TY - JOUR A1 - Kaiser, Thomas A1 - Wehrhan, Marc A1 - Werner, Armin A1 - Sommer, Michael T1 - Regionalizing ecological moisture levels and groundwater levels in grassland areas using thermal remote sensing JF - Grassland science N2 - Site-specific soil moisture and groundwater levels are key input parameters for ecological modeling. Obtaining such information in a comprehensive manner is difficult for large regions. We studied a floodplain region in the Federal State of Brandenburg, Germany, to examine the degree to which the average depth of groundwater tables can be derived from surface temperatures obtained by the ASTER radiospectrometer (spatial resolution of 90 m per pixel). A floristic ecological indicator representing the site-specific moisture level was applied to develop a proxy between the thermal satellite data and groundwater table depth. The use of spring scenes (late April to early May) from 2 years proved to be well suited for minimizing the effects of weather and land use. Vegetation surveys along transects that were 2 m wide across the pixel diagonals allowed for the calculation of average ecological moisture values of pixel-sites by applying Ellenberg-numbers. These values were used to calibrate the satellite data locally. There was a close relationship between surface temperature and the average ecological moisture value (R2 = 0.73). Average ecological moisture values were highly indicative of the average groundwater levels during a 7-year measurement series (R2 = 0.93). Satellite-supported thermal data from spring were suitable for estimating the average groundwater levels of low-lying grasslands on a larger scale. Ecological moisture values from the transect surveys effectively allowed the incorporation of relief heterogeneity within the thermal grid and the establishment of the correlation between thermal data and average groundwater table depth. Regression functions were used to produce a map of groundwater levels at the study site. KW - Ellenberg indicator values KW - groundwater table KW - satellite data KW - soil moisture Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1111/j.1744-697X.2011.00240.x SN - 1744-6961 VL - 58 IS - 1 SP - 42 EP - 52 PB - Wiley-Blackwell CY - Malden ER - TY - THES A1 - Jagdhuber, Thomas T1 - Soil parameter retrieval under vegetation cover using SAR polarimetry T1 - Bestimmung von Bodenparametern unter Vegetation mit Hilfe von SAR Polarimetrie N2 - Soil conditions under vegetation cover and their spatial and temporal variations from point to catchment scale are crucial for understanding hydrological processes within the vadose zone, for managing irrigation and consequently maximizing yield by precision farming. Soil moisture and soil roughness are the key parameters that characterize the soil status. In order to monitor their spatial and temporal variability on large scales, remote sensing techniques are required. Therefore the determination of soil parameters under vegetation cover was approached in this thesis by means of (multi-angular) polarimetric SAR acquisitions at a longer wavelength (L-band, lambda=23cm). In this thesis, the penetration capabilities of L-band are combined with newly developed (multi-angular) polarimetric decomposition techniques to separate the different scattering contributions, which are occurring in vegetation and on ground. Subsequently the ground components are inverted to estimate the soil characteristics. The novel (multi-angular) polarimetric decomposition techniques for soil parameter retrieval are physically-based, computationally inexpensive and can be solved analytically without any a priori knowledge. Therefore they can be applied without test site calibration directly to agricultural areas. The developed algorithms are validated with fully polarimetric SAR data acquired by the airborne E-SAR sensor of the German Aerospace Center (DLR) for three different study areas in Germany. The achieved results reveal inversion rates up to 99% for the soil moisture and soil roughness retrieval in agricultural areas. However, in forested areas the inversion rate drops significantly for most of the algorithms, because the inversion in forests is invalid for the applied scattering models at L-band. The validation against simultaneously acquired field measurements indicates an estimation accuracy (root mean square error) of 5-10vol.% for the soil moisture (range of in situ values: 1-46vol.%) and of 0.37-0.45cm for the soil roughness (range of in situ values: 0.5-4.0cm) within the catchment. Hence, a continuous monitoring of soil parameters with the obtained precision, excluding frozen and snow covered conditions, is possible. Especially future, fully polarimetric, space-borne, long wavelength SAR missions can profit distinctively from the developed polarimetric decomposition techniques for separation of ground and volume contributions as well as for soil parameter retrieval on large spatial scales. N2 - Zur Verbesserung der hydrologischen Abflussmodellierung, der Flutvorhersage, der gezielten Bewässerung von landwirtschaftlichen Nutzflächen und zum Schutz vor Ernteausfällen ist die Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit von grosser Bedeutung. Aufgrund der hohen zeitlichen sowie räumlichen Dynamik dieser Bodenparameter ist eine flächenhafte