TY  - THES
A1  - Windirsch-Woiwode, Torben
T1  - Permafrost carbon stabilisation by recreating a herbivore-driven ecosystem
T1  - Stabilisierung von Permafrostkohlenstoff durch die Wiedereinführung eines Herbivor-geprägten Ökosystems
N2  - With Arctic ground as a huge and temperature-sensitive carbon reservoir, maintaining low ground temperatures and frozen conditions to prevent further carbon emissions that contrib-ute to global climate warming is a key element in humankind’s fight to maintain habitable con-ditions on earth. Former studies showed that during the late Pleistocene, Arctic ground condi-tions were generally colder and more stable as the result of an ecosystem dominated by large herbivorous mammals and vast extents of graminoid vegetation – the mammoth steppe. Characterised by high plant productivity (grassland) and low ground insulation due to animal-caused compression and removal of snow, this ecosystem enabled deep permafrost aggrad-ation. Now, with tundra and shrub vegetation common in the terrestrial Arctic, these effects are not in place anymore. However, it appears to be possible to recreate this ecosystem local-ly by artificially increasing animal numbers, and hence keep Arctic ground cold to reduce or-ganic matter decomposition and carbon release into the atmosphere.
By measuring thaw depth, total organic carbon and total nitrogen content, stable carbon iso-tope ratio, radiocarbon age, n-alkane and alcohol characteristics and assessing dominant vegetation types along grazing intensity transects in two contrasting Arctic areas, it was found that recreating conditions locally, similar to the mammoth steppe, seems to be possible. For permafrost-affected soil, it was shown that intensive grazing in direct comparison to non-grazed areas reduces active layer depth and leads to higher TOC contents in the active layer soil. For soil only frozen on top in winter, an increase of TOC with grazing intensity could not be found, most likely because of confounding factors such as vertical water and carbon movement, which is not possible with an impermeable layer in permafrost. In both areas, high animal activity led to a vegetation transformation towards species-poor graminoid-dominated landscapes with less shrubs. Lipid biomarker analysis revealed that, even though the available organic material is different between the study areas, in both permafrost-affected and sea-sonally frozen soils the organic material in sites affected by high animal activity was less de-composed than under less intensive grazing pressure. In conclusion, high animal activity af-fects decomposition processes in Arctic soils and the ground thermal regime, visible from reduced active layer depth in permafrost areas. Therefore, grazing management might be utilised to locally stabilise permafrost and reduce Arctic carbon emissions in the future, but is likely not scalable to the entire permafrost region.
N2  - Mit dem arktischen Boden als riesigem und temperatursensiblen Kohlenstoffspeicher ist die Aufrechterhaltung niedriger Bodentemperaturen und gefrorener Bedingungen zur Verhinde-rung weiterer Kohlenstoffemissionen, die zum globalen Klimawandel beitragen, ein Schlüs-selelement im Kampf der Menschheit, die Erde weiterhin bewohnbar zu halten. Vorangehen-de Studien ergaben, dass die Bodenbedingungen in der Arktis während des späten Pleisto-zäns im Allgemeinen kälter und dadurch stabiler waren, als Ergebnis eines Ökosystems, das von großen pflanzenfressenden Säugetieren und weiten Flächen grasartiger Vegetation do-miniert wurde - der Mammutsteppe. Gekennzeichnet durch hohe Pflanzenproduktivität (Gras-land) und geringe Bodenisolierung aufgrund von Kompression und Schneeräumung durch Tiere, ermöglichte dieses Ökosystem eine tiefreichende Entwicklung des Permafrosts. Heut-zutage, mit der vorherrschenden Tundra- und Strauchvegetation in der Arktis, sind diese Ef-fekte nicht mehr präsent. Es scheint aber möglich, dieses Ökosystem lokal durch künstliche Erhöhung der Tierbestände nachzubilden und somit den arktischen Boden kühl zu halten, um den Abbau von organischem Material und die Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre zu verringern.
Durch Messungen der Auftautiefe, des Gesamtgehalts des organischen Kohlenstoffs und Stickstoffs, des stabilen Kohlenstoff-Isotopenverhältnisses, des Radiocarbonalters, der 
n-Alkan- und Alkoholcharakteristika sowie durch Bestimmung der vorherrschenden Vegetati-onstypen entlang von Beweidungsgradienten in zwei unterschiedlichen arktischen Gebieten habe ich festgestellt, dass die Schaffung ähnlicher Bedingungen wie in der Mammutsteppe möglich sein könnte. Für durch Permafrost beeinflusste Böden konnte ich zeigen, dass eine intensive Beweidung im direkten Vergleich mit unbeweideten Gebieten die Tiefe der Auftau-schicht verringert und zu höheren Gehalten an organischem Kohlenstoff im oberen Bodenbe-reich führt. Für im Winter nur oberflächlich gefrorene Böden konnte kein Anstieg des organi-schen Kohlenstoffgehalts mit zunehmender Beweidungsintensität festgestellt werden, höchstwahrscheinlich aufgrund von Störfaktoren wie vertikalen Wasser- und Kohlenstoffbe-wegungen, die nicht durch eine undurchlässige Schicht wie beim Permafrost begrenzt sind. In beiden Gebieten führte eine hohe Tieraktivität zu einer Umwandlung der Vegetation hin zu artenarmen, von Gräsern dominierten Landschaften mit weniger Sträuchern. Die Analyse von Lipid-Biomarkern ergab, dass das verfügbare organische Material zwar zwischen den Unter-suchungsgebieten unterschiedlich war, aber sowohl in Permafrostgebieten als auch in saiso-nal gefrorenen Böden in Bereichen mit hoher Tieraktivität weniger stark zersetzt war als unter geringerer Beweidungsintensität. Zusammenfassend beeinflusst eine hohe Tieraktivität die Zersetzungsvorgänge in arktischen Böden und das thermische Regime des Bodens, was sich in einer reduzierten Tiefe der Auftauschicht in Permafrostgebieten widerspiegelt. Daher könn-te das Beweidungsmanagement in Zukunft aktiv eingesetzt werden, um den Permafrost lokal zu stabilisieren und gefroren zu halten sowie die Kohlenstoffemissionen in der Arktis zu ver-ringern. Aufgrund der Größe der Fläche, die in der terrestrischen Arktis von Permafrost be-einflusst ist, wird ein solches Beweidungsmanagement aber nicht als Maßnahme auf die ge-samte Permafrostregion ausgedehnt werden können.
KW  - permafrost
KW  - carbon
KW  - climate change
KW  - grazing
KW  - Arctic
KW  - Arktis
KW  - Kohlenstoff
KW  - Klimawandel
KW  - Beweidung
KW  - Permafrost
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-624240
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TY  - THES
A1  - Hippel, Barbara von
T1  - Long-term bacteria-fungi-plant associations in permafrost soils inferred from palaeometagenomics
N2  - The arctic is warming 2 – 4 times faster than the global average, resulting in a strong feedback on northern ecosystems such as boreal forests, which cover a vast area of the high northern latitudes. With ongoing global warming, the treeline subsequently migrates northwards into tundra areas. The consequences of turning ecosystems are complex: on the one hand, boreal forests are storing large amounts of global terrestrial carbon and act as a carbon sink, dragging carbon dioxide out of the global carbon cycle, suggesting an enhanced carbon uptake with increased tree cover. On the other hand, with the establishment of trees, the albedo effect of tundra decreases, leading to enhanced soil warming. Meanwhile, permafrost thaws, releasing large amounts of previously stored carbon into the atmosphere. So far, mainly vegetation dynamics have been assessed when studying the impact of warming onto ecosystems. Most land plants are living in close symbiosis with bacterial and fungal communities, sustaining their growth in nutrient poor habitats. However, the impact of climate change on these subsoil communities alongside changing vegetation cover remains poorly understood. Therefore, a better understanding of soil community dynamics on multi millennial timescales is inevitable when addressing the development of entire ecosystems. Unravelling long-term cross-kingdom dependencies between plant, fungi, and bacteria is not only a milestone for the assessment of warming on boreal ecosystems. On top, it also is the basis for agriculture strategies to sustain society with sufficient food in a future warming world.
The first objective of this thesis was to assess ancient DNA as a proxy for reconstructing the soil microbiome (Manuscripts I, II, III, IV). Research findings across these projects enable a comprehensive new insight into the relationships of soil microorganisms to the surrounding vegetation. First, this was achieved by establishing (Manuscript I) and applying (Manuscript II) a primer pair for the selective amplification of ancient fungal DNA from lake sediment samples with the metabarcoding approach. To assess fungal and plant co-variation, the selected primer combination (ITS67, 5.8S) amplifying the ITS1 region was applied on samples from five boreal and arctic lakes. The obtained data showed that the establishment of fungal communities is impacted by warming as the functional ecological groups are shifting. Yeast and saprotroph dominance during the Late Glacial declined with warming, while the abundance of mycorrhizae and parasites increased with warming. The overall species richness was also alternating. The results were compared to shotgun sequencing data reconstructing fungi and bacteria (Manuscripts III, IV), yielding overall comparable results to the metabarcoding approach. Nonetheless, the comparison also pointed out a bias in the metabarcoding, potentially due to varying ITS lengths or copy numbers per genome. 
The second objective was to trace fungus-plant interaction changes over time (Manuscripts II, III). To address this, metabarcoding targeting the ITS1 region for fungi and the chloroplast P6 loop for plants for the selective DNA amplification was applied (Manuscript II). Further, shotgun sequencing data was compared to the metabarcoding results (Manuscript III). Overall, the results between the metabarcoding and the shotgun approaches were comparable, though a bias in the metabarcoding was assumed. We demonstrated that fungal shifts were coinciding with changes in the vegetation. Yeast and lichen were mainly dominant during the Late Glacial with tundra vegetation, while warming in the Holocene lead to the expansion of boreal forests with increasing mycorrhizae and parasite abundance. Aside, we highlighted that Pinaceae establishment is dependent on mycorrhizal fungi such as Suillineae, Inocybaceae, or Hyaloscypha species also on long-term scales. 
The third objective of the thesis was to assess soil community development on a temporal gradient (Manuscripts III, IV). Shotgun sequencing was applied on sediment samples from the northern Siberian lake Lama and the soil microbial community dynamics compared to ecosystem turnover. Alongside, podzolization processes from basaltic bedrock were recovered (Manuscript III). Additionally, the recovered soil microbiome was compared to shotgun data from granite and sandstone catchments (Manuscript IV, Appendix). We assessed if the establishment of the soil microbiome is dependent on the plant taxon and as such comparable between multiple geographic locations or if the community establishment is driven by abiotic soil properties and as such the bedrock area. We showed that the development of soil communities is to a great extent driven by the vegetation changes and temperature variation, while time only plays a minor role. The analyses showed general ecological similarities especially between the granite and basalt locations, while the microbiome on species-level was rather site-specific. A greater number of correlated soil taxa was detected for deep-rooting boreal taxa in comparison to grasses with shallower roots. Additionally, differences between herbaceous taxa of the late Glacial compared to taxa of the Holocene were revealed.
With this thesis, I demonstrate the necessity to investigate subsoil community dynamics on millennial time scales as it enables further understanding of long-term ecosystem as well as soil development processes and such plant establishment. Further, I trace long-term processes leading to podzolization which supports the development of applied carbon capture strategies under future global warming.
N2  - Die Arktis erwärmt sich schneller als der weltweite Durschnitt, was die dortigen Ökosysteme wie die borealen Nadelwälder stark beeinflusst. Die Baumgrenze verschiebt sich durch veränderte Wachstumsbedingungen nach Norden und breitet sich in Tundra-Gegenden aus. Das führt zu komplexen Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf, da durch das Baumwachstum vermehrt CO2 im Boden gespeichert wird. Andererseits wird der Albedo-Effekt der Tundra verringert und der Boden erwärmt sich verstärkt. Das wiederum führt zum Tauen von Permafrost und setzt große Mengen an gespeichertem Kohlenstoff frei. Bislang wurde vor allem die Auswirkung der Erwärmung auf Vegetationsdynamiken untersucht. Für ein gesundes Pflanzenwachstum stehen die meisten Landpflanzen in engem Austausch mit einer Vielzahl an Bakterien und Pilzen. Es ist bislang wenig verstanden, wie diese Bodengemeinschaften durch den Klimawandel beeinflusst werden. Es ist deshalb notwendig, verstärkt auch die Langzeitabhängigkeiten der Pflanzen von Mikroorganismen zu betrachten. Dies ist nicht nur ein Meilenstein bei der Untersuchung des Klimawandels auf arktische Ökosysteme. Zudem wird so die Entwicklung angepasster Strategien im Bereich der Landwirtschaft ermöglicht, was die Grundlage dafür ist, die wachsende Bevölkerung auch in Zukunft mit ausreichend Nahrungsmitteln versorgen zu können.
Im ersten Teil meiner Arbeit untersuche ich das Potential, die Dynamiken von Bodenmikroorganismen aus Seesedimenten zu rekonstruieren. Ich habe gezeigt, dass molekulargenetische Analysen das sowohl für Pilze als auch Bakterien auf großen Zeitskalen ermöglichen. Eine Zuweisung der Mikroorganismen zu ihren Funktionen im Ökosystem ermöglichte, Dynamiken in den Nährstoffkreisläufen sowie in Pilzökologien zu verstehen.
Die Analyse der komplexen Assoziationen von Pilzen und Pflanzen bildete den zweiten Teil meiner Arbeit. Hier konnte ich zeigen, dass Pilze und Pflanzen spezifische Muster in ihren Vorkommen miteinander zeigen und dass die Vegetation das Pilzvorkommen auch auf großen Zeitskalen beeinflusst. Die Tundravegetation des Spätglazials war vor allem von Flechten und Hefevorkommen dominiert, während die Einwanderung von borealen Wäldern in die untersuchten Gebiete zu zunehmder Mykorrhiza- und Parasitenverbreitung führte. Ich habe auch gezeigt, dass die Etablierung von Pinaceen langfristig von spezifischen Mykorrhiza-Pilzen wie Suillineae, Inocybaceae oder Hyaloscypha-Arten abhängt.
Das dritte Ziel meiner Arbeit war es, zeitliche Dynamiken in der Zusammensetzung von Bodenorganismen im Bezug zur Entstehung von Böden zu rekonstruieren. Mir gelang es, die Verwitterung von Basalt nachzuvollziehen und daraus die Entstehung von Podsol abzuleiten. Ein Vergleich zu Bodengesellschaften aus Granit- und Sandstein-Einzugsgebieten zeigte, dass sich die Granit- und Basalt-Bodeneigenschaften ähneln. Allerdings zeigten die Pflanzen an den Standorten ein sehr ortsspezifisches Mikrobiom und somit eine lokale Anpassung an die Wachstumsbedingungen.
Ich konnte mit dieser Arbeit zeigen, dass die Rekonstruktion von Bodenmikroorganismen im Vergleich zur Vegetation einen Einblick in Ökosystemdynamiken unter Klimawandel ermöglicht. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis von Bodenentstehungsprozessen und vereinfacht die Entwicklung angewandter carbon capture Strategien.
KW  - sedimentary ancient DNA
KW  - ecology
KW  - lake sediment
KW  - Arctic
KW  - ecosystem reconstruction
KW  - climate change
KW  - treeline dynamics
KW  - microbial soil communities
KW  - plant-microbe interactions
KW  - Arktis
KW  - Klimawandel
KW  - Ökologie
KW  - Ökosystem-Rekonstruktion
KW  - Seesediment
KW  - mikrobielle Bodengemeinschaften
KW  - Pflanzen-Mikroben-Interaktionen
KW  - sedimentary ancient DNA
KW  - Baumgrenzen-Dynamik
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636009
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmidt, Lena Katharina
T1  - Altered hydrological and sediment dynamics in high-alpine areas – Exploring the potential of machine-learning for estimating past and future changes
N2  - Climate change fundamentally transforms glaciated high-alpine regions, with well-known cryospheric and hydrological implications, such as accelerating glacier retreat, transiently increased runoff, longer snow-free periods and more frequent and intense summer rainstorms. These changes affect the availability and transport of sediments in high alpine areas by altering the interaction and intensity of different erosion processes and catchment properties.
Gaining insight into the future alterations in suspended sediment transport by high alpine streams is crucial, given its wide-ranging implications, e.g. for flood damage potential, flood hazard in downstream river reaches, hydropower production, riverine ecology and water quality. However, the current understanding of how climate change will impact suspended sediment dynamics in these high alpine regions is limited. For one, this is due to the scarcity of measurement time series that are long enough to e.g. infer trends. On the other hand, it is difficult – if not impossible – to develop process-based models, due to the complexity and multitude of processes involved in high alpine sediment dynamics. Therefore, knowledge has so far been confined to conceptual models (which do not facilitate deriving concrete timings or magnitudes for individual catchments) or qualitative estimates (‘higher export in warmer years’) that may not be able to capture decreases in sediment export. Recently, machine-learning approaches have gained in popularity for modeling sediment dynamics, since their black box nature tailors them to the problem at hand, i.e. relatively well-understood input and output data, linked by very complex processes.
Therefore, the overarching aim of this thesis is to estimate sediment export from the high alpine Ötztal valley in Tyrol, Austria, over decadal timescales in the past and future – i.e. timescales relevant to anthropogenic climate change. This is achieved by informing, extending, evaluating and applying a quantile regression forest (QRF) approach, i.e. a nonparametric, multivariate machine-learning technique based on random forest.
The first study included in this thesis aimed to understand present sediment dynamics, i.e. in the period with available measurements (up to 15 years). To inform the modeling setup for the two subsequent studies, this study identified the most important predictors, areas within the catchments and time periods. To that end, water and sediment yields from three nested gauges in the upper Ötztal, Vent, Sölden and Tumpen (98 to almost 800 km² catchment area, 930 to 3772 m a.s.l.) were analyzed for their distribution in space, their seasonality and spatial differences therein, and the relative importance of short-term events. The findings suggest that the areas situated above 2500 m a.s.l., containing glacier tongues and recently deglaciated areas, play a pivotal role in sediment generation across all sub-catchments. In contrast, precipitation events were relatively unimportant (on average, 21 % of annual sediment yield was associated to precipitation events). Thus, the second and third study focused on the Vent catchment and its sub-catchment above gauge Vernagt (11.4 and 98 km², 1891 to 3772 m a.s.l.), due to their higher share of areas above 2500 m. Additionally, they included discharge, precipitation and air temperature (as well as their antecedent conditions) as predictors.
The second study aimed to estimate sediment export since the 1960s/70s at gauges Vent and Vernagt. This was facilitated by the availability of long records of the predictors, discharge, precipitation and air temperature, and shorter records (four and 15 years) of turbidity-derived sediment concentrations at the two gauges. The third study aimed to estimate future sediment export until 2100, by applying the QRF models developed in the second study to pre-existing precipitation and temperature projections (EURO-CORDEX) and discharge projections (physically-based hydroclimatological and snow model AMUNDSEN) for the three representative concentration pathways RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5.
The combined results of the second and third study show overall increasing sediment export in the past and decreasing export in the future. This suggests that peak sediment is underway or has already passed – unless precipitation changes unfold differently than represented in the projections or changes in the catchment erodibility prevail and override these trends. Despite the overall future decrease, very high sediment export is possible in response to precipitation events. This two-fold development has important implications for managing sediment, flood hazard and riverine ecology.
This thesis shows that QRF can be a very useful tool to model sediment export in high-alpine areas. Several validations in the second study showed good performance of QRF and its superiority to traditional sediment rating curves – especially in periods that contained high sediment export events, which points to its ability to deal with threshold effects. A technical limitation of QRF is the inability to extrapolate beyond the range of values represented in the training data. We assessed the number and severity of such out-of-observation-range (OOOR) days in both studies, which showed that there were few OOOR days in the second study and that uncertainties associated with OOOR days were small before 2070 in the third study. As the pre-processed data and model code have been made publically available, future studies can easily test further approaches or apply QRF to further catchments.
N2  - Der Klimawandel verändert vergletscherte Hochgebirgsregionen grundlegend, mit wohlbekannten Auswirkungen auf Kryosphäre und Hydrologie, wie beschleunigtem Gletscherrückgang, vorübergehend erhöhtem Abfluss, längeren schneefreien Perioden und häufigeren und intensiveren sommerlichen Starkniederschlägen. Diese Veränderungen wirken sich auf die Verfügbarkeit und den Transport von Sedimenten in hochalpinen Gebieten aus, indem sie die Interaktion und Intensität verschiedener Erosionsprozesse und Einzugsgebietseigenschaften verändern.
Eine Abschätzung der zukünftigen Veränderungen des Schwebstofftransports in hochalpinen Bächen ist von entscheidender Bedeutung, da sie weitreichende Auswirkungen haben, z. B. auf das Hochwasserschadenspotenzial, die Hochwassergefahr in den Unterläufen, sowie Wasserkraftproduktion, aquatische Ökosysteme und Wasserqualität. Das derzeitige Verständnis der Auswirkungen des Klimawandels auf die Schwebstoffdynamik in diesen hochalpinen Regionen ist jedoch begrenzt. Dies liegt zum einen daran, dass es kaum ausreichend lange Messzeitreihen gibt, um z.B. Trends ableiten zu können. Zum anderen ist es aufgrund der Komplexität und der Vielzahl der Prozesse, die an der hochalpinen Sedimentdynamik beteiligt sind, schwierig - wenn nicht gar unmöglich - prozessbasierte Modelle zu entwickeln. Daher beschränkte sich das Wissen bisher auf konzeptionelle Modelle (die es nicht ermöglichen, konkrete Zeitpunkte oder Größenordnungen für einzelne Einzugsgebiete abzuleiten) oder qualitative Schätzungen ("höherer Sedimentaustrag in wärmeren Jahren"), die möglicherweise nicht in der Lage sind, Rückgänge im Sedimentaustrag abzubilden. In jüngster Zeit haben Ansätze des maschinellen Lernens für die Modellierung der Sedimentdynamik an Popularität gewonnen, da sie aufgrund ihres Black-Box-Charakters auf das vorliegende Problem zugeschnitten sind, d. h. auf relativ gut verstandene Eingangs- und Ausgangsdaten, die durch sehr komplexe Prozesse verknüpft sind.
Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist daher die Abschätzung des Sedimentaustrags am Beispiel des hochalpinen Ötztals in Tirol, Österreich, auf dekadischen Zeitskalen in der Vergangenheit und Zukunft – also Zeitskalen, die für den anthropogenen Klimawandel relevant sind. Dazu wird ein Quantile Regression Forest (QRF)-Ansatz, d.h. ein nichtparametrisches, multivariates maschinelles Lernverfahren auf der Basis von Random Forest, erweitert, evaluiert und angewendet.
Die erste Studie im Rahmen dieser Arbeit zielte darauf ab, die "gegenwärtige" Sedimentdynamik zu verstehen, d. h. in dem Zeitraum, für den Messungen vorliegen (bis zu 15 Jahre). Um die Modellierung für die beiden folgenden Studien zu ermöglichen, wurden in dieser Studie die wichtigsten Prädiktoren, Teilgebiete des Untersuchungsgebiets und Zeiträume ermittelt. Zu diesem Zweck wurden die Wasser- und Sedimenterträge von drei verschachtelten Pegeln im oberen Ötztal, Vent, Sölden und Tumpen (98 bis fast 800 km² Einzugsgebiet, 930 bis 3772 m ü.d.M.), auf ihre räumliche Verteilung, ihre Saisonalität und deren räumlichen Unterschiede, sowie die relative Bedeutung von Niederschlagsereignissen hin untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Gebiete oberhalb
von 2500 m ü. M., in denen sich Gletscherzungen und kürzlich entgletscherte Gebiete befinden, eine zentrale Rolle in der Sedimentdynamik in allen Teileinzugsgebieten spielen. Im Gegensatz dazu waren Niederschlagsereignisse relativ unbedeutend (im Durchschnitt wurden 21 % des jährlichen Austrags mit Niederschlagsereignissen in Verbindung gebracht). Daher konzentrierten sich die zweite und dritte Studie auf das Vent-Einzugsgebiet und sein Teileinzugsgebiet oberhalb des Pegels Vernagt (11,4 und 98 km², 1891 bis 3772 m ü. M.), da sie einen höheren Anteil an Gebieten oberhalb von 2500 m aufweisen. Außerdem wurden Abfluss, Niederschlag und Lufttemperatur (sowie deren Vorbedingungen) als Prädiktoren einbezogen.
Die zweite Studie zielte darauf ab, den Sedimentexport seit den 1960er/70er Jahren an den Pegeln Vent und Vernagt abzuschätzen. Dies wurde durch die Verfügbarkeit langer Aufzeichnungen der Prädiktoren Abfluss, Niederschlag und Lufttemperatur sowie kürzerer Aufzeichnungen (vier und 15 Jahre) von aus Trübungsmessungen abgeleiteten Sedimentkonzentrationen an den beiden Pegeln ermöglicht. Die dritte Studie zielte darauf ab, den zukünftigen Sedimentexport bis zum Jahr 2100 abzuschätzen, indem die in der zweiten Studie entwickelten QRF-Modelle auf bereits existierende Niederschlags- und Temperaturprojektionen (EURO-CORDEX) und Abflussprojektionen (des physikalisch basierten hydroklimatologischen und Schneemodells AMUNDSEN) in den drei repräsentativen Konzentrationspfaden RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 angewendet wurden.
Die kombinierten Ergebnisse der zweiten und dritten Studie legen nahe, dass der Sedimentexport in der Vergangenheit insgesamt zugenommen hat und in der Zukunft abnehmen wird. Dies deutet darauf hin, dass der Höhepunkt des Sedimenteintrags erreicht ist oder bereits überschritten wurde - es sei denn, die Niederschlagsveränderungen entwickeln sich anders, als es in den Projektionen dargestellt ist, oder Veränderungen in der Erodierbarkeit des Einzugsgebiets setzen sich durch. Trotz des allgemeinen Rückgangs in der Zukunft sind sehr hohe Sedimentausträge als Reaktion auf Niederschlagsereignisse möglich. Diese zweifältige Entwicklung hat wichtige Auswirkungen auf das Sedimentmanagement, die Hochwassergefahr und die Flussökologie.
Diese Arbeit zeigt, dass QRF ein sehr nützliches Instrument zur Modellierung des Sedimentexports in hochalpinen Gebieten sein kann. Mehrere Validierungen in der zweiten Studie zeigten eine gute Modell-Performance und die Überlegenheit gegenüber traditionellen Sediment-Abfluss-Beziehungen – insbesondere in Zeiträumen, in denen es zu einem hohen Sedimentexport kam, was auf die Fähigkeit von QRF hinweist, mit Schwelleneffekten umzugehen. Eine technische Einschränkung von QRF ist die Unfähigkeit, über den Bereich der in den Trainingsdaten dargestellten Werte hinaus zu extrapolieren. Die Anzahl und den Schweregrad an solchen Tagen, in denen der Wertebereich der Trainingsdaten überschritten wurde, wurde in beiden Studien untersucht. Dabei zeigte sich, dass es in der zweiten Studie nur wenige solcher Tage gab und dass die mit den Überschreitungen verbundenen Unsicherheiten in der dritten Studie vor 2070 gering waren. Da die vorverarbeiteten Daten und der Modellcode öffentlich zugänglich gemacht wurden, können künftige Studien darauf aufbauend weitere Ansätze testen oder QRF auf weitere Einzugsgebiete anwenden.
KW  - suspended sediment
KW  - glacier melt
KW  - climate change
KW  - natural hazards
KW  - hydrology
KW  - geomorphology
KW  - Klimawandel
KW  - Geomorphologie
KW  - Gletscherschmelze
KW  - Hydrologie
KW  - Naturgefahren
KW  - suspendiertes Sediment
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-623302
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TY  - THES
A1  - Riebold, Johannes
T1  - On the linkage between future Arctic sea ice retreat, the large-scale atmospheric circulation and temperature extremes over Europe
T1  - Untersuchung des Zusammenhangs zwischen zukünftigen Arktischen Meereisänderungen, der großskaligen atmosphärischen Zirkulation und Temperaturextremen über Europa
N2  - Extreme weather and climate events are  one of the greatest dangers for present-day society. Therefore,  it is important to provide reliable statements on what  changes in extreme events can be expected along with future global climate change. However, the  projected overall response to future climate change is generally a result of a complex interplay between individual physical mechanisms originated within the different climate subsystems. Hence, a profound understanding of these individual contributions is required in order to provide meaningful assessments of  future changes in extreme events. One aspect of  climate change is the recently observed phenomenon of Arctic Amplification and the related dramatic Arctic sea ice decline, which is expected to continue over the next decades. The question to what extent Arctic sea ice loss is able to affect atmospheric dynamics and extreme events over mid-latitudes has received a lot of attention over recent years and still remains a highly debated topic. 
In this respect, the objective of this  thesis is to contribute to a better understanding  on the impact of future Arctic sea ice retreat on European temperature extremes  and  large-scale atmospheric dynamics.
The  outcomes  are based  on model data from the atmospheric general circulation model ECHAM6.  Two different sea ice sensitivity  simulations from the Polar Amplification Intercomparison Project are employed and contrasted to a present day reference experiment: one experiment with prescribed future sea ice loss over the entire Arctic, as well as another one with sea ice reductions only locally prescribed over the Barents-Kara Sea.% prescribed over the entire Arctic, as well as only locally over the Barent/Karasea with a present day reference experiment. 

The first part of the thesis focuses on how future Arctic sea ice reductions affect large-scale atmospheric dynamics over the Northern Hemisphere in terms of occurrence frequency changes of five preferred Euro-Atlantic circulation regimes. When compared to circulation regimes computed from ERA5 it shows that ECHAM6 is able to realistically simulate the regime structures. Both ECHAM6 sea ice sensitivity experiments exhibit similar regime frequency changes. Consistent with tendencies found in ERA5, a more frequent occurrence of a Scandinavian blocking pattern in midwinter is for instance detected under future sea ice conditions in the sensitivity experiments. Changes in occurrence frequencies of circulation regimes  in summer season are however barely  detected. 
After identifying suitable regime storylines for the occurrence of European temperature extremes in winter, the previously detected regime frequency changes are used to quantify dynamically and thermodynamically driven contributions to sea ice-induced changes in European winter temperature extremes.
It is   for instance shown how the preferred occurrence of a Scandinavian blocking regime under low sea ice conditions dynamically contributes to more frequent midwinter cold extreme occurrences over Central Europe. In addition, a reduced occurrence frequency of a Atlantic trough regime is linked to reduced winter warm extremes over Mid-Europe. Furthermore, it is demonstrated how the overall thermodynamical warming effect due to sea ice loss can result in less (more) frequent winter cold (warm) extremes, and consequently counteracts the dynamically induced changes.

