder der Aussaat der Sommerfrucht ähnliche Verluste verursachen wie ein 100-jährliches Ereignis, das im Oktober seinen Höhepunkt erreicht. Neben dem Anbau einer dritten Frucht im Jahr könnten die existierenden Hochdeichabschnitte als Hochwasserrückhalteräume genutzt werden und so die Hochwassergefahr und die zu erwartenden Schäden um 5-40% reduzieren. Umgekehrt würde ein weiterer Ausbau der Hochdeiche die derzeit erwarteten jährlichen Hochwasserschäden verdreifachen. Die Zukunftsprojektionen des Hochwasserrisikos ergaben, dass das Mekong Delta in den nächsten Jahrzehnten zunehmend von tidebedingten Überschwemmungen bedroht sein wird. Der Anstieg des Meeresspiegels in Kombination mit der Landabsenkung erhöht das Ausmaß der Überflutung des Deltas um 20% und den Schaden an der Reisernte um 40-85 Mio. USD. Technische Hochwasserschutzmaßnahmen können diesen Anstieg des Risikos nicht verhindern, da der Schutz des gesamten Deltas allein durch harte Hochwasserschutzbauten technisch und wirtschaftlich nicht realisierbar ist. Daher sind Maßnahmen zur Schadensminderung und zur Anpassung an das veränderte Risiko dringend erforderlich. Als erster und wichtiger Schritt wird hier eine bessere Kontrolle und Reduzierung der Grundwasserentnahme im Delta dringend empfohlen, um die Landabsenkung und dadurch die tidenbedingten Überflutungen sowie die Salzwasserintrusion zu verringern. Der Klimawandel und die daraus resultierenden Veränderungen im Hochwasserregime des Mekong verursachen eine weitere, aber geringere Erhöhung des Hochwasserrisikos. Die geplanten Staudämme im Mekong Einzugsgebiet könnten die Zunahme der Hochwassergefahr und der landwirtschaftlichen Verluste aufgrund des Klimawandels in extremen Hochwasserjahren zumindest theoretisch abmildern. Der Nutzen von Dämmen zur Minderung des Hochwasserrisikos ist jedoch ungewiss, da die Realisierung der geplanten Dämme sehr umstritten und damit unsicher ist. Weiterhin spielt das Management der Staudämme eine wichtige Rolle für die Hochwasserregulierung. Da die Dämme in erste Linie zur Stromerzeugung gebaut werden, ist der Hochwasserschutz der unterliegenden Anrainerstaaten eher von untergeordneter Bedeutung. Für Vietnam bedeutet das, dass eine ordnungsgemäße Instandhaltung von Deichen und Hochwasserschutzbauten eine hohe Priorität haben sollte, um Abhängigkeiten von den Nachbarstaaten zu vermeiden. Weiterhin ist die Entwicklung von „weichen“ Hochwasserschutzmaßnahmen und -plänen dringend notwendig, da ein alleiniger Schutz durch technische Maßnahmen unmöglich ist. Aufgrund der in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse wird daher empfohlen, die Hochdeichkompartimente für das Notfall-Hochwassermanagement bei Extremereignissen zu nutzen. Zu diesem Zweck ist eine verlässliche Hochwasservorhersage unerlässlich, und der Aktionsplan sollte in offiziellen Dokumenten und Gesetzen festgehalten werden, um die Verbindlichkeit und konsequente Umsetzung sicherzustellen. KW - Mekong Delta KW - flood hazard KW - flood risk KW - climate change KW - Mekong Delta KW - Klimawandel KW - Hochwassergefahr KW - Hochwasserrisiko Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512830 ER - TY - THES A1 - Ayzel, Georgy T1 - Advancing radar-based precipitation nowcasting T1 - Fortschritte bei der radarbasierten Niederschlagsvorhersage BT - an open benchmark and the potential of deep learning BT - ein offener Benchmark und das Potenzial von Deep Learning N2 - Precipitation forecasting has an important place in everyday life – during the day we may have tens of small talks discussing the likelihood that it will rain this evening or weekend. Should you take an umbrella for a walk? Or should you invite your friends for a barbecue? It will certainly depend on what your weather application shows. While for years people were guided by the precipitation forecasts issued for a particular region or city several times a day, the widespread availability of weather radars allowed us to obtain forecasts at much higher spatiotemporal resolution of minutes in time and hundreds of meters in space. Hence, radar-based precipitation nowcasting, that is, very-short-range forecasting (typically up to 1–3 h), has become an essential technique, also in various professional application contexts, e.g., early warning, sewage control, or agriculture. There are two major components comprising a system for precipitation nowcasting: radar-based precipitation estimates, and models to extrapolate that precipitation to the imminent future. While acknowledging the fundamental importance of radar-based precipitation retrieval for precipitation nowcasts, this thesis focuses only on the model development: the establishment of open and competitive benchmark models, the investigation of the potential of deep learning, and the development of procedures for nowcast errors diagnosis and isolation that can guide model development. The present landscape of computational models for precipitation nowcasting still struggles with the availability of open software implementations that could serve as benchmarks for measuring progress. Focusing on this gap, we have developed and extensively benchmarked a stack of models based on different optical flow algorithms for the tracking step and a set of parsimonious extrapolation procedures based on image warping and advection. We demonstrate that these models provide skillful predictions comparable with or even superior to state-of-the-art operational software. We distribute the corresponding set of models as a software library, rainymotion, which is written in the Python programming language and openly available at GitHub (https://github.com/hydrogo/rainymotion). That way, the library acts as a tool for providing fast, open, and transparent solutions that could serve as a benchmark for further model development and hypothesis testing. One of the promising directions for model development is to challenge the potential of deep learning – a subfield of machine learning that refers to artificial neural networks with deep architectures, which may consist of many computational layers. Deep learning showed promising results in many fields of computer science, such as image and speech recognition, or natural language processing, where it started to dramatically outperform reference methods. The high benefit of using "big data" for training is among the main reasons for that. Hence, the emerging interest in deep learning in atmospheric sciences is also caused and concerted with the increasing availability of data – both observational and model-based. The large archives of weather radar data provide a solid basis for investigation of deep learning potential in precipitation nowcasting: one year of national 5-min composites for Germany comprises around 85 billion data points. To this aim, we present RainNet, a deep convolutional neural network for radar-based precipitation nowcasting. RainNet was trained to predict continuous precipitation intensities at a lead time of 5 min, using several years of quality-controlled weather radar composites provided by the German Weather Service (DWD). That data set covers Germany with a spatial domain of 900 km x 900 km and has a resolution of 1 km in space and 5 min in time. Independent verification experiments were carried out on 11 summer precipitation events from 2016 to 2017. In these experiments, RainNet was applied recursively in order to achieve lead times of up to 1 h. In the verification experiments, trivial Eulerian persistence and a conventional model based on optical flow served as benchmarks. The latter is available in the previously developed rainymotion library. RainNet significantly outperformed the benchmark models at all lead times up to 60 min for the routine verification metrics mean absolute error (MAE) and critical success index (CSI) at intensity thresholds of 0.125, 1, and 5 mm/h. However, rainymotion turned out to be superior in predicting the exceedance of higher intensity thresholds (here 10 and 15 mm/h). The limited ability of RainNet to predict high rainfall intensities is an undesirable property which we attribute to a high level of spatial smoothing introduced by the model. At a lead time of 5 min, an analysis of power spectral density confirmed a significant loss of spectral power at length scales of 16 km and below. Obviously, RainNet had learned an optimal level of smoothing to produce a nowcast at 5 min lead time. In that sense, the loss of spectral power at small scales is informative, too, as it reflects the limits of predictability as a function of spatial scale. Beyond the lead time of 5 min, however, the increasing level of smoothing is a mere artifact – an analogue to numerical diffusion – that is not a property of RainNet itself but of its recursive application. In the context of early warning, the smoothing is particularly unfavorable since pronounced features of intense precipitation tend to get lost over longer lead times. Hence, we propose several options to address this issue in prospective research on model development for precipitation nowcasting, including an adjustment of the loss function for model training, model training for longer lead times, and the prediction of threshold exceedance. The model development together with the verification experiments for both conventional and deep learning model predictions also revealed the need to better understand the source of forecast errors. Understanding the dominant sources of error in specific situations should help in guiding further model improvement. The total error of a precipitation nowcast consists of an error in the predicted location of a precipitation feature and an error in the change of precipitation intensity over lead time. So far, verification measures did not allow to isolate the location error, making it difficult to specifically improve nowcast models with regard to location prediction. To fill this gap, we introduced a framework to directly quantify the location error. To that end, we detect and track scale-invariant precipitation features (corners) in radar images. We then consider these observed tracks as the true reference in order to evaluate the performance (or, inversely, the error) of any model that aims to predict the future location of a precipitation feature. Hence, the location error of a forecast at any lead time ahead of the forecast time corresponds to the Euclidean distance between the observed and the predicted feature location at the corresponding lead time. Based on this framework, we carried out a benchmarking case study using one year worth of weather radar composites of the DWD. We evaluated the performance of four extrapolation models, two of which are based on the linear extrapolation of corner motion; and the remaining two are based on the Dense Inverse Search (DIS) method: motion vectors obtained from DIS are used to predict feature locations by linear and Semi-Lagrangian extrapolation. For all competing models, the mean location error exceeds a distance of 5 km after 60 min, and 10 km after 110 min. At least 25% of all forecasts exceed an error of 5 km after 50 min, and of 10 km after 90 min. Even for the best models in our experiment, at least 5 percent of the forecasts will have a location error of more than 10 km after 45 min. When we relate such errors to application scenarios that are typically suggested for precipitation nowcasting, e.g., early warning, it becomes obvious that location errors matter: the order of magnitude of these errors is about the same as the typical extent of a convective cell. Hence, the uncertainty of precipitation nowcasts at such length scales – just as a result of locational errors – can be substantial already at lead times of less than 1 h. Being able to quantify the location error should hence guide any model development that is targeted towards its minimization. To that aim, we also consider the high potential of using deep learning architectures specific to the assimilation of sequential (track) data. Last but not least, the thesis demonstrates the benefits of a general movement towards open science for model development in the field of precipitation nowcasting. All the presented models and frameworks are distributed as open repositories, thus enhancing transparency and reproducibility of the methodological approach. Furthermore, they are readily available to be used for further research studies, as well as for practical applications. N2 - Niederschlagsvorhersagen haben einen wichtigen Platz in unserem täglichen Leben. Und die breite Abdeckung mit Niederschlagsradaren ermöglicht es uns, den Niederschlag mit einer viel höheren räumlich-zeitlichen Auflösung vorherzusagen (Minuten in der Zeit, Hunderte von Metern im Raum). Solche radargestützten Niederschlagsvorhersagen mit sehr kurzem Vorhersagehorizont (1–3 Stunden) nennt man auch "Niederschlagsnowcasting." Sie sind in verschiedenen Anwendungsbereichen (z.B. in der Frühwarnung, der Stadtentwässerung sowie in der Landwirtschaft) zu einer wichtigen Technologie geworden. Eine erhebliche Schwierigkeit in Modellentwicklung zum Niederschlagsnowcastings ist jedoch die Verfügbarkeit offener Softwarewerkzeuge und Implementierungen, die als Benchmark für den Entwicklungsfortschritt auf diesem Gebiet dienen können. Um diese Lücke zu schließen, haben wir eine Gruppe von Modellen auf der Grundlage verschiedener Tracking- und Extrapolationsverfahren entwickelt und systematisch verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die Vorhersagen dieser einen Skill haben, der sich mit dem Skill operationeller Vorhersagesysteme messen kann, teils sogar überlegen sind. Diese Benchmark-Modelle sind nun in Form der quelloffenen Software-Bibliothek rainymotion allgemein verfügbar (https://github.com/hydrogo/rainymotion). Eine der vielversprechenden Perspektiven für die weitere Modellentwicklung besteht in der Untersuchung des Potenzials von "Deep Learning" – einem Teilgebiet des maschinellen Lernens, das sich auf künstliche neuronale Netze mit sog. "tiefen Architekturen" bezieht, die aus einer Vielzahl von Schichten (computational layers) bestehen können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher RainNet entwickelt: ein Tiefes Neuronales Netz für radargestütztes Niederschlags-Nowcasting. RainNet wurde zunächst zur Vorhersage der Niederschlagsintensität mit einem Vorhersagehorizont von fünf Minuten trainiert. Als Datengrundlage dazu dienten mehrere Jahre qualitätskontrollierter Radarkompositprodukte des Deutschen Wetterdienstes (DWD). RainNet übertraf die verfügbaren Benchmark-Modelle für Vorhersagezeiten bis zu 60 min in Bezug auf den Mittleren Absoluten Fehler (MAE) und den Critical Success Index (CSI) für Intensitätsschwellenwerte von 0.125, 1 und 5 mm/h. Allerdings erwies sich das das Benchmark-Modell aus dem Softwarepaket rainymotion bei der Vorhersage der Überschreitung höherer Intensitätsschwellen (10 und 15 mm/h) als überlegen. Die eingeschränkte Fähigkeit von RainNet zur Vorhersage hoher Niederschlagsintensitäten ist eine unerwünschte Eigenschaft, die wir auf ein hohes Maß an räumlicher Glättung durch das Modell zurückführen. Im Kontext der Frühwarnung ist die Glättung besonders ungünstig, da ausgeprägte Merkmale von Starkniederschlägen bei längeren Vorlaufzeiten tendenziell verloren gehen. In dieser Arbeit werden daher mehrere Optionen vorgeschlagen, um dieses Problem in der zukünftigen Forschung zur Modellentwicklung anzugehen. Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit liegt in der Quantifizierung einer spezifischen Fehlerquelle von Niederschlagsnowcasts. Der Gesamtfehler eines Nowcasts besteht aus einem Fehler in der vorhergesagten Lage eines Niederschlagsfeatures (Ortsfehler) sowie einem Fehler in der Änderung der Intensität eines Features über die Vorhersagezeit (Intensitätsfehler). Herkömmliche Verifikationsmaße waren bislang nicht in der Lage, das Ausmaß des Ortsfehlers zu isolieren. Um diese Lücke zu füllen, haben wir einen Ansatz zur direkten Quantifizierung des Ortsfehlers entwickelt. Mit Hilfe dieses Ansatzes wurde wir Benchmarking-Experiment auf Grundlage eines fünfminütigen DWD Radarkompositprodukts für das komplette Jahr 2016 umgesetzt. In diesem Experiment wurden vier Nowcasting-Modelle aus der rainymotion-Softwarebibliothek verwendet im Hinblick auf den Ortsfehler der Vorhersage verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass für alle konkurrierenden Modelle die Ortsfehler von Bedeutung sind: die Größenordnung dieser Fehler entspricht etwa der typischen Ausdehnung einer konvektiven Zelle oder einer mittelgroßen Stadt (5–10 km). Insgesamt zeigt diese Arbeit die Vorteile eines "Open Science"-Ansatzes für die Modellentwicklung im Bereich der Niederschlagsnowcastings. Alle vorgestellten Modelle und Modellsysteme stehen als offene, gut dokumentierte Repositorien zusammen mit entsprechenden offenen Datensätzen öffentlich zu Verfügung für, was die Transparenz und Reproduzierbarkeit des methodischen Ansatzes, aber auch die Anwendbarkeit in der Praxis erhöht. KW - Weather radar KW - nowcasting KW - optical flow KW - deep learning KW - Wetterradar KW - Deep Learning KW - Nowcasting KW - Optischer Fluss Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-504267 ER - TY - THES A1 - Weger Coenen, Lindsey T1 - Exploring potential impacts from transitions in German and European energy on GHG and air pollutant emissions and on ozone air quality N2 - Energy is at the heart of the climate crisis—but also at the heart of any efforts for climate change mitigation. Energy consumption is namely responsible for approximately three quarters of global anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions. Therefore, central to any serious plans to stave off a climate catastrophe is a major transformation of the world's energy system, which would move society away from fossil fuels and towards a net-zero energy future. Considering that fossil fuels are also a major source of air pollutant emissions, the energy transition has important implications for air quality as well, and thus also for human and environmental health. Both Europe and Germany have set the goal of becoming GHG neutral by 2050, and moreover have demonstrated their deep commitment to a comprehensive energy transition. Two of the most significant developments in energy policy over the past decade have been the interest in expansion of shale gas and hydrogen, which accordingly have garnered great interest and debate among public, private and political actors. In this context, sound scientific information can play an important role by informing stakeholder dialogue and future research investments, and by supporting evidence-based decision-making. This thesis examines anticipated environmental impacts from possible, relevant changes in the European energy system, in order to impart valuable insight and fill critical gaps in knowledge. Specifically, it investigates possible future shale gas development in Germany and the United Kingdom (UK), as well as a hypothetical, complete transition to hydrogen mobility in Germany. Moreover, it assesses the impacts on GHG and air pollutant emissions, and on tropospheric ozone (O3) air quality. The analysis is facilitated by constructing emission scenarios and performing air quality modeling via the Weather Research and Forecasting model coupled with chemistry (WRF-Chem). The work of this thesis is presented in three research papers. The first paper finds that methane (CH4) leakage rates from upstream shale gas development in Germany and the UK would range between 0.35% and 1.36% in a realistic, business-as-usual case, while they would be significantly lower - between 0.08% and 0.15% - in an optimistic, strict regulation and high compliance case, thus demonstrating the value and potential of measures to substantially reduce emissions. Yet, while the optimistic case is technically feasible, it is unlikely that the practices and technologies assumed would be applied and accomplished on a systematic, regular basis, owing to economics and limited monitoring resources. The realistic CH4 leakage rates estimated in this study are comparable to values reported by studies carried out in the US and elsewhere. In contrast, the optimistic rates are similar to official CH4 leakage data from upstream gas production in Germany and in the UK. Considering that there is a lack of systematic, transparent and independent reports supporting the official values, this study further highlights the need for more research efforts in this direction. Compared with national energy sector emissions, this study suggests that shale gas emissions of volatile organic compounds (VOCs) could be significant, though relatively insignificant for other air pollutants. Similar to CH4, measures could be effective for reducing VOCs emissions. The second paper shows that VOC and nitrogen oxides (NOx) emissions from a future shale gas industry in Germany and the UK have potentially harmful consequences for European O3 air quality on both the local and regional scale. The results indicate a peak increase in maximum daily 8-hour average O3 (MDA8) ranging from 3.7 µg m-3 to 28.3 µg m-3. Findings suggest that shale gas activities could result in additional exceedances of MDA8 at a substantial percentage of regulatory measurement stations both locally and in neighboring and distant countries, with up to circa one third of stations in the UK and one fifth of stations in Germany experiencing additional exceedances. Moreover, the results reveal that the shale gas impact on the cumulative health-related metric SOMO35 (annual Sum of Ozone Means Over 35 ppb) could be substantial, with a maximum increase of circa 28%. Overall, the findings suggest that shale gas VOC emissions could play a critical role in O3 enhancement, while NOx emissions would contribute to a lesser extent. Thus, the results indicate that stringent regulation of VOC emissions would be important in the event of future European shale gas development to minimize deleterious health outcomes. The third paper demonstrates that a hypothetical, complete transition of the German vehicle fleet to hydrogen fuel cell technology could contribute substantially to Germany's climate and air quality goals. The results indicate that if the hydrogen were to be produced via renewable-powered water electrolysis (green hydrogen), German carbon dioxide equivalent (CO2eq) emissions would decrease by 179 MtCO2eq annually, though if electrolysis were powered by the current electricity mix, emissions would instead increase by 95 MtCO2eq annually. The findings generally reveal a notable anticipated decrease in German energy emissions of regulated air pollutants. The results suggest that vehicular hydrogen demand is 1000 PJ annually, which would require between 446 TWh and 525 TWh for electrolysis, hydrogen transport and storage. When only the heavy duty vehicle segment (HDVs) is shifted to green hydrogen, the results of this thesis show that vehicular hydrogen demand drops to 371 PJ, while a deep emissions cut is still realized (-57 MtCO2eq), suggesting that HDVs are a low-hanging fruit for contributing to decarbonization of the German road transport sector with hydrogen energy. N2 - Energie ist der Kern der Klimakrise—aber auch der Kern jeglicher Bemühungen zur Eindämmung des Klimawandels. Der Energieverbrauch ist heute für ungefähr drei Viertel der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Grundlegend für einen ernsthaft gemeinten Plan eine Klimakatastrophe abzuwenden ist daher eine umfassende Umgestaltung des weltweiten Energiesystems von fossilen Brennstoffen weg in Richtung zukünftige Netto-Null-Emissionen. Angesichts der Tatsache, dass fossile Brennstoffe auch eine Hauptquelle für Luftschadstoffemissionen sind, hat die Energiewende wichtige Auswirkungen auf die Luftqualität und damit auch auf die Gesundheit von Mensch und Umwelt. Sowohl Europa als auch Deutschland haben sich zum Ziel gesetzt, bis 2050 treibhausgasneutral zu werden und zeigen darüber hinaus ihr tiefes Engagement für eine umfassende Energiewende. Zwei der wichtigsten Entwicklungen in der Energiepolitik im letzten Jahrzehnt waren das Interesse an der Ausweitung von Schiefergas und Wasserstoff, das entsprechend großes Interesse und große Diskussionen in der Öffentlichkeit, im Privaten und in der Politik erzeugt hat. In diesem Zusammenhang können fundierte wissenschaftliche Informationen eine wichtige Rolle spielen, indem sie Interessenvertreter und zukünftige Forschungsinvestitionen informieren und evidenzbasierte Entscheidungen unterstützen. Diese Doktorarbeit untersucht die Umweltauswirkungen möglicher, relevanter Veränderungen im europäischen Energiesystem, um wertvolle Erkenntnisse zu vermitteln und kritische Wissenslücken zu schließen. Insbesondere werden mögliche zukünftige Schiefergasentwicklungen in Deutschland und im Vereinigten Königreich (UK) sowie ein hypothetischer, vollständiger Übergang zur Wasserstoffmobilität in Deutschland untersucht. Darüber hinaus werden die Auswirkungen auf die Treibhausgas- und Luftschadstoffemissionen sowie auf die Luftqualität von troposphärischem Ozon (O3) bewertet. Die Analyse wird durch die Erstellung von Emissionsszenarien und die Durchführung von Luftqualitätsmodellen über die Chemie-Version des "Weather Research and Forecasting Model" (WRF-Chem) erleichtert. Die Forschung dieser Doktorarbeit wird in drei wissenschaftlichen Artikeln vorgestellt. Der erste Artikel beschreibt, dass die Methan (CH4)-Leckraten aus einer vorgelagerten Schiefergasproduktion in Deutschland und Großbritannien in einem gewöhnlichen Fall zwischen 0.35% und 1.36% liegen würden, während sie in einem optimistischen, streng regulierten Fall signifikant zwischen 0.08% und 0.15% niedriger wären, und zeigt damit die Bedeutung und das Potenzial von Maßnahmen zur wesentlichen Reduzierung der Emissionen auf. Obwohl der optimistische Fall technisch machbar ist, ist es aufgrund der Wirtschaftlichkeit und der begrenzten Überwachungsressourcen unwahrscheinlich, dass die angenommenen Praktiken und Technologien systematisch und regelmäßig angewendet und durchgeführt werden. Die in dieser Studie geschätzten realistischen CH4-Leckraten sind vergleichbar mit Werten, die in Studien in den USA und anderswo angegeben wurden. Im Gegensatz dazu ähneln die optimistischen Raten den offziellen CH4- Leckraten aus der vorgelagerten Gasproduktion in Deutschland und Großbritannien. In Anbetracht des Mangels an systematischen, transparenten und unabhängigen Berichten, die die offziellen Werte stützen, unterstreicht diese Studie die Notwendigkeit weiterer Forschungsanstrengungen in diese Richtung. Im Vergleich zu den Emissionen des nationalen Energiesektors deutet diese Studie darauf hin, dass die Schiefergasemissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) erheblich sein könnten, andere Luftschadstoffe jedoch relativ unbedeutend bleiben. Ähnlich wie bei CH4 könnten Maßnahmen zur Reduzierung der VOC-Emissionen wirksam sein. Der zweite Artikel beschreibt, dass VOC- und Stickoxidemissionen (NOx) einer zukünftigen Schiefergasindustrie in Deutschland und Großbritannien potenziell schädliche Folgen für die europäische O3-Luftqualität sowohl auf lokaler als auch auf regionaler Ebene haben. Die Ergebnisse zeigen einen Spitzenanstieg des maximalen täglichen 8-Stunden-Durchschnitts von O3 (MDA8) im Bereich von 3.7 µg m-3 bis 28.3 µg m-3. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Schiefergasaktivitäten zu zusätzlichen Grenzwertüberschreitungen des MDA8 bei einem erheblichen Prozentsatz der regulatorischen Messstationen sowohl vor Ort als auch in Nachbar- und entfernten Ländern führen können, wobei bei bis zu etwa einem Drittel der Stationen in Großbritannien und einem Fünftel der Stationen in Deutschland zusätzliche Überschreitungen auftreten. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass die Auswirkungen von Schiefergas auf die kumulative gesundheitsbezogene Metrik SOMO35 (jährliche Summe des Ozonmittel über 35 ppb) mit einem maximalen Anstieg von ca. 28% erheblich sein könnten. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die VOC-Emissionen von Schiefergas eine entscheidende Rolle bei der O3-Erhöhung spielen könnten, während die NOx-Emissionen in geringerem Maße dazu beitragen würden. Unsere Ergebnisse zeigen daher, dass eine strenge Regulierung der VOC-Emissionen im Falle einer künftigen europäischen Schiefergasentwicklung wichtig ist, um schädliche gesundheitliche Folgen zu minimieren. Der dritte Artikel beschreibt, dass ein hypothetischer, vollständiger Übergang der deutschen Fahrzeugflotte zur Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie wesentlich zu Deutschlands Klima- und Luftqualitätszielen beitragen kann. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei einer Erzeugung des Wasserstoffs durch erneuerbare Wasserelektrolyse (grüner Wasserstoff) die Emissionen des deutschen Kohlendioxidäquivalents (CO2eq) jährlich um 179 MtCO2eq sinken würden. Wenn die Elektrolyse jedoch mit dem aktuellen Strommix betrieben würde, würden sich die Emissionen stattdessen um jährlich 95 MtCO2eq erhöhen. Die Ergebnisse zeigen im Allgemeinen einen bemerkenswerten Rückgang der Luftschadstoffemissionen in Deutschland. Weiterhin legen sie nahe, dass der Wasserstoffbedarf von Fahrzeugen 1000 PJ pro Jahr beträgt, was zwischen 446 TWh und 525 TWh für Elektrolyse, Wasserstofftransport und -speicherung erfordern würde. Wenn nur das Segment der Schwerlastfahrzeuge (HDVs) auf grünen Wasserstoff umgestellt wird, zeigen unsere Ergebnisse, dass der Wasserstoffbedarf der Fahrzeuge auf 371 PJ sinkt, während immer noch eine tiefgreifende Emissionsreduzierung erzielt wird (-57 MtCO2eq). Dies zeigt, dass die Umstellung der HDVs auf grünen Wasserstoff einen entscheidenden Beitrag zur Dekarbonisierung des deutschen Straßenverkehrs leisten kann. T2 - Erforschung möglicher Auswirkungen von Veränderungen deutscher und europäischer Energie auf Treibhausgas- und Luftschadstoffemissionen sowie auf die Ozonluftqualität KW - European energy KW - Emission scenarios KW - Greenhouse gas mitigation KW - Air quality modeling KW - Air pollution KW - Ozone KW - Shale gas KW - Hydrogen economy KW - German road transport KW - Fuel cell electric vehicle KW - Europäische Energie KW - Emissionsszenarien KW - Treibhausgasminderung KW - Luftqualitätsmodellen KW - Luftverschmutzung KW - Ozon KW - Schiefergas KW - Wasserstoffwirtschaft KW - Deutscher Straßenverkehr KW - Brennstoffzellenfahrzeug Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-496986 ER - TY - THES A1 - Metin Usta, Ayşe Duha T1 - The role of risk components and spatial dependence in flood risk estimations N2 - Flooding is a vast problem in many parts of the world, including Europe. It occurs mainly due to extreme weather conditions (e.g. heavy rainfall and snowmelt) and the consequences of flood events can be devastating. Flood risk is mainly defined as a combination of the probability of an event and its potential adverse impacts. Therefore, it covers three major dynamic components: hazard (physical characteristics of a flood event), exposure (people and their physical environment that being exposed to flood), and vulnerability (the elements at risk). Floods are natural phenomena and cannot be fully prevented. However, their risk can be managed and mitigated. For a sound flood risk management and mitigation, a proper risk assessment is needed. First of all, this is attained by a clear understanding of the flood risk dynamics. For instance, human activity may contribute to an increase in flood risk. Anthropogenic climate change causes higher intensity of rainfall and sea level rise and therefore an increase in scale and frequency of the flood events. On the other hand, inappropriate management of risk and structural protection measures may not be very effective for risk reduction. Additionally, due to the growth of number of assets and people within the flood-prone areas, risk increases. To address these issues, the first objective of this thesis is to perform a sensitivity analysis to understand the impacts of changes in each flood risk component on overall risk and further their mutual interactions. A multitude of changes along the risk chain are simulated by regional flood model (RFM) where all processes from atmosphere through catchment and river system to damage mechanisms are taken into consideration. The impacts of changes in risk components are explored by plausible change scenarios for the mesoscale Mulde catchment (sub-basin of the Elbe) in Germany. A proper risk assessment is ensured by the reasonable representation of the real-world flood event. Traditionally, flood risk is assessed by assuming homogeneous return periods of flood peaks throughout the considered catchment. However, in reality, flood events are spatially heterogeneous and therefore traditional assumption misestimates flood risk especially for large regions. In this thesis, two different studies investigate the importance of spatial dependence in large scale flood risk assessment for different spatial scales. In the first one, the “real” spatial dependence of return period of flood damages is represented by continuous risk modelling approach where spatially coherent patterns of hydrological and meteorological controls (i.e. soil moisture and weather patterns) are included. Further the risk estimations under this modelled dependence assumption are compared with two other assumptions on the spatial dependence of return periods of flood damages: complete dependence (homogeneous return periods) and independence (randomly generated heterogeneous return periods) for the Elbe catchment in Germany. The second study represents the “real” spatial dependence by multivariate dependence models. Similar to the first study, the three different assumptions on the spatial dependence of return periods of flood damages are compared, but at national (United Kingdom and Germany) and continental (Europe) scales. Furthermore, the impacts of the different models, tail dependence, and the structural flood protection level on the flood risk under different spatial dependence assumptions are investigated. The outcomes of the sensitivity analysis framework suggest that flood risk can vary dramatically as a result of possible change scenarios. The risk components that have not received much attention (e.g. changes in dike systems and in vulnerability) may mask the influence of climate change that is often investigated component. The results of the spatial dependence research in this thesis further show that the damage under the false assumption of complete dependence is 100 % larger than the damage under the modelled dependence assumption, for the events with return periods greater than approximately 200 years in the Elbe catchment. The complete dependence assumption overestimates the 200-year flood damage, a benchmark indicator for the insurance industry, by 139 %, 188 % and 246 % for the UK, Germany and Europe, respectively. The misestimation of risk under different assumptions can vary from upstream to downstream of the catchment. Besides, tail dependence in the model and flood protection level in the catchments can affect the risk estimation and the differences between different spatial dependence assumptions. In conclusion, the broader consideration of the risk components, which possibly affect the flood risk in a comprehensive way, and the consideration of the spatial dependence of flood return periods are strongly recommended for a better understanding of flood risk and consequently for a sound flood risk management and mitigation. N2 - Hochwasser sind ein großes Problem und treten hauptsächlich aufgrund extremer Wetterbedingungen (z. B. starker Regen und Schneeschmelze) auf. Die Folgen von Hochwasserereignissen können verheerend sein. Das Konzept des Hochwasserrisikos beinhaltet die drei Komponenten: Gefahr, Exposition und Vulnerabilität. Hochwasser sind natürliche Phänomene und können nicht sicher verhindert werden. Das Risiko kann jedoch gesteuert und gemindert werden. Für ein solides Hochwasserrisikomanagement und die Minderung des Risikos ist eine ordnungsgemäße Risikobewertung und ein klares Verständnis der Hochwasserrisikodynamik erforderlich. Beispielsweise verursacht der anthropogene Klimawandel eine höhere Intensität der Niederschläge und einen Anstieg des Meeresspiegels und damit eine Zunahme des Ausmaßes und der Häufigkeit von Hochwasserereignissen. Andererseits können unangemessene strukturelle Schutzmaßnahmen, das Anwachsen von Vermögenswerten und eine steigende Anzahl betroffener Personen in den hochwassergefährdeten Gebieten das Risiko erhöhen. Um diese Probleme zu adressieren, besteht ein Ziel dieser Arbeit aus der Durchführung einer Sensitivitätsanalyse, um die Auswirkungen von Änderungen in jeder Hochwasserrisikokomponente auf das Gesamtrisiko und deren Wechselwirkungen untereinander zu verstehen. Eine angemessene Risikobewertung wird auch durch die korrekte k Darstellung des realen Hochwasserereignisses erreicht. Traditionell wird das Hochwasserrisiko bewertet, indem homogene Wiederkehrintervalle von Hochwasserspitzen im gesamten Einzugsgebiet angenommen werden. In der Realität sind Hochwasserereignisse jedoch räumlich heterogen, weshalb die traditionelle Annahme von Homogenität das Hochwasserrisiko insbesondere für große Einzugsgebiete falsch einschätzt. In dieser Arbeit wird die Bedeutung der räumlichen Abhängigkeit bei der Bewertung des Hochwasserrisikos in großem Maßstab in zwei Studien für verschiedene räumliche Skalen untersucht. In der ersten Untersuchung wird die „reale“ räumliche Abhängigkeit durch einen kontinuierlichen Risikomodellierungsansatz dargestellt. Zusätzlich werden die Risikoabschätzungen unter dieser modellierten Abhängigkeitsannahme mit zwei weiteren Annahmen zur räumlichen Abhängigkeit der Wiederkehrintervalle von Hochwasser verglichen: vollständige Abhängigkeit und Unabhängigkeit für das Elbeeinzugsgebiet in Deutschland. Die zweite Studie repräsentiert die „reale“ räumliche Abhängigkeit durch ein copula-basiertes Abhängigkeitsmodell. In ähnlicher Weise werden die drei verschiedenen Annahmen zur räumlichen Abhängigkeit der Wiederkehrintervalle von Hochwasser auf nationaler und kontinentaler Ebene verglichen. Außerdem wird der Einfluss von „Tail-dependences“ im Modell sowie von Hochwasserschutzmaßnahmen auf die räumliche Abhängigkeit untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit unter Anwendung des Sensitivitätsanalyse-Frameworks zeigen, dass das Hochwasserrisiko aufgrund möglicher Änderungsszenarien dramatisch variieren kann. Der Einfluss des Klimawandels kann durch Änderungen anderer Risikokomponenten (z. B. Änderungen der Deichsysteme und der Vulnerabilität) überdeckt werden. Die Untersuchung zur räumlichen Abhängigkeit zeigen, dass der Schaden unter der Annahme vollständiger Abhängigkeit für Ereignisse mit Wiederkehrintervalle von mehr als ungefähr 200 Jahren im Elbeeinzugsgebiet 100 % größer als der Schaden unter modellierter Abhängigkeit. Die Annahme vollständiger Abhängigkeit überschätzt den 200-jährigen Hochwasserschaden, einen Referenzindikator für die Versicherungsbranche, um 139 %, 188 % und 246 % für Vereinigte Königreich, Deutschland und Europa. Die Fehleinschätzung des Hochwasserrisikos kann unter verschiedenen Annahmen von Abhängigkeit zwischen Oberlauf und Unterlauf eines Einzugsgebietes stark variieren. Zudem können „Tail-dependences“ im Modell sowie der Hochwasserschutz im Einzugsgebiet die Ergebnisse der Risikoabschätzung, unter verschiedenen Annahmen der räumlichen Abhängigkeit, beeinflussen. Abschließend wird eine umfangreiche Berücksichtigung der Risikokomponenten und insbesondere der räumlichen Abhängigkeit von Wiederkehrintervallen stark empfohlen, um das Hochwasserrisiko und damit dessen Management und Minderung besser verstehen zu können. T2 - Die Rolle von Risikokomponenten und räumlicher Abhängigkeit bei Hochwasserrisikoabschätzungen KW - flood risk KW - sensitivity analysis KW - hazard KW - river flooding KW - vulnerability KW - spatial dependence KW - damage estimation KW - continuous simulation KW - flood risk assessment KW - kontinuierliche Simulation KW - Schadensabschätzung KW - Hochwasserrisiko KW - Hochwasserrisikobewertung KW - Gefahr KW - Flusshochwasser KW - Sensitivitätsanalyse KW - räumliche Abhängigkeit KW - Vulnerabilität Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-492554 ER - TY - THES A1 - Wang, Weishi T1 - Influence of river reconstruction at a bank filtration site T1 - Wasserqualität und 3D-Modellierung des Grundwasserflusses und des Wärmetransports BT - water quality field investigation and 3D modelling of groundwater flow and heat transport N2 - Bank filtration is an effective water treatment technique and is widely adopted in Europe along major rivers. It is the process where surface water penetrates the riverbed, flows through the aquifer, and then is extracted by near-bank production wells. By flowing in the subsurface flow passage, the water quality can be improved by a series of beneficial processes. Long-term riverbank filtration also produces colmation layers on the riverbed. The colmation layer may act as a bioactive zone that is governed by biochemical and physical processes owing to its enrichment of microbes and organic matter. Low permeability may strongly limit the surface water infiltration and further lead to a decreasing recoverable ratio of production wells.The removal of the colmation layer is therefore a trade-off between the treatment capacity and treatment efficiency. The goal of this Ph.D. thesis is to focus on the temporal and spatial change of the water quality and quantity along the flow path of a hydrogeological heterogeneous riverbank filtration site adjacent to an artificial-reconstructed (bottom excavation and bank reconstruction) canal in Potsdam, Germany. To quantify the change of the infiltration rate, travel time distribution, and the thermal field brought by the canal reconstruction, a three-dimensional flow and heat transport model was created. This model has two scenarios, 1) ‘with’ canal reconstruction, and 2) ‘without’ canal reconstruction. Overall, the model calibration results of both water heads and temperatures matched those observed in the field study. In comparison to the model without reconstruction, the reconstruction model led to more water being infiltrated into the aquifer on that section, on average 521 m3/d, which corresponded to around 9% of the total pumping rate. Subsurface travel-time distribution substantially shifted towards shorter travel times. Flow paths with travel times <200 days increased by ~10% and those with <300 days by 15%. Furthermore, the thermal distribution in the aquifer showed that the seasonal variation in the scenario with reconstruction reaches deeper and laterally propagates further. By scatter plotting of δ18O versus δ 2H, the infiltrated river water could be differentiated from water flowing in the deep aquifer, which may contain remnant landside groundwater from further north. In contrast, the increase of river water contribution due to decolmation could be shown by piper plot. Geological heterogeneity caused a substantial spatial difference in redox zonation among different flow paths, both horizontally and vertically. Using the Wilcoxon rank test, the reconstruction changed the redox potential differently in observation wells. However, taking the small absolute concentration level, the change is also relatively minor. The treatment efficiency for both organic matter and inorganic matter is consistent after the reconstruction, except for ammonium. The inconsistent results for ammonium could be explained by changes in the Cation Exchange Capacity (CEC) in the newly paved riverbed. Because the bed is new, it was not yet capable of keeping the newly produced ammonium by sorption and further led to the breakthrough of the ammonium plume. By estimation, the peak of the ammonium plume would reach the most distant observation well before February 2024, while the peaking concentration could be further dampened by sorption and diluted by the afterward low ammonium flow. The consistent DOC and SUVA level suggests that there was no clear preference for the organic matter removal along the flow path. N2 - Die Uferfiltration, eine wirksame Wasseraufbereitungstechnik, ist an Europas großen Flüssen weit verbreitet. Es bezieht sich dabei hauptsächlich auf einen Prozess, wobei das Oberflächenwasser in das Flussbett eindringt, durch den Grundwasserleiter fließt und schließlich durch ufernahe Brunnen gewonnen wird. Beim Einströmen in den unterirdischen Aquifer verbessert sich die Wasserqualität durch eine Reihe von vorteilhaften Reaktionen, die jedoch langfristig zum Auftreten von Kolmation des Flussbetts führen. Aufgrund der Anreicherung von Mikroben und organischen Substanzen bildet sich die Kolmationsschicht einerseits als bioaktive Zone für zahlreiche biochemische Reaktionen; andererseits kann ihre geringe Permeabilität die Infiltration von Oberflächenwasser behindern, welches zur Produktivitätseinschränkung von Brunnen führt. Daher ist das Entfernen der Kolmationsschicht immer ein Kompromiss zwischen Behandlungskapazität und Effizienz. Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, die zeitlichen und räumlichen Veränderungen der Wasserqualität und -menge entlang des Fließwegs eines hydrogeologisch heterogenen Uferfiltrat-Standorts nahe einem baulich vertieften Kanal (Ausbaggerung und Ufersanierung) in Potsdam zu untersuchen. Zur Quantifizierung der durch die Kanalvertiefung hervorgerufenen Änderung auf die Infiltrationsrate, die Laufzeitverteilung und das thermische Feld wurde ein dreidimensionales Strömungs- und Wärmetransportmodell mit zwei Modellszenarien (mit und ohne Baumaßnahmen) erstellt. Insgesamt stimmten die Kalibrierungsergebnisse der Wasserstände und der Temperaturen mit den Beobachtungen überein. Die Modellierungsergebnisse zweier Szenarien zeigten, dass durch die Vertiefung durchschnittlich 521 m3/d, was etwa 9% der Gesamtpumprate entspricht, mehr Wasser in den Grundwasserleiter geflossen ist. Die unterirdische Fliesszeit verkürzte sich. Die Anzahl der Fliesswege mit Fliesszeiten <200 Tage erhöhten sich um ca. 10% und jene mit <300 Tage um 15%. Darüber hinaus breitete sich die Wärme im Grundwasserleiter tiefer und weiter im Modell mit Baumaßnahmen aus. Mittels Streudiagrammen von d18O und d2H konnte das infiltrierte Flusswasser vom landseitigen Grundwasser unterschieden werden, während eine dekolmationsbedingte Erhöhung des Flusswasseranteils in Brunnen durch Piper-Diagramme nachgewiesen werden konnte. Die geologische Heterogenität verursachte erhebliche horizontale und vertikale Unterschiede in der Redox-Zonierung zwischen verschiedenen Strömungsbahnen. Das Redoxniveau verändert sich in verschiedenen Brunnen durch die Baumaßnahme. Die Behandlungseffizienz für organische und anorganische Stoffe blieb unabhänig von der Baumaßnahme erhalten, mit Ausnahme von Ammonium. Dies ist wohl auf die Änderung der Kationenaustauschkapazität im neu ausgebaggerten Flussbett zurückzuführen, das noch nicht in der Lage war, neu entstehendes Ammonium zu absorbieren, was zu einem Fortschreiten der Ammonium-Fahne führt. Schätzungsweise erreicht das Maximum der Ammonium-Fahne den entferntesten Brunnen vor Februar 2024, wobei sich die Konzentration durch Sorption und Vermischung mit nachströmendem Wassser verringern sollte. Das gleichbleibende DOC- und SUVA-Niveau deutete darauf hin, dass es keine Bevorzugung beim Abbau organischer Substanzen entlang des Fließwegs gab. KW - Bank filtration KW - Groundwater modelling KW - Heat transport KW - Geological heterogeneity KW - Decolmation KW - Wärmetransport KW - Uferfiltration KW - Grundwassermodellierung KW - Geologische Heterogenität KW - Dekolmation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-490234 ER - TY - THES A1 - Yang, Xiaoqiang T1 - Spatial and temporal analyses of catchment and in-stream nitrate dynamics BT - insights derived from fully distributed, process-based modeling and high-frequency monitoring BT - Untersuchungen auf der Basis von räumlich verteilter, prozessbasierter Modellierung und eines zeitlich hochaufgelösten Gewässermonitorings N2 - Water quality in river systems is of growing concern due to rising anthropogenic pressures and climate change. Mitigation efforts have been placed under the guidelines of different governance conventions during last decades (e.g., the Water Framework Directive in Europe). Despite significant improvement through relatively straightforward measures, the environmental status has likely reached a plateau. A higher spatiotemporal accuracy of catchment nitrate modeling is, therefore, needed to identify critical source areas of diffuse nutrient pollution (especially for nitrate) and to further guide implementation of spatially differentiated, cost-effective mitigation measures. On the other hand, the emerging high-frequency sensor monitoring upgrades the monitoring resolution to the time scales of biogeochemical processes and enables more flexible monitoring deployments under varying conditions. The newly available information offers new prospects in understanding nitrate spatiotemporal dynamics. Formulating such advanced process understanding into catchment models is critical for model further development and environmental status evaluation. This dissertation is targeting on a comprehensive analysis of catchment and in-stream nitrate dynamics and is aiming to derive new insights into their spatial and temporal variabilities through the new fully distributed model development and the new high-frequency data. Firstly, a new fully distributed, process-based catchment nitrate model (the mHM-Nitrate model) is developed based on the mesoscale Hydrological Model (mHM) platform. Nitrate process descriptions are adopted from the Hydrological Predictions for the Environment (HYPE), with considerable improved implementations. With the multiscale grid-based discretization, mHM-Nitrate balances the spatial representation and the modeling complexity. The model has been thoughtfully evaluated in the Selke catchment (456 km2), central Germany, which is characterized by heterogeneous physiographic conditions. Results show that the model captures well the long-term discharge and nitrate dynamics at three nested gauging stations. Using daily nitrate-N observations, the model is also validated in capturing short-term fluctuations due to changes in runoff partitioning and spatial contribution during flooding events. By comparing the model simulations with the values reported in the literature, the model is capable of providing detailed and reliable spatial information of nitrate concentrations and fluxes. Therefore, the model can be taken as a promising tool for environmental scientists in advancing environmental modeling research, as well as for stakeholders in supporting their decision-making, especially for spatially differentiated mitigation measures. Secondly, a parsimonious approach of regionalizing the in-stream autotrophic nitrate uptake is proposed using high-frequency data and further integrated into the new mHM-Nitrate model. The new regionalization approach considers the potential uptake rate (as a general parameter) and effects of above-canopy light and riparian shading (represented by global radiation and leaf area index data, respectively). Multi-parameter sensors have been continuously deployed in a forest upstream reach and an agricultural downstream reach of the Selke River. Using the continuous high-frequency data in both streams, daily autotrophic uptake rates (2011-2015) are calculated and used to validate the regionalization approach. The performance and spatial transferability of the approach is validated in terms of well-capturing the distinct seasonal patterns and value ranges in both forest and agricultural streams. Integrating the approach into the mHM-Nitrate model allows spatiotemporal variability of in-stream nitrate transport and uptake to be investigated throughout the river network. Thirdly, to further assess the spatial variability of catchment nitrate dynamics, for the first time the fully distributed parameterization is investigated through sensitivity analysis. Sensitivity results show that parameters of soil denitrification, in-stream denitrification and in-stream uptake processes are the most sensitive parameters throughout the Selke catchment, while they all show high spatial variability, where hot-spots of parameter sensitivity can be explicitly identified. The Spearman rank correlation is further analyzed between sensitivity indices and multiple catchment factors. The correlation identifies that the controlling factors vary spatially, reflecting heterogeneous catchment responses in the Selke catchment. These insights are, therefore, informative in informing future parameter regionalization schemes for catchment water quality models. In addition, the spatial distributions of parameter sensitivity are also influenced by the gauging information that is being used for sensitivity evaluation. Therefore, an appropriate monitoring scheme is highly recommended to truly reflect the catchment responses. N2 - Die Wasserqualität in Flusssystemen ist aufgrund des steigenden anthropogenen