Erfassung mit hoher Auflösung und in kurzen zeitlichen Abständen notwendig. In situ Messtechniken stellen eine sehr zeit- und personalaufwändige Alternative dar, deshalb werden innovative Fernerkundungsverfahren mit aktivem Radar erprobt. Diese Aufnahmetechniken sind von Wetter- und Beleuchtungsverhältnissen unabhängig und besitzen zudem die Möglichkeit, abhängig von der Wellenlänge, in Medien einzudringen. Mit dem in dieser Arbeit verwendeten polarimetrischen Radar mit synthetischer Apertur (PolSAR) werden die Veränderungen der Polarisationen ausgewertet, da diese aufgrund der physikalischen Eigenschaften der reflektierenden Medien objektspezifisch verändert und gestreut werden. Es kann dadurch ein Bezug zwischen der empfangenen Radarwelle und den dielektrischen Eigenschaften (Feuchtegehalt) sowie der Oberflächengeometrie (Rauhigkeit) des Bodens hergestellt werden. Da vor allem in den gemässigten Klimazonen die landwirtschaftlichen Nutzflächen die meiste Zeit des Jahres mit Vegetation bestanden sind, wurden in dieser Dissertation Verfahren entwickelt, um die Bodenfeuchte und die Bodenrauhigkeit unter der Vegetation erfassen zu können. Um die einzelnen Rückstreubeiträge der Vegetation und des Bodens voneinander zu trennen, wurde die Eindringfähigkeit von längeren Wellenlängen (L-band, lambda=23cm) mit neu entwickelten (multi-angularen) polarimetrischen Dekompositionstechniken kombiniert, um die Komponente des Bodens zu extrahieren und auszuwerten. Für die Auswertung wurden polarimetrische Streumodelle benutzt, um die Bodenkomponente zu modellieren und dann mit der extrahierten Bodenkomponente der aufgenommenen Daten zu vergleichen. Die beste Übereinstimmung von Modell und Daten wurde als die gegebene Bodencharakteristik gewertet und dementsprechend invertiert. Die neu entwickelten, polarimetrischen Dekompositionstechniken für langwelliges polarimetrisches SAR basieren auf physikalischen Prinzipien, benötigen wenig Rechenzeit, erfordern keine Kalibrierung und sind ohne Verwendung von a priori Wissen analytisch lösbar. Um die entwickelten Algorithmen zu testen, wurden in drei verschiedenen Untersuchungsgebieten in Deutschland mit dem flugzeuggetragenen E-SAR Sensor des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) polarimetrische SAR Daten aufgenommen. Die Auswertungen der PolSAR Daten haben bestätigt, dass die besten Invertierungsergebnisse mit langen Wellenlängen erzielt werden können (L-Band). Des Weiteren konnten bei der Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit hohe Inversionsraten erreicht werden (bis zu 99% der Untersuchungsfläche). Es hat sich gezeigt, dass die polarimetrischen Streumodelle bei der gegebenen Wellenlänge nicht für bewaldete Gebiete geeignet sind, was die Anwendbarkeit des Verfahrens auf landwirtschaftliche Nutzflächen einschränkt. Die Validierung mit Bodenmessungen in den Untersuchungsgebieten, die zeitgleich zu den PolSAR Aufnahmen durchgeführt wurden, hat ergeben, dass eine kontinuierliche Beobachtung des Bodenzustandes (ausgenommen in Zeiten mit gefrorenem oder Schnee bedecktem Boden) mit einer Genauigkeit (Wurzel des mittleren quadratischen Fehlers) von 5-10vol.% für die Bodenfeuchte (in situ Messbereich: 1-46vol.%) und von 0.37-0.45cm für die Bodenrauhigkeit (in situ Messbereich: 0.5-4.0cm) möglich ist. Besonders künftige Fernerkundungsmissionen mit langwelligem, voll polarimetrischem SAR können von den entwickelten Dekompositionstechniken profitieren, um die Vegetationskomponente von der Bodenkomponente zu trennen und die Charakteristik des Oberbodens flächenhaft zu bestimmen. KW - SAR KW - Polarimetrie KW - Bodenfeuchte KW - polarimetrische Dekompositionen KW - Fernerkundung KW - SAR KW - Polarimetry KW - soil moisture KW - polarimetric decompositions KW - remote sensing Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60519 ER - TY - JOUR A1 - Graeff, T. A1 - Zehe, E. A1 - Blume, T. A1 - Francke, Till A1 - Schroeder, B. T1 - Predicting event response in a nested catchment with generalized linear models and a distributed watershed model JF - HYDROLOGICAL PROCESSES N2 - This study focuses on the prediction of event-based runoff coefficients (an important descriptor of flood events) for nested catchments up to an area of 50?km(2) in the Eastern Ore Mountains. The four main objectives of the study are (i) the prediction of runoff coefficients with the statistical method of generalized linear models, (ii) the comparison of the results of the linear models with estimates of a distributed conceptual model, (iii) the comparison of the dynamics of observed soil moisture and simulated saturation deficit of the hydrological model and (iv) the analysis of the relationship between runoff coefficient and observed and simulated wetness. Different predictor variables were selected to describe the runoff coefficient and were differentiated into variables describing the catchment’s antecedent wetness and meteorological forcing. The best statistical model was estimated in a stepwise approach on the basis of hierarchical partitioning, an exhaustive search algorithm and model validation with jackknifing. We then applied the rainfall runoff model WaSiM ETH to predict the runoff processes for the two larger catchments. Locally measured small-scale soil moisture (acquired at a scale of four to