Compared to winter season, circulation regimes in summer are less suitable as storylines for the occurrence of summer heat extremes.  
Therefore, an approach based on circulation analogues is  employed in order to quantify thermodyamically and dynamically driven contributions to sea ice-induced changes of summer heat extremes over three different European sectors. Reduced occurrences of blockings over Western Russia are  detected in the ECHAM6 sea ice sensitivity experiments; however, arguing for dynamically and thermodynamically induced contributions to changes in summer heat extremes remains rather challenging.
N2  - Wetter- und Klimaextreme stellen eine der größten Gefahren für die heutige Gesellschaft dar. Daher ist es essentiell verlässliche Aussagen darüber zu treffen, welche Änderungen solcher Extremereignisse im Zuge des zukünftigen globalen Klimawandels zu erwarten sind. Die projizierten  Klimaänderungen, welche mit dem zukünftigen Klimawandel einhergehen, sind jedoch im Allgemeinen das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen von verschiedenen physikalischen und dynamischen Prozessen in den verschiedenen Subsystemen des Klimasystems. Daher ist ein tiefgreifendes Verständnis dieser einzelnen Prozesse erforderlich, um aussagekräftige Einschätzungen für die Zukunft abgeben zu können. Ein Aspekt des globalen Klimawandels über die letzten Dekaden ist das Phänomen der arktischen Verstärkung und der damit verbundene dramatische Rückgang des Arktischen Meereises, welcher sich voraussichtlich in den nächsten Jahrzehnten auch fortsetzen wird. Die Frage, inwieweit der Rückgang des arktischen Meereises die atmosphärische Dynamik sowie Wetter- und Klimaextreme über den mittleren Breiten beeinflussen kann, wurde in den letzten Jahren von einer Vielzahl von Studien adressiert, bleibt jedoch bis zum heutigen Tage ein kontrovers diskutiertes Thema.
Aus diesem Grund zielt die vorliegende Arbeit darauf ab einen Beitrag zu einem besseren Verständnis  der Auswirkungen des zukünftigen arktischen Meereisrückgangs auf europäische Temperaturextreme, sowie auf Änderungen der relevanten großräumigen atmosphärischen Zirkulationsbedingungen zu leisten.
Die Ergebnisse dieser Arbeit basieren auf Modelldaten des atmosphärischen  Zirkulationsmodells ECHAM6. Zwei unterschiedliche Meereissensitivitätsexperimente aus dem Polar Amplification Intercomparison Project werden analysiert: ein Experiment  mit vorgeschriebener zukünftiger Meereisreduktion über der gesamten Arktis, sowie ein Weiteres, in dem jediglich das Meereis über der Barents- und Karasee verringert wird. Beide Experimente werden einer Referenzsimulation gegenübergestellt, welche  gegenwärtige Meereisbedingungen repräsentiert.

Zunächst wird analysiert, inwieweit der zukünftige arktische Meereisrückgang Einfluss auf die großräumige atmosphärische Zirkulation über der nördlichen Hemisphäre hat. Dazu werden im Rahmen dieser Arbeit die Häufigkeitsänderungen von fünf bevorzugten atmosphärischen Zirkulationsregimen bestimmt. Beide Sensitivitätsexperimente zeigen diesbezüglich ähnliche Änderungen in den Auftrittswahrscheinlichkeiten der Regime. In Übereinstimmung mit Ergebnissen, welche auf der ERA5-Reanalyse basieren, zeigt sich beispielsweise ein häufigeres Auftreten eines skandinavischen Blockierungsmusters im Mittwinter unter reduzierten Meereisbedingungen. Änderungen in der Auftrittswahrscheinlichkeit verschiedener Zirkulationsregime in der Sommersaison werden hingegen kaum detektiert. 
Anschließend werden jene Regime identifiziert, welche mit einem häufigerem Auftreten von winterlichen Temperaturextremen über Europa in Verbindung gebracht werden können.
In Kombination mit den zuvor erfassten meereisbedingten Änderungen in den Auftrittswahrscheinlichkeiten der Regime werden dann  dynamisch und thermodynamisch induzierte Beiträge zu  meereisbedingten Änderungen europäischer Temperaturextreme  quantifiziert.
Es zeigt sich beispielsweise, dass das bevorzugte Auftreten des skandinavischen Blockierungsmusters unter zukünftigen Meereisbedingungen dynamisch zu häufigeren  Kälteextremereignissen im Winter über Mitteleuropa beiträgt. Darüber hinaus kann eine reduzierte Häufigkeit des Auftretens eines Regimes, welches mit einem Trog über dem westlichen Atlantik assoziiert werden kann, mit einer verringerten Anzahl von sehr warmen Wintertagen über Mitteleuropa in Verbindung gebracht werden. Es wird zudem gezeigt,  wie der in den Modellsimulationen thermodynamisch induzierte Erwärmungseffekt infolge der reduzierten Meereisbedingungen zu einem häufigeren (weniger häufigeren) Auftreten von extrem warmen (kalten) Wintertagen führen kann. Dieser thermodynamische Effekt kann folglich den dynamisch induzierten Veränderungen entgegenwirken.

Zirkulationsregime in der Sommersaison können nur bedingt mit einem häufigeren Auftreten von europäischen Hitzeextremen im Sommer in Verbindung gebracht werden.
Aus diesem Grund  wird  ein zusätzlicher methodischer Ansatz verwendet, der  auf der Identifikation von Zirkulationsmustern basiert, welche große Ähnlichkeit zu typischen atmosphärischen Blockierungen während vergangener Hitzewellen über verschiedenen europäischen Regionen aufweisen. Dies ermöglicht es meereisbedingte Änderungen im Auftreten von Hitzeextremen über drei verschiedene europäische Sektoren in thermodynamisch und dynamisch induzierte Beiträge zu zerlegen. In den Meereissensitivitätsexperimenten kann beispielsweise ein selteneres Auftreten von Blockierungen über Westrussland detektiert werden. Eine in sich geschlossene physikalische Argumentation bezüglich der dynamisch und thermodynamisch induzierten Beiträge zu den detektierten Änderungen in der Häufigkeit von sommerlichen Hitzeextremen stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar.