Drucks und des Klimawandels von wachsender Bedeutung. Um kritische Eintragspfade diffuser Nitratbelastungen zu identifizieren, ist eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung der Modellierung des Einzugsgebietes erforderlich. Neue hochfrequente Sensordaten bieten neue Perspektiven für das Verständnis der Nitratdynamik in Einzugsgebieten. Die Vertiefung des Prozessverständnisses ist entscheidend für die Weiterentwicklung von Einzugsmodellen. Diese Dissertation zielt auf eine umfassende Analyse der einzugsbezogenen und gewässerinternen Nitratdynamik ab und analysiert ihre räumlichen und zeitlichen Variabilität anhand vollständig verteilter Modellierung und neuer zeitlich hochaufgelöster Sensordaten. Zunächst wurde ein neues, räumlich verteiltes hydrologisches Nitratmodell (das mHM-Nitratmodell) entwickelt, um die Nitratflüsse und -dynamiken in Einzugsgebieten abzubilden. Das Modell wurde im Selke Einzugsgebiet (456 km2) in Mitteldeutschland implementiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell sowohl die lang- als auch die kurzfristige Dynamik von Abfluss und Nitrat an drei genesteten Messstationen gut erfasst und in der Lage ist, detaillierte und zuverlässige räumliche Informationen zu liefern. Des Weiteren wurde ein vereinfachter Ansatz zur Regionalisierung der autotrophen Nitrataufnahme in Fließgewässern entwickelt und in das neue mHM-Nitratmodell integriert. Die Verfügbarkeit von Licht auf der Gewässeroberfläche wird als treibender Faktor identifiziert, welcher durch Globalstrahlung und pflanzenspezifischem Blattflächenindex quantifiziert werden kann. Die räumliche Übertragbarkeit des Ansatzes wird anhand kontinuierlicher, zeitlich hochaufgelöster Gewässermessdaten in der Selke überprüft. Hierauf aufbauend wird die vollständig verteilte Parametrisierung des Modells durch Sensitivitätsanalysen untersucht, welche die empfindlichsten Parameter und deren räumliche Variabilität identifizieren. Die Spearman-Rank-Korrelationen zeigen, dass die bestimmenden Einflussfaktoren aufgrund der heterogenen Einzugscharakteristik auch räumlich stark variieren. Das mHM-Nitratmodell kann als vielversprechendes Instrument zur Beurteilung der detaillierten räumzeitlichen Variabilität der Nitratflüsse und -dynamiken genutzt werden, was sowohl für Wissenschaftler als auch für Nutzer aus der Praxis wichtig ist. Die Integration des neuen Ansatzes zur gewässerinternen Nährstoffaufnahme in das Modell ermöglicht eine räumlich-zeitliche Untersuchung des Nitrattransports und Nährstoffentzugs in Fließgewässernetzwerken. Die Erkenntnisse aus Sensitivitäts- und Korrelationsanalysen sind bedeutsam für die Ableitung zukünftiger Parameterregionalisierungsansätze, die es erlauben, einen ausgewogenen Kompromiss zwischen der Komplexität der Modellparametrisierung und der hinreichenden Darstellung der natürlichen Heterogenität zu finden. T2 - Raumzeitliche Analyse von einzugsgebietsbezogenen und gewässerinternen Nitratdynamiken KW - Catchment and in-stream water quality KW - Spatial and temporal nitrate variability KW - Fully distributed nitrate modeling KW - High-frequency data KW - Heterogeneous catchement responses KW - Autotrophic nitrate uptake in river networks KW - Autotropher Nitrat-Aufnahme in Gewässernetzen KW - Räumlich verteilte Nitratmodellierung KW - Heterogene Einzugsgebietsreaktionen KW - Hochfrequenzdaten KW - Räumliche und zeitliche Nitratvariabilität Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-477029 ER - TY - THES A1 - Pilz, Tobias T1 - Pursuing the understanding of uncertainties in hydrological modelling N2 - Hydrological models are important tools for the simulation and quantification of the water cycle. They therefore aid in the understanding of hydrological processes, prediction of river discharge, assessment of the impacts of land use and climate changes, or the management of water resources. However, uncertainties associated with hydrological modelling are still large. While significant research has been done on the quantification and reduction of uncertainties, there are still fields which have gained little attention so far, such as model structural uncertainties that are related to the process implementations in the models. This holds especially true for complex process-based models in contrast to simpler conceptual models. Consequently, the aim of this thesis is to improve the understanding of structural uncertainties with focus on process-based hydrological modelling, including methods for their quantification. To identify common deficits of frequently used hydrological models and develop further strategies on how to reduce them, a survey among modellers was conducted. It was found that there is a certain degree of subjectivity in the perception of modellers, for instance with respect to the distinction of hydrological models into conceptual groups. It was further found that there are ambiguities on how to apply a certain hydrological model, for instance how many parameters should be calibrated, together with a large diversity of opinion regarding the deficits of models. Nevertheless, evapotranspiration processes are often represented in a more physically based manner, while processes of groundwater and soil water movement are often simplified, which many survey participants saw as a drawback. A large flexibility, for instance with respect to different alternative process implementations or a small number of parameters that needs to be calibrated, was generally seen as strength of a model. Flexible and efficient software, which is straightforward to apply, has been increasingly acknowledged by the hydrological community. This work further elaborated on this topic in a twofold way. First, a software package for semi-automated landscape discretisation has been developed, which serves as a tool for model initialisation. This was complemented by a sensitivity analysis of important and commonly used discretisation parameters, of which the size of hydrological sub-catchments as well as the size and number of hydrologically uniform computational units appeared to be more influential than information considered for the characterisation of hillslope profiles. Second, a process-based hydrological model has been implemented into a flexible simulation environment with several alternative process representations and a number of numerical solvers. It turned out that, even though computation times were still long, enhanced computational capabilities nowadays in combination with innovative methods for statistical analysis allow for the exploration of structural uncertainties of even complex process-based models, which up to now was often neglected by the modelling community. In a further study it could be shown that process-based models may even be employed as tools for seasonal operational forecasting. In contrast to statistical models, which are faster to initialise and to apply, process-based models produce more information in addition to the target variable, even at finer spatial and temporal scales, and provide more insights into process behaviour and catchment functioning. However, the process-based model was much more dependent on reliable rainfall forecasts. It seems unlikely that there exists a single best formulation for hydrological processes, even for a specific catchment. This supports the use of flexible model environments with alternative process representations instead of a single model structure. However, correlation and compensation effects between process formulations, their parametrisation, and other aspects such as numerical solver and model resolution, may lead to surprising results and potentially misleading conclusions. In future studies, such effects should be more explicitly addressed and quantified. Moreover, model functioning appeared to be highly dependent on the meteorological conditions and rainfall input generally was the most important source of uncertainty. It is still unclear, how this could be addressed, especially in the light of the aforementioned correlations. The use of innovative data products, e.g.\ remote sensing data in combination with station measurements, and efficient processing methods for the improvement of rainfall input and explicit consideration of associated uncertainties is advisable to bring more insights and make hydrological simulations and predictions more reliable. N2 - Hydrologische Modelle sind wichtige Werkzeuge zur Simulation und Quantifizierung des Wasserkreislaufs. Sie helfen bei der explorativen Analyse hydrologischer Prozesse, Abflussvorhersage, Abschätzung der Folgen von Klima- und Landnutzungswandel oder dem Management von Wasserressourcen. Allerdings sind die mit der hydrologischen Modellierung einhergehenden Unsicherheiten noch immer groß. Trotz der zahlreichen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Quantifizierung und Reduktion der Unsicherheiten gibt es einige Bereiche, die bisher wenig erforscht wurden, wie beispielsweise strukturelle Unsicherheiten, welche sich unter anderem auf die Prozessimplementation in den Modellen beziehen. Dies betrifft vor allem komplexe prozessbasierte Modelle im Gegensatz zu einfacheren konzeptionellen Modellen. Gegenstand dieser Arbeit ist es daher, das Verständnis struktureller Unsicherheiten sowie Methoden für deren Quantifizierung innerhalb prozessbasierter hydrologischer Modellanwendungen zu erweitern. Zur Identifikation typischer Defizite hydrologischer Modelle und Erarbeitung von Lösungsstrategien, um diese zu reduzieren, wurde eine Umfrage unter Modellanwendern durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass ein hohes Maß an Subjektivität in der Wahrnehmung des Themas unter Modellieren herrscht, beispielsweise bei der Einordnung hydrologischer Modelle in konzeptionelle Klassen. Des Weiteren gibt es Unklarheiten in der Art und Weise, wie ein bestimmtes hydrologisches Modell angewendet werden sollte, wie etwa hinsichtlich der Kalibrierung bestimmter Parameter, sowie vielschichtige Auffassungen bezüglich der Modelldefizite. Letztlich stellte sich jedoch heraus, dass Verdunstungsprozesse vor allem physikalisch basiert abgebildet werden, während Prozesse im Bereich des Grundwassers und der Bodenwasserbewegung häufig vereinfacht abgebildet werden, was von vielen Umfrageteilnehmern als Nachteil empfunden wurde. Generell als Stärke wurde die Flexibilität einiger Modelle empfunden, zum Beispiel wenn diese verschiedene Implementationen eines Prozesses enthalten oder wenn nur eine geringe Zahl an Parametern kalibriert werden muss. Flexible und effiziente Software, die darüber hinaus einfach zu bedienen ist, wird von der hydrologischen Gemeinschaft immer stärker in den Vordergrund gebracht. Daher greift diese Arbeit das Thema in zweifacher Hinsicht auf. Zum einen wurde ein Softwarepaket zur halbautomatischen Landschaftsdiskretisierung entwickelt, welches zudem als Werkzeug zur Modellinitialisierung gedacht ist. Damit einhergehend wurde eine Sensitivitätsanalyse wichtiger und häufig genutzter Diskretisierungsparameter durchgeführt, bei der die Größe hydrologischer Teileinzugsgebiete sowie die Anzahl und Größe hydrologischer Elementarflächen sich als maßgeblicher herausstellte als etwa raumbezogene Informationen zur Charakterisierung der Hangprofile. Zum anderen wurde ein prozessbasiertes hydrologisches Modell in eine flexible Softwareumgebung integriert, der verschiedene alternative Prozessformulierungen sowie numerische Differentialgleichungslöser hinzugefügt wurden. Die Analyse struktureller Unsicherheiten komplexer prozessbasierter Modelle wurde in der Vergangenheit von der hydrologischen Gemeinschaft mit Verweis auf zu lange Rechenzeit oft vernachlässigt. Es zeigte sich jedoch, dass die mittlerweile zur Verfügung stehenden Computerressourcen, vor allem in Kombination mit innovativen statistischen Analyseverfahren, derartige Untersuchungen bereits ermöglichen. In einer weiteren Studie konnte zudem gezeigt werden, dass auch prozessbasierte Modelle für den operationellen Einsatz in der saisonalen Vorhersage geeignet sind. Im Gegensatz zu statistischen Modellen, welche schneller initialisierbar und anwendbar sind, produzieren prozessbasierte Modelle neben der eigentlichen Zielgröße weitere potentiell relevante Informationen in höherer räumlicher und zeitlicher Auflösung und geben zudem tiefere Einblicke in die generelle Wirkungsweise der hydrologischen Prozesse in einem Einzugsgebiet. In der Studie stellte sich jedoch ebenso heraus, dass zuverlässige Niederschlagsvorhersagen für ein prozessbasiertes Modell umso wichtiger sind. Allgemein erscheint es unwahrscheinlich, dass eine einzelne optimale Implementation für einen hydrologischen Prozess, selbst innerhalb eines bestimmten Einzugsgebietes, überhaupt existiert. Die Nutzung flexibler Modellumgebungen mit alternativen Prozessbeschreibungen anstelle eines einzelnen Modells scheint deshalb große Vorteile zu bringen. Mögliche Korrelationen zwischen Prozessbeschreibungen, deren Parametrisierung, sowie anderen Aspekte wie numerischen Lösern und Modellauflösung, können jedoch zu überraschenden Ergebnissen und letztlich falschen Schlussfolgerungen führen. In zukünftigen Studien sollten solche Effekte daher explizit berücksichtigt und quantifiziert werden. Darüber hinaus wird die Leistungsfähigkeit eines Modells maßgeblich von den meteorologischen Randbedingungen beeinflusst. Vor allem der Niederschlag erwies sich innerhalb dieser Arbeit als wichtigste Ursache für Unsicherheiten in der Modellierung. Allerdings ist nicht vollständig klar, wie dieser Umstand berücksichtigt werden kann und inwiefern die zuvor genannten Korrelationen hier einen Einfluss haben. Die Nutzung innovativer Datenprodukte, zum Beispiel Fernerkundungsdaten verbunden mit Stationsmessungen, in Kombination mit effizienten Prozessierungsalgorithmen zur Verbesserung des Niederschlagsinputs und expliziten Beachtung einhergehender Unsicherheiten wird angeraten. Dies verspricht bessere Einblicke in die Zusammenhänge verschiedener Unsicherheitsquellen zu gewinnen und letztlich hydrologische Simulationen und Vorhersagen zuverlässiger zu machen. T2 - Beiträge zum Verständnis der Unsicherheiten in der hydrologischen Modellierung KW - hydrology KW - hydrological modelling KW - uncertainties KW - Hydrologie KW - hydrologische Modellierung KW - Unsicherheiten Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476643 ER - TY - THES A1 - Rolf, Werner T1 - Peri-urban farmland included in green infrastructure strategies promotes transformation pathways towards sustainable urban development N2 - Urbanization and agricultural land use are two of the main drivers of global changes with effects on ecosystem functions and human wellbeing. Green Infrastructure is a new approach in spatial planning contributing to sustainable urban development, and to address urban challenges, such as biodiversity conservation, climate change adaptation, green economy development, and social cohesion. Because the research focus has been mainly on open green space structures, such as parks, urban forest, green building, street green, but neglected spatial and functional potentials of utilizable agricultural land, this thesis aims at fill this gap. This cumulative thesis addresses how agricultural land in urban and peri-urban landscapes can contribute to the development of urban green infrastructure as a strategy to promote sustainable urban development. Therefore, a number of different research approaches have been applied. First, a quantitative, GIS-based modeling approach looked at spatial potentials, addressing the heterogeneity of peri-urban landscape that defines agricultural potentials and constraints. Second, a participatory approach was applied, involving stakeholder opinions to evaluate multiple urban functions and benefits. Finally, an evidence synthesis was conducted to assess the current state of research on evidence to support future policy making at different levels. The results contribute to the conceptual understanding of urban green infrastructures as a strategic spatial planning approach that incorporates inner-urban utilizable agricultural land and the agriculturally dominated landscape at the outer urban fringe. It highlights the proposition that the linkage of peri-urban farmland with the green infrastructure concept can contribute to a network of multifunctional green spaces to provide multiple benefits to the urban system and to successfully address urban challenges. Four strategies are introduced for spatial planning with the contribution of peri-urban farmland to a strategically planned multifunctional network, namely the connecting, the productive, the integrated, and the adapted way. Finally, this thesis sheds light on the opportunities that arise from the integration of the peri- urban farmland in the green infrastructure concept to support transformation towards a more sustainable urban development. In particular, the inherent core planning principle of multifunctionality endorses the idea of co-benefits that are considered crucial to trigger transformative processes. This work concludes that the linkage of peri-urban farmland with the green infrastructure concept is a promising action field for the development of new pathways for urban transformation towards sustainable urban development. Along with these outcomes, attention is drawn to limitations that remain to be addressed by future research, especially the identification of further mechanisms required to support policy integration at all levels. N2 - Urbanisierung und Landwirtschaft zählen zu den wesentlichen Faktoren des globalen Wandels mit Auswirkungen auf Ökosystemleistungen und menschliches Wohlergehen. Grüne Infrastruktur gilt als ein neuartiger Ansatz in der räumlichen Planung zur nachhaltigen Stadtentwicklung und um Begegnung von Herausforderungen wie den Schutz der biologischen Vielfalt, Anpassung an den Klimawandel, Entwicklung einer nachhaltigen Wirtschaft und zur des sozialen Zusammenhalts. Da ein Forschungsschwerpunkt bislang auf Freiraumstrukturen wie Parks, städtischen Wäldern, Gebäudebegrünung und Straßengrün lag, die räumlichen und funktionalen Potenziale landwirtschaftlicher Flächen unberücksichtigten, soll diese Arbeit hierzu einen Diskussionsbeitrag leisten. Diese kumulative Abschlussarbeit befasst sich mit der Frage, wie stadtnahe Landwirtschaftsflächen zur Entwicklung urbaner grünen Infrastrukturen, als Strategie zur Förderung einer nachhaltigen Stadtentwicklung beitragen können. Hierzu wurden verschiedene Forschungsansätze angewendet. Zunächst erfolgte ein quantitativer, GIS-basierter Modellierungsansatz, der sich mit den räumlichen Möglichkeiten und Grenzen befasst. Zweitens wurde ein partizipatorischer Ansatz verfolgt, der Funktionen und Nutzen aus Sicht verschiedener Interessenvertreter evaluiert. Schließlich wurde eine Evidenzsynthese durchgeführt, um den aktuellen Stand der Forschung hinsichtlich einer evidenzbasierten Politikgestaltung zu bewerten. Die Ergebnisse tragen zum konzeptionellen Verständnis urbaner grüner Infrastrukturen als strategischen raumplanerischen Ansatz bei, der Landwirtschaft mit einbezieht. Sie unterstützen die These, dass peri-urbane Landwirtschaftsflächen mit dem grünen Infrastrukturansatz zur Entwicklung eines multifunktionalen Freiraums beitragen und somit städtische Herausforderungen begegnen können. Es werden vier Strategien für eine Raumplanung vorgestellt, die sich für die Planung eignen. Schließlich beleuchtet diese Arbeit, welche Möglichkeiten sich in der Verknüpfung peri-urbaner Landwirtschaftsflächen mit dem Grüne Infrastrukturansatz für Transformationsprozesse bieten, um eine nachhaltige Stadtentwicklung zu unterstützen. Insbesondere das Kernplanungsprinzip der Multifunktionalität unterstützt die Idee zusätzlicher Nebeneffekte – sogenannte Co-Benefits –, die als einen wichtigen Auslöser transformativer Prozesse gelten. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass sich durch die Berücksichtigung peri-urbaner Landwirtschaftsflächen im Grüne Infrastrukturansatz vielversprechende Handlungsfelder und Entwicklungspfade für eine nachhaltige Stadtentwicklung bieten. Neben diesen Ergebnissen wird auf die Grenzen aufmerksam gemacht, die von der künftigen Forschung noch angegangen werden müssen, insbesondere die Identifizierung weiterer Mechanismen, die zur Unterstützung der politischen Integration auf allen Ebenen erforderlich sind. T2 - Peri-urbaner Landwirtschaftsflächen integriert in grüne Infrastrukturstrategien fördert Transformationswege einer nachhaltigen Stadtentwicklung KW - agriculture KW - urban KW - spatial planning KW - planning strategies KW - green infrastructure KW - sustainable development KW - sustainability transformation KW - Landwirtschaft KW - Urban KW - Raumplanung KW - Planungsstrategien KW - Grüne Infrastruktur KW - Nachhaltige Entwicklung KW - Nachhaltigkeitstransformation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-477002 ER - TY - THES A1 - Crisologo, Irene T1 - Using spaceborne radar platforms to enhance the homogeneity of weather radar calibration T1 - Homogenisierung der Kalibrierung von Niederschlagsradaren mit Hilfe satellitengestützter Radarplattformen N2 - Accurate weather observations are the keystone to many quantitative applications, such as precipitation monitoring and nowcasting, hydrological modelling and forecasting, climate studies, as well as understanding precipitation-driven natural hazards (i.e. floods, landslides, debris flow). Weather radars have been an increasingly popular tool since the 1940s to provide high spatial and temporal resolution precipitation data at the mesoscale, bridging the gap between synoptic and point scale observations. Yet, many institutions still struggle to tap the potential of the large archives of reflectivity, as there is still much to understand about factors that contribute to measurement errors, one of which is calibration. Calibration represents a substantial source of uncertainty in quantitative precipitation estimation (QPE). A miscalibration of a few dBZ can easily deteriorate the accuracy of precipitation estimates by an order of magnitude. Instances where rain cells carrying torrential rains are misidentified by the radar as moderate rain could mean the difference between a timely warning and a devastating flood. Since 2012, the Philippine Atmospheric, Geophysical, and Astronomical Services Administration (PAGASA) has been expanding the country’s ground radar network. We had a first look into the dataset from one of the longest running radars (the Subic radar) after devastating week-long torrential rains and thunderstorms in August 2012 caused by the annual southwestmonsoon and enhanced by the north-passing Typhoon Haikui. The analysis of the rainfall spatial distribution revealed the added value of radar-based QPE in comparison to interpolated rain gauge observations. However, when compared with local gauge measurements, severe miscalibration of the Subic radar was found. As a consequence, the radar-based QPE would have underestimated the rainfall amount by up to 60% if they had not been adjusted by rain gauge observations—a technique that is not only affected by other uncertainties, but which is also not feasible in other regions of the country with very sparse rain gauge coverage. Relative calibration techniques, or the assessment of bias from the reflectivity of two radars, has been steadily gaining popularity. Previous studies have demonstrated that reflectivity observations from the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) and its successor, the Global Precipitation Measurement (GPM), are accurate enough to serve as a calibration reference for ground radars over low-to-mid-latitudes (± 35 deg for TRMM; ± 65 deg for GPM). Comparing spaceborne radars (SR) and ground radars (GR) requires cautious consideration of differences in measurement geometry and instrument specifications, as well as temporal coincidence. For this purpose, we implement a 3-D volume matching method developed by Schwaller and Morris (2011) and extended by Warren et al. (2018) to 5 years worth of observations from the Subic radar. In this method, only the volumetric intersections of the SR and GR beams are considered. Calibration bias affects reflectivity observations homogeneously across the entire radar domain. Yet, other sources of systematic measurement errors are highly heterogeneous in space, and can either enhance or balance the bias introduced by miscalibration. In order to account for such heterogeneous errors, and thus isolate the calibration bias, we assign a quality index to each matching SR–GR volume, and thus compute the GR calibration bias as a qualityweighted average of reflectivity differences in any sample of matching SR–GR volumes. We exemplify the idea of quality-weighted averaging by using beam blockage fraction (BBF) as a quality variable. Quality-weighted averaging is able to increase the consistency of SR and GR observations by decreasing the standard deviation of the SR–GR differences, and thus increasing the precision of the bias estimates. To extend this framework further, the SR–GR quality-weighted bias estimation is applied to the neighboring Tagaytay radar, but this time focusing on path-integrated attenuation (PIA) as the source of uncertainty. Tagaytay is a C-band radar operating at a lower wavelength and is therefore more affected by attenuation. Applying the same method used for the Subic radar, a time series of calibration bias is also established for the Tagaytay radar. Tagaytay radar sits at a higher altitude than the Subic radar and is surrounded by a gentler terrain, so beam blockage is negligible, especially in the overlapping region. Conversely, Subic radar is largely affected by beam blockage in the overlapping region, but being an SBand radar, attenuation is considered negligible. This coincidentally independent uncertainty contributions of each radar in the region of overlap provides an ideal environment to experiment with the different scenarios of quality filtering when comparing reflectivities from the two ground radars. The standard deviation of the GR–GR differences already decreases if we consider either BBF or PIA to compute the quality index and thus the weights. However, combining them multiplicatively resulted in the largest decrease in standard deviation, suggesting that taking both factors into account increases the consistency between the matched samples. The overlap between the two radars and the instances of the SR passing over the two radars at the same time allows for verification of the SR–GR quality-weighted bias estimation method. In this regard, the consistency between the