TY - THES A1 - Schumacher, Juliane T1 - Die Regierung des Waldes BT - Klimawandel, Kohlenstoffmärkte und neoliberale Naturen in Marokko T2 - Sozial- und Kulturgeographie N2 - Wie verändert sich die Beziehung von Gesellschaften zu ihrer natürlichen Umgebung über die Zeit? Wie werden natürliche Systeme »in Wert« gesetzt? Und welchen Einfluss hat das auf die von uns so bezeichnete »Natur«? Am Beispiel eines Korkeichenwaldes in Marokko geht Juliane Schumacher diesen Fragen nach. Unter Bezugnahme auf Ansätze der Politischen Ökologie, der Science and Technology Studies und Foucaults Gouvernementalitätsanalyse zeigt sie, wie sich seit der Kolonialzeit die Bewirtschaftung des Waldes verändert hat. Dabei wird deutlich, wie Programme zur Integration der Wälder in globale Finanz- und Kohlenstoffmärkte zu neuen, experimentellen Formen der »Regierung des Waldes« führen. KW - Politische Ökologie KW - Nordafrika KW - Wald KW - Klimawandel KW - Neoliberale Natur KW - Science and Technology Studies KW - Gouvernementalität Y1 - 2022 SN - 978-3-8376-6151-4 SN - 978-3-8394-6151-8 U6 - https://doi.org/10.1515/9783839461518 SN - 2703-1640 SN - 2703-1659 IS - 50 PB - transcript CY - Bielefeld ER - TY - THES A1 - Agarwal, Ankit T1 - Unraveling spatio-temporal climatic patterns via multi-scale complex networks T1 - Aufklärung raumzeitlicher Klimamuster über komplexe Netzwerke mit mehreren Maßstäben N2 - The climate is a complex dynamical system involving interactions and feedbacks among different processes at multiple temporal and spatial scales. Although numerous studies have attempted to understand the climate system, nonetheless, the studies investigating the multiscale characteristics of the climate are scarce. Further, the present set of techniques are limited in their ability to unravel the multi-scale variability of the climate system. It is completely plausible that extreme events and abrupt transitions, which are of great interest to climate community, are resultant of interactions among processes operating at multi-scale. For instance, storms, weather patterns, seasonal irregularities such as El Niño, floods and droughts, and decades-long climate variations can be better understood and even predicted by quantifying their multi-scale dynamics. This makes a strong argument to unravel the interaction and patterns of climatic processes at different scales. With this background, the thesis aims at developing measures to understand and quantify multi-scale interactions within the climate system. In the first part of the thesis, I proposed two new methods, viz, multi-scale event synchronization (MSES) and wavelet multi-scale correlation (WMC) to capture the scale-specific features present in the climatic processes. The proposed methods were tested on various synthetic and real-world time series in order to check their applicability and replicability. The results indicate that both methods (WMC and MSES) are able to capture scale-specific associations that exist between processes at different time scales in a more detailed manner as compared to the traditional single scale counterparts. In the second part of the thesis, the proposed multi-scale similarity measures were used in constructing climate networks to investigate the evolution of spatial connections within climatic processes at multiple timescales. The proposed methods WMC and MSES, together with complex network were applied to two different datasets. In the first application, climate networks based on WMC were constructed for the univariate global sea surface temperature (SST) data to identify and visualize the SSTs patterns that develop very similarly over time and distinguish them from those that have long-range teleconnections to other ocean regions. Further investigations of climate networks on different timescales revealed (i) various high variability and co-variability regions, and (ii) short and long-range teleconnection regions with varying spatial distance. The outcomes of the study not only re-confirmed the existing knowledge on the link between SST patterns like El Niño Southern Oscillation and the Pacific Decadal Oscillation, but also suggested new insights into the characteristics and origins of long-range teleconnections. In the second application, I used the developed non-linear MSES similarity measure to quantify the multivariate teleconnections between extreme Indian precipitation and climatic patterns with the highest relevance for Indian sub-continent. The results confirmed significant non-linear influences that were not well captured by the traditional methods. Further, there was a substantial variation in the strength and nature of teleconnection across India, and across time scales. Overall, the results from investigations conducted in the thesis strongly highlight the need for considering the multi-scale aspects in climatic processes, and the proposed methods provide robust framework for quantifying the multi-scale characteristics. N2 - Das Klima ist ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Mechanismen und Rückkopplungen auf mehreren zeitlichen und räumlichen Skalen. Viele Studien beschäftigten sich mit dem diesem System, nur wenige jedoch konzentrierten sich auf das Multiskalenverhalten des Klimas. Vor allem die bis dato verfügbaren Techniken schränkten eine vertiefte Analyse der Klimavariabilität auf unterschiedlichen Skalen ein. Von großen Interesse in der aktuellen Klimaforschung sind Extremereignisse und plötzliche Veränderungen, welche höchstwahrscheinlich aus dem Zusammenwirken von Prozessen auf unterschiedlichen Skalen hervorgehen. Um Stürme, wiederkehrende Wetterlagen, jahreszeitliche Phänomene wie El Niño, Fluten, Dürren oder Klimaschwankungen über Jahrzehnte besser zu verstehen oder sogar vorhersagen zu können, müssen wir deren Dynamik auf unterschiedlichen Skalen quantifizieren. In der vorliegenden Arbeit werden Mittel und Wege präsentiert um das Zusammenwirken auf verschiedenen Skalen im Klimasystem besser zu verstehen und zu quantifizieren. Im ersten Teil dieser Arbeit stelle ich zwei Methoden, multi-scale event synchronization (MSES) und wavelet multi-scale correlation (WMC) vor, welche skalenspezifischen Eigenschaften in klimatischen Prozessen abbilden. Die vorgestellte Methode wurde mit mehreren synthetischen und realen Zeitreihen getestet um ihre Anwendbarkeit und Reproduzierbarkeit zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Methoden Beziehungen auf unterschiedlichen zeitlichen Skalen detaillierter als traditionelle Ansätze abbilden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit bilde ich klimatische Netzwerke mithilfe eines Maßes zur Ähnlichkeit auf Multiskalen. Dabei untersuche ich die Entwicklung von räumlichen Beziehungen um klimatische Prozesse auf mehreren Zeitskalen zu verstehen. Die Methoden WMC und MSES werden zusammen mit komplexen Netzwerken auf zwei Datensätze angewendet. In der ersten Anwendung werden klimatische Netzwerke mit WMC für univariate globale Meeresoberflächentemperaturen gebildet. Auf unterschiedlichen Zeitskalen sollen dabei kurze und lange Fernwirkungen, welche andernfalls auf einer einzigen Zeitskale unerkannt blieben, entdeckt werden. In diesem Klimanetzwerk ließ sich eine starke Variabilität über die Zeit feststellen, was auf eine skalenfreie und kleinräumige Netzstruktur auf großem, beziehungsweise kleinem Maßstab schließen lässt. Weitere Untersuchungen von Klimanetzwerken auf unterschiedlichen Zeitskalen zeigte (i) hohe Variabilität und Co-Variabilität in Regionen, und (ii) Fernbeziehungen auf kurzen und langen Entfernungen mit variabler räumlicher Distanz. Die Ergebnisse bestätigen bekannte physikalischen Wechselwirkungen und daher auch die Stärken meines Ansatzes. Dadurch ergeben sich neue Einblicke in die Klimatologie von Ozeanen, sodass beispielsweise konvektive Prozesse in der Atmosphäre eine Abhängigkeit über weite Entfernungen aufweisen können. In der zweiten Anwendung verwendeten wir das von mir entwickelte, nicht-lineare MSES Ähnlichkeitsmaß um multivariate Fernbeziehungen zwischen Starkniederschlägen und klimatischen Mustern über Indien zu quantifizieren. Unsere Ergebnisse bestätigen signifikante, nicht-lineare Einflüsse, welche von traditionellen Methoden bisher unzureichend abgebildet wurden. Des Weiteren fanden wir deutliche Schwankungen in der Stärke und in der Ausprägung von Fernbeziehungen über Indien und über Zeitskalen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Fallstudien, dass Multiskalen in Klimaprozessen entschieden berücksichtigt werden müssen und dass der entwickelte methodische Rahmen adäquat die charakteristischen Prozesse quantifizieren kann. KW - complex network KW - wavelet KW - climate global and local patterns KW - extreme events KW - multiscale network KW - event synchronization KW - komplexes Netzwerk KW - Wavelet KW - globale und lokale Muster des Klimas KW - extreme Ereignisse KW - Multiskalen Netzwerk KW - Ereignissynchronisation Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423956 ER - TY - THES A1 - Wendi, Dadiyorto T1 - Recurrence Plots and Quantification Analysis of Flood Runoff Dynamics T1 - Rekurrenzplot und quantitativen Analyse von Hochwasserabflüssen Dynamik N2 - This paper introduces a novel measure to assess similarity between event hydrographs. It is based on Cross Recurrence Plots and Recurrence Quantification Analysis which have recently gained attention in a range of disciplines when dealing with complex systems. The method attempts to quantify the event runoff dynamics and is based on the time delay embedded phase space representation of discharge hydrographs. A phase space trajectory is reconstructed from the event hydrograph, and pairs of hydrographs are compared to each other based on the distance of their phase space trajectories. Time delay embedding allows considering the multi-dimensional relationships between different points in time within the event. Hence, the temporal succession of discharge values is taken into account, such as the impact of the initial conditions on the runoff event. We provide an introduction to Cross Recurrence Plots and discuss their parameterization. An application example based on flood time series demonstrates how the method can be used to measure the similarity or dissimilarity of events, and how it can be used to detect events with rare runoff dynamics. It is argued that this methods provides a more comprehensive approach to quantify hydrograph similarity compared to conventional hydrological signatures. N2 - Ziel dieser Arbeit ist es, eine Methode und einen umfassenden Index, die die Quantifizierung von Veränderungen in Hochwasserabflüssen über die Zeit ermöglichen, zu entwickeln. Als Proxydaten zur Detektion von Veränderungen dienen Abflusszeitreihen, da diese räumlich-zeitliche Änderungen von Prozessen im Einzugsgebiet integrieren. Einhergehend mit Veränderungen in den Rahmenbedingungen hydrologischer Systeme, beispielsweise Klimaänderungen, Veränderungen im Flussnetzwerk oder der Bodenbedeckung, sind Veränderungen in der Abflussdynamik zu erwarten. Urbanisierung, Klimawandel und veränderte wasserwirtschaftliche Nutzung können erheblichen Einfluss auf Hochwassercharakteristika haben, sodass die auf die abflussverursachenden Prozesse bezogene Hochwassertypologie obsolet wird. Außerdem kann es zur Überlagerung verschiedener Prozesse und der Bildung präzedenzloser Hochwasserdynamiken kommen. Üblicherweise wird seltenen Hochwasserereignissen eine über einen langen Zeitraum bestimmte Wiederkehrwahrscheinlichkeit zugewiesen. Allerdings wird die assoziierte Wiederkehrdauer häufig nur auf der Grundlage des Höchstwasserstandes ermittelt und ist nicht umfassend genug, um die unterschiedlichen Prozesstypen zu erfassen. Um umfassendere Abflussmerkmale in die Hochwassercharakterisierung aufzunehmen, wird die Charakterisierung der Abflussdynamik mittels der kontinuierlichen Gestalt des Hydrographen und als Kurve im Phasenraum empfohlen. Durch die Berücksichtigung des Taken‘schen Satzes zur Einbettung der Zeitverzögerung können ereignisbasierte Hydrographen weiter unterschieden werden. Dieser Ansatz nutzt die zeitliche Abfolge gemessener Abflusswerte, sodass der Einfluss der anfänglichen Werte auf das Hochwasserereignis als charakteristischer Vektor im multidimensionalen Phasenraum interpretiert werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden, erstmals im Bereich der Hydrologie, ‚Recurrence Plot‘ (RP) und ‚Recurrence Quantification Analysis‘ RQA eingesetzt, um die Seltenheit bzw. Ähnlichkeit von Abflussdynamiken zu visualisieren und identifizieren. Ebenso werden Anwendungsbeispiele im Bereich der Hydrologie, die das Konzept der Charakterisierung von Abflussdynamiken und den Nutzen des eingeführten Ähnlichkeitsindex verdeutlichen, vorgestellt. Außerdem wurde die Methodik weiterentwickelt und zeichnet sich nun durch erhöhte Robustheit gegenüber Störeinflüssen und eine bessere Anpassung an Abflussmessungen aus. Ein abschließendes Anwendungsbeispiel untersucht den in Dresden gemessenen Abfluss des ostdeutschen Elbe-Einzugsgebietes im Zeitraum von 1901 bis 2010. In dieser Studie werden Beispiele seltener und saisonunabhängiger Hochwasserereignisse, die durch ihre ungewöhnliche Abflussdynamik herausstechen, gezeigt und mit zugrundeliegenden abflussbildenden Prozessen in Verbindung gebracht. KW - Hydrograph Analysis KW - Time Embedded Phase Space KW - Rare and Unseasonal Flood KW - Non-stationary Flood Risk KW - Chaos Theory KW - Recurrence Plots KW - Flood Risk Big Data Mining KW - Flood Change KW - Non-linear Geoscience KW - Chaostheorie KW - Änderungen des Hochwassers KW - Big data mining zu Hochwasserrisiken KW - Analyse von Abflussganglinien KW - nichtlineare Geowissenschaften KW - nichtstationäres Hochwasserrisiko KW - seltenes und saisonunübliches Hochwasser KW - Rekurrenzplot KW - Phasenraum des Time Delay Embedding Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-431915 ER - TY - THES A1 - Busch, Jan Philip T1 - Investigations on mobility of carbon colloid supported nanoscale zero-valent iron (nZVI) for groundwater remediation T1 - Untersuchungen zur Mobilität künstlicher Kohlenstoff-Eisen-Komposite zum Einsatz in der Altlastensanierung N2 - Injection of nanoscale zero-valent iron (nZVI) is an innovative technology for in situ installation of a permeable reactive barrier in the subsurface. Zerovalent iron (ZVI) is highly reactive with chlorinated hydrocarbons (CHCs) and renders them into less harmful substances. Application of nZVI instead of granular ZVI can increase rates of dechlorination of CHCs by orders of magnitude, due to its higher surface area. This approach is still difficult to apply due to fast agglomeration and sedimentation of colloidal suspensions of nZVI, which leads to very short transport distances. To overcome this issue of limited mobility, polyanionic stabilisers are added to increase surface charge and stability of suspensions. In field experiments maximum transport distances of a few metres were achieved. A new approach, which is investigated in this thesis, is enhanced mobility of nZVI by a more mobile carrier colloid. The investigated composite material consists of activated carbon, which is loaded with nZVI. In this cumulative thesis, transport characteristics of carbon-colloid supported nZVI (c-nZVI) are investigated. Investigations started with column experiments in 40 cm columns filled with various porous media to investigate on physicochemical influences on transport characteristics. The experimental setup was enlarged to a transport experiment in a 1.2-m-sized two-dimensional aquifer tank experiment, which was filled with granular porous media. Further, a field experiment was performed in a natural