Im Vergleich zu anderen Aspekten des zukünftigen Klimawandels, wie beispielsweise dem thermodynamischen Einfluss global erhöhter Meeresoberflächentemperaturen, zeigt sich, dass die meereisinduzierten Auswirkungen auf europäische Temperaturextreme wahrscheinlich von untergeordneter Bedeutung sind.
Nichtsdestotrotz können die Ergebnisse dieser Arbeit zu einem besseren Verständnis gegenwärtiger und zeitnah zu erwartender Änderungen von Temperaturextremereignissen über Europa beitragen.
Zusätzlich dazu bietet die vorliegende Arbeit eine nützliche und ergänzende Perspektive auf die wissenschaftliche Fragestellung, inwieweit der Arktische Klimawandel mit Änderungen in der atmosphärischen Zirkulation und Extremereignissen über den mittleren Breiten in Verbindung gebracht werden kann. Folglich trägt diese Arbeit damit dazu bei einem allgemeinen Konsens in diesem  stark debattierten Forschungsgebiet einen Schritt näher zu kommen.
KW  - extreme events
KW  - Arctic sea ice
KW  - circulation regimes
KW  - atmosphere
KW  - climate change
KW  - Extremereignisse
KW  - arktisches Meereis
KW  - Zirkulationsregime
KW  - Klimawandel
KW  - Atmosphäre
KW  - large-scale circulation
KW  - großskalige Zirkulation
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604883
ER  - 
TY  - THES
A1  - Li, Zhen
T1  - Formation of Sub-Permafrost Methane Hydrate Reproduced by Numerical Modeling
BT  - Insights from LArge-scale Reservoir Simulator (LARS) to Mallik Site, Canadian Arctic
N2  - Natural gas hydrates are ice-like crystalline compounds containing water cavities that trap natural gas molecules like methane (CH4), which is a potent greenhouse gas with high energy density. The Mallik site at the Mackenzie Delta in the Canadian Arctic contains a large volume of technically recoverable CH4 hydrate beneath the base of the permafrost. Understanding how the sub-permafrost hydrate is distributed can aid in searching for the ideal locations for deploying CH4 production wells to develop the hydrate as a cleaner alternative to crude oil or coal. Globally, atmospheric warming driving permafrost thaw results in sub-permafrost hydrate dissociation, releasing CH4 into the atmosphere to intensify global warming. It is therefore crucial to evaluate the potential risk of hydrate dissociation due to permafrost degradation. To quantitatively predict hydrate distribution and volume in complex sub-permafrost environments, a numerical framework was developed to simulate sub-permafrost hydrate formation by coupling the equilibrium CH4-hydrate formation approach with a fluid flow and transport simulator (TRANSPORTSE). In addition, integrating the equations of state describing ice melting and forming with TRANSPORTSE enabled this framework to simulate the permafrost evolution during the sub-permafrost hydrate formation. A modified sub-permafrost hydrate formation mechanism for the Mallik site is presented in this study. According to this mechanism, the CH4-rich fluids have been vertically transported since the Late Pleistocene from deep overpressurized zones via geologic fault networks to form the observed hydrate deposits in the Kugmallit–Mackenzie Bay Sequences. The established numerical framework was verified by a benchmark of hydrate formation via dissolved methane. Model calibration was performed based on laboratory data measured during a multi-stage hydrate formation experiment undertaken in the LArge scale Reservoir Simulator (LARS). As the temporal and spatial evolution of simulated and observed hydrate saturation matched well, the LARS model was therefore validated. This laboratory-scale model was then upscaled to a field-scale 2D model generated from a seismic transect across the Mallik site. The simulation confirmed the feasibility of the introduced sub-permafrost hydrate formation mechanism by demonstrating consistency with field observations. The 2D model was extended to the first 3D model of the Mallik site by using well-logs and seismic profiles, to investigate the geologic controls on the spatial hydrate distribution. An assessment of this simulation revealed the hydraulic contribution of each geological element, including relevant fault networks and sedimentary sequences. Based on the simulation results, the observed heterogeneous distribution of sub-permafrost hydrate resulted from the combined factors of the source-gas generation rate, subsurface temperature, and the permeability of geologic elements. Analysis of the results revealed that the Mallik permafrost was heated by 0.8–1.3 °C, induced by the global temperature increase of 0.44 °C and accelerated by Arctic amplification from the early 1970s to the mid-2000s. This study presents a numerical framework that can be applied to study the formation of the permafrost-hydrate system from laboratory to field scales, across timescales ranging from hours to millions of years. Overall, these simulations deepen the knowledge about the dominant factors controlling the spatial hydrate distribution in sub-permafrost environments with heterogeneous geologic elements. The framework can support improving the design of hydrate formation experiments and provide valuable contributions to future industrial hydrate exploration and exploitation activities.
N2  - Gashydrate sind eisähnliche kristalline Verbindungen, die Moleküle wie Methan (CH4) in Hohlräumen einschließen. Die Mallik-Lagerstätte im Mackenzie-Delta in der kanadischen Arktis enthält ein großes Volumen an technisch förderbarem CH4-Hydrat unter dem Permafrostboden. Das Verständnis, wie die Hydrate verteilt sind, kann bei der Suche nach idealen Standorten für Förderbohrungen zu ihrer Erschließung als saubere Alternative zu Erdöl oder Kohle helfen. Weltweit führt die Erwärmung der Atmosphäre zum Auftauen des Permafrosts und zur Zersetzung der Hydrate, wodurch CH4 in die Atmosphäre freigesetzt und die globale Erwärmung verstärkt wird. Es ist also entscheidend, das potenzielle Risiko der Hydratauflösung aufgrund der Permafrostdegradation zu bewerten.
Um die Verteilung und das Volumen von Hydraten in komplexen Sub-Permafrost Umgebungen quantitativ vorherzusagen, wurde ein numerischer Ansatz zur Simulation entwickelt. Hierzu wurde der Gleichgewichtsansatz für die CH4-Hydratbildung mit einem Strömungs- und Transportsimulator (TRANSPORTSE) kombiniert. Die zusätzliche Integrierung der Zustandsgleichungen, die das Schmelzen und die Bildung von Eis beschreiben, ermöglichte die Simulation der Permafrostentwicklung während der Hydratbildung. Für den Standort Mallik wird ein modifizierter Bildungsmechanismus in dieser Studie beschrieben. Demzufolge wurden die CH4-reichen Fluide seit dem späten Pleistozän aus tiefen Überdruckszonen vertikal über geologische Verwerfungssysteme transportiert, und haben die Hydratvorkommen gebildet.
Der numerische Ansatz wurde anhand eines Benchmarks zur Hydratbildung verifiziert. Messdaten eines mehrstufigen Hydratbildungsexperiments im LArge scale Reservoir Simulator (LARS) dienten zur Kalibrierung. Basierend auf der guten Übereinstimmung zwischen der simulierten und beobachteten Hydratsättigung, wurde das LARS-Modell validiert. Im Anschluss erfolgte die Übertragung auf ein 2D-Modell im Feldmaßstab, das mithilfe einer seismischen Transekte durch den Mallik-Standort erstellt wurde. Die Übereinstimmung mit den Feldbeobachtungen bestätigte den beschriebenen Mechanismus zur Hydratbildung unterhalb des Permafrosts. Das 2D-Modell wurde basierend auf Bohrlochprotokollen und seismischen Profilen zum ersten 3D-Modell des Mallik-Standorts erweitert, um die geologischen Einflüsse auf die Hydratverteilung zu untersuchen. Die Auswertung verdeutlichte den Beitrag jedes geologischen Elements zum hydraulischen System, einschließlich relevanter Verwerfungssysteme und sedimentärer Abfolgen. Die beobachtete heterogene räumliche Verteilung der Hydrate ist auf die Gasproduktionsrate der Quelle, die Untergrundtemperatur und die Durchlässigkeit der geologischen Einheiten zurückzuführen. Die Analyse der Ergebnisse ergab, dass der Mallik-Permafrost um 0,8–1,3 °C erwärmt wurde, was durch den globalen Temperaturanstieg von 0,44 °C verursacht und durch die sogenannte polare Verstärkung seit Anfang der 1970er bis Mitte der 2000er Jahre beschleunigt wurde.
Der in dieser Studie entwickelte numerische Ansatz zur Bildung von Permafrost-Hydrat-Systemen kann vom Labor- bis zum Feldmaßstab und über Zeitskalen von Stunden bis zu Millionen von Jahren angewendet werden. Mit den Simulationen konnten die dominierenden Faktoren identifiziert werden, welche die räumliche Hydratverteilung in Umgebungen mit heterogenen geologischen Strukturen steuern. Der Ansatz kann die Planung von Hydratbildungsexperimenten verbessern und einen wertvollen Beitrag für zukünftige industrielle Hydraterkundungen- und -erschließungen leisten.
T2  - Bildung von Sub-Permafrost-Methanhydraten dargestellt durch numerische Modellierung: Erkenntnisse aus dem LArge-sclae Reservoir Simulator (LARS), angewandt auf den Mallik-Standort, Kanadische Arktis
KW  - methane hydrate
KW  - geologic fault
KW  - numerical simulation
KW  - hydrate formation
KW  - climate change
KW  - Mackenzie Delta
KW  - Mackenzie-Delta
KW  - Klimawandel
KW  - geologische Verwerfung
KW  - Hydratbildung
KW  - Methanhydrat
KW  - numerische Simulation
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-603302
ER  - 
TY  - THES
A1  - Campos de Andrade, André Luiz
T1  - Governing climate change in Brazil
T1  - Steuerung des Klimawandels in Brasilien
BT  - a governance gap analysis of selected cases
BT  - eine Analyse von Governance-Lücken an ausgewählten Fällen
N2  - Enacted in 2009, the National Policy on Climate Change (PNMC) is a milestone in the institutionalisation of climate action in Brazil. It sets greenhouse gas (GHG) emission reduction targets and a set of principles and directives that are intended to lay the foundations for a cross-sectoral and multilevel climate policy in the country. However, after more than a decade since its establishment, the PNMC has experienced several obstacles related to its governance, such as coordination, planning and implementation issues. All of these issues pose threats to the effectiveness of GHG mitigation actions in the country.
By looking at the intragovernmental and intergovernmental relationships that have taken place during the lifetime of the PNMC and its sectoral plans on agriculture (the Sectoral Plan for Mitigation and Adaptation to Climate Change for the Consolidation of a Low-Carbon Economy in Agriculture [ABC Plan]), transport and urban mobility (the Sectoral Plan for Transportation and Urban Mobility for Mitigation and Adaption of Climate Change [PSTM]), this exploratory qualitative research investigates the Brazilian climate change governance guided by the following relevant questions: how are climate policy arrangements organised and coordinated among governmental actors to mitigate GHG emissions in Brazil? What might be the reasons behind how such arrangements are established? What are the predominant governance gaps of the different GHG mitigation actions examined? Why do these governance gaps occur? 
Theoretically grounded in the literature on multilevel governance and coordination of public policies, this study employs a novel analytical framework that aims to identify and discuss the occurrence of four types of governance gaps (i.e. politics, institutions and processes, resources and information) in the three GHG mitigation actions (cases) examined (i.e. the PNMC, ABC Plan and PSTM). The research results are twofold. First, they reveal that Brazil has struggled to organise and coordinate governmental actors from different policy constituencies and different levels of government in the implementation of the GHG mitigation actions examined. Moreover, climate policymaking has mostly been influenced by the Ministry of Environment (MMA) overlooking the multilevel and cross-sectoral approaches required for a country’s climate policy to mitigate and adapt to climate change, especially if it is considered an economy-wide Nationally Determined Contribution (NDC), as the Brazilian one is. 
Second, the study identifies a greater manifestation of gaps in politics (e.g. lack of political will in supporting climate action), institutions and processes (e.g. failures in the design of institutions and policy instruments, coordination and monitoring flaws, and difficulties in building climate federalism) in all cases studied. It also identifies that there have been important advances in the production of data and information for decision-making and, to a lesser extent, in the allocation of technical and financial resources in the cases studied; however, it is necessary to highlight the limitation of these improvements due to turf wars, a low willingness to share information among federal government players, a reduced volume of financial resources and an unequal distribution of capacities among the federal ministries and among the three levels of government.
A relevant finding is that these gaps tend to be explained by a combination of general and sectoral set aspects. Regarding the general aspects, which are common to all cases examined, the following can be mentioned: i) unbalanced policy capabilities existing among the different levels of government, ii) a limited (bureaucratic) practice to produce a positive coordination mode within cross-sectoral policies, iii) the socioeconomic inequalities that affect the way different governments and economic sectors perceive the climate issue (selective perception) and iv) the reduced dialogue between national and subnational governments on the climate agenda (poor climate federalism). The following sectoral aspects can be mentioned: i) the presence of path dependencies that make the adoption of transformative actions harder and ii) the absence of perceived co-benefits that the climate agenda can bring to each economic sector (e.g. reputational gains, climate protection and access to climate financial markets).
By addressing the theoretical and practical implications of the results, this research provides key insights to tackle the governance gaps identified and to help Brazil pave the way to achieving its NDCs and net-zero targets. At the theoretical level, this research and the current country’s GHG emissions profile suggest that the Brazilian climate policy is embedded in a cross-sectoral and multilevel arena, which requires the effective involvement of different levels of political and bureaucratic powers and the consideration of the country’s socioeconomic differences. Thus, the research argues that future improvements of the Brazilian climate policy and its governance setting must frame climate policy as an economic development agenda, the ramifications of which go beyond the environmental sector. An initial consequence of this new perspective may be a shift in the political and technical leadership from the MMA to the institutions of the centre of government (Executive Office of the President of Brazil) and those in charge of the country’s economic policy (Ministry of Economy). This change could provide greater capacity for coordination, integration and enforcement as well as for addressing certain expected gaps (e.g. financial and technical resources). It could also lead to greater political prioritisation of the agenda at the highest levels of government. Moreover, this shift of the institutional locus could contribute to greater harmonisation between domestic development priorities and international climate politics. Finally, the research also suggests that this approach would reduce bureaucratic elitism currently in place due to climate policy being managed by Brazilian governmental institutions, which is still a theme of a few ministries and a reason for the occurrence of turf wars.
N2  - Das 2009 verabschiedete nationale Klimagesetz (PNMC) war ein Meilenstein für die Institutionalisierung von Klimaschutzmaßnahmen in Brasilien. Es legt die Ziele für die Reduzierung der Treibhausgasemissionen (THG) sowie eine Reihe von Grundsätzen und Richtlinien fest, die die Grundlage für eine sektorübergreifende und mehrstufige Klimapolitik im Land bilden. Mehr als ein Jahrzehnt nach seiner in Kraftsetzung stößt das PNMC jedoch auf verschiedene Hindernisse in Zusammenhang mit seiner Ausführung, wie z. B. die Koordination, Planung und Umsetzung. All diese Probleme gefährden fortwährend die Wirksamkeit der Maßnahmen zur Verringerung der Treibhausgasemissionen im Land.
Durch die Untersuchung der inner- und zwischenstaatlichen Beziehungen, die seit des Bestehens des PNMC und den damit einhergehenden Sektorplänen für Landwirtschaft (Sektorplan zur Minderung und Anpassung an den Klimawandel für die Konsolidierung einer kohlenstoffarmen Wirtschaft in der Landwirtschaft - ABC-Plan)und für Verkehr und urbane Mobilität (Sektorplan für den Verkehr und die urbane Mobilität zur Minderung und Anpassung an den Klimawandel - PSTM) , untersucht die vorliegende  explorative qualitative Forschung die Governance der brasilianischen Klimapolitik anhand der folgenden relevanten Fragestellungen: Wie sind die klimapolitischen Maßnahmen zur Minderung der Treibhausgasemissionen in Brasilien organisiert und zwischen den staatlichen Akteuren koordiniert? Was könnten die Gründe für die Art und Weise der gewählten Organisationsform sein? Was sind die vorherrschenden Governance-Lücken bei den untersuchten THG-Minderungsmaßnahmen? Was sind die Gründe für die Entstehung dieser Lücken?  
Auf der theoretischen Grundlage der Literatur über Multi-Level-Governance und über die Koordinierung öffentlicher Maßnahmen wird in dieser Studie ein neuartiger analytischer Rahmen verwendet, der darauf abzielt, das Auftreten von vier Arten von Governance-Lücken (Politik, Institutionen & Prozesse, Ressourcen und Informationen) in den drei untersuchten THG-Minderungsmaßnahmenbündeln (PNMC, ABC-Plan und PSTM) zu identifizieren und zu diskutieren. Dabei konnten im Ergebnis zwei wesentliche Governance-Lücken identifiziert werden. 
Erstens zeigt die Studie, dass sich Brasilien schwer tut, Regierungsakteure aus verschiedenen Politikbereichen und von verschiedenen Regierungsebenen zu organisieren und zu koordinieren, um die betrachteten THG-Minderungsmaßnahmen umzusetzen. Gleichzeitig wird die Klimapolitik hauptsächlich vom Umweltministerium (MMA) gestaltet, das die für eine Klimapolitik erforderlichen Mehrebenen- und sektorübergreifenden Ansätze zur Minderung und Anpassung s Landes an den Klimawandel vernachlässigt, insbesondere da es sich - wie in Brasilien - um einen wirtschaftübergreifendes (economy wide), national festgelegten Beitrag (NDC) handelt. 
Zweitens stellt die Studie fest, dass sich in allen untersuchten Fällen immer größer werdende Lücken in der Politik (z. B. mangelnder politischer Wille zur Unterstützung von Klimaschutzmaßnahmen), in den Institutionen und Prozessen (z. B. Versäumnisse beim Design von Institutionen und politischen Instrumenten; Koordinierungs- und Überwachungsmängel; Schwierigkeiten beim Aufbau eines „Klimaföderalismus“) zu beobachten sind. Gleichwohl zeigen die Erkenntnisse aus den untersuchten Fällen, dass es auch wichtige Fortschritte bei der Erhebung von Daten und Informationen für eine Entscheidungsfindung und - in geringerem Maße - bei der Zuweisung technischer und finanzieller Ressourcen gegeben hat. Dennoch ist es notwendig, die Begrenztheit dieser Verbesserungen zu benennen, die auf Kompetenzstreitigkeiten, eine geringe Bereitschaft zum Informationsaustausch zwischen den Akteuren der Bundesregierung, ein geringes Volumen an finanziellen Ressourcen und eine ungleiche Verteilung der Personalkapazitäten zwischen den Bundesministerien und zwischen den drei Regierungsebenen zurückzuführen sind.
Eine wesentliche Erkenntnis der vorliegenden Arbeit ist, dass die zuvor beschriebenen Lücken vorwiegend durch eine Kombination von allgemeinen und sektoralen Aspekten zu erklären sind. Zu den allgemeinen Aspekten, die in allen untersuchten Fällen identifiziert wurden, gehören: i) unausgewogene politische Kapazitäten zwischen den verschiedenen Regierungsebenen; ii) eine mangelnde Verwaltungspraxis zur Schaffung eines positiven Koordinationsmodus innerhalb sektorübergreifender Politiken; iii) die sozioökonomischen Ungleichheiten, die sich auf die Art und Weise auswirken, wie verschiedene Regierungen und Wirtschaftssektoren das Klimaproblem wahrnehmen (selektive Wahrnehmung); iv) der eingeschränkte Dialog zwischen nationalen und subnationalen Regierungsebenen über die Klimaagenda (schwacher  „Klimaföderalismus“). Als sektorale Aspekte können genannt werden: i) das Vorhandensein von Pfadabhängigkeiten, die die Befürwortung von transformativen Maßnahmen erschweren; und ii) der (unzureichend) wahrgenommene Zusatznutzen, den die Klimaagenda jedem Wirtschaftssektor bringen kann (z. B. Reputationsgewinn, Klimaschutz, Zugang zu Klima-Finanzmärkten).
Indem die Forschungsarbeit die theoretischen und praktischen Implikationen der Ergebnisse anspricht, liefert sie wichtige Erkenntnisse, um die identifizierten Governance-Lücken zu schließen und Brasilien dabei zu helfen, den Weg zur Erreichung seiner NDCs und Netto-Null-Ziele zu gestalten. Auf theoretischer Ebene und vor dem Hintergrund des aktuellen Treibhausgasemissionsprofils des Landes empfiehlt die vorliegende Arbeit, dass die brasilianische Klimapolitik als eine sektorübergreifende und vielschichtige politische Agenda implementiert wird, die eine effektive Beteiligung verschiedener politischer und Verwaltungs- Ebenen sowie eine Berücksichtigung der sozioökonomischen Unterschiede des Landes erfordert. Daher argumentiert die Studie, dass künftige Verbesserungen der brasilianischen Klimapolitik und ihrer Rahmenbedingungen, die Klimapolitik als eine wirtschaftliche Entwicklungsagenda verstehen müssen, deren Auswirkungen über den Umweltsektor hinausgehen. Eine erste Konsequenz dieser neuen Perspektive ist eine Verlagerung der politischen und technischen Führung vom MMA zu den Institutionen des Regierungszentrums (Casa Civil) und der Wirtschaftspolitik des Landes (Wirtschaftsministerium). Dieser Wechsel könnte größere Kapazitäten für die Koordinierung, Integration und den Vollzug, sowie für die Schließung bestimmter erwarteter Lücken (z. B. finanzielle und technische Ressourcen) schaffen. Sie könnte auch zu einer stärkeren politischen Priorisierung der Agenda auf den höchsten Regierungsebenen führen. Außerdem könnte diese Veränderung der institutionellen Verankerung zu einer stärkeren Harmonisierung zwischen den nationalen Entwicklungsprioritäten und der internationalen Klimapolitik beitragen. Schließlich deutet die Untersuchung auch darauf hin, dass dieser Ansatz die bisherige verwaltungstechnische Zentralisierung reduzieren würde, da die Umsetzung der Klimapolitik in den brasilianischen Regierungsinstitutionen immer noch ein Thema einiger weniger Ministerien ist und mit Ressortstreitigkeiten einhergeht.
KW  - climate governance
KW  - climate policy
KW  - Brazil
KW  - climate change
KW  - Brasilien
KW  - Klimawandel
KW  - Klimagovernance
KW  - Klimapolitik
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587336
ER  - 
TY  - THES
A1  - Leins, Johannes A.
T1  - Combining model detail with large scales
T1  - Die Verbindung von Modelldetails und großen Skalen
BT  - a simulation framework for population viability analyses in changing and disturbed environments
BT  - ein Simulationswerkzeug zur Analyse der Überlebensfähigkeit von Populationen in einer sich verändernden und gestörten Umwelt
N2  - The global climate crisis is significantly contributing to changing ecosystems, loss of biodiversity and is putting numerous species on the verge of extinction. In principle, many species are able to adapt to changing conditions or shift their habitats to more suitable regions. However, change is progressing faster than some species can adjust, or potential adaptation is blocked and disrupted by direct and indirect human action. Unsustainable anthropogenic land use in particular is one of the driving factors, besides global heating, for these ecologically critical developments. Precisely because land use is anthropogenic, it is also a factor that could be quickly and immediately corrected by human action.
In this thesis, I therefore assess the impact of three climate change scenarios of increasing intensity in combination with differently scheduled mowing regimes on the long-term development and dispersal success of insects in Northwest German grasslands. The large marsh grasshopper (LMG, Stethophyma grossum, Linné 1758) is used as a species of reference for the analyses. It inhabits wet meadows and marshes and has a limited, yet fairly good ability to disperse. Mowing and climate conditions affect the development and mortality of the LMG differently depending on its life stage.
The specifically developed simulation model HiLEG (High-resolution Large Environmental
Gradient) serves as a tool for investigating and projecting viability and dispersal success under different climate conditions and land use scenarios. It is a spatially explicit, stage- and cohort-based model that can be individually configured to represent the life cycle and characteristics of terrestrial insect species, as well as high-resolution environmental data and the occurrence of external disturbances. HiLEG is a freely available and adjustable software that can be used to support conservation planning in cultivated grasslands.
In the three case studies of this thesis, I explore various aspects related to the structure of simulation models per se, their importance in conservation planning in general, and insights regarding the LMG in particular. It became apparent that the detailed resolution of model processes and components is crucial to project the long-term effect of spatially and temporally confined events. Taking into account conservation measures at the regional level has further proven relevant, especially in light of the climate crisis. I found that the LMG is benefiting from global warming in principle, but continues to be constrained by harmful mowing regimes. Land use measures could, however, be adapted in such a way that they allow the expansion and establishment of the LMG without overly affecting agricultural yields.
Overall, simulation models like HiLEG can make an important contribution and add value
to conservation planning and policy-making. Properly used, simulation results shed light
on aspects that might be overlooked by subjective judgment and the experience of individual stakeholders. Even though it is in the nature of models that they are subject to limitations and only represent fragments of reality, this should not keep stakeholders from using them, as long as these limitations are clearly communicated. Similar to HiLEG, models could further be designed in such a way that not only the parameterization can be adjusted as required, but also the implementation itself can be improved and changed as desired. This openness and flexibility should become more widespread in the development of simulation models.
N2  - Die globale Klimakrise trägt maßgeblich dazu bei, dass sich Ökosysteme verändern, die Artenvielfalt sinkt und zahlreiche Spezies vom Aussterben bedroht sind. Viele Arten sind prinzipiell in der Lage, sich wandelnden Bedingungen anzugleichen oder ihre Habitate in geeignetere Regionen zu verlagern. Allerdings schreitet der Wandel schneller voran als sich einige Spezies anpassen können oder die mögliche Anpassung wird durch direkte und indirekte menschliche Eingriffe blockiert und gestört. Gerade die nicht-nachhaltige Landnutzung durch den Menschen ist neben der Klimaerhitzung einer der treibenden Faktoren für diese ökologisch kritischen Entwicklungen. Gleichzeitig ist sie durch ihre unmittelbare menschliche Ursache ein Faktor, der sich kurzfristig und schnell korrigieren ließe.
Zu diesem Zweck untersuche ich in dieser Dissertation, wie sich drei Klimawandelszenarien ansteigender Intensität im Zusammenspiel mit unterschiedlich terminierten Mahdregimen im Nordwestdeutschen Grünland auf die langfristige Entwicklung und Ausbreitung von Insekten auswirken. In der Untersuchung fungiert die Sumpfschrecke (Stethophyma grossum, Linné 1758) als Bezugsspezies. Sie ist in Feucht- und Nasswiesen zu Hause und zu räumlicher Ausbreitung fähig, auch wenn sie nur eingeschränkt mobil ist. Mahd und Klimabedingungen wirken sich je nach Lebensstadium unterschiedlich stark auf die Entwicklung und Mortalität der Sumpfschrecke aus.
Das eigens entwickelte Simulationsmodell HiLEG (High-resolution Large Environmental Gradient) dient als Werkzeug zur Untersuchung und Projektion der Überlebens- und Ausbreitungswahrscheinlichkeit unter verschiedenen Klima- und Landnutzungsszenarien. Es ist ein räumlich explizites, stadien- und kohortenbasiertes Modell, das individuell konfiguriert werden kann, um den Lebenszyklus und die Charakteristiken terrestrischer Insektenarten sowie hochaufgelöste Umweltdaten und das zeitlich variierende Auftreten externer Störfaktoren abzubilden. HiLEG ist eine frei verfügbare Software und kann zur Unterstützung bei der Planung von Umweltschutzmaßnahmen in kultiviertem Grünland verwendet werden.
In den drei Fallstudien dieser Arbeit habe ich verschiedene Aspekte in Bezug auf die Struktur von Simulationsmodellen an sich, deren Bedeutung im Naturschutz im Allgemeinen und Erkenntnisse für die Sumpfschrecke im Speziellen untersucht. Es zeigte sich, dass die detaillierte Auflösung der Modellprozesse und -komponenten entscheidend ist, um den langfristigen Effekt räumlich und zeitlich begrenzter Ereignisse projizieren zu können. Insbesondere in Anbetracht der Klimakrise hat sich die gesteigerte Relevanz von Naturschutzmaßnahmen auf regionaler Ebene herausgestellt. Ich konnte außerdem bestätigen, dass die Sumpfschrecke zwar im Prinzip von der Klimaerwärmung profitiert, aber weiterhin durch ungeeignete Mahdregime beschränkt wird. Bewirtschaftungspläne könnten allerdings in dem Sinne angepasst werden, dass sie die Ausbreitung und Etablierung der Sumpfschrecke erlauben, ohne sich über die Maßen auf den Ertrag der Landwirtschaft auszuwirken.
Insgesamt können Simulationsmodelle wie HiLEG einen wichtigen Beitrag und Mehrwert für die Planung von Naturschutzmaßnahmen und Politikinstrument leisten. Richtig eingesetzt beleuchten die Simulationsergebnisse Aspekte, die durch subjektive Bewertung und Erfahrung einzelner Akteure möglicherweise übersehen würden. Auch wenn es in der Natur von Modellen liegt, dass sie Einschränkungen unterworfen sind und nur Ausschnitte der Realität abbilden, sollte dies kein Hindernis für ihren Einsatz sein, solange diese Limitierungen klar kommuniziert werden.
Analog zu HiLEG könnten Modelle so konzipiert werden, dass nicht nur ihre Parametrisierung nach Bedarf angepasst, sondern auch die Implementierung selbst beliebig verbessert und verändert werden kann. Diese Offenheit und Flexibilität sollte sich bei der Entwicklung von Simulationsmodelle stärker durchsetzen.
KW  - spatially explicit model
KW  - large marsh grasshopper
KW  - simulation framework
KW  - climate change
KW  - land use
KW  - Open Source
KW  - Open Access
KW  - dispersal
KW  - PVA (population viability analysis)
KW  - high resolution
KW  - scaling
KW  - grassland
KW  - disturbance timing
KW  - Klimawandel
KW  - Ausbreitung
KW  - Zeitpunkt von Störungen
KW  - Grünland
KW  - hohe Auflösung
KW  - Landnutzung
KW  - Sumpfschrecke
KW  - Open Access
KW  - Open Source
KW  - Populationsgefährdungsanalyse
KW  - Skalierung
KW  - Simulationsframework
KW  - räumlich explizites Modell
KW  - Stethophyma grossum
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582837
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rikani, Albano
T1  - Modeling global human migration dynamics under climate change
N2  - International migration has been an increasing phenomenon during the past decades and has involved all the regions of the globe. Together with fertility and mortality rates, net migration rates represent the components that fully define the demographic evolution of the population in a country. Therefore, being able to capture the patterns of international migration flows and to produce projections of how they might change in the future is of relevant importance for demographic studies and for designing policies informed on the potential scenarios. Existing forecasting methods do not account explicitly for the main drivers and processes shaping international migration flows: existing migrant communities at the destination country, termed diasporas, would reduce the costs of migration and facilitate the settling for new migrants, ultimately producing a positive feedback; accounting for the heterogeneity in the type of migration flows, e.g. return and transit Ćows, becomes critical in some specific bilateral migration channels; in low- to middle- income countries economic development could relax poverty constraint and result in an increase of emigration rates.
Economic conditions at both origin and destination are identified as major drivers of international migration. At the same time, climate change impacts have already appeared on natural and human-made systems such as the economic productivity. These economic impacts might have already produced a measurable effect on international migration flows. Studies that provide a quantification of the number of migration moves that might have been affected by climate change are usually specific to small regions, do not provide a mechanistic understanding of the pathway leading from climate change to migration and restrict their focus to the effective induced flows, disregarding the impact that climate change might have had in inhibiting other flows.
Global climate change is likely to produce impacts on the economic development of the countries during the next decades too. Understanding how these impacts might alter future global migration patterns is relevant for preparing future societies and understanding whether the response in migration flows would reduce or increase population's exposure to climate change impacts.
This doctoral research aims at investigating these questions and fill the research gaps outlined above. First, I have built a global bilateral international migration model which accounts explicitly for the diaspora feedback, distinguishes between transit and return flows, and accounts for the observed non-linear effects that link emigration rates to income levels in the country of origin. I have used this migration model within a population dynamic model where I account also for fertility and mortality rates, producing hindcasts and future projections of international migration flows, covering more than 170 countries. Results show that the model reproduces past patterns and trends well. Future projections highlight the fact that,depending on the assumptions regarding future evolution of income levels and between-country inequality, migration at the end of the century might approach net zero or be still high in many countries. The model, parsimonious in the explanatory variables that includes, represents a versatile tool for assessing the impacts of different socioeconomic scenarios on international migration.
I consider then a counterfactual past without climate change impacts on the economic productivity. By prescribing these counterfactual economic conditions to the migration model I produce counterfactual migration flows for the past 30 years. I compare the counterfactual migration flows to factual ones, where historical economic conditions are used to produce migration flows. This provides an estimation of the recent international migration flows attributed to climate change impacts. Results show that a counterfactual world without climate change would have seen less migration globally. This effect becomes larger if I consider separately the increase and decrease in migration moves: a Ągure of net change in the migration flows is not representative of the effective magnitude of the climate change impact on migration. Indeed, in my results climate change produces a divergent effect on richer and poorer countries: by slowing down the economic development, climate change might have reduced international mobility from and to countries of the Global South, and increased it from and to richer countries in the Global North.
I apply the same methodology to a scenario of future 3℃ global warming above pre-industrial conditions. I Ąnd that climate change impacts, acting by reorganizing the relative economic attractiveness of destination countries or by affecting the economic growth in the origin, might produce a substantial effect in international migration flows, inhibiting some moves and inducing others.
Overall my results suggest that climate change might have had and might have in the future a significant effect on global patterns of international migration. It also emerges clearly that, for a comprehensive understanding of the effects of climate change on international migration, we need to go beyond net effects and consider separately induced and inhibited flows.
N2  - Die internationale Migration ist in den letzten Jahrzehnten ein zunehmendes Phänomen, das alle Regionen der Welt betrifft. Die wirtschaftlichen Bedingungen sowohl im Herkunftsals auch im Zielland gelten als wichtige Triebkräfte der internationalen Migration. Die wirtschaftlichen Auswirkungen des Klimawandels haben sich in der Vergangenheit bereits messbar auf die internationalen Migrationsströme ausgewirkt, und künftige Auswirkungen werden dies wahrscheinlich ebenfalls tun.
Diese Dissertation zielt darauf ab, dieses Thema zu untersuchen. Zunächst habe ich ein globales bilaterales internationales Migrationsmodell entwickelt, das explizit die wichtigsten Triebkräfte der internationalen Migration berücksichtigt. Ich habe dieses Migrationsmodell für die Erstellung retrospektiver und zukünftiger Projektionen der internationalen Migrationsströme weltweit verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell die Muster und Trends der Vergangenheit gut wiedergibt, und die Zukunftsprojektionen verdeutlichen, dass je nach den Annahmen über die künftige Entwicklung des Einkommensniveaus und der Ungleichheit zwischen den Ländern die Migration gegen Null gehen oder in vielen Ländern bis zum Ende des Jahrhunderts noch hoch sein könnte.
Anschließend betrachte ich eine kontrafaktische Vergangenheit, in der der Klimawandel keine Auswirkungen auf die wirtschaftliche Produktivität hat. Ich vergleiche die kontrafaktischen Migrationsströme mit den faktischen Strömen. Die Ergebnisse zeigen, dass es in einer kontrafaktischen Welt ohne Klimawandel weniger globale Migration gegeben hätte. Dieser Effekt wird sogar noch größer, wenn ich den Anstieg und den Rückgang der Migrationsströme getrennt betrachte.
Ich wende dieselbe Methodik auf ein Szenario einer zukünftigen globalen Erwärmung von 3℃ über den vorindustriellen Bedingungen an. Ich komme zu dem Schluss, dass die Folgen des Klimawandels erhebliche Auswirkungen auf die internationalen Migrationsströme haben könnten, indem sie die relative wirtschaftliche Attraktivität der Zielländer verändern oder das Wirtschaftswachstum in den Herkunftsländern beeinträchtigen, wodurch einige Wanderungen verhindert und andere ausgelöst werden.
Insgesamt deuten meine Ergebnisse darauf hin, dass der Klimawandel möglicherweise erhebliche Auswirkungen auf die globalen Muster der internationalen Migration hatte und auch weiterhin haben wird. Es wird auch deutlich, dass wir, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die internationale Migration vollständig zu verstehen, über die Nettoeffekte hinausgehen und die induzierten und gehemmten Ströme getrennt betrachten müssen.
KW  - climate change
KW  - international migration
KW  - macroeconomic impacts
KW  - international migration modeling
KW  - Klimawandel
KW  - internationale Migration
KW  - Modellierung der internationalen Migration
KW  - makroökonomische Folgen
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-583212
ER  - 
TY  - THES
A1  - Middelanis, Robin
T1  - Global response to local extremes—a storyline approach on economic loss propagation from weather extremes
T1  - Globale Reaktion auf lokale Extreme — ein Storyline-Ansatz zu ökonomischer Schadensausbreitung aufgrund von Wetterextremen
N2  - Due to anthropogenic greenhouse gas emissions, Earth’s average surface temperature is steadily increasing. As a consequence, many weather extremes are likely to become more frequent and intense. This poses a threat to natural and human systems, with local impacts capable of destroying exposed assets and infrastructure, and disrupting economic and societal activity. Yet, these effects are not locally confined to the directly affected regions, as they can trigger indirect economic repercussions through loss propagation along supply chains. As a result, local extremes yield a potentially global economic response. To build economic resilience and design effective adaptation measures that mitigate adverse socio-economic impacts of ongoing climate change, it is crucial to gain a comprehensive understanding of indirect impacts and the underlying economic mechanisms. 
Presenting six articles in this thesis, I contribute towards this understanding. To this end, I expand on local impacts under current and future climate, the resulting global economic response, as well as the methods and tools to analyze this response. 
Starting with a traditional assessment of weather extremes under climate change, the first article investigates extreme snowfall in the Northern Hemisphere until the end of the century. Analyzing an ensemble of global climate model projections reveals an increase of the most extreme snowfall, while mean snowfall decreases. 
Assessing repercussions beyond local impacts, I employ numerical simulations to compute indirect economic effects from weather extremes with the numerical agent-based shock propagation model Acclimate. This model is used in conjunction with the recently emerged storyline framework, which involves analyzing the impacts of a particular reference extreme event and comparing them to impacts in plausible counterfactual scenarios under various climate or socio-economic conditions. Using this approach, I introduce three primary storylines that shed light on the complex mechanisms underlying economic loss propagation. 
In the second and third articles of this thesis, I analyze storylines for the historical Hurricanes Sandy (2012) and Harvey (2017) in the USA. For this, I first estimate local economic output losses and then simulate the resulting global economic response with Acclimate. The storyline for Hurricane Sandy thereby focuses on global consumption price anomalies and the resulting changes in consumption. I find that the local economic disruption leads to a global wave-like economic price ripple, with upstream effects propagating in the supplier direction and downstream effects in the buyer direction. Initially, an upstream demand reduction causes consumption price decreases, followed by a downstream supply shortage and increasing prices, before the anomalies decay in a normalization phase. A dominant upstream or downstream effect leads to net consumption gains or losses of a region, respectively. Moreover, I demonstrate that a longer direct economic shock intensifies the downstream effect for many regions, leading to an overall consumption loss. 
The third article of my thesis builds upon the developed loss estimation method by incorporating projections to future global warming levels. I use these projections to explore how the global production response to Hurricane Harvey would change under further increased global warming. The results show that, while the USA is able to nationally offset direct losses in the reference configuration, other countries have to compensate for increasing shares of counterfactual future losses. This compensation is mainly achieved by large exporting countries, but gradually shifts towards smaller regions. These findings not only highlight the economy’s ability to flexibly mitigate disaster losses to a certain extent, but also reveal the vulnerability and economic disadvantage of regions that are exposed to extreme weather events. 
The storyline in the fourth article of my thesis investigates the interaction between global economic stress and the propagation of losses from weather extremes. I examine indirect impacts of weather extremes — tropical cyclones, heat stress, and river floods — worldwide under two different economic conditions: an unstressed economy and a globally stressed economy, as seen during the Covid-19 pandemic. I demonstrate that the adverse effects of weather extremes on global consumption are strongly amplified when the economy is under stress. Specifically, consumption losses in the USA and China double and triple, respectively, due to the global economy’s decreased capacity for disaster loss compensation. An aggravated scarcity intensifies the price response, causing consumption losses to increase. 
Advancing on the methods and tools used here, the final two articles in my thesis extend the agent-based model Acclimate and formalize the storyline approach. With the model extension described in the fifth article, regional consumers make rational choices on the goods bought such that their utility is maximized under a constrained budget. In an out-of-equilibrium economy, these rational consumers are shown to temporarily increase consumption of certain goods in spite of rising prices. 
The sixth article of my thesis proposes a formalization of the storyline framework, drawing on multiple studies including storylines presented in this thesis. The proposed guideline defines eight central elements that can be used to construct a storyline. 
Overall, this thesis contributes towards a better understanding of economic repercussions of weather extremes. It achieves this by providing assessments of local direct impacts, highlighting mechanisms and impacts of loss propagation, and advancing on methods and tools used.
N2  - Mit dem kontinuierlichen Anstieg der globalen Mitteltemperatur aufgrund anthropogener Treibhausgasemissionen kann die Intensität und Häufigkeit vieler Wetterextreme zunehmen. Diese haben das Potential sowohl natürliche als auch menschliche Systeme stark zu beeinträchtigen. So hat die Zerstörung von Vermögenswerten und Infrastruktur sowie die Unterbrechung gesellschaftlicher und ökonomischer Abläufe oft negative wirtschaftliche Konsequenzen für direkt betroffene Regionen. Die Auswirkungen sind jedoch nicht lokal begrenzt, sondern können sich entlang von Lieferketten ausbreiten und somit auch indirekte Folgen in anderen Regionen haben – bis hin zu einer potenziell globalen wirtschaftlichen Reaktion. Daher sind Strategien zur Anpassung an veränderliche Klimabedingungen notwendig, um die Resilienz globaler Handelsketten zu stärken und dadurch negative sozioökonomische Folgen abzumildern. Hierfür ist ein besseres Verständnis lokaler Auswirkungen sowie ökonomischer Mechanismen zur Schadensausbreitung und deren Folgen erforderlich. 
Die vorliegende Dissertation umfasst insgesamt sechs Artikel, die zu diesem Verständnis beitragen. In diesen Studien werden zunächst lokale Auswirkungen von Wetterextremen unter gegenwärtigen und zukünftigen klimatischen Bedingungen untersucht. Weiterhin werden die globalen wirtschaftlichen Auswirkungen lokaler Wetterextreme sowie die darunterliegenden ökonomischen Effekte analysiert. In diesem Zusammenhang trägt diese Arbeit ferner zu der Weiterentwicklung der verwendeten Methoden und Ansätze bei. 
Der erste Artikel widmet sich zunächst der Betrachtung von extremem Schneefall in der nördlichen Hemisphäre unter dem Einfluss des Klimawandels. Zu diesem Zweck wird ein Ensemble von Projektionen globaler Klimamodelle bis zum Ende des Jahrhunderts analysiert. Die Projektionen zeigen dabei eine Verstärkung von extremen Schneefallereignissen, während die mittlere Schneefallintensität abnimmt. 
Um indirekte Auswirkungen von Wetterextremen zu erforschen, wird weiterhin das numerische agentenbasierte Modell Acclimate verwendet, welches die Ausbreitung ökonomischer Verlustkaskaden im globalen Versorgungsnetzwerk simuliert. In mehreren sogenannten Storylines werden die Auswirkungen eines historischen Referenzereignisses analysiert und mit den potentiellen Auswirkungen dieses Ereignisses unter plausiblen alternativen klimatischen oder sozioökonomischen Bedingungen verglichen. In dieser Dissertation werden drei zentrale Storylines vorgestellt, die jeweils unterschiedliche Aspekte der Schadensausbreitung von Wetterextremen untersuchen. 
Im zweiten und dritten Artikel dieser Arbeit werden dazu Storylines für die historischen Hurrikane Sandy (2012) und Harvey (2017) in den USA untersucht. Hierfür werden zunächst die lokalen ökonomischen Verluste durch diese Hurrikane ermittelt, welche als direkte wirtschaftliche Schockereignisse in Acclimate zur Berechnung der globalen Reaktion verwendet werden. Hierbei untersucht die Studie zu Hurricane Sandy globale Konsumpreisanomalien und damit einhergehende Auswirkungen auf das Konsumverhalten. Der direkte Schock löst hier eine wellenartige Veränderung globaler Konsumpreise mit drei Phasen aus, welche aus gegenläufigen Effekte aufwärts und abwärts der Lieferketten resultiert – sogenannten Upstream- und Downstream-Effekten. Zunächst steigt der Konsum aufgrund sinkender Preise durch Upstream-Effekte, bevor Preise aufgrund von Güterknappheit durch Downstream-Effekte wieder ansteigen und der Konsum abfällt. In einer Normalisierungsphase klingen diese Anomalien wieder ab. Ein länger anhaltender direkter wirtschaftlicher Schock verstärkt die Downstream-Phase und führt so in vielen Regionen insgesamt zu einem Konsumverlust. 
Die entwickelte Methode zur Berechnung direkter Verluste wird im dritten Artikel erweitert, indem Verstärkungen unter dem Einfluss des fortschreitenden Klimawandels berücksichtigt werden. Unter Nutzung dieser verstärkten direkten Verluste wird die Veränderung globaler Produktionsanomalien in Reaktion auf Hurricane Harvey simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die USA bei zunehmender Erwärmung nicht mehr in der Lage sein werden, direkte Produktionsverluste auf nationaler Ebene auszugleichen. Stattdessen muss ein zunehmender Anteil dieser Verluste durch andere, insbesondere exportstarke Länder ausgeglichen werden. Der Anteil kleinerer Regionen an dieser ausgleichenden Produktion nimmt jedoch mit zunehmenden direkten Verlusten zu. Diese Produktionsverschiebungen verdeutlichen die Möglichkeit der globalen Wirtschaft, lokale Katastrophenverluste weitgehend flexibel abzumildern. Gleichzeitig veranschaulichen sie den Wettbewerbsnachteil direkt betroffener Wirtschaftsregionen. 
Die Storyline im vierten Artikel befasst sich mit dem Einfluss einer globalen wirtschaftlichen Krise auf die Schadensausbreitung von tropischen Wirbelstürmen, Hitzestress und Flussüberschwemmungen weltweit. Hierfür werden die indirekten Auswirkungen dieser Extreme unter dem Einfluss der global reduzierten wirtschaftlichen Aktivität während der Covid-19-Pandemie, sowie bei „normaler“ globaler Wirtschaftsleistung simuliert. Der Vergleich beider Szenarien zeigt bei global gestörter Wirtschaft eine deutliche Verstärkung negativer Konsumauswirkungen durch die simulierten Extreme. Konsumverluste steigen besonders stark in den USA und China an, wo sie sich verdoppeln bzw. verdreifachen. Diese Veränderungen resultieren aus der global verminderten wirtschaftlichen Kapazität, die für den Ausgleich der Produktionsverluste von Wetterextremen zur Verfügung steht. Dies verstärkt die Extremewetter-bedingte Güterknappheit, was zu Preisanstiegen und erhöhten Konsumverlusten führt. 
Abschließend werden in den letzten beiden Artikeln die in der Arbeit verwendeten Methoden und Ansätze erweitert. Hierfür wird das Modell Acclimate im fünften Artikel weiterentwickelt, indem Konsumenten als rational agierende Agenten modelliert werden. Mit dieser Erweiterung treffen lokale Verbraucher Entscheidungen über die konsumierten Güter so, dass diese den Nutzen eines begrenzten Budgets maximieren. Die entstehende Dynamik kann außerhalb eines wirtschaftlichen Gleichgewichts dazu führen, dass bestimmte Güter temporär trotz erhöhter Preise stärker nachgefragt werden. 
Der sechste Artikel formalisiert den Storyline-Ansatz und präsentiert einen Leitfaden für die Erstellung von Storylines. Dieser basiert auf den Ergebnissen mehrerer Studien, die diesen Ansatz verfolgen; einschließlich Storylines aus der vorliegenden Arbeit. Es werden insgesamt acht Elemente definiert, anhand derer eine Storyline-Studie erstellt werden kann. 
Insgesamt trägt diese Arbeit zu einem umfassenderen Verständnis der ökonomischen Auswirkungen von Wetterextremen bei. Hierfür werden lokale Auswirkungen von Extremen unter gegenwärtigen und zukünftigen klimatischen Bedingungen untersucht, sowie wichtige ökonomische Mechanismen und Auswirkungen der resultierenden Schadensausbreitung aufgedeckt. Neben diesen Erkenntnissen werden überdies Weiterentwicklungen der Methoden und Ansätze präsentiert, die weiterführende Analysen ermöglichen.
KW  - Klimawandel
KW  - Wetterextreme
KW  - indirekte ökonomische Effekte
KW  - makroökonomische Modellierung
KW  - climate change
KW  - weather extremes
KW  - indirect economic impacts
KW  - macro-economic modelling
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611127
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mtilatila, Lucy Mphatso Ng'ombe
T1  - Climate change effects on drought, freshwater availability and hydro-power generation in an African environment
T1  - Auswirkungen des Klimawandels auf Dürre, Wasserverfügbarkeit und Wasserkrafterzeugung in einer tropischen afrikanischen Region
BT  - observations and projections for the Lake Malawi and Shire River Basins in Malawi
BT  - Datenanalysen und Projektionen für die Einzugsgebiete des Malawi-Sees und des Shire-Flusses in Malawi
N2  - The work is designed to investigate the impacts and sensitivity of climate change on water resources, droughts and hydropower production in Malawi, the South-Eastern region which is highly vulnerable to climate change. It is observed that rainfall is decreasing and temperature is increasing which calls for the understanding of what these changes may impact the water resources, drought occurrences and hydropower generation in the region. The study is conducted in the Greater Lake Malawi Basin (Lake Malawi and Shire River Basins) and is divided into three projects. The first study is assessing the variability and trends of both meteorological and hydrological droughts from 1970-2013 in Lake Malawi and Shire River basins using the standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation and evaporation Index (SPEI) for meteorological droughts and the lake level change index (LLCI) for hydrological droughts. And later the relationship of the meteorological and hydrological droughts is established.
While the second study extends the drought analysis into the future by examining the potential future meteorological water balance and associated drought characteristics such as the drought intensity (DI), drought months (DM), and drought events (DE) in the Greater Lake Malawi Basin. The sensitivity of drought to changes of rainfall and temperature is also assessed using the scenario-neutral approach. The climate change projections from 20 Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX) models for Africa based on two scenarios (RCP4.5 and RCP8.5) for the periods 2021–2050 and 2071–2100 are used. The study also investigates the effect of bias-correction (i.e., empirical quantile mapping) on the ability of the climate model ensemble in reproducing observed drought characteristics as compared to raw climate projections.
The sensitivity of key hydrologic variables and hydropower generation to climate change in Lake Malawi and Shire River basins is assessed in third study. The study adapts the mesoscale Hydrological Model (mHM) which is applied separately in the Upper Lake Malawi and Shire River basins. A particular Lake Malawi model, which focuses on reservoir routing and lake water balance, has been developed and is interlinked between the two basins. Similar to second study, the scenario-neutral approach is also applied to determine the sensitivity of climate change on water resources more particularly Lake Malawi level and Shire River flow which later helps to estimate the hydropower production susceptibility.
Results suggest that meteorological droughts are increasing due to a decrease in precipitation which is exacerbated by an increase in temperature (potential evapotranspiration). The hydrological system of Lake Malawi seems to have a >24-month memory towards meteorological conditions since the 36-months SPEI can predict hydrological droughts ten-months in advance. The study has found the critical lake level that would trigger hydrological drought to be 474.1 m.a.s.l.
Despite the differences in the internal structures and uncertainties that exist among the climate models, they all agree on an increase of meteorological droughts in the future in terms of higher DI and longer events (DM). DI is projected to increase between +25% and +50% during 2021-2050 and between +131% and +388% during 2071-2100. This translates into +3 to +5, and +7 to +8 more drought months per year during both periods, respectively. With longer lasting drought events, DE is decreasing. Projected droughts based on RCP8.5 are 1.7 times more severe than droughts based on RCP4.5.
It is also found that an annual temperature increase of 1°C decreases mean lake level and outflow by 0.3 m and 17%, respectively, signifying the importance of intensified evaporation for Lake Malawi’s water budget. Meanwhile, a +5% (-5%) deviation in annual rainfall changes mean lake level by +0.7 m (-0.6 m). The combined effects of temperature increase and rainfall decrease result in significantly lower flows on Shire River. The hydrological river regime may change from perennial to seasonal with the combination of annual temperature increase and precipitation decrease beyond 1.5°C (3.5°C) and -20% (-15%). The study further projects a reduction in annual hydropower production between 1% (RCP8.5) and 2.5% (RCP4.5) during 2021–2050 and between 5% (RCP4.5) and 24% (RCP8.5) during 2071–2100.
The findings are later linked to global policies more particularly the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC)’s Paris Agreement and the United Nations (UN)’s Sustainable Development Goals (SDGs), and how the failure to adhere the restriction of temperature increase below the global limit of 1.5°C will affect drought and the water resources in Malawi consequently impact the hydropower production. As a result, the achievement of most of the SDGs will be compromised. 
The results show that it is of great importance that a further development of hydro energy on the Shire River should take into account the effects of climate change. The information generation is important for decision making more especially supporting the climate action required to fight against climate change. The frequency of extreme climate events due to climate change has reached the climate emergency as saving lives and livelihoods require urgent action.
N2  - Ziel der Arbeit ist es, die Auswirkungen und die Sensitivität des Klimawandels auf die Wasser¬ressourcen, Dürren und die Wasserkrafterzeugung in Malawi zu untersuchen, einer Region im Südosten Afrikas, die besonders anfällig für den Klimawandel ist. Es ist zu beobachten, dass die Niederschläge abnehmen und die Temperaturen steigen, was Untersuchungen nahelegt, inwiefern sich diese Veränderungen auf die Wasserressourcen, Dürren und die Wasserkraft¬erzeugung in der Region auswirken können. Die Studie wird im Flussgebiet des Malawi-Sees (Einzugsgebiet des Malawi-Sees und des Shire-Flusses) durchgeführt und ist in drei Projekte unterteilt. In der ersten Studie werden die Variabilität und die Trends von meteorologischen und hydrologischen Dürren im Zeitraum 1970-2013 im Malawi-See- und Shire-Flusseinzugs¬gebiet anhand des standardisierten Niederschlagsindexes (SPI) und des standardisierten Niederschlags- und Verdunstungsindexes (SPEI) für meteorologische Dürren und des Indexes für die Veränderung des Seespiegels (LLCI) für hydrologische Dürren untersucht. Anschließend wird der Zusammenhang zwischen meteorologischen und hydrologischen Dürren hergestellt. 
In der zweiten Studie wird die Dürreanalyse in die Zukunft ausgedehnt, indem die potenzielle künftige meteorologische Wasserbilanz und die damit verbundenen Dürremerkmale wie Dürre¬intensität (DI), Dürremonate (DM) und Dürreereignisse (DE) im Einzugsgebiet des Malawisees untersucht werden. Die Empfindlichkeit der Dürre gegenüber Veränderungen der Nieder¬schlags¬menge und der Temperatur wird anhand des „Szenario-neutralen“ Ansatzes bewertet. Es werden die Projektionen des Klimawandels aus 20 „Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment“	 Modellen für Afrika auf der Grundlage von zwei Szenarien (RCP4.5 und RCP8.5) für die Zeiträume 2021-2050 und 2071-2100 verwendet. Die Studie untersucht auch die Auswirkung der Fehlerkorrektur (via „empirical quantile mapping) auf die Möglichkeit des Klimamodell-Ensembles, beobachtete Dürrecharakteristika im Vergleich zu den Originaldaten der Klimaprojektionen wieder¬zugeben. 
In der dritten Studie wird die Sensitivität der wichtigsten hydrologischen Variablen und der Wasserkrafterzeugung auf den Klimawandel in den Einzugsgebieten des Malawi-Sees und des Shire-Flusses untersucht. In der Studie wird das meso-skalige hydrologische Modell (mHM) angepasst, welches in den Einzugsgebieten des Malawisees und des Shire-Flusses getrennt angewendet wird. Ein spezielles Modell für den Malawisee, welches sich auf die Wellenver¬formung im See und dessen Wasserbilanz, wurde entwickelt und wurde mit den beiden Einzugsgebieten gekoppelt. Ähnlich wie in der zweiten Studie wird auch hier der Szenario-neutrale Ansatz angewandt, um die Sensitivität des Klimawandels auf die Wasserressourcen zu bestimmen, insbesondere auf den Wasserstand im Malawisee und den Durchfluss des Shire-Flusses, was später zur Abschätzung der Anfälligkeit der Wasserkraft-produktion nötig ist.