five magnitudes smaller than the catchment) was identified as one of the key predictor variables for the estimation of the runoff coefficient with the general linear model. It was found that the relationship betweenobserved and simulated (using WaSiM ETH) wetness is strongly hysteretic. The runoff coefficients derived from the rainfall runoff simulations systematically underestimate the observed values. Copyright (C) 2012 John Wiley & Sons, Ltd. KW - runoff coefficient KW - soil moisture KW - antecedent wetness KW - GLM KW - nested catchment Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1002/hyp.8463 SN - 0885-6087 SN - 1099-1085 VL - 26 IS - 24 SP - 3749 EP - 3769 PB - WILEY-BLACKWELL CY - HOBOKEN ER - TY - JOUR A1 - Lohmann, Dirk A1 - Tietjen, Britta A1 - Blaum, Niels A1 - Joubert, David F. A1 - Jeltsch, Florian T1 - Shifting thresholds and changing degradation patterns: climate change effects on the simulated long-term response of a semi-arid savanna to grazing JF - Journal of applied ecology : an official journal of the British Ecological Society N2 - 1. The complex, nonlinear response of dryland systems to grazing and climatic variations is a challenge to management of these lands. Predicted climatic changes will impact the desertification of drylands under domestic livestock production. Consequently, there is an urgent need to understand the response of drylands to grazing under climate change. 2. We enhanced and parameterized an ecohydrological savanna model to assess the impacts of a range of climate change scenarios on the response of a semi-arid African savanna to grazing. We focused on the effects of temperature and CO2 level increase in combination with changes in inter- and intra-annual precipitation patterns on the long-term dynamics of three major plant functional types. 3. We found that the capacity of the savanna to sustain livestock grazing was strongly influenced by climate change. Increased mean annual precipitation and changes in intra-annual precipitation pattern have the potential to slightly increase carrying capacities of the system. In contrast, decreased precipitation, higher interannual variation and temperature increase are leading to a severe decline of carrying capacities owing to losses of the perennial grass biomass. 4. Semi-arid rangelands will be at lower risk of shrub encroachment and encroachment will be less intense under future climatic conditions. This finding holds in spite of elevated levels of atmospheric CO2 and irrespective of changes in precipitation pattern, because of the drought sensitivity of germination and establishment of encroaching species. 5. Synthesis and applications. Changes in livestock carrying capacities, both positive and negative, mainly depend on the highly uncertain future rainfall conditions. However, independent of the specific changes, shrub encroachment becomes less likely and in many cases less severe. Thus, managers of semi-arid rangelands should shift their focus from woody vegetation towards perennial grass species as indicators for rangeland degradation. Furthermore, the resulting reduced competition from woody vegetation has the potential to facilitate ecosystem restoration measures such as re-introduction of desirable plant species that are only little promising or infeasible under current climatic conditions. On a global scale, the reductions in standing biomass resulting from altered degradation dynamics of semi-arid rangelands can have negative impacts on carbon sequestration. KW - CO2 increase KW - demographic bottleneck KW - ecohydrology KW - grid-based simulation model KW - livestock KW - precipitation pattern KW - savanna resilience KW - shrub encroachment KW - soil moisture KW - sustainable rangeland management Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1111/j.1365-2664.2012.02157.x SN - 0021-8901 VL - 49 IS - 4 SP - 814 EP - 823 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Jagdhuber, Thomas A1 - Hajnsek, Irena A1 - Bronstert, Axel A1 - Papathanassiou, Konstantinos Panagiotis T1 - Soil moisture estimation under low vegetation cover using a multi-angular polarimetric decomposition JF - IEEE transactions on geoscience and remote sensing N2 - The estimation of volumetric soil moisture under low agricultural vegetation from fully polarimetric synthetic aperture radar (SAR) data at L-band using a multi-angular polarimetric decomposition is investigated. Radar polarimetry provides the framework to decompose the backscattered signal into different canonical scattering mechanisms referring to scattering contributions from the underlying soil and the vegetation cover. Multiangular observation diversity further increases the information space for soil moisture inversion enabling higher inversion rates and a stable inversion performance. The developed approach was applied on the multi-angular L-band data set acquired by German Aerospace Center's ESAR sensor as part of the OPAQUE campaign in 2008. The obtained results are compared against ground measurements collected by the OPAQUE team over a variety of vegetated agricultural fields. The validation of the estimated against ground measured soil moisture results in an root mean square error level of 6-8 vol.