Linda Krummenauer

• 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, theirHeat 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.…
• 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 aufHitze 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.…