Die Ergebnisse lassen erwarten, dass meteorologische Dürren aufgrund von Niederschlags-rückgang zunehmen, was durch einen Temperaturanstieg (und dadurch erhöhte Verdunstung) noch verschärft wird. Das hydrologische System des Malawi-Sees scheint ein >24-monatiges „meteorologisches Gedächtnis“ zu haben, da mit den 36-monatigen SPEI-Indizes, hydrologische Dürren zehn Monate im Voraus vorhersagbar sind. Die Studie ergab zudem, dass der kritische Seespiegel zur Auslösung hydrologische Dürren bei 474,1 m+NN liegt. 
Trotz der Unterschiede in internen Strukturen und Unsicherheiten der verschiedenen Klimamodelle, stimmen sie darin überein, dass meteorologische Dürren in der Zukunft in Form von höheren DI und längeren Ereignissen (DM) zunehmen werden. Die DI würde im Zeitraum 2021-2050 um +25 % bis +50 % und im Zeitraum 2071-2100 um +131 % bis +388 % zunehmen. Dies bedeutet 3 bis 5 bzw. 7 bis 8 Dürremonate mehr pro Jahr in beiden Zeiträumen. Bei länger anhaltenden Dürreereignissen nehmen die DE ab. Die prognostizierten Dürren auf der Grundlage des RCP8.5 sind 1,7-mal schwerer als die Dürren auf der Grundlage des RCP4.5. 
Es wird auch festgestellt, dass ein jährlicher Temperaturanstieg von 1°C den mittleren See-spiegel und den Abfluss um 0,3 m bzw. 17 % verringert, was auf die Bedeutung einer verstärk¬ten Verdunstung für den Wasserhaushalt des Malawisees hinweist. Eine Abweichung von +5 % (-5 %) bei den jährlichen Niederschlägen verändert den mittleren Seespiegel um +0,7 m (-0,6 m). Die kombinierten Auswir¬kungen des Temperaturanstiegs und des Niederschlagsrück¬gangs führen zu einem deutlich geringeren Durchfluss im Shire River. Das hydrologische Regime des Flusses kann sich bei einer Kombination aus jährlicher Temperaturerhöhung und Niederschlagsabnahme um mehr als 1,5°C (3,5°C) und -20% (-15%) von mehrjährig zu saisonal ändern. Die Studie prognostiziert ferner einen Rückgang der jährlichen Wasserkraft¬produktion zwischen 1 % (RCP8.5) und 2,5 % (RCP4.5) im Zeitraum 2021-2050 und zwischen 5 % (RCP4.5) und 24 % (RCP8.5) im Zeitraum 2071-2100. 
Die Ergebnisse werden letztlich mit der globalen Politik in Verbindung gebracht, insbesondere mit dem Pariser Abkommen des Rahmenübereinkommens der Vereinten Nationen über Klima-änderungen (UNFCCC) und den Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs) der Vereinten Nationen (UN). Zudem damit, wie sich die Nichteinhaltung der Begrenzung des Temperatur-anstiegs auf 1,5°C auf die Dürre und die Wasserressourcen in Malawi auswirken wird, was wiederum Auswirkungen auf die Wasserkraftproduktion hat. Infolgedessen wird die Erreichung der meisten SDGs gefährdet sein. 
Die Ergebnisse zeigen, dass es von großer Bedeutung ist, dass bei der weiteren Entwicklung der Wasserkraft am Shire River die Auswirkungen des Klimawandels berücksichtigt werden sollten. Die Generierung von Informationen ist wichtig für die Entscheidungsfindung, insbesondere für die Unterstützung von Klimaschutzmaßnahmen, die zur Bekämpfung des Klimawandels erforderlich sind. Die Häufigkeit extremer Klimaereignisse aufgrund des Klimawandels hat einen kritischen Punkt erreicht, so dass die Rettung von Leben und die Bewahrung der Lebensgrundlagen dringende Maßnahmen erfordert.
KW  - climate change
KW  - Klimaänderung
KW  - Malawi
KW  - water balance
KW  - Wasserbilanz
KW  - drought
KW  - Dürre
KW  - water resources
KW  - Wasserressourcen
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-599298
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Stiegler, Jonas
A1  - Pahl, Janice
A1  - Guillen, Rafael Arce
A1  - Ullmann, Wiebke
A1  - Blaum, Niels
T1  - The heat is on
BT  - impacts of rising temperature on the activity of a common European mammal
JF  - Frontiers in Ecology and Evolution
N2  - Climate conditions severely impact the activity and, consequently, the fitness of wildlife species across the globe. Wildlife can respond to new climatic conditions, but the pace of human-induced change limits opportunities for adaptation or migration. Thus, how these changes affect behavior, movement patterns, and activity levels remains unclear. In this study, we investigate how extreme weather conditions affect the activity of European hares (Lepus europaeus) during their peak reproduction period. When hares must additionally invest energy in mating, prevailing against competitors, or lactating, we investigated their sensitivities to rising temperatures, wind speed, and humidity. To quantify their activity, we used the overall dynamic body acceleration (ODBA) calculated from tri-axial acceleration measurements of 33 GPS-collared hares. Our analysis revealed that temperature, humidity, and wind speed are important in explaining changes in activity, with a strong response for high temperatures above 25 & DEG;C and the highest change in activity during temperature extremes of over 35 & DEG;C during their inactive period. Further, we found a non-linear relationship between temperature and activity and an interaction of activity changes between day and night. Activity increased at higher temperatures during the inactive period (day) and decreased during the active period (night). This decrease was strongest during hot tropical nights. At a stage of life when mammals such as hares must substantially invest in reproduction, the sensitivity of females to extreme temperatures was particularly pronounced. Similarly, both sexes increased their activity at high humidity levels during the day and low wind speeds, irrespective of the time of day, while the effect of humidity was stronger for males. Our findings highlight the importance of understanding the complex relationships between extreme weather conditions and mammal behavior, critical for conservation and management. With ongoing climate change, extreme weather events such as heat waves and heavy rainfall are predicted to occur more often and last longer. These events will directly impact the fitness of hares and other wildlife species and hence the population dynamics of already declining populations across Europe.
KW  - activity
KW  - ODBA
KW  - animal tracking
KW  - European hare
KW  - extreme weather events
KW  - climate change
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.3389/fevo.2023.1193861
SN  - 2296-701X
VL  - 11
PB  - Frontiers Media
CY  - Lausanne
ER  - 
TY  - THES
A1  - Courtin, Jérémy
T1  - Biodiversity changes in Siberia between quaternary glacial and interglacial stages
T1  - Veränderungen der Biodiversität in Sibirien zwischen Quartären Glazial- und Interglazialphasen
BT  - exploring the potential of sedaDNA
BT  - das Potenzial von sedaDNA erforschen
N2  - Der vom Menschen verursachte Klimawandel wirkt sich auf die biologische Vielfalt der Erde und damit auf die Ökosysteme und ihre Leistungen aus. Die Ökosysteme in den hohen Breitengraden sind aufgrund der verstärkten Erwärmung an den Polen noch stärker betroffen als der Rest der nördlichen Hemisphäre. Dennoch ist es schwierig, die Dynamik von Ökosystemen in den hohen Breitengraden vorherzusagen, da die Wechselwirkungen zwischen abiotischen und biotischen Komponenten sehr komplex sind. Da die Vergangenheit der Schlüssel zur Zukunft ist, ist die Interpretation vergangener ökologischer Veränderungen möglich, um laufende Prozesse besser zu verstehen. Im Quartär durchlief das Pleistozän mehrere glaziale und interglaziale Phasen, welche die Ökosysteme der Vergangenheit beeinflussten. Während des letzten Glazials bedeckte die pleistozäne Steppentundra den größten Teil der unvergletscherten nördlichen Hemisphäre und verschwand parallel zum Aussterben der Megafauna am Übergang zum Holozän (vor etwa 11 700 Jahren). Der Ursprung des Rückgangs der Steppentundra ist nicht gut erforscht, und die Kenntnis über die Mechanismen, die zu den Veränderungen in den vergangenen Lebensgemeinschaften und Ökosystemen geführt haben, ist von hoher Priorität, da sie wahrscheinlich mit denen vergleichbar sind, die sich auf moderne Ökosysteme auswirken. Durch die Entnahme von See- oder Permafrostkernsedimenten kann die vergangene Artenvielfalt an den Übergängen zwischen Eis- und Zwischeneiszeiten untersucht werden. Sibirien und Beringia waren der Ursprung der Ausbreitung der Steppentundra, weshalb die Untersuchung dieses Gebiets hohe Priorität hat. Bis vor kurzem waren Makrofossilien und Pollen die gängigsten Methoden. Sie dienen der Rekonstruktion vergangener Veränderungen in der Zusammensetzung der Bevölkerung, haben aber ihre Grenzen und Schwächen. Seit Ende des 20. Jahrhunderts kann auch sedimentäre alte DNA (sedaDNA) untersucht werden. Mein Hauptziel war es, durch den Einsatz von sedaDNA-Ansätzen wissenschaftliche Beweise für Veränderungen in der Zusammensetzung und Vielfalt der Ökosysteme der nördlichen Hemisphäre am Übergang zwischen den quartären Eiszeiten und Zwischeneiszeiten zu liefern.
In dieser Arbeit liefere ich Momentaufnahmen ganzer alter Ökosysteme und beschreibe die Veränderungen in der Zusammensetzung zwischen Quartärglazialen und Interglazialen und bestätige die Vegetationszusammensetzung sowie die räumlichen und zeitlichen Grenzen der pleistozänen Steppentundra. Ich stelle einen allgemeinen Verlust der Pflanzenvielfalt fest, wobei das Aussterben der Pflanzen parallel zum Aussterben der Megafauna verlief. Ich zeige auf, wie der Verlust der biotischen Widerstandsfähigkeit zum Zusammenbruch eines zuvor gut etablierten Systems führte, und diskutiere meine Ergebnisse im Hinblick auf den laufenden Klimawandel. Mit weiteren Arbeiten zur Eingrenzung von Verzerrungen und Grenzen kann sedaDNA parallel zu den etablierteren Makrofossilien- und Pollenansätzen verwendet werden oder diese sogar ersetzen, da meine Ergebnisse die Robustheit und das Potenzial von sedaDNA zur Beantwortung neuer paläoökologischer Fragen wie Veränderungen der Pflanzenvielfalt und -verluste belegen und Momentaufnahmen ganzer alter Biota liefern.
N2  - Climate change of anthropogenic origin is affecting Earth’s biodiversity and therefore ecosystems and their services. High latitude ecosystems are even more impacted than the rest of Northern Hemisphere because of the amplified polar warming. Still, it is challenging to predict the dynamics of high latitude ecosystems because of complex interaction between abiotic and biotic components. As the past is the key to the future, the interpretation of past ecological changes to better understand ongoing processes is possible. In the Quaternary, the Pleistocene experienced several glacial and interglacial stages that affected past ecosystems. During the last Glacial, the Pleistocene steppe-tundra was covering most of unglaciated northern hemisphere and disappeared in parallel to the megafauna’s extinction at the transition to the Holocene (~11,700 years ago). The origin of the steppe-tundra decline is not well understood and knowledge on the mechanisms, which caused shifts in past communities and ecosystems, is of high priority as they are likely comparable to those affecting modern ecosystems. Lake or permafrost core sediments can be retrieved to investigate past biodiversity at transitions between glacial and interglacial stages. Siberia and Beringia were the origin of dispersal of the steppe-tundra, which make investigation this area of high priority. Until recently, macrofossils and pollen were the most common approaches. They are designed to reconstruct past composition changes but have limit and biases. Since the end of the 20th century, sedimentary ancient DNA (sedaDNA) can also be investigated. My main objectives were, by using sedaDNA approaches to provide scientific evidence of compositional and diversity changes in the Northern Hemisphere ecosystems at the transition between Quaternary glacial and interglacial stages.
In this thesis, I provide snapshots of entire ancient ecosystems and describe compositional changes between Quaternary glacial and interglacial stages, and confirm the vegetation composition and the spatial and temporal boundaries of the Pleistocene steppe-tundra. I identify a general loss of plant diversity with extinction events happening in parallel of megafauna’ extinction. I demonstrate how loss of biotic resilience led to the collapse of a previously well-established system and discuss my results in regards to the ongoing climate change. With further work to constrain biases and limits, sedaDNA can be used in parallel or even replace the more established macrofossils and pollen approaches as my results support the robustness and potential of sedaDNA to answer new palaeoecological questions such as plant diversity changes, loss and provide snapshots of entire ancient biota.
KW  - sedaDNA
KW  - pleistocene
KW  - paleoecology
KW  - climate change
KW  - holocene
KW  - Siberia
KW  - sedaDNA
KW  - Pleistozän
KW  - Paläoökologie
KW  - Holozän
KW  - Klimawandel
KW  - Sibirien
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-595847
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stiegler, Jonas
T1  - Mobile link functions in unpredictable agricultural landscapes
N2  - Animal movement is a crucial aspect of life, influencing ecological and evolutionary processes. It plays an important role in shaping biodiversity patterns, connecting habitats and ecosystems. Anthropogenic landscape changes, such as in agricultural environments, can impede the movement of animals by affecting their ability to locate resources during recurring movements within home ranges and, on a larger scale, disrupt migration or dispersal. Inevitably, these changes in movement behavior have far-reaching consequences on the mobile link functions provided by species inhabiting such extensively altered matrix areas. In this thesis, I investigate the movement characteristics and activity patterns of the European hare (Lepus europaeus), aiming to understand their significance as a pivotal species in fragmented agricultural landscapes. I reveal intriguing results that shed light on the importance of hares for seed dispersal, the influence of personality traits on behavior and space use, the sensitivity of hares to extreme weather conditions, and the impacts of GPS collaring on mammals' activity patterns and movement behavior. 
In Chapter I, I conducted a controlled feeding experiment to investigate the potential impact of hares on seed dispersal. By additionally utilizing GPS data of hares in two contrasting landscapes, I demonstrated that hares play a vital role, acting as effective mobile linkers for many plant species in small and isolated habitat patches. The analysis of seed intake and germination success revealed that distinct seed traits, such as density, surface area, and shape, profoundly affect hares' ability to disperse seeds through endozoochory. These findings highlight the interplay between hares and plant communities and thus provide valuable insights into seed dispersal mechanisms in fragmented landscapes. 
By employing standardized behavioral tests in Chapter II, I revealed consistent behavioral responses among captive hares while simultaneously examining the intricate connection between personality traits and spatial patterns within wild hare populations. This analysis provides insights into the ecological interactions and dynamics within hare populations in agricultural habitats. Examining the concept of animal personality, I established a link between personality traits and hare behavior. I showed that boldness, measured through standardized tests, influences individual exploration styles, with shy and bold hares exhibiting distinct space use patterns. In addition to providing valuable insights into the role of animal personality in heterogeneous environments, my research introduced a novel approach demonstrating the feasibility of remotely assessing personality types using animal-borne sensors without additional disturbance of the focal individual. 
While climate conditions severely impact the activity and, consequently, the fitness of wildlife species across the globe, in Chapter III, I uncovered the sensitivity of hares to temperature, humidity, and wind speed during their peak reproduction period. I found a strong response in activity to high temperatures above 25°C, with a particularly pronounced effect during temperature extremes of over 35°C. The non-linear relationship between temperature and activity was characterized by contrasting responses observed for day and night. These findings emphasize the vulnerability of hares to climate change and the potential consequences for their fitness and population dynamics with the ongoing rise of temperature. 
Since such insights can only be obtained through capturing and tagging free-ranging animals, I assessed potential impacts and the recovery process post-collar attachment in Chapter IV. For this purpose, I examined the daily distances moved and the temporal-associated activity of 1451 terrestrial mammals out of 42 species during their initial tracking period. The disturbance intensity and the speed of recovery varied across species, with herbivores, females, and individuals captured and collared in relatively secluded study areas experiencing more pronounced disturbances due to limited anthropogenic influences.
Mobile linkers are essential for maintaining biodiversity as they influence the dynamics and resilience of ecosystems. Furthermore, their ability to move through fragmented landscapes makes them a key component for restoring disturbed sites. Individual movement decisions determine the scale of mobile links, and understanding variations in space use among individuals is crucial for interpreting their functions. Climate change poses further challenges, with wildlife species expected to adjust their behavior, especially in response to high-temperature extremes, and comprehending the anthropogenic influence on animal movements will remain paramount to effective land use planning and the development of successful conservation strategies. 
This thesis provides a comprehensive ecological understanding of hares in agricultural landscapes. My research findings underscore the importance of hares as mobile linkers, the influence of personality traits on behavior and spatial patterns, the vulnerability of hares to extreme weather conditions, and the immediate consequences of collar attachment on mammalian movements. Thus, I contribute valuable insights to wildlife conservation and management efforts, aiding in developing strategies to mitigate the impact of environmental changes on hare populations. Moreover, these findings enable the development of methodologies aimed at minimizing the impacts of collaring while also identifying potential biases in the data, thereby benefiting both animal welfare and the scientific integrity of localization studies.
N2  - Die Bewegung von Tieren ist ein entscheidender Aspekt des Lebens, der ökologische und evolutionäre Prozesse beeinflusst. Sie spielt eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der biologischen Vielfalt und verbindet Lebensräume und Ökosysteme miteinander. Anthropogene Landschaftsveränderungen, z.B. in der Landwirtschaft, können die Bewegung von Tieren behindern, indem sie ihre Fähigkeiten beeinträchtigen, Ressourcen innerhalb ihres täglichen Bewegungsradius zu lokalisieren und im größeren Maßstab, ihre Wanderung oder Ausbreitung limitieren. In dieser Thesis untersuche ich die Bewegungsmerkmale und Aktivitätsmuster des Feldhasen (Lepus europaeus), um seine Bedeutung als Schlüsselart in fragmentierten Agrarlandschaften zu verstehen. Ich lege faszinierende Ergebnisse vor, die die Bedeutung des Hasen für die Verbreitung von Saatgut, den Einfluss von Persönlichkeitsmerkmalen auf das Verhalten und die Raumnutzung, die Sensibilität des Hasen gegenüber extremen Witterungsbedingungen und die Auswirkungen von GPS-Empfängern auf die Aktivitätsmuster und das Bewegungsverhalten der Säugetiere beleuchten.
In Kapitel I führte ich ein kontrolliertes Fütterungsexperiment durch, um den potenziellen Einfluss von Hasen auf die Samenausbreitung zu analysieren. Durch die zusätzliche Verwendung von GPS-Daten von Hasen in zwei kontrastierenden Landschaften konnte ich nachweisen, dass Hasen eine wichtige Rolle spielen, da sie in kleinen und isolierten Habitatfeldern als effektive mobile Verbindungsglieder für viele Pflanzenarten fungieren. Die Analyse der Samenaufnahme und des Keimungserfolgs zeigte, dass verschiedene Eigenschaften der Samen, wie Dichte, Oberfläche und Form, die Fähigkeit der Hasen, Samen durch Endozoochorie zu verbreiten, stark beeinflussen. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Wechselwirkung zwischen Hasen und Pflanzengemeinschaften und liefern somit wertvolle Erkenntnisse über die Mechanismen der Samenverbreitung in fragmentierten Landschaften.
Durch den Einsatz standardisierter Verhaltenstests in Kapitel II konnte ich konsistente Verhaltensreaktionen bei in Gefangenschaft lebenden Hasen aufdecken und zeitgleich den komplexen Zusammenhang zwischen Persönlichkeitsmerkmalen und räumlichen Mustern in Wildhasenpopulationen untersuchen. Diese Analyse bietet Einblicke in die ökologischen Interaktionen und die Dynamik von Hasenpopulationen in landwirtschaftlichen Lebensräumen. Indem ich das Konzept der Tierpersönlichkeit untersuchte, stellte ich eine Verbindung zwischen Persönlichkeitsmerkmalen und dem Verhalten von Hasen her. Ich habe gezeigt, dass die durch standardisierte Tests gemessene Kühnheit den individuellen Erkundungsstil beeinflusst, wobei schüchterne und kühne Hasen unterschiedliche Raumnutzungsmuster aufweisen. Meine Forschung liefert nicht nur wertvolle Einblicke in die Rolle der Tierpersönlichkeit in heterogenen Umgebungen, sondern stellt auch einen neuartigen Ansatz vor, der die Durchführbarkeit einer Fernbeurteilung von Persönlichkeitstypen mithilfe von am Tier angebrachten Sensoren ohne zusätzliche Störung des Zielindividuums demonstrierte.
Da die Klimabedingungen die Aktivität und folglich die Fitness von Wildtierarten auf der ganzen Welt stark beeinflussen, habe ich in Kapitel III die Sensibilität von Hasen gegenüber Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit während ihrer Hauptfortpflanzungszeit ermittelt. Ich stellte fest, dass die Aktivität stark auf hohe Temperaturen über 25 °C reagiert, wobei die Auswirkungen bei extremen Temperaturen von über 35 °C besonders ausgeprägt sind. Die nicht lineare Beziehung zwischen Temperatur und Aktivität war durch gegensätzliche Reaktionen bei Tag und Nacht gekennzeichnet. Diese Ergebnisse unterstreichen die Anfälligkeit der Hasen für den Klimawandel und die möglichen Folgen für ihre Fitness und Populationsdynamik bei einem anhaltenden Temperaturanstieg.
Da solche Erkenntnisse nur durch Fangen und Besendern von Wildtieren ermöglicht werden können, habe ich in Kapitel IV die potenziellen negativen Auswirkungen auf das Individuuum, sowie den Erholungsprozess nach dem Anlegen des Halsbandes untersucht. Hierfür analysierte ich die zurückgelegten täglichen Entfernungen in Verbindung mit der Aktivität von 1451 terrestrischen Säugetieren aus 42 verschiedenen Arten während ihrer anfänglichen Verfolgung. Die Intensität der Störung sowie die Geschwindigkeit der Erholung variieren je nach Art, wobei Pflanzenfresser, Weibchen und Individuen, die in relativ abgelegenen Untersuchungsgebieten gefangen und mit Halsbändern versehen wurden, aufgrund bisher begrenzter anthropogener Einflüsse stärkere Störungen erfahren.
Mobile Verbindungsglieder sind essentiell für die Erhaltung der Biodiversität, indem sie eine wichtige Rolle in der Dynamik und Resilienz von Ökosystemen spielen. Weiterhin macht ihre Fähigkeit, sich durch zerstückelte Landschaften zu bewegen sie zu wichtigen Schlüsselkomponenten bei der Wiederherstellung von zerstörten Landschaften. Individuelle Bewegungsentscheidungen bestimmen den Maßstab der mobilen Verbindungen und die Schwankungen der Raumnutzung unter Individuen zu verstehen ist unerlässlich, um deren Funktion zu interpretieren. Der Klimawandel stellt eine weitere Herausforderung dar, indem Wildtiere dazu gezwungen werden, sich zu adaptieren, insbesondere an Hochtemperatur-Extreme. Den anthropogenen Einfluss auf Tierbewegungen aufzudecken bleibt von größter Bedeutung in der Landnutzungsplanung und die Entwicklung von erfolgreichen Strategien zum Schutz der Natur.
Diese Thesis liefert ein umfassendes ökologisches Verständnis von Feldhasen in Agrarlandschaften. Die Ergebnisse meiner Forschung unterstreichen die Bedeutung von Hasen als mobile Bindeglieder, den Einfluss von Persönlichkeitsmerkmalen auf Verhalten und räumliche Muster, die Anfälligkeit von Hasen gegenüber extremen Wetterbedingungen und die unmittelbaren Folgen der Halsbandanbringung auf Tierbewegungen. Damit leiste ich einen wertvollen Beitrag zum Schutz und zur Bewirtschaftung von Wildtieren, indem ich die Entwicklung von Strategien zur Abschwächung der Auswirkungen von Umweltveränderungen auf Hasenpopulationen unterstütze. Darüber hinaus ermöglichen diese Erkenntnisse die Entwicklung von Methoden, die darauf abzielen, die Folgen der Halsbandanbringung zu minimieren und gleichzeitig potenzielle Verzerrungen in den Daten zu identifizieren, was sowohl dem Tierschutz als auch der wissenschaftlichen Integrität von Lokalisierungsstudien zugutekommt.
KW  - European hare
KW  - mammals
KW  - ecology
KW  - animal personality
KW  - seed dispersal
KW  - movement ecology
KW  - tracking impacts
KW  - energy budget
KW  - climate change
KW  - accelerometry
KW  - GPS
KW  - tracking
KW  - Feldhase
KW  - GPS
KW  - Beschleunigungsmessungen
KW  - Tierpersönlichkeit
KW  - Klimawandel
KW  - Tierökologie
KW  - Energiebudget
KW  - Säugetiere
KW  - Bewegungsökologie
KW  - Samenausbreitung
KW  - Tierortung
KW  - Konsequenzen von Fang und Besenderung
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-622023
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Berry, Paul E.
A1  - Dammhahn, Melanie
A1  - Blaum, Niels
T1  - Keeping cool on hot days
BT  - activity responses of African antelope to heat extremes
JF  - Frontiers in ecology and evolution
N2  - Long-lived organisms are likely to respond to a rapidly changing climate with behavioral flexibility. Animals inhabiting the arid parts of southern Africa face a particularly rapid rise in temperature which in combination with food and water scarcity places substantial constraints on the ability of animals to tolerate heat. We investigated how three species of African antelope-springbok Antidorcas marsupialis, kudu Tragelaphus strepsiceros and eland T. oryx-differing in body size, habitat preference and movement ecology, change their activity in response to extreme heat in an arid savanna. Serving as a proxy for activity, dynamic body acceleration data recorded every five minutes were analyzed for seven to eight individuals per species for the three hottest months of the year. Activity responses to heat during the hottest time of day (the afternoons) were investigated and diel activity patterns were compared between hot and cool days. Springbok, which prefer open habitat, are highly mobile and the smallest of the species studied, showed the greatest decrease in activity with rising temperature. Furthermore, springbok showed reduced mean activity over the 24 h cycle on hot days compared to cool days. Large-bodied eland seemed less affected by afternoon heat than springbok. While eland also reduced diurnal activity on hot days compared to cool days, they compensated for this by increasing nocturnal activity, possibly because their predation risk is lower. Kudu, which are comparatively sedentary and typically occupy shady habitat, seemed least affected during the hottest time of day and showed no appreciable difference in diel activity patterns between hot and cool days. The interplay between habitat preference, body size, movement patterns, and other factors seems complex and even sub-lethal levels of heat stress have been shown to impact an animal's long-term survival and reproduction. Thus, differing heat tolerances among species could result in a shift in the composition of African herbivore communities as temperatures continue to rise, with significant implications for economically important wildlife-based land use and conservation.
KW  - springbok
KW  - kudu
KW  - eland
KW  - dynamic body acceleration
KW  - tri-axial accelerometers
KW  - behavioral flexibility
KW  - climate change
KW  - savanna ecology
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.3389/fevo.2023.1172303
SN  - 2296-701X
VL  - 11
PB  - Frontiers Media
CY  - Lausanne
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Reibold, Kerstin
T1  - Settler Colonialism, Decolonization, and Climate Change
JF  - Journal of applied philosophy
N2  - The article proposes that climate change makes enduring colonial injustices and structures visible. It focuses on the imposition and dominance of colonial concepts of land and self-determination on Indigenous peoples in settler states. It argues that if the dominance of these colonial frameworks remains unaddressed, the progressing climate change will worsen other colonial injustices, too. Specifically, Indigenous self-determination capabilities will be increasingly undermined, and Indigenous peoples will experience the loss of what they understand as relevant land from within their own ontologies of land. The article holds that even if settler states strive to repair colonial injustices, these efforts will be unsuccessful if climate change occurs and decolonization is pursued within the framework of a settler colonial ontology of land. Therefore, the article suggests, decolonization of the ontologies of land and concepts of self-determination is a precondition for a just response to climate change.
KW  - territorial rights
KW  - indigenous rights
KW  - climate change
KW  - colonialism
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1111/japp.12573
SN  - 0264-3758
SN  - 1468-5930
PB  - Wiley-Blackwell
CY  - Oxford
ER  - 
TY  - THES
A1  - Šedová, Barbora
T1  - Heterogeneous effects of weather and climate change on human migration
T1  - Heterogene Auswirkungen von Wetter und Klimawandel auf menschliche Migration
N2  - While estimated numbers of past and future climate migrants are alarming, the growing empirical evidence suggests that the association between adverse climate-related events and migration is not universally positive. This dissertation seeks to advance our understanding of when and how climate migration emerges by analyzing heterogeneous climatic influences on migration in low- and middle-income countries. To this end, it draws on established economic theories of migration, datasets from physical and social sciences, causal inference techniques and approaches from systematic literature review. In three of its five chapters, I estimate causal effects of processes of climate change on inequality and migration in India and Sub-Saharan Africa. By employing interaction terms and by analyzing sub-samples of data, I explore how these relationships differ for various segments of the population. In the remaining two chapters, I present two systematic literature reviews. First, I undertake a comprehensive meta-regression analysis of the econometric climate migration literature to summarize general climate migration patterns and explain the conflicting findings. Second, motivated by the broad range of approaches in the field, I examine the literature from a methodological perspective to provide best practice guidelines for studying climate migration empirically. Overall, the evidence from this dissertation shows that climatic influences on human migration are highly heterogeneous. Whether adverse climate-related impacts materialize in migration depends on the socio-economic characteristics of the individual households, such as wealth, level of education, agricultural dependence or access to adaptation technologies and insurance. For instance, I show that while adverse climatic shocks are generally associated with an increase in migration in rural India, they reduce migration in the agricultural context of Sub-Saharan Africa, where the average wealth levels are much lower so that households largely cannot afford the upfront costs of moving. I find that unlike local climatic shocks which primarily enhance internal migration to cities and hence accelerate urbanization, shocks transmitted via agricultural producer prices increase migration to neighboring countries, likely due to the simultaneous decrease in real income in nearby urban areas. These findings advance our current understanding by showing when and how economic agents respond to climatic events, thus providing explicit contexts and mechanisms of climate change effects on migration in the future. The resulting collection of findings can guide policy interventions to avoid or mitigate any present and future welfare losses from climate change-related migration choices.
N2  - Während die geschätzten Zahlen zukünftiger Klimamigranten alarmierend sind, deuten die wachsenden empirischen Belege darauf hin, dass der Klimawandel nicht automatisch zu mehr Migration führt. Denn auch wenn klimabezogene Einflüsse die Entscheidung zur Migration zunehmend beeinflussen, wird diese durch eine Vielzahl von Faktoren, wie beispielsweise den sozioökonomischen und politischen Bedingungen, beeinflusst. Der Zusammenhang zwischen Klimawandel und Migration ist also stark kontextabhängig. Diese Dissertation besteht aus fünf Artikeln und zeigt, wann und wie Klimamigration entsteht, indem sie die heterogenen klimatischen Einflüsse in Entwicklungsländern untersucht. Gestützt auf ökonomische Migrationstheorien analysiere ich Datensätze aus den Natur- und Sozialwissenschaften mithilfe von Methodiken der ökonometrischen Kausalanalyse, der Geoinformationssysteme und der systematischen Literatursynthese.
In drei von fünf Kapiteln schätze ich die kausalen Auswirkungen des Klimawandels auf Ungleichheit und Migration in Indien und Subsahara Afrika. Durch die Verwendung von Interaktionstermen und die Analyse von Teilstichproben untersuche ich in Regressionsmodellen, wie sich diese Beziehungen für verschiedene Bevölkerungsgruppen unterscheiden. In den verbleibenden zwei Kapiteln fasse ich die ökonometrische Literatur zur Klimamigration systematisch zusammen. Zunächst führe ich eine umfassende Meta-Regressionsanalyse durch, um die allgemeine Klimamigrationsmuster zusammenzufassen und die widersprüchliche Evidenz zu erklären. In einem zweiten Schritt untersuche ich die ökonometrische Klimamigrationsliteratur aus einer methodologischen Perspektive, um Best-Practice-Leitlinien für künftige empirische Analysen von Klimamigration bereitzustellen.
Insgesamt bestätigen die Ergebnisse dieser Dissertation, dass die klimatischen Einflüsse auf menschliche Migration heterogen sind und von den sozioökonomischen Merkmalen der einzelnen Haushalte wie dem Wohlstand und Bildungsniveau, der Abhängigkeit von der Landwirtschaft oder dem Zugang zu Anpassungstechnologien und Versicherungen, mitbestimmt werden. Ich finde beispielsweise, dass ungünstige klimatische Schocks zu einem Migrationsanstieg im ländlichen Indien führen, sie aber die Migration im landwirtschaftlichen Subsahara Afrika, wo das durchschnittliche Einkommensniveau viel niedriger ist, verhindern. Ich habe zudem herausgefunden, dass im Gegensatz zu lokalen klimatischen Schocks, die in erster Linie die Binnenmigration in die Städte verstärken und damit die Urbanisierung beschleunigen, globale Schocks über landwirtschaftliche Erzeugerpreise die Abwanderung in benachbarte Länder antreiben. 
Diese Ergebnisse erweitern unser derzeitiges Verständnis, indem sie verdeutlichen, wann und wie Akteure auf unterschiedliche Klimaereignisse mit der Entscheidung zur Migration reagieren. Die daraus resultierenden Erkenntnisse können helfen, Entscheidungsträger auf drei wichtige Arten zu informieren. Erstens, wenn man weiß, wer die Klimamigranten sind und welche Destinationsziele sie wählen, wird Klimamigration vorhersehbarer und damit kontrollierbarer. Dies kann verhindern, dass sie zu einer humanitären Krise wird. Zweitens hilft die Identifizierung von Bevölkerungsgruppen, die nicht in der Lage sind, sich durch Migration an die veränderten klimatischen Bedingungen anzupassen, dabei, unfreiwillige Immobilität zu vermeiden, was wiederum auch eine potenzielle humanitären Krise verhindert. Drittens können all diese Informationen helfen, Kosten und Nutzen der Klima(im)mobilität genauer zu bewerten und so die Social Cost of Carbon genauer einzuschätzen.
KW  - migration
KW  - weather
KW  - climate change
KW  - agriculture
KW  - food prices
KW  - inequality
KW  - econometrics
KW  - Landwirtschaft
KW  - Klimawandel
KW  - Ökonometrie
KW  - Lebensmittelpreise
KW  - Ungleichheit
KW  - Migration
KW  - Wetter
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-536733
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Rolph, Rebecca
A1  - Overduin, Pier Paul
A1  - Ravens, Thomas
A1  - Lantuit, Hugues
A1  - Langer, Moritz
T1  - ArcticBeach v1.0
BT  - a physics-based parameterization of pan-Arctic coastline erosion
JF  - Frontiers in Earth Science
N2  - In the Arctic, air temperatures are increasing and sea ice is declining, resulting in larger waves and a longer open water season, all of which intensify the thaw and erosion of ice-rich coasts. Climate change has been shown to increase the rate of Arctic coastal erosion, causing problems for Arctic cultural heritage, existing industrial, military, and civil infrastructure, as well as changes in nearshore biogeochemistry. Numerical models that reproduce historical and project future Arctic erosion rates are necessary to understand how further climate change will affect these problems, and no such model yet exists to simulate the physics of erosion on a pan-Arctic scale. We have coupled a bathystrophic storm surge model to a simplified physical erosion model of a permafrost coastline. This Arctic erosion model, called ArcticBeach v1.0, is a first step toward a physical parameterization of Arctic shoreline erosion for larger-scale models. It is forced by wind speed and direction, wave period and height, sea surface temperature, all of which are masked during times of sea ice cover near the coastline. Model tuning requires observed historical retreat rates (at least one value), as well as rough nearshore bathymetry. These parameters are already available on a pan-Arctic scale. The model is validated at three study sites at 1) Drew Point (DP), Alaska, 2) Mamontovy Khayata (MK), Siberia, and 3) Veslebogen Cliffs, Svalbard. Simulated cumulative retreat rates for DP and MK respectively (169 and 170 m) over the time periods studied at each site (2007-2016, and 1995-2018) are found to the same order of magnitude as observed cumulative retreat (172 and 120 m). The rocky Veslebogen cliffs have small observed cumulative retreat rates (0.05 m over 2014-2016), and our model was also able to reproduce this same order of magnitude of retreat (0.08 m). Given the large differences in geomorphology between the study sites, this study provides a proof-of-concept that ArcticBeach v1.0 can be applied on very different permafrost coastlines. ArcticBeach v1.0 provides a promising starting point to project retreat of Arctic shorelines, or to evaluate historical retreat in places that have had few observations.
KW  - permafrost
KW  - erosion
KW  - modelling
KW  - arctic
KW  - climate change
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3389/feart.2022.962208
SN  - 2296-6463
VL  - 10
PB  - Frontiers Media
CY  - Lausanne
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Li, Zhen
A1  - Spangenberg, Erik
A1  - Schicks, Judith Maria
A1  - Kempka, Thomas
T1  - Numerical Simulation of Coastal Sub-Permafrost Gas Hydrate Formation in the Mackenzie Delta, Canadian Arctic
JF  - Energies
N2  - The Mackenzie Delta (MD) is a permafrost-bearing region along the coasts of the Canadian Arctic which exhibits high sub-permafrost gas hydrate (GH) reserves. The GH occurring at the Mallik site in the MD is dominated by thermogenic methane (CH4), which migrated from deep conventional hydrocarbon reservoirs, very likely through the present fault systems. Therefore, it is assumed that fluid flow transports dissolved CH4 upward and out of the deeper overpressurized reservoirs via the existing polygonal fault system and then forms the GH accumulations in the Kugmallit-Mackenzie Bay Sequences. We investigate the feasibility of this mechanism with a thermo-hydraulic-chemical numerical model, representing a cross section of the Mallik site. We present the first simulations that consider permafrost formation and thawing, as well as the formation of GH accumulations sourced from the upward migrating CH4-rich formation fluid. The simulation results show that temperature distribution, as well as the thickness and base of the ice-bearing permafrost are consistent with corresponding field observations. The primary driver for the spatial GH distribution is the permeability of the host sediments. Thus, the hypothesis on GH formation by dissolved CH4 originating from deeper geological reservoirs is successfully validated. Furthermore, our results demonstrate that the permafrost has been substantially heated to 0.8-1.3 degrees C, triggered by the global temperature increase of about 0.44 degrees C and further enhanced by the Arctic Amplification effect at the Mallik site from the early 1970s to the mid-2000s.
KW  - gas hydrate
KW  - permafrost
KW  - methane
KW  - faults
KW  - climate change
KW  - Mallik
KW  - numerical simulations
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3390/en15144986
SN  - 1996-1073
VL  - 15
IS  - 14
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - THES
A1  - Krummenauer, Linda
T1  - Global heat adaptation among urban populations and its evolution under different climate futures
T1  - Globale Hitzeanpassung urbaner Bevölkerungen und deren Entwicklung unter verschiedenen klimatischen Zukünften
N2  - 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, 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.
N2  - 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 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.
KW  - heat
KW  - adaptation
KW  - global
KW  - populations
KW  - climate change
KW  - temperature
KW  - mortality
KW  - minimum mortality temperature
KW  - projection
KW  - future
KW  - health
KW  - model
KW  - socio-economy
KW  - wealth
KW  - acclimatisation
KW  - Akklimatisierung
KW  - Anpassung
KW  - Hitzeanpassung
KW  - Klimawandel
KW  - Zukunft
KW  - global
KW  - Gesundheit
KW  - Hitze
KW  - Mortalitäts-Minimal-Temperatur
KW  - Modell
KW  - Mortalität
KW  - Bevölkerung
KW  - Projektion
KW  - Sozioökonomie
KW  - Temperatur
KW  - Wohlstand
KW  - exposure
KW  - hazard
KW  - cities
KW  - Exposition
KW  - Naturgefahr
KW  - Städte
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559294
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Böhnke, Denise
A1  - Krehl, Alice
A1  - Moermann, Kai
A1  - Volk, Rebekka
A1  - Lützkendorf, Thomas
A1  - Naber, Elias
A1  - Becker, Ronja
A1  - Norra, Stefan
T1  - Mapping urban green and its ecosystem services at microscale-a methodological approach for climate adaptation and biodiversity
JF  - Sustainability / Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI)
N2  - The current awareness of the high importance of urban green leads to a stronger need for tools to comprehensively represent urban green and its benefits. A common scientific approach is the development of urban ecosystem services (UES) based on remote sensing methods at the city or district level. Urban planning, however, requires fine-grained data that match local management practices. Hence, this study linked local biotope and tree mapping methods to the concept of ecosystem services. The methodology was tested in an inner-city district in SW Germany, comparing publicly accessible areas and non-accessible courtyards. The results provide area-specific [m(2)] information on the green inventory at the microscale, whereas derived stock and UES indicators form the basis for comparative analyses regarding climate adaptation and biodiversity. In the case study, there are ten times more micro-scale green spaces in private courtyards than in the public space, as well as twice as many trees. The approach transfers a scientific concept into municipal planning practice, enables the quantitative assessment of urban green at the microscale and illustrates the importance for green stock data in private areas to enhance decision support in urban development. Different aspects concerning data collection and data availability are critically discussed.
KW  - climate adaptation
KW  - urban green
KW  - mapping
KW  - ecosystem service cascade
KW  - model
KW  - surface type-function-concept
KW  - planning indicators
KW  - city district
KW  - level
KW  - urban planning practice
KW  - climate change
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3390/su14159029
SN  - 2071-1050
VL  - 14
IS  - 15
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Guzman Arias, Diego Alejandro
A1  - Samprogna Mohor, Guilherme
A1  - Mendiondo, Eduardo Mario
T1  - Multi-driver ensemble to evaluate the water utility business interruption cost induced by hydrological drought risk scenarios in Brazil
JF  - Urban water journal
N2  - Climate change and increasing water demand in urban environments necessitate planning water utility companies' finances. Traditionally, methods to estimate the direct water utility business interruption costs (WUBIC) caused by droughts have not been clearly established. We propose a multi-driver assessment method. We project the water yield using a hydrological model driven by regional climate models under radiative forcing scenarios. We project water demand under stationary and non-stationary conditions to estimate drought severity and duration, which are linked with pricing policies recently adopted by the Sao Paulo Water Utility Company. The results showed water insecurity. The non-stationary trend imposed larger differences in the drought resilience financial gap, suggesting that the uncertainties of WUBIC derived from demand and climate models are greater than those associated with radiative forcing scenarios. As populations increase, proactively controlling demand is recommended to avoid or minimize reactive policy changes during future drought events, repeating recent financial impacts.
KW  - Business interruption cost
KW  - water utility company
KW  - hydrological
KW  - droughts
KW  - water security
KW  - urban water
KW  - climate change
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1080/1573062X.2022.2058564
SN  - 1573-062X
SN  - 1744-9006
PB  - Routledge, Taylor & Francis Group
CY  - Abingdon
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kuhla, Kilian
T1  - Impact, distribution, and adaptation
T1  - Auswirkung, Verteilung und Anpassung
BT  - how weather extremes threaten the economic network
BT  - wie Wetterextreme das ökonomische Netzwerk bedrohen
N2  - Weather extremes pose a persistent threat to society on multiple layers. Besides an average of ~37,000 deaths per year, climate-related disasters cause destroyed properties and impaired economic activities, eroding people's livelihoods and prosperity. While global temperature rises – caused by anthropogenic greenhouse gas emissions – the direct impacts of climatic extreme events increase and will further intensify without proper adaptation measures. Additionally, weather extremes do not only have local direct effects. Resulting economic repercussions can propagate either upstream or downstream along trade chains causing indirect effects. One approach to analyze these indirect effects within the complex global supply network is the agent-based model Acclimate. Using and extending this loss-propagation model, I focus in this thesis on three aspects of the relation between weather extremes and economic repercussions.

