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Extreme Regenereignisse von kurzer Dauer im Bereich von Stunden und darunter rücken aufgrund der dadurch bedingten Schäden durch Sturzfluten und auch wegen ihrer möglichen Intensivierungen durch den anthropogenen Klimawandel immer stärker in den Fokus. Die vorliegende Studie untersucht auf Basis von teilweise sehr langen (> 50 Jahre) und zeitlich hochaufgelösten Zeitreihen (≤ 15 Minuten) mögliche Trends in Starkregenintensitäten für Stationen aus schweizerischen und österreichischen Alpenregionen sowie für das Emscher-Lippe-Gebiet in Nordrhein-Westfalen. Es wird deutlich, dass es eine Zunahme der extremen Niederschlagsintensitäten gibt, welche gut durch die Erwärmung des regionalen Klimas erklärt werden kann: Die Analysen langfristiger Trends der Überschreitungssummen und Wiederkehrniveaus zeigen zwar erhebliche Unsicherheiten, lassen jedoch eine Zunahme in einer Größenordnung von 30 % pro Jahrhundert erkennen. Zudem wird in diesem Beitrag, basierend auf einer "mittleren" Klimasimulation für das 21. Jahrhundert, für ausgewählte Stationen der Emscher-Lippe-Region eine Projektion für extreme Niederschlagsintensitäten in sehr hoher zeitlicher Auflösung beschrieben. Dabei wird ein gekoppeltes räumliches und zeitliches "Downscaling" angewendet, dessen entscheidende Neuerung die Berücksichtigung der Abhängigkeit der lokalen Regenintensität von der Lufttemperatur ist. Dieses Verfahren beinhaltet zwei Schritte: Zuerst werden großräumige Klimafelder in täglicher Auflösung durch Regression mit den Temperatur- und Niederschlagswerten der Stationen statistisch verbunden (räumliches Downscaling). Im zweiten Schritt werden dann diese Stationswerte mithilfe eines sogenannten multiplikativen stochastischen Kaskadenmodells (MC) auf eine zeitliche Auflösung von 10 Minuten disaggregiert (zeitliches Downscaling). Die neuartige, temperatursensitive Variante berücksichtigt zusätzlich die Lufttemperatur als erklärende Variable für die Niederschlagsintensitäten. Dadurch wird der mit einer Erwärmung zu erwartende höhere atmosphärische Feuchtegehalt, welcher sich aus der Clausius-Clapeyron-Beziehung (CC) ergibt, mit in das zeitliche Downscaling einbezogen.
Für die statistische Auswertung der extremen kurzfristigen Niederschläge wurden die oberen Quantile (99,9 %), Überschreitungssummen (ÜS, P > 5 mm) und 3-jährliche Wiederkehrniveaus (WN) einer Dauerstufe von ≤ 15-Minuten betrachtet. Diese Auswahl erlaubt die gleichzeitige Analyse sowohl von Extremwertstatistiken als auch von deren langfristigen Trends; leichte Abweichungen von dieser Wahl beeinflussen die Hauptergebnisse nur unwesentlich. Nur durch die Hinzunahme der Temperatur wird die beobachtete Temperaturabhängigkeit der extremen Quantile (CC-Scaling) gut wiedergegeben. Bei Vergleich von Beobachtungsdaten und Gegenwartssimulationen der Modellkaskade zeigt das temperatursensitive Verfahren konsistente Ergebnisse. Im Vergleich zu den Entwicklungen der letzten Jahrzehnte werden für die Zukunft ähnliche oder sogar noch stärkere Anstiege der extremen Niederschlagsintensitäten projiziert. Dies ist insofern bemerkenswert, als diese anscheinend hauptsächlich durch die örtliche Temperatur bestimmt werden, denn die projizierten Trends der Niederschlags-Tageswerte sind für diese Region vernachlässigbar.
Das Schulfach Geographie war in der DDR eines der Fächer, das sehr stark mit politischen Themen im Sinne des Marxismus-Leninismus bestückt war. Ein anderer Aspekt sind die sozialistischen Erziehungsziele, die in der Schulbildung der DDR hoch im Kurs standen. Im Fokus stand diesbezüglich die Erziehung der Kinder zu sozialistischen Persönlichkeiten. Die Arbeit versucht einen klaren Blick auf diesen Umstand zu werfen, um zu erfahren, was da von den Lehrkräften gefordert wurde und wie es in der Schule umzusetzen war.