% including all test fields with a variety of crop types. KW - Multi-angular model-based decomposition KW - polarimetric SAR KW - soil moisture Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1109/TGRS.2012.2209433 SN - 0196-2892 VL - 51 IS - 4 SP - 2201 EP - 2215 PB - Inst. of Electr. and Electronics Engineers CY - Piscataway ER - TY - THES A1 - Rivera Villarreyes, Carlos Andres T1 - Cosmic-ray neutron sensing for soil moisture measurements in cropped fields T1 - Bodenfeuchtemessungen auf landwirtschaftlichen Anbauflächen mittels kosmischer Neutronenstrahlung N2 - This cumulative dissertation explored the use of the detection of natural background of fast neutrons, the so-called cosmic-ray neutron sensing (CRS) approach to measure field-scale soil moisture in cropped fields. Primary cosmic rays penetrate the top atmosphere and interact with atmospheric particles. Such interaction results on a cascade of high-energy neutrons, which continue traveling through the atmospheric column. Finally, neutrons penetrate the soil surface and a second cascade is produced with the so-called secondary cosmic-ray neutrons (fast neutrons). Partly, fast neutrons are absorbed by hydrogen (soil moisture). Remaining neutrons scatter back to the atmosphere, where its flux is inversely correlated to the soil moisture content, therefore allowing a non-invasive indirect measurement of soil moisture. The CRS methodology is mainly evaluated based on a field study carried out on a farmland in Potsdam (Brandenburg, Germany) along three crop seasons with corn, sunflower and winter rye; a bare soil period; and two winter periods. Also, field monitoring was carried out in the Schaefertal catchment (Harz, Germany) for long-term testing of CRS against ancillary data. In the first experimental site, the CRS method was calibrated and validated using different approaches of soil moisture measurements. In a period with corn, soil moisture measurement at the local scale was performed at near-surface only, and in subsequent periods (sunflower and winter rye) sensors were placed in three depths (5 cm, 20 cm and 40 cm). The direct transfer of CRS calibration parameters between two vegetation periods led to a large overestimation of soil moisture by the CRS. Part of this soil moisture overestimation was attributed to an underestimation of the CRS observation depth during the corn period ( 5-10 cm), which was later recalculated to values between 20-40 cm in other crop periods (sunflower and winter rye). According to results from these monitoring periods with different crops, vegetation played an important role on the CRS measurements. Water contained also in crop biomass, above and below ground, produces important neutron moderation. This effect was accounted for by a simple model for neutron corrections due to vegetation. It followed crop development and reduced overall CRS soil moisture error for periods of sunflower and winter rye. In Potsdam farmland also inversely-estimated soil hydraulic parameters were determined at the field scale, using CRS soil moisture from the sunflower period. A modelling framework coupling HYDRUS-1D and PEST was applied. Subsequently, field-scale soil hydraulic properties were compared against local scale soil properties (modelling and measurements). Successful results were obtained here, despite large difference in support volume. Simple modelling framework emphasizes future research directions with CRS soil moisture to parameterize field scale models. In Schaefertal catchment, CRS measurements were verified using precipitation and evapotranspiration data. At the monthly resolution, CRS soil water storage was well correlated to these two weather variables. Also clearly, water balance could not be closed due to missing information from other compartments such as groundwater, catchment discharge, etc. In the catchment, the snow influence to natural neutrons was also evaluated. As also observed in Potsdam farmland, CRS signal was strongly influenced by snow fall and snow accumulation. A simple strategy to measure snow was presented for Schaefertal case. Concluding remarks of this dissertation showed that (a) the cosmic-ray neutron sensing (CRS) has a strong potential to provide feasible measurement of mean soil moisture at the field scale in cropped fields; (b) CRS soil moisture is strongly influenced by other environmental water pools such as vegetation and snow, therefore these should be considered in analysis; (c) CRS water storage can be used for soil hydrology modelling for determination of soil hydraulic parameters; and (d) CRS approach has strong potential for long term monitoring of soil moisture and for addressing studies of water balance. N2 - In dieser kumulativen Dissertation wird die Detektion des natürlichen Hintergrunds von schnellen Neutronen, das sogenannte “Cosmic-Ray Neutron Sensing” (CRS), zur Messung von Bodenfeuchte auf der Feldskala in landwirtschaftlich genutzten Flächen untersucht. Die kosmische Primärstrahlung durchdringt die oberste Atmosphäre, und interagiert mit atmosphärischen Teilchen. Durch diese Wechselwirkungen entstehen Kaskaden hochenergetischer Teilchen die bis in die Erdoberfläche eindringen, wobei schnelle Neutronen entstehen. Teilweise werden diese durch Wasserstoff (Bodenfeuchte) absorbiert, teilweise zurück in die Atmosphäre gestreut. Dieser Neutronenfluss über dem Boden korreliert