First, extreme weather events cause direct impacts on local economic performance. I compute daily local direct output loss time series of heat stress, river floods, tropical cyclones, and their consecutive occurrence using (near-future) climate projection ensembles. These regional impacts are estimated based on physical drivers and local productivity distribution. Direct effects of the aforementioned disaster categories are widely heterogeneous concerning regional and temporal distribution. As well, their intensity changes differently under future warming. Focusing on the hurricane-impacted capital, I find that long-term growth losses increase with higher heterogeneity of a shock ensemble. 

Second, repercussions are sectorally and regionally distributed via economic ripples within the trading network, causing higher-order effects. I use Acclimate to identify three phases of those economic ripples. Furthermore, I compute indirect impacts and analyze overall regional and global production and consumption changes. Regarding heat stress, global consumer losses double while direct output losses increase by a factor 1.5 between 2000 – 2039. In my research I identify the effect of economic ripple resonance and introduce it to climate impact research. This effect occurs if economic ripples of consecutive disasters overlap, which increases economic responses such as an enhancement of consumption losses. These loss enhancements can even be more amplified with increasing direct output losses, e.g. caused by climate crises.  

Transport disruptions can cause economic repercussions as well. For this, I extend the model Acclimate with a geographical transportation route and expand the decision horizon of economic agents. Using this, I show that policy-induced sudden trade restrictions (e.g. a no-deal Brexit) can significantly reduce the longer-term economic prosperity of affected regions. Analyses of transportation disruptions in typhoon seasons indicate that severely affected regions must reduce production as demand falls during a storm. Substituting suppliers may compensate for fluctuations at the beginning of the storm, which fails for prolonged disruptions.

Third, possible coping mechanisms and adaptation strategies arise from direct and indirect economic responses to weather extremes. Analyzing annual trade changes due to typhoon-induced transport disruptions depict that overall exports rise. This trade resilience increases with higher network node diversification. Further, my research shows that a basic insurance scheme may diminish hurricane-induced long-term growth losses due to faster reconstruction in disasters aftermaths. I find that insurance coverage could be an economically reasonable coping scheme towards higher losses caused by the climate crisis. Indirect effects within the global economic network from weather extremes indicate further adaptation possibilities. For one, diversifying linkages reduce the hazard of sharp price increases. Next to this, close economic interconnections with regions that do not share the same extreme weather season can be economically beneficial in the medium run. Furthermore, economic ripple resonance effects should be considered while computing costs. Overall, an increase in local adaptation measures reduces economic ripples within the trade network and possible losses elsewhere. In conclusion, adaptation measures are necessary and potential present, but it seems rather not possible to avoid all direct or indirect losses.

As I show in this thesis, dynamical modeling gives valuable insights into how direct and indirect economic impacts arise from different categories of weather extremes. Further, it highlights the importance of resolving individual extremes and reflecting amplifying effects caused by incomplete recovery or consecutive disasters.
N2  - Wetterextreme stellen für die Gesellschaft eine anhaltende Bedrohung auf mehreren Ebenen dar. Neben durchschnittlich ~37.000 Todesfällen pro Jahr verursachen meteorologische Katastrophen Eigentumsschäden und Wirtschaftsbeeinträchtigungen, wodurch die Lebensgrundlagen und der Wohlstand der Menschen untergraben werden. Während die globale Temperatur – verursacht durch anthropogene Treibhausgasemissionen – ansteigt, nehmen die direkten Auswirkungen klimatischer Extremereignisse zu und werden sich ohne geeignete Anpassungsmaßnahmen weiter verstärken. 
Hinzu kommt, dass Wetterextreme nicht nur lokal direkte Schäden anrichten, sondern sich wetterbedingte wirtschaftliche Auswirkungen auch entlang der Handelsketten ausbreiten und so indirekte Effekte nach sich ziehen. Ein Ansatz zur Analyse dieser indirekten Auswirkungen innerhalb des komplexen globalen Versorgungsnetzes ist das agentenbasierte Modell Acclimate. 
In meiner Dissertation verwende und erweitere ich dieses Schadenspropagationsmodell, um drei Aspekte der Beziehung zwischen Wetterextremen und wirtschaftlichen Auswirkungen zu untersuchen.

Erstens verursachen extreme Wetterereignisse direkte Schäden in lokaler Wirtschaftsleistung. Die regionalen Auswirkungen werden auf der Grundlage von physikalischen Faktoren und lokalen Produktivitätsverteilungen kalkuliert. Ich berechne tägliche Zeitreihen lokaler Produktionsverluste durch Hitzestress, Überschwemmungen, tropische Wirbelstürme und deren konsekutives Auftreten unter Verwendung von Klimaprojektionsensembles. Die direkten Auswirkungen der oben genannten Katastrophenkategorien sind sehr heterogen in Bezug auf die regionale und zeitliche Verteilung. Ebenso ändert sich ihre Stärke unterschiedlich unter zukünftiger Erwärmung. Meine Forschungsergebnisse zeigen, dass Kapitalstock, welcher von Wirbelstürmen beschädigt ist, langfristige Wachstumsverluste verursacht. Dabei nehmen die Verluste zu, wenn die Heterogenität der Schocks steigt.

Zweitens werden die wetterbedingten Auswirkungen durch wirtschaftliche Wellen innerhalb des Handelsnetzes auf verschiedene Wirtschaftssektoren und Regionen verteilt. In meiner Dissertation, untersuche ich die wirtschaftlichen Wellen mittels Acclimate und mache dabei drei Wellenphasen aus. Darüber hinaus berechne ich indirekte Auswirkungen und analysiere die regionalen und globalen Produktionsveränderungen sowie die Auswirkungen auf Konsumierende. Für letztere verdoppeln sich zwischen 2000 und 2039 die weltweiten Verluste durch Hitzestress, während im selben Zeitraum die direkten Produktionsverluste nur um den Faktor 1.5 steigen. Im Zuge meiner Forschung identifiziere ich den Effekt der ökonomischen Wellenresonanz und führe ihn in die Klimafolgenforschung ein. Dieser Effekt tritt auf, wenn sich die ökonomischen Wellen aufeinanderfolgender Katastrophen überlagern, was wirtschaftliche Reaktionen intensiviert wie beispielsweise eine Steigerung der Konsumverluste. Diese Dynamik der Verluste kann durch zunehmende direkte Produktionsverluste, hervorgerufen etwa durch den Klimawandel, noch verstärkt werden. 

Auch Handelsunterbrechungen können wirtschaftliche Auswirkungen haben. Um diese zu berechnen, erweitere ich das Modell Acclimate um ein geografisches Transportnetzwerk und weite den Entscheidungshorizont der Wirtschaftsakteure aus. Politisch bedingte plötzliche Handelsbeschränkungen (z. B. ein No-Deal-Brexit) können den längerfristigen wirtschaftlichen Wohlstand der betroffenen Regionen erheblich verringern. Analysen von Transportunterbrechungen in der Taifunsaison zeigen, dass stark betroffene Regionen ihre Produktionen reduzieren müssen, wenn die Nachfrage während eines Sturms sinkt. Zu Beginn eines Sturms können Handelsschwankungen durch alternative Lieferanten ausgeglichen werden, was jedoch bei längeren Unterbrechungen nicht mehr gelingt.

Drittens ergeben sich mögliche Anpassungsmechanismen und -strategien aus direkten und indirekten wirtschaftlichen Reaktionen auf Wetterextreme. Die Analyse der jährlichen Handelsveränderungen in der Taifunsaison zeigt, dass Exporte insgesamt zunehmen. Diese Widerstandsfähigkeit des Handels wächst mit einer höheren Diversifizierung der Handelspartner. Weiterhin zeigt meine Forschung an Wirtschaftswachstumsmodellen, dass ein Versicherungssystem langfristige Wachstumsverluste, verursacht durch Tropenstürme, durch schnelleren Wiederaufbau verringern kann. Ich komme zu dem Schluss, dass ein Versicherungsschutz eine wirtschaftlich sinnvolle Anpassungsstrategie gegenüber höheren Schäden durch die Klimakrise sein kann. Ebenso weisen indirekte Auswirkungen von Wetterextremen innerhalb des globalen Wirtschaftsnetzes auf weitere Anpassungsmöglichkeiten hin. Zunächst vermindert eine diversifizierte Vernetzung die Gefahr eines starken Preisanstiegs. Ebenso kann eine enge wirtschaftliche Verflechtung von Regionen, die nicht dieselbe Unwettersaison haben, mittelfristig wirtschaftlich vorteilhaft sein. Weiterhin sollten bei der Berechnung der Kosten wirtschaftliche Resonanzeffekte berücksichtigt werden. Eine Verstärkung der lokalen Anpassungsmaßnahmen verringert die Amplitude ökonomischer Wellen und damit auch potentielle Verluste in anderen Regionen. Insgesamt sind Anpassungsmaßnahmen notwendig, aber es scheint trotz dieser nicht möglich zu sein, alle direkten oder indirekten Verluste zu vermeiden.

Wie ich in meiner Arbeit darlege, gibt die dynamische Modellierung wertvolle Einblicke in die Art und Weise, wie direkte und indirekte wirtschaftliche Auswirkungen durch verschiedene Wetterextreme entstehen. Darüber hinaus wird deutlich, wie wichtig es ist, einzelne Extremereignisse aufzulösen und Verstärkungseffekte zu berücksichtigen, die durch unvollständigen Wiederaufbau oder aufeinanderfolgende Katastrophen verursacht werden.
KW  - climate change
KW  - weather extremes
KW  - macro-economic modelling
KW  - network theory
KW  - economic network
KW  - Klimawandel
KW  - Wetterextreme
KW  - Makroökonomische Modellierung
KW  - Netzwerktheorie
KW  - Ökonomisches Netzwerk
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-552668
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Leins, Johannes A.
A1  - Grimm, Volker
A1  - Drechsler, Martin
T1  - Large-scale PVA modeling of insects in cultivated grasslands
BT  - the role of dispersal in mitigating the effects of management schedules under climate change
JF  - Ecology and evolution
N2  - In many species, dispersal is decisive for survival in a changing climate. Simulation models for population dynamics under climate change thus need to account for this factor. Moreover, large numbers of species inhabiting agricultural landscapes are subject to disturbances induced by human land use. We included dispersal in the HiLEG model that we previously developed to study the interaction between climate change and agricultural land use in single populations. Here, the model was parameterized for the large marsh grasshopper (LMG) in cultivated grasslands of North Germany to analyze (1) the species development and dispersal success depending on the severity of climate change in subregions, (2) the additional effect of grassland cover on dispersal success, and (3) the role of dispersal in compensating for detrimental grassland mowing. Our model simulated population dynamics in 60-year periods (2020-2079) on a fine temporal (daily) and high spatial (250 x 250 m(2)) scale in 107 subregions, altogether encompassing a range of different grassland cover, climate change projections, and mowing schedules. We show that climate change alone would allow the LMG to thrive and expand, while grassland cover played a minor role. Some mowing schedules that were harmful to the LMG nevertheless allowed the species to moderately expand its range. Especially under minor climate change, in many subregions dispersal allowed for mowing early in the year, which is economically beneficial for farmers. More severe climate change could facilitate LMG expansion to uninhabited regions but would require suitable mowing schedules along the path. These insights can be transferred to other species, given that the LMG is considered a representative of grassland communities. For more specific predictions on the dynamics of other species affected by climate change and land use, the publicly available HiLEG model can be easily adapted to the characteristics of their life cycle.
KW  - bilinear interpolation
KW  - climate change
KW  - dispersal success
KW  - land use
KW  - large marsh grasshopper
KW  - spatially explicit model
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1002/ece3.9063
SN  - 2045-7758
VL  - 12
IS  - 7
PB  - Wiley
CY  - Hoboken
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kong, Xiangzhen
A1  - Ghaffar, Salman
A1  - Determann, Maria
A1  - Friese, Kurt
A1  - Jomaa, Seifeddine
A1  - Mi, Chenxi
A1  - Shatwell, Tom
A1  - Rinke, Karsten
A1  - Rode, Michael
T1  - Reservoir water quality deterioration due to deforestation emphasizes the indirect effects of global change
JF  - Water research : a journal of the International Association on Water Quality (IAWQ)
N2  - Deforestation is currently a widespread phenomenon and a growing environmental concern in the era of rapid climate change. 
In temperate regions, it is challenging to quantify the impacts of deforestation on the catchment dynamics and downstream aquatic ecosystems such as reservoirs and disentangle these from direct climate change impacts, let alone project future changes to inform management. 
Here, we tackled this issue by investigating a unique catchment-reservoir system with two reservoirs in distinct trophic states (meso- and eutrophic), both of which drain into the largest drinking water reservoir in Germany. 
Due to the prolonged droughts in 2015-2018, the catchment of the mesotrophic reservoir lost an unprecedented area of forest (exponential increase since 2015 and ca. 17.1% loss in 2020 alone). 
We coupled catchment nutrient exports (HYPE) and reservoir ecosystem dynamics (GOTM-WET) models using a process-based modeling approach. The coupled model was validated with datasets spanning periods of rapid deforestation, which makes our future projections highly robust. 
Results show that in a short-term time scale (by 2035), increasing nutrient flux from the catchment due to vast deforestation (80% loss) can turn the mesotrophic reservoir into a eutrophic state as its counterpart. 
Our results emphasize the more prominent impacts of deforestation than the direct impact of climate warming in impairment of water quality and ecological services to downstream aquatic ecosystems. Therefore, we propose to evaluate the impact of climate change on temperate reservoirs by incorporating a time scale-dependent context, highlighting the indirect impact of deforestation in the short-term scale. In the long-term scale (e.g. to 2100), a guiding hypothesis for future research may be that indirect effects (e.g., as mediated by catchment dynamics) are as important as the direct effects of climate warming on aquatic ecosystems.
KW  - deforestation
KW  - climate change
KW  - temperate regions
KW  - reservoir
KW  - eutrophication
KW  - process-based modeling
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118721
SN  - 0043-1354
SN  - 1879-2448
VL  - 221
PB  - Elsevier Science
CY  - Amsterdam [u.a.]
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kemter, Matthias
T1  - River floods in a changing world
T1  - Flusshochwasser in einer sich ändernden Welt
N2  - River floods are among the most devastating natural hazards worldwide. As their generation is highly dependent on climatic conditions, their magnitude and frequency are projected to be affected by future climate change. Therefore, it is crucial to study the ways in which a changing climate will, and already has, influenced flood generation, and thereby flood hazard. Additionally, it is important to understand how other human influences - specifically altered land cover - affect flood hazard at the catchment scale.

The ways in which flood generation is influenced by climatic and land cover conditions differ substantially in different regions. The spatial variability of these effects needs to be taken into account by using consistent datasets across large scales as well as applying methods that can reflect this heterogeneity. Therefore, in the first study of this cumulative thesis a complex network approach is used to find 10 clusters of similar flood behavior among 4390 catchments in the conterminous United States. By using a consistent set of 31 hydro-climatological and land cover variables, and training a separate Random Forest model for each of the clusters, the regional controls on flood magnitude trends between 1960-2010 are detected. It is shown that changes in rainfall are the most important drivers of these trends, while they are regionally controlled by land cover conditions.

While climate change is most commonly associated with flood magnitude trends, it has been shown to also influence flood timing. This can lead to trends in the size of the area across which floods occur simultaneously, the flood synchrony scale. The second study is an analysis of data from 3872 European streamflow gauges and shows that flood synchrony scales have increased in Western Europe and decreased in Eastern Europe. These changes are attributed to changes in flood generation, especially a decreasing relevance of snowmelt. Additionally, the analysis shows that both the absolute values and the trends of flood magnitudes and flood synchrony scales are positively correlated. If these trends persist in the future and are not accounted for, the combined increases of flood magnitudes and flood synchrony scales can exceed the capacities of disaster relief organizations and insurers.

Hazard cascades are an additional way through which climate change can influence different aspects of flood hazard. The 2019/2020 wildfires in Australia, which were preceded by an unprecedented drought and extinguished by extreme rainfall that led to local flooding, present an opportunity to study the effects of multiple preceding hazards on flood hazard. All these hazards are individually affected by climate change, additionally complicating the interactions within the cascade. By estimating and analyzing the burn severity, rainfall magnitude, soil erosion and stream turbidity in differently affected tributaries of the Manning River catchment, the third study shows that even low magnitude floods can pose a substantial hazard within a cascade.

This thesis shows that humanity is affecting flood hazard in multiple ways with spatially and temporarily varying consequences, many of which were previously neglected (e.g. flood synchrony scale, hazard cascades). To allow for informed decision making in risk management and climate change adaptation, it will be crucial to study these aspects across the globe and to project their trajectories into the future. The presented methods can depict the complex interactions of different flood drivers and their spatial variability, providing a basis for the assessment of future flood hazard changes. The role of land cover should be considered more in future flood risk modelling and management studies, while holistic, transferable frameworks for hazard cascade assessment will need to be designed.
N2  - Flusshochwasser gehören zu den verheerendsten Naturkatastrophen weltweit. Ihre Entstehung hängt von klimatischen Bedingungen ab, weshalb vorhergesagt wird, dass sich ihre Magnituden und Häufigkeit durch den Klimawandel ändern werden. Daher ist es notwendig zu untersuchen, auf welche Art sich ein verändertes Klima - auch im Vergleich mit Effekten durch Landbedeckungsänderungen - auf Hochwasserentstehung und -gefahr auswirken könnte und das bereits getan hat.

Diese kumulative Arbeit beleuchtet drei Teilaspekte dieses Themas. In der ersten Studie werden mittels maschinellen Lernens die wichtigsten Variablen entdeckt und untersucht, die die Änderungen von Hochwassermagnituden in 4390 Einzugsgebieten in den USA von 1960-2010 kontrolliert haben. Es wird gezeigt, dass Änderungen der Regenmengen der entscheidende Faktor waren, während Landnutzung regional von großer Bedeutung war. Die zweite Studie untersucht von 1960-2010 Änderungen in der Distanz innerhalb welcher Hochwasser in verschiedenen Flüssen gleichzeitig auftreten. Daten von 3872 europäischen Flusspegeln zeigen, dass sich die Fläche der gleichzeitigen Überflutung in Westeuropa vergrößert und in Osteuropa verkleinert hat, was auf abnehmende Relevanz der Schneeschmelze bei der Hochwasserentstehung zurückzuführen ist. Die dritte Studie behandelt die Auswirkungen kaskadierender Naturkatastrophen auf Hochwasser am Beispiel der australischen Waldbrände 2019/2020. Die Untersuchung der verschieden stark betroffenen Nebenflüsse des Manning River zeigt, dass in einer Naturgefahrenkaskade selbst gewöhnliche Hochwasser substantielle Auswirkungen haben können.