two ground radars is analyzed before and after bias correction is applied. For cases when all three radars are coincident during a significant rainfall event, the correction of GR reflectivities with calibration bias estimates from SR overpasses dramatically improves the consistency between the two ground radars which have shown incoherent observations before correction. We also show that for cases where adequate SR coverage is unavailable, interpolating the calibration biases using a moving average can be used to correct the GR observations for any point in time to some extent. By using the interpolated biases to correct GR observations, we demonstrate that bias correction reduces the absolute value of the mean difference in most cases, and therefore improves the consistency between the two ground radars. This thesis demonstrates that in general, taking into account systematic sources of uncertainty that are heterogeneous in space (e.g. BBF) and time (e.g. PIA) allows for a more consistent estimation of calibration bias, a homogeneous quantity. The bias still exhibits an unexpected variability in time, which hints that there are still other sources of errors that remain unexplored. Nevertheless, the increase in consistency between SR and GR as well as between the two ground radars, suggests that considering BBF and PIA in a weighted-averaging approach is a step in the right direction. Despite the ample room for improvement, the approach that combines volume matching between radars (either SR–GR or GR–GR) and quality-weighted comparison is readily available for application or further scrutiny. As a step towards reproducibility and transparency in atmospheric science, the 3D matching procedure and the analysis workflows as well as sample data are made available in public repositories. Open-source software such as Python and wradlib are used for all radar data processing in this thesis. This approach towards open science provides both research institutions and weather services with a valuable tool that can be applied to radar calibration, from monitoring to a posteriori correction of archived data. N2 - Die zuverlässige Messung des Niederschlags ist Grundlage für eine Vielzahl quantitativer Anwendungen. Bei der Analyse und Vorhersage von Naturgefahren wie Sturzfluten oder Hangrutschungen ist dabei die räumliche Trennschärfe der Niederschlagsmessung besonders wichtig, da hier oft kleinräumige Starkniederschläge auslösend sind. Seit dem 2.Weltkrieg gewinnen Niederschlagsradare an Bedeutung für die flächenhafte Erfassung des Niederschlags in hoher raum-zeitlicher Aulösung. Und seit Ende des 20. Jahrhunderts investieren Wetterdienste zunehmend in die Archivierung dieser Beobachtungen. Die quantitative Auswertung solcher Archive gestaltet sich jedoch aufgrund unterschiedlicher Fehlerquellen als schwierig. Eine Fehlerquelle ist die Kalibrierung der Radarsysteme, die entlang der sog. "receiver chain" eine Beziehung zwischen der primären Beobachtungsvariable (der zurückgestreuten Strahlungsleistung) und der Zielvariable (des Radarreflektivitätsfaktors, kurz Reflektivität) herstellt. Die Reflektivität wiederum steht über mehrere Größenordnungen hinweg in Beziehung zur Niederschlagsintensität, so dass bereits kleine relative Fehler in der Kalibrierung große Fehler in der quantitativen Niederschlagsschätzung zur Folge haben können. Doch wie kann eine mangelhafte Kalibrierung nachträglich korrigiert werden? Diese Arbeit beantwortet diese Frage am Beispiel des kürzlich installierten Radarnetzwerks der Philippinen. In einer initialen Fallstudie nutzen wir das S-Band-Radar nahe Subic, welches die Metropolregion Manila abdeckt, zur Analyse eines außergewöhnlich ergiebigen Niederschlagsereignisses im Jahr 2012: Es zeigt sich, dass die radargestützte Niederschlagsschätzung um rund 60% unter den Messungen von Niederschlagsschreibern liegt. Kann die Hypothese einer mangelhaften Kalibrierung bestätigt werden, indem die Beobachtungen des Subic-Radars mit den Messungen exzellent kalibrierter, satellitengestützter Radarsysteme verglichen werden? Kann die satellitengestützte Referenz ggf. sogar für eine nachträgliche Kalibrierung genutzt werden? Funktioniert eine solche Methode auch für das benachbarte C-Band-Radar nahe Tagaytay? Können wir die Zuverlässigkeit einer nachträglichen Kalibrierung erhöhen, indem wir andere systematische Fehlerquellen in den Radarmessungen identifizieren? Zur Beantwortung dieser Fragen vergleicht diese Arbeit die Beobachtungen bodengestützter Niederschlagsradare (GR) mit satellitengestützten Niederschlagsradaren (SR) der Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) und ihrem Nachfolger, der Global Precipitation Measurement (GPM) Mission. Dazu wird eine Methode weiterentwickelt, welche den dreidimensionalen Überlappungsbereich der Samplingvolumina des jeweiligen Instruments|GR und SR|berücksichtigt. Desweiteren wird jedem dieser Überlappungsbereiche ein Wert für die Datenqualität zugewiesen, basierend auf zwei Unsicherheitsquellen: dem Anteil der Abschattung (engl. beam blockage fraction, BBF) und der pfadintegrierten Dämpfung (engl. path-integrated attenuation, PIA). Die BBF zeigt, welcher Anteil des Radarstrahls von der Geländeoberfläche blockiert wird (je höher, desto niedriger die Qualität). PIA quantifiziert den Energieverlust des Signals, wenn es intensiven Niederschlag passiert (je höher, desto niedriger die Qualität). Entsprechend wird der Bias (also der Kalibrierungsfaktor) als das qualitätsgewichtete Mittel der Differenzen zwischen den GR- und SR-Reflektivitäten (ausgedrückt auf der logarithmischen Dezibelskala) berechnet. Diese Arbeit zeigt, dass beide Radare, Subic und Tagaytay, gerade in den frühen Jahren stark von mangelhafter Kalibrierung betroffen waren. Der Vergleich mit satellitengestützten Messungen erlaubt es uns, diesen Fehler nachträglich zu schätzen und zu korrigieren. Die Zuverlässigkeit dieser Schätzung wird durch die Berücksichtigung anderer systematischer Fehler im Rahmen der Qualitätsgewichtung deutlich erhöht. Dies konnte auch dadurch bestätigt werden, dass nach Korrektur der Kalibierung die Signale im Überlappungsbereich der beiden bodengestützten Radare deutlich konsistenter wurden. Eine Interpolation des Fehlers in der Zeit war erfolgreich, so dass die Radarbeobachtungen auch für solche Tage korrigiert werden können, an denen keine satellitengestützten Beobachtungen verfügbar sind. KW - Niederschlagsradar KW - Kalibrierung KW - Fernerkundung KW - TRMM KW - GPM KW - Philippinen KW - weather radar KW - calibration KW - remote sensing KW - TRMM KW - GPM KW - The Philippines Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445704 ER - TY - THES A1 - Barbosa, Luís Romero T1 - Groundwater recharge in tropical wet regions via GIS-based and cosmic-ray neutron sensing T1 - Recarga de águas subterrâneas em regiões úmidas tropicais por métodos baseados em SIG e Detecção de Nêutrons de Raios Cósmicos T1 - Grundwasserneubildung in tropisch-feuchten Gebieten über GIS-basierte Methoden und Messung der Neutronen aus kosmischer Höhenstrahlung N2 - Studies on the unsustainable use of groundwater resources are still considered incipient since it is frequently a poorly understood and managed, devalued and inadequately protected natural resource. Groundwater Recharge (GWR) is one of the most challenging elements to estimate since it can rarely be measured directly and cannot easily be derived from existing data. To overcome these limitations, many hydro(geo)logists have combined different approaches to estimate large-scale GWR, namely: remote sensing products, such as IMERG product; Water Budget Equation, also in combination with hydrological models, and; Geographic Information System (GIS), using estimation formulas. For intermediary-scale GWR estimation, there exist: Non-invasive Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS); wireless networks from local soil probes; and soil hydrological models, such as HYDRUS. Accordingly, this PhD thesis aims, on the one hand, to demonstrate a GIS-based model coupling for estimating the GWR distribution on a large scale in tropical wet basins. On the other hand, it aims to use the time series from CRNS and invasive soil moisture probes to inversely calibrate the soil hydraulic properties, and based on this, estimating the intermediary-scale GWR using a soil hydrological model. For such purpose, two tropical wet basins located in a complex sedimentary aquifer in the coastal Northeast region of Brazil were selected. These are the João Pessoa Case Study Area and the Guaraíra Experimental Basin. Several satellite products in the first area were used as input to the GIS-based water budget equation model for estimating the water balance components and GWR in 2016 and 2017. In addition, the point-scale measurement and CRNS data were used in the second area to determine the soil hydraulic properties, and to estimate the GWR in the 2017-2018 and 2018-2019 hydrological years. The resulting values of GWR on large- and intermediary-scale were then compared and validated by the estimates obtained by groundwater table fluctuations. The GWR rates for IMERG- and rain-gauge-based scenarios showed similar coefficients between 68% and 89%, similar mean errors between 30% and 34%, and slightly-different bias between -13% and 11%. The results of GWR rates for soil probes and CRNS soil moisture scenarios ranged from -5.87 to -61.81 cm yr-1, which corresponds to 5% and 38% of the precipitation. The calculations of the mean GWR rates on large-scale, based on remote sensing data, and on intermediary-scale, based on CRNS data, held similar results for the Podzol soil type, namely 17.87% and 17% of the precipitation. It is then concluded that the proposed methodologies allowed for estimating realistically the GWR over the study areas, which can be a ground-breaking step towards improving the water management and decision-making in the Northeast of Brazil. N2 - Studien über die nicht nachhaltige Nutzung von Grundwasserressourcen gelten nach wie vor als am Anfang, da es sich oft um eine schlecht verstandene und unkontrolliert genutzte, geringgeschätzte und unzureichend geschützte natürliche Ressource handelt. Die Grundwasserneubildung (GWR) ist eines der am schwierigsten abzuschätzenden Einflussgrößen, da sie selten direkt gemessen werden kann und nicht einfach aus vorhandenen Daten abzuleiten ist. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben viele Hydro(geo)logen verschiedene Ansätze kombiniert, um die GWR in großem Maßstab zu ermitteln, darunter sind: Fernerkundungsprodukte, wie das IMERG-Produkt; Wasserbilanz-Abschätzungen, auch in Kombination mit hydrologischen Modellen und; Geographische Informationssysteme (GIS) unter Nutzung von Abschätzungsformeln. Für die Ermittlung von GWR auf mittleren Flächenskalen existieren: Nicht-invasive Messung der Albedoneutronen an der Landoberfläche (CRNS); Drahtlosnetzwerke von lokalen Bodensonden, und bodenhydrologische Modelle, wie bspw. HYDRUS. In diesem Kontext zielt die Doktorarbeit zum einen darauf ab, eine GIS-basiert Modellkopplung zur Schätzung der GWR-Verteilung im großen Maßstab in tropisch-feuchte Einzugsgebiete aufzuzeigen. Zum anderen verwendet sie CRNS- und invasive Bodenfeuchtesonden-Zeitreihen zur inversen Kalibrierung der hydraulischen Bodeneigenschaften und darauf aufbauend zur Schätzung der GWR im mittleren Maßstab über ein bodenhydrologisches Modell. Zu diesem Zweck wurden zwei tropisch-feuchte Einzugsgebiete ausgewählt, die sich in einem komplexen Sedimentgrundwasserleiter der Küstenregion des Nordosten-Brasilien befinden. Dies sind das João Pessoa-Fallstudiengebiet und das Guaraíra-Flusseinzugsgebiet. Mehrere Satellitenprodukte wurden im ersten Gebiet als Eingangsdaten für das GIS-basierte Wasserbilanz-Modell zur Schätzung der Wasserhaushaltskomponenten und der GWR in den Jahren 2016 und 2017 verwendet. Daneben wurden im zweiten Gebiet die Punktmessungen- und CRNS-Daten verwendet, um über ein bodenhydrologisches HYDRUS-1D-Modell die hydraulischen Bodeneigenschaften zu ermitteln und die GWR in den hydrologischen Jahren 2017-2018 und 2018-2019 abzuschätzen. Die resultierenden GWR-Werte im großen und mittleren Maßstab wurden dann mit den gemessenen Schwankungen der Grundwasserstände verglichen und daran überprüft. Die GWR-Raten aus IMERG- und Niederschlagsmessern-basierten Szenarien zeigten ähnliche Korrelationen zwischen 68% und 89%, mittlere Fehler zwischen 30% und 34%, und leicht unterschiedliche Abweichungen zwischen -13% und 11%. Die berechneten GWR-Raten für Bodensonden- und CRNS-Bodenfeuchtewerte lagen im Bereich von 58,7 bis 618,1 mm im Jahr, was 5% bzw. 38% der Niederschlagsmengen entspricht. Die Berechnung der mittleren GWR-Raten auf großer Landschaftsskala, basierend auf Fernerkundungsdaten, und auf mittlerer Skala, basierend auf CRNS-Daten, ergaben für den Bodentyp Podsol ähnliche Ergebnisse, nämlich 17,87% bzw. 17% der Niederschläge. Daraus wurde der Schluss gezogen, dass die vorgeschlagenen Methoden eine realistische Schätzung der GWR in den Untersuchungsgebieten ermöglichen, was ein wegweisender Schritt zur Verbesserung des Wassermanagements und Nutzungsentscheidungen im Nordosten Brasiliens sein kann. N2 - Estudos sobre o uso insustentável dos recursos hídricos subterrâneos ainda são considerados incipientes, por se tratar de um recurso natural pouco compreendido e gerenciado, desvalorizado e mal protegido. A Recarga de Água Subterrânea (GWR) é um dos elementos mais desafiadores para estimar, pois raramente pode ser medido diretamente e não pode ser facilmente derivado dos dados existentes. Para superar essas limitações, muitos hidro(geo)logistas têm combinado diferentes abordagens para estimar a GWR em larga escala, a saber: produtos de sensoriamento remoto, como o produto IMERG; Equação do Balanço Hídrico, também em combinação com modelos hidrológicos no solo, e; Sistema de Informação Geográfica (GIS), com o uso de fórmulas de estimativa. Para as estimativas de GWR em escala intermediária, existem: Detecção Não-invasiva de Nêutrons de Raios Cósmicos (CRNS); redes sem fio a partir de sondas locais inseridos no solo; e modelos hidrológicos, como o HYDRUS. Neste contexto, a tese de doutorado visa, por um lado, demonstrar um acoplamento de modelo baseado em GIS para estimar a distribuição da GWR em larga escala em bacias tropicais úmidas. Por outro lado, visa utilizar as séries temporais de CRNS e de umidade do solo de sondas invasivas para calibrar inversamente as propriedades hidráulicas do solo, e com base nisso, estimar a GWR em escala intermediária usando um modelo hidrológico do solo. Para tanto, foram selecionadas duas bacias hidrográficas úmidas tropicais, localizadas em um aquífero sedimentar complexo na região costeira do Nordeste do Brasil. Estas são a Área de Estudo de Caso de João Pessoa e a Bacia Experimental do Guaraíra. Vários produtos de satélite foram usados na primeira área como entrada no modelo de balanço hídrico baseado em GIS para estimar os componentes do balanço hídrico e a GWR em 2016 e 2017. Além disso, as medições em escala pontual e os dados de CRNS foram usados na segunda área para determinar as propriedades hidráulicas do solo, e estimar GWR nos anos hidrológicos 2017-2018 e 2018-2019. Os valores resultantes de GWR em escala larga e intermediária foram então comparadas e validadas pelas estimativas obtidas pelas flutuações do lençol freático. As taxas de GWR para os cenários baseados no IMERG e em medidores de precipitação mostraram correlações semelhantes entre 68% e 89, erros médios semelhantes entre 30% e 34%, e viés ligeiramente diferentes entre -13% e 11%. Os resultados das taxas de GWR para os cenários de umidade do solo para sensores inseridos no solo e CRNS variaram de -5,87 a -61,81 cm ano-1, o que corresponde a 5% e 38% da precipitação. Os cálculos das taxas médias de GWR em grande escala, com base em dados de sensoriamento remoto, e em média escala, com base em dados de CRNS, apresentaram resultados semelhantes para o tipo de solo Espodossolo, a saber 17,87% e 17% da precipitação. Conclui-se então que as metodologias propostas permitiram estimar realisticamente a GWR nas áreas de estudo, o que pode ser um passo inovador no tocante ao aprimoramento do gerenciamento e tomada de decisão da água no Nordeste do Brasil. KW - groundwater recharge KW - remote sensing KW - cosmic-ray neutron sensing KW - soil hydraulic properties KW - northeast of Brazil KW - Grundwasserneubildung KW - Fernerkundungsprodukte KW - Neutronen aus kosmischer Höhenstrahlung KW - hydraulische Bodeneigenschaften KW - Nordostbrasilien KW - recarga de águas subterrâneas KW - sensoriamento remoto KW - detecção de nêutrons de raios cósmicos KW - propriedades hidráulicas do solo KW - nordeste do Brasil Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-460641 ER - TY - THES A1 - Reschke, Maria T1 - Signal content of temperature proxy records BT - a correlation-based study Y1 - 2020 ER - TY - THES A1 - Gaete Rojas, Ayleen Barbara T1 - Monitoring and modeling observations of plumbing systems at caldera-like topography T1 - Überwachung und Modellierung von Beobachtungen an vulkanischen Systemen mit Caldera-ähnlicher Topographie N2 - In this dissertation, I describe the mechanisms involved in magmatic plumbing system establishment and evolution. Magmatic plumbing systems play a key role in determining volcanic activity style and recognizing its complexities can help in forecasting eruptions, especially within hazardous volcanic systems such as calderas. I explore the mechanisms of dike emplacement and intrusion geometry that shape magmatic plumbing systems beneath caldera-like topographies and how their characteristics relate to precursory activity of a volcanic eruption. For this purpose, I use scaled laboratory models to study the effect of stress field reorientation on a propagating dike induced by caldera topography. I construct these models by using solid gelatin to mimic the elastic properties of the earth's crust with a caldera on the surface. I inject water as the magma analog and track the evolution of the experiments through qualitative (geometry and stress evolution) and quantitative (displacement and strain computation) descriptions. The results show that a vertical dike deviates towards and outside of the caldera-like margin due to stress field reorientation beneath the caldera-like topography. The propagating intrusion forms a circumferential-eruptive dike when the caldera-like size is small, whereas a cone sheet develops beneath the large caldera-like topography. To corroborate the results obtained from the experimental models, this thesis also describes the results of a case study utilizing seismic monitoring data associated with the unrest period of the 2015 phreatic eruption of Lascar volcano. Lascar has a crater with a small-scale caldera-like topography and exhibited long-lasting anomalous evolution of the number of long-period (LP) events preceding the 2015 eruption. I apply seismic techniques to constrain the hypocentral locations of LP events and characterize their spatial distribution, obtaining an image of Lascar's plumbing system. I observe an agreement in shallow hypocentral locations obtained through four different seismic techniques; nevertheless, the cross-correlation technique provides the best results. These results depict a plumbing system with a narrow sub-vertical deep conduit and a shallow hydrothermal system, where most LP events are located. These two regions are connected through an intermediate region of path divergence, whose geometry and orientation likely is influenced by stress reorientation due to topographic effects of the caldera-like crater. Finally, in order to further enhance the interpretations of the previous case study, the seismic data was analyzed in tandem with a complementary multiparametric monitoring dataset. This complementary study confirms that the anomalous LP activity occurred as a sign of unrest in the preparatory phase of the phreatic eruption. In addition, I show how changes observed in other monitored parameters enabled to detect further signs of unrest in the shallow hydrothermal system. Overall, this study demonstrates that detecting complex geometric regions within plumbing systems beneath volcanoes is fundamental to produce an effective forecast of eruptions that from a first view seem to occur without any precursory activity. Furthermore, through the development of this research I show that combining methods that include both observations and models allows one to obtain a more precise interpretation of the volcanic processes. N2 - In dieser Dissertation beschreibe ich die physikalischen Mechanismen, die maßgeblich an der Entstehung und Entwicklung von magmatischen Systemen beteiligt sind. Das magmatische System eines Vulkans spielt eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung des vulkanischen Aktivitätsstils und die Erkennung seiner Komplexität kann bei der Vorhersage von Ausbrüchen helfen, insbesondere bei gefährlichen vulkanischen Systemen wie Calderas. Hier erforsche ich deshalb die Mechanismen der Platznahme von Eruptivgängen, sogenannten Dikes und die Geometrie der Intrusionen, welche die magmatischen Systeme unterhalb von Calderen formen, und beleuchte wie ihre Eigenschaften an der Vorläuferaktivität eines Vulkanausbruchs beteiligt sind. Zu diesem Zweck untersuche ich mit Hilfe von skalierten Labormodellen den Effekt, der durch die Caldera-Topographie induzierten Stressfeldneuausrichtung auf einen sich ausbreitenden Dike ausgeübt wird. Ich habe diese Modelle mit fester Gelatine durchgeführt, um die elastischen Eigenschaften der Erdkruste mit einer Caldera an der Oberfläche nachzuahmen. Ich injizierte Wasser als Magma-Analog und verfolgte die Entwicklung der Intrusion. Die Ergebnisse zeigen, dass ein vertikaler Dike aufgrund einer Umorientierung des oberflächennahen Spannungsfeldes unterhalb einer Caldera sowohl in Richtung, als auch nach außerhalb des Caldera-Randes abgelenkt wird. Die propagierende Intrusion bildet somit bei kleinen Calderen einen umlaufend eruptiven Dike, während sich unter großen Calderen bevorzugt sogenannte cone sheets bilden. Um die Ergebnisse aus den vorangegangenen experimentellen Modellen zu bestätigen, werden im Anschluß die Ergebnisse einer Fallstudie beschrieben, in welcher seismologische Monitoringdaten für den Zeitraum des Ausbruchs des Vulkans Lascar im Jahr 2015 herangezogen wurden. Lascar hat einen Krater mit einer kleinräumigen caldera-ähnlichen Topographie und zeigte vor dem phreatischen Ausbruch im Jahr 2015 eine lang anhaltende Periode anomaler Entwicklung bezüglich der Anzahl der täglich registrierten langperiodischen (LP) Erdbeben. Ich habe verschiedene seismische Techniken angewendet, um die Herdregionen (Hypozentren) dieser LP Erdbeben zu lokalisierenund ihre räumliche Verteilung zu charakterisieren, und somit ein Bild von Lascars magmatischen System zu erhalten. Ich beobachte eine Übereinstimmung in den flachen hypozentralen Positionen, die durch vier verschiedene seismische Techniken ermittelt wurden, allerdings lieferte die Kreuzkorrelationstechnik die besten Ergebnisse. Diese Ergebnisse zeigen ein magmatisches System mit einem schmalen tiefen subvertikalen Kanal und einem flachen hydrothermalen System, in dem sich die meisten LP-Ereignisse befinden. Diese beiden Bereiche sind durch einen Zwischenbereich der Pfaddivergenz miteinander verbunden, dessen Geometrie und Ausrichtung wahrscheinlich auf eine oberflächennahe Spannungsumorientierung aufgrund der topographischen Wirkung des caldera-ähnlichen Kraters zurückzuführen ist. Um die Interpretation der vorigen Fallstudie weiter zu vertiefen, habe ich die seismischen Daten in einer weiteren Studie zusammen mit einem ergänzenden multiparametrischen Überwachungsdatensatz analysiert, und wurde darin betstätigt, dass die anomale LP-Aktivität wahrscheinlich als Anzeichen für Unruhe in der Vorbereitungsphase der phreatischen Eruption gedeutet werden kann. Hier zeige ich u.a. auch, wie die Änderungen in den verschiedenen anderen überwachten Parametern weitere Anzeichen von Unruhe im flachen hydrothermalen System erkennen ließen. Insgesamt hat diese Studie gezeigt, wie grundlegend das Erkennen komplexer Geometrien des magmatischen Systems unter Vulkanen ist, um eine effektive Vorhersage von Eruptionen zu erstellen, die auf den ersten Blick ohne Vorläuferaktivität zu erfolgen scheinen. Darüber hinaus zeige ich durch die Entwicklung dieser Forschung, dass die Kombination von Methoden, die sowohl Beobachtungen als auch Modelle umfassen, eine genauere Interpretation der vulkanischen Prozesse ermöglicht. KW - caldera-like topography KW - unloading stress KW - cone sheet KW - gelatin analogue modeling KW - circumferential dike KW - volcanic plumbing system KW - volcano monitoring KW - phreatic eruption KW - volcano seismology KW - Lascar Volcano KW - Caldera-ähnliche Topographie KW - Entlastungsspannung KW - Cone sheet KW - Gelatine-Analogmodellierung KW - umlaufender Deich KW - vulkanisches System KW - Vulkan-Überwachung KW - phreatische Eruption KW - vulkanische Seismologie KW - Vulkan Lascar Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-446135 ER - TY - THES A1 - Michalczyk, Anna T1 - Modelling of nitrogen cycles in intensive winter wheat–summer maize double cropping systems in the North China Plain T1 - Modellierung von Stickstoffkreisläufen in intensiven Winterweizen–Sommermais-Doppelfruchtfolgen in der Nordchinesischen Tiefebene BT - site specific optimisation of nitrogen fertilisation with regard to nitrogen losses, water protection, productivity and regionalisation N2 - The North China Plain (NCP) is one of the most productive and intensive agricultural regions in China. High doses of mineral nitrogen (N) fertiliser, often combined with flood irrigation, are applied, resulting in N surplus, groundwater depletion and environmental pollution. The objectives of this thesis were to use the HERMES model to simulate the N cycle in winter wheat (Triticum aestivum L.)