invers mit der Bodenfeuchte, was so eine non-invasive und indirekte Bodenfeuchteschätzung ermöglicht. Die CRS-Methode wird vor allem in einer Feldstudie auf einem Ackerland in Potsdam (Brandenburg, Deutschland), einschließlich dreier Phasen mit Anbau von Mais, Sonnenblume und Winterroggen getestet und beurteilt. Darüber hinaus wurde ein Feldmonitoring im Schäfertaleinzugsgebiet (Harz, Deutschland) durchgeführt, um das Potential von Langzeit-CRS-Messungen gegenüber herkömmlich erhobenen bodenhydraulischen Daten abzuschätzen. Im ersten Untersuchungsgebiet wurde die CRS-Methode kalibriert und mittels verschiedener Bodenfeuchtemessansätze validiert. In der Maisanbauphase wurden die Bodenfeuchte-Punktmessungen zunächst nur an der nahen Bodenoberfläche durchgeführt. In den folgendenen Anbauphasen (Sonnenblume und Winterroggen) wurden dann die Sensoren in drei unterschiedlichen Tiefen (5 cm, 20 cm und 40 cm) installiert. Die direkte Übertragung der CRS-Kalibrierparameter zwischen zwei Vegetationsperioden führte zu einer starken Überschätzung der CRS-Bodenfeuchte. Ein Teil der überschätzten Bodenfeuchte wurde der Unterschätzung der CRS-Beobachtungstiefe während der Maisperiode (5-10 cm) zugeschrieben, welche später basierend auf Werten zwischen 20-40 cm in anderen Anbauperioden (Sonnenblume und Winterroggen) neuberechnet wurde. Gemäß der Ergebnisse dieser Beobachtungsperioden mit verschiedenen Feldfrüchten, spielte die Vegetation eine wichtige Rolle für die CRS-Messungen, da das Wasser, das in der über- und unterirdischen Biomasse vorhanden ist, die Neutronen bedeutend abdämpft. Dieser Effekt, sowie der Einfluss des Getreidewachstums und des reduzierten Gesamt-CRS-Bodenfeuchte-Fehlers, wurden in ein einfaches Model zur vegetationsbedingten Neutronenkorrektur berücksichtigt. So wurde ein gekoppelter HYDRUS-1D- und PEST-Ansatz angewendet, um bodenhydraulische Parameter auf dem Feldmassstab während der Sonnenblumen-Phase invers abzuschätzen. Dann wurden die inversen Schätzungen der effektiven bodenhydraulischen Eigenschaften innerhalb des von CRS beobachteten Volumens durch die lokalen Bodeneigenschaften (Modellierung und Messungen) validiert. Abgesehen von Unterschieden auf Grund der Beobachtungstiefe und somit des Volumens, wurden hierbei erfolgreiche Ergebnisse erzielt. Dieser einfache Ansatz unterstreicht das zukünftige Forschungspotential, z.B. um mit Hilfe von Bodenfeuchten aus CRS-Messungen Modelle auf der Feldskala zu parametrisieren. Im Schäfertaleinzugsgebiet wurden die Langzeit-CRS-Messungen mit Nie-derschlags- und Evapotranspirations-Raten abgeglichen. Bei einer monatlichen Auflösung korrelierte die Änderung des CRS-Bodenwasserspeichers mit diesen beiden Wettervariablen. Die Wasserbilanz konnte jedoch auf Grund fehlender Informationen bezüglich Grundwasser, Abfluss des Einzugesgebiets, etc. nicht geschlossen werden. Darüber hinaus wurde, wie auch am Potsdamer Standort, festgestellt, dass das CRS-Signal stark von Schneefall und Schneeakkumulationen beeinflusst wird. Eine einfache Anwendung zur Schneemessung mittels CRS wurde für den Schäfertalfall vorgestellt. Abschließend zeigte sich, dass (a) „Cosmic-Ray Neutron Sensing“ (CRS) ein großes Potential hat, Messungen der mittleren Bodenfeuchte auf der Feldskala im Bereich landwirtschaftlich genutzter Flächen zu realisieren; (b) die CRS-Bodenfeuchte stark durch andere Wasserspeicher, wie Vegetation und Schnee beeinflusst wird, und dies im Rahmen von Analysen berücksichtigt werden sollte; (c) die CRS-Messungen über eine bodenhydraulische Modellierung zur Bestimmung von bodenhydraulischen Paramtern genutzt werden kann; und (d) der CRS-Ansatz ein großes Potential für Langzeit-Bodenfeuchte-Monitoring und für Wasserbilanzstudien hat. KW - CRS KW - kosmische Neutronenstrahlung KW - Bodenfeuchte KW - Feld KW - cosmic-ray KW - neutron field KW - soil moisture Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69748 ER - TY - JOUR A1 - de Figueiredo, Jose Vidal A1 - de Araujo, Jose Carlos A1 - Medeiros, Pedro Henrique Augusto A1 - Costa, Alexandre C. T1 - Runoff initiation in a preserved semiarid Caatinga small watershed, Northeastern Brazil JF - Hydrological processes N2 - This study analyses some hydrological driving forces and their interrelation with surface-flow initiation in a semiarid Caatinga basin (12km(2)), Northeastern Brazil. During the analysis period (2005 - 2014), 118 events with precipitation higher than 10mm were monitored, providing 45 events with runoff, 25 with negligible runoff and 49 without runoff. To verify the dominant processes, 179 on-site measurements of saturated hydraulic conductivity (Ksat) were conducted. The results showed that annual runoff coefficient lay below 0.5% and discharge at the outlet has only occurred four days per annum on average, providing an insight to the surface-water scarcity of the Caatinga biome. The most relevant variables to explain runoff initiation were total precipitation and maximum 60-min rainfall intensity (I-60). Runoff always occurred when rainfall surpassed 31mm, but it never occurred for rainfall below 14mm or for I-60 below 12mmh(-1). The fact that the duration of the critical intensity is similar to the basin concentration time (65min) and that the infiltration threshold value approaches the river-bank saturated hydraulic