Diese Arbeit zeigt, dass die Menschheit Hochwassergefahren auf verschiedene Arten und mit räumlich sowie zeitlich variablen Resultaten beeinflusst. Diese Aspekte müssen zukünftig global näher untersucht und ihre Entwicklung für die Zukunft modelliert werden, um fundierte Entscheidungen in Hochwasserschutz treffen zu können. Für Hochwassermagnituden und die Fläche gleichzeitiger Überflutung können hierfür die präsentierten Methoden adaptiert werden.
KW  - hydrology
KW  - climate change
KW  - flood
KW  - Hydrologie
KW  - Klimawandel
KW  - Hochwasser
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558564
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Mtilatila, Lucy Mphatso Ng'ombe
A1  - Bronstert, Axel
A1  - Vormoor, Klaus Josef
T1  - Temporal evaluation and projections of meteorological droughts in the Greater Lake Malawi Basin, Southeast Africa
JF  - Frontiers in water
N2  - The study examined the potential future changes of drought characteristics in the Greater Lake Malawi Basin in Southeast Africa. This region strongly depends on water resources to generate electricity and food. Future projections (considering both moderate and high emission scenarios) of temperature and precipitation from an ensemble of 16 bias-corrected climate model combinations were blended with a scenario-neutral response surface approach to analyses changes in: (i) the meteorological conditions, (ii) the meteorological water balance, and (iii) selected drought characteristics such as drought intensity, drought months, and drought events, which were derived from the Standardized Precipitation and Evapotranspiration Index. Changes were analyzed for a near-term (2021-2050) and far-term period (2071-2100) with reference to 1976-2005. The effect of bias-correction (i.e., empirical quantile mapping) on the ability of the climate model ensemble to reproduce observed drought characteristics as compared to raw climate projections was also investigated. Results suggest that the bias-correction improves the climate models in terms of reproducing temperature and precipitation statistics but not drought characteristics. Still, despite the differences in the internal structures and uncertainties that exist among the climate models, they all agree on an increase of meteorological droughts in the future in terms of higher drought intensity and longer events. Drought intensity is projected to increase between +25 and +50% during 2021-2050 and between +131 and +388% during 2071-2100. This translates into +3 to +5, and +7 to +8 more drought months per year during both periods, respectively. With longer lasting drought events, the number of drought events decreases. Projected droughts based on the high emission scenario are 1.7 times more severe than droughts based on the moderate scenario. That means that droughts in this region will likely become more severe in the coming decades. Despite the inherent high uncertainties of climate projections, the results provide a basis in planning and (water-)managing activities for climate change adaptation measures in Malawi. This is of particular relevance for water management issues referring hydro power generation and food production, both for rain-fed and irrigated agriculture.
KW  - meteorological drought
KW  - drought intensity
KW  - climate change
KW  - drought
KW  - events
KW  - Lake Malawi
KW  - Shire River
KW  - drought projections
KW  - South-Eastern
KW  - Africa
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3389/frwa.2022.1041452
SN  - 2624-9375
VL  - 4
PB  - Frontiers Media
CY  - Lausanne
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Mtilatila, Lucy Mphatso Ng'ombe
A1  - Bronstert, Axel
A1  - Vormoor, Klaus Josef
T1  - Temporal evaluation and projections of meteorological droughts in the Greater Lake Malawi Basin, Southeast Africa
JF  - Frontiers in Water
N2  - The study examined the potential future changes of drought characteristics in the Greater Lake Malawi Basin in Southeast Africa. This region strongly depends on water resources to generate electricity and food. Future projections (considering both moderate and high emission scenarios) of temperature and precipitation from an ensemble of 16 bias-corrected climate model combinations were blended with a scenario-neutral response surface approach to analyses changes in: (i) the meteorological conditions, (ii) the meteorological water balance, and (iii) selected drought characteristics such as drought intensity, drought months, and drought events, which were derived from the Standardized Precipitation and Evapotranspiration Index. Changes were analyzed for a near-term (2021–2050) and far-term period (2071–2100) with reference to 1976–2005. The effect of bias-correction (i.e., empirical quantile mapping) on the ability of the climate model ensemble to reproduce observed drought characteristics as compared to raw climate projections was also investigated. Results suggest that the bias-correction improves the climate models in terms of reproducing temperature and precipitation statistics but not drought characteristics. Still, despite the differences in the internal structures and uncertainties that exist among the climate models, they all agree on an increase of meteorological droughts in the future in terms of higher drought intensity and longer events. Drought intensity is projected to increase between +25 and +50% during 2021–2050 and between +131 and +388% during 2071–2100. This translates into +3 to +5, and +7 to +8 more drought months per year during both periods, respectively. With longer lasting drought events, the number of drought events decreases. Projected droughts based on the high emission scenario are 1.7 times more severe than droughts based on the moderate scenario. That means that droughts in this region will likely become more severe in the coming decades. Despite the inherent high uncertainties of climate projections, the results provide a basis in planning and (water-)managing activities for climate change adaptation measures in Malawi. This is of particular relevance for water management issues referring hydro power generation and food production, both for rain-fed and irrigated agriculture.
KW  - meteorological drought
KW  - drought intensity
KW  - climate change
KW  - drought events
KW  - Lake Malawi
KW  - Shire River
KW  - drought projections
KW  - South-Eastern Africa
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3389/frwa.2022.1041452
SN  - 2624-9375
SP  - 1
EP  - 16
PB  - Frontiers Media S.A.
CY  - Lausanne, Schweiz
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Ben Nsir, Siwar
A1  - Jomaa, Seifeddine
A1  - Yildirim, Umit
A1  - Zhou, Xiangqian
A1  - D'Oria, Marco
A1  - Rode, Michael
A1  - Khlifi, Slaheddine
T1  - Assessment of climate change impact on discharge of the lakhmass catchment (Northwest Tunisia)
JF  - Water
N2  - The Mediterranean region is increasingly recognized as a climate change hotspot but is highly underrepresented in hydrological climate change studies. This study aims to investigate the climate change effects on the hydrology of Lakhmass catchment in Tunisia. Lakhmass catchment is a part of the Medium Valley of Medjerda in northwestern Tunisia that drains an area of 126 km(2). First, the Hydrologiska Byrans Vattenbalansavdelning light (HBV-light) model was calibrated and validated successfully at a daily time step to simulate discharge during the 1981-1986 period. The Nash Sutcliffe Efficiency and Percent bias (NSE, PBIAS) were (0.80, +2.0%) and (0.53, -9.5%) for calibration (September 1982-August 1984) and validation (September 1984-August 1986) periods, respectively. Second, HBV-light model was considered as a predictive tool to simulate discharge in a baseline period (1981-2009) and future projections using data (precipitation and temperature) from thirteen combinations of General Circulation Models (GCMs) and Regional Climatic Models (RCMs). We used two trajectories of Representative Concentration Pathways, RCP4.5 and RCP8.5, suggested by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Each RCP is divided into three projection periods: near-term (2010-2039), mid-term (2040-2069) and long-term (2070-2099). For both scenarios, a decrease in precipitation and discharge will be expected with an increase in air temperature and a reduction in precipitation with almost 5% for every +1 degrees C of global warming. By long-term (2070-2099) projection period, results suggested an increase in temperature with about 2.7 degrees C and 4 degrees C, and a decrease in precipitation of approximately 7.5% and 15% under RCP4.5 and RCP8.5, respectively. This will likely result in a reduction of discharge of 12.5% and 36.6% under RCP4.5 and RCP8.5, respectively. This situation calls for early climate change adaptation measures under a participatory approach, including multiple stakeholders and water users.
KW  - hydrological modeling
KW  - HBV-light model
KW  - Mediterranean
KW  - discharge
KW  - climate change
KW  - RCP4,5 and 8,5
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3390/w14142242
SN  - 2073-4441
VL  - 14
IS  - 14
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - McCool, Weston C.
A1  - Codding, Brian F.
A1  - Vernon, Kenneth B.
A1  - Wilson, Kurt M.
A1  - Yaworsky, Peter M.
A1  - Marwan, Norbert
A1  - Kennett, Douglas J.
T1  - Climate change-induced population pressure drives high rates of lethal violence in the Prehispanic central Andes
JF  - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : PNAS
N2  - Understanding the influence of climate change and population pressure on human conflict remains a critically important topic in the social sciences. Long-term records that evaluate these dynamics across multiple centuries and outside the range of modern climatic variation are especially capable of elucidating the relative effect of-and the interaction between-climate and demography. This is crucial given that climate change may structure population growth and carrying capacity, while both climate and population influence per capita resource availability. This study couples paleoclimatic and demographic data with osteological evaluations of lethal trauma from 149 directly accelerator mass spectrometry C-14-dated individuals from the Nasca highland region of Peru. Multiple local and supraregional precipitation proxies are combined with a summed probability distribution of 149 C-14 dates to estimate population dynamics during a 700-y study window. Counter to previous findings, our analysis reveals a precipitous increase in violent deaths associated with a period of productive and stable climate, but volatile population dynamics. We conclude that favorable local climate conditions fostered population growth that put pressure on the marginal and highly circumscribed resource base, resulting in violent resource competition that manifested in over 450 y of internecine warfare. These findings help support a general theory of intergroup violence, indicating that relative resource scarcity-whether driven by reduced resource abundance or increased competition-can lead to violence in subsistence societies when the outcome is lower per capita resource availability.
KW  - climate change
KW  - population pressure
KW  - warfare
KW  - lethal violence
KW  - Andes
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1073/pnas.2117556119
SN  - 0027-8424
SN  - 1091-6490
VL  - 119
IS  - 17
PB  - National Acad. of Sciences
CY  - Washington
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Mtilatila, Lucy Mphatso Ng'ombe
A1  - Bronstert, Axel
A1  - Vormoor, Klaus Josef
T1  - Temporal evaluation and projections of meteorological droughts in the Greater Lake Malawi Basin, Southeast Africa
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - The study examined the potential future changes of drought characteristics in the Greater Lake Malawi Basin in Southeast Africa. This region strongly depends on water resources to generate electricity and food. Future projections (considering both moderate and high emission scenarios) of temperature and precipitation from an ensemble of 16 bias-corrected climate model combinations were blended with a scenario-neutral response surface approach to analyses changes in: (i) the meteorological conditions, (ii) the meteorological water balance, and (iii) selected drought characteristics such as drought intensity, drought months, and drought events, which were derived from the Standardized Precipitation and Evapotranspiration Index. Changes were analyzed for a near-term (2021–2050) and far-term period (2071–2100) with reference to 1976–2005. The effect of bias-correction (i.e., empirical quantile mapping) on the ability of the climate model ensemble to reproduce observed drought characteristics as compared to raw climate projections was also investigated. Results suggest that the bias-correction improves the climate models in terms of reproducing temperature and precipitation statistics but not drought characteristics. Still, despite the differences in the internal structures and uncertainties that exist among the climate models, they all agree on an increase of meteorological droughts in the future in terms of higher drought intensity and longer events. Drought intensity is projected to increase between +25 and +50% during 2021–2050 and between +131 and +388% during 2071–2100. This translates into +3 to +5, and +7 to +8 more drought months per year during both periods, respectively. With longer lasting drought events, the number of drought events decreases. Projected droughts based on the high emission scenario are 1.7 times more severe than droughts based on the moderate scenario. That means that droughts in this region will likely become more severe in the coming decades. Despite the inherent high uncertainties of climate projections, the results provide a basis in planning and (water-)managing activities for climate change adaptation measures in Malawi. This is of particular relevance for water management issues referring hydro power generation and food production, both for rain-fed and irrigated agriculture.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1287 
KW  - meteorological drought
KW  - drought intensity
KW  - climate change
KW  - drought events
KW  - Lake Malawi
KW  - Shire River
KW  - drought projections
KW  - South-Eastern Africa
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-571284
SN  - 1866-8372
IS  - 1287
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Katzenberger, Anja
A1  - Levermann, Anders
A1  - Schewe, Jacob
A1  - Pongratz, Julia
T1  - Intensification of very wet monsoon seasons in India under global warming
JF  - Geophysical research letters
N2  - Rainfall-intense summer monsoon seasons on the Indian subcontinent that are exceeding long-term averages cause widespread floods and landslides. 

Here we show that the latest generation of coupled climate models robustly project an intensification of very rainfall-intense seasons (June-September). 
Under the shared socioeconomic pathway SSP5-8.5, very wet monsoon seasons as observed in only 5 years in the period 1965-2015 are projected to occur 8 times more often in 2050-2100 in the multi-model average. 

Under SSP2-4.5, these seasons become only a factor of 6 times more frequent, showing that even modest efforts to mitigate climate change can have a strong impact on the frequency of very strong rainfall seasons. 

Besides, we find that the increasing risk of extreme seasonal rainfall is accompanied by a shift from days with light rainfall to days with moderate or heavy rainfall. Additionally, the number of wet days is projected to increase.
KW  - Indian monsoon
KW  - climate modeling
KW  - extreme seasons
KW  - climate change
KW  - CMIP6
KW  - India
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1029/2022GL098856
SN  - 0094-8276
SN  - 1944-8007
VL  - 49
IS  - 15
PB  - American Geophysical Union
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Souto-Veiga, Rodrigo
A1  - Groeneveld, Juergen
A1  - Enright, Neal J.
A1  - Fontaine, Joseph B.
A1  - Jeltsch, Florian
T1  - Declining pollination success reinforces negative climate and fire change impacts in a serotinous, fire-killed plant
JF  - Plant ecology : an international journal
N2  - Climate change projections predict that Mediterranean-type ecosystems (MTEs) are becoming hotter and drier and that fires will become more frequent and severe. 
While most plant species in these important biodiversity hotspots are adapted to hot, dry summers and recurrent fire, the Interval Squeeze framework suggests that reduced seed production (demographic shift), reduced seedling establishment after fire (post fire recruitment shift), and reduction in the time between successive fires (fire interval shift) will threaten fire killed species under climate change. 

One additional potential driver of accelerated species decline, however, has not been considered so far: the decrease in pollination success observed in many ecosystems worldwide has the potential to further reduce seed accumulation and thus population persistence also in these already threatened systems. 
Using the well-studied fire-killed and serotinous shrub species Banksia hookeriana as an example, we apply a new spatially implicit population simulation model to explore population dynamics under past (1988-2002) and current (2003-2017) climate conditions, deterministic and stochastic fire regimes, and alternative scenarios of pollination decline. 

Overall, model results suggest that while B. hookeriana populations were stable under past climate conditions, they will not continue to persist under current (and prospective future) climate. 
Negative effects of climatic changes and more frequent fires are reinforced by the measured decline in seed set leading to further reduction in the mean persistence time by 12-17%. 
These findings clearly indicate that declining pollination rates can be a critical factor that increases further the pressure on the persistence of fire-killed plants. 
Future research needs to investigate whether other fire-killed species are similarly threatened, and if local population extinction may be compensated by recolonization events, facilitating persistence in spatially structured meta-communities.
KW  - climate change
KW  - fire frequency
KW  - interval squeeze
KW  - pollination
KW  - process-based simulation model
KW  - mediterranean-type ecosystem
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1007/s11258-022-01244-7
SN  - 1385-0237
SN  - 1573-5052
VL  - 223
IS  - 7
SP  - 863
EP  - 881
PB  - Springer
CY  - Dordrecht
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Veh, Georg
A1  - Lützow, Natalie
A1  - Kharlamova, Varvara
A1  - Petrakov, Dmitry
A1  - Hugonnet, Romain
A1  - Korup, Oliver
T1  - Trends, breaks, and biases in the frequency of reported glacier lake outburst floods
JF  - Earth's future
N2  - Thousands of glacier lakes have been forming behind natural dams in high mountains following glacier retreat since the early 20th century. Some of these lakes abruptly released pulses of water and sediment with disastrous downstream consequences. Yet it remains unclear whether the reported rise of these glacier lake outburst floods (GLOFs) has been fueled by a warming atmosphere and enhanced meltwater production, or simply a growing research effort. Here we estimate trends and biases in GLOF reporting based on the largest global catalog of 1,997 dated glacier-related floods in six major mountain ranges from 1901 to 2017. We find that the positive trend in the number of reported GLOFs has decayed distinctly after a break in the 1970s, coinciding with independently detected trend changes in annual air temperatures and in the annual number of field-based glacier surveys (a proxy of scientific reporting). We observe that GLOF reports and glacier surveys decelerated, while temperature rise accelerated in the past five decades. Enhanced warming alone can thus hardly explain the annual number of reported GLOFs, suggesting that temperature-driven glacier lake formation, growth, and failure are weakly coupled, or that outbursts have been overlooked. Indeed, our analysis emphasizes a distinct geographic and temporal bias in GLOF reporting, and we project that between two to four out of five GLOFs on average might have gone unnoticed in the early to mid-20th century. We recommend that such biases should be considered, or better corrected for, when attributing the frequency of reported GLOFs to atmospheric warming.
KW  - glaciers
KW  - climate change
KW  - hazard
KW  - mountains
KW  - cryosphere
KW  - frequency
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1029/2021EF002426
SN  - 2328-4277
VL  - 10
IS  - 3
PB  - American Geophysical Union
CY  - Washington
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kahl, Sandra
T1  - Evolutionary adaptive responses to rapid climate change in plants
T1  - Evolutionäre Anpassungsstrategien von Pflanzen an den Klimawandel
BT  - a case study of the widely distributed species Silene vulgaris
BT  - ein Fallbeispiel der weit verbreiteten Art Silene vulgaris
N2  - The ongoing climate change is altering the living conditions for many organisms on this planet at an unprecedented pace. Hence, it is crucial for the survival of species to adapt to these changing conditions. In this dissertation Silene vulgaris is used as a model organism to understand the adaption strategies of widely distributed plant species to the current climate change. Especially plant species that possess a wide geographic range are expected to have a high phenotypic plasticity or to show genetic differentiation in response to the different climate conditions they grow in. However, they are often underrepresented in research.
In the greenhouse experiment presented in this thesis, I examined the phenotypic responses and plasticity in S. vulgaris to estimate its’ adaptation potential. Seeds from 25 wild European populations were collected along a latitudinal gradient and grown in a greenhouse under three different precipitation (65 mm, 75 mm, 90 mm) and two different temperature regimes (18°C, 21°C) that resembled a possible climate change scenario for central Europe. Afterwards different biomass and fecundity-related plant traits were measured. 
The treatments significantly influenced the plants but did not reveal a latitudinal difference in response to climate treatments for most plant traits. The number of flowers per individual however, showed a stronger plasticity in northern European populations (e.g., Swedish populations) where numbers decreased more drastically with increased temperature and decreased precipitation. 
To gain an even deeper understanding of the adaptation of S. vulgaris to climate change it is also important to reveal the underlying phylogeny of the sampled populations. Therefore, I analysed their population genetic structure through whole genome sequencing via ddRAD. 
The sequencing revealed three major genetic clusters in the S. vulgaris populations sampled in Europe: one cluster comprised Southern European populations, one cluster Western European populations and another cluster contained central European populations. A following analysis of experimental trait responses among the clusters to the climate-change scenario showed that the genetic clusters significantly differed in biomass-related traits and in the days to flowering. However, half of the traits showed parallel response patterns to the experimental climate-change scenario.  
In addition to the potential geographic and genetic adaptation differences to climate change this dissertation also deals with the response differences between the sexes in S. vulgaris. As a gynodioecious species populations of S. vulgaris consist of female and hermaphrodite  

individuals and the sexes can differ in their morphological traits which is known as sexual dimorphism. As climate change is becoming an important factor influencing plant morphology it remains unclear if and how different sexes may respond in sexually dimorphic species. To examine this question the sex of each individual plant was determined during the greenhouse experiment and the measured plant traits were analysed accordingly. In general, hermaphrodites had a higher number of flowers but a lower number of leaves than females. With regards to the climate change treatment, I found that hermaphrodites showed a milder negative response to higher temperatures in the number of flowers produced and in specific leaf area (SLA) compared to females. 
Synthesis – The significant treatment response in Silene vulgaris, independent of population origin in most traits suggests a high degree of universal phenotypic plasticity. Also, the three European intraspecific genetic lineages detected showed comparable parallel response patterns in half of the traits suggesting considerable phenotypic plasticity.  Hence, plasticity might represent a possible adaptation strategy of this widely distributed species during ongoing and future climatic changes. The results on sexual dimorphism show that females and hermaphrodites are differing mainly in their number of flowers and females are affected more strongly by the experimental climate-change scenario. These results provide a solid knowledge basis on the sexual dimorphism in S. vulgaris under climate change, but further research is needed to determine the long-term impact on the breeding system for the species. 
In summary this dissertation provides a comprehensive insight into the adaptation mechanisms and consequences of a widely distributed and gynodioecious plant species and leverages our understanding of the impact of anthropogenic climate change on plants.
N2  - Der derzeitige Klimawandel verändert die Lebensbedingungen für viele Tiere und Pflanzen auf unserem Planeten in nie da gewesenem Maße. Damit Arten überleben, ist es von besonderer Wichtigkeit, dass sich diese an die sich ändernden Klimabedingungen anpassen können. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Modellpflanze Silene vulgaris und versucht zu ergründen, wie sich solch weit verbreitete Pflanzenarten an den Klimawandel anpassen. Dabei ist zu erwarten, dass sie eine hohe phänotypische Plastizität besitzen, durch die sie sich gut anpassen können oder, dass sie sich durch eine genetische Differenzierung als Antwort auf die vorherrschenden Umweltbedingungen auszeichnen. Im experimentellen Ansatz dieser Dissertation untersuchte ich daher die phänotypischen Anpassungen und die phänotypische Plastizität von S. vulgaris an ein mögliches Klimawandelszenario für Zentraleuropa. Dabei wurden die Samen von 25 europäischen Populationen gesammelt und in einem Gewächshausexperiment unter drei verschiedenen Niederschlagsbedingungen (65 mm, 75 mm, 90 mm) und zwei verschiedenen Temperaturbedingungen (18°C, 21°C) herangezogen. Im Anschluss wurden verschiedene Biomasse- und Fertilitätsmerkmale gemessen. Für ein tiefergehendes Verständnis der Anpassungsmöglichkeiten von S. vulgaris an den Klimawandel ist es zudem wichtig, auch die zugrundeliegende Phylogenie der Populationen zu verstehen. In diesem Zusammenhang nutzte ich eine genomweite Sequenziermethode mittels ddRAD.
Die Bedingungen im Gewächshausexperiment beeinflussten die Pflanzen signifikant in ihren phänotypischen Merkmalen, jedoch ließ sich kein Unterschied zwischen Population unterschiedlicher Herkunft erkennen. Lediglich die Anzahl der Blüten zeigte eine größere Plastizität in nördlichen europäischen Populationen, wo sich die Blütenzahl stärker dezimierte unter höheren Temperaturen und stärkerer Trockenheit. Die populationsgenetische Analyse ergab drei distinkte phylogenetische Gruppen für die untersuchten europäischen Populationen von S. vulgaris: eine Gruppe beinhaltete südeuropäische Populationen aus Spanien und Südfrankreich, eine weitere Gruppe bestand aus den gesammelten Individuen der westfranzösischen Populationen, während die dritte Gruppe, die Populationen aus Mittel- und Nordeuropa enthielt. Diese genetischen Gruppen wurden anschließend ebenfalls der Merkmalsanalyse unter den Gewächshausbedingungen unterzogen. Dabei stellte sich heraus, dass sich die genetischen Gruppen in ihren phänotypischen Merkmalen unterschieden, jedoch  
eine ähnliche Anpassung ihrer Merkmale an die experimentellen Klimawandelbedingungen zeigten.
Der dritte Aspekt dieser Dissertation befasste sich mit möglichen Anpassungsunterschieden zwischen den Geschlechtern in S. vulgaris. Als gynodiözische Art bestehen ihre Populationen sowohl aus weiblichen, also auch aus zwittrigen Individuen. Die phänotypischen Merkmale beider Geschlechter können sich dabei unterscheiden, was man als Sexualdimorphismus bezeichnet. Es ist bereits bekannt, dass sich Pflanzenmerkmale durch den anhaltenden Klimawandel bereits verändern, jedoch ist es nicht gut erforscht, ob und wie sich die unterschiedlichen Geschlechter bei einer sexuell dimorphen Art unter diesem Selektionsdruck verhalten. Während des Gewächshausexperiments wurden daher die Geschlechter der Individuen bestimmt und die phänotypischen Unterschiede zwischen weiblichen und zwittrigen Pflanzen analysiert. Allgemein lässt sich sagen, dass zwittrige Individuen mehr Blüten aber weniger Blätter hatten als weibliche. Im Hinblick auf die experimentellen Klimawandelbedingungen konnte ich zudem feststellen, dass Hermaphroditen in ihrer spezifischen Blattfläche und der Blütenanzahl weniger stark negativ auf höhere Temperaturen reagierten. 
Synthese – Die signifikanten Merkmalsanpassungen an die Gewächshausbedingungen waren unabhängig von der geographischen Herkunft oder genetischen Gruppe der Individuen. Dies lässt ein hohes Maß an universeller, phänotypischer Plastizität vermuten. Dementsprechend kann davon ausgegangen werden, dass phänotypische Plastizität ein möglicher Anpassungsmechanismus für diese weit verbreitete Art an den Klimawandel sein könnte. Im Hinblick auf den Sexualdimorphismus in S. vulgaris lässt sich sagen, dass sich beide Geschlechter vornehmlich in der Anzahl der Blüten unterscheiden und dass weibliche Pflanzen stärker von den Bedingungen des Gewächshausexperiments beeinflusst wurden. Diese Dissertation konnte damit erstmals darüber Aufschluss geben, wie sich S. vulgaris im Hinblick auf ihren Sexualdimorphismus unter Klimawandelbedingungen verhält. Weitere Forschung wird nun benötigt, um auch den Langzeiteffekt des Klimawandels auf das Fortpflanzungssystem dieser Art abschätzen zu können. 
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Arbeit einen umfassenden Einblick in die Anpassungsmechanismen einer weit verbreiteten Pflanzenart an den anthropogenen Klimawandel gibt. Zudem bestärkt sie unser Verständnis der Auswirkungen, die sich daraus für eine gynodiözische Art, wie S. vulgaris ergeben.
KW  - Silene vulgaris
KW  - climate change
KW  - plant adaptation
KW  - Silene vulgaris
KW  - Klimawandel
KW  - Pflanzenanpassung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-556483
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Skålevåg, Amalie
A1  - Vormoor, Klaus Josef
T1  - Daily streamflow trends in Western versus Eastern Norway and their attribution to hydro-meteorological drivers
JF  - Hydrological processes : an international journal
N2  - Regional warming and modifications in precipitation regimes has large impacts on streamflow in Norway, where both rainfall and snowmelt are important runoff generating processes. Hydrological impacts of recent changes in climate are usually investigated by trend analyses applied on annual, seasonal, or monthly time series. None of these detect sub-seasonal changes and their underlying causes. This study investigated sub-seasonal changes in streamflow, rainfall, and snowmelt in 61 and 51 catchments respectively in Western (Vestlandet) and Eastern (ostlandet) Norway by applying the Mann-Kendall test and Theil-Sen estimator on 10-day moving averaged daily time series over a 30-year period (1983-2012). The relative contribution of rainfall versus snowmelt to daily streamflow and the changes therein have also been estimated to identify the changing relevance of these driving processes over the same period. Detected changes in 10-day moving averaged daily streamflow were finally attributed to changes in the most important hydro-meteorological drivers using multiple-regression models with increasing complexity. Earlier spring flow timing in both regions occur due to earlier snowmelt. ostlandet shows increased summer streamflow in catchments up to 1100 m a.s.l. and slightly increased winter streamflow in about 50% of the catchments. Trend patterns in Vestlandet are less coherent. The importance of rainfall has increased in both regions. Attribution of trends reveals that changes in rainfall and snowmelt can explain some streamflow changes where they are dominant processes (e.g., spring snowmelt in ostlandet and autumn rainfall in Vestlandet). Overall, the detected streamflow changes can be best explained by adding temperature trends as an additional predictor, indicating the relevance of additional driving processes such as increased glacier melt and evapotranspiration.
KW  - attribution
KW  - climate change
KW  - hydrological change
KW  - hydro-meteorological
KW  - driver
KW  - streamflow trend
KW  - trend analysis
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1002/hyp.14329
SN  - 0885-6087
SN  - 1099-1085
VL  - 35
IS  - 8
PB  - Wiley
CY  - New York
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brugger, Julia
T1  - Modeling changes in climate during past mass extinctions
T1  - Modellierung von Klimaveränderungen während vergangener Massenaussterben
N2  - The evolution of life on Earth has been driven by disturbances of different types and magnitudes over the 4.6 million years of Earth’s history (Raup, 1994, Alroy, 2008). One example for such disturbances are mass extinctions which are characterized by an exceptional increase in the extinction rate affecting a great number of taxa in a short interval of geologic time (Sepkoski, 1986). During the 541 million years of the Phanerozoic, life on Earth suffered five exceptionally severe mass extinctions named the “Big Five Extinctions”. Many mass extinctions are linked to changes in climate
(Feulner, 2009). Hence, the study of past mass extinctions is not only intriguing, but can also provide insights into the complex nature of the Earth system. This thesis aims at deepening our understanding of the triggers of mass extinctions and how they affected life. To accomplish this, I investigate changes in climate during two of the Big Five extinctions using a coupled climate model.

During the Devonian (419.2–358.9 million years ago) the first vascular plants and vertebrates evolved on land while extinction events occurred in the ocean (Algeo et al., 1995). The causes of these formative changes, their interactions and their links to changes in climate are still poorly understood. Therefore, we explore the sensitivity of the Devonian climate to various boundary conditions using an intermediate-complexity climate model (Brugger et al., 2019). In contrast to Le Hir et al. (2011), we find only a minor biogeophysical effect of changes in vegetation cover due to unrealistically high soil albedo values used in the earlier study. In addition, our results cannot support the strong influence of orbital parameters on the Devonian climate, as simulated with a climate model with a strongly simplified ocean model (De Vleeschouwer et al., 2013, 2014, 2017). We can only reproduce the changes in Devonian climate suggested by proxy data by decreasing atmospheric CO2. Still, finding agreement between the evolution of sea surface temperatures reconstructed from proxy data (Joachimski et al., 2009) and our simulations remains challenging and suggests a lower δ18O ratio of Devonian seawater. Furthermore, our study of the sensitivity of the Devonian climate reveals a prevailing mode of climate variability on a timescale of decades to centuries. The quasi-periodic ocean temperature fluctuations are linked to a physical mechanism of changing sea-ice cover, ocean convection and overturning in high northern latitudes. 

In the second study of this thesis (Dahl et al., under review) a new reconstruction of atmospheric CO2 for the Devonian, which is based on CO2-sensitive carbon isotope fractionation in the earliest vascular plant fossils, suggests a much earlier drop of atmo- spheric CO2 concentration than previously reconstructed, followed by nearly constant CO2 concentrations during the Middle and Late Devonian. Our simulations for the Early Devonian with identical boundary conditions as in our Devonian sensitivity study (Brugger et al., 2019), but with a low atmospheric CO2 concentration of 500 ppm, show no direct conflict with available proxy and paleobotanical data and confirm that under the simulated climatic conditions carbon isotope fractionation represents a robust proxy for atmospheric CO2. To explain the earlier CO2 drop we suggest that early forms of vascular land plants have already strongly influenced weathering. This new perspective on the Devonian questions previous ideas about the climatic conditions and earlier explanations for the Devonian mass extinctions.

The second mass extinction investigated in this thesis is the end-Cretaceous mass extinction (66 million years ago) which differs from the Devonian mass extinctions in terms of the processes involved and the timescale on which the extinctions occurred. In the two studies presented here (Brugger et al., 2017, 2021), we model the climatic effects of the Chicxulub impact, one of the proposed causes of the end-Cretaceous extinction, for the first millennium after the impact. The light-dimming effect of stratospheric sulfate aerosols causes severe cooling, with a decrease of global annual mean surface air temperature of at least 26◦C and a recovery to pre-impact temperatures after more than 30 years. The sudden surface cooling of the ocean induces deep convection which brings nutrients from the deep ocean via upwelling to the surface ocean. Using an ocean biogeochemistry model we explore the combined effect of ocean mixing and iron-rich dust originating from the impactor on the marine biosphere. As soon as light levels have recovered, we find a short, but prominent peak in marine net primary productivity. This newly discovered mechanism could result in toxic effects for marine near-surface ecosystems. Comparison of our model results to proxy data (Vellekoop et al., 2014, 2016, Hull et al., 2020) suggests that carbon release from the terrestrial biosphere is required in addition to the carbon dioxide which can be attributed to the target material. Surface ocean acidification caused by the addition of carbon dioxide and sulfur is only moderate. Taken together, the results indicate a significant contribution of the Chicxulub impact to the end-Cretaceous mass extinction by triggering multiple stressors for the Earth system.