aquifer system with a targeted transport distance of 5.3 m. Parallel to these investigations, alternative methods for transport observations were investigated by using noninvasive tomographic methods. Experiments using synchrotron radiation and magnetic resonance (MRI) were performed to investigate in situ transport characteristics in a non-destructive way. Results from column experiments show potentially high mobility under environmental relevant conditions. Addition of mono-and bivalent salts, e.g. more than 0.5 mM/L CaCl2, might decrease mobility. Changes in pH to values below 6 can inhibit mobility at all. Measurements of colloid size show changes in the mean particle size by a factor of ten. Measurements of zeta potential revealed an increase of –62 mV to –82 mV. Results from the 2D-aquifer test system suggest strong particle deposition in the first centimetres and only weak straining in the further travel path and no gravitational influence on particle transport. Straining at the beginning of the travel path in the porous medium was observed with tomographic investigations of transport. MRI experiments revealed similar results to the previous experiments, and observations using synchrotron radiation suggest straining of colloids at pore throats. The potential for high transport distances, which was suggested from laboratory experiments, was confirmed in the field experiment, where the transport distance of 5.3 m was reached by at least 10% of injected nZVI. Altogether, transport distances of the investigated carbon-colloid supported nZVI are higher than published results of traditional nZVI. N2 - Die Injektion nanoskaligen nullwertigen Eisens ist eine innovative Technik zur In-situ-Sanierung chlororganisch belasteter Standorte. Hierbei wird das nullwertige Eisen in den Untergrund injiziert und soll dort eine permeable reaktive Barriere aufbauen, in der chlororganische Schadstoffe zu weniger schädlichen Substanzen abgebaut werden sollen. Die Einbringung nanoskaliger Kolloide birgt gegenüber klassischen eisengefüllten permeablen reaktiven Barrieren den Vorteil einer durch die wesentlich größere Oberfläche vielfach schnelleren Reaktion und dadurch einer möglicherweise kürzeren Sanierungszeit. Noch ist die praktische Anwendung dieses Ansatzes durch schnelle Agglomeration und Sedimentation der Nanokolloide begrenzt. Durch Hinzufügen von polyanionischen Zusatzstoffen, welche die Oberflächenladung erhöhen und damit die Agglomeration und Sedimentation der Partikel verlangsamen, konnten bereits Transportreichweiten von wenigen Metern beobachtet werden. Ein weiterer Ansatz ist das Aufbringen von Nanoeisen auf ein mobiles Trägerkolloid. In dieser kumulativen Dissertation werden die Transporteigenschaften von kohlenstoffkolloidunterstütztem Nanoeisen untersucht. Die Untersuchungen beginnen mit Versuchen in Laborsäulen, die mit verschiedenen porösen Medien gefüllt wurden. Hier wurde der Einfluss verschiedener physikochemischer Parameter (u.a. Salinität und pH-Wert) auf das Transportverhalten untersucht. Anschließend wurde der Versuchsaufbau auf einen 1,2 m langen 2D-Laboraquifer, der ebenfalls mit einem porösen Medium gefüllt wurde, vergrößert. Außerdem wurde ein Feldversuch in einem natürlichen Aquifer ein gerichtetes Fließfeld eingerichtet und darin der Transport über eine Distanz von 5,3 m untersucht. Parallel dazu wurde das Transportverhalten mit nichtinvasiven Methoden, hier Magnetresonanztomographie (MRT) und Synchrotronstrahlung, in laborskaliger Größe untersucht. Die Ergebnisse der Säulenversuche deuten auf eine hohe Anwendbarkeit unter umweltrelevanten Bedingungen hin. Ein sehr niedriger pH-Wert oder eine hohe Salinität (z. B. mehr als 5 mM/L CaCl2) können die Anwendbarkeit jedoch einschränken. Zusätzlich wurde eine Änderung der durchschnittlichen Kolloidgröße um den Faktor einer Größenordnung und eine Änderung des Zetapotentials von –62 auf –80 mV beobachtet. Die Ergebnisse des Transportexperiments im 2D-Laboraquifer deuten auf eine Deposition der Kolloide auf den ersten Zentimetern der Fließstrecke hin, aber geringe Deposition im weiteren Verlauf des Transports. Dabei konnte kein direkter Einfluss der Gravitation festgestellt werden. Die Ergebnisse konnten mithilfe von MRT-Untersuchungen bestätigt werden. Die Beobachtung mittels Synchrotrontomographie deutet auf eine Deposition an Porenhälsen hin. Die vielversprechenden Ergebnisse der Laboruntersuchungen konnten in dem Feldversuch bestätigt werden, da hier mehr als 10% der zugegebenen nZVI eine Stecke von 5,3 m oder mehr im Aquifer passiert haben. In der Gesamtbetrachtung scheint der Einsatz dieses kolloidunterstützten nanoskaligem nullwertigen Eisens den gängigen Methoden der Eiseninjektion im Hinblick auf die erzielbare Transportreichweite überlegen zu sein. KW - nanoscale zero-valent iron (nZVI) KW - Carbo-Iron® KW - colloid transport KW - in-situ remediation KW - Nanoeisen KW - Carbo-Iron KW - Kolloidtransport KW - Sanierung KW - Altlasten Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76873 ER - TY - THES A1 - Rudolph-Mohr, Nicole T1 - A novel non-invasive optical method for quantitative visualization of pH and oxygen dynamics in soils T1 - Entwicklung einer neuen, nicht invasiven, optischen Methode für die quantitative Darstellung von pH und Sauerstoffdynamiken in Böden N2 - In soils and sediments there is a strong coupling between local biogeochemical processes and the distribution of water, electron acceptors, acids and nutrients. Both sides are closely related and affect each other from small scale to larger scales. Soil structures such as aggregates, roots, layers or macropores enhance the patchiness of these distributions. At the same time it is difficult to access the spatial distribution and temporal dynamics of these parameter. Noninvasive imaging techniques with high spatial and temporal resolution overcome these limitations. And new non-invasive techniques are needed to study the dynamic interaction of plant roots with the surrounding soil, but also the complex physical and chemical processes in structured soils. In this study we developed an efficient non-destructive in-situ method to determine biogeochemical parameters relevant to plant roots growing in soil. This is a quantitative fluorescence imaging method suitable for visualizing the spatial and temporal pH changes around roots. We adapted the fluorescence imaging set-up and coupled it with neutron radiography to study simultaneously root growth, oxygen depletion by respiration activity and root water uptake. The combined set up was subsequently applied to a structured soil system to map the patchy structure of oxic and anoxic zones induced by a chemical oxygen consumption reaction for spatially varying water contents. Moreover, results from a similar fluorescence imaging technique for nitrate detection were complemented by a numerical modeling study where we used imaging data, aiming to simulate biodegradation under anaerobic, nitrate reducing conditions. N2 - In Böden und Sedimenten sind biogeochemische Prozesse und die Verteilung von Größen wie Wasser, Elektronenakzeptoren, Säuregehalte und Nährstoffe in enger Weise miteinander gekoppelt. Diese wechselseitige Beeinflussung ist skalenübergreifend und reicht von sehr kleinen bis zu größeren Skalen. Die in realen Böden vorhandene Struktur z. Bsp. Aggregate, Pflanzenwurzeln, Schichten und Makroporen bedingen eine starke räumlich Heterogenität und zeitliche Dynamik dieser Größen. Gleichzeitig sind Verteilung und Dynamik sehr schwer zu beobachten, zumindest ohne ihre gleichzeitige Störung. Bildgebende Verfahren bieten eine sehr gute räumliche und zeitliche Auflösung und ermöglichen die Darstellung dieser Größen. Um die dynamische Wechselwirkung zwischen Pflanzenwurzeln und Boden, aber auch die komplexen physikalisch – chemischen Prozesse in Böden zu verstehen, sind neue bildgebende Verfahren notwendig. Ziel dieser Arbeit war es, eine neue nicht-invasive Methode zu entwickeln, die es ermöglicht biogeochemische Parameter in der Wurzelzone zu visualisieren. Innerhalb dieser Studie wurde ein quantitatives bildgebendes Verfahren entwickelt, dass die räumlichen und zeitlichen Dynamiken des pH Wertes in der Rhizosphäre erfasst. Diese auf Fluoreszenzemissionen basierende Methode wurde ebenso für Sauerstoffdetektion entwickelt und mit Neutronen Radiographie kombiniert um gleichzeitig Aussagen über Wurzelwachstum, Sauerstoffzehrung durch Wurzelatmung und Wurzelwasseraufnahme treffen zu können. Die kombinierte bildgebende Methode wurde dann in einem künstlichen Boden genutzt um Nischen und Übergangsbereiche von Sauerstoff bei variierenden Wassergehalten zu charakterisieren. Das große Potential von bildgebenden Verfahren zeigt sich bei Modellierungsstudien. In dieser Studie wurden Bilddaten als Eingabeparameter für die Simulierung von denitrifizierendem biologischem Schadstoffabbau genutzt. KW - Optische Sensoren KW - pH KW - Sauerstoff KW - Fluoreszenzbildgebung KW - Rhizosphere KW - Optical sensor KW - pH KW - oxygen KW - fluorescence imaging KW - rhizosphere Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66993 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 - THES A1 - Munz, Matthias T1 - Water flow and heat transport modelling at the interface between river and aquifer T1 - Wasserfluss- und Wärmetransportmodellierung an der Schnittstelle zwischen Fluss und Grundwasserleiter N2 - The functioning of the surface water-groundwater interface as buffer, filter and reactive zone is important for water quality, ecological health and resilience of streams and riparian ecosystems. Solute and heat exchange across this interface is driven by the advection of water. Characterizing the flow conditions in the streambed is challenging as flow patterns are often complex and multidimensional, driven by surface hydraulic gradients and groundwater discharge. This thesis presents the results of an integrated approach of studies, ranging from the acquisition of field data, the development of analytical and numerical approaches to analyse vertical temperature profiles to the detailed, fully-integrated 3D numerical modelling of water and heat flux at the reach scale. All techniques were applied in order to characterize exchange flux between stream and groundwater, hyporheic flow paths and temperature patterns. The study was conducted at a reach-scale section of the lowland Selke River, characterized by distinctive pool riffle sequences and fluvial islands and gravel bars. Continuous time series of hydraulic heads and temperatures were measured at different depths in the river bank, the hyporheic zone and within the river. The analyses of the measured diurnal temperature variation in riverbed sediments provided detailed information about the exchange flux between river and groundwater. Beyond the one-dimensional vertical water flow in the riverbed sediment, hyporheic and parafluvial flow patterns were identified. Subsurface flow direction and magnitude around fluvial islands and gravel bars at the study site strongly depended on the position around the geomorphological structures and on the river stage. Horizontal water flux in the streambed substantially impacted temperature patterns in the streambed. At locations with substantial horizontal fluxes the penetration depths of daily temperature fluctuations was reduced in comparison to purely vertical exchange conditions. The calibrated and validated 3D fully-integrated model of reach-scale water and heat fluxes across the river-groundwater interface was able to accurately represent the real system. The magnitude and variations of the simulated temperatures matched the observed ones, with an average mean absolute error of 0.7 °C and an average Nash Sutcliffe Efficiency of 0.87. The simulation results showed that the water and heat exchange at the surface water-groundwater interface is highly variable in space and time with zones of daily temperature oscillations penetrating deep into the sediment and spots of daily constant temperature following the average groundwater temperature. The average hyporheic flow path temperature was found to strongly correlate with the flow path residence time (flow path length) and the temperature gradient between river and groundwater. Despite the complexity of these processes, the simulation results allowed the derivation of a general empirical relationship between the hyporheic residence times and temperature patterns. The presented results improve our understanding of the complex spatial and temporal dynamics of water flux and thermal processes within the shallow streambed. Understanding these links provides a general basis from which to assess hyporheic temperature conditions in river reaches. N2 - Die Interaktion zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser hat einen entscheidenden Einfluss auf die Wasserqualität und die ökologische Beschaffenheit von Seen, Flüssen und aquatischen Ökosystemen. Der Austausch von Wärme und gelösten Substanzen zwischen diesen beiden Kompartimenten ist maßgeblich durch die Austauschraten und die Strömungsrichtung des Wassers beeinflusst. Somit ist die Charakterisierung dieser beiden Größen in dem Übergangsbereich zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser von besonderer Bedeutung. Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung und Anwendung von Methoden zur Untersuchung der zeitlichen und räumlichen Dynamik des Wasser- und Wärmeflusses an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser. Die Arbeit besteht im Wesentlichen aus zwei Schwerpunkten. Der erste Schwerpunkt beinhaltet die Entwicklung und Bewertung von analytischen und numerischen Methoden zur Bestimmung der horizontalen Strömungsrichtung und Austauschraten unter Verwendung von kontinuierlich gemessenen Temperaturzeitreihen entlang vertikaler Profile im gesättigten Sediment. Flussbetttemperaturen können relativ einfach und kostengünstig entlang eines Flussabschnittes in verschiedenen Tiefen und unterschiedlichsten Flussbettsedimenten (organisch, sandig bis grob kiesig) gemessen werden. Die Hauptverwendung solcher Temperaturprofile ist bisher auf die analytische Quantifizierung vertikaler Austauschraten limitiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ansatz entwickelt, der eine punktuelle Ermittlung der horizontalen Strömungs-komponente, basierend auf der Veränderung der täglichen Temperaturamplitude mit zunehmender Tiefe, ermöglicht. Weiterhin wurde ein inverser, numerischer Ansatz entwickelt, der die ein-dimensionale Wärmetransportgleichung numerisch löst und mittels inverser Optimierungsalgorithmen die simulierten Temperaturen bestmöglich an die gemessenen Flussbetttemperaturen anpasst. Diese Methode ermöglicht die automatische, zeitlich variable Quantifizierung vertikaler Austauschraten an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser sowie eine einfache Unsicherheitsbetrachtung aufgrund der zugrunde liegenden Parameterunsicherheiten. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Anwendung der entwickelten Methoden und der Erstellung eines dreidimensionalen Simulationsmodelles entlang eines Flussabschnittes der Selke. Numerische Strömungs- und Stofftransportmodelle ermöglichen die gekoppelte Simulation von Fließprozessen im offenen Gerinne und im darunter liegenden porösen Medium. Die Parametrisierung des Modells erfolgte anhand empirischer Daten die im Untersuchungsgebiet detailliert erhoben wurden. Die Simulationsergebnisse zeigten zum einen gebietsspezifische Gegebenheiten auf, ermöglichten darüber hinaus jedoch auch die Beschreibung allgemeiner Muster und Zusammenhänge welche die Wasserfluss- und Wärmetransportprozesse an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser beeinflussen. So zeigten die Ergebnisse dieser Arbeit, dass maßgeblich die natürlich vorhandenen Flussbettstrukturen die Austauschraten und die Strömungsrichtung zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser beeinflussen und somit den hyporheischen Austausch bestimmen. Wichtige Einflussfaktoren auf die untersuchten Austauschprozesse waren die Lage im Gerinne relativ zur Flussbettstruktur und der vorherrschende Wasserstand (Abfluss). Bedingt durch den Wasser- und Wärmeaustausch prägten sich im Untersuchungsgebiet Bereiche aus in denen die täglichen Temperaturschwingungen tief in das Sediment eindringen (Anstrombereich der Flussbettstrukturen), als auch Bereiche in denen relativ konstante Temperaturen, nahe der Grundwassertemperatur, vorherrschten. Die durchschnittliche Temperatur in der hyporheischen Zone wurde durch die saisonalen Temperaturschwankungen im Oberflächenwasser dominiert, wobei die Temperaturen entlang einzelner Fließpfade stark von der Verweilzeit des Oberflächen- oder Grundwassers im gesättigten Sediment und dem Temperaturgradienten zwischen Fluss und Grundwasser abhängig waren. Trotz der Komplexität dieser Zusammenhänge, ermöglichten die Simulationsergebnisse die Ableitung einer allgemeinen empirischen Beziehung zwischen den hyporheischen Verweilzeiten und Temperaturmustern. Sowohl die Verweilzeiten als auch die Temperatur im gesättigten Sediment haben einen entscheiden Einfluss auf biogeochemische Prozesse in dem Übergangsbereich zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser und sind somit von besonderer Bedeutung für die Wasserqualität von Seen, Flüssen und aquatischen Ökosystemen. KW - surface water-groundwater interaction KW - Oberflächenwasser-Grundwasser Interaktion KW - hyporheic zone KW - hyporheische Zone KW - numerical modeling KW - numerische Modellierung KW - heat transport KW - Wärmetransport KW - temperature KW - Temperatur Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404319 ER - TY - THES A1 - Schrön, Martin T1 - Cosmic-ray neutron sensing and its applications to soil and land surface hydrology T1 - Neutronen aus kosmischer Strahlung und deren Anwendung für Boden- und Landoberflächen-Hydrologie BT - on neutron physics, method development, and soil moisture estimation across scales N2 - Water scarcity, adaption on climate change, and risk assessment of droughts and floods are critical topics for science and society these days. Monitoring and modeling of the hydrological cycle are a prerequisite to understand and predict the consequences for weather and agriculture. As soil water storage plays a key role for partitioning of water fluxes between the atmosphere, biosphere, and lithosphere, measurement techniques are required to estimate soil moisture states from small to large scales. The method of cosmic-ray neutron sensing (CRNS) promises to close the gap between point-scale and remote-sensing observations, as its footprint was reported to be 30 ha. However, the methodology is rather young and requires highly interdisciplinary research to understand and interpret the response of neutrons to soil moisture. In this work, the signal of nine detectors has been systematically compared, and correction approaches have been revised to account for meteorological and geomagnetic variations. Neutron transport simulations have been consulted to precisely characterize the sensitive footprint area, which turned out to be 6--18 ha, highly local, and temporally dynamic. These results have been experimentally confirmed by the significant influence of water bodies and dry roads. Furthermore, mobile measurements on agricultural fields and across different land use types were able to accurately capture the various soil moisture states. It has been further demonstrated that the corresponding spatial and temporal neutron data can be beneficial for mesoscale hydrological modeling. Finally, first tests with a gyrocopter have proven the concept of airborne neutron sensing, where increased footprints are able to overcome local effects. This dissertation not only bridges the gap between scales of soil moisture measurements. It also establishes a close connection between the two worlds of observers and modelers, and further aims to combine the disciplines of particle physics, geophysics, and soil hydrology to thoroughly explore the potential and limits of the CRNS method. N2 - Wasserknappheit, Anpassung an Klimaveränderungen, und Gefahrenabschätzungen von Dürren und Fluten sind heutzutage dringende Themen für Forschung und Gesellschaft. Vorallem um die Auswirkungen auf Wetter und Landwirtschaft zu verstehen und vorherzusagen, ist es wichtig, den Wasserkreislauf der Erde zu beobachten und zu simulieren. In diesem System spielt Bodenfeuchte eine Schlüsselrolle, welche den Wasseraustausch zwischen Boden, Luft, und Pflanzen bestimmt. Daher sind ausgeklügelte Messtechnologien erforderlich, welche Bodenfeuchte von kleinen Ackerschlägen bis hin zu großen Gebieten erfassen können. Die neuartige Methode, Neutronen aus kosmischer Strahlung zu messen (CRNS), ist eine vielversprechende Technologie um die Lücke zwischen Punktmessungen und Fernerkundungen zu schließen, da der Einflussbereich des Sensors bei ca. 30 ha liegen soll. Allerdings ist intensive interdisziplinäre Forschung nötig, um die Beziehung zwischen Neutronen und Bodefeuchte zu verstehen. In dieser Arbeit wurden erstmals verschiedene Sensoren systematisch miteinander verglichen, und die bisherigen Korrekturen für meteorologische und geomagnetische Einflüsse näher untersucht. Darüber hinaus wurden Simulationen der Neutronenphysik herangezogen, um den Einflussbereich des Sensors genauestens zu charakterisieren. Demnach ist der Sensor je nach Umgebungsfeuchte hauptsächlich in der Fläche von ca. 6--18 ha, sowie besonders im Nahbereich, sensitiv. Diese Resultate konnten durch Experimente nahe Gewässern und Straßen bestätigt werden. Dennoch ist die Methode nachwievor sehr gut in der Lage, die Bodenfeuchte in Ackerflächen, Grasland und auch Wäldern zu erfassen. Zudem wurde gezeigt, dass sich die räumlichen und zeitlichen Neutronen-Daten gut für die hydrologische Modellierung eignen. Abschließend wurde eine neue Möglichkeit untersucht, um Neutronen aus der Luft mit einem Traghubschrauber in noch größeren Gebieten zu messen. Diese Dissertation untersucht die CRNS-Methode auf verschiedenen Skalen, und verknüpft dabei Beobachtung mit Modellierung. Außerdem verbindet diese Arbeit die verschiedenen Disziplinen der Teilchenphysik, Geophysik, und Bodenhydrologie, um das Potential und die Grenzen der Methode ganzheitlich zu beurteilen. KW - soil moisture KW - hydrology KW - cosmic rays KW - neutrons KW - water monitoring KW - Bodenfeuchte KW - Hydrologie KW - kosmische Strahlung KW - Neutronen KW - Wasser-Monitoring Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-395433 SN - 978-3-8439-3139-7 PB - Verlag Dr. Hut GmbH CY - München ER - TY - THES A1 - Trauth, Nico T1 - Flow and reactive transport modeling at the stream-groundwater interface T1 - Strömungs- und reaktive Stofftransportmodellierung an der Schnittstelle Fluss-Grundwasser BT - effects of hydrological conditions and streambed morphology BT - Einfluss der hydrologischen Bedingungen und der Flussbettmorphologie N2 - Stream water and groundwater are important fresh water resources but their water quality is deteriorated by harmful solutes introduced by human activities. The interface between stream water and the subsurface water is an important zone for retention, transformation and attenuation of these solutes. Streambed structures enhance these processes by increased water and solute exchange across this interface, denoted as hyporheic exchange. This thesis investigates the influence of hydrological and morphological factors on hyporheic water and solute exchange as well as redox-reactions in fluvial streambed structures on the intermediate scale (10–30m). For this purpose, a three-dimensional numerical modeling approach for coupling stream water flow with porous media flow is used. Multiple steady state stream water flow scenarios over different generic pool-riffle morphologies and a natural in-stream gravel bar are simulated by a computational fluid dynamics code that provides the hydraulic head distribution at the streambed. These heads are subsequently used as the top boundary condition of a reactive transport groundwater model of the subsurface beneath the streambed. Ambient groundwater that naturally interacts with the stream water is considered in scenarios of different magnitudes of downwelling stream water (losing case) and upwelling groundwater (gaining case). Also, the neutral case, where stream stage and groundwater levels are balanced is considered. Transport of oxygen, nitrate and dissolved organic carbon and their reaction by aerobic respiration and denitrification are modeled. The results show that stream stage and discharge primarily induce hyporheic exchange flux and solute transport with implications for specific residence times and reactions at both the fully and partially submerged structures. Gaining and losing conditions significantly diminish the extent of the hyporheic zone, the water exchange flux, and shorten residence times for both the fully and partially submerged structures. With increasing magnitude of gaining or losing conditions, these metrics exponentially decrease. Stream water solutes are transported mainly advectively into the hyporheic zone and hence their influx corresponds directly to the infiltrating water flux. Aerobic respiration takes place in the shallow streambed sediments, coinciding to large parts with the extent of the hyporheic exchange flow. Denitrification occurs mainly as a “reactive fringe” surrounding the aerobic zone, where oxygen concentration is low and still a sufficient amount of stream water carbon source is available. The solute consumption rates and the efficiency of the aerobic and anaerobic reactions depend primarily on the available reactive areas and the residence times, which are both controlled by the interplay between hydraulic head distribution at the streambed and the gradients between stream stage and ambient groundwater. Highest solute consumption rates can be expected under neutral conditions, where highest solute flux, longest residence times and largest extent of the hyporheic exchange occur. The results of this thesis show that streambed structures on the intermediate scale have a significant potential to contribute to a net solute turnover that can support a healthy status of the aquatic ecosystem. N2 - Fluss- und Grundwasser sind wichtige Süßwasserressourcen, deren Qualität durch anthropogene Einträge schädlicher Stoffe vermindert wird. Im Grenzbereich zwischen Fluss- und Grundwasser können diese Stoffe zurückgehalten, umgewandelt oder abgebaut werden. Flussbettstrukturen erhöhen den sogenannten hyporheischen Austausch von Wasser und Stoffflüssen, wodurch diese Prozesse gefördert werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss von hydrologischen und morphologischen Faktoren auf Wasser und Stoffflüsse sowie Redox-Reaktionen in Flussbettstrukturen der mittleren Skala (10–30m) untersucht. Hierfür wird ein dreidimensionales numerisches Modell-Konzept verwendet, welches die Flussströmung und die Strömung im darunter liegenden porösen Medium koppelt. Mit einer Computational Fluid Dynamics Software wird die stationäre Flussströmung über generische Pool-Riffle Strukturen sowie über eine natürliche Flussinsel für verschiedene Abflüsse simuliert. Die berechneten Drücke am Flussbett werden als Randbedingungen erster Ordnung an ein reaktives Grundwasser- und Stofftransportmodell übertragen. An der unteren bzw. seitlichen Randbedingung werden zusätzliche Gradienten erzeugt, die die Interaktion zwischen Fluss und regionalem Grundwasser als in– oder exfiltrierende Bedingungen repräsentieren. Sind Flusswasserund Grundwasserstand ausgeglichen, liegen neutrale Bedingungen vor. Im Grundwassermodell werden der Transport von Sauerstoff, Nitrat und gelöstem organischen Kohlenstoff sowie deren mögliche Reaktion durch aerobe Respiration und Denitrifikation modelliert. Die Simulationensergebnisse zeigen, dass der hyporheische Austausch durch hydraulische Gradienten am Flussbett verursacht wird. Existiert ein zusätzlicher hydraulischer Gradient zwischen Fluss- und Grundwasser, werden die ausgetauschten Wassermengen sowie die Größe der hyporheischen Zone vermindert, was mit kürzeren Verweilzeiten einhergeht. Dieser Effekt ist unabhängig von der Richtung dieses Gradienten und umso ausgeprägter, je stärker der Gradient zwischen dem Grundwasser und dem Flusswasserstand ist. Die im Flusswasser gelösten Stoffe werden advektiv in die hyporheische Zone transportiert. Die aerobe Respiration nimmt große Bereiche der flachen hyporheischen Zone ein. Hohe Denitrifikationsraten existieren vor allem in einem “reaktiven Saum”, der den aeroben Bereich umschließt, da hier die Sauerstoffkonzentration niedrig und ausreichend Kohlenstoff verfügbar ist. Die Raten und die Effizienz der aeroben und anaeroben Reaktionen hängen vor allem von dem für die Reaktionen verfügbaren Raum sowie den Verweilzeiten der Stoffe in der hyporheischen Zone ab. Beide Parameter werden von der Wechselwirkung zwischen den hydraulischen Gradienten entlang des Flussbettes und dem Gradienten zwischen Fluss- und Grundwasser kontrolliert. Die höchsten Zehrraten werden unter neutralen Bedingungen erreicht, wenn die Menge der infiltrierenden gelösten Stoffe am höchsten ist, die längsten Verweilzeiten auftreten und die hyporheische Zone die größte Ausbreitung aufweist. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die untersuchten Flussbettstrukturen ein bedeutendes Potential für den Umsatz von Wasserinhaltsstoffen haben können, wodurch ein guter Status des aquatischen Ökosystems gefördert wird. KW - hyporheic zone KW - denitrification KW - streambed morphology KW - Computational Fluid Dynamics (CFD) KW - reactive transport groundwater model KW - hyporheische Zone KW - Denitrifikation KW - Flussbettmorphologie KW - numerische Strömungsmechanik KW - reaktives Grundwassermodell Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82748 ER - TY - THES A1 - Kütter, Sissy T1 - Magnetotelluric measurements across the southern Barberton Greenstone Belt, South Africa T1 - Magnetotellurische Messungen am südlichen Barberton Grünsteingürtel, Südafrika N2 - Der Barberton Grünsteingürtel (BGB) in Südafrika gehört zu den wenigen Regionen mit noch gut erhaltener Archaischer Kruste. Seit Jahrhunderten wurde der BGB eingehend untersucht und seine geologischen und tektonischen Strukturen detailliert kartiert. Über die tiefere Struktur des BGB ist hingegen wenig bekannt. Zahlreiche Evolutionsmodelle, die auf Altersbestimmungsdaten und strukturellen Informationen beruhen wurden über die Jahre aufgestellt. Diese Theorien sind zumeist widersprüchlich. Sie konzentrieren sich im Wesentlichen auf die Frage, ob plattentektonische Prozesse bereits bei der Entwicklung der frühen Erde eine Rolle spielten oder ob vertikale Tektonik, angetrieben durch die im Archaikum höheren Temperaturen, die Bildung der heutigen Kontinente bestimmt hat. Um neue Erkenntnisse über die interne Struktur und Entwicklungsgeschichte des BGB zu erhalten, wurden im Rahmen der Deutsch-Südafrikanischen Forschungsinitiative Inkaba yeAfrica magnetotellurische (MT) Messungen durchgeführt. Entlang von sechs Profilen, die den gesamten südlichen Teil des BGB’s überdecken, wurden nahezu 200 MT-Stationen installiert. Tektonische Strukturen wie z. B. (fossile) Verwerfungszonen können erhöhte Leitfähigigkeiten haben, wenn sich leitfähige Mineralisationen innerhalb der Scherzonen gebildet haben. Durch die Abbildung der elektrischen Leitfähigkeitsverteilung des Untergrundes mit Hilfe von MT Messungen kann der Verlauf tektonischer Strukturen nachvollzogen werden, woraus Schlüsse über möglicherweise abgelaufene tektonische Prozesse gezogen werden können. Der gesamte MT Datensatz weist starke Störeinflüsse durch künstliche elektromagnetische Signale auf, die bspw. von Stromleitungen und elektrischen Zäunen stammen. Insbesondere langperiodische Daten (>1 s) sind davon betroffen, die für die Auflösung tieferer Strukturen notwendig sind. Die Anwendung etablierter Ansätze wie Verschiebungsfiltern und der Remote Reference-Methode, führte zu Verbesserungen vorrangig für Perioden < 1 s. Der langperiodische Bereich ist durch impulsartige Störsignale in den magnetischen und dazugehörigen Stufen in den elektrischen Feldkomponenten geprägt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiger Zeitbereichs-Filter entwickelt, welcher auf einer abgewandelten Form des Wiener Filters beruht und diese Art von Störsignalen aus den Daten entfernt. Durch den Vergleich der Datenvarianz einer lokalen Station mit der einer Referenzstation können gestörte Zeitsegmente identifiziert werden. Anschließend wird ein Wiener-Filter-Algorithmus angewendet, um für diese Segmente mithilfe der Referenzdaten physikalisch sinnvolle Zeitreihen zu berechnen, mit denen die Daten der lokalen Station ersetzt werden. Während impulsartige Störsignale in den magnetischen Datenkanälen relativ einfach erfasst werden können, ist die Detektion von Versätzen in den elektrischen Zeitreihen je nach Versatzhöhe problematischer. Um dieses Problem zu umgehen, habe ich einen Algorithmus entwickelt, bei dem die Zeitreihen differenziert, gefiltert und im letzten Schritt integriert werden. In einer zweiten von mir entwickelten Filtermethode werden die Störsignale durch den Vergleich des kurzzeitigen und des langzeitigen Datenmittelwerts ausfindig gemacht. Bei diesem Filter werden die Störsignale aus den Zeitreihen entfernt und durch eine lineare Interpolation ersetzt. Durch die beiden Filtermethoden wurde eine deutliche Verbesserung der Datenqualität bis zu 10 und teilweise 100 s erreicht. Zur Interpretation des MT-Datensatzes wurden 2D und 3D Inversionen durchgeführt. Die so erhaltenen elektrischen Leitfähigkeitsmodelle zeigen eine gute Übereinstimmung mit den kartierten, geologischen Strukturen. Die Gesteine des BGB weisen in den Modellen hohe Widerstände auf und sind deutlich von leitfähigen benachbarten geologischen Strukturen abgegrenzt. Verwerfungszonen korrelieren mit leitfähigen Strukturen, die sich bis in eine Tiefe von 5 bis 10 km erstrecken. Eine Fortsetzung der Verwerfungszonen über die südliche Grenze des BGB wird in den 2D-Ergebnissen angedeutet. Insgesamt zeigen die Inversionsmodelle, dass vermutlich sowohl plattentektonische als auch vertikaltektonische Prozesse bei der Entstehung des BGB eine wichtige Rolle spielten. N2 - The Barberton Greenstone Belt (BGB) in the northwestern part of South Africa belongs to the few well-preserved remnants of Archean crust. Over the last centuries, the BGB has been intensively studied at surface with detailed mapping of its surfacial geological units and tectonic features. Nevertheless, the deeper structure of the BGB remains poorly understood. Various tectonic evolution models have been developed based on geo-chronological and structural data. These theories are highly controversial and centre on the question whether plate tectonics - as geoscientists understand them today - was already evolving on the Early Earth or whether vertical mass movements driven by the higher temperature of the Earth in Archean times governed continent development. To get a step closer to answering the questions regarding the internal structure and formation of the BGB, magnetotelluric (MT) field experiments were conducted as part of the German-South African research initiative Inkaba yeAfrica. Five-component MT data (three magnetic and two electric channels) were collected at ~200 sites aligned along six profiles crossing the southern part of the BGB. Tectonic features like (fossil) faults and shear zones are often mineralized and therefore can have high electrical conductivities. Hence, by obtaining an image of the conductivity distribution of the subsurface from MT measurements can provide useful information on tectonic processes. Unfortunately, the BGB MT data set is heavily affected by man-made electromagnetic noise caused, e.g. by powerlines and electric fences. Aperiodic spikes in the magnetic and corresponding offsets in the electric field components impair the data quality particularly at periods >1 s which are required to image deep electrical structures. Application of common methods for noise reduction like delay filtering and remote reference processing, only worked well for periods <1 s. Within the framework of this thesis two new filtering approaches were developed to handle the severe noise in long period data and obtain reliable processing results. The first algorithm is based on the Wiener filter in combination with a spike detection algorithm. Comparison of data variances of a local site with those of a reference site allows the identification of disturbed time series windows for each recorded channel at the local site. Using the data of the reference site, a Wiener filter algorithm is applied to predict physically meaningful data to replace the disturbed windows. While spikes in the magnetic channels are easily recognized and replaced, steps in the electric channels are more difficult to detect depending on their offset. Therefore, I have implemented a novel approach based on time series differentiation, noise removal and subsequent integration to overcome this obstacle. A second filtering approach where spikes and steps in the time series are identified using a comparison of the short and long time average of the data was also implemented as part of my thesis. For this filtering approach the noise in the form of spikes and offsets in the data is treated by an interpolation of the affected data samples. The new developments resulted in a substantial data improvement and allowed to gain one to two decades of data (up to 10 or 100 s). The re-processed MT data were used to image the electrical conductivity distribution of the BGB by 2D and 3D inversion. Inversion models are in good agreement with the surface geology delineating the highly resistive rocks of the BGB from surrounding more conductive geological units. Fault zones appear as conductive structures and can be traced to depths of 5 to 10 km. 2D models suggest a continuation of the faults further south across the boundary of the BGB. Based on the shallow tectonic structures (fault system) within the BGB compared to deeply rooted resistive batholiths in the area, tectonic models including both vertical mass transport and in parts present-day style plate tectonics seem to be most likely for the evolution of the BGB. KW - Magnetotellurik KW - magnetotellurics KW - Zeitreihenanalyse KW - time series analysis KW - Datenfilter KW - data filtering KW - Paläotektonik KW - early earth tectonics Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-83198 ER - TY - THES A1 - Chen, Xiaoming T1 - Two-dimensional constrained anisotropic inversion of magnetotelluric data T1 - Zweidimensionale constrained anisotrope Inversion von magnetotellurischen Daten N2 - Tectonic and geological processes on Earth often result in structural anisotropy of the subsurface, which can be imaged by various geophysical methods. In order to achieve appropriate and realistic Earth models for interpretation, inversion algorithms have to allow for an anisotropic subsurface. Within the framework of this thesis, I analyzed a magnetotelluric (MT) data set taken from the Cape Fold Belt in South Africa. This data set exhibited strong indications for crustal anisotropy, e.g. MT phases out of the expected quadrant, which are beyond of fitting and interpreting with standard isotropic inversion algorithms. To overcome this obstacle, I have developed a two-dimensional inversion method for reconstructing anisotropic electrical conductivity distributions. The MT inverse problem represents in general a non-linear and ill-posed minimization problem with many degrees of freedom: In isotropic case, we have to assign an electrical conductivity value to each cell of a large grid to assimilate the Earth's subsurface, e.g. a grid with 100 x 50 cells results in 5000 unknown model parameters in an isotropic case; in contrast, we have the sixfold in an anisotropic scenario where the single value of electrical conductivity becomes a symmetric, real-valued tensor while the number of the data remains unchanged. In order to successfully invert for anisotropic conductivities and to overcome the non-uniqueness of the solution of the inverse problem it is necessary to use appropriate constraints on the class of allowed models. This becomes even more important as MT data is not equally sensitive to all anisotropic parameters. In this thesis, I have developed an algorithm through which the solution of the anisotropic inversion problem is calculated by minimization of a global penalty functional consisting of three entries: the data misfit, the model roughness constraint and the anisotropy constraint. For comparison, in an isotropic approach only the first two entries are minimized. The newly defined anisotropy term is measured by the sum of the square difference of the principal conductivity values of the model. The basic idea of this constraint is straightforward. If an isotropic model is already adequate to explain the data, there is no need to introduce electrical anisotropy at all. In order to ensure successful inversion, appropriate trade-off parameters, also known as regularization parameters, have to be chosen for the different model constraints. Synthetic tests show that using fixed trade-off parameters usually causes the inversion to end up by either a smooth model with large RMS error or a rough model with small RMS error. Using of a relaxation approach on the regularization parameters after each successful inversion iteration will result in smoother inversion model and a better convergence. This approach seems to be a sophisticated way for the selection of trade-off parameters. In general, the proposed inversion method is adequate for resolving the principal conductivities defined in horizontal plane. Once none of the principal directions of the anisotropic structure is coincided with the predefined strike direction, only the corresponding effective conductivities, which is the projection of the principal conductivities onto the model coordinate axes direction, can be resolved and the information about the rotation angles is lost. In the end the MT data from the Cape Fold Belt in South Africa has been analyzed. The MT data exhibits an area (> 10 km) where MT phases over 90 degrees occur. This part of data cannot be modeled by standard isotropic modeling procedures and hence can not be properly interpreted. The proposed inversion method, however, could not reproduce the anomalous large phases as desired because of losing the information about rotation angles. MT phases outside the first quadrant are usually obtained by different anisotropic anomalies with oblique anisotropy strike. In order to achieve this challenge, the algorithm needs further developments. However, forward modeling studies with the MT data have shown that surface highly conductive heterogeneity in combination with a mid-crustal electrically anisotropic zone are required to fit the data. According to known geological and tectonic information the mid-crustal zone is interpreted as a deep aquifer related to the fractured Table Mountain Group rocks in the Cape Fold Belt. N2 - Tektonische und geologische Prozesse verursachen häufig eine strukturelle Anisotropie des Untergrundes, welche von verschiedenen geophysikalischen Methoden beobachtet werden kann. Zur Erstellung und Interpretation geeigneter, realistischer Modelle der Erde sind Inversionsalgorithmen notwendig, die einen anisotropen Untergrund einbeziehen können. Für die vorliegende Arbeit habe ich einen magnetotellurischen (MT) Datensatz vom Cape Fold Gürtel in Südafrika untersucht. Diese Daten weisen auf eine ausgeprägte Anisotropie der Kruste hin, da z.B. die MT Phasen außerhalb des erwarteten Quadranten liegen und nicht durch standardisierte isotrope Inversionsalgorithmen angepasst und ausgewertet werden können. Um dieses Problem zu beheben, habe ich eine zweidimensionale Inversionsmethode entwickelt, welche eine anisotrope elektrische Leitfähigkeitsverteilungen in den Modellen zulässt. Die MT Inversion ist im allgemeinen ein nichtlineares, schlecht gestelltes Minimierungsproblem mit einer hohen Anzahl an Freiheitsgraden. Im isotropen Fall wird jeder Gitterzelle eines Modells ein elektrischer Leitfähigkeitswert zugewiesen um den Erduntergrund nachzubilden. Ein Modell mit beispielsweise 100 x 50 Zellen besitzt 5000 unbekannte Modellparameter. Im Gegensatz dazu haben wir im anisotropen Fall die sechsfache Anzahl, da hier aus dem einfachen Zahlenwert der elektrischen Leitfähigkeit ein symmetrischer, reellwertiger Tensor wird, wobei die Anzahl der Daten gleich bleibt. Für die erfolgreiche Inversion von anisotropen Leitfähigkeiten und um die Nicht-Eindeutigkeit der Lösung des inversen Problems zu überwinden, ist eine geeignete Einschränkung der möglichen Modelle absolut notwendig. Dies wird umso wichtiger, da die Sensitivität von MT Daten nicht für alle Anisotropieparameter gleich ist. In der vorliegenden Arbeit habe ich einen Algorithmus entwickelt, welcher die Lösung des anisotropen Inversionsproblems unter Minimierung einer globalen Straffunktion berechnet. Diese besteht aus drei Teilen: der Datenanpassung, den Zusatzbedingungen an die Glätte des Modells und die Anisotropie. Im Gegensatz dazu werden beim isotropen Fall nur die ersten zwei Parameter minimiert. Der neu definierte Anisotropieterm wird mit Hilfe der Summe der quadratischen Abweichung der Hauptleitfähigkeitswerte des Modells gemessen. Die grundlegende Idee dieser Zusatzbedingung ist einfach. Falls ein isotropes Modell die Daten ausreichend gut anpassen kann, wird keine elektrische Anisotropie zusätzlich in das Modell eingefügt. Um eine erfolgreiche Inversion zu garantieren müssen geeignete Regularisierungsparameter für die verschiedenen Nebenbedingungen an das Modell gewählt werden. Tests mit synthetischen Modellen zeigen, dass bei festgesetzten Regularisierungsparametern die Inversion meistens entweder in einem glatten Modell mit hohem RMS Fehler oder einem groben Modell mit kleinem RMS Fehler endet. Die Anwendung einer Relaxationsbedingung auf die Regularisierung nach jedem Iterationsschritt resultiert in glatteren Inversionsmodellen und einer höheren Konvergenz und scheint ein ausgereifter Weg zur Wahl der Parameter zu sein. Die vorgestellte Inversionsmethode ist im allgemeinen in der Lage die Hauptleitfähigkeiten in der horizontalen Ebene zu finden. Wenn keine der Hauptrichtungen der Anisotropiestruktur mit der vorgegebenen Streichrichtung übereinstimmt, können nur die dazugehörigen effektiven Leitfähigkeiten, welche die Projektion der Hauptleitfähigkeiten auf die Koordinatenachsen des Modells darstellen, aufgelöst werden. Allerdings gehen die Informationen über die Rotationswinkel verloren. Am Ende meiner Arbeit werden die MT Daten des Cape Fold Gürtels in Südafrika analysiert. Die MT Daten zeigen in einem Abschnitt des Messprofils (> 10 km) Phasen über 90 Grad. Dieser Teil der Daten kann nicht mit herkömmlichen isotropen Modellierungsverfahren angepasst und daher mit diesen auch nicht vollständig