Durch den Fall der Mauer war natürlich auch eine Umstrukturierung des Bildungssystems im Osten unausweichlich. Hier will die Arbeit Einblicke geben, wie die Geographielehrkräfte diese Transformation mitgetragen und umgesetzt haben. Welche Wesenszüge aus der Sozialisierung in der DDR haben sich bei der Gestaltung des Unterrichtes und dessen Ausrichtung auf die neuen Erziehungsziele erhalten?
Hierzu wurden Geographielehrkräfte befragt, die sowohl in der DDR als auch im geeinten Deutschland unterrichtet haben. Die Fragen bezogen sich in erster Linie auf die Art und Weise des Unterrichtens vor, während und nach der Wende und der daraus entstandenen Systemtransformation.
Die Befragungen kommen zu dem Ergebnis, dass sich der Geographieunterricht in der DDR thematisch von dem in der BRD nicht sonderlich unterschied. Von daher bedurfte es keiner umfangreichen inhaltlichen Veränderung des Geographieunterrichts. Schon zu DDR-Zeiten wurden durch die Lehrkräfte offenbar eigenmächtig ideologiefreie physisch-geographische Themen oft ausgedehnt, um die Ideologie des Faches zu reduzieren. So fiel den meisten eine Anpassung ihres Unterrichts an das westdeutsche System relativ leicht. Die humanistisch geprägte Werteerziehung des DDR-Bildungssystems wurde unter Ausklammerung des sozialistischen Aspektes ebenso fortgeführt, da es auch hier viele Parallelen zum westdeutschen System gegeben hat. Deutlich wird eine Charakterisierung des Faches als Naturwissenschaft von Seiten der ostdeutschen Lehrkräfte, obwohl das Fach an den Schulen den Gesellschaftswissenschaften zugeordnet wird und auch in der DDR eine starke wirtschaftsgeographische Ausrichtung hatte.
Von der Verantwortung sozialistische Persönlichkeiten zu erziehen, wurden die Lehrkräfte mit dem Ende der DDR entbunden und die in dieser Arbeit aufgeführten Interviewauszüge lassen keinen Zweifel daran, dass es dem Großteil der Befragten darum nicht leidtat, sie sich aber bis heute an der Werteorientierung aus DDR-Zeiten orientieren.
Wildfires, as a key disturbance in forest ecosystems, are shaping the world's boreal landscapes. Changes in fire regimes are closely linked to a wide array of environmental factors, such as vegetation composition, climate change, and human activity. Arctic and boreal regions and, in particular, Siberian boreal forests are experiencing rising air and ground temperatures with the subsequent degradation of permafrost soils leading to shifts in tree cover and species composition. Compared to the boreal zones of North America or Europe, little is known about how such environmental changes might influence long-term fire regimes in Russia. The larch-dominated eastern Siberian deciduous boreal forests differ markedly from the composition of other boreal forests, yet data about past fire regimes remain sparse. Here, we present a high-resolution macroscopic charcoal record from lacustrine sediments of Lake Khamra (southwest Yakutia, Siberia) spanning the last ca. 2200 years, including information about charcoal particle sizes and morphotypes. Our results reveal a phase of increased charcoal accumulation between 600 and 900 CE, indicative of relatively high amounts of burnt biomass and high fire frequencies. This is followed by an almost 900-year-long period of low charcoal accumulation without significant peaks likely corresponding to cooler climate conditions. After 1750 CE fire frequencies and the relative amount of biomass burnt start to increase again, coinciding with a warming climate and increased anthropogenic land development after Russian colonization. In the 20th century, total charcoal accumulation decreases again to very low levels despite higher fire frequency, potentially reflecting a change in fire management strategies and/or a shift of the fire regime towards more frequent but smaller fires. A similar pattern for different charcoal morphotypes and comparison to a pollen and non-pollen palynomorph (NPP) record from the same sediment core indicate that broad-scale changes in vegetation composition were probably not a major driver of recorded fire regime changes. Instead, the fire regime of the last two millennia at Lake Khamra seems to be controlled mainly by a combination of short-term climate variability and anthropogenic fire ignition and suppression.
The efficiency of sediment routing from land to the ocean depends on the position of submarine canyon heads with regard to terrestrial sediment sources. We aim to identify the main controls on whether a submarine canyon head remains connected to terrestrial sediment input during Holocene sea-level rise. Globally, we identified 798 canyon heads that are currently located at the 120m-depth contour (the Last Glacial Maximum shoreline) and 183 canyon heads that are connected to the shore (within a distance of 6 km) during the present-day highstand. Regional hotspots of shore-connected canyons are the Mediterranean active margin and the Pacific coast of Central and South America. We used 34 terrestrial and marine predictor variables to predict shore-connected canyon occurrence using Bayesian regression. Our analysis shows that steep and narrow shelves facilitate canyon-head connectivity to the shore. Moreover, shore-connected canyons occur preferentially along active margins characterized by resistant bedrock and high river-water discharge.