conductivity support the assumption that Hortonian runoff prevails. However, none of the analysed variables (total or precedent precipitation, soil moisture content, rainfall intensities or rainfall duration) has been able to explain the runoff initiation in all monitored events: the best criteria, e.g. failed to explain 27% of the events. It is possible that surface-flow initiation in the Caatinga biome is strongly influenced by the root-system dynamics, which changes macro-porosity status and, therefore, initial abstraction. Copyright (c) 2016 John Wiley & Sons, Ltd. KW - hydraulic conductivity KW - soil moisture KW - root system KW - semi-arid KW - Caatinga KW - connectivity Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1002/hyp.10801 SN - 0885-6087 SN - 1099-1085 VL - 30 SP - 2390 EP - 2400 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - THES A1 - Schrön, Martin T1 - Cosmic-ray neutron sensing and its applications to soil and land surface hydrology T1 - Neutronen aus kosmischer Strahlung und deren Anwendung für Boden- und Landoberflächen-Hydrologie BT - on neutron physics, method development, and soil moisture estimation across scales N2 - Water scarcity, adaption on climate change, and risk assessment of droughts and floods are critical topics for science and society these days. Monitoring and modeling of the hydrological cycle are a prerequisite to understand and predict the consequences for weather and agriculture. As soil water storage plays a key role for partitioning of water fluxes between the atmosphere, biosphere, and lithosphere, measurement techniques are required to estimate soil moisture states from small to large scales. The method of cosmic-ray neutron sensing (CRNS) promises to close the gap between point-scale and remote-sensing observations, as its footprint was reported to be 30 ha. However, the methodology is rather young and requires highly interdisciplinary research to understand and interpret the response of neutrons to soil moisture. In this work, the signal of nine detectors has been systematically compared, and correction approaches have been revised to account for meteorological and geomagnetic variations. Neutron transport simulations have been consulted to precisely characterize the sensitive footprint area, which turned out to be 6--18 ha, highly local, and temporally dynamic. These results have been experimentally confirmed by the significant influence of water bodies and dry roads. Furthermore, mobile measurements on agricultural fields and across different land use types were able to accurately capture the various soil moisture states. It has been further demonstrated that the corresponding spatial and temporal neutron data can be beneficial for mesoscale hydrological modeling. Finally, first tests with a gyrocopter have proven the concept of airborne neutron sensing, where increased footprints are able to overcome local effects. This dissertation not only bridges the gap between scales of soil moisture measurements. It also establishes a close connection between the two worlds of observers and modelers, and further aims to combine the disciplines of particle physics, geophysics, and soil hydrology to thoroughly explore the potential and limits of the CRNS method. N2 - Wasserknappheit, Anpassung an Klimaveränderungen, und Gefahrenabschätzungen von Dürren und Fluten sind heutzutage dringende Themen für Forschung und Gesellschaft. Vorallem um die Auswirkungen auf Wetter und Landwirtschaft zu verstehen und vorherzusagen, ist es wichtig, den Wasserkreislauf der Erde zu beobachten und zu simulieren. In diesem System spielt Bodenfeuchte eine Schlüsselrolle, welche den Wasseraustausch zwischen Boden, Luft, und Pflanzen bestimmt. Daher sind ausgeklügelte Messtechnologien erforderlich, welche Bodenfeuchte von kleinen Ackerschlägen bis hin zu großen Gebieten erfassen können. Die neuartige Methode, Neutronen aus kosmischer Strahlung zu messen (CRNS), ist eine vielversprechende Technologie um die Lücke zwischen Punktmessungen und Fernerkundungen zu schließen, da der Einflussbereich des Sensors bei ca. 30 ha liegen soll. Allerdings ist intensive interdisziplinäre Forschung nötig, um die Beziehung zwischen Neutronen und Bodefeuchte zu verstehen. In dieser Arbeit wurden erstmals verschiedene Sensoren systematisch miteinander verglichen, und die bisherigen Korrekturen für meteorologische und geomagnetische Einflüsse näher untersucht. Darüber hinaus wurden Simulationen der Neutronenphysik herangezogen, um den Einflussbereich des Sensors genauestens zu charakterisieren. Demnach ist der Sensor je nach Umgebungsfeuchte hauptsächlich in der Fläche von ca. 6--18 ha, sowie besonders im Nahbereich, sensitiv. Diese Resultate konnten durch Experimente nahe Gewässern und Straßen bestätigt werden. Dennoch ist die Methode nachwievor sehr gut in der Lage, die Bodenfeuchte in Ackerflächen, Grasland und auch Wäldern zu erfassen. Zudem wurde gezeigt, dass sich die räumlichen und zeitlichen Neutronen-Daten gut für die hydrologische Modellierung eignen. Abschließend wurde eine neue Möglichkeit untersucht, um Neutronen aus der Luft mit einem Traghubschrauber in noch größeren Gebieten zu messen. Diese Dissertation untersucht die CRNS-Methode auf verschiedenen Skalen, und verknüpft dabei Beobachtung mit