ausgewertet werden. Die vorgestellte Inversionsmethode konnte die außergewöhnlich hohen Phasenwerte nicht wie gewünscht im Inversionsergebnis erreichen, was mit dem erwähnten Informationsverlust der Rotationswinkel begründet werden kann. MT Phasen außerhalb des ersten Quadranten können für gewöhnlich bei Anomalien mit geneigter Streichrichtung der Anisotropie gemessen werden. Um diese auch in den Inversionsergebnissen zu erreichen ist eine Weiterentwicklung des Algorithmus notwendig. Vorwärtsmodellierungen des MT Datensatzes haben allerdings gezeigt, dass eine hohe Leitfähigkeitsheterogenität an der Oberfläche in Kombination mit einer Zone elektrischer Anisotropie in der mittleren Kruste notwendig sind um die Daten anzupassen. Aufgrund geologischer und tektonischer Informationen kann diese Zone in der mittleren Kruste als tiefer Aquifer interpretiert werden, der im Zusammenhang mit den zerrütteten Gesteinen der Table Mountain Group des Cape Fold Gürtels steht. KW - Magnetotellurik KW - Anisotrope Inversion KW - Regularisierung KW - Anisotropie der Leitfähigkeit KW - magnetotelluric KW - anisotropic inversion KW - regularization KW - conductivity anisotropy Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63163 ER - TY - THES A1 - Brill, Fabio Alexander T1 - Applications of machine learning and open geospatial data in flood risk modelling N2 - Der technologische Fortschritt erlaubt es, zunehmend komplexe Vorhersagemodelle auf Basis immer größerer Datensätze zu produzieren. Für das Risikomanagement von Naturgefahren sind eine Vielzahl von Modellen als Entscheidungsgrundlage notwendig, z.B. in der Auswertung von Beobachtungsdaten, für die Vorhersage von Gefahrenszenarien, oder zur statistischen Abschätzung der zu erwartenden Schäden. Es stellt sich also die Frage, inwiefern moderne Modellierungsansätze wie das maschinelle Lernen oder Data-Mining in diesem Themenbereich sinnvoll eingesetzt werden können. Zusätzlich ist im Hinblick auf die Datenverfügbarkeit und -zugänglichkeit ein Trend zur Öffnung (open data) zu beobachten. Thema dieser Arbeit ist daher, die Möglichkeiten und Grenzen des maschinellen Lernens und frei verfügbarer Geodaten auf dem Gebiet der Hochwasserrisikomodellierung im weiteren Sinne zu untersuchen. Da dieses übergeordnete Thema sehr breit ist, werden einzelne relevante Aspekte herausgearbeitet und detailliert betrachtet. Eine prominente Datenquelle im Bereich Hochwasser ist die satellitenbasierte Kartierung von Überflutungsflächen, die z.B. über den Copernicus Service der Europäischen Union frei zur Verfügung gestellt werden. Große Hoffnungen werden in der wissenschaftlichen Literatur in diese Produkte gesetzt, sowohl für die akute Unterstützung der Einsatzkräfte im Katastrophenfall, als auch in der Modellierung mittels hydrodynamischer Modelle oder zur Schadensabschätzung. Daher wurde ein Fokus in dieser Arbeit auf die Untersuchung dieser Flutmasken gelegt. Aus der Beobachtung, dass die Qualität dieser Produkte in bewaldeten und urbanen Gebieten unzureichend ist, wurde ein Verfahren zur nachträglichenVerbesserung mittels maschinellem Lernen entwickelt. Das Verfahren basiert auf einem Klassifikationsalgorithmus der nur Trainingsdaten von einer vorherzusagenden Klasse benötigt, im konkreten Fall also Daten von Überflutungsflächen, nicht jedoch von der negativen Klasse (trockene Gebiete). Die Anwendung für Hurricane Harvey in Houston zeigt großes Potenzial der Methode, abhängig von der Qualität der ursprünglichen Flutmaske. Anschließend wird anhand einer prozessbasierten Modellkette untersucht, welchen Einfluss implementierte physikalische Prozessdetails auf das vorhergesagte statistische Risiko haben. Es wird anschaulich gezeigt, was eine Risikostudie basierend auf etablierten Modellen leisten kann. Solche Modellketten sind allerdings bereits für Flusshochwasser sehr komplex, und für zusammengesetzte oder kaskadierende Ereignisse mit Starkregen, Sturzfluten, und weiteren Prozessen, kaum vorhanden. Im vierten Kapitel dieser Arbeit wird daher getestet, ob maschinelles Lernen auf Basis von vollständigen Schadensdaten einen direkteren Weg zur Schadensmodellierung ermöglicht, der die explizite Konzeption einer solchen Modellkette umgeht. Dazu wird ein staatlich erhobener Datensatz der geschädigten Gebäude während des schweren El Niño Ereignisses 2017 in Peru verwendet. In diesem Kontext werden auch die Möglichkeiten des Data-Mining zur Extraktion von Prozessverständnis ausgelotet. Es kann gezeigt werden, dass diverse frei verfügbare Geodaten nützliche Informationen für die Gefahren- und Schadensmodellierung von komplexen Flutereignissen liefern, z.B. satellitenbasierte Regenmessungen, topographische und hydrographische Information, kartierte Siedlungsflächen, sowie Indikatoren aus Spektraldaten. Zudem zeigen sich Erkenntnisse zu den Schädigungsprozessen, die im Wesentlichen mit den vorherigen Erwartungen in Einklang stehen. Die maximale Regenintensität wirkt beispielsweise in Städten und steilen Schluchten stärker schädigend, während die Niederschlagssumme in tiefliegenden Flussgebieten und bewaldeten Regionen als aussagekräftiger befunden wurde. Ländliche Gebiete in Peru weisen in der präsentierten Studie eine höhere Vulnerabilität als die Stadtgebiete auf. Jedoch werden auch die grundsätzlichen Grenzen der Methodik und die Abhängigkeit von spezifischen Datensätzen and Algorithmen offenkundig. In der übergreifenden Diskussion werden schließlich die verschiedenen Methoden – prozessbasierte Modellierung, prädiktives maschinelles Lernen, und Data-Mining – mit Blick auf die Gesamtfragestellungen evaluiert. Im Bereich der Gefahrenbeobachtung scheint eine Fokussierung auf neue Algorithmen sinnvoll. Im Bereich der Gefahrenmodellierung, insbesondere für Flusshochwasser, wird eher die Verbesserung von physikalischen Modellen, oder die Integration von prozessbasierten und statistischen Verfahren angeraten. In der Schadensmodellierung fehlen nach wie vor die großen repräsentativen Datensätze, die für eine breite Anwendung von maschinellem Lernen Voraussetzung ist. Daher ist die Verbesserung der Datengrundlage im Bereich der Schäden derzeit als wichtiger einzustufen als die Auswahl der Algorithmen. N2 - Technological progress allows for producing ever more complex predictive models on the basis of increasingly big datasets. For risk management of natural hazards, a multitude of models is needed as basis for decision-making, e.g. in the evaluation of observational data, for the prediction of hazard scenarios, or for statistical estimates of expected damage. The question arises, how modern modelling approaches like machine learning or data-mining can be meaningfully deployed in this thematic field. In addition, with respect to data availability and accessibility, the trend is towards open data. Topic of this thesis is therefore to investigate the possibilities and limitations of machine learning and open geospatial data in the field of flood risk modelling in the broad sense. As this overarching topic is broad in scope, individual relevant aspects are identified and inspected in detail. A prominent data source in the flood context is satellite-based mapping of inundated areas, for example made openly available by the Copernicus service of the European Union. Great expectations are directed towards these products in scientific literature, both for acute support of relief forces during emergency response action, and for modelling via hydrodynamic models or for damage estimation. Therefore, a focus of this work was set on evaluating these flood masks. From the observation that the quality of these products is insufficient in forested and built-up areas, a procedure for subsequent improvement via machine learning was developed. This procedure is based on a classification algorithm that only requires training data from a particular class to be predicted, in this specific case data of flooded areas, but not of the negative class (dry areas). The application for hurricane Harvey in Houston shows the high potential of this method, which depends on the quality of the initial flood mask. Next, it is investigated how much the predicted statistical risk from a process-based model chain is dependent on implemented physical process details. Thereby it is demonstrated what a risk study based on established models can deliver. Even for fluvial flooding, such model chains are already quite complex, though, and are hardly available for compound or cascading events comprising torrential rainfall, flash floods, and other processes. In the fourth chapter of this thesis it is therefore tested whether machine learning based on comprehensive damage data can offer a more direct path towards damage modelling, that avoids explicit conception of such a model chain. For that purpose, a state-collected dataset of damaged buildings from the severe El Niño event 2017 in Peru is used. In this context, the possibilities of data-mining for extracting process knowledge are explored as well. It can be shown that various openly available geodata sources contain useful information for flood hazard and damage modelling for complex events, e.g. satellite-based rainfall measurements, topographic and hydrographic information, mapped settlement areas, as well as indicators from spectral data. Further, insights on damaging processes are discovered, which mainly are in line with prior expectations. The maximum intensity of rainfall, for example, acts stronger in cities and steep canyons, while the sum of rain was found more informative in low-lying river catchments and forested areas. Rural areas of Peru exhibited higher vulnerability in the presented study compared to urban areas. However, the general limitations of the methods and the dependence on specific datasets and algorithms also become obvious. In the overarching discussion, the different methods – process-based modelling, predictive machine learning, and data-mining – are evaluated with respect to the overall research questions. In the case of hazard observation it seems that a focus on novel algorithms makes sense for future research. In the subtopic of hazard modelling, especially for river floods, the improvement of physical models and the integration of process-based and statistical procedures is suggested. For damage modelling the large and representative datasets necessary for the broad application of machine learning are still lacking. Therefore, the improvement of the data basis in the field of damage is currently regarded as more important than the selection of algorithms. KW - flood risk KW - machine learning KW - open data KW - damage modelling KW - data-mining KW - Schadensmodellierung KW - Data-Mining KW - Hochwasserrisiko KW - maschinelles Lernen KW - offene Daten Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-555943 ER - TY - THES A1 - Stagl, Judith C. T1 - Ecosystems' exposure to climate change - Modeling as support for nature conservation management Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Förster, Saskia T1 - An analysis of hydraulic, environmental and economic impacts of flood polder management at the Elbe River T1 - Analyse von hydraulischen, ökologischen und ökonomischen Auswirkungen des Flutpoldermanagements an der Elbe N2 - Flood polders are part of the flood risk management strategy for many lowland rivers. They are used for the controlled storage of flood water so as to lower peak discharges of large floods. Consequently, the flood hazard in adjacent and downstream river reaches is decreased in the case of flood polder utilisation. Flood polders are usually dry storage reservoirs that are typically characterised by agricultural activities or other land use of low economic and ecological vulnerability. The objective of this thesis is to analyse hydraulic, environmental and economic impacts of the utilisation of flood polders in order to draw conclusions for their management. For this purpose, hydrodynamic and water quality modelling as well as an economic vulnerability assessment are employed in two study areas on the Middle Elbe River in Germany. One study area is an existing flood polder system on the tributary Havel, which was put into operation during the Elbe flood in summer 2002. The second study area is a planned flood polder, which is currently in the early planning stages. Furthermore, numerical models of different spatial dimensionality, ranging from zero- to two-dimensional, are applied in order to evaluate their suitability for hydrodynamic and water quality simulations of flood polders in regard to performance and modelling effort. The thesis concludes with overall recommendations on the management of flood polders, including operational schemes and land use. In view of future changes in flood frequency and further increasing values of private and public assets in flood-prone areas, flood polders may be effective and flexible technical flood protection measures that contribute to a successful flood risk management for large lowland rivers. N2 - Flutpolder werden zum gezielten Rückhalt von Wasser eingesetzt, um Spitzenabflüsse von großen Hochwassern zu senken. Dadurch wird im Falle des Flutpoldereinsatzes die Hochwassergefährdung für flussab gelegene Flussabschnitte verringert. Flutpolder sind meist trockene Staubecken, die typischerweise durch landwirtschaftliche Nutzung gekennzeichnet sind. Ziel der Dissertation ist die Analyse von hydraulischen, ökologischen und ökonomischen Auswirkungen des Einsatzes von Flutpoldern, um daraus Schlussfolgerungen für ihre Bewirtschaftung zu ziehen. Dazu werden numerische Modelle zur Simulation der Hydrodynamik und Wassergüte sowie ein landwirtschaftliches Schadenmodell gemeinsam in einem integrativen Ansatz eingesetzt. Ein Untersuchungsgebiet ist ein existierendes Flutpoldersystem am Nebenfluss Havel, welches während der Elbeflut im Sommer 2002 zum Einsatz kam. Das zweite Untersuchungsgebiet ist ein geplanter Flutpolder, welcher sich bisher noch in einem frühen Planungsstadium befindet. Darüber hinaus werden numerische Modelle verschiedener räumlicher Dimensionalität von null- bis zwei-dimensional angewandt, um ihre Eignung für hydrodynamische und Wassergütesimulationen von Flutpoldern hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und des Modellierungsaufwands zu bewerten. Die Dissertation schließt mit übergreifenden Empfehlungen zur Bewirtschaftung von Flutpoldern einschließlich Kontrollstrategien und Landnutzung ab. Im Hinblick auf zukünftige Änderungen in der Auftretenshäufigkeit von Hochwassern und weiterhin ansteigenden Werten von privatem und öffentlichem Vermögen in überflutungsgefährdeten Gebieten stellen Flutpolder ein effektive und flexible Maßnahmen des technischen Hochwasserschutzes dar, welche zu einem erfolgreichen Hochwasserrisikomanagement großer Tieflandflüsse beitragen. KW - Flutpolder KW - Elbe KW - hydrodynamische Simulation KW - Wassergütesimulation KW - Schadenabschätzung KW - Modellkomplexität KW - Flood polders KW - Elbe River KW - hydrodynamic modelling KW - water quality modelling KW - damage estimation KW - model complexity Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-27260 ER - TY - THES A1 - Kriegerowski, Marius T1 - Development of waveform-based, automatic analysis tools for the spatio-temporal characterization of massive earthquake clusters and swarms N2 - Earthquake swarms are characterized by large numbers of events occurring in a short period of time within a confined source volume and without significant mainshock aftershock pattern as opposed to tectonic sequences. Intraplate swarms in the absence of active volcanism usually occur in continental rifts as for example in the Eger Rift zone in North West Bohemia, Czech Republic. A