Relationships between climate, species composition, and species richness are of particular importance for understanding how boreal ecosystems will respond to ongoing climate change. This study aims to reconstruct changes in terrestrial vegetation composition and taxa richness during the glacial Late Pleistocene and the interglacial Holocene in the sparsely studied southeastern Yakutia (Siberia) by using pollen and sedimentary ancient DNA (sedaDNA) records. Pollen and sedaDNA metabarcoding data using the trnL g and h markers were obtained from a sediment core from Lake Bolshoe Toko. Both proxies were used to reconstruct the vegetation composition, while metabarcoding data were also used to investigate changes in plant taxa richness. The combination of pollen and sedaDNA approaches allows a robust estimation of regional and local past terrestrial vegetation composition around Bolshoe Toko during the last similar to 35,000 years. Both proxies suggest that during the Late Pleistocene, southeastern Siberia was covered by open steppe-tundra dominated by graminoids and forbs with patches of shrubs, confirming that steppe-tundra extended far south in Siberia. Both proxies show disturbance at the transition between the Late Pleistocene and the Holocene suggesting a period with scarce vegetation, changes in the hydrochemical conditions in the lake, and in sedimentation rates. Both proxies document drastic changes in vegetation composition in the early Holocene with an increased number of trees and shrubs and the appearance of new tree taxa in the lake's vicinity. The sedaDNA method suggests that the Late Pleistocene steppe-tundra vegetation supported a higher number of terrestrial plant taxa than the forested Holocene. This could be explained, for example, by the "keystone herbivore" hypothesis, which suggests that Late Pleistocene megaherbivores were able to maintain a high plant diversity. This is discussed in the light of the data with the broadly accepted species-area hypothesis as steppe-tundra covered such an extensive area during the Late Pleistocene.
Eine Zunahme der allgemeinen Temperatur auf Grund des Klimawandels und die damit einhergehende Zunahme von Hitzewellen führten dazu, dass das Landesamt für Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV) einen Leitfaden für den Schutz der positiven Klimafunktion urbaner Böden herausgab. Darauf aufbauend wurde auf regionaler Ebene für die Stadt Düsseldorf die Kühlleistung der urbanen Böden quantifiziert, um besonders schutzwürdige Bereiche zu identifizieren. Im Rahmen des Projektes ExTrass sollte nun die Kühlleistung urbaner Böden innerhalb Remscheids quantifiziert werden, jedoch auf Basis von frei zugänglichen Daten. Eine solche Datengrundlage schließt eine Modellierung des Bodenwasserhaushaltes, welches die Grundlage der Quantifizierung in Düsseldorf war, für Remscheid aus. Jedoch bietet der vorgestellte Ansatz die Möglichkeit, eine solche Untersuchung auch in anderen Gemeinden innerhalb Deutschlands mit relativ wenig Aufwand durchzuführen.
Die Kühlleistung der Böden wurde über die nutzbare Feldkapazität abgeschätzt, welche das Wasserspeichervolumen der obersten durchwurzelten Bodenzone angibt. Es ist der Bodenwasserspeicher, der Wasser für die Evapotranspiration zur Verfügung stellt und damit maßgeblich die Kühlleistung eines Bodens definiert, d.h. durch direkte Evaporation des Bodenwassers sowie durch die Transpiration von Wasser durch Pflanzen. In die Erstellung der Karte sind eingegangen: (a) die Bodenkarte Nordrhein-Westfalens (BK50), um die nutzbare Feldkapazität (nFK) je Fläche zu bestimmen; (b) der Landnutzungsdatensatz UrbanAtlas 2012, in Verbindung mit einer Literaturrecherche, um den Einfluss der Landnutzung auf die Werte der nFK, insbesondere im Hinblick auf Versiegelung und Verdichtung herzuleiten; und (c) OpenStreetMap (OSM), um den Anteil der versiegelten Flächen genauer zu bestimmen, als dies auf Basis des UrbanAtlas möglich gewesen wäre.
Es hat sich gezeigt, dass dieser Ansatz geeignet ist, um die räumliche Verteilung der potenziellen Bodenkühlfunktion innerhalb einer Stadt zu untersuchen. Es ist zu beachten, dass der Einfluss des Grundwassers in Remscheid nicht berücksichtigt werden konnte. Denn es ist damit zu rechnen, dass die Grundwasserverhältnisse aufgrund der geologischen und topographischen Situation in Remscheid kleinräumig Variationen unterliegen und es somit
keinen durchgängigen und kartierten Aquifer gibt.
Kleingartenanlagen, Parks und Friedhöhe im innerstädtischen Bereich und allgemein die Landnutzungsklassen Wald und Grünland wurden als Flächen mit einem besonders hohem potenziellen Bodenkühlpotenzial identifiziert. Solche Flächen sind besonders schützenswert. Die Analyse der Speicherfüllstände der oberen Bodenzone, basierend auf der erstellten Karte der potenziellen Bodenkühlfunktion und der klimatischen Wasserbilanz, ergab, dass besonders innerstädtische Flächen, die einen kleinen Bodenwasserspeicher haben, in einem trockenen Jahr bereits früh im Sommer ihre Kühlfunktion verlieren und bei Hitzewellen somit eine verringerte positive Klimafunktion haben. Gestützt wird diese Aussage durch eine Auswertung des normalisierten differenzierten Vegetationsindex (NDVI), der genutzt wurde, um die Veränderung der Pflanzenvitalität vor und nach einer Hitzeperiode im Juni/Juli 2018 zu untersuchen.
Messungen mit Meteobikes, einer Vorrichtung, die dazu geeignet ist, während einer Radfahrt kontinuierlich die Temperatur zu messen, stützen die Erkenntnis, dass innerstädtische Grünflächen wie Parks eine positive Wirkung auf das urbane Mikroklima haben. Weiterhin zeigen diese Messungen, dass die Topographie innerhalb des Untersuchungsgebietes die Aufheizung einzelner Flächen und die Temperaturverteilung vermutlich mitbestimmt. Die hier vorgestellte Karte der potenziellen Kühlfunktion für Remscheid sollte als Ergänzung in die Klimafunktionskarte für Remscheid eingehen und den bestehenden Layer „flächenhafte Klimafunktion“, der nur die Landnutzung berücksichtigt, ersetzen.
The growing worldwide impact of flood events has motivated the development and application of global flood hazard models (GFHMs). These models have become useful tools for flood risk assessment and management, especially in regions where little local hazard information is available. One of the key uncertainties associated with GFHMs is the estimation of extreme flood magnitudes to generate flood hazard maps. In this study, the 1-in-100 year flood (Q100) magnitude was estimated using flow outputs from four global hydrological models (GHMs) and two global flood frequency analysis datasets for 1350 gauges across the conterminous US. The annual maximum flows of the observed and modelled timeseries of streamflow were bootstrapped to evaluate the sensitivity of the underlying data to extrapolation. Results show that there are clear spatial patterns of bias associated with each method. GHMs show a general tendency to overpredict Western US gauges and underpredict Eastern US gauges. The GloFAS and HYPE models underpredict Q100 by more than 25% in 68% and 52% of gauges, respectively. The PCR-GLOBWB and CaMa-Flood models overestimate Q100 by more than 25% at 60% and 65% of gauges in West and Central US, respectively. The global frequency analysis datasets have spatial variabilities that differ from the GHMs. We found that river basin area and topographic elevation explain some of the spatial variability in predictive performance found in this study. However, there is no single model or method that performs best everywhere, and therefore we recommend a weighted ensemble of predictions of extreme flood magnitudes should be used for large-scale flood hazard assessment.
Large earthquakes can increase the amount of water feeding stream flows, raise groundwater levels, and thus grant plant roots more access to water in water-limited environments. We examine growth and photosynthetic responses of Pine plantations to the Maule M-w 8.8 earthquake in headwater catchments of Chile's Coastal Range. We combine high-resolution wood anatomic (lumen area) and biogeochemical (delta 13C of wood cellulose) proxies of daily to weekly tree growth sampled from trees on floodplains and close to ridge lines. We find that, immediately after the earthquake, at least two out of six tree trees on valley floors had increased lumen area and decreased delta 13C, while trees on hillslopes had a reverse trend. Our results indicate a control of soil water on this response, largely consistent with models that predict how enhanced postseismic vertical soil permeability causes groundwater levels to rise on valley floors, but fall along the ridges. Statistical analysis with boosted regression trees indicates that streamflow discharge gained predictive importance for photosynthetic activity on the ridges, but lost importance on the valley floor after the earthquake. We infer that earthquakes may stimulate ecohydrological conditions favoring tree growth over days to weeks by triggering stomatal opening. The weak and short-lived signals that we identified, however, show that such responses are only valid under water-limited, rather than energy-limited tree, growth. Hence, dendrochronological studies targeted at annual resolution may overlook some earthquake effects on tree vitality.
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.