Modellierung. Außerdem verbindet diese Arbeit die verschiedenen Disziplinen der Teilchenphysik, Geophysik, und Bodenhydrologie, um das Potential und die Grenzen der Methode ganzheitlich zu beurteilen. KW - soil moisture KW - hydrology KW - cosmic rays KW - neutrons KW - water monitoring KW - Bodenfeuchte KW - Hydrologie KW - kosmische Strahlung KW - Neutronen KW - Wasser-Monitoring Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-395433 SN - 978-3-8439-3139-7 PB - Verlag Dr. Hut GmbH CY - München ER - TY - THES A1 - Hohenbrink, Tobias Ludwig T1 - Turning a problem into a solution: heterogeneities in soil hydrology T1 - Ein Problem zur Lösung machen: Heterogenitäten in der Bodenhydrologie N2 - It is commonly recognized that soil moisture exhibits spatial heterogeneities occurring in a wide range of scales. These heterogeneities are caused by different factors ranging from soil structure at the plot scale to land use at the landscape scale. There is an urgent need for effi-cient approaches to deal with soil moisture heterogeneity at large scales, where manage-ment decisions are usually made. The aim of this dissertation was to test innovative ap-proaches for making efficient use of standard soil hydrological data in order to assess seep-age rates and main controls on observed hydrological behavior, including the role of soil het-erogeneities. As a first step, the applicability of a simplified Buckingham-Darcy method to estimate deep seepage fluxes from point information of soil moisture dynamics was assessed. This was done in a numerical experiment considering a broad range of soil textures and textural het-erogeneities. The method performed well for most soil texture classes. However, in pure sand where seepage fluxes were dominated by heterogeneous flow fields it turned out to be not applicable, because it simply neglects the effect of water flow heterogeneity. In this study a need for new efficient approaches to handle heterogeneities in one-dimensional water flux models was identified. As a further step, an approach to turn the problem of soil moisture heterogeneity into a solu-tion was presented: Principal component analysis was applied to make use of the variability among soil moisture time series for analyzing apparently complex soil hydrological systems. It can be used for identifying the main controls on the hydrological behavior, quantifying their relevance, and describing their particular effects by functional averaged time series. The ap-proach was firstly tested with soil moisture time series simulated for different texture classes in homogeneous and heterogeneous model domains. Afterwards, it was applied to 57 mois-ture time series measured in a multifactorial long term field experiment in Northeast Germa-ny. The dimensionality of both data sets was rather low, because more than 85 % of the total moisture variance could already be explained by the hydrological input signal and by signal transformation with soil depth. The perspective of signal transformation, i.e. analyzing how hydrological input signals (e.g., rainfall, snow melt) propagate through the vadose zone, turned out to be a valuable supplement to the common mass flux considerations. Neither different textures nor spatial heterogeneities affected the general kind of signal transfor-mation showing that complex spatial structures do not necessarily evoke a complex hydro-logical behavior. In case of the field measured data another 3.6% of the total variance was unambiguously explained by different cropping systems. Additionally, it was shown that dif-ferent soil tillage practices did not affect the soil moisture dynamics at all. The presented approach does not require a priori assumptions about the nature of physical processes, and it is not restricted to specific scales. Thus, it opens various possibilities to in-corporate the key information from monitoring data sets into the modeling exercise and thereby reduce model uncertainties. N2 - Es ist allgemein anerkannt, dass Bodenfeuchte auf verschiedenen Raumskalen räumliche Heterogenitäten aufweist. Diese Heterogenitäten werden durch verschiedene Faktoren verursacht, die auf den unterschiedlichen Skalen wirken. Dies können z.B. die Bodenstruktur auf Plotskala oder die Landnutzung auf Landschaftsskala sein. Es werden dringend effiziente Ansätze benötigt, um mit den Heterogenitäten der Bodenfeuchte umzugehen. Dies gilt be-sonders für große Skalen, auf denen in der Regel weitreichende Managemententscheidun-gen getroffen werden. Das Ziel dieser Dissertation war es, effiziente Methoden zu testen, die es ermöglichen auf Basis bodenhydrologischer Daten sowohl Sickerwasserraten als auch die Haupteinflussfaktoren der Bodenfeuchtedynamik zu bestimmen. Dies bezieht Effekte von Bodenheterogenitäten mit ein. In einem ersten Schritt wurde die Eignung einer vereinfachten Buckingham-Darcy Methode zur Abschätzung von Sickerwasserflüssen auf Grundlage punktuell gemessener Zeitreihen der Bodenfeuchte untersucht. Hierzu wurde eine Simulationsstudie durchgeführt, in der ein breites Spektrum an Bodentexturen und Texturheterogenitäten berücksichtigt wurde. Die Methode lieferte gute Ergebnisse für die meisten Texturklassen. In reinem Sand jedoch stell-te sie sich als nicht anwendbar heraus, da hier Sickerwasserflüsse von heterogenen Fließfel-dern