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Drought modeling and forecasting

  • Over millennia, droughts could not be understood or defined but rather were associated with mystical connotations. To understand this natural hazards, we first needed to understand the laws of physics and then develop plausible explanations of inner workings of the hydrological cycle. Consequently, modeling and predicting droughts was out of the scope of mankind until the end of the last century. In recent studies, it is estimated that this natural hazard has caused billions of dollars in losses since 1900 and that droughts have affected 2.2 billion people worldwide between 1950 and 2014. For these reasons, droughts have been identified by the IPCC as the trigger of a web of impacts across many sectors leading to land degradation, migration and substantial socio-economic costs. This thesis summarizes a decade of research carried out at the Helmholtz Centre for Environmental Research on the subject of drought monitoring, modeling, and forecasting, from local to continental scales. The overarching objectives of this study,Over millennia, droughts could not be understood or defined but rather were associated with mystical connotations. To understand this natural hazards, we first needed to understand the laws of physics and then develop plausible explanations of inner workings of the hydrological cycle. Consequently, modeling and predicting droughts was out of the scope of mankind until the end of the last century. In recent studies, it is estimated that this natural hazard has caused billions of dollars in losses since 1900 and that droughts have affected 2.2 billion people worldwide between 1950 and 2014. For these reasons, droughts have been identified by the IPCC as the trigger of a web of impacts across many sectors leading to land degradation, migration and substantial socio-economic costs. This thesis summarizes a decade of research carried out at the Helmholtz Centre for Environmental Research on the subject of drought monitoring, modeling, and forecasting, from local to continental scales. The overarching objectives of this study, systematically addressed in the twelve previous chapters, are: 1) Create the capability to seamless monitor and predict water fluxes at various spatial resolutions and temporal scales varying from days to centuries; 2) Develop and test a modeling chain for monitoring, forecasting and predicting drought events and related characteristics at national and continental scales; and 3) Develop drought indices and impact indicators that are useful for end-users. Key outputs of this study are: the development of the open source model mHM, the German Drought Monitor System, the proof of concept for an European multi-model for improving water managent from local to continental scales, and the prototype of a crop-yield drought impact model for Germany.show moreshow less
  • Über Jahrtausende hinweg konnten Dürren nicht verstanden oder definiert werden und waren dahergehend mystisch konnotiert. Zum Verständnis dieser natürlichen Gefahren mussten wir zuerst die Gesetze der Physik verstehen, um dann plausible Erklärungen für die Funktionsweise des hydrologischen Zyklus zu entwickeln. Infolgedessen war die Modellierung und Vorhersage von Dürreperioden bis zum Ende des letzten Jahrhunderts außerhalb der menschlichen Reichweite. In jüngsten Studien wird geschätzt, dass seit 1900 diese Naturgefahr Milliarden von Dollar an Verlusten verursacht und zwischen 1950 und 2014 Dürreperioden 2,2 Milliarden Menschen weltweit betroffen hat. Aus diesen Gründen wurden Dürren vom Weltklimarat als der Auslöser eines Netzes an Auswirkungen in den verschiedensten Sektoren identifiziert, welches zu Landdegradation, Migration und erheblichen sozioökonomischen Kosten führt. Diese Habilitation fasst ein Jahrzent der Forschung des Helmoltz-Zentrums für Umweltforschung bezüglich des Dürremonitorings, der Modelierung undÜber Jahrtausende hinweg konnten Dürren nicht verstanden oder definiert werden und waren dahergehend mystisch konnotiert. Zum Verständnis dieser natürlichen Gefahren mussten wir zuerst die Gesetze der Physik verstehen, um dann plausible Erklärungen für die Funktionsweise des hydrologischen Zyklus zu entwickeln. Infolgedessen war die Modellierung und Vorhersage von Dürreperioden bis zum Ende des letzten Jahrhunderts außerhalb der menschlichen Reichweite. In jüngsten Studien wird geschätzt, dass seit 1900 diese Naturgefahr Milliarden von Dollar an Verlusten verursacht und zwischen 1950 und 2014 Dürreperioden 2,2 Milliarden Menschen weltweit betroffen hat. Aus diesen Gründen wurden Dürren vom Weltklimarat als der Auslöser eines Netzes an Auswirkungen in den verschiedensten Sektoren identifiziert, welches zu Landdegradation, Migration und erheblichen sozioökonomischen Kosten führt. Diese Habilitation fasst ein Jahrzent der Forschung des Helmoltz-Zentrums für Umweltforschung bezüglich des Dürremonitorings, der Modelierung und Vorhersage auf lokalen und kontinentalen Skalen zusammen. Folgende sind die übergreifenden Ziele dieser Studie, welche systematisch in den zwölf vorherigen Kapiteln aufgeführt wurden: 1. Die Fähigkeit zur ``seamless'' Überwachung und zur Vorhersage des Wasserflusses in verschiedenen räumlichen Auflösungen und zeitlichen Skalen, welche zwischen Tagen bis zu Jahrhunderten variieren, zu schaffen; 2. Entwicklung und Test einer Modellierungskette für Überwachung, Prognose und Vorhersage von Dürreereignissen und damit zusammenhängenden Merkmalen auf nationaler und kontinentaler Ebene; und 3. Entwicklung von Dürreindizes und Wirkungsindikatoren, die für Benutzer nützlich sind. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie sind: die Entwicklung des Open-Source-Modells mHM, des Dürremonitor Deutschland, der Proof-of-Concept für ein Europäisches Multi-Modell zur Verbesserung des Wassermanagements auf lokalen bis kontinentalen Skalen, und ein Prototyp zur Modellierung der Dürreauswirkungen auf die Ernteerträge in Deutschland.show moreshow less
Metadaten
Author details:Luis SamaniegoORCiD
Subtitle (English):from local to global scales
Reviewer(s):Sabine AttingerORCiDGND, Kerstin StahlORCiDGND, Remko UijlenhoetORCiDGND
Supervisor(s):Sabine Attinger, Kerstin Stahl, Remko Uijlenhoet
Publication type:Habilitation Thesis
Language:English
Year of first publication:2021
Completion year:2021
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2021/02/23
Release date:2021/06/24
Tag:Drought; Forecast; Hydrological modeling
Number of pages:xxvii, 273
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Umweltwissenschaften und Geographie
CCS classification:A. General Literature
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
MSC classification:92-XX BIOLOGY AND OTHER NATURAL SCIENCES / 92Fxx Other natural sciences (should also be assigned at least one other classification number in this section) / 92F99 None of the above, but in this section
JEL classification:C Mathematical and Quantitative Methods
License (German):License LogoCC BY-SA - Namensnennung, Weitergabe zu gleichen Bedingungen, 4.0 International
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