common hypothesis links event triggering to pressurized fluids. However, the exact causal chain is often poorly understood since the underlying geotectonic processes are slow compared to tectonic sequences. The high event rate during active periods challenges standard seismological routines as these are often designed for single events and therefore costly in terms of human resources when working with phase picks or computationally costly when exploiting full waveforms. This methodological thesis develops new approaches to analyze earthquake swarm seismicity as well as the underlying seismogenic volume. It focuses on the region of North West (NW) Bohemia, a well studied, well monitored earthquake swarm region. In this work I develop and test an innovative approach to detect and locate earthquakes using deep convolutional neural networks. This technology offers great potential as it allows to efficiently process large amounts of data which becomes increasingly important given that seismological data storage grows at increasing pace. The proposed deep neural network trained on NW Bohemian earthquake swarm records is able to locate 1000 events in less than 1 second using full waveforms while approaching precision of double difference relocated catalogs. A further technological novelty is that the trained filters of the deep neural network’s first layer can be repurposed to function as a pattern matching event detector without additional training on noise datasets. For further methodological development and benchmarking, I present a new toolbox to generate realistic earthquake cluster catalogs as well as synthetic full waveforms of those clusters in an automated fashion. The input is parameterized using constraints on source volume geometry, nucleation and frequency-magnitude relations. It harnesses recorded noise to produce highly realistic synthetic data for benchmarking and development. This tool is used to study and assess detection performance in terms of magnitude of completeness Mc of a full waveform detector applied to synthetic data of a hydrofracturing experiment at the Wysin site, Poland. Finally, I present and demonstrate a novel approach to overcome the masking effects of wave propagation between earthquake and stations and to determine source volume attenuation directly in the source volume where clustered earthquakes occur. The new event couple spectral ratio approach exploits high frequency spectral slopes of two events sharing the greater part of their rays. Synthetic tests based on the toolbox mentioned before show that this method is able to infer seismic wave attenuation within the source volume at high spatial resolution. Furthermore, it is independent from the distance towards a station as well as the complexity of the attenuation and velocity structure outside of the source volume of swarms. The application to recordings of the NW Bohemian earthquake swarm shows increased P phase attenuation within the source volume (Qp < 100) based on results at a station located close to the village Luby (LBC). The recordings of a station located in epicentral proximity, close to Nový Kostel (NKC), show a relatively high complexity indicating that waves arriving at that station experience more scattering than signals recorded at other stations. The high level of complexity destabilizes the inversion. Therefore, the Q estimate at NKC is not reliable and an independent proof of the high attenuation finding given the geometrical and frequency constraints is still to be done. However, a high attenuation in the source volume of NW Bohemian swarms has been postulated before in relation to an expected, highly damaged zone bearing CO 2 at high pressure. The methods developed in the course of this thesis yield the potential to improve our understanding regarding the role of fluids and gases in intraplate event clustering. N2 - Erdbebenschwärme zeichnen sich durch eine große Anzahl an Ereignissen in einem relativ kleinen Zeitraum und Volumen aus. Im Gegensatz zu tektonischen Sequenzen ist in der Regel keine signifikantes Muster von Vor- und Nachbeben erkennbar. In Abwesenheit aktiven Vulkanismusses, kommen Erdbebenschwärme innerhalb kontinentaler Platten häufg an kontinentalen Verwerfungen vor, wie Beispielsweise im Bereich des Egergrabens im nordböhmischen Becken (Tschechien). Eine übliche Hypothese verbindet den Erdbebenentstehungsprozess mit Hochdruckfluiden. Der exakte kausale Zusammenhang ist jedoch häufig enigmatisch, da die zugrundeliegenden geotektonischen Prozesse im Vergleich zu tektonischen Sequenzen relativ langsam sind. Die hohe Erdbebenrate während aktiver Phasen stellt hohe Anforderungen an etablierte seismologische Routinen da diese häufg für Einzelereignisse konzipiert sind. So können sie einen hohen Aufwand bei manueller Selektion seismischer Phasen (picking) bedeuten oder rechenerisch aufwändig sein wenn volle Wellenformen verarbeitet werden sollen. Im Rahmen dieser methodologischen Thesis werden neue Ansätze zur Analyse seismischer Schwärme, sowie des zugrundeliegenden seismogenen Volumens entwickelt. Der Fokus liegt hierbei auf der gut untersuchten und überwachten nordböhmischen Schwarmregion. Ich entwickle und teste in dieser Arbeit einen innovativen Ansatz zur Detektion und Lokalisation von Erdbeben basierend auf einem tiefen konvolvierenden neuronalen Netzwerk. Diese Technologie bietet großes Potential da sie es erlaubt große Datenmengen effizient zu verarbeiten was durch die zunehmenden Datenmengen seismologischer Datenzentren immer weiter an Bedeutung gewinnt. Das entwickelte tiefe neuronale Netzwerk, trainiert auf Aufnahmen nordböhmischer Erdbebenschwärme, ist in der Lage 1000 Eregnisse in weniger als 1 Sekunde bei Verwendung voller Wellenformen zu lokalisieren und erreicht eine Präzision die vergleichbar ist mit der Genauigkeit eines Katalogs, der mittels Doppelte Differenzen Methode relokalisiert wurde. Eine weitere technologische Neuheit ist, dass die trainierten Filter der ersten Schicht des tiefen neuronalen Netzwerkes als Mustererkennungsfilter umfunktioniert werden und damit als Ereignisdetektor dienen können, ohne, dass zuvor explizit auf Rauschdaten trainiert werden muss. Für die weitere technologische Entwicklung stelle ich ein neues, automatisiertes Werkzeug für die synthetisierung realistischer Erdbebenschwarmkataloge, sowie hierauf basierender synthetischer voller Wollenform vor. Die Eingabeparameter werden durch die Geometrie des Quellvolumens, der Nukleationscharakteristik und Magnitude-Häufigkeitsverteilung definiert. Weiter können Rauschsignale realer Daten verwendet werden um äußerst realistische synthetische Daten zu generieren. Dieses Werkzeug wird verwendet um die Vollständigkeitmagnitude eines Detektors für volle Wellenformen anhand synthetischer Daten zu evaluieren. Die synthetisierten Daten sind Motiviert durch ein Hydrofrackingexperiment in Wysin (Polen). Des Weiteren stelle ich einen neuen Ansatz vor, der die Effekte der Wellenausbreitung zwischen Erdbeben und Stationen ausblendet und die Bestimmung der Dämpfung unmittelbar im Quellvolumen von Schwarmerdbeben erlaubt. Diese neue Methode benutzt das hochfrequente spektrale Verhältnis von Ereignispaaren mit gemeinsamen Strahlenwegen. Synthetische Tests zeigen, dass die Methode in der Lage ist die Dämpfung innerhalb des Quellvolumens mit hoher räumlicher Genauigkeit zu bestimmen. Weiter ist sie im Einzelnen unabhängig von der Entfernung zwischen Ereignis und Station als auch von der Komplexität der Dämpfungs und Geschwindigkeitsstruktur außerhalb des Quellvolumens. Die Anwendung auf Daten des nordböhmischen Erdbebenschwarms zeigt eine erhöhte P Phasen Dämpfung im Quellvolumen (Qp < 100) basierend auf Daten einer Station in der Nähe des Dorfes Luby (LBC). Die Wellenformen einer Station in unmittelbarer epizentraler Nähe, bei Novy Kostel (NKC), weisen eine relativ hohe Komplexität auf, was darauf hindeutet, dass seismische Wellen, die diese Station erreichen relativ stark gestreut werden im Vergleich zu anderen Stationen. Das hohe Maß an Komplexität destabilisiert die Methode und führt zu ungenauen Schätzungen an der Station NKC. Daher bedarf es einer weiteren unabhängigen Validierung der hohen Dämpfung bei gegebenen geometrischen und spektralen Voraussetzungen. Nichtsdestoweniger wurde bereits eine hohe Dämpfung im Quellvolumen der nordböhmischen Schwärme postuliert und erwartet, insbesondere im Zusammenhang mit einer Zone hoher Brüchigkeit die CO2 bei hohen Drücken beinhaltet. Die Methoden die im Rahmen dieser Thesis entwickelt werden haben das Potential unser Verständnis bezüglich der Rolle von Fluiden und Gasen bei Erdbebenschärmen innerhalb kontinentaler Platten zu verbessern. KW - attenuation tomography KW - earthquake swarms KW - deep learning KW - Dämpfungstomographie KW - Erdbebenschwärme KW - tiefes Lernen Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-444040 ER - TY - THES A1 - Sen, Ali Tolga T1 - Inversion of seismic source parameters for weak mining-induced and natural earthquakes T1 - Inversion von seismischen Quellparametern für schwache Bergbau-induzierte und natürliche Erdbeben N2 - The purpose of this thesis is to develop an automated inversion scheme to derive point and finite source parameters for weak earthquakes, here intended with the unusual meaning of earthquakes with magnitudes at the limit or below the bottom magnitude threshold of standard source inversion routines. The adopted inversion approaches entirely rely on existing inversion software, the methodological work mostly targeting the development and tuning of optimized inversion flows. The resulting inversion scheme is tested for very different datasets, and thus allows the discussion on the source inversion problem at different scales. In the first application, dealing with mining induced seismicity, the source parameters determination is addressed at a local scale, with source-sensor distance of less than 3 km. In this context, weak seismicity corresponds to event below magnitude MW 2.0, which are rarely target of automated source inversion routines. The second application considers a regional dataset, namely the aftershock sequence of the 2010 Maule earthquake (Chile), using broadband stations at regional distances, below 300 km. In this case, the magnitude range of the target aftershocks range down to MW 4.0. This dataset is here considered as a weak seismicity case, since the analysis of such moderate seismicity is generally investigated only by moment tensor inversion routines, with no attempt to resolve source duration or finite source parameters. In this work, automated multi-step inversion schemes are applied to both datasets with the aim of resolving point source parameters, both using double couple (DC) and full moment tensor (MT) models, source duration and finite source parameters. A major result of the analysis of weaker events is the increased size of resulting moment tensor catalogues, which interpretation may become not trivial. For this reason, a novel focal mechanism clustering approach is used to automatically classify focal mechanisms, allowing the investigation of the most relevant and repetitive rupture features. The inversion of the mining induced seismicity dataset reveals the repetitive occurrence of similar rupture processes, where the source geometry is controlled by the shape of the mined panel. Moreover, moment tensor solutions indicate a significant contribution of tensile processes. Also the second application highlights some characteristic geometrical features of the fault planes, which show a general consistency with the orientation of the slab. The additional inversion for source duration allowed to verify the empirical correlation for moment normalized earthquakes in subduction zones among a decreasing rupture duration with increasing source depth, which was so far only observed for larger events. N2 - Ziel dieser Dissertation ist es ein automatisches Inversionsschema zur Ableitung von Parametern für Punkt- und finite Quellen von "schwachen" Erdbeben im Sinne von aussergewöhnlich kleinen Erdbeben an oder unterhalb der Magnitudenschwelle für Standard-Inversionsroutinen zu entwickeln. Der verwendete Inversionsansatz baut auf bestehender Inversionssoftware auf, die methodische Arbeit zielt hauptsächlich auf die Entwicklung und das Tuning des optimierten Inversionsablaufs. Das resultierende Inversionsverfahren ist für verschiedene Datensätze getestet und erlaubt somit eine Diskussion über das Herdinversionsproblem auf unterschiedlichen Skalierungen. In der ersten Anwendung, die sich mit induzierter Seismizität in Minen beschäftigt, werden die Herdparameter im lokalen Bereich mit einer Herd-Empfänger Entfernung von weniger als 3 km bestimmt. In diesem Zusammenhang bezieht sich die "schwache" Seismizität auf Ereignisse mit Magnituden unter Mw 2.0, welche sehr selten das Ziel von automatisierten Herdinversionsroutinen sind. Die zweite Anwendung berücksichtigt den regionalen Datensatz der Nachbebesequenz des Maule (Chile) Erdbebens von 2010, aufgezeichnet durch Breitband-Stationen in einer maximalen Entfernung von 300 km. In diesem Fall umfasst der Magnitudenbereich Ereignisse mit Magnituden kleiner als Mw 4.0. Auch dieser Datensatz wird hier als "schwache" Seismizität interpretiert, da die Analyse solch moderater Seismizität normalerweise nur durch Routinen für Momententensorinversion erfolgt, welche keinerlei Auflösung für die Herddauer oder finite Herdparameter beinhaltet. In dieser Arbeit wird ein automatisiertes, mehrstufiges Inversionsverfahren auf beide Datensätze angewendet mit dem Ziel sowohl Punktquellen-Herdparameter für double-couple (DC) und volle Momententensor (MT) Modelle als auch für Herddauer und finite Herdparameter zu bestimmen. Ein Hauptergebnis dieser Analyse von schwachen Ereignissen ist die Vergrößerung von Momententensor-Katalogen, deren Interpretation wichtig werden könnte. Aus diesem Grund wurde ein neuartiger Cluster-Ansatz für Herdmechanismen angewendet um diese automatisch zu klassifizieren, der somit die Untersuchung der wichtigsten und sich wiederholenden Bruchprozessen erlaubt. Die Inversion des Datensatzes von induzierter Seismizität in Minen enthüllt das sich wiederholende Auftreten von ähnlichen Bruchprozessen, wobei die Herdgeometrie von der Form der Minentäfelung kontrolliert wird. Darüber hinaus deuten die Momententensorlösungen einen signifikanten Beitrag von tensilen Prozessen an. Auch die zweite Anwendung zeigt einige charackteristische, geometrische Besonderheiten der Bruchflächen auf, welche prinzipiell konsistent zur Orientierung der subduzierten Platte sind. Die zusätzliche Inversion nach der Herdzeit erlaubt die Verifizierung von empirischen Korrelationen von momentennormalisierten Erdbeben in Subduktionszonen zwischen einer abnehmenden Bruchdauer mit zunehmender Herdtiefe, welche bisher nur für größere Ereignisse beobachtet wurde. KW - Seismologie KW - induzierten Seismizität KW - Quellenumkehr KW - Momententensor KW - Aufenthaltsdauer KW - seismology KW - induced seismicity KW - source inversion KW - moment tensor KW - source duration Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71914 ER - TY - THES A1 - Zeitz, Maria T1 - Modeling the future resilience of the Greenland Ice Sheet T1 - Numerische Modellierung der zukünftigen Resilienz des grönländischen Eisschildes BT - from the flow of ice to the interplay of feedbacks N2 - The Greenland Ice Sheet is the second-largest mass of ice on Earth. Being almost 2000 km long, more than 700 km wide, and more than 3 km thick at the summit, it holds enough ice to raise global sea levels by 7m if melted completely. Despite its massive size, it is particularly vulnerable to anthropogenic