Although the sixth extinction we face today is characterized by human intervention in nature, this thesis shows that we can gain many insights into future extinctions from studying past mass extinctions, such as the importance of the rate of change (Rothman, 2017), the interplay of multiple stressors (Gunderson et al., 2016), and changes in the carbon cycle (Rothman, 2017, Tierney et al., 2020).
N2  - In den 4,6 Milliarden Jahren Erdgeschichte wurde die Entwicklung des Lebens durch Störungen unterschiedlichster Art geprägt (Raup, 1994, Alroy, 2008). Ein Beispiel für solche Störungen sind Massenaussterben. Diese sind durch einen außergewöhnlichen Anstieg der Aussterberate einer großen Anzahl von Taxa in einem kurzen geologischen Zeitintervall gekennzeichnet (Sepkoski, 1986). Während der 541 Millionen Jahre des Phanerozoikums traten fünf außergewöhnlich schwere Massenaussterben auf. Viele Massenaussterben stehen mit Klimaveränderungen im Zusammenhang (Feulner, 2009). Die Untersuchung vergangener Massenaussterben ist daher nicht nur faszinierend, sondern gibt auch Einblicke in die komplexen Prozesse des Erdsystems. Diese Dissertation möchte unser Verständnis für die Auslöser von Massenaussterben sowie deren Auswirkungen auf das Leben erweitern. Dazu untersuche ich die Klimaveränderungen während zwei der fünf großen Aussterbeereignisse mit Hilfe eines gekoppelten Klimamodells.

Während des Devons (vor 419,2-358,9 Millionen Jahren) entwickelten sich die ersten Gefäßpflanzen und Wirbeltiere an Land, während im Ozean Massenaussterben statt- fanden (Algeo et al., 1995). Die Ursachen dieser tiefgreifenden Veränderungen, ihre Wechselwirkungen und ihre Zusammenhänge mit Klimaveränderungen sind noch wenig verstanden. Daher untersuchen wir die Sensitivität des Klimas des Devons bezüglich verschiedener Randbedingungen mit einem Klimamodell mittlerer Komplexität (Brugger et al., 2019). Im Gegensatz zu Le Hir et al. (2011), die unrealistisch hohe Albedo Werte für den Boden verwenden, finden wir nur einen geringen biogeophysikalischen Einfluss von Änderungen der Vegetationsbedeckung. Außerdem können unsere Simulationen den starken Einfluss von Orbitalparametern, der mit einem Klimamodell mit stark vereinfachtem Ozeanmodell (De Vleeschouwer et al., 2013, 2014, 2017) simuliert wurde, nicht reproduzieren. Die in Proxydaten gefundenen klimatischen Veränderungen im Devon können wir nur durch eine Verringerung des atmosphärischen CO2 simulieren. Dennoch bleibt es eine Herausforderung, eine Übereinstimmung zwischen der aus Proxydaten
(Joachimski et al., 2009) rekonstruierten Entwicklung der Meeresoberflächentemperatu- ren und unseren Simulationen zu finden. Dies deutet auf ein niedrigeres δ18O-Verhältnis des Meerwassers im Devon hin. Außerdem finden wir im Rahmen unserer Sensitivitäts- studien eine Klimavariabilität auf einer Zeitskala von Jahrzehnten bis Jahrhunderten.
Die quasi-periodischen Schwankungen der Ozeantemperatur werden durch einen physikalischen Mechanismus aus sich verändernder Meereisbedeckung, Konvektion und Umwälzbewegung in den hohen nördlichen Breiten des Ozeans angetrieben.

In der zweiten Studie dieser Dissertation (Dahl et al., under review) präsentieren wir eine neue Rekonstruktion des atmosphärischen CO2 für das Devon, die auf CO2-sensitiver Kohlenstoffisotopenfraktionierung in den frühesten Gefäßpflanzenfossilien basiert. Diese zeigt einen viel früheren Abfall der atmosphärischen CO2-Konzentration als bisherige Rekonstruktionen, gefolgt von nahezu konstanten CO2-Konzentrationen während des Mittel- und Spätdevon. Unsere Simulationen für das frühe Devon mit identischen Rand- bedingungen wie in unserer Sensitivitätsstudie (Brugger et al., 2019), jedoch mit einer niedrigen atmosphärischen CO2-Konzentration von 500ppm, zeigen keinen direkten Konflikt mit verfügbaren Proxy- und paläobotanischen Daten. Zusätzlich bestätigen die Simulationen, dass unter den simulierten klimatischen Bedingungen die Kohlenstoff- Isotopenfraktionierung einen robusten Proxy für atmosphärisches CO2 darstellt. Um den früheren CO2-Abfall zu erklären, schlagen wir vor, dass frühe Formen von vaskulären Landpflanzen die Verwitterung bereits stark beeinflusst haben. Diese neue Sichtweise auf das Devon stellt bisherige Vorstellungen über die klimatischen Bedingungen und frühere Erklärungen für die devonischen Massenaussterben in Frage.

Das zweite in dieser Arbeit untersuchte Massenaussterben ist das Massenaussterben der späten Kreidezeit (vor 66 Millionen Jahren), das sich von denen im Devon in Bezug auf die beteiligten Prozesse und die Zeitskala der Aussterben unterscheidet. Eine der diskutierten Ursachen dieses Massenaussterbens ist der Chicxulub-Meteoriten-Einschlag. In den beiden hier vorgestellten Studien (Brugger et al., 2017, 2021) modellieren wir die klimatischen Auswirkungen des Chicxulub Einschlags für das erste Jahrtausend nach dem Einschlag. Die durch die stratosphärischen Sulfataerosole verringerte Son- neneinstrahlung verursacht eine starke Abkühlung: die global und jährlich gemittelte Oberflächenlufttemperatur nimmt um mindestens 26◦C ab und erholt sich erst nach mehr als 30 Jahren. Die plötzliche Abkühlung der Ozeanoberfläche löst bis in große Tiefen reichende Konvektion aus, die zum Nährstofftransport aus dem tiefen Ozean an die Ozea- noberfläche führt. Mit Hilfe eines biogeochemischen Modells des Ozeans untersuchen wir die kombinierte Wirkung dieser Durchmischung des Ozeans und eisenreichen Staubs aus dem Meteoriten auf die marine Biosphäre. Sobald wieder genügend Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche trifft, erreicht die marine Nettoprimärproduktion ein kurzes, aber markantes Maximum. Dieser neu entdeckte Mechanismus könnte toxische Folgen für oberflächennahe Ökosysteme des Ozeans haben. Der Vergleich unserer Modellergebnisse mit Proxydaten (Vellekoop et al., 2014, 2016, Hull et al., 2020) deutet darauf hin, dass zusätzlich zum CO2 aus dem Gestein des Einschlagortes Kohlenstoff aus der terrest- rischen Biosphäre freigesetzt wird. Die Versauerung des Oberflächenozeans durch die
Zugabe von CO2 und Schwefel ist nur moderat. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Chicxulub Einschlag einen wesentlichen Beitrag zum Massenaussterben der späten Kreidezeit leistete, indem er das Erdsystem multiplen Stressoren aussetzte.

Auch wenn das heutige sechste Aussterben durch menschliche Eingriffe in die Natur geprägt ist, zeigt diese Dissertation, dass wir aus dem Studium vergangener Massenaussterben viele Erkenntnisse über zukünftige Massenaussterben gewinnen können, wie z. B. die Bedeutung der Änderungsrate (Rothman, 2017), ein besseres Verständnis des Zusammenspiels multipler Stressoren (Gunderson et al., 2016) und die Rolle von Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf (Rothman, 2017, Tierney et al., 2020).
KW  - earth system modeling
KW  - mass extinctions
KW  - paleoclimatology
KW  - climate change
KW  - Erdsystem Modellierung
KW  - Klimawandel
KW  - Massenaussterben
KW  - Paleoklimatologie
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-532468
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Ungelenk, Johannes
T1  - Émile Zola and the literary language of climate change
JF  - Nottingham French studies / University of Nottingham
N2  - On 7 February 1861, John Tyndall, professor of natural philosophy, delivered a historical lecture: he could prove that different gases absorb heat to a very different degree, which implies that the temperate conditions provided for by the Earth's atmosphere are dependent on its particular composition of gases. The theoretical foundation of climate science was laid.

Ten years later, on the other side of the Channel, a young and ambitious author was working on a comprehensive literary analysis of the French era under the Second Empire. Émile Zola had probably not heard or read of Tyndall's discovery. However, the article makes the case for reading Zola's Rougon-Macquart as an extensive story of climate change. Zola's literary attempts to capture the defining characteristic of the Second Empire led him to the insight that its various milieus were all part of the same ‘climate’: that of an all-encompassing warming. Zola suggests that this climate is man-made: the economic success of the Second Empire is based on heating, in a literal and metaphorical sense, as well as on stoking the steam-engines and creating the hypertrophic atmosphere of the hothouse that enhances life and maximises turnover and profit. In contrast to Tyndall and his audience, Zola sensed the catastrophic consequences of this warming: the Second Empire was inevitably moving towards a final débâcle, i.e. it was doomed to perish in local and ‘global’ climate catastrophes.

The article foregrounds the supplementary status of Tyndall's physical and Zola's literary knowledge. As Zola's striking intuition demonstrates, literature appears to have a privileged approach to the phenomenon of man-induced climate change.
N2  - Le 7 février 1861, le professeur de philosophie naturelle John Tyndall donna une communication historique: il pouvait prouver que des gaz différents absorbent la chaleur de manière différente, ce qui implique que les conditions tempérées fournies par l’atmosphère terrestre dépendent de sa composition particulière en gaz. Le fondement théorique de la science climatique était posé. Dix ans plus tard, de l'autre côté du Channel, un jeune auteur ambitieux était en train de faire une analyse littéraire globale de la France du Second Empire. Émile Zola n'avait probablement pas entendu parler de la découverte de Tyndall. Cependant, cet article propose de lire les Rougon Macquart de Zola comme une vaste histoire du changement climatique. Les tentatives littéraires entreprises par Zola pour capturer la caractéristique déterminante du Second Empire l'amena à réaliser que ses différents milieux faisaient tous partie du même « climat »: celui d'un réchauffement global. Zola suggère que ce climat est créé par l'humain et que le succès économique du Second Empire est basé sur l'action de chauffer dans un sens littéral et métaphorique, ainsi que sur l'alimentation des machines à vapeur et la création de l'atmosphère hypertrophiée d'une serre qui enrichit la vie et maximise l'écoulement et le profit. Contrairement à Tyndall et à son auditoire, Zola pressentit les conséquences catastrophiques d'un tel réchauffement: le Second Empire s'approchait inévitablement d'une débâcle finale, c'est-à-dire qu'il était voué à périr dans des catastrophes locales et « globales ».
KW  - Rougon-Macquart
KW  - climate change
KW  - John Tyndall
KW  - global warming
KW  - climate catastrophe
KW  - Second Empire
KW  - changement climatique
KW  - réchauffement planétaire
KW  - catastrophe climatique
KW  - Rougon-Macquart
KW  - Second Empire
KW  - John Tyndall
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.3366/nfs.2021.0331
SN  - 0029-4586
SN  - 2047-7236
VL  - 60
IS  - 3
SP  - 362
EP  - 373
PB  - Edinburgh University Press
CY  - Edinburgh
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Ungelenk, Johannes
T1  - Émile Zola and the Literary Language of Climate Change
JF  - Nottingham French Studies
N2  - On 7 February 1861, John Tyndall, professor of natural philosophy, delivered a historical lecture: he could prove that different gases absorb heat to a very different degree, which implies that the temperate conditions provided for by the Earth's atmosphere are dependent on its particular composition of gases. The theoretical foundation of climate science was laid.

Ten years later, on the other side of the Channel, a young and ambitious author was working on a comprehensive literary analysis of the French era under the Second Empire. Émile Zola had probably not heard or read of Tyndall's discovery. However, the article makes the case for reading Zola's Rougon-Macquart as an extensive story of climate change. Zola's literary attempts to capture the defining characteristic of the Second Empire led him to the insight that its various milieus were all part of the same ‘climate’: that of an all-encompassing warming. Zola suggests that this climate is man-made: the economic success of the Second Empire is based on heating, in a literal and metaphorical sense, as well as on stoking the steam-engines and creating the hypertrophic atmosphere of the hothouse that enhances life and maximises turnover and profit. In contrast to Tyndall and his audience, Zola sensed the catastrophic consequences of this warming: the Second Empire was inevitably moving towards a final débâcle, i.e. it was doomed to perish in local and ‘global’ climate catastrophes.

The article foregrounds the supplementary status of Tyndall's physical and Zola's literary knowledge. As Zola's striking intuition demonstrates, literature appears to have a privileged approach to the phenomenon of man-induced climate change.
N2  - Le 7 février 1861, le professeur de philosophie naturelle John Tyndall donna une communication historique: il pouvait prouver que des gaz différents absorbent la chaleur de manière différente, ce qui implique que les conditions tempérées fournies par l’atmosphère terrestre dépendent de sa composition particulière en gaz. Le fondement théorique de la science climatique était posé. Dix ans plus tard, de l'autre côté du Channel, un jeune auteur ambitieux était en train de faire une analyse littéraire globale de la France du Second Empire. Émile Zola n'avait probablement pas entendu parler de la découverte de Tyndall. Cependant, cet article propose de lire les Rougon Macquart de Zola comme une vaste histoire du changement climatique. Les tentatives littéraires entreprises par Zola pour capturer la caractéristique déterminante du Second Empire l'amena à réaliser que ses différents milieux faisaient tous partie du même « climat »: celui d'un réchauffement global. Zola suggère que ce climat est créé par l'humain et que le succès économique du Second Empire est basé sur l'action de chauffer dans un sens littéral et métaphorique, ainsi que sur l'alimentation des machines à vapeur et la création de l'atmosphère hypertrophiée d'une serre qui enrichit la vie et maximise l'écoulement et le profit. Contrairement à Tyndall et à son auditoire, Zola pressentit les conséquences catastrophiques d'un tel réchauffement: le Second Empire s'approchait inévitablement d'une débâcle finale, c'est-à-dire qu'il était voué à périr dans des catastrophes locales et « globales ».
KW  - Rougon-Macquart
KW  - climate change
KW  - John Tyndall
KW  - global warming
KW  - climate catastrophe
KW  - Second Empire
KW  - changement climatique
KW  - réchauffement planétaire
KW  - catastrophe climatique
KW  - Second Empire
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/https://doi.org/10.3366/nfs.2021.0331
VL  - 60
IS  - 3
SP  - 362
EP  - 373
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Han, Sungju
A1  - Kuhlicke, Christian
T1  - Barriers and drivers for mainstreaming nature-based solutions for flood risks
BT  - the case of South Korea
JF  - International journal of disaster risk science
N2  - Nature-based solutions (NBS) are seen as a promising adaptation measure that sustainably deals with diverse societal challenges, while simultaneously delivering multiple benefits. Nature-based solutions have been highlighted as a resilient and sustainable means of mitigating floods and other hazards globally. This study examined diverging conceptualizations of NBS, as well as the attitudinal (for example, emotions and beliefs) and contextual (for example, legal and political aspects) barriers and drivers of NBS for flood risks in South Korea. Semistructured interviews were conducted with 11 experts and focused on the topic of flood risk measures and NBS case studies. The analysis found 11 barriers and five drivers in the attitudinal domain, and 13 barriers and two drivers in the contextual domain. Most experts see direct monetary benefits as an important attitudinal factor for the public. Meanwhile, the cost-effectiveness of NBS and their capacity to cope with flood risks were deemed influential factors that could lead decision makers to opt for NBS. Among the contextual factors, insufficient systems to integrate NBS in practice and the ideologicalization of NBS policy were found to be peculiar barriers, which hinder consistent realization of initiatives and a long-term national plan for NBS. Understanding the barriers and drivers related to the mainstreaming of NBS is critical if we are to make the most of such solutions for society and nature. It is also essential that we have a shared definition, expectation, and vision of NBS.
KW  - climate change
KW  - flood risk management
KW  - nature-based solutions (NBS)
KW  - South Korea
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1007/s13753-021-00372-4
SN  - 2095-0055
SN  - 2192-6395
VL  - 12
IS  - 5
SP  - 661
EP  - 672
PB  - Springer
CY  - New York
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Warszawski, Lila
A1  - Kriegler, Elmar
A1  - Lenton, Timothy M.
A1  - Gaffney, Owen
A1  - Jacob, Daniela
A1  - Klingenfeld, Daniel
A1  - Koide, Ryu
A1  - Costa, María Máñez
A1  - Messner, Dirk
A1  - Nakicenovic, Nebojsa
A1  - Schellnhuber, Hans Joachim
A1  - Schlosser, Peter
A1  - Takeuchi, Kazuhiko
A1  - van der Leeuw, Sander
A1  - Whiteman, Gail
A1  - Rockström, Johan
T1  - All options, not silver bullets, needed to limit global warming to 1.5 °C
BT  - a scenario appraisal
JF  - Environmental research letters
N2  - Climate science provides strong evidence of the necessity of limiting global warming to 1.5 °C, in line with the Paris Climate Agreement. The IPCC 1.5 °C special report (SR1.5) presents 414 emissions scenarios modelled for the report, of which around 50 are classified as '1.5 °C scenarios', with no or low temperature overshoot. These emission scenarios differ in their reliance on individual mitigation levers, including reduction of global energy demand, decarbonisation of energy production, development of land-management systems, and the pace and scale of deploying carbon dioxide removal (CDR) technologies. The reliance of 1.5 °C scenarios on these levers needs to be critically assessed in light of the potentials of the relevant technologies and roll-out plans. We use a set of five parameters to bundle and characterise the mitigation levers employed in the SR1.5 1.5 °C scenarios. For each of these levers, we draw on the literature to define 'medium' and 'high' upper bounds that delineate between their 'reasonable', 'challenging' and 'speculative' use by mid century. We do not find any 1.5 °C scenarios that stay within all medium upper bounds on the five mitigation levers. Scenarios most frequently 'over use' CDR with geological storage as a mitigation lever, whilst reductions of energy demand and carbon intensity of energy production are 'over used' less frequently. If we allow mitigation levers to be employed up to our high upper bounds, we are left with 22 of the SR1.5 1.5 °C scenarios with no or low overshoot. The scenarios that fulfil these criteria are characterised by greater coverage of the available mitigation levers than those scenarios that exceed at least one of the high upper bounds. When excluding the two scenarios that exceed the SR1.5 carbon budget for limiting global warming to 1.5 °C, this subset of 1.5 °C scenarios shows a range of 15–22 Gt CO2 (16–22 Gt CO2 interquartile range) for emissions in 2030. For the year of reaching net zero CO2 emissions the range is 2039–2061 (2049–2057 interquartile range).
KW  - climate change
KW  - emissions scenarios
KW  - 1.5 ◦C
KW  - negative emissions
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1088/1748-9326/abfeec
SN  - 1748-9326
N1  - Corrigendum: 10.1088/1748-9326/acbf6a
VL  - 16
IS  - 6
PB  - IOP Publishing
CY  - Bristol
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Schultes, Anselm
A1  - Piontek, Franziska
A1  - Soergel, Bjoern
A1  - Rogelj, Joeri
A1  - Baumstark, Lavinia
A1  - Kriegler, Elmar
A1  - Edenhofer, Ottmar
A1  - Luderer, Gunnar
T1  - Economic damages from on-going climate change imply deeper near-term emission cuts
JF  - Environmental research letters
N2  - Pathways toward limiting global warming to well below 2 ∘C, as used by the IPCC in the Fifth Assessment Report, do not consider the climate impacts already occurring below 2 ∘C. Here we show that accounting for such damages significantly increases the near-term ambition of transformation pathways. We use econometric estimates of climate damages on GDP growth and explicitly model the uncertainty in the persistence time of damages. The Integrated Assessment Model we use includes the climate system and mitigation technology detail required to derive near-term policies. We find an optimal carbon price of $115 per tonne of CO2 in 2030. The long-term persistence of damages, while highly uncertain, is a main driver of the near-term carbon price. Accounting for damages on economic growth increases the gap between the currently pledged nationally determined contributions and the welfare-optimal 2030 emissions by two thirds, compared to pathways considering the 2 ∘C limit only.
KW  - climate change
KW  - climate mitigation
KW  - climate impacts
KW  - integrated assessment
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac27ce
SN  - 1748-9326
VL  - 16
IS  - 10
PB  - IOP Publishing
CY  - Bristol
ER  - 
TY  - RPRT
A1  - Šedová, Barbora
A1  - Čizmaziová, Lucia
A1  - Cook, Athene
T1  - A meta-analysis of climate migration literature
T2  - CEPA Discussion Papers
N2  - The large literature that aims to find evidence of climate migration delivers mixed findings. This meta-regression analysis i) summarizes direct links between adverse climatic events and migration, ii) maps patterns of climate migration, and iii) explains the variation in outcomes. Using a set of limited dependent variable models, we meta-analyze thus-far the most comprehensive sample of 3,625 estimates from 116 original studies and produce novel insights on climate migration. We find that extremely high temperatures and drying conditions increase migration. We do not find a significant effect of sudden-onset events. Climate migration is most likely to emerge due to contemporaneous events, to originate in rural areas and to take place in middle-income countries, internally, to cities. The likelihood to become trapped in affected areas is higher for women and in low-income countries, particularly in Africa. We uniquely quantify how pitfalls typical for the broader empirical climate impact literature affect climate migration findings. We also find evidence of different publication biases.
T3  - CEPA Discussion Papers - 29 
KW  - migration
KW  - climate change
KW  - meta-analysis
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-499827
SN  - 2628-653X
IS  - 29
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kuhla, Kilian
A1  - Willner, Sven N.
A1  - Otto, Christian
A1  - Geiger, Tobias
A1  - Levermann, Anders
T1  - Ripple resonance amplifies economic welfare loss from weather extremes
JF  - Environmental research letters : ERL / Institute of Physics
N2  - The most complex but potentially most severe impacts of climate change are caused by extreme weather events. In a globally connected economy, damages can cause remote perturbations and cascading consequences-a ripple effect along supply chains. Here we show an economic ripple resonance that amplifies losses when consecutive or overlapping weather extremes and their repercussions interact. This amounts to an average amplification of 21% for climate-induced heat stress, river floods, and tropical cyclones. Modeling the temporal evolution of 1.8 million trade relations between >7000 regional economic sectors, we find that the regional responses to future extremes are strongly heterogeneous also in their resonance behavior. The induced effect on welfare varies between gains due to increased demand in some regions and losses due to demand or supply shortages in others. Within the current global supply network, the ripple resonance effect of extreme weather is strongest in high-income economies-an important effect to consider when evaluating past and future economic climate impacts.
KW  - consecutive disasters
KW  - economic ripple resonance
KW  - repercussion resonance
KW  - weather extremes
KW  - supply network
KW  - climate impacts
KW  - climate change
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac2932
SN  - 1748-9326
VL  - 16
IS  - 11
PB  - IOP Publ. Ltd.
CY  - Bristol
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hickmann, Thomas
A1  - Widerberg, Oscar
A1  - Lederer, Markus
A1  - Pattberg, Philipp H.
T1  - The United Nations Framework Convention on Climate Change Secretariat as an orchestrator in global climate policymaking
JF  - International review of administrative sciences : an international journal of comparative public administration
N2  - Scholars have recently devoted increasing attention to the role and function of international bureaucracies in global policymaking. Some of them contend that international public officials have gained significant political influence in various policy fields. Compared to other international bureaucracies, the political leeway of the Secretariat of the United Nations Framework Convention on Climate Change has been considered rather limited. Due to the specific problem structure of the policy domain of climate change, national governments endowed this intergovernmental treaty secretariat with a relatively narrow mandate. However, this article argues that in the past few years, the United Nations Framework Convention on Climate Change Secretariat has gradually loosened its straitjacket and expanded its original spectrum of activity by engaging different sub-national and non-state actors into a policy dialogue using facilitative orchestration as a mode of governance. The present article explores the recent evolution of the United Nations Framework Convention on Climate Change Secretariat and investigates the way in which it initiates, guides, broadens and strengthens sub-national and non-state climate actions to achieve progress in the international climate negotiations. <br /> Points for practitioners <br /> The Secretariat of the United Nations Framework Convention on Climate Change has lately adopted new roles and functions in global climate policymaking. While previously seen as a rather technocratic body that, first and foremost, serves national governments, the Climate Secretariat increasingly interacts with sub-national governments, civil society organizations and private companies to push the global response to climate change forward. We contend that the Climate Secretariat can contribute to global climate policymaking by coordinating and steering the initiatives of non-nation-state actors towards coherence and good practice.
KW  - climate change
KW  - environmental policymaking
KW  - intergovernmental relations
KW  - international bureaucracies
KW  - sub-national and non-state actors
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1177/0020852319840425
SN  - 0020-8523
SN  - 1461-7226
VL  - 87
IS  - 1
SP  - 21
EP  - 38
PB  - Sage
CY  - Los Angeles, Calif. [u.a.]
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wunderling, Nico
T1  - Nichtlineare Dynamiken und Interaktionen von Kippelementen im Erdsystem
T1  - Nonlinear dynamics and interactions of tipping elements in the Earth system
N2  - With ongoing anthropogenic global warming, some of the most vulnerable components of the Earth system might become unstable and undergo a critical transition. These subsystems are the so-called tipping elements. They are believed to exhibit threshold behaviour and would, if triggered, result in severe consequences for the biosphere and human societies. Furthermore, it has been shown that climate tipping elements are not isolated entities, but interact across the entire Earth system. Therefore, this thesis aims at mapping out the potential for tipping events and feedbacks in the Earth system mainly by the use of complex dynamical systems and network science approaches, but partially also by more detailed process-based models of the Earth system.

In the first part of this thesis, the theoretical foundations are laid by the investigation of networks of interacting tipping elements. For this purpose, the conditions for the emergence of global cascades are analysed against the structure of paradigmatic network types such as Erdös-Rényi, Barabási-Albert, Watts-Strogatz and explicitly spatially embedded networks. Furthermore, micro-scale structures are detected that are decisive for the transition of local to global cascades. These so-called motifs link the micro- to the macro-scale in the network of tipping elements. Alongside a model description paper, all these results are entered into the Python software package PyCascades, which is publicly available on github.

In the second part of this dissertation, the tipping element framework is first applied to components of the Earth system such as the cryosphere and to parts of the biosphere. Afterwards it is applied to a set of interacting climate tipping elements on a global scale. Using the Earth system Model of Intermediate Complexity (EMIC) CLIMBER-2, the temperature feedbacks are quantified, which would arise if some of the large cryosphere elements disintegrate over a long span of time. The cryosphere components that are investigated are the Arctic summer sea ice, the mountain glaciers, the Greenland and the West Antarctic Ice Sheets. The committed temperature increase, in case the ice masses disintegrate, is on the order of an additional half a degree on a global average (0.39-0.46 °C), while local to regional additional temperature increases can exceed 5 °C. This means that, once tipping has begun, additional reinforcing feedbacks are able to increase global warming and with that the risk of further tipping events.

This is also the case in the Amazon rainforest, whose parts are dependent on each other via the so-called moisture-recycling feedback. In this thesis, the importance of drought-induced tipping events in the Amazon rainforest is investigated in detail. Despite the Amazon rainforest is assumed to be adapted to past environmental conditions, it is found that tipping events sharply increase if the drought conditions become too intense in a too short amount of time, outpacing the adaptive capacity of the Amazon rainforest. In these cases, the frequency of tipping cascades also increases to 50% (or above) of all tipping events. In the model that was developed in this study, the southeastern region of the Amazon basin is hit hardest by the simulated drought patterns. This is also the region that already nowadays suffers a lot from extensive human-induced changes due to large-scale deforestation, cattle ranching or infrastructure projects.

Moreover, on the larger Earth system wide scale, a network of conceptualised climate tipping elements is constructed in this dissertation making use of a large literature review, expert knowledge and topological properties of the tipping elements. In global warming scenarios, tipping cascades are detected even under modest scenarios of climate change, limiting global warming to 2 °C above pre-industrial levels. In addition, the structural roles of the climate tipping elements in the network are revealed. While the large ice sheets on Greenland and Antarctica are the initiators of tipping cascades, the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) acts as the transmitter of cascades. Furthermore, in our conceptual climate tipping element model, it is found that the ice sheets are of particular importance for the stability of the entire system of investigated climate tipping elements.

In the last part of this thesis, the results from the temperature feedback study with the EMIC CLIMBER-2 are combined with the conceptual model of climate tipping elements. There, it is observed that the likelihood of further tipping events slightly increases due to the temperature feedbacks even if no further CO$_2$ would be added to the atmosphere.

Although the developed network model is of conceptual nature, it is possible with this work for the first time to quantify the risk of tipping events between interacting components of the Earth system under global warming scenarios, by allowing for dynamic temperature feedbacks at the same time.
N2  - Bei fortdauerndem anthropogenem Klimawandel, könnten einige der vulnerabelsten Komponenten des Erdsystem instabil werden und in einen anderen Zustand übergehen. Diese Komponenten des Erdsystems sind die sogenannten Kippelemente. Bei ihnen wird angenommen, dass sie einen Kipppunkt besitzen ab dem sie in einen qualitativ anderen Zustand übergehen können. Sollte das passieren, hätte das schwerwiegende Konsequenzen für die Biosphäre und menschliche Gesellschaften. Des Weiteren ist gezeigt worden, dass Kippelemente keine isolierte Reigionen oder Prozesse sind, sondern über das gesamte Erdsystem hinweg interagieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Wahrscheinlichkeit für Kippereignisse sowie deren Feedbacks im Erdsystem zu quantifizieren. Zu diesem Zweck kommen vor allem Frameworks aus der Wissenschaft komplexer Systeme und Netzwerke zum Einsatz. Für einige Teilaspekte dieser Arbeit wird aber auch ein detaillierteres und prozessbasierteres Erdsystemmodell verwendet.

Im ersten Teil dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen gelegt, indem komplexe Netzwerke bestehend aus interagierenden Kippelementen untersucht werden. Hier werden Voraussetzungen für das Auftreten globaler Kippkaskaden anhand der Struktur paradigmatischer Netzwerktypen analysiert. Diese Typen sind Netzwerke wie Erdös-Rényi, Barabási-Albert, Watts-Strogatz Netzwerke oder auch explizit räumlich eingebettete Netzwerke. Darüber hinaus sind bestimmte Mikrostrukturen in Netzwerken dafür entscheidend, ob sich eine lokale Kaskaden auf das globale Netzwerk ausbreiten kann. Diese Strukturen sind das Bindeglied zwischen der Mikro- und der Makroebene des Netzwerks und werden Motive genannt. Zusammen mit einer Publikation zur Modellbeschreibung, werden alle diese Ergebnisse im Python-Softwarepaket PyCascades veröffentlicht, das auf github öffentlich verfügbar ist.

Im zweiten Teil dieser Dissertation wird das Kippelementframework zunächst auf Kompenenten des Erdsystems angewendet wie der Kryosphäre und Teilen der Biosphäre, und danach auf globaler Skala für interagierende Klimakippelemente. In einem ersten Schritt werden mit dem Erdsystemmodell mittlerer Komplexität CLIMBER-2 die Temperaturfeedbacks ermittelt, die entstehen würden, wenn große Gebiete der Kryosphäre auf lange Sicht eisfrei werden. In dieser Berechnung werden das arktische Sommermeereis, die Gebirgsgletscher, der grönländische und der westantarktische Eisschild berücksichtigt. Die quantifizierte Temperaturerhöhung liegt in der Größenordnung von einem halben Grad zusätzlicher globaler Erwärmung (0.39--0.46°C). Lokale bis regionale Temperaturerhöhungen können allerdings 5°C übersteigen. Wenn also das Kippen einiger Elemente begonnen hat, bedeutet dieses Ergebnis, dass Temperaturfeedbacks in der Lage sind, das Risiko weiterer Kippereignisse zu erhöhen.

Dies ist auch der Fall im Amazonasregenwald, dessen Unterregionen über den sogenannten Feuchtig-keits-Recycling-Feedback miteinander in Beziehung stehen und voneinander abhängen. In dieser Dissertation wird die Bedeutung von Kippereignissen im Detail untersucht, die aufgrund von Dürreperioden zustande kommen. Obwohl man davon ausgehen kann, dass der Regenwald sich an zurückliegende und gegenwärtige Klimabedingungen angepasst hat, kann festgestellt werden, dass die Häu-figkeit von Kippereignissen stark zunimmt, wenn die jeweilige Trockenperiode eine gewisse Intensität übersteigt und damit die Anpassungsfähigkeit des Amazonasregenwalds überschritten wird. In solchen Fällen steigt auch die Häufigkeit von Kippkaskaden unter allen Kippereignissen auf 50% (und mehr) an. In dem Modell, das in dieser Studie entwickelt wurde, zeigt sich, dass der Südosten des Amazonasbeckens am stärksten von den simulierten Trockenheitsmustern betroffen ist. Das ist gleichzeitig die Region, die bereits heute stark unter anthropogener Veränderung leidet, unter anderem aufgrund von großflächiger Abholzung, Viehzucht oder Infrastrukturprojekten.

Zudem wird in dieser Dissertation auf der größeren, erdsystemweiten Skala ein Netzwerk konzeptionalisierter Klimakippelemente aufgebaut. Zu diesem Zweck wird eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt, die zusammen mit Expertenwissen und den topologischen Eigenschaften der Kippelemente in die Studien mit einfließt. In Klimawandelszenarien können dann Kippkaskaden beobachtet werden, selbst wenn die globale Erderwärmung auf 2°C über dem vorindustriellen Niveau begrenzt werden kann. Außerdem werden die strukturellen Rollen der Klimakippelemente im Netzwerk ermittelt. Während die großen Eisschilde auf Grönland und der Westantarktis viele Kippkaskaden initiieren, ist die Atlantische Umwälzzirkulation für die Weitergabe vieler dieser Kaskaden verantwortlich. In unserem konzeptionellen Modell für Klimakippelemente wird darüber hinaus festgestellt, dass die Eisschilde von besonderer Bedeutung für die Stabilität des Gesamtsystems sind.

Im letzen Teil dieser Dissertation werden die Ergebnisse der Feedbackstudie (CLIMBER-2-Studie) zusammengebracht mit dem konzeptionellen Klimakippelementmodell. Dabei zeigt sich, dass die Wahrscheinlichkeit zusätzlicher Kippereignisse aufgrund der berücksichtigten Temperaturfeedbacks auch ohne das Zuführen eines zusätzlichen CO2-Eintrags in die Atmosphäre leicht ansteigt.

Trotz der konzeptionellen Natur des entwickelten Netzwerkmodells, ist es mit dieser Arbeit erstmals möglich eine Risikoabschätzung über das Auftreten von Kippkaskaden im Erdsystem vorzunehmen. Darüber hinaus können, unter der Annahme globaler Erwärmungsszenarien, auch dynamische Temperaturfeedbacks berücksichtigt werden.
KW  - tipping element
KW  - nonlinear dynamics
KW  - tipping cascade
KW  - climate change
KW  - complex networks
KW  - Klimawandel
KW  - komplexe Netzwerke
KW  - nichtlineare Dynamiken
KW  - Kippkaskade
KW  - Kippelement
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525140
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nguyen, Van Khanh Triet
T1  - Flood dynamics in the Vietnamese Mekong Delta
T1  - Hochwasserdynamik im vietnamesischen Mekong-Delta
BT  - Current state and future projections
BT  - Aktueller Stand und künftige Prognosen
N2  - Today, the Mekong Delta in the southern of Vietnam is home for 18 million people. The delta also accounts for more than half of the country’s food production and 80% of the exported rice. Due to the low elevation, it is highly susceptible to the risk of fluvial and coastal flooding. Although extreme floods often result in excessive damages and economic losses, the annual flood pulse from the Mekong is vital to sustain agricultural cultivation and livelihoods of million delta inhabitants.
Delta-wise risk management and adaptation strategies are required to mitigate the adverse impacts from extreme events while capitalising benefits from floods. However, a proper flood risk management has not been implemented in the VMD, because the quantification of flood damage is often overlooked and the risks are thus not quantified. So far, flood management has been exclusively focused on engineering measures, i.e. high- and low- dyke systems, aiming at flood-free or partial inundation control without any consideration of the actual risks or a cost-benefit analysis. Therefore, an analysis of future delta flood dynamics driven these stressors is valuable to facilitate the transition from sole hazard control towards a risk management approach, which is more cost-effective and also robust against future changes in risk.
Built on these research gaps, this thesis investigates the current state and future projections of flood hazard, damage and risk to rice cultivation, the most important economic activity in the VMD. The study quantifies the changes in risk and hazard brought by the development of delta-based flood control measures in the last decades, and analyses the expected changes in risk driven by the changing climate, rising sea-level and deltaic land subsidence, and finally the development of hydropower projects in the Mekong Basin. For this purpose, flood trend analyses and comprehensive hydraulic modelling were performed, together with the development of a concept to quantify flood damage and risk to rice plantation.
The analysis of observed flood levels revealed strong and robust increasing trends of peak and duration downstream of the high-dyke areas with a step change in 2000/2001, i.e. after the disastrous flood which initiated the high-dyke development. These changes were in contrast to the negative trends detected upstream, suggested that high-dyke development has shifted flood hazard downstream. Findings of the trend’s analysis were later confirmed by hydraulic simulations of the two recent extreme floods in 2000 and 2011, where the hydrological boundaries and dyke system settings were interchanged.
However, the high-dyke system was not the only and often not the main cause for a shift of flood hazard, as a comparative analysis of these two extreme floods proved. The high-dyke development was responsible for 20–90% of the observed changes in flood level between 2000 and 2011, with large spatial variances. The particular flood hydrograph of the two events had the highest contribution in the northern part of the delta, while the tidal level had 2–3 times higher influence than the high-dyke in the lower-central and coastal areas downstream of high-dyke areas. The impact of the high-dyke development was highest in the areas closely downstream of the high-dyke area just south of the Cambodia-Vietnam border. The hydraulic simulations also validated that the concurrence of the flood peak with spring tides, i.e. high sea level along the coast, amplified the flood level and inundation in the central and coastal regions substantially.
The risk assessment quantified the economic losses of rice cultivation to USD 25.0 and 115 million (0.02–0.1% of the total GDP of Vietnam in 2011) corresponding to the 10-year and the 100-year floods, with an expected annual damage of about USD 4.5 million. A particular finding is that the flood damage was highly sensitive to flood timing. Here, a 10-year event with an early peak, i.e. late August-September, could cause as much damage as a 100-year event that peaked in October. This finding underlines the importance of a reliable early flood warning, which could substantially reduce the damage to rice crops and thus the risk. 
The developed risk assessment concept was furthermore applied to investigate two high-dyke development alternatives, which are currently under discussion among the administrative bodies in Vietnam, but also in the public. The first option favouring the utilization of the current high-dyke compartments as flood retention areas instead for rice cropping during the flood season could reduce flood hazard and expected losses by 5–40%, depending on the region of the delta. On the contrary, the second option promoting the further extension of the areas protected by high-dyke to facilitate third rice crop planting on a larger area, tripled the current expected annual flood damage. This finding challenges the expected economic benefit of triple rice cultivation, in addition to the already known reducing of nutrient supply by floodplain sedimentation and thus higher costs for fertilizers. 
The economic benefits of the high-dyke and triple rice cropping system is further challenged by the changes in the flood dynamics to be expected in future. For the middle of the 21st century (2036-2065) the effective sea-level rise an increase of the inundation extent by 20–27% was projected. This corresponds to an increase of flood damage to rice crops in dry, normal and wet year by USD 26.0, 40.0 and 82.0 million in dry, normal and wet year compared to the baseline period 1971-2000.
Hydraulic simulations indicated that the planned massive development of hydropower dams in the Mekong Basin could potentially compensate the increase in flood hazard and agriculture losses stemming from climate change. However, the benefits of dams as mitigation of flood losses are highly uncertain, because a) the actual development of the dams is highly disputed, b) the operation of the dams is primarily targeted at power generation, not flood control, and c) this would require international agreements and cooperation, which is difficult to achieve in South-East Asia. The theoretical flood mitigation benefit is additionally challenged by a number of negative impacts of the dam development, e.g. disruption of floodplain inundation in normal, non-extreme flood years. Adding to the certain reduction of sediment and nutrient load to the floodplains, hydropower dams will drastically impair rice and agriculture production, the basis livelihoods of million delta inhabitants.
In conclusion, the VMD is expected to face increasing threats of tidal induced floods in the coming decades. Protection of the entire delta coastline solely with “hard” engineering flood protection structures is neither technically nor economically feasible, adaptation and mitigation actions are urgently required. Better control and reduction of groundwater abstraction is thus strongly recommended as an immediate and high priority action to reduce the land subsidence and thus tidal flooding and salinity intrusion in the delta. Hydropower development in the Mekong basin might offer some theoretical flood protection for the Mekong delta, but due to uncertainties in the operation of the dams and a number of negative effects, the dam development cannot be recommended as a strategy for flood management. For the Vietnamese authorities, it is advisable to properly maintain the existing flood protection structures and to develop flexible risk-based flood management plans. In this context the study showed that the high-dyke compartments can be utilized for emergency flood management in extreme events. For this purpose, a reliable flood forecast is essential, and the action plan should be materialised in official documents and legislation to assure commitment and consistency in the implementation and operation.
N2  - Das Mekong-Delta im Süden Vietnams ist die Heimat von 18 Millionen Menschen. Im Delta werden mehr als die Hälfte der Nahrungsmittel des Landes und 80 % des exportierten Reises produziert. Aufgrund der geringen Höhen und Topographie ist das Delta sehr anfällig für Überflutungen, sowohl durch Fußhochwasser als auch durch gezeitenbedingte Rückstauüberflutungen. Obwohl extreme Überschwemmungen oft zu hohen Schäden und wirtschaftlichen Verlusten führen, ist der jährliche Hochwasserimpuls des Mekong lebenswichtig für die Aufrechterhaltung des landwirtschaftlichen Anbaus und des Lebensunterhalts von Millionen Deltabewohnern.
Ein deltaweites Risikomanagement bestehend aus Hochwasserschutzmaßnahmen und  Anpassungsstrategien ist erforderlich, um die negativen Auswirkungen von Extremereignissen zu mindern, zeitgleich aber auch die positiven Aspekte der Hochwasser beizubehalten. Ein Hochwasserrisikomanagement ist im VMD jedoch nicht implementiert, da die Quantifizierung von Hochwasserschäden typischerweise nicht vorgenommen wird. Bisher konzentriert sich das Hochwassermanagement ausschließlich auf ingenieurtechnische Maßnahmen zur Eindämmung der Gefährdung. Dies geschieht entweder durch Hoch- oder Niederdeichung, die auf eine hochwasserfreie oder teilweise Überflutungssteuerung abzielen. Eine risikobasierte Bewertung der Vor- und Nachteile zwischen Hoch- und Niederdeichansatz sowie Kosten-Nutzen-Rechnungen fehlen allerdings ebenfalls. Zudem ist zu erwarten, dass sich die Überschwemmungen Dynamik und das Hochwasserrisiko im Mekong Delta als Folge des Klimawandels und menschlicher Eingriffe in das Delta und das Mekong-Einzugsgebiet verändern werden. Die Analyse der zukünftigen Hochwasserdynamik in Abhängigkeit von diesen Stressoren ist notwendig, um den Übergang von einer alleinigen Gefahrenabwehr zu einem zukunftssicheren, probabilistischen Risikomanagement zu erleichtern.
Ausgehend von diesen Forschungslücken untersucht diese Arbeit den aktuelle Hochwassergefährdung und die zu erwartenden zukünftigen Änderungen, sowie der damit einhergehenden Schäden und Risiken für den Reisanbau im Mekong Delta unter Berücksichtigung existierender und möglicher Hochwasserschutzmaßnahmen, des sich ändernden Klimas, des steigenden Meeresspiegels in Kombination mit der Landabsenkung des Deltas und der geplanten Staudämme im Mekong Einzugsgebiet.
Eine Analyse der jährlichen Hochwasserpegel zeigte starke und robuste steigende Trends in den maximalen Wasserständen der Hochwasser und der Hochwasserdauer flussabwärts der Hochdeichgebiete, wobei eine sprunghafte Veränderung in den Jahren 2000/2001 nach. dem katastrophalen Hochwasser, das die Hochdeichentwicklung einleitete, festgestellt wurde. Diese Veränderungen stehen im Gegensatz zu den negativen Trends, oberstrom der Hocdeichgebiete, was darauf schließen lässt, dass die Hochdeichentwicklung die Hochwassergefahr flussabwärts verlagert hat. Die Ergebnisse der Trendanalyse wurden weiterhin durch hydraulische Simulationen der Überflutungsdynamiken der Hochwasser von 2000 und 2011 bestätigt. Allerdings waren die Hochdeiche nicht die Haupt- und einzige Ursache für den höheren Hochwasserpegel im Jahr 2011 im Vergleich zum Hochwasser im Jahr 2000. Die Hochwasserganglinie des Mekongs hatte den höchsten Beitrag im nördlichen Teil des Deltas oberstrom der Hochdeichgebiete, während der Tidenhub in den zentralen und küstennahen Gebieten stromabwärts des Hochdeichs einen 2-3 mal höheren Einfluss hatte als die Hochdeiche. 
Die wirtschaftlichen Verluste des Reisanbaus wurden rezent auf 25,0-115 Mio. USD geschätzt, für jeweils das 10- und 100-jährliche Hochwasser. Die Schäden sind hierbei sehr sensitiv gegenüber der Hochwasserganglinie, insbesondere dem Zeitpunkt des Auftretens des Hochwasserscheitels. Ein frühes 10-jährliches Hochwasser kann aufgrund des Zusammentreffens des Hochwassers mit der Ernte der Frühjahrsaussaat oder der Aussaat der Sommerfrucht ähnliche Verluste verursachen wie ein 100-jährliches Ereignis, das im Oktober seinen Höhepunkt erreicht. Neben dem Anbau einer dritten Frucht im Jahr könnten die existierenden Hochdeichabschnitte als Hochwasserrückhalteräume genutzt werden und so die Hochwassergefahr und die zu erwartenden Schäden um 5-40% reduzieren. Umgekehrt würde ein weiterer Ausbau der Hochdeiche die derzeit erwarteten jährlichen Hochwasserschäden verdreifachen.
Die Zukunftsprojektionen des Hochwasserrisikos ergaben, dass das Mekong Delta in den nächsten Jahrzehnten zunehmend von tidebedingten Überschwemmungen bedroht sein wird. Der Anstieg des Meeresspiegels in Kombination mit der Landabsenkung erhöht das Ausmaß der Überflutung des Deltas um 20% und den Schaden an der Reisernte um 40-85 Mio. USD. Technische Hochwasserschutzmaßnahmen können diesen Anstieg des Risikos nicht verhindern, da der Schutz des gesamten Deltas allein durch harte Hochwasserschutzbauten technisch und wirtschaftlich nicht realisierbar ist. Daher sind Maßnahmen zur Schadensminderung und zur Anpassung an das veränderte Risiko dringend erforderlich. Als erster und wichtiger Schritt wird hier eine bessere Kontrolle und Reduzierung der Grundwasserentnahme im Delta dringend empfohlen, um die Landabsenkung und dadurch die tidenbedingten Überflutungen sowie die Salzwasserintrusion zu verringern.
Der Klimawandel und die daraus resultierenden Veränderungen im Hochwasserregime des Mekong verursachen eine weitere, aber geringere Erhöhung des Hochwasserrisikos. Die geplanten Staudämme im Mekong Einzugsgebiet könnten die Zunahme der Hochwassergefahr und der landwirtschaftlichen Verluste aufgrund des Klimawandels in extremen Hochwasserjahren zumindest theoretisch abmildern. Der Nutzen von Dämmen zur Minderung des Hochwasserrisikos ist jedoch ungewiss, da die Realisierung der geplanten Dämme sehr umstritten und damit unsicher ist. Weiterhin spielt das Management der Staudämme eine wichtige Rolle für die Hochwasserregulierung. Da die Dämme in erste Linie zur Stromerzeugung gebaut werden, ist der Hochwasserschutz der unterliegenden Anrainerstaaten eher von untergeordneter Bedeutung. Für Vietnam bedeutet das, dass eine ordnungsgemäße Instandhaltung von Deichen und Hochwasserschutzbauten eine hohe Priorität haben sollte, um Abhängigkeiten von den Nachbarstaaten zu vermeiden. Weiterhin ist die Entwicklung von „weichen“ Hochwasserschutzmaßnahmen und -plänen dringend notwendig, da ein alleiniger Schutz durch technische Maßnahmen unmöglich ist. Aufgrund der in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse wird daher empfohlen, die Hochdeichkompartimente für das Notfall-Hochwassermanagement bei Extremereignissen zu nutzen. Zu diesem Zweck ist eine verlässliche Hochwasservorhersage unerlässlich, und der Aktionsplan sollte in offiziellen Dokumenten und Gesetzen festgehalten werden, um die Verbindlichkeit und konsequente Umsetzung sicherzustellen.
KW  - Mekong Delta
KW  - flood hazard
KW  - flood risk
KW  - climate change
KW  - Mekong Delta
KW  - Klimawandel
KW  - Hochwassergefahr
KW  - Hochwasserrisiko
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512830
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mogrovejo Arias, Diana Carolina
T1  - Assessment of the frequency and relevance of potentially pathogenic phenotypes in microbial isolates from Arctic environments
N2  - The Arctic environments constitute rich and dynamic ecosystems, dominated by microorganisms extremely well adapted to survive and function under severe conditions. A range of physiological adaptations allow the microbiota in these habitats to withstand low temperatures, low water and nutrient availability, high levels of UV radiation, etc. In addition, other adaptations of clear competitive nature are directed at not only surviving but thriving in these environments, by disrupting the metabolism of neighboring cells and affecting intermicrobial communication. Since Arctic microbes are bioindicators which amplify climate alterations in the environment, the Arctic region presents the opportunity to study local microbiota and carry out research about interesting, potentially virulent phenotypes that could be dispersed into other habitats around the globe as a consequence of accelerating climate change. In this context, exploration of Arctic habitats as well as descriptions of the microbes inhabiting them are abundant but microbial competitive strategies commonly associated with virulence and pathogens are rarely reported. In this project, environmental samples from the Arctic region were collected and microorganisms (bacteria and fungi) were isolated. The clinical relevance of these microorganisms was assessed by observing the following virulence markers: ability to grow at a range of temperatures, expression of antimicrobial resistance and production of hemolysins. The aim of this project is to determine the frequency and relevance of these characteristics in an effort to understand microbial adaptations in habitats threatened by climate change. The isolates obtained and described here were able to grow at a range of temperatures, in some cases more than 30 °C higher than their original isolation temperature. A considerable number of them consistently expressed compounds capable of lysing sheep and bovine erythrocytes on blood agar at different incubation temperatures. Ethanolic extracts of these bacteria were able to cause rapid and complete lysis of erythrocyte suspensions and might even be hemolytic when assayed on human blood. In silico analyses showed a variety of resistance elements, some of them novel, against natural and synthetic antimicrobial compounds. In vitro experiments against a number of antimicrobial compounds showed resistance phenotypes belonging to wild-type populations and some non-wild type which clearly denote human influence in the acquisition of antimicrobial resistance. The results of this project demonstrate the presence of virulence-associated factors expressed by microorganisms of natural, non-clinical environments. This study contains some of the first reports, to the best of our knowledge, of hemolytic microbes isolated from the Arctic region. In addition, it provides additional information about the presence and expression of intrinsic and acquired antimicrobial resistance in environmental isolates, contributing to the understanding of the evolution of relevant pathogenic species and opportunistic pathogens. Finally, this study highlights some of the potential risks associated with changes in the polar regions (habitat melting and destruction, ecosystem transition and re-colonization) as important indirect consequences of global warming and altered climatic conditions around the planet.
N2  - Die Arktis ist ein reiches und dynamisches Ökosystem, welches von Mikroorganismen dominiert wird, die unter extremen Bedingungen überleben und funktionieren können. Eine Reihe physiologischer Anpassungen ermöglichen es der Mikrobiota, in diesem Lebensraum zu überdauern niedrige Temperaturen, geringe Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit, hohe UV-Strahlung, usw. standzuhalten. Andere Fähigkeiten zielen darauf ab, sich einen Konkurrenzvorteil zu verschaffen, indem sie mit antimikrobiellen Substanzen benachbarte Mikroorganismen stören und die intermikrobielle Kommunikation beeinflussen. Arktische Mikroorganismen sind Bioindikatoren, die Klimaveränderungen anzeigen können. Die Arktis bietet Möglichkeiten, die lokale Mikrobiota zu untersuchen, um Rückschlüsse auf den Klimawandel zu ziehen. Insbesondere Forschung über potenziell pathogene Phänotypen, die infolge der Beschleunigung des Klimawandels in andere Lebensräume auf der ganzen Welt verteilt werden könnten, ist hier von herausragender Bedeutung. In diesem Zusammenhang gibt es zahlreiche Untersuchungen zur Erforschung arktischer Lebensräume sowie Beschreibungen der in ihnen lebenden Mikroben, während über bakterielle Konkurrenzstrategien, die üblicherweise mit Virulenz und Krankheitserregern verbunden sind, bisher wenig geforscht wurde. In diesem Projekt wurden Umweltproben aus der Arktis entnommen und Bakterien und Pilze isoliert. Die klinische Relevanz dieser Mikroorganismen wurde durch Untersuchung der folgenden Virulenzmarker bewertet: Fähigkeit, in einem bestimmten Temperaturbereich zu wachsen, Expression von Antibiotikaresistenz und Produktion von Hämolysinen. Ziel dieses Projekts war es, das Vorkommen dieser Eigenschaften zu bestimmen, um die mikrobiellen Anpassungen in vom Klimawandel bedrohten Lebensräumen zu verstehen. Die beschriebenen Bakterienisolate konnten in einem relevanten Temperaturbereich wachsen, in einigen Fällen von mehr als 30 °C höher als ihre ursprüngliche Isolationstemperatur. Eine beträchtliche Anzahl der Isolate exprimierte konsistent Verbindungen, die Schaf- und Rindererythrozyten auf Blutagar bei verschiedenen Inkubationstemperaturen lysieren können. Die Extrakte einiger dieser Bakterien konnten eine schnelle und vollständige Lyse von Schaf- und Rindererythrozytensuspensionen verursachen und sind möglicherweise sogar hämolytisch gegenüber humanem Blut. Darüber hinaus zeigten Genomanalysen eine Vielzahl von Resistenzgenen gegen natürliche und synthetische antimikrobielle Verbindungen, einige neuartige. In-vitro-Experimente zeigten, dass einige Resistenzphänotypen zu Wildtyp-Populationen während andere zu Nicht-Wildtyp gehören, was auf einen menschlichen Einfluss auf den Erwerb von Antibiotikaresistenzen in der Umwelt eindeutig hindeutet. Die Ergebnisse dieses Projekts zeigen das Vorhandensein von Virulenz-assoziierten Faktoren, die von Mikroorganismen natürlicher, nicht klinischer Umgebungen exprimiert werden. Diese Studie enthält nach unserem besten Wissen einige der ersten Berichte über hämolytische Mikroben, die aus der Arktis isoliert wurden. Darüber hinaus liefert es zusätzliche Informationen über das Vorhandensein und die Expression von intrinsischer und erworbener antimikrobieller Resistenz in Umweltisolaten und trägt zum Verständnis der Entwicklung relevanter pathogener Spezies und opportunistischer Pathogene bei. Schließlich beleuchtet diese Studie einige der potenziellen Risiken, die mit Veränderungen in den Polarregionen (Schmelzen und Zerstörung des Lebensraums, Übergang des Ökosystems und Wiederbesiedlung) als wichtige indirekte Folgen der globalen Erwärmung und veränderter klimatischer Bedingungen auf dem Planeten verbunden sind.
KW  - Arctic
KW  - pathogens
KW  - virulence
KW  - hemolysis
KW  - antimicrobial resistance
KW  - climate change
KW  - bacteria
KW  - fungi
KW  - thermotolerance
KW  - antibiotic resistance
KW  - Arktis
KW  - Krankheitserreger
KW  - Virulenz
KW  - Hämolyse
KW  - Antibiotikaresistenz
KW  - Klimawandel
KW  - Bakterien
KW  - Pilze
KW  - Thermotoleranz
Y1  - 2021
N1  - The author would like to acknowledge that the project leading to this doctoral dissertation has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No. 675546, research project “Microorganisms in Warming Arctic Environments - MicroArctic”.
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Oguntunde, Philip G.
A1  - Abiodun, Babatunde Joseph
A1  - Lischeid, Gunnar
A1  - Abatan, Abayomi A.
T1  - Droughts projection over the Niger and Volta River basins of West Africa at specific global warming levels
JF  - International Journal of Climatology
N2  - This study investigates possible impacts of four global warming levels (GWLs: GWL1.5, GWL2.0, GWL2.5, and GWL3.0) on drought characteristics over Niger River basin (NRB) and Volta River basin (VRB). Two drought indices-Standardized Precipitation Index (SPI) and Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index (SPEI)-were employed in characterizing droughts in 20 multi-model simulation outputs from the Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX). The performance of the simulation in reproducing basic hydro-climatological features and severe drought characteristics (i.e., magnitude and frequency) in the basins were evaluated. The projected changes in the future drought frequency were quantified and compared under the four GWLs for two climate forcing scenarios (RCP8.5 and RCP4.5). The regional climate model (RCM) ensemble gives a realistic simulation of historical hydro-climatological variables needed to calculate the drought indices. With SPEI, the simulation ensemble projects an increase in the magnitude and frequency of severe droughts over both basins (NRB and VRB) at all GWLs, but the increase, which grows with the GWLs, is higher over NRB than over VRB. More than 75% of the simulations agree on the projected increase at GWL1.5 and all simulations agree on the increase at higher GWLs. With SPI, the projected changes in severe drought is weaker and the magnitude remains the same at all GWLs, suggesting that SPI projection may underestimate impacts of the GWLs on the intensity and severity of future drought. The results of this study have application in mitigating impact of global warming on future drought risk over the regional water systems.
KW  - climate change
KW  - drought index
KW  - global warming levels
KW  - river basins
KW  - West Africa
KW  - CORDEX data
Y1  - 2019
VL  - 40
IS  - 13
PB  - John Wiley & Sons, Inc.
CY  - New Jersey
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Vindas-Picado, José
A1  - Yaney-Keller, Adam
A1  - St. Andrews, Laura
A1  - Panagopoulou, Aliki
A1  - Santidrián Tomillo, Pilar
T1  - Effectiveness of shading to mitigate the impact of high temperature on sea turtle clutches considering the effect on primary sex ratios
JF  - Mitigation and adaptation strategies for global change : an international journal devoted to scientific, engineering, socio-economic and policy responses to environmental change
N2  - Developmental success of sea turtle clutches depends on incubation temperature, which also determines sex ratio of hatchlings. As global temperatures are rising, several studies have proposed mitigation strategies such as irrigation and shading to increase hatching success. Our study expands upon this research and measures the effects of using boxes with different degrees of shade coverage (50%, 80%, and 90%) on sand temperature and water content. Boxes were fully covered with fabric in 2017/2018 (top and sides) but were side open in 2018/2019. We took measurements at olive ridley (Lepidochelys olivacea) and leatherback (Dermochelys coriacea) turtle nest depths (45 and 75 cm) at Playa Grande, Costa Rica. Shading reduced temperature by up to 0.8 degrees C and up to 0.4 degrees C at 45 cm and 75 cm, respectively. There were statistically significant differences between shading and control treatments at both depths, but differences between shade treatments were only significant when using side open boxes, possibly due to air flow. Shading had no effect on water content. While the impact of using shaded boxes on temperature was low, the potential impact on primary sex ratios was large. If shading were applied to leatherback clutches, the percentage of female hatchlings could vary by up to 50%, with a maximum difference around the pivotal temperature (temperature with 1:1 sex ratio). Shading can be useful to increase hatching success, but we recommend avoiding it at temperatures within the transitional range (temperatures that produce both sexes), or using it only during the last third of incubation, when sex is already determined. As global warming will likely continue, understanding potential impact and effectiveness of mitigation strategies may be critical for the survival of threatened sea turtle populations.
KW  - climate mitigation
KW  - climate change
KW  - hatchery
KW  - hatching success
KW  - TSD
Y1  - 2020
U6  - https://doi.org/10.1007/s11027-020-09932-3
SN  - 1381-2386
SN  - 1573-1596
VL  - 25
IS  - 8
SP  - 1509
EP  - 1521
PB  - Springer
CY  - Dordrecht
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Šedová, Barbora
A1  - Kalkuhl, Matthias
T1  - Who are the climate migrants and where do they go?
BT  - Evidence from rural India
JF  - World development
N2  - In this paper, we move from the large strand of research that looks at evidence of climate migration to the questions: who are the climate migrants? and where do they go? These questions are crucial to design policies that mitigate welfare losses of migration choices due to climate change. We study the direct and heterogeneous associations between weather extremes and migration in rural India. We combine ERAS reanalysis data with the India Human Development Survey household panel and conduct regression analyses by applying linear probability and multinomial logit models. This enables us to establish a causal relationship between temperature and precipitation anomalies and overall migration as well as migration by destination. We show that adverse weather shocks decrease rural-rural and international migration and push people into cities in different, presumably more prosperous states. A series of positive weather shocks, however, facilitates international migration and migration to cities within the same state. Further, our results indicate that in contrast to other migrants, climate migrants are likely to be from the lower end of the skill distribution and from households strongly dependent on agricultural production. We estimate that approximately 8% of all rural-urban moves between 2005 and 2012 can be attributed to weather. This figure might increase as a consequence of climate change. Thus, a key policy recommendation is to take steps to facilitate integration of less educated migrants into the urban labor market.
KW  - climate change
KW  - migration
KW  - household analysis
KW  - India
KW  - econometrics
Y1  - 2020
U6  - https://doi.org/10.1016/j.worlddev.2019.104848
SN  - 0305-750X
SN  - 1873-5991
VL  - 129
PB  - Elsevier Science
CY  - Amsterdam
ER  -