dominiert wurden. In dieser Studie wurde ein Bedarf an neuen effizienten Ansätzen für den Umgang mit Heterogenitäten in eindimensionalen Wasserflussmodellen identifiziert. In einem weiteren Schritt wurde ein Ansatz vorgestellt, um aus dem Problem der Boden-feuchteheterogenität eine Lösung zu machen: In einer Hauptkomponentenanalyse wurde die Variabilität zwischen Bodenfeuchtezeitreihen genutzt, um die wahre Komplexität bo-denhydrologischer Systeme zu analysieren. Auf diesem Weg ist es möglich die Haupteinfluss-faktoren des hydrologischen Verhaltens zu identifizieren, ihre Relevanz zu quantifizieren und ihre jeweiligen Effekte als funktional gemittelte Zeitreihen zu beschreiben. Der Ansatz wurde zunächst mit simulierten Bodenfeuchtezeitreihen für unterschiedliche Texturklassen im ho-mogenen und heterogenen Fall getestet. Anschließend wurde die Methode auf 57 Boden-feuchtezeitreihen angewendet, die in einem Langzeitfeldexperiment in Nordostdeutschland gemessen wurden. Die Dimensionalität beider Datensätze war gering, da mehr als 85 % der gesamten Boden-feuchtevarianz bereits durch das hydrologische Eingangssignal und die Transformation dieses Signals mit zunehmender Bodentiefe erklärt werden konnten. Analysen der Signaltransfor-mation haben sich als wertvolle Ergänzung zu den weit verbreiteten Massenflussbetrachtun-gen herausgestellt. Hierbei wird untersucht, wie sich hydrologische Eingangssignale (z.B. Nie-derschlag oder Schneeschmelze) in der vadosen Zone fortpflanzen. Die generellen Muster der Signaltransformation wurden weder durch verschiedene Bodentexturen noch durch räumliche Heterogeneitäten beeinfluss. Dies zeigt, dass komplexe räumliche Strukturen nicht zwangsläufig ein komplexes hydrologisches Verhalten hervorrufen. Im Fall der Felddaten wurden weitere 3,6 % der Gesamtvarianz durch verschiedene Fruchtfolgen erklärt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Bodenbearbeitung keinen Einfluss auf die Boden-feuchtedynamik hatte. Der vorgestellte Ansatz erfordert keine Vorannahmen über physikalische Prozesse und ist nicht auf eine bestimmte Skala begrenzt. Dadurch ergeben sich viele Möglichkeiten, wichtige Informationen aus Monitoringdatensätzen in die Modellbildung einzubeziehen und damit Modell-unsicherheiten zu verringern. KW - soil hydrology KW - soil heterogeneity KW - soil moisture KW - deep seepage KW - time series analysis KW - transformation of hydrological signals KW - Bodenhydrologie KW - Bodenheterogenität KW - Bodenfeuchte KW - Tiefenversickerung KW - Zeitreihenanalyse KW - Transformation hydrologischer Signale Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101485 ER - TY - JOUR A1 - Meißl, Gertraud A1 - Formayer, Herbert A1 - Klebinder, Klaus A1 - Kerl, Florian A1 - Schöberl, Friedrich A1 - Geitner, Clemens A1 - Markart, Gerhard A1 - Leidinger, David A1 - Bronstert, Axel T1 - Climate change effects on hydrological system conditions influencing generation of storm runoff in small Alpine catchments JF - Hydrological processes : an international journal N2 - Floods and debris flows in small Alpine torrent catchments (<10km(2)) arise from a combination of critical antecedent system state conditions and mostly convective precipitation events with high precipitation intensities. Thus, climate change may influence the magnitude-frequency relationship of extreme events twofold: by a modification of the occurrence probabilities of critical hydrological system conditions and by a change of event precipitation characteristics. Three small Alpine catchments in different altitudes in Western Austria (Ruggbach, Brixenbach and Langentalbach catchment) were investigated by both field experiments and process-based simulation. Rainfall-runoff model (HQsim) runs driven by localized climate scenarios (CNRM-RM4.5/ARPEGE, MPI-REMO/ECHAM5 and ICTP-RegCM3/ECHAM5) were used in order to estimate future frequencies of stormflow triggering system state conditions. According to the differing altitudes of the study catchments, two effects of climate change on the hydrological systems can be observed. On one hand, the seasonal system state conditions of medium altitude catchments are most strongly affected by air temperature-controlled processes such as the development of the winter snow cover as well as evapotranspiration. On the other hand, the unglaciated high-altitude catchment is less sensitive to climate change-induced shifts regarding days with critical antecedent soil moisture and desiccated litter layer due to its elevation-related small proportion of sensitive areas. For the period 2071-2100, the number of days with critical antecedent soil moisture content will be significantly reduced to about 60% or even less in summer in all catchments. In contrast, the number of days with dried-out litter layers causing hydrophobic effects will increase by up to 8%-11% of the days in the two lower altitude catchments. The intensity analyses of heavy precipitation events indicate a clear increase in rain intensities of up to 10%. KW - climate change KW - hydrophobic effects KW - small Alpine catchments KW - soil moisture KW - storm runoff events KW - system conditions Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1002/hyp.11104 SN - 0885-6087 SN - 1099-1085 VL - 31 IS - 6 SP - 1314 EP - 1330 PB - Wiley CY - New York ER -