climate change: temperatures over the Greenland Ice Sheet have increased by more than 2.7◦C in the past 30 years, twice as much as the global mean temperature. Consequently, the ice sheet has been significantly losing mass since the 1980s and the rate of loss has increased sixfold since then. Moreover, it is one of the potential tipping elements of the Earth System, which might undergo irreversible change once a warming threshold is exceeded. This thesis aims at extending the understanding of the resilience of the Greenland Ice Sheet against global warming by analyzing processes and feedbacks relevant to its centennial to multi-millennial stability using ice sheet modeling. One of these feedbacks, the melt-elevation-feedback is driven by the temperature rise with decreasing altitudes: As the ice sheet melts, its thickness and surface elevation decrease, exposing the ice surface to warmer air and thus increasing the melt rates even further. The glacial isostatic adjustment (GIA) can partly mitigate this melt-elevation feedback as the bedrock lifts in response to an ice load decrease, forming the negative GIA feedback. In my thesis, I show that the interaction between these two competing feedbacks can lead to qualitatively different dynamical responses of the Greenland Ice Sheet to warming – from permanent loss to incomplete recovery, depending on the feedback parameters. My research shows that the interaction of those feedbacks can initiate self-sustained oscillations of the ice volume while the climate forcing remains constant. Furthermore, the increased surface melt changes the optical properties of the snow or ice surface, e.g. by lowering their albedo, which in turn enhances melt rates – a process known as the melt-albedo feedback. Process-based ice sheet models often neglect this melt-albedo feedback. To close this gap, I implemented a simplified version of the diurnal Energy Balance Model, a computationally efficient approach that can capture the first-order effects of the melt-albedo feedback, into the Parallel Ice Sheet Model (PISM). Using the coupled model, I show in warming experiments that the melt-albedo feedback almost doubles the ice loss until the year 2300 under the low greenhouse gas emission scenario RCP2.6, compared to simulations where the melt-albedo feedback is neglected, and adds up to 58% additional ice loss under the high emission scenario RCP8.5. Moreover, I find that the melt-albedo feedback dominates the ice loss until 2300, compared to the melt-elevation feedback. Another process that could influence the resilience of the Greenland Ice Sheet is the warming induced softening of the ice and the resulting increase in flow. In my thesis, I show with PISM how the uncertainty in Glen’s flow law impacts the simulated response to warming. In a flow line setup at fixed climatic mass balance, the uncertainty in flow parameters leads to a range of ice loss comparable to the range caused by different warming levels. While I focus on fundamental processes, feedbacks, and their interactions in the first three projects of my thesis, I also explore the impact of specific climate scenarios on the sea level rise contribution of the Greenland Ice Sheet. To increase the carbon budget flexibility, some warming scenarios – while still staying within the limits of the Paris Agreement – include a temporal overshoot of global warming. I show that an overshoot by 0.4◦C increases the short-term and long-term ice loss from Greenland by several centimeters. The long-term increase is driven by the warming at high latitudes, which persists even when global warming is reversed. This leads to a substantial long-term commitment of the sea level rise contribution from the Greenland Ice Sheet. Overall, in my thesis I show that the melt-albedo feedback is most relevant for the ice loss of the Greenland Ice Sheet on centennial timescales. In contrast, the melt-elevation feedback and its interplay with the GIA feedback become increasingly relevant on millennial timescales. All of these influence the resilience of the Greenland Ice Sheet against global warming, in the near future and on the long term. N2 - Das grönländische Eisschild ist die zweitgrößte Eismasse der Erde. Es fasst genug Eis, um den globalen Meeresspiegel um 7m anzuheben, wenn er vollständig schmilzt. Trotz seiner Größe ist es durch den vom Menschen verursachten Klimawandel immens gefährdet: Die Temperaturen über Grönland sind in den letzten 30 Jahren um mehr als 2,7◦C gestiegen, doppelt so stark wie im globalen Mittel. Daher verliert das Eisschild seit den 1980er Jahren an Masse und die Verlustrate hat sich seitdem versechsfacht. Zudem ist das grönländische Eisschild ein Kippelement des Erdsystems, es könnte sich unwiederbringlich verändern, wenn die globale Erwärmung einen Schwellwert überschreiten sollte. Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis für die Resilienz des grönländischen Eisschildes zu erweitern, indem relevante Rückkopplungen und Prozesse analysiert werden. Eine dieser Rückkopplungen, die positive Schmelz-Höhen-Rückkopplung wird durch den Temperaturanstieg bei abnehmender Höhe angetrieben: Wenn der Eisschild schmilzt, nehmen seine Dicke und die Oberflächenhöhe ab, wodurch die Eisoberfläche wärmerer Luft ausgesetzt wird und die Schmelzraten noch weiter ansteigen. Die glaziale isostatische Anpassung (GIA) kann die Schmelz-Höhen-Rückkopplung teilweise abschwächen, da sich der Erdmantel als Reaktion auf die abnehmende Eislast hebt und so die negative GIA-Rückkopplung bildet. Ich zeige, dass die Interaktion zwischen diesen beiden konkurrierenden Rückkopplungen zu qualitativ unterschiedlichem dynamischen Verhalten des grönländischen Eisschildes bei Erwärmung führen kann - von permanentem Verlust bis hin zu unvollständiger Erholung. Das Zusammenspiel dieser Rückkopplungen kann zudem Oszillationen des Eisvolumens in einem konstanten Klima auslösen. Die verstärkte Oberflächenschmelze ändert die optischen Eigenschaften von Schnee und Eis und verringert deren Albedo, was wiederum die Schmelzraten erhöht – die sogenannte Schmelz-Albedo Rückkopplung. Da viele Eisschildmodelle diese vernachlässigen, habe ich eine vereinfachte Version des tageszeitlichen Energiebilanzmodells, welches die Effekte der Schmelz-Albedo-Rückkopplung erster Ordnung erfassen kann, in das Eisschildmodell PISM implementiert. Mithilfe des gekoppelten Modells zeige ich, dass die Schmelz-Albedo-Rückkopplung den Eisverlust bis zum Jahr 2300 im moderaten Klimaszenario RCP2.6 fast verdoppelt und im RCP8.5-Szenario, welches von starken Emissionen ausgeht, bis zu 58% zusätzlichen Eisverlust verursacht, im Vergleich zu Simulationen in denen die Schmelz-Albedo-Rückkopplung vernachlässigt wird. Bis zum Jahr 2300 trägt die Schmelz-Albedo-Rückkopplung mehr zum Eisverlust bei als die Schmelz-Höhen-Rückkopplung. Ein weiterer Prozess, der die Widerstandsfähigkeit des grönländischen Eisschilds beeinflussen könnte, ist die Erweichung des Eises bei steigenden Temperaturen, sowie die daraus resultierende Zunahme des Eisflusses. In meiner Dissertation zeige ich, wie sich die parametrische Unsicherheit in dem Flussgesetz auf die Ergebnisse von PISM Simulationen bei Erwärmung auswirkt. In einem idealisierten, zweidimensionalen Experiment mit fester klimatischer Massenbilanz führt die Unsicherheit in den Strömungsparametern zu einer Bandbreite des Eisverlustes, die mit der Bandbreite durch unterschiedliche Erwärmungen vergleichbar ist. Neben den grundsätzlichen Prozessen und Rückkopplungen untersuchte ich auch die Auswirkungen konkreter Klimaszenarien auf den Eisverlust von Grönland. Um die Flexibilität des Kohlenstoffbudgets zu erhöhen sehen einige Erwärmungsszenarien eine temporäre Überschreitung der globalen Temperaturen über das Ziel von 1,5◦C vor. Ich zeige, dass eine solche Temperaturerhöhung den kurz- und langfristigen Eisverlust von Grönland um mehrere Zentimeter erhöht. Der langfristige Meeresspiegelanstieg ist auf die anhaltende Temperaturerhöhung in hohen Breitengraden zurückzuführen. Solche Prozesse führen zu einem langfristigen und bereits festgelegtem Meeresspiegelanstieg, selbst wenn die Temperaturen nicht weiter steigen. Insgesamt zeige ich in meiner Arbeit, dass die Schmelz-Albedo-Rückkopplung für den Eisverlust des grönländischen Eisschilds in den nächsten Jahrhunderten am wichtigsten ist. Im Gegensatz dazu werden die Schmelz-Höhen-Rückkopplung und ihr Zusammenspiel mit der GIA-Rückkopplung auf längeren Zeiträumen immer relevanter. KW - Greenland Ice Sheet KW - ice-flow modeling KW - sea-level rise KW - Grönländisches Eisschild KW - Computersimulation KW - Meeresspiegelanstieg Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-568839 ER - TY - THES A1 - Al-Halbouni, Djamil T1 - Photogrammetry and distinct element geomechanical modelling of sinkholes and large-scale karstic depressions T1 - Photogrammetrie und geomechanische Diskrete-Elemente-Modellierung von Erdfällen und großskaligen Karstsenken N2 - Sinkholes and depressions are typical landforms of karst regions. They pose a considerable natural hazard to infrastructure, agriculture, economy and human life in affected areas worldwide. The physio-chemical processes of sinkholes and depression formation are manifold, ranging from dissolution and material erosion in the subsurface to mechanical subsidence/failure of the overburden. This thesis addresses the mechanisms leading to the development of sinkholes and depressions by using complementary methods: remote sensing, distinct element modelling and near-surface geophysics. In the first part, detailed information about the (hydro)-geological background, ground structures, morphologies and spatio-temporal development of sinkholes and depressions at a very active karst area at the Dead Sea are derived from satellite image analysis, photogrammetry and geologic field surveys. There, clusters of an increasing number of sinkholes have been developing since the 1980s within large-scale depressions and are distributed over different kinds of surface materials: clayey mud, sandy-gravel alluvium and lacustrine evaporites (salt). The morphology of sinkholes differs depending in which material they form: Sinkholes in sandy-gravel alluvium and salt are generally deeper and narrower than sinkholes in the interbedded evaporite and mud deposits. From repeated aerial surveys, collapse precursory features like small-scale subsidence, individual holes and cracks are identified in all materials. The analysis sheds light on the ongoing hazardous subsidence process, which is driven by the base-level fall of the Dead Sea and by the dynamic formation of subsurface water channels. In the second part of this thesis, a novel, 2D distinct element geomechanical modelling approach with the software PFC2D-V5 to simulating individual and multiple cavity growth and sinkhole and large-scale depression development is presented. The approach involves a stepwise material removal technique in void spaces of arbitrarily shaped geometries and is benchmarked by analytical and boundary element method solutions for circular cavities. Simulated compression and tension tests are used to calibrate model parameters with bulk rock properties for the materials of the field site. The simulations show that cavity and sinkhole evolution is controlled by material strength of both overburden and cavity host material, the depth and relative speed of the cavity growth and the developed stress pattern in the subsurface. Major findings are: (1) A progressively deepening differential subrosion with variable growth speed yields a more fragmented stress pattern with stress interaction between the cavities. It favours multiple sinkhole collapses and nesting within large-scale depressions. (2) Low-strength materials do not support large cavities in the material removal zone, and subsidence is mainly characterised by gradual sagging into the material removal zone with synclinal bending. (3) High-strength materials support large cavity formation, leading to sinkhole formation by sudden collapse of the overburden. (4) Large-scale depression formation happens either by coalescence of collapsing holes, block-wise brittle failure, or gradual sagging and lateral widening. The distinct element based approach is compared to results from remote sensing and geophysics at the field site. The numerical simulation outcomes are generally in good agreement with derived morphometrics, documented surface and subsurface structures as well as seismic velocities. Complementary findings on the subrosion process are provided from electric and seismic measurements in the area. Based on the novel combination of methods in this thesis, a generic model of karst landform evolution with focus on sinkhole and depression formation is developed. A deepening subrosion system related to preferential flow paths evolves and creates void spaces and subsurface conduits. This subsequently leads to hazardous subsidence, and the formation of sinkholes within large-scale depressions. Finally, a monitoring system for shallow natural hazard phenomena consisting of geodetic and geophysical observations is proposed for similarly affected areas. N2 - Dolinen und Senken sind typische Landformen von Karstgebieten. Sie stellen in den betroffenen Gebieten weltweit ein erhebliches Naturrisiko für Infrastruktur, Landwirtschaft, Wirtschaft und das menschliche Leben dar. Die physikalisch-chemischen Prozesse der Entstehung solcher Senkungen sind vielfältig und reichen von Auflösung und Materialerosion im Untergrund bis zu mechanischem Absenken/Bruchs des Oberbodens. Diese Arbeit betrachtet die Mechanismen, die zur Entwicklung von Dolinen und Senken führen, anhand von verschiedenen geowissenschaftlichen Methoden:Fernerkundung, Gesteinsmechanischer Modellierung und pberflächennaher Geophysik. Im ersten Teil werden detaillierte Informationen über den geologischen Hintergrund, Bodenstrukturen, Formen und die räumlich-zeitliche Entwicklung von Senkungen an einem sehr aktiven Karstgebiet am Toten Meer zusammengetragen. Dort bilden sich seit den 1980er Jahren immer größere Ansammlungen von Erdfällen, wie diese Phänomene auch oft genannt werden. Die Form der Erdfälle unterscheidet sich je nach Material, in dem sie entstehen: Erdfälle in Sand-Kies Böden und Salz sind im Allgemeinen tiefer und schmaler als Dolinen in den Schlammablagerungen des Toten Meeres. Wiederholte Aufnahmen aus der Luft mit Hilfe von Drohnen oder Ballons helfen dabei, kleine Absenkungen, einzelne Löcher und Risse zu identifizieren. Die Ursache dieser gefährlichen Absenkungen am Toten Meer ist in dem stetigen Fall des Seespiegels und der Bildung von starken Unterwasserkanälen zu sehen, die fortlaufend Material aus dem Boden herausspülen, sog. Subrosion. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird ein neuer, geomechanischer Modellierungsansatz zur Simulation des Wachstums von Hohlräumen im Untergrund und der Bildung von Senkungsstrukturen vorgestellt. Die Simulationen zeigen, dass die Entwicklung der Hohlräume und Erdfälle durch die Materialstärke, die Tiefe und Geschwindigkeit des Hohlraumwachstums und durch das sich bildende Spannungsmuster im Untergrund gesteuert wird. Die wichtigsten Ergebnisse der Studie sind: (1) Eine fortlaufend sich vertiefende Subrosion mit variabler Wachstumsgeschwindigkeit führt zu einem stärker fragmentierten Spannungsmuster im Boden. Es begünstigt das Bilden von ineinander verschachtelten Erdfällen (Cluster) in großen Vertiefungen. (2) Materialien mit niedriger Festigkeit (wie z.B. Schlamm) können keine großen Hohlräume bilden, und das Absinken geschieht durch ein allmähliches Absacken. (3) Materialien mit hoher Festigkeit (wie z.B. verfestigte Sande/Kiese oder Steinsalz) unterstützen die Bildung großer Hohlräume, was zu einem plötzlichen Zusammenbruch des Oberbodens führen kann. (4) Großskalige Senkungsstrukturen bilden sich entweder durch das Verschachteln von kleineren Dolinen, blockweise sprödem Versagen, oder das allmähliche Absinken mit seitlicher Erweiterung. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen stimmen im Allgemeinen sehr gut sowohl mit den beobachteten Senkungsformen an der Oberfläche überein, als auch mit Untergrundstrukturen beobachtet durch seismische und elektrische Methoden. Basierend auf der neuartigen Methodenkombination dieser Arbeit wird ein generisches Modell der Entwicklung von Senkungsstrukturen in Karstgebieten vorgestellt. Eine sich vertiefende Subrosion entlang von unterirdischen Kanälen erzeugt Hohlräume und führt in der Folge zu diesen gefährlichen Absenkungen und zur Bildung von Erdfällen innerhalb großer Vertiefungen. KW - Photogrammetry KW - Sinkholes KW - Karst KW - Discrete Element Method KW - Geomechanical Modelling KW - Applied Geophysics KW - Natural Hazards KW - Photogrammetrie KW - Erdfälle KW - Karst KW - Diskrete-Elemente-Methode KW - Geomechanische Modellierung KW - Angewandte Geophysik KW - Naturgefahren Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432159 ER - TY - THES A1 - Zeckra, Martin T1 - Seismological and seismotectonic analysis of the northwestern Argentine Central Andean foreland N2 - After a severe M W 5.7 earthquake on October 17, 2015 in El Galpón in the province of Salta NW Argentina, I installed a local seismological network around the estimated epicenter. The network covered an area characterized by inherited Cretaceous normal faults and neotectonic faults with unknown recurrence intervals, some of which may have been reactivated normal faults. The 13 three-component seismic stations recorded data continuously for 15 months. The 2015 earthquake took place in the Santa Bárbara System of the Andean foreland, at about 17km depth. This region is the easternmost morphostructural region of the central Andes. As a part of the broken foreland, it is bounded to the north by the Subandes fold-and-thrust belt and the Sierras Pampeanas to the south; to the east lies the Chaco-Paraná basin. A multi-stage morphotectonic evolution with thick-skinned basement uplift and coeval thin-skinned deformation in the intermontane basins is suggested for the study area. The release of stresses associated with the foreland deformation can result in strong earthquakes, as the study area is known for recurrent and historical, destructive earthquakes. The available continuous record reaches back in time, when the strongest event in 1692 (magnitude 7 or intensity IX) destroyed the city of Esteco. Destructive earthquakes and surface deformation are thus a hallmark of this part of the Andean foreland. With state-of-the-art Python packages (e.g. pyrocko, ObsPy), a semi-automatic approach is followed to analyze the collected continuous data of the seismological network. The resulting 1435 hypocenter locations consist of three different groups: 1.) local crustal earthquakes (nearly half of the events belong to this group), 2.) interplate activity, of regional distance in the slab of the Nazca-plate, and 3.) very deep earthquakes at about 600km depth. My major interest focused on the first event class. Those crustal events are partly aftershock events of the El Galpón earthquake and a second earthquake, in the south of the same fault. Further events can be considered as background seismicity of other faults within the study area. Strikingly, the seismogenic zone encompass the whole crust and propagates brittle deformation down, close to the Moho. From the collected seismological data, a local seismic velocity model is estimated, using VELEST. After the execution of various stability tests, the robust minimum 1D-velocity model implies guiding values for the composition of the local, subsurface structure of the crust. Afterwards, performing a hypocenter relocation enables the assignment of individual earthquakes to aftershock clusters or extended seismotectonic structures. This allows the mapping of previously unknown seismogenic faults. Finally, focal mechanisms are modeled for events with acurately located hypocenters, using the newly derived local velocity model. A compressive regime is attested by the majority of focal mechanisms, while the strike direction of the individual seismogenic structures is in agreement with the overall north – south orientation of the Central Andes, its mountain front, and individual mountain ranges in the southern Santa-Bárbara-System. N2 - Nach einem schweren Erdbeben der Magnitude M W 5.7 am 17. Oktober 2015 in El Galpón, in der Provinz Salta im Nordwesten Argentiniens, habe ich ein lokales seismologisches Netzwerk, um das vermutete Epizentrum herum, aufgebaut. Dabei haben 13 Stationen kontinuierlich für 15 Monate gemessen. Das Netzwerk wurde in einem Gebiet installiert, welches durch tektonische Störungen charakterisiert ist, die entweder in der Kreidezeit zunächst als Abschiebungen initiiert und später als Aufschiebungen reaktiviert wurden oder in der geologischen jüngeren Vergangenheit erst entstanden sind. Die Intervallzeiten zwischen zwei Erdbeben sind dabei häufig unbekannt. Das Erdbeben von 2015 trat im Santa-Barbara-System im Argentinischen Vorland, 17 km unter der Erdoberfläche auf. Diese Region ist die östlichste strukturgeologische Provinz der Zentralanden und dem broken-foreland-Typus zuzuordnen. Im Norden schließt sich der Bolivianische Faltengürtel (Sierras Subandinas) und im Süden die Sierras Pampeanas an; im Osten liegt das Chaco-Paraná Becken. Eine mehrstufige morphotektonische Entwicklung wird hier vermutet, bei der das Grundgebirge durch als thick-skinned bezeichnete Deformation herausgehoben wurde und die dazwischen liegenden Intermontanbecken gleichzeitig Deformation des Typs thin-skinned erfahren haben. Die plötzliche Spannungsfreisetzung, die mit dieser Vorlanddeformation einhergeht, kann zu starken Erdbeben führen. Das Untersuchungsgebiet ist für wiederkehrende und historische, zerstörerische Erdbeben bekannt. Der zur Verfügung stehenden Aufzeichnungen reichen bis in das Jahr 1692 zurück, als ein Erdbeben der Magnitude M 7 (oder Intensität IX) die Stadt Esteco zerstörte. Daher sind zerstörerische Erdbeben ein besonderes Kennzeichen in diesem Teil des Andenvorlands. Für die Analyse der im seismologischen Netzwerk aufgezeichneten kontinuierlichen Daten wurde ein semiautomatischer Ansatz verfolgt, der mittels hochmoderner Python-Bibliotheken informationstechnisch umgesetzt wurde. Die resultierenden 1435 Erdbeben bestehen aus drei verschiedenen Gruppen: 1.) lokale Erdbeben in der Erdkruste (die etwa die Hälfte aller Events ausmachen), 2.) weiter entfernte Interplattenaktivität, die durch die Subduktion der Nazca-Platte unter den Südamerikanischen Kontinent hervorgerufen wird und 3.) sehr tiefen Erdbeben in etwa 600 km Tiefe. Mein Hauptaugenmerk lag dabei auf der ersten Gruppe. Diese krustalen Ereignisse sind teilweise Nachbeben des El Galpón Erdbebens und eines weiteren Bebens, welches sich weiter im Süden an der gleichen Störung ereignete. Die restlichen Beben können der allgemeinen Hintergrundaktivität entlang weiterer Störungen im Untersuchungsgebiet zugeschrieben werden. Beachtenswert ist dabei der Umstand, dass die Erdbebenaktivität in der gesamten Kruste beobachtet werden kann und sich dadurch die Deformation bis a fast an den Erdmantel ausbreitet. Mit den gesammelten Daten kann, unter der Verwendung der VELEST Software, ein lokales seismisches Geschwindigkeitsmodell bestimmt werden. Nach der Durchführung verschiedener Stabilitätstests, können aus dem robusten eindimensionalen Modell Richtwerte für die Zusammensetzung und den Aufbau der Erdkruste gewonnen werden. Dieanschließende Relokalisierung von Erdbebenherden erlaubt die Zuordnung einzelner Erdbeben zu Erdbebenclustern oder ausgedehnten seismotektonischen Strukturen. Dadurch können sogar zuvor unbekannte seismogene Störungen kartiert werden. Schlussendlich, werden Herdflächenlösungen für Beben mit präzise lokalisierten Erdbebenherden und unter der Einbeziehung des neu bestimmten lokalen Geschwindigkeitsmodells modelliert. Der Großteil der resultierenden Lösungen bestätigt das vorherrschende kompressive Regime. Das Streichen der einzelnen seismogenen Strukturen stimmt größtenteils mit der allgemeinen Nord – Süd Ausrichtugn der Zentralanden, ihrer Gebirgsfront und den einzelnen Höhenzügen im Santa-Barbará-System überein. T2 - Seismologische und Seismotektonische Analyse des Vorlandsystems der nordwestargentinischen Zentralanden KW - Seismology KW - Seismotektonik KW - Geophysics KW - Andes KW - Geosciences KW - Argentina KW - Anden KW - Seismologie KW - Geophysik KW - Geowissenschaften KW - Argentinien Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473240 ER - TY - THES A1 - Jongejans, Loeka Laura T1 - Organic matter stored in ice-rich permafrost T1 - Ablagerung von organischem Kohlenstoff in eisreichem Permafrost BT - future permafrost thaw and greenhouse gas release BT - zukünftige Permafrosttauen und Treibhausgasemissionen N2 - The Arctic is changing rapidly and permafrost is thawing. Especially ice-rich permafrost, such as the late Pleistocene Yedoma, is vulnerable to rapid and deep thaw processes such as surface subsidence after the melting of ground ice. Due to permafrost thaw, the permafrost carbon pool is becoming increasingly accessible to microbes, leading to increased greenhouse gas emissions, which enhances the climate warming. The assessment of the molecular structure and biodegradability of permafrost organic matter (OM) is highly needed. My research revolves around the question “how does permafrost thaw affect its OM storage?” More specifically, I assessed (1) how molecular biomarkers can be applied to characterize permafrost OM, (2) greenhouse gas production rates from thawing permafrost, and (3) the quality of OM of frozen and (previously) thawed sediments. I studied deep (max. 55 m) Yedoma and thawed Yedoma permafrost sediments from Yakutia (Sakha Republic). I analyzed sediment cores taken below thermokarst lakes on the Bykovsky Peninsula (southeast of the Lena Delta) and in the Yukechi Alas (Central Yakutia), and headwall samples from the permafrost cliff Sobo-Sise (Lena Delta) and the retrogressive thaw slump Batagay (Yana Uplands). I measured biomarker concentrations of all sediment samples. Furthermore, I carried out incubation experiments to quantify greenhouse gas production in thawing permafrost. I showed that the biomarker proxies are useful to assess the source of the OM and to distinguish between OM derived from terrestrial higher plants, aquatic plants and microbial activity. In addition, I showed that some proxies help to assess the degree of degradation of permafrost OM, especially when combined with sedimentological data in a multi-proxy approach. The OM of Yedoma is generally better preserved than that of thawed Yedoma sediments. The greenhouse gas production was highest in the permafrost sediments that thawed for the first time, meaning that the frozen Yedoma sediments contained most labile OM. Furthermore, I showed that the methanogenic communities had established in the recently thawed sediments, but not yet in the still-frozen sediments. My research provided the first molecular biomarker distributions and organic carbon turnover data as well as insights in the state and processes in deep frozen and thawed Yedoma sediments. These findings show the relevance of studying OM in deep permafrost sediments. N2 - Die Arktis ist eine der sich am schnellsten verändernden Regionen der Erde, was zum tauen des dortigen Permafrosts führt. Eisreicher Permafrost, wie der spätpleistozäne Yedoma, ist besonders anfällig für schnelle und tiefe Auftauprozesse infolge von Absenkungen der Oberfläche nach dem Schmelzen des Grundeises. Durch das Auftauen des Permafrosts wird der im Permafrost gespeicherte Kohlenstoff für Mikroben zunehmend zugänglich, was zu erhöhten Treibhausgasemissionen führt und die Klimaerwärmung verstärkt. Die Untersuchung der molekularen Struktur und der biologischen Abbaubarkeit von organischem Material (OM) im Permafrost ist dringend erforderlich. In meiner Forschung geht es um die zentrale Frage inwieweit das Auftauen des Permafrost die Speicherfähigkeit von OM beeinflusst. Insbesondere untersuchte ich (1) wie molekulare Biomarker bei der Charakterisierung von Permafrost-OM verwendet werden können, (2) Treibhausgasproduktionsraten in auftauendem Permafrost und (3) die Qualität von OM in gefrorenen und (vorher) aufgetauten Sedimenten. Dazu habe ich tiefe (bis zu 55 m) Yedoma und aufgetaute Yedoma Permafrostsedimente aus Jakutien (Republik Sacha) untersucht. Es wurden Sedimentkerne unter Thermokarstseen auf der Bykovsky-Halbinsel (südöstlich des Lenadeltas) und im Yukechi-Alas (Zentraljakutien) entnommen, und deren Biomarkerkonzentrationen gemessen. Desweiteren wurden Bodenproben von der Permafrostklippe Sobo-Sise (Lenadelta) und der Taurutschung Batagai (Jana-Hochland) genommen und untersucht. Darüber hinaus habe ich Inkubationsexperimente durchgeführt, um die Treibhausgasproduktion in auftauenden Permafrost zu quantifizieren. Ich habe gezeigt, dass Biomarker-Proxies nützlich sind, um die Quelle des OM zu ermitteln und zwischen OM aus Landpflanzen, Wasserpflanzen und mikrobieller Aktivität zu unterscheiden. Außerdem sind einige Proxies hilfreich, den Abbaugrad von Permafrost-OM zu beurteilen. Dies trifft insbesondere in Kombination mit sedimentologischen Daten in einem Multi-Proxy-Ansatz. Ich zeigte dass der OM von Yedoma im Allgemeinen besser erhalten ist als der von aufgetauten Yedoma-Sedimenten. Die Treibhausgasproduktion in den erstmalig auftauenden Permafrostsedimenten war am höchsten. Dies bedeutet, dass die gefrorenen Yedoma-Sedimente das meiste labile OM enthielten. Außerdem zeigte ich, dass sich die methanproduzierenden Gemeinschaften in den frisch aufgetauten Sedimenten etabliert hatten, jedoch nicht in den noch gefrorenen Sedimenten. Meiner Forschung hat die ersten molekularen Biomarkerverteilungen und Kohlenstoffumsatzdaten geliefert und Einsichten in den Zustand und Prozesse von gefrorenen und aufgetauten Yedoma-Sedimenten geschaffen. Diese Ergebnisse demonstrieren die Relevanz der Untersuchung von OM in tiefen Permafrostsedimenten. N2 - Het Noordpoolgebied verandert snel en permafrost ontdooit. Met name ijsrijke permafrost, zoals Yedoma uit het laat Pleistoceen, is gevoelig voor snelle en diepe dooiprocessen als gevolg van bodemdaling na het smelten van bodemijs. Door het ontdooien van permafrost wordt het permafrostkoolstofreservoir beter toegankelijk voor microben, wat tot verhoogde broeikasgasemissies leidt en de klimaatopwarming versterkt. Het is van groot belang om de moleculaire structuur en de biologische afbreekbaarheid van organisch materiaal (OM) in permafrost vast te leggen. Mijn onderzoek draait om de vraag "hoe beinvloedt permafrostdooi de OM-opslag?" Specifiek heb ik onderzocht (1) hoe moleculaire biomarkers kunnen worden gebruikt om permafrost-OM te karakteriseren, (2) wat broeikasgasproductiesnelheden in ontdooiende permafrost zijn en (3) wat de kwaliteit is van het OM in bevroren en (eerder) ontdooide sedimenten. Ik heb diepe (max. 55 m) Yedoma en ontdooide Yedoma permafrostsedimenten uit Jakoetië (republiek Sacha) onderzocht. Sedimentkernen zijn genomen onder thermokarstmeren op het Bykovsky schiereiland (ten zuidoosten van de Lenadelta) en in de Yukechi Alas (centraal Jakoetië). Ook zijn bodemmonsters genomen van de permafrostklif Sobo-Sise (Lenadelta) en de zogenaamde thaw slump Batagai (Jana-hoogