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Modeling past, present and future climate induced vegetation changes in East Africa

Modellierung vergangener, gegenwärtiger und zukünftiger klimainduzierter Vegetationsveränderungen in Ostafrika

  • East Africa is a natural laboratory: Studying its unique geological and biological history can help us better inform our theories and models. Studying its present and future can help us protect its globally important biodiversity and ecosystem services. East African vegetation plays a central role in all these aspects, and this dissertation aims to quantify its dynamics through computer simulations. Computer models help us recreate past settings, forecast into the future or conduct simulation experiments that we cannot otherwise perform in the field. But before all that, one needs to test their performance. The outputs that the model produced using the present day-inputs, agreed well with present-day observations of East African vegetation. Next, I simulated past vegetation for which we have fossil pollen data to compare. With computer models, we can fill the gaps of knowledge between sites where we have fossil pollen data from, and create a more complete picture of the past. Good level of agreement between model and pollen dataEast Africa is a natural laboratory: Studying its unique geological and biological history can help us better inform our theories and models. Studying its present and future can help us protect its globally important biodiversity and ecosystem services. East African vegetation plays a central role in all these aspects, and this dissertation aims to quantify its dynamics through computer simulations. Computer models help us recreate past settings, forecast into the future or conduct simulation experiments that we cannot otherwise perform in the field. But before all that, one needs to test their performance. The outputs that the model produced using the present day-inputs, agreed well with present-day observations of East African vegetation. Next, I simulated past vegetation for which we have fossil pollen data to compare. With computer models, we can fill the gaps of knowledge between sites where we have fossil pollen data from, and create a more complete picture of the past. Good level of agreement between model and pollen data where they overlapped in space further validated our model performance. Once the model was tested and validated for the region, it became possible to probe one of the long standing questions regarding East African vegetation: How did East Africa lose its tropical forests? The present-day vegetation in the tropics is mainly characterized by continuous forests worldwide except in tropical East Africa, where forests only occur as patches. In a series of simulation experiments, I was able to show under which conditions these forest patches could have been connected and fragmented in the past. This study showed the sensitivity of East African vegetation to climate change and variability such as those expected under future climate change. El Niño Southern Oscillation (ENSO) events that result from the fluctuations in temperature between the ocean and atmosphere, bring further variability to East African climate and are predicted to increase in intensity in the future. But climate models are still not good at capturing the pattens of these events. In a study where I quantified the influence of ENSO events on East African vegetation, I showed how different the future vegetation could be from what we currently predict with these climate models that lack accurate ENSO contribution. Consideration of these discrepancies is important for our future global carbon budget calculations and management decisions.show moreshow less
  • Ostafrika ist ein natürliches Labor: Durch ein Studium seiner einzigartigen geologischen und biologischen Geschichte lassen sich unsere Theorien und Modelle überprüfen und verbessern. Ein Studium seiner Gegenwart und seiner Zukunft wiederum hilft uns dabei, die global bedeutende Artenvielfalt und die ökosystemaren Dienstleistungen Ostafrikas zu schützen. Eine zentrale Rolle spielt dabei spielt die ostafrikanische Vegetation, deren Dynamiken in dieser Dissertation durch Computersimulationen quantifiziert werden sollen. Über Computersimulationen lassen sich frühere Rahmenbedingungen reproduzieren, Voraussagen treffen oder Simulationsexperimente durchführen, die durch Feldforschung nicht möglich wären. Zuallererst muss jedoch ihre Leistungsfähigkeit überprüft werden. Die von dem Modell anhand der heutigen Inputs gelieferten Ergebnisse stimmten weitgehend mit heutigen Beobachtungen ostafrikanischer Vegetation überein. Als nächstes wurde die frühere Vegetation simuliert, für die fossile Pollen-Daten zum Abgleich vorliegen. ÜberOstafrika ist ein natürliches Labor: Durch ein Studium seiner einzigartigen geologischen und biologischen Geschichte lassen sich unsere Theorien und Modelle überprüfen und verbessern. Ein Studium seiner Gegenwart und seiner Zukunft wiederum hilft uns dabei, die global bedeutende Artenvielfalt und die ökosystemaren Dienstleistungen Ostafrikas zu schützen. Eine zentrale Rolle spielt dabei spielt die ostafrikanische Vegetation, deren Dynamiken in dieser Dissertation durch Computersimulationen quantifiziert werden sollen. Über Computersimulationen lassen sich frühere Rahmenbedingungen reproduzieren, Voraussagen treffen oder Simulationsexperimente durchführen, die durch Feldforschung nicht möglich wären. Zuallererst muss jedoch ihre Leistungsfähigkeit überprüft werden. Die von dem Modell anhand der heutigen Inputs gelieferten Ergebnisse stimmten weitgehend mit heutigen Beobachtungen ostafrikanischer Vegetation überein. Als nächstes wurde die frühere Vegetation simuliert, für die fossile Pollen-Daten zum Abgleich vorliegen. Über Computermodelle lassen sich Wissenslücken zwischen Standorten überbrücken, bei denen wir über fossile Pollen-Daten verfügen, sodass ein vollständigeres Bild der Vergangenheit entsteht. Zusätzlich validiert wurde die Leistungsfähigkeit des Modells durch die hohe Übereinstimmung zwischen Modell und Pollen-Daten, wo sie im Raum überlappen. Nachdem das Modell getestet und für die Region validiert war, konnte eine der seit langem offenen Fragen über die ostafrikanische Vegetation angegangen werden, nämlich wie Ostafrika seines Tropenwaldes verlustig gehen konnte. In den Tropen wird die heutige Vegetation weltweit hauptsächlich von Wäldern dominiert, mit Ausnahme der Tropengebiete Ostafrikas, wo Wälder nur noch stellenweise an der Küste und im Hochland vorkommen. Durch eine Reihe von Simulationsexperimenten konnte aufgezeigt werden, unter welchen Bedingungen jene Waldgebiete früher zusammenhingen und schließlich fragmentiert wurden. Die Studie hat erwiesen, wie empfindlich die ostafrikanische Vegetation für die Klimaschwankungen ist, die durch den künftigen Klimawandel zu erwarten sind. Weitere Auswirkungen auf das ostafrikanische Klima ergeben sich aus dem El Niño/Southern Oscillation-Phänomen (ENSO), das aus Temperaturfluktuationen zwischen dem Ozean und der Atmosphäre herrührt und künftig an Intensität zunehmen dürfte. Die derzeitigen Klimamodelle sind allerdings noch nicht gut genug beim Erfassen solcher Ereignismuster. In einer Studie wurde der Einfluss des ENSO-Phänomens auf die ostafrikanische Vegetation quantifiziert und dabei aufgezeigt, wie sehr sich die künftige Vegetation von den heute simulierten Ergebnissen unterscheiden könnte, bei denen der genaue ENSO-Beitrag nicht berücksichtigt werden kann. Bei der Berechnung der künftigen weltweiten CO2-Bilanz und den zu treffenden Entscheidungen stellt dies einen zusätzlichen Unsicherheitsfaktor dar.show moreshow less

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Metadaten
Author:Istem FerORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427777
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-42777
Advisor:Florian Jeltsch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2018/09/13
Release Date:2019/05/08
Tag:El Niño/Southern Oscillation-Phänomen; Ostafrika; Paläovegetation; Vegetationsmodellierung
East Africa; El Nino Southern Oscillation; paleovegetation; vegetation modeling
Pagenumber:xxii, 156
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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