–summer maize (Zea mays L.) double crop rotations and show the performance of the HERMES model, of the new ammonia volatilisation sub-module and of the new nitrification inhibition tool in the NCP. Further objectives were to assess the models potential to save N and water on plot and county scale, as well as on short and long-term. Additionally, improved management strategies with the help of a model-based nitrogen fertiliser recommendation (NFR) and adapted irrigation, should be found. Results showed that the HERMES model performed well under growing conditions of the NCP and was able to describe the relevant processes related to soil–plant interactions concerning N and water during a 2.5 year field experiment. No differences in grain yield between the real-time model-based NFR and the other treatments of the experiments on plot scale in Quzhou County could be found. Simulations with increasing amounts of irrigation resulted in significantly higher N leaching, higher N requirements of the NFR and reduced yields. Thus, conventional flood irrigation as currently practised by the farmers bears great uncertainties and exact irrigation amounts should be known for future simulation studies. In the best-practice scenario simulation on plot-scale, N input and N leaching, but also irrigation water could be reduced strongly within 2 years. Thus, the model-based NFR in combination with adapted irrigation had the highest potential to reduce nitrate leaching, compared to farmers practice and mineral N (Nmin)-reduced treatments. Also the calibrated and validated ammonia volatilisation sub-module of the HERMES model worked well under the climatic and soil conditions of northern China. Simple ammonia volatilisation approaches gave also satisfying results compared to process-oriented approaches. During the simulation with Ammonium sulphate Nitrate with nitrification inhibitor (ASNDMPP) ammonia volatilisation was higher than in the simulation without nitrification inhibitor, while the result for nitrate leaching was the opposite. Although nitrification worked well in the model, nitrification-born nitrous oxide emissions should be considered in future. Results of the simulated annual long-term (31 years) N losses in whole Quzhou County in Hebei Province were 296.8 kg N ha−1 under common farmers practice treatment and 101.7 kg N ha−1 under optimised treatment including NFR and automated irrigation (OPTai). Spatial differences in simulated N losses throughout Quzhou County, could only be found due to different N inputs. Simulations of an optimised treatment, could save on average more than 260 kg N ha−1a−1 from fertiliser input and 190 kg N ha−1a−1 from N losses and around 115.7 mm a−1 of water, compared to farmers practice. These long-term simulation results showed lower N and water saving potential, compared to short-term simulations and underline the necessity of long-term simulations to overcome the effect of high initial N stocks in soil. Additionally, the OPTai worked best on clay loam soil except for a high simulated denitrification loss, while the simulations using farmers practice irrigation could not match the actual water needs resulting in yield decline, especially for winter wheat. Thus, a precise adaption of management to actual weather conditions and plant growth needs is necessary for future simulations. However, the optimised treatments did not seem to be able to maintain the soil organic matter pools, even with full crop residue input. Extra organic inputs seem to be required to maintain soil quality in the optimised treatments. HERMES is a relatively simple model, with regard to data input requirements, to simulate the N cycle. It can offer interpretation of management options on plot, on county and regional scale for extension and research staff. Also in combination with other N and water saving methods the model promises to be a useful tool. N2 - Die Nordchinesische Tiefebene (NCP) ist eine der produktivsten und intensivsten Agrarregionen Chinas. Große Düngermengen an mineralischem Stickstoff (N) und der oft in Kombination genutzten Überflutungsbewässerung führen zu Stickstoffüberflüssen, Grundwasserabsenkung und Umweltverschmutzung. Ziel dieser Arbeit war die Simulation des N-Kreislaufes in Winterweizen (Triticum aestivum L.)–Sommermais (Zea mays L.) -Doppelfruchtfolgen mit dem HERMES Modell. Weitere Ziele waren ein Test der Modellgüte, sowie das Potential des Modells aufzuzeigen, N und Wasser mit Hilfe einer modellbasierten N-Düngeempfehlung (NFR) und angepassten Bewässerungsstrategien einzusparen. Dies erfolgte auf Schlag- und Countyebene wie auch in Kurzzeit- und in Langzeitsimulationen, um verbesserte Managementstrategien für Quzhou-County in der Hebei-Provinz zu finden. Die Ergebnisse zeigten, dass das HERMES Modell gut unter den Wachstumsbedingungen der NCP funktioniert und alle relevanten Boden-Pflanze-Interaktionen während der Versuchszeit von 2,5 Jahren in Bezug auf N und Wasser beschreiben konnte. Es konnten keine Ertragsunterschiede zwischen Echtzeit modellbasierter NFR und anderen Behandlungen auf Schlagebene in Quzhou-County festgestellt werden. Simulationen mit steigenden Bewässerungsgaben ergaben signifikant höheren N-Austrag, höheren N-Bedarf der NFR und reduzierte Erträge. Daher birgt die konventionelle Überflutungsbewässerung, wie sie derzeit von den Landwirten praktiziert wird, große Unsicherheiten und genaue Bewässerungsmengen sollten für zukünftige Simulationsstudien bekannt sein. In der optimierten („best-practice“) Szenariosimulation auf Schlagebene konnte insbesondere die N-Düngung und der N-Austrag, aber auch die Bewässerung innerhalb 2 Jahre stark gesenkt werden. Daher hat die modellbasierte NFR in Kombination mit angepasster Bewässerung, im Gegensatz zu konventioneller und mineralischen N (Nmin)-reduzierter Behandlung, das höchste Potential Nitratauswaschung zu reduzieren. Auch das kalibrierte und validierte Ammoniak-Verflüchtigungs-modul des HERMES Modells funktionierte gut unter den Klima- und Bodenverhältnissen in Nordchina. Die zwei einfacheren Ammoniak-Verflüchtigungsansätze erreichten auch gute Ergebnisse, während die zwei prozessorientierten Ansätze Umwelteinflüsse besser darstellen konnten. In der Simulation mit der Ammonsulfatsalpeter-Düngung mit Nitrifikationsinhibitor (ASNDMPP) war die Ammoniakverflüchtigung höher als in der Simulation ohne Nitrifikationshemmer, während das Ergebnis für Nitratauswaschung umgekehrt war. Obwohl der Nitrifikationsansatz gut funktionierte, sollten von der Nitrifikation stammende Lachgasemissionen in Zukunft im Modell berücksichtigt werden. Im Jahresdurchschnitt lagen die simulierten Langzeit (31 Jahre) N-Verluste für eine Weizen-Mais-Doppelfruchtfolge im ganzen Quzhou-County bei 296,8 kg N ha−1 unter konventioneller Düngung und bei 101,7 kg N ha−1 unter optimierter Düngung inklusive NFR and automatischer Bewässerung (OPTai). Räumliche Unterschiede von simulierten N-Verlusten in Quzhou-County konnten nur aufgrund von unterschiedlichen N-Düngemengen gefunden werden. Simulationen einer optimierten Behandlung konnten im Durchschnitt mehr als 260 kg N ha−1a−1 an N-Düngung und 190 kg N ha−1a−1 an N-Verlusten und 115,7 mm a−1 an Wasser, im Vergleich zur konventionellen Behandlung, einsparen. Im Vergleich zu den Kurzzeitsimulationen ist es ein niedrigeres N- und Wasserreduktionspotential und unterstreicht die Notwendigkeit von Langzeitsimulationen um den Effekt von hohen Anfangs Nmin-Gehalten im Boden zu berücksichtigen. Zudem kommt, dass auf tonigem Lehm Simulationen mit konventioneller Bewässerung nicht den aktuellen Wasserbedarf decken konnten, welches zu Ertragseinbußen insbesondere für Winterweizen führte. Die OPTai Behandlung funktionierte bis auf hohe simulierte Denitrifikationsverluste auf diesem Standort am besten. Daher ist dort für zukünftige Simulationen ein an aktuelle Wetterverhältnisse und Pflanzenwachstumsbedürfnisse angepasstes Management von N und Wasser nötig. Trotzdem schienen die optimierten Behandlungen, trotz voller Strohrückgabe, die organische Bodensubstanz nicht zu erhalten. Zur Sicherung der Bodenfruchtbarkeit in den optimierten Behandlungen scheinen zusätzliche organische Düngergaben wahrscheinlich notwendig zu sein. HERMES ist ein relativ einfaches Modell, im Hinblick auf die Anforderungen an die Eingangsdaten, um den Stickstoffkreislauf zu simulieren. Es ermöglicht, Managementoptionen für Berater und Wissenschaftler auf Schlag-, County- und Regionalebene anzuwenden. Auch in Kombination mit anderen N- und Wasser-Einsparmethoden verspricht das Modell ein nützliches Instrument zu sein. KW - nitrogen KW - Stickstoff KW - simulation KW - Simulation KW - China KW - China Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-444213 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Martin T1 - Fragmentation of landscapes: modelling ecosystem services of transition zones T1 - Fragmentierung von Landschaften: Modellierung von Ökosystemleistungen in Übergangszonen N2 - For millennia, humans have affected landscapes all over the world. Due to horizontal expansion, agriculture plays a major role in the process of fragmentation. This process is caused by a substitution of natural habitats by agricultural land leading to agricultural landscapes. These landscapes are characterized by an alternation of agriculture and other land use like forests. In addition, there are landscape elements of natural origin like small water bodies. Areas of different land use are beside each other like patches, or fragments. They are physically distinguishable which makes them look like a patchwork from an aerial perspective. These fragments are each an own ecosystem with conditions and properties that differ from their adjacent fragments. As open systems, they are in exchange of information, matter and energy across their boundaries. These boundary areas are called transition zones. Here, the habitat properties and environmental conditions are altered compared to the interior of the fragments. This changes the abundance and the composition of species in the transition zones, which in turn has a feedback effect on the environmental conditions. The literature mainly offers information and insights on species abundance and composition in forested transition zones. Abiotic effects, the gradual changes in energy and matter, received less attention. In addition, little is known about non-forested transition zones. For example, the effects on agricultural yield in transition zones of an altered microclimate, matter dynamics or different light regimes are hardly researched or understood. The processes in transition zones are closely connected with altered provisioning and regulating ecosystem services. To disentangle the mechanisms and to upscale the effects, models can be used. My thesis provides insights into these topics: literature was reviewed and a conceptual framework for the quantitative description of gradients of matter and energy in transition zones was introduced. The results of measurements of environmental gradients like microclimate, aboveground biomass and soil carbon and nitrogen content are presented that span from within the forest into arable land. Both the measurements and the literature review could not validate a transition zone of 100 m for abiotic effects. Although this value is often reported and used in the literature, it is likely to be smaller. Further, the measurements suggest that on the one hand trees in transition zones are smaller compared to those in the interior of the fragments, while on the other hand less biomass was measured in the arable lands’ transition zone. These results support the hypothesis that less carbon is stored in the aboveground biomass in transition zones. The soil at the edge (zero line) between adjacent forest and arable land contains more nitrogen and carbon content compared to the interior of the fragments. One-year measurements in the transition zone also provided evidence that microclimate is different compared to the fragments’ interior. To predict the possible yield decreases that transition zones might cause, a modelling approach was developed. Using a small virtual landscape, I modelled the effect of a forest fragment shading the adjacent arable land and the effects of this on yield using the MONICA crop growth model. In the transition zone yield was less compared to the interior due to shading. The results of the simulations were upscaled to the landscape level and exemplarily calculated for the arable land of a whole region in Brandenburg, Germany. The major findings of my thesis are: (1) Transition zones are likely to be much smaller than assumed in the scientific literature; (2) transition zones aren’t solely a phenomenon of forested ecosystems, but significantly extend into arable land as well; (3) empirical and modelling results show that transition zones encompass biotic and abiotic changes that are likely to be important to a variety of agricultural landscape ecosystem services. N2 - Seit Jahrtausenden werden Landschaften weltweit maßgeblich durch den Menschen gestaltet. Insbesondere die Landwirtschaft hat durch Fragmentierung, der teilweisen Umwandlung natürlicher Lebensräume in landwirtschaftlich genutzte Flächen, großen Einfluss, so dass Agrarlandschaften entstanden. Diese zeichnen sich durch einen Wechsel von agrarischer und anderer Nutzung, wie beispielsweise Forst, aus. Hinzu kommen Flächen, die auf eine natürliche Entstehung zurückzuführen sind, wie etwa Kleingewässer. Kleinere und größere Flächen der unterschiedlichen Nutzung liegen als Flicken bzw. Fragmente nebeneinander. Durch die physische Differenzierbarkeit der Flächennutzung aus der Vogelperspektive werden Agrarlandschaften oft auch als Flickwerk (“Patchwork”) bezeichnet. Diese Fragmente sind Ökosysteme, die sich in ihren Eigenschaften voneinander unterscheiden. Die Fragmente als Ökosysteme sind offene und komplexe Systeme und stehen im Austausch mit angrenzenden Fragmenten. Die Bereiche, in denen der Austausch von Stoffen, Energie und Informationen stattfindet, sind deren Übergangszonen. Durch den Austausch verändern sich die vorherrschenden Eigenschaften der jeweils angrenzenden Fragmente in den Übergangszonen. Stoffflüsse beeinflussen dabei die in den Übergangszonen lebenden Organismen und können die Artenzusammensetzung und Population verändern. Gleichwohl hat dies Rückkopplungseffekte auf die Flüsse von Stoffen, Informationen und Energie selbst. In der Forschung ist bereits viel über die Auswirkungen auf Organismen in den Übergangszonen bekannt, insbesondere für bewaldete Gebiete. Weniger beforscht sind abiotische Effekte, insbesondere die graduellen Veränderungen von Stoffen und Energie in der Übergangszone. Diese sind jedoch eng verwoben in die Prozesse, die zu regulierenden und bereitstellenden Ökosystemleistungen wie beispielsweise landwirtschaftlichen Erträgen oder Kohlenstoffspeicherung beitragen. Darüber hinaus gibt es wenig Forschung zu den Übergangszonen von nicht-bewaldeten Übergangszonen, wie etwa Äckern. In der vorliegenden Arbeit präsentiere ich die Ergebnisse einer Literaturrecherche und einen Ansatz zur quantitativen Beschreibung von Stoff- und Energieflüssen in Übergangszonen. Darüber hinaus analysiere ich Messungen eben jener abiotischen Effekte in Übergangszonen. Sowohl die Messungen als auch die Auswertung der Literatur ergab, dass viele Autoren die Übergangszone in Bezug auf Umweltgradienten und deren Einfluss auf Ökosystemleistungen mit 100 m überschätzen. Sie ist oft kleiner. Die Messungen ergaben außerdem, dass Bäume in der Übergangszone kleiner sind und dadurch vermutlich weniger Kohlenstoff speichern als vergleichbare Bäume im Inneren dieser Fragmente. An Wald angrenzende Ackerkulturen zeigen ebenfalls einen geringeren Aufwuchs an Biomasse. Im Boden genau an der Grenze zwischen Wald- und Ackerfragmenten waren sowohl Stickstoff als auch Kohlenstoff erhöht. Einjährige Messungen in Brandenburg ergaben, dass das Mikroklima in der Übergangszone im Vergleich zum Inneren der Fragmente ebenfalls verändert war. Um genauer zu verstehen, was die Ertragsminderung in der ackerbaulichen Übergangszone induziert, wurde ein Modellierungsansatz entwickelt. Die Beschattung durch einen virtuellen Wald wurde im agrarischen Simulationsmodell MONICA als Variable benutzt, um eine potentielle Ertragsminderung zu simulieren. Ein Minderertrag in der Übergangszone konnte auf diese Weise nachgewiesen und mit einer verminderten Solarstrahlung in Verbindung gebracht werden. Die simulierten Ergebnisse wurden anschließend für die Beispielregion Brandenburg für die gesamte landwirtschaftlich genutzte Fläche skaliert. Insbesondere in drei Punkten trägt diese Arbeit zum wissenschaftlichen Fortschritt bei: 1) Übergangszonen sind sehr wahrscheinlich kleiner als bislang in der wissenschaftlichen Literatur angenommen; 2) Übergangszonen sollten ganzheitlich, über die Grenze zwischen Wald und Feld hinweg betrachtet werden; 3) Messungen und Modellierung zeigen einen Zusammenhang zwischen Mikroklima, Stoffdynamik und Ökosystemleistungen in Übergangszonen von Agrarlandschaften. KW - edge effects KW - agricultural modelling KW - ecosystem services KW - transition zone KW - fragmentation KW - Randeffekte KW - Pflanzenwachstumsmodellierung KW - Ökosystemleistungen KW - Übergangszone KW - Fragmentierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-442942 ER - TY - THES A1 - Weißhuhn, Peter T1 - Assessing biotope vulnerability to landscape changes T1 - Bewertung der Vulnerabilität von Biotopen gegenüber Landschaftsveränderungen N2 - Largescale patterns of global land use change are very frequently accompanied by natural habitat loss. To assess the consequences of habitat loss for the remaining natural and semi-natural biotopes, inclusion of cumulative effects at the landscape level is required. The interdisciplinary concept of vulnerability constitutes an appropriate assessment framework at the landscape level, though with few examples of its application for ecological assessments. A comprehensive biotope vulnerability analysis allows identification of areas most affected by landscape change and at the same time with the lowest chances of regeneration. To this end, a series of ecological indicators were reviewed and developed. They measured spatial attributes of individual biotopes as well as some ecological and conservation characteristics of the respective resident species community. The final vulnerability index combined seven largely independent indicators, which covered exposure, sensitivity and adaptive capacity of biotopes to landscape changes. Results for biotope vulnerability were provided at the regional level. This seems to be an appropriate extent with relevance for spatial planning and designing the distribution of nature reserves. Using the vulnerability scores calculated for the German federal state of Brandenburg, hot spots and clusters within and across the distinguished types of biotopes were analysed. Biotope types with high dependence on water availability, as well as biotopes of the open landscape containing woody plants (e.g., orchard meadows) are particularly vulnerable to landscape changes. In contrast, the majority of forest biotopes appear to be less vulnerable. Despite the appeal of such generalised statements for some biotope types, the distribution of values suggests that conservation measures for the majority of biotopes should be designed specifically for individual sites. Taken together, size, shape and spatial context of individual biotopes often had a dominant influence on the vulnerability score. The implementation of biotope vulnerability analysis at the regional level indicated that large biotope datasets can be evaluated with high level of detail using geoinformatics. Drawing on previous work in landscape spatial analysis, the reproducible approach relies on transparent calculations of quantitative and qualitative indicators. At the same time, it provides a synoptic overview and information on the individual biotopes. It is expected to be most useful for nature conservation in combination with an understanding of population, species, and community attributes known for specific sites. The biotope vulnerability analysis facilitates a foresighted assessment of different land uses, aiding in identifying options to slow habitat loss to sustainable levels. It can also be incorporated into planning of restoration measures, guiding efforts to remedy ecological damage. Restoration of any specific site could yield synergies with the conservation objectives of other sites, through enhancing the habitat network or buffering against future landscape change. Biotope vulnerability analysis could be developed in line with other important ecological concepts, such as resilience and adaptability, further extending the broad thematic scope of the vulnerability concept. Vulnerability can increasingly serve as a common framework for the interdisciplinary research necessary to solve major societal challenges. N2 - Weltweit wurden in den vergangenen Jahrzehnten massive Veränderungen in der Landnutzung vorgenommen. Diese gingen meistens mit dem Verlust natürlicher Habitate einher. Um die Folgen auf die verbliebenen naturnahen Biotope zu bewerten, sind Analyseinstrumente notwendig, die neben einzelnen Flächen auch kumulative Effekte auf der Landschaftsebene einbeziehen. Das interdisziplinäre Konzept der Vulnerabilität kann einem solchen Analyseinstrument den Rahmen bieten. Bisher wurde es kaum für die Bewertung ökologischer Systeme herangezogen. Dabei kann eine flächendeckende Biotop-Vulnerabilitätsanalyse jene Gebiete identifizieren, die vom Landschaftswandel am stärksten betroffen sind und die gleichzeitig die geringsten Erholungsaussichten aufweisen. Dazu wurde eine Reihe ökologischer Indikatoren gesichtet und entwickelt, um die drei Vulnerabilitätsgrößen Exposition, Sensitivität und Anpassungskapazität abzudecken. Dabei wurden die Lagebeziehungen einzelner Biotope sowie die Eigenschaften der jeweils ansässigen Artengemeinschaft ausgewertet. Der errechnete Index kombiniert sieben voneinander weitestgehend unabhängige Indikatoren und stellt eine Übersicht der Biotop-Vulnerabilität dar. Liegt eine flächendeckende Vulnerabilitätsbewertung vor, können räumliche Häufungen von hohen Werten sowie die Verteilung der besonders hohen und besonders niedrigen Werte über die Biotoptypen hinweg analysiert werden. Dies erscheint besonders sinnvoll für Flächengrößen mit Relevanz für die Raumplanung und die Verteilung der Naturschutzflächen. Es stellte sich heraus, dass in der Planungsregion Brandenburg vor allem die Biotope mit hoher Abhängigkeit von der Wasserverfügbarkeit, sowie die Gehölze enthaltenden Offenlandbiotope (z.B. Streuobstwiesen) besonders vulnerabel gegenüber Landschaftsveränderungen sind. Im Gegensatz dazu erscheint die Mehrheit der Waldbiotope weniger verwundbar zu sein. Trotz der Möglichkeit zur Ableitung solcher verallgemeinerten Aussagen für einige Biotoptypen legt die Werteverteilung nahe, Naturschutzmaßnahmen mehrheitlich spezifisch für einzelne Flächen zu entwerfen. Größe, Form und räumlicher Kontext einzelner Biotopflächen üben zusammengenommen häufig einen dominanten Einfluss auf die Vulnerabilität gegenüber Landschaftsveränderungen aus. Die Demonstration der Biotop-Vulnerabilitätsanalyse auf regionaler Ebene zeigt, dass mit Methoden der Geoinformatik auch große Biotop-Datensätze detailliert ausgewertet werden können. Die damit erzielte naturschutzfachliche Analyse basiert auf transparent berechneten qualitativen und quantitativen Indikatoren und ist damit vollständig nachvollziehbar. Sie bietet gleichzeitig einen großräumigen Überblick sowie Informationen zu den einzelnen Biotopflächen. Mit der Vulnerabilitätsanalyse von Biotopen wird die vorausschauende Abwägung zwischen verschiedenen Landnutzungen erleichtert. Dies kann dazu beitragen, dass der Habitatverlust in Zukunft auf ein nachhaltigeres Maß gebremst wird. Auch kann eine solche Biotopbewertung in die Planung von Renaturierungsmaßnahmen einfließen, um ökologische Schäden zunächst dort zu beheben, wo große Synergieeffekte im Biotopverbund und mit anderen Naturschutzzielen zu erwarten sind. Die Biotop-Vulnerabilitätsanalyse konnte im Einklang mit wichtigen ökologischen Konzepten wie Resilienz und Anpassungsfähigkeit entwickelt werden. Sie erweitert damit den ohnehin breiten thematischen Anwendungsbereich des Vulnerabilitätskonzepts. Somit kann Vulnerabilität zunehmend als Brückenkonzept dienen und der zur Lösung der großen gesellschaftlichen Herausforderungen notwendigen interdisziplinären Forschung einen gemeinsamen Rahmen geben. KW - vulnerability KW - biotope KW - habitat KW - index KW - landscape KW - spatial ecology KW - landscape ecology KW - Vulnerabilität KW - Biotop KW - Habitat KW - Index KW - Landschaft KW - raumbezogene Ökologie KW - Landschaftsökologie Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-442777 ER - TY - THES A1 - Marquart, Arnim T1 - Feedbacks between macropores and soil water infiltration in semi-arid savanna systems Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Wendi, Dadiyorto T1 - Recurrence Plots and Quantification Analysis of Flood Runoff Dynamics T1 - Rekurrenzplot und quantitativen Analyse von Hochwasserabflüssen Dynamik N2 - This paper introduces a novel measure to assess similarity between event hydrographs. It is based on Cross Recurrence Plots and Recurrence Quantification Analysis which have recently gained attention in a range of disciplines when dealing with complex systems. The method attempts to quantify the event runoff dynamics and is based on the time delay embedded phase space representation of discharge hydrographs. A phase space trajectory is reconstructed from the event hydrograph, and pairs of hydrographs are compared to each other based on the distance of their phase space trajectories. Time delay embedding allows considering the multi-dimensional relationships between different points in time within the event. Hence, the temporal succession of discharge values is taken into account, such as the impact of the initial conditions on the runoff event. We provide an introduction to Cross Recurrence Plots and discuss their parameterization. An application example based on flood time series demonstrates how the method can be used to measure the similarity or dissimilarity of events, and how it can be used to detect events with rare runoff dynamics. It is argued that this methods provides a more comprehensive approach to quantify hydrograph similarity compared to conventional hydrological signatures. N2 - Ziel dieser Arbeit ist es, eine Methode und einen umfassenden Index, die die Quantifizierung von Veränderungen in Hochwasserabflüssen über die Zeit ermöglichen, zu entwickeln. Als Proxydaten zur Detektion von Veränderungen dienen Abflusszeitreihen, da diese räumlich-zeitliche Änderungen von Prozessen im Einzugsgebiet integrieren. Einhergehend mit Veränderungen in den Rahmenbedingungen hydrologischer Systeme, beispielsweise Klimaänderungen, Veränderungen im Flussnetzwerk oder der Bodenbedeckung, sind Veränderungen in der Abflussdynamik zu erwarten. Urbanisierung, Klimawandel und veränderte wasserwirtschaftliche Nutzung können erheblichen Einfluss auf Hochwassercharakteristika haben, sodass die auf die abflussverursachenden Prozesse bezogene Hochwassertypologie obsolet wird. Außerdem kann es zur Überlagerung verschiedener Prozesse und der Bildung präzedenzloser Hochwasserdynamiken kommen. Üblicherweise wird seltenen Hochwasserereignissen eine über einen langen Zeitraum bestimmte Wiederkehrwahrscheinlichkeit zugewiesen. Allerdings wird die assoziierte Wiederkehrdauer häufig nur auf der Grundlage des Höchstwasserstandes ermittelt und ist nicht umfassend genug, um die unterschiedlichen Prozesstypen zu erfassen. Um umfassendere Abflussmerkmale in die Hochwassercharakterisierung aufzunehmen, wird die Charakterisierung der Abflussdynamik mittels der kontinuierlichen Gestalt des Hydrographen und als Kurve im Phasenraum empfohlen. Durch die Berücksichtigung des Taken‘schen Satzes zur Einbettung der Zeitverzögerung können ereignisbasierte Hydrographen weiter unterschieden werden. Dieser Ansatz nutzt die zeitliche Abfolge gemessener Abflusswerte, sodass der Einfluss der anfänglichen Werte auf das Hochwasserereignis als charakteristischer Vektor im multidimensionalen Phasenraum interpretiert werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden, erstmals im Bereich der Hydrologie, ‚Recurrence Plot‘ (RP) und ‚Recurrence Quantification Analysis‘ RQA eingesetzt, um die Seltenheit bzw. Ähnlichkeit von Abflussdynamiken zu visualisieren und identifizieren. Ebenso werden Anwendungsbeispiele im Bereich der Hydrologie, die das Konzept der Charakterisierung von Abflussdynamiken und den Nutzen des eingeführten Ähnlichkeitsindex verdeutlichen, vorgestellt. Außerdem wurde die Methodik weiterentwickelt und zeichnet sich nun durch erhöhte Robustheit gegenüber Störeinflüssen und eine bessere Anpassung an Abflussmessungen aus. Ein abschließendes Anwendungsbeispiel untersucht den in Dresden gemessenen Abfluss des ostdeutschen Elbe-Einzugsgebietes im Zeitraum von 1901 bis 2010. In dieser Studie werden Beispiele seltener und saisonunabhängiger Hochwasserereignisse, die durch ihre ungewöhnliche Abflussdynamik herausstechen, gezeigt und mit zugrundeliegenden abflussbildenden Prozessen in Verbindung gebracht. KW - Hydrograph Analysis KW - Time Embedded Phase Space KW - Rare and Unseasonal Flood KW - Non-stationary Flood Risk KW - Chaos Theory KW - Recurrence Plots KW - Flood Risk Big Data Mining KW - Flood Change KW - Non-linear Geoscience KW - Chaostheorie KW - Änderungen des Hochwassers KW - Big data mining zu Hochwasserrisiken KW - Analyse von Abflussganglinien KW - nichtlineare Geowissenschaften KW - nichtstationäres Hochwasserrisiko KW - seltenes und saisonunübliches Hochwasser KW - Rekurrenzplot KW - Phasenraum des Time Delay Embedding Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-431915 ER - TY - THES A1 - Veh, Georg T1 - Outburst floods from moraine-dammed lakes in the Himalayas T1 - Ausbruchsfluten von moränen-gestauten Seen im Himalaya BT - detection, frequency, and hazard BT - Erkennung, Häufigkeit, und Gefährdung N2 - The Himalayas are a region that is most dependent, but also frequently prone to hazards from changing meltwater resources. This mountain belt hosts the highest mountain peaks on earth, has the largest reserve of ice outside the polar regions, and is home to a rapidly growing population in recent decades. One source of hazard has attracted scientific research in particular in the past two decades: glacial lake outburst floods (GLOFs) occurred rarely, but mostly with fatal and catastrophic consequences for downstream communities and infrastructure. Such GLOFs can suddenly release several million cubic meters of water from naturally impounded meltwater lakes. Glacial lakes have grown in number and size by ongoing glacial mass losses in the Himalayas. Theory holds that enhanced meltwater production may increase GLOF frequency, but has never been tested so far. The key challenge to test this notion are the high altitudes of >4000 m, at which lakes occur, making field work impractical. Moreover, flood waves can attenuate rapidly in mountain channels downstream, so that many GLOFs have likely gone unnoticed in past decades. Our knowledge on GLOFs is hence likely biased towards larger, destructive cases, which challenges a detailed quantification of their frequency and their response to atmospheric warming. Robustly quantifying the magnitude and frequency of GLOFs is essential for risk assessment and management along mountain rivers, not least to implement their return periods in building design codes. Motivated by this limited knowledge of GLOF frequency and hazard, I developed an algorithm that efficiently detects GLOFs from satellite images. In essence, this algorithm classifies land cover in 30 years (~1988–2017) of continuously recorded Landsat images over the Himalayas, and calculates likelihoods for rapidly shrinking water bodies in the stack of land cover images. I visually assessed such detected tell-tale sites for sediment fans in the river channel downstream, a second key diagnostic of GLOFs. Rigorous tests and validation with known cases from roughly 10% of the Himalayas suggested that this algorithm is robust against frequent image noise, and hence capable to identify previously unknown GLOFs. Extending the search radius to the entire Himalayan mountain range revealed some 22 newly detected GLOFs. I thus more than doubled the existing GLOF count from 16 previously known cases since 1988, and found a dominant cluster of GLOFs in the Central and Eastern Himalayas (Bhutan and Eastern Nepal), compared to the rarer affected ranges in the North. Yet, the total of 38 GLOFs showed no change in the annual frequency, so that the activity of GLOFs per unit glacial lake area has decreased in the past 30 years. I discussed possible drivers for this finding, but left a further attribution to distinct GLOF-triggering mechanisms open to future research. This updated GLOF frequency was the key input for assessing GLOF hazard for the entire Himalayan mountain belt and several subregions. I used standard definitions in flood hydrology, describing hazard as the annual exceedance probability of a given flood peak discharge [m3 s-1] or larger at the breach location. I coupled the empirical frequency of GLOFs per region to simulations of physically plausible peak discharges from all existing ~5,000 lakes in the Himalayas. Using an extreme-value model, I could hence calculate flood return periods. I found that the contemporary 100-year GLOF discharge (the flood level that is reached or exceeded on average once in 100 years) is 20,600+2,200/–2,300 m3 s-1 for the entire Himalayas. Given the spatial and temporal distribution of historic GLOFs, contemporary GLOF hazard is highest in the Eastern Himalayas, and lower for regions with rarer GLOF abundance. I also calculated GLOF hazard for some 9,500 overdeepenings, which could expose and fill with water, if all Himalayan glaciers have melted eventually. Assuming that the current GLOF rate remains unchanged, the 100-year GLOF discharge could double (41,700+5,500/–4,700 m3 s-1), while the regional GLOF hazard may increase largest in the Karakoram. To conclude, these three stages–from GLOF detection, to analysing their frequency and estimating regional GLOF hazard–provide a framework for modern GLOF hazard assessment. Given the rapidly growing population, infrastructure, and hydropower projects in the Himalayas, this thesis assists in quantifying the purely climate-driven contribution to hazard and risk from GLOFs. N2 - In kaum einer anderen Region treten Abhängigkeit, Nutzen und Gefährdung von Gletscher- und Schneeschmelze so deutlich zu Tage wie im Himalaya. Naturgefahren sind hier allgegenwärtig, wobei eine die Wissenschaftler in den vergangen zwei Jahrzehnten besonders beschäftigte: Ausbrüche von Gletscherseen traten in der Vergangenheit zwar selten, aber meist mit katastrophalen Konsequenzen für die darunterliegenden Berggemeinden auf. Gletscherseeausbrüche (englisches Akronym GLOFs – glacial lake outburst floods) beschreiben den plötzlichen Ausfluss von teils mehreren Millionen Kubikmetern Wasser aus natürlich gedämmten Schmelzwasserseen. Anhaltender Gletscherrückgang in vergangenen Jahrzehnten schuf mehrere tausend Hochgebirgsseen, mit ununterbrochenem Wachstum in Anzahl und Fläche, was den Schluss auf ein möglicherweise vermehrtes Auftreten von GLOFs nahelegte. Diese suggerierte Zunahme von GLOFs konnte jedoch bisher weder getestet noch bestätigt werden, vor allem weil Seen überwiegend jenseits von 4,000 m üNN entstehen, was Feldstudien dort erschwert. Unser Wissen über GLOFs ist daher möglicherweise zu größeren, schadensreichen Ereignissen verschoben, wodurch ihre aktuelle Frequenz, und letztlich auch ihr Zusammenhang mit dem Klimawandel, nur schwer quantifizierbar sind. Mit welcher Wiederkehrrate GLOFs auftreten ist nicht zuletzt entscheidend für Risikoanalyse und -management entlang von Flüssen. Um einer Unterschätzung der tatsächlichen GLOF-Aktivität entgegenzuwirken, entwickelte ich einen Algorithmus, der GLOFs automatisch aus Satellitenbildern detektiert. Der Algorithmus greift auf etwa 30 Jahre kontinuierlich aufgenommene Landsat-Bilder (~1988-2017) zu, und berechnet letztlich die Wahrscheinlichkeit, ob Wasserkörper rasch innerhalb dieser Bildzeitreihe geschrumpft sind. An solchen Stellen suchte ich nach Sedimentverlagerungen im Gerinne flussabwärts, was ein zweites Hauptkriterium für GLOFs ist. Tests und Validierung in etwa 10% des Himalayas bestätigten, dass die Methode robust gegenüber atmosphärischen Störeffekten ist. Mit dem Ziel bisher unbekannte GLOFs zu entdecken, wendete ich daher diesen Algorithmus auf den gesamten Himalaya an. Die Suche ergab 22 neu entdeckte GLOFs, was das bestehende Inventar von 16 bekannten GLOFs seit 1988 mehr als verdoppelte. Das aktualisierte räumliche Verbreitungsmuster bestätigte einmal mehr, dass GLOFs vermehrt im Zentral- und Osthimalaya (Bhutan und Ost-Nepal) auftraten, wohingegen im Norden deutlich weniger GLOFs stattfanden. Entgegen der häufigen Annahme stellte ich jedoch fest, dass die jährliche Häufigkeit von GLOFs in den letzten drei Jahrzehnten konstant blieb. Dadurch hat das Verhältnis von GLOFs pro Einheit See(-fläche) in diesem Zeitraum sogar abgenommen. Dieses räumlich aufgelöste GLOF-Inventar bot nun die Möglichkeit, das Gefährdungspotential durch GLOFs für den gesamten Himalaya und einzelne Regionen zu berechnen. Dafür verwendete ich die in der Hochwasseranalyse gebräuchliche Definition von Gefährdung, welche die jährliche Überschreitungswahrscheinlichkeit einer gewissen Abflussmenge, in diesem Fall des Spitzenabflusses [m3 s-1] am Dammbruch, beschreibt. Das GLOF-Inventar liefert demnach die zeitliche Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von GLOFs, während Simulationen von möglichen Spitzenabflüssen für alle heute existierenden ~5,000 Seen im Himalaya die zu erwarteten Magnituden beisteuerten. Mit Extremwertstatistik lässt sich so die mittlere Wiederkehrzeit dieser Spitzenabflüsse errechnen. Ich fand heraus, dass der 100-jährliche Abfluss (die Flutmagnitude, die im Durchschnitt einmal in 100 Jahren erreicht oder überschritten wird) derzeit bei rund 20,600+2,200/–2,300 m³ s-1 für den gesamten Himalaya liegt. Entsprechend der heutigen räumlichen und zeitlichen Verteilung von GLOFs ist die Gefährdung im Osthimalaya am höchsten und in Regionen mit wenig dokumentierten GLOFs vergleichsweise niedrig. Für ein Szenario, in dem der gesamte Himalaya in Zukunft eisfrei sein könnte, errechnete ich zudem das Gefährdungspotential von ~9,500 Übertiefungen unterhalb der heutigen Gletschern, die sich nach deren Abschmelzen mit Wasser füllen könnten. Angenommen, dass die zukünftige GLOF-Rate der heutigen entspricht, könnte der 100-jährliche Abfluss sich mehr als verdoppeln (41,700+5,500/–4,700 m3 s-1), wobei der stärkste regionale Anstieg für den Karakorum zu erwarten wäre. Zusammenfassend formen diese drei Schritte–von der Detektion von GLOFs, über die Bestimmung derer Frequenz, bis zur regionalen Abschätzung von Spitzenabflüssen–das Grundgerüst, das ein moderner Ansatz zur Gefahrenabschätzung von GLOFs benötigt. Angesichts einer wachsenden Exposition von Bevölkerung, Infrastruktur und Wasserkraftanlagen liefert diese Arbeit einen entscheidenden Beitrag, den Anteil des Klimawandels in der Gefährdung und Risiko durch GLOFs zu quantifizieren. KW - GLOF KW - frequency KW - Landsat KW - satellite images KW - classification KW - magnitude KW - Himalaya KW - Karakoram KW - climate change KW - atmospheric warming KW - glacial lakes KW - glaciers KW - meltwater KW - natural hazard KW - GLOF KW - Gletscherseeasubruch KW - Häufigkeit KW - Landsat KW - Satellitenbilder KW - Klassifikation KW - Magnitude KW - Himalaya KW - Karakorum KW - Klimawandel KW - atmosphärische Erwärmung KW - Gletscherseen KW - Gletscher KW - Schmelzwasser KW - Naturgefahr Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-436071 ER - TY - THES A1 - Rözer, Viktor T1 - Pluvial flood loss to private households T1 - Schäden durch urbane Sturzfluten in Privathaushalten N2 - Today, more than half of the world’s population lives in urban areas. With a high density of population and assets, urban areas are not only the economic, cultural and social hubs of every society, they are also highly susceptible to natural disasters. As a consequence of rising sea levels and an expected increase in extreme weather events caused by a changing climate in combination with growing cities, flooding is an increasing threat to many urban agglomerations around the globe. To mitigate the destructive consequences of flooding, appropriate risk management and adaptation strategies are required. So far, flood risk management in urban areas is almost exclusively focused on managing river and coastal flooding. Often overlooked is the risk from small-scale rainfall-triggered flooding, where the rainfall intensity of rainstorms exceeds the capacity of urban drainage systems, leading to immediate flooding. Referred to as pluvial flooding, this flood type exclusive to urban areas has caused severe losses in cities around the world. Without further intervention, losses from pluvial flooding are expected to increase in many urban areas due to an increase of impervious surfaces compounded with an aging drainage infrastructure and a projected increase in heavy precipitation events. While this requires the integration of pluvial flood risk into risk management plans, so far little is known about the adverse consequences of pluvial flooding due to a lack of both detailed data sets and studies on pluvial flood impacts. As a consequence, methods for reliably estimating pluvial flood losses, needed for pluvial flood risk assessment, are still missing. Therefore, this thesis investigates how pluvial flood losses to private households can be reliably estimated, based on an improved understanding of the drivers of pluvial flood loss. For this purpose, detailed data from pluvial flood-affected households was collected through structured telephone- and web-surveys following pluvial flood events in Germany and the Netherlands. Pluvial flood losses to households are the result of complex interactions between impact characteristics such as the water depth and a household’s resistance as determined by its risk awareness, preparedness, emergency response, building properties and other influencing factors. Both exploratory analysis and machine-learning approaches were used to analyze differences in resistance and impacts between households and their effects on the resulting losses. The comparison of case studies showed that the awareness around pluvial flooding among private households is quite low. Low awareness not only challenges the effective dissemination of early warnings, but was also found to influence the implementation of private precautionary measures. The latter were predominately implemented by households with previous experience of pluvial flooding. Even cases where previous flood events affected a different part of the same city did not lead to an increase in preparedness of the surveyed households, highlighting the need to account for small-scale variability in both impact and resistance parameters when assessing pluvial flood risk. While it was concluded that the combination of low awareness, ineffective early warning and the fact that only a minority of buildings were adapted to pluvial flooding impaired the coping capacities of private households, the often low water levels still enabled households to mitigate or even prevent losses through a timely and effective emergency response. These findings were confirmed by the detection of loss-influencing variables, showing that cases in which households were able to prevent any loss to the building structure are predominately explained by resistance variables such as the household’s risk awareness, while the degree of loss is mainly explained by impact variables. Based on the important loss-influencing variables detected, different flood loss models were developed. Similar to flood loss models for river floods, the empirical data from the preceding data collection was used to train flood loss models describing the relationship between impact and resistance parameters and the resulting loss to building structures. Different approaches were adapted from river flood loss models using both models with the water depth as only predictor for building structure loss and models incorporating additional variables from the preceding variable detection routine. The high predictive errors of all compared models showed that point predictions are not suitable for estimating losses on the building level, as they severely impair the reliability of the estimates. For that reason, a new probabilistic framework based on Bayesian inference was introduced that is able to provide predictive distributions instead of single loss estimates. These distributions not only give a range of probable losses, they also provide information on how likely a specific loss value is, representing the uncertainty in the loss estimate. Using probabilistic loss models, it was found that the certainty and reliability of a loss estimate on the building level is not only determined by the use of additional predictors as shown in previous studies, but also by the choice of response distribution defining the shape of the predictive distribution. Here, a mix between a beta and a Bernoulli distribution to account for households that are able to prevent losses to their building’s structure was found to provide significantly more certain and reliable estimates than previous approaches using Gaussian or non-parametric response distributions. The successful model transfer and post-event application to estimate building structure loss in Houston, TX, caused by pluvial flooding during Hurricane Harvey confirmed previous findings, and demonstrated the potential of the newly developed multi-variable beta model for future risk assessments. The highly detailed input data set constructed from openly available data sources containing over 304,000 affected buildings in Harris County further showed the potential of data-driven, building-level loss models for pluvial flood risk assessment. In conclusion, pluvial flood losses to private households are the result of complex interactions between impact and resistance variables, which should be represented in loss models. The local occurrence of pluvial floods requires loss estimates on high spatial resolutions, i.e. on the building level, where losses are variable and uncertainties are high. Therefore, probabilistic loss estimates describing the uncertainty of the estimate should be used instead of point predictions. While the performance of probabilistic models on the building level are mainly driven by the choice of response distribution, multi-variable models are recommended for two reasons: First, additional resistance variables improve the detection of cases in which households were able to prevent structural losses. Second, the added variability of additional predictors provides a better representation of the uncertainties when loss estimates from multiple buildings are aggregated. This leads to the conclusion that data-driven probabilistic loss models on the building level allow for a reliable loss estimation at an unprecedented level of detail, with a consistent quantification of uncertainties on all aggregation levels. This makes the presented approach suitable for a wide range of applications, from decision support in spatial planning to impact- based early warning systems. N2 - Über die Hälfte der Weltbevölkerung lebt heute in Städten. Mit einer hohen Dichte an Menschen, Gütern und Gebäuden sind Städte nicht nur die wirtschaftlichen, politischen und kulturellen Zentren einer Gesellschaft, sondern auch besonders anfällig gegenüber Naturkatastrophen. Insbesondere Hochwasser und Überflutungen stellen in Folge von steigenden Meeresspiegeln und einer erwarteten Zunahme von Extremwettereignissen eine wachsende Bedrohung in vielen Regionen dar. Um die möglichen Folgen dieser Entwicklung zu vermeiden bzw. zu reduzieren, ist es notwendig sich der steigenden Gefahr durch geeignete Maßnahmen anzupassen. Bisher ist der Hochwasserschutz in Städten beinahe ausschließlich auf Überflutungen durch Flusshochwasser oder Sturmfluten fokussiert. Dabei werden sogenannte urbane Sturzfluten, die in den letzten Jahren vermehrt zu hohen Schäden in Städten geführt haben, nicht berücksichtigt. Bei urbanen Sturzfluten führen lokale Starkniederschläge mit hohen Regenmengen zu einer Überlastung des städtischen Abwassersystems und damit zu einer direkten, oft kleinräumigen Überflutung innerhalb eines bebauten Gebiets. Mit einer prognostizierten Zunahme von Starkniederschlägen, sowie einer baulichen Verdichtung und damit einhergehender Flächenversiegelung in vielen Städten, ist mit einer Zunahme von urbanen Sturzfluten zu rechnen. Dies verlangt die Einbindung des Risikos durch urbane Sturzfluten in bestehende Hochwasserschutzkonzepte. Bisher fehlen allerdings sowohl detaillierte Daten als auch Methoden um das Risiko durch urbane Sturzfluten und die dadurch verursachten Schäden, etwa an Wohngebäuden, zuverlässig abzuschätzen. Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Arbeit hauptsächlich mit der Entwicklung von Verfahren und Modellen zur Abschätzung von Schäden an Privathaushalten durch urbane Sturzfluten. Dazu wurden detaillierte Daten durch Telefon- und Online-Umfragen nach urbanen Sturzflutereignissen in Deutschland und in den Niederlanden erhoben und ausgewertet. Die Erkenntnisse aus den detaillierten Analysen zu Vorsorge, Notmaßnahmen und Wiederherstellung, vor, während und nach urbanen Sturzflutereignissen, wurden genutzt um eine neue Methode zur Schätzung von Schäden an Wohngebäuden zu entwickeln. Dabei werden neben Angaben wie Dauer und Höhe der Überflutung, auch Eigenschaften von Haushalten, wie etwa deren Risikobewusstsein, in die Schätzung miteinbezogen. Nach lokaler Validierung wurde die neuentwickelte Methode beispielhaft zur Schätzung von Wohngebäudeschäden nach einem urbanen Sturzflutereignis im Großraum Houston (Texas, USA) erfolgreich angewendet. Anders als bei bisherigen Ansätzen wird der geschätzte Schaden eines Wohngebäudes nicht als einzelner Wert angegeben, sondern als Verteilung, welche die Bandbreite möglicher Schäden und deren Wahrscheinlichkeit angibt. Damit konnte die Zuverlässigkeit von Schadensschätzungen im Vergleich zu bisherigen Verfahren erheblich verbessert werden. Durch die erfolgreiche Anwendung sowohl auf der Ebene einzelner Gebäude als auch für gesamte Städte, ergibt sich ein breites Spektrum an Nutzungsmöglichkeiten, etwa als Entscheidungsunterstützung in der Stadtplanung oder für eine verbesserte Frühwarnung vor urbanen Sturzfluten. KW - Schadensmodellierung KW - Unsicherheiten KW - Starkregen KW - Privathaushalte KW - damage modeling KW - economic impacts KW - uncertainty KW - private households KW - probabilistic KW - pluvial flooding Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429910 ER - TY - THES A1 - Sterzel, Till T1 - Analyzing global typologies of socio-ecological vulnerability BT - the cases of human security in drylands, and rapid coastal urbanization N2 - On a planetary scale human populations need to adapt to both socio-economic and environmental problems amidst rapid global change. This holds true for coupled human-environment (socio-ecological) systems in rural and urban settings alike. Two examples are drylands and urban coasts. Such socio-ecological systems have a global distribution. Therefore, advancing the knowledge base for identifying socio-ecological adaptation needs with local vulnerability assessments alone is infeasible: The systems cover vast areas, while funding, time, and human resources for local assessments are limited. They are lacking in low an middle-income countries (LICs and MICs) in particular. But places in a specific socio-ecological system are not only unique and complex – they also exhibit similarities. A global patchwork of local rural drylands vulnerability assessments of human populations to socio-ecological and environmental problems has already been reduced to a limited number of problem structures, which typically cause vulnerability. However, the question arises whether this is also possible in urban socio-ecological systems. The question also arises whether these typologies provide added value in research beyond global change. Finally, the methodology employed for drylands needs refining and standardizing to increase its uptake in the scientific community. In this dissertation, I set out to fill these three gaps in research. The geographical focus in my dissertation is on LICs and MICs, which generally have lower capacities to adapt, and greater adaptation needs, regarding rapid global change. Using a spatially explicit indicator-based methodology, I combine geospatial and clustering methods to identify typical configurations of key factors in case studies causing vulnerability to human populations in two specific socio-ecological systems. Then I use statistical and analytical methods to interpret and appraise both the typical configurations and the global typologies they constitute. First, I improve the indicator-based methodology and then reanalyze typical global problem structures of socio-ecological drylands vulnerability with seven indicator datasets. The reanalysis confirms the key tenets and produces a more realistic and nuanced typology of eight spatially explicit problem structures, or vulnerability profiles: Two new profiles with typically high natural resource endowment emerge, in which overpopulation has led to medium or high soil erosion. Second, I determine whether the new drylands typology and its socio-ecological vulnerability concept advance a thematically linked scientific debate in human security studies: what drives violent conflict in drylands? The typology is a much better predictor for conflict distribution and incidence in drylands than regression models typically used in peace research. Third, I analyze global problem structures typically causing vulnerability in an urban socio-ecological system - the rapidly urbanizing coastal fringe (RUCF) – with eleven indicator datasets. The RUCF also shows a robust typology, and its seven profiles show huge asymmetries in vulnerability and adaptive capacity. The fastest population increase, lowest income, most ineffective governments, most prevalent poverty, and lowest adaptive capacity are all typically stacked in two profiles in LICs. This shows that beyond local case studies tropical cyclones and/or coastal flooding are neither stalling rapid population growth, nor urban expansion, in the RUCF. I propose entry points for scaling up successful vulnerability reduction strategies in coastal cities within the same vulnerability profile. This dissertation shows that patchworks of local vulnerability assessments can be generalized to structure global socio-ecological vulnerabilities in both rural and urban socio-ecological systems according to typical problems. In terms of climate-related extreme events in the RUCF, conflicting problem structures and means to deal with them are threatening to widen the development gap between LICs and high-income countries unless successful vulnerability reduction measures are comprehensively scaled up. The explanatory power for human security in drylands warrants further applications of the methodology beyond global environmental change research in the future. Thus, analyzing spatially explicit global typologies of socio-ecological vulnerability is a useful complement to local assessments: The typologies provide entry points for where to consider which generic measures to reduce typical problem structures – including the countless places without local assessments. This can save limited time and financial resources for adaptation under rapid global change. N2 - Menschliche Gesellschaften müssen sich weltweit an sozioökonomische und ökologische Probleme unter rapidem globalen Wandel anpassen. Dies gilt für gekoppelte Mensch-Umwelt-Systeme (sozio-ökologische Systeme) in ländlichen und in städtischen Gebieten. Beispiele sind Trockengebiete oder urban geprägte Küsten. Solche sozio-ökologischen Systeme haben eine globale Ausdehnung. Daher ist es nicht praktikabel, die Wissensbasis zur Ermittlung des sozio-ökologischen Anpassungsbedarfs allein mit lokalen Vulnerabilitätsanalysen voranzutreiben: Die Systeme decken große Gebiete ab, während finanzielle Mittel, Zeit und Personal für lokale Analysen begrenzt sind. In Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen (LICs und MICs) mangelt es daran besonders. Aber Orte in einem konkreten sozioökologischen System sind nicht nur einzigartig und komplex – sie weisen auch Gemeinsamkeiten auf. Ein globaler Flickenteppich lokaler Vulnerabilitätsanalysen von Gesellschaften gegenüber sozioökonomischen und ökologischen Problemen in Trockengebieten wurde bereits auf eine begrenzte Anzahl von Problemstrukturen reduziert, die typischerweise Verwundbarkeiten verursachen. Es stellt sich jedoch die Frage, ob dies auch in urbanen sozioökologischen Systemen möglich ist. Es stellt sich auch die Frage, ob diese Typologien über die Forschung zum globalen Wandel hinaus einen Mehrwert bieten. Schließlich muss die für Trockengebiete angewandte Methodik verfeinert und standardisiert werden, um ihre Aufnahme in der Wissenschaft zu erhöhen. In dieser Dissertation habe ich versucht, diese drei Forschungslücken zu schließen. Der geografische Schwerpunkt meiner Dissertation liegt auf LICs und MICs, die im Allgemeinen über geringere Anpassungskapazitäten und einen größeren Anpassungsbedarf gegenüber schnellen globalen Wandels verfügen. Unter Verwendung einer räumlich expliziten, indikatorgestützten Methodik kombiniere ich raumbezogene und Clustering-Methoden, um typische Konfigurationen von Schlüsselfaktoren in Fallstudien zu identifizieren, die Verwundbarkeiten für Gesellschaften in zwei spezifischen sozio-ökologischen Systemen verursachen. Dann benutze ich statistische und analytische Methoden, um sowohl die typischen Konfigurationen als auch die globalen Typologien zu interpretieren und zu bewerten. Im ersten Teil verbessere ich die indikatorbasierte Methodik und reanalysiere dann typische globale Problemstrukturen sozioökologischer Verwundbarkeit in ländlichen Trockengebieten mit sieben Indikatordatensätzen. Die Reanalyse bestätigt die Kernaussagen und führt zu einer realistischeren und differenzierteren Typologie von acht räumlich expliziten Problemstrukturen bzw. Vulnerabilitätsprofilen: Zwei neue Profile mit typischer hoher natürlicher Ressourcenausstattung treten auf, in denen Überbevölkerung zu mittlerer bis hoher Bodenerosion geführt hat. Im zweiten Teil stelle ich fest, ob die neue Trockengebietstypologie und ihr sozioökologisches Vulnerabilitätskonzept eine thematisch verknüpfte wissenschaftliche Debatte über menschliche Sicherheit vorantreiben können: Was treibt gewalttätige Konflikte in Trockengebieten an? Die Typologie ist ein deutlich besserer Prädiktor für die Verteilung und Inzidenz von Konflikten in Trockengebieten als Regressionsmodelle, die typischerweise in der Friedensforschung verwendet werden. Im dritten Teil analysiere ich mit elf Indikatordatensätzen globale Problemstrukturen, die in einem urbanen sozioökologischen System - der rapide urbanisierenden Küstenzone (RUCF) – typischerweise Verwundbarkeiten verursachen. Die RUCF weist ebenfalls eine robuste Typologie auf und ihre sieben Profile zeigen große Asymmetrien in Bezug auf Vulnerabilität und Anpassungskapazität. Der schnellste Bevölkerungszuwachs, das niedrigste Einkommen, die ineffektivsten Regierungen, die am weitesten verbreitete Armut und die geringste Anpassungskapazität sind typischerweise in zwei Profilen in LICs geballt. Dies zeigt jenseits von lokalen Analysen, dass tropische Wirbelstürme und / oder Überschwemmungen im RUCF weder schnelles Bevölkerungswachstum noch städtische Expansion verhindern. Ich schlage Einstiegspunkte für die Skalierung erfolgreicher Strategien zur Reduzierung von Vulnerabilität in Küstenstädten innerhalb des gleichen Vulnerabilitätsprofils vor. Diese Dissertation zeigt, dass Flickenteppiche lokaler Vulnerabilitätsanalysen verallgemeinert werden können, um globale sozioökologische Vulnerabilitäten in ländlichen und städtischen sozioökologischen Systemen nach typischen Problemstrukturen zu systematisieren. In Bezug auf klimatische Extremereignisse drohen sich entgegenstehende Problemstrukturen und Mittel, um mit ihnen umzugehen, die Entwicklungslücke zwischen LICs und Ländern mit hohem Einkommen in der RUCF zu vergrößern, wenn erfolgreiche Maßnahmen zur Vulnerabilitätsreduzierung nicht umfassend ausgeweitet werden. Die Erklärungskraft für menschliche Sicherheit in Trockengebieten berechtigt weitere Anwendungen der Methodik über die globale Umweltforschung hinaus. Die Analyse räumlich expliziter globaler Typologien sozio-ökologischer Vulnerabilität ist daher eine sinnvolle Ergänzung zu lokalen Analysen: Die Typologien bieten Einstiegspunkte dafür, welche generischen Maßnahmen wo in Betracht zu ziehen, um typische Problemstrukturen zu reduzieren - einschließlich der unzähligen Orte ohne lokale Analysen. Dies kann begrenzte Zeit und finanzielle Ressourcen für Anpassung unter rapidem globalen Wandel sparen. KW - vulnerability KW - global environmental change KW - patterns KW - drylands KW - indicator-based analysis KW - adaptation KW - Socio-ecological system KW - cluster analysis KW - subnational resolution KW - resource scarcity KW - environment KW - coastal cities KW - coastal urbanization Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428837 ER - TY - THES A1 - Lubitz, Christin T1 - Investigating local surface displacements associated with anthropogenic activities by satellite radar interferometry T1 - Untersuchung lokaler Verschiebungen der Erdoberfläche im Zusammenhang mit anthropogenen Aktivitäten durch satellitengestützte Radarinterferometrie BT - application to Staufen im Breisgau and Ketzin BT - Anwendung für Staufen im Breisgau und Ketzin N2 - Direct anthropogenic influences on the Earth’s subsurface during drilling, extraction or injection activities, can affect land stability by causing subsidence, uplifts or lateral displacements. They can occur in localized as well as in uninhabited and inhabited regions. Thus the associated risks for humans, infrastructure, and environment must be minimized. To achieve this, appropriate surveillance methods must be found that can be used for simultaneous monitoring during such activities. Multi-temporal synthetic aperture radar interferometry (MT-InSAR) methods like the Persistent Scatterer Interferometry (PSI) and the Small BAseline Subsets (SBAS) have been developed as standard approaches for satellite-based surface displacement monitoring. With increasing spatial resolution and availability of SAR sensors in recent years, MT-InSAR can be valuable for the detection and mapping of even the smallest man-made displacements. This doctoral thesis aims at investigating the capacities of the mentioned standard methods for this purpose, and comprises three main objectives against the backdrop of a user-friendly surveillance service: (1) the spatial and temporal significance assessment against leveling, (2) the suitability evaluation of PSI and SBAS under different conditions, and (3) the analysis of the link between surface motion and subsurface processes. Two prominent case studies on anthropogenic induced subsurface processes in Germany serve as the basis for this goal. The first is the distinct urban uplift with severe damages at Staufen im Breisgau that has been associated since 2007 with a failure to implement a shallow geothermal energy supply for an individual building. The second case study considers the pilot project of geological carbon dioxide (CO2) storage at Ketzin, and comprises borehole drilling and fluid injection of more than 67 kt CO2 between 2008 and 2013. Leveling surveys at Staufen and comprehensive background knowledge of the underground processes gained from different kinds of in-situ measurements at both locations deliver a suitable basis for this comparative study and the above stated objectives. The differences in location setting, i.e. urban versus rural site character, were intended to investigate the limitations in the applicability of PSI and SBAS. For the MT-InSAR analysis, X-band images from the German TerraSAR-X and TanDEM-X satellites were acquired in the standard Stripmap mode with about 3 m spatial resolution in azimuth and range direction. Data acquisition lasted over a period of five years for Staufen (2008-2013), and four years for Ketzin (2009-2013). For the first approximation of the subsurface source, an inversion of the InSAR outcome in Staufen was applied. The modeled uplift based on complex hydromechanical simulations and a correlation analysis with bottomhole pressure data were used for comparison with MT-InSAR measurements at Ketzin. In response to the defined objectives of this thesis, a higher level of detail can be achieved in mapping surface displacements without in-situ effort by using MT-InSAR in comparison to leveling (1). A clear delineation of the elliptical shaped uplift border and its magnitudes at different parts was possible at Staufen, with the exception of a vegetated area in the northwest. Vegetation coverage and the associated temporal signal decorrelation are the main limitations of MT-InSAR as clearly demonstrated at the Ketzin test site. They result in insufficient measurement point density and unwrapping issues. Therefore, spatial resolutions of one meter or better are recommended to achieve an adequate point density for local displacement analysis and to apply signal noise reduction. Leveling measurements can provide a complementary data source here, but require much effort pertaining to personnel even at the local scale. Horizontal motions could be identified at Staufen by only comparing the temporal evolution of the 1D line of sight (LOS) InSAR measurements with the available leveling data. An exception was the independent LOS decomposition using ascending and descending data sets for the period 2012-2013. The full 3D displacement field representation failed due to insufficient orbit-related, north-south sensitivity of the satellite-based measurements. By using the dense temporal mapping capabilities of the TerraSAR-X/TanDEM-X satellites after every 11 days, the temporal displacement evolution could be captured as good as that with leveling. With respect to the tested methods and in the view of generality, SBAS should be preferred over PSI (2). SBAS delivered a higher point density, and was therefore less affected by phase unwrapping issues in both case studies. Linking surface motions with subsurface processes is possible when considering simplified geophysical models (3), but it still requires intensive research to gain a deep understanding. N2 - Die Stabilität der oberen Gesteinsschichten kann durch anthropogene Aktivitäten, wie Bohrungen, Gas- oder Fluidextraktionen, beziehungsweise –injektionen, so beeinflusst werden, dass Oberflächenhebungen, Senkungen und seitliche Lageverschiebungen auftreten können. Diese Bewegungen können lokal begrenzt sein, in bewohnten als auch unbewohnten Gebieten in Erscheinung treten und ein Risiko für Mensch, Umwelt und Infrastruktur darstellen. Die Einschätzung und Überwachung dieser Risiken kann lokal durch geophysikalische und geodätische Verfahren erfolgen, und mittels fernerkundlichen Analysen in einen räumlich zeitlichen Zusammenhang gebracht werden. Methoden der Synthetischen Apertur Radar Interferometrie (MT-InSAR) wie die Persistent Scatterer Interferometry (PSI) oder das Small BAseline Subsets (SBAS) Verfahren haben sich als Standardanwendung für die satellitengestützte Messung von Oberflächenverschiebungen etabliert. Immer hochauflösendere Systeme sowie die Zunahme an zur Verfügung stehenden Sensoren in den letzten Jahren erlauben das Aufspüren und Kartieren von kleinsten menschengemachten Bewegungen der oberen Gesteinsschichten mittels MT-InSAR. Ziel dieser Doktorarbeit ist die Untersuchung der oben genannten Standardmethoden hinsichtlich ihrer Eignung zur räumlich zeitlichen Analyse von lokalen Bewegungen. Vor dem Hintergrund einer nutzerfreundlichen Anwendung werden dabei drei Punkte eingehend betrachtet: (1) die Bewertung der raum-zeitlichen Signifikanz gegenüber dem Nivellement, (2) die Eignungsbeurteilung beider Methoden unter verschiedenen Bedingungen und (3) die Analyse der Verknüpfbarkeit von Oberflächenbewegungen und Untergrundprozessen. Als Grundlage für diese Untersuchung dienen zwei bekannte Bohrprojekte in Deutschland. Das erste ist ein fehlgeschlagenes Projekt zur geothermalen Energieversorgung eines einzelnen Gebäudes in Staufen im Breisgau im Jahr 2007. Damit in Verbindung steht eine ausgeprägte innerstädtische Hebung mit ernsten Schäden an der Wohnbebauung. Das zweite ist ein Pilotprojekt zur geologischen Speicherung von Kohlenstoffdioxid (CO2) in Ketzin, welches Bohrungen und Fluidinjektionen von mehr als 67 kt CO2 zwischen 2008 und 2013 umfasst. Die Nivellement-Messungen in Staufen sowie das umfangreiche Hintergrundwissen durch verschiedene in-situ Messungen zu den Untergrundprozessen an beiden Standorten bieten eine solide Grundlage für diese vergleichende Studie und ihre Ziele. Da beide Standorte sich stark unterscheiden, insbesondere hinsichtlich ihres städtischen beziehungsweise ländlichen Charakters, erlauben diese Fallstudien eine Untersuchungen der Grenzen in der Anwendbarkeit von den Methoden PSI und SBAS. Für die Untersuchung wurden Bilddaten im X-Band von den deutschen Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X im Standardmodus Stripmap mit etwa 3m Azimut- und Entfernungsauflösung aufgenommen. Die Datenakquise für Staufen umfasste fünf Jahre (2008-2013) und für Ketzin vier Jahre (2009-2013). In Staufen wurde durch eine Inversion der InSAR-Resultate eine erste Näherung zur Lokalisierung einer Volumenexpansion im Untergrund erzielt, welche ursächlich für die an der Oberfläche beobachteten Hebungen ist. Für das Ketzin-Projekt wurden komplexe hydromechanische Simulationen durchgeführt und darauf basierende modellierte Hebungen zum Vergleich mit den MT-InSAR-Messungen herangezogen. Zusätzlich erfolgte eine vergleichende Korrelationsanalyse mit den Druckdaten aus der Injektionsbohrung. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Im Vergleich zu den gängigen Nivellement-Messungen ein deutlich höherer Detailgrad in der Kartierung der Oberflächenbewegungen durch das fernerkundliche MT-InSAR Verfahren erlangt werden konnte (1). Die klare Abgrenzung des elliptischen Hebungsfeldes in Staufen sowie seiner variierenden Magnituden an verschiedenen Positionen konnte deutlich gezeigt werden, mit Ausnahme einer Vegetationsfläche im nordwestlichen Abschnitt. Die Fallstudie zu Ketzin demonstriert ebenfalls die methodischen Einschränkungen bei MT-InSAR durch Vegetation und den damit einhergehenden Signalverlusten. Als Folge traten eine unzureichende Messpunktdichte und Probleme in der Phasenabwicklung auf. Eine räumliche Auflösungen von einem Meter oder besser würde die Wahrscheinlichkeit einer geeigneten Punktdichte erhöhen. Außerdem ermöglicht sie die Anwendung passender Methoden zur Rauschreduzierung des Signals unter geringen Verlusten in der räumlichen Auflösung. Dennoch zeigte sich, dass Nivellement-Kampagnen als ergänzende Datenquelle wertvolle Informationen liefern, auch wenn diese einen hohen Arbeitsaufwand selbst für lokale Ereignisse erfordern. Die Identifizierung von Horizontalbewegungen in Staufen war nur durch den Vergleich des zeitlichen Hebungsverlaufes von Nivellement- und den 1D InSAR-Resultaten festellbar. Eine Ausnahme bildete die davon unabhängige Verschneidung zweier Datensätze von je einem aufsteigenden und absteigenden Orbit für den Zeitraum 2012-2013. Die Darstellung eines kompletten, satellitengestützten 3D-Bewegungsfeldes scheitert an der ungenügenden, umlaufbahnbedingten Sensitivität in Nord-Süd-Richtung. Die zeitlich dichte Kartierung durch TerraSAR-X und TanDEM-X alle 11 Tage ermöglicht eine ebenso detaillierte zeitliche Erfassung der Entwicklung wie mittels Nivellement. Die Untersuchungen an beiden Standorten haben gezeigt, dass das SBAS-Verfahren im Allgemeinen nützlichere Ergebnisse liefert, als das PSI-Verfahren (2). Das SBAS-Verfahren lieferte die höhere Punktdichte und zeigte aufgrund dessen weniger Probleme bei der Phasenabwicklung. Die Verknüpfung von Bewegungen in den oberen Gesteinsschichten mit deren ursächlichen Untergrundprozessen ist unter Einbeziehung vereinfachter geophysikalischer Modelle möglich (3), verlangt aber noch weiterführende Analysen für ein tieferes Verständnis. KW - synthetic aperture radar interferometry KW - time series investigation KW - monitoring of anthropogenic activities KW - Staufen im Breisgau KW - Ketzin KW - Radarinterferometrie mit synthetischer Apertur KW - Zeitreihenuntersuchung KW - Beobachtung anthropogener Aktivitäten KW - Staufen im Breisgau KW - Ketzin Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-416001 ER - TY - THES A1 - Kox, Thomas T1 - Perception and use of uncertainty in severe weather warnings T1 - Wahrnehmung und Verwendung von Unsicherheit in Wetterwarnungen N2 - Uncertainty is an essential part of atmospheric processes and thus inherent to weather forecasts. Nevertheless, weather forecasts and warnings are still predominately issued as deterministic (yes or no) forecasts, although research suggests that providing weather forecast users with additional information about the forecast uncertainty can enhance the preparation of mitigation measures. Communicating forecast uncertainty would allow for a provision of information on possible future events at an earlier time. The desired benefit is to enable the users to start with preparatory protective action at an earlier stage of time based on the their own risk assessment and decision threshold. But not all users have the same threshold for taking action. In the course of the project WEXICOM (‘Wetterwarnungen: Von der Extremereignis-Information zu Kommunikation und Handlung’) funded by the Deutscher Wetterdienst (DWD), three studies were conducted between the years 2012 and 2016 to reveal how weather forecasts and warnings are reflected in weather-related decision-making. The studies asked which factors influence the perception of forecasts and the decision to take protective action and how forecast users make sense of probabilistic information and the additional lead time. In a first exploratory study conducted in 2012, members of emergency services in Germany were asked questions about how weather warnings are communicated to professional endusers in the emergency community and how the warnings are converted into mitigation measures. A large number of open questions were selected to identify new topics of interest. The questions covered topics like users’ confidence in forecasts, their understanding of probabilistic information as well as their lead time and decision thresholds to start with preparatory mitigation measures. Results show that emergency service personnel generally have a good sense of uncertainty inherent in weather forecasts. Although no single probability threshold could be identified for organisations to start with preparatory mitigation measures, it became clear that emergency services tend to avoid forecasts based on low probabilities as a basis for their decisions. Based on this findings, a second study conducted with residents of Berlin in 2014 further investigated the question of decision thresholds. The survey questions related to the topics of the perception of and prior experience with severe weather, trustworthiness of forecasters and confidence in weather forecasts, and socio-demographic and social-economic characteristics. Within the questionnaire a scenario was created to determine individual decision thresholds and see whether subgroups of the sample lead to different thresholds. The results show that people’s willingness to act tends to be higher and decision thresholds tend to be lower if the expected weather event is more severe or the property at risk is of higher value. Several influencing factors of risk perception have significant effects such as education, housing status and ability to act, whereas socio-demographic determinants alone are often not sufficient to fully grasp risk perception and protection behaviour. Parallel to the quantitative studies, an interview study was conducted with 27 members of German civil protection between 2012 and 2016. The results show that the latest developments in (numerical) weather forecasting do not necessarily fit the current practice of German emergency services. These practices are mostly carried out on alarms and ground truth in a reactive manner rather than on anticipation based on prognosis or forecasts. As the potential consequences rather than the event characteristics determine protective action, the findings support the call and need for impact-based warnings. Forecasters will rely on impact data and need to learn the users’ understanding of impact. Therefore, it is recommended to enhance weather communication not only by improving computer models and observation tools, but also by focusing on the aspects of communication and collaboration. Using information about uncertainty demands awareness about and acceptance of the limits of knowledge, hence, the capabilities of the forecaster to anticipate future developments of the atmosphere and the capabilities of the user to make sense of this information. N2 - Obwohl atmosphärische Prozesse wesentlich durch Unsicherheit gekennzeichnet sind, werden Wettervorhersagen und Warnungen in Deutschland überwiegend noch als deterministische (ja oder nein) Vorhersagen herausgegeben. Dagegen legen jüngere Forschungsergebnisse nahe, dass durch die frühzeitige Bereitstellung von Informationen über die Vorhersageunsicherheit, die Vorbereitung von Vorsorgemaßnahmen verbessert werden kann. Der gewünschte Vorteil bestünde darin, es der Empfängerin und dem Empfänger zu ermöglichen auf Grundlage der eigenen Risikobewertung zu einem möglichen früheren Zeitpunkt mit Schutzmaßnahmen zu beginnen. Offen ist dabei, ob diese mit probabilistischen Wettervorhersagen, der Unsicherheit und den Implikationen durch die zusätzliche Vorlaufzeit umgehen können, wie sich Vorhersagen und Warnungen in wetterbezogenen Entscheidungen widerspiegeln und welche Einflussfaktoren auf die Entscheidung wirken. Im Rahmen des vom Deutschen Wetterdienst (DWD) geförderten Projektes WEXICOM (Wetterwarnungen: Von der Extremereignis-Information zu Kommunikation und Handlung) wurden dazu zwischen den Jahren 2012 und 2016 drei Studien durchgeführt. In einer ersten explorativen Studie wurden Vertreterinnen und Vertreter des deutschen Bevölkerungsschutzes gefragt, wieWetterwarnungen an sie kommuniziert werden und wie sie diese Informationen in Maßnahmen umsetzten. Die Studie bestand aus mehreren offenen Fragen, um möglichst viele neue Themen zu identifizieren. Thematische Schwerpunkte waren das Vertrauen in Wettervorhersagen, das Verständnis von Wahrscheinlichkeiten und die benötigte Vorlaufzeit für vorbereitende Maßnahmen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Befragten im Allgemeinen die Unsicherheit in Wettervorhersagen gut einschätzen. Obwohl kein eindeutiger Wahrscheinlichkeitswert identifiziert werden konnte, bei dem sie mit vorbereitenden Maßnahmen beginnen würden, wurde deutlich, dass Feuerwehren und Rettungsdienste es vermeiden ihre Entscheidungen auf Grund von Vorhersagen mit niedriger Eintrittswahrscheinlichkeit zu treffen. In einer zweiten Fragebogenstudie wurde das Thema der Schwellenwerte für Entscheidungen mit Bewohnern von Berlin weiter untersucht. Es wurde geprüft, welche mögliche Faktoren die individuellen Wahrscheinlichkeitswerte beeinflussen. Der Fragebogen beinhaltete dafür ein fiktives Entscheidungs-Szenario und weitere Fragen zur Wahrnehmung und vorherigen Erfahrung mit Unwetter, der Einschätzung der Vertrauenswürdigkeit von Forecastern und das Vertrauen inWettervorhersagen sowie soziodemografische und sozioökonomische Merkmale. Die Ergebnisse zeigen, dass die Handlungsbereitschaft tendenziell höher ist und die Schwellenwerte tendenziell niedriger ausfallen, wenn das erwartete Wetterereignis schwerwiegender ist oder das gefährdete Eigentum einen höheren Wert hat. Mehrere Faktoren beeinflussen die Risikowahrnehmung und den Schwellenwert. Darunter Bildung, Wohnstatus und Selbstwirksamkeitserwartung. Wohingegen soziodemografische Merkmale nicht ausreichen, um Risikowahrnehmung und Schutzverhalten vollständig zu erfassen. Parallel zu den quantitativen Studien wurde eine Interviewstudie mit 27 Vertreterinnen und Vertretern des deutschen Bevölkerungsschutzes durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die technologischen Entwicklungen durch die numerische Wettervorhersage nicht zwangsläufig durch die derzeitige Praxis des deutschen Bevölkerungsschutzes aufgegriffen werden können. Dieser reagiert zumeist auf Grundlage von Alarmen und Bestätigungen durch Lagebilder von Ort, anstatt auf der Grundlage von (Wetter-) Vorhersagen zu arbeiten. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass letztendlich die Konsequenzen von Wetter und nicht das Wetterereignis an sich die Handlungen prägen. Impact-basierende Warnungen können hier aufgrund der Praxisnähe eine hilfreiche Unterstützung für einige Empfängergruppen darstellen. Für diese Form der Warnung benötigen die Wetterdienste Daten zu den Auswirkungen von Wetter. Notwendig dafür ist eine verbesserte Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen Wetterdiensten und professionellen Empfängergruppen. So erlernen die Wetterdienste die Bedeutung von Auswirkungen für den einzelnen Empfänger und unterstützen gleichzeitig das Verständnis von numerischen Wettervorhersagen. Die Kommunikation von Vorhersageunsicherheiten erfordert grundlegend ein Bewusstsein und Verständnis über die Grenzen des Wissens und somit über die Fähigkeiten der Forecaster, zukünftige Entwicklungen der Atmosphäre vorherzusagen und über die Fähigkeiten der Empfängerinnen und Empfänger, diese Informationen zu verstehen und umzusetzen. KW - uncertainty KW - risk KW - warning KW - Unsicherheit KW - Risiko KW - Warnung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411541 ER - TY - THES A1 - Meier, Sebastian T1 - Personal Big Data T1 - Personal Big Data BT - a privacy-centred selective cloud computing approach to progressive user modelling on mobile devices BT - ein mit dem Schwerpunkt auf Privatsphäre entwickelter selektiver Cloud-Computing Ansatz zur fortschreitenden Modellierung von Nutzerverhalten auf mobilen Endgeräten N2 - Many users of cloud-based services are concerned about questions of data privacy. At the same time, they want to benefit from smart data-driven services, which require insight into a person’s individual behaviour. The modus operandi of user modelling is that data is sent to a remote server where the model is constructed and merged with other users’ data. This thesis proposes selective cloud computing, an alternative approach, in which the user model is constructed on the client-side and only an abstracted generalised version of the model is shared with the remote services. In order to demonstrate the applicability of this approach, the thesis builds an exemplary client-side user modelling technique. As this thesis is carried out in the area of Geoinformatics and spatio-temporal data is particularly sensitive, the application domain for this experiment is the analysis and prediction of a user’s spatio-temporal behaviour. The user modelling technique is grounded in an innovative conceptual model, which builds upon spatial network theory combined with time-geography. The spatio-temporal constraints of time-geography are applied to the network structure in order to create individual spatio-temporal action spaces. This concept is translated into a novel algorithmic user modelling approach which is solely driven by the user’s own spatio-temporal trajectory data that is generated by the user’s smartphone. While modern smartphones offer a rich variety of sensory data, this thesis only makes use of spatio-temporal trajectory data, enriched by activity classification, as the input and foundation for the algorithmic model. The algorithmic model consists of three basal components: locations (vertices), trips (edges), and clusters (neighbourhoods). After preprocessing the incoming trajectory data in order to identify locations, user feedback is used to train an artificial neural network to learn temporal patterns for certain location types (e.g. work, home, bus stop, etc.). This Artificial Neural Network (ANN) is used to automatically detect future location types by their spatio-temporal patterns. The same is done in order to predict the duration of stay at a certain location. Experiments revealed that neural nets were the most successful statistical and machine learning tool to detect those patterns. The location type identification algorithm reached an accuracy of 87.69%, the duration prediction on binned data was less successful and deviated by an average of 0.69 bins. A challenge for the location type classification, as well as for the subsequent components, was the imbalance of trips and connections as well as the low accuracy of the trajectory data. The imbalance is grounded in the fact that most users exhibit strong habitual patterns (e.g. home > work), while other patterns are rather rare by comparison. The accuracy problem derives from the energy-saving location sampling mode, which creates less accurate results. Those locations are then used to build a network that represents the user’s spatio-temporal behaviour. An initial untrained ANN to predict movement on the network only reached 46% average accuracy. Only lowering the number of included edges, focusing on more common trips, increased the performance. In order to further improve the algorithm, the spatial trajectories were introduced into the predictions. To overcome the accuracy problem, trips between locations were clustered into so-called spatial corridors, which were intersected with the user’s current trajectory. The resulting intersected trips were ranked through a k-nearest-neighbour algorithm. This increased the performance to 56%. In a final step, a combination of a network and spatial clustering algorithm was built in order to create clusters, therein reducing the variety of possible trips. By only predicting the destination cluster instead of the exact location, it is possible to increase the performance to 75% including all classes. A final set of components shows in two exemplary ways how to deduce additional inferences from the underlying spatio-temporal data. The first example presents a novel concept for predicting the ‘potential memorisation index’ for a certain location. The index is based on a cognitive model which derives the index from the user’s activity data in that area. The second example embeds each location in its urban fabric and thereby enriches its cluster’s metadata by further describing the temporal-semantic activity in an area (e.g. going to restaurants at noon). The success of the client-side classification and prediction approach, despite the challenges of inaccurate and imbalanced data, supports the claimed benefits of the client-side modelling concept. Since modern data-driven services at some point do need to receive user data, the thesis’ computational model concludes with a concept for applying generalisation to semantic, temporal, and spatial data before sharing it with the remote service in order to comply with the overall goal to improve data privacy. In this context, the potentials of ensemble training (in regards to ANNs) are discussed in order to highlight the potential of only sharing the trained ANN instead of the raw input data. While the results of our evaluation support the assets of the proposed framework, there are two important downsides of our approach compared to server-side modelling. First, both of these server-side advantages are rooted in the server’s access to multiple users’ data. This allows a remote service to predict spatio-in the user-specific data, which represents the second downside. While minor classes will likely be minor classes in a bigger dataset as well, for each class, there will still be more variety than in the user-specific dataset. The author emphasises that the approach presented in this work holds the potential to change the privacy paradigm in modern data-driven services. Finding combinations of client- and server-side modelling could prove a promising new path for data-driven innovation. Beyond the technological perspective, throughout the thesis the author also offers a critical view on the data- and technology-driven development of this work. By introducing the client-side modelling with user-specific artificial neural networks, users generate their own algorithm. Those user-specific algorithms are influenced less by generalised biases or developers’ prejudices. Therefore, the user develops a more diverse and individual perspective through his or her user model. This concept picks up the idea of critical cartography, which questions the status quo of how space is perceived and represented. N2 - Die Nutzung von modernen digitalen Diensten und Cloud-Services geht häufig einher mit einer Besorgtheit um die Sicherheit der eigenen Privatsphäre. Gleichzeitig zeigt sich, dass die Nutzung eben dieser Dienste nicht rückläufig ist. Dieses Phänomen wird in der Wissenschaft auch als Privacy-Paradox bezeichnet (Barnes, 2006). Viele digitale Dienste bauen einen Großteil ihrer Funktionalitäten auf NutzerInnendaten auf. Der Modus Operandi bei diesen Diensten ist bisher, die Daten der NutzerInnen an einen Server zu schicken, wo diese verarbeitet, analysiert und gespeichert werden. Die vorliegende Doktorarbeit schlägt ein alternatives Konzept vor: Selective Cloud Computing. Kern dieses Konzeptes ist die Verlagerung der NutzerInnen-Modellierung auf die privaten Endgeräte, wodurch für weitere Services nur ein abstrahiertes Daten- und NutzerInnenmodel mit den externen Diensten geteilt wird. Um dieses Konzept auf seine Machbarkeit und Performanz zu überprüfen wird im Rahmen dieser Arbeit ein beispielhafter Prozess für die nutzerInnenseitige Modellierung von raumzeitlichen Informationen entwickelt. Da raumzeitliche Informationen mit zu den sensibelsten persönlichen Daten gehören, bietet die Verortung der vorliegende Arbeit im Bereich der Geoinformatik für das Anwendungsfeld der NutzerInnen-Modellierung einen passenden disziplinären Rahmen. Die NutzerInnen-Modellierung fußt auf einem innovativen konzeptuellen Modell, welches Theorien zu räumlichen Netzwerken und Hägerstrands Theorie der Zeitgeographie miteinander kombiniert (Hägerstrand, 1970). Hierbei werden die von Hägerstrand entwickelten raumzeitlichen Einschränkungen (Constraints) auf das Netzwerkmodel übertragen, wodurch individuelle Aktionsräume konstituiert werden. Dieses Model wird schließlich in ein algorithmisches Computermodel übersetzt, dessen Operationen ausschließlich die Daten verarbeiten und nutzen, die auf den Smartphones der NutzerInnen generiert werden. Moderne Smartphones bieten für die Datengenerierung gute Voraussetzungen, da sie den Zugriff auf eine ganze Bandbreite an Sensoren und anderen Datenquellen ermöglich. Die vorliegende Arbeit beschränkt sich dabei jedoch auf die raumzeitlichen Informationen, welche über die Ortungsfunktionen des Geräts produziert werden (Trajectories). Die Trajektorien werden angereichert durch Aktivitätsklassifikationen (z.B. Laufen, Radfahren, etc.), welche von der App, die diese Daten aufzeichnet, zugeordnet werden. Das Computermodel basiert auf diesen Daten und gliedert diese in drei grundlegende Komponenten: 1) Orte (Knotenpunkte) 2) Trips (Kanten) und 3) Cluster (Nachbarschaften). Zu Beginn der algorithmischen Verarbeitung werden die eingehenden Daten optimiert und analysiert, um in einem ersten Schritt geographische Orte zu identifizieren. Um diese Orte nun mit semantischen Informationen anzureichern wird ein automatisierter Algorithmus über User-Feedback trainiert, welcher die Orts-Typen selbstständig erkennt (z.B. Zuhause, Arbeitsplatz, Haltestelle). Der Algorithmus basiert auf einem künstlichen neuronalen Netz, welches versucht, Muster in den Daten zu erkennen. Die Entscheidung, neuronale Netze in diesem Prozess einzusetzen, ergab sich aus einer Evaluation verschiedener Verfahren der statistischen Klassifizierung und des maschinellen Lernens. Das Verfahren zur Erkennung der Orts-Typen erreichte unter Zuhilfenahme eines künstlichen neuronalen Netz eine Genauigkeit von 87.69% und war damit das akkurateste. Eine weitere Einsatzmöglichkeit solcher neuronalen Netze ist bei der Vorhersage von Aufenthaltsdauern an bestimmten Orten, welche im Durschnitt 0.69 Klassen vom korrekten Ergebnis abwich. Eine große Herausforderung für alle Module war sowohl die Ungenauigkeit der Rohdaten, also auch die ungleichmäßige Verteilung der Daten. Die Ungenauigkeit ist ein Resultat der Generierung der Positionsinformationen, welche zugunsten eines geringeren Energieverbrauchs der mobilen Geräte Ungenauigkeiten in Kauf nehmen muss. Die ungleichmäßige Verteilung ergibt sich wiederum durch häufig wiederkehrende Muster (z.B. Fahrten zur Arbeit und nach Hause), welche im Vergleich zu anderen Aktivitäten vergleichsweise häufig auftreten und die Datensätze dominieren. Die Orte, die in der ersten Phase identifiziert und klassifiziert wurden, werden im nächsten Schritt für die Konstruktion des eigentlichen räumlichen Netzwerks genutzt. Basierend auf den über einen bestimmten Zeitraum gesammelten Daten der NutzerInnen und im Rückgriff auf Hägerstrands Einschränkungsprinzip werden Vorhersagen über mögliche raumzeitliche Verhaltensweisen im nutzerspezifischen Netzwerk gemacht. Hierzu werden Methoden des maschinellen Lernens, in diesem Fall künstliche neuronale Netze und Nächste-Nachbarn-Klassifikation (k-nearest-neighbour), mit Methoden der Trajektorien-Analyse kombiniert. Die zugrundeliegenden Orts- und Bewegungsinformationen werden unter Anwendung von Netzwerk-Nachbarschafts-Methoden und klassischen räumlichen Gruppierungsmethoden (Clustering) für die Optimierung der Algorithmen verfeinert. Die aus diesen Schritten resultierende Methodik erreichte eine Genauigkeit von 75% bei der Vorhersage über raumzeitliches Verhalten. Wenn man Vorhersagen mit einbezieht, bei denen der korrekte Treffer auf Rang 2 und 3 der Nächste-Nachbarn-Klassifikation liegt, erreichte die Methodik sogar eine Vorhersagen-Genauigkeit von 90%. Um zu erproben, welche weiteren Schlussfolgerungen über die NutzerInnen basierend auf den zugrundeliegenden Daten getroffen werden könnten, werden abschließend zwei beispielhafte Methoden entwickelt und getestet: zum einen werden die Trajektorien genutzt um vorherzusagen, wie gut eine NutzerIn ein bestimmtes Gebiet kennt (Potential Memorisation Index). Zum anderen werden zeitlich-semantische Muster für Orts-Cluster extrahiert und darauf basierend berechnet, wann welche Aktivitäten und spezifischen Orte innerhalb eines Clusters für die NutzerIn potenziell von Interesse sind. Trotz der Herausforderungen, die mit den unausgeglichenen Datensätzen und teilweise fehlerhaften Daten einhergehen, spricht die dennoch vergleichsweise hohe Präzision der nutzerseitigen Klassifizierungs- und Vorhersagemethoden für den in dieser Arbeit vorgestellten Ansatz der nutzerseitigen Modellierung. In einem letzten Schritt kontextualisiert die vorliegende Arbeit die erstellten Ansätze in einem realweltlichen Anwendungsfall und diskutiert den Austausch der generierten Daten mit einem datengestützten Dienst. Hierzu wird das Konzept der Generalisierung genutzt, um im Sinne des Schutzes der Privatsphäre abstrahierte Daten mit einem Dienst zu teilen. Obgleich der positiven Ergebnisse der Tests gibt es auch klare Nachteile im Vergleich zur klassischen serverseitigen Modellierung, die unter Einbezug mehrerer aggregierter NutzerInnenprofile stattfindet. Hierzu zählt zum einen, dass unterrepräsentierte Klassen in den Daten schlechter identifiziert werden können. Zum anderen ergibt sich der Nachteil, dass nur Verhaltensweisen erkannt werden können, die bereits zuvor von der NutzerIn selber ausgeübt wurden und somit in den Daten bereits enthalten sind. Im Vergleich dazu besteht bei serverseitiger Modellierung auf der Basis zahlreicher Personenprofile der Zugriff auf ein breiteres Spektrum an Verhaltensmustern und somit die Möglichkeit, diese Muster mit dem der NutzerIn abzugleichen, ohne dass dieses Verhalten bereits in ihren nutzerseitig generierten Daten abgelegt ist. Nichtsdestotrotz zeigt die Arbeit, welches Potential die nutzerseitige Modellierung bereithält - nicht nur in Bezug auf den größeren Schutz der Privatsphäre der NutzerInnen, sondern ebenso in Hinsicht auf den Einsatz von Methoden des verteilten Rechnens (distributed computing). Die Kombination von beidem, nutzerInnen- und serverseitiger Modellierung, könnte ein neuer und vielversprechender Pfad für datengetriebene Innovation darstellen. Neben der technologischen Perspektive werden die entwickelten Methoden einer kritischen Analyse unterzogen. Durch das Einbringen der nutzerseitigen Modellierung in Form von benutzerspezifischen künstlichen neuronalen Netzen trainieren die NutzerInnen ihre eigenen Algorithmen auf ihren mobilen Geräten. Diese spezifischen Algorithmen sind weniger stark von generalisierten Vorannahmen, Vorurteilen und möglichen Befangenheiten der EntwicklerInnen beeinflusst. Hierdurch haben NutzerInnen die Möglichkeit, vielfältigere und persönlichere Perspektiven auf ihre Daten und ihr Verhalten zu generieren. Dieses Konzept setzt Ideen der kritischen Kartographie fort, in welcher der Status Quo der Wahrnehmung und Repräsentation des Raumes hinterfragt werden. KW - Personal Data KW - mobile KW - machine learning KW - privacy KW - spatio-temporal KW - recommendation KW - behaviour KW - persönliche Informationen KW - Mobil KW - Machine Learning KW - Privatsphäre KW - raum-zeitlich KW - Empfehlungen KW - Verhalten Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406696 ER - TY - THES A1 - Munz, Matthias T1 - Water flow and heat transport modelling at the interface between river and aquifer T1 - Wasserfluss- und Wärmetransportmodellierung an der Schnittstelle zwischen Fluss und Grundwasserleiter N2 - The functioning of the surface water-groundwater interface as buffer, filter and reactive zone is important for water quality, ecological health and resilience of streams and riparian ecosystems. Solute and heat exchange across this interface is driven by the advection of water. Characterizing the flow conditions in the streambed is challenging as flow patterns are often complex and multidimensional, driven by surface hydraulic gradients and groundwater discharge. This thesis presents the results of an integrated approach of studies, ranging from the acquisition of field data, the development of analytical and numerical approaches to analyse vertical temperature profiles to the detailed, fully-integrated 3D numerical modelling of water and heat flux at the reach scale. All techniques were applied in order to characterize exchange flux between stream and groundwater, hyporheic flow paths and temperature patterns. The study was conducted at a reach-scale section of the lowland Selke River, characterized by distinctive pool riffle sequences and fluvial islands and gravel bars. Continuous time series of hydraulic heads and temperatures were measured at different depths in the river bank, the hyporheic zone and within the river. The analyses of the measured diurnal temperature variation in riverbed sediments provided detailed information about the exchange flux between river and groundwater. Beyond the one-dimensional vertical water flow in the riverbed sediment, hyporheic and parafluvial flow patterns were identified. Subsurface flow direction and magnitude around fluvial islands and gravel bars at the study site strongly depended on the position around the geomorphological structures and on the river stage. Horizontal water flux in the streambed substantially impacted temperature patterns in the streambed. At locations with substantial horizontal fluxes the penetration depths of daily temperature fluctuations was reduced in comparison to purely vertical exchange conditions. The calibrated and validated 3D fully-integrated model of reach-scale water and heat fluxes across the river-groundwater interface was able to accurately represent the real system. The magnitude and variations of the simulated temperatures matched the observed ones, with an average mean absolute error of 0.7 °C and an average Nash Sutcliffe Efficiency of 0.87. The simulation results showed that the water and heat exchange at the surface water-groundwater interface is highly variable in space and time with zones of daily temperature oscillations penetrating deep into the sediment and spots of daily constant temperature following the average groundwater temperature. The average hyporheic flow path temperature was found to strongly correlate with the flow path residence time (flow path length) and the temperature gradient between river and groundwater. Despite the complexity of these processes, the simulation results allowed the derivation of a general empirical relationship between the hyporheic residence times and temperature patterns. The presented results improve our understanding of the complex spatial and temporal dynamics of water flux and thermal processes within the shallow streambed. Understanding these links provides a general basis from which to assess hyporheic temperature conditions in river reaches. N2 - Die Interaktion zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser hat einen entscheidenden Einfluss auf die Wasserqualität und die ökologische Beschaffenheit von Seen, Flüssen und aquatischen Ökosystemen. Der Austausch von Wärme und gelösten Substanzen zwischen diesen beiden Kompartimenten ist maßgeblich durch die Austauschraten und die Strömungsrichtung des Wassers beeinflusst. Somit ist die Charakterisierung dieser beiden Größen in dem Übergangsbereich zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser von besonderer Bedeutung. Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung und Anwendung von Methoden zur Untersuchung der zeitlichen und räumlichen Dynamik des Wasser- und Wärmeflusses an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser. Die Arbeit besteht im Wesentlichen aus zwei Schwerpunkten. Der erste Schwerpunkt beinhaltet die Entwicklung und Bewertung von analytischen und numerischen Methoden zur Bestimmung der horizontalen Strömungsrichtung und Austauschraten unter Verwendung von kontinuierlich gemessenen Temperaturzeitreihen entlang vertikaler Profile im gesättigten Sediment. Flussbetttemperaturen können relativ einfach und kostengünstig entlang eines Flussabschnittes in verschiedenen Tiefen und unterschiedlichsten Flussbettsedimenten (organisch, sandig bis grob kiesig) gemessen werden. Die Hauptverwendung solcher Temperaturprofile ist bisher auf die analytische Quantifizierung vertikaler Austauschraten limitiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ansatz entwickelt, der eine punktuelle Ermittlung der horizontalen Strömungs-komponente, basierend auf der Veränderung der täglichen Temperaturamplitude mit zunehmender Tiefe, ermöglicht. Weiterhin wurde ein inverser, numerischer Ansatz entwickelt, der die ein-dimensionale Wärmetransportgleichung numerisch löst und mittels inverser Optimierungsalgorithmen die simulierten Temperaturen bestmöglich an die gemessenen Flussbetttemperaturen anpasst. Diese Methode ermöglicht die automatische, zeitlich variable Quantifizierung vertikaler Austauschraten an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser sowie eine einfache Unsicherheitsbetrachtung aufgrund der zugrunde liegenden Parameterunsicherheiten. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Anwendung der entwickelten Methoden und der Erstellung eines dreidimensionalen Simulationsmodelles entlang eines Flussabschnittes der Selke. Numerische Strömungs- und Stofftransportmodelle ermöglichen die gekoppelte Simulation von Fließprozessen im offenen Gerinne und im darunter liegenden porösen Medium. Die Parametrisierung des Modells erfolgte anhand empirischer Daten die im Untersuchungsgebiet detailliert erhoben wurden. Die Simulationsergebnisse zeigten zum einen gebietsspezifische Gegebenheiten auf, ermöglichten darüber hinaus jedoch auch die Beschreibung allgemeiner Muster und Zusammenhänge welche die Wasserfluss- und Wärmetransportprozesse an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser beeinflussen. So zeigten die Ergebnisse dieser Arbeit, dass maßgeblich die natürlich vorhandenen Flussbettstrukturen die Austauschraten und die Strömungsrichtung zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser beeinflussen und somit den hyporheischen Austausch bestimmen. Wichtige Einflussfaktoren auf die untersuchten Austauschprozesse waren die Lage im Gerinne relativ zur Flussbettstruktur und der vorherrschende Wasserstand (Abfluss). Bedingt durch den Wasser- und Wärmeaustausch prägten sich im Untersuchungsgebiet Bereiche aus in denen die täglichen Temperaturschwingungen tief in das Sediment eindringen (Anstrombereich der Flussbettstrukturen), als auch Bereiche in denen relativ konstante Temperaturen, nahe der Grundwassertemperatur, vorherrschten. Die durchschnittliche Temperatur in der hyporheischen Zone wurde durch die saisonalen Temperaturschwankungen im Oberflächenwasser dominiert, wobei die Temperaturen entlang einzelner Fließpfade stark von der Verweilzeit des Oberflächen- oder Grundwassers im gesättigten Sediment und dem Temperaturgradienten zwischen Fluss und Grundwasser abhängig waren. Trotz der Komplexität dieser Zusammenhänge, ermöglichten die Simulationsergebnisse die Ableitung einer allgemeinen empirischen Beziehung zwischen den hyporheischen Verweilzeiten und Temperaturmustern. Sowohl die Verweilzeiten als auch die Temperatur im gesättigten Sediment haben einen entscheiden Einfluss auf biogeochemische Prozesse in dem Übergangsbereich zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser und sind somit von besonderer Bedeutung für die Wasserqualität von Seen, Flüssen und aquatischen Ökosystemen. KW - surface water-groundwater interaction KW - Oberflächenwasser-Grundwasser Interaktion KW - hyporheic zone KW - hyporheische Zone KW - numerical modeling KW - numerische Modellierung KW - heat transport KW - Wärmetransport KW - temperature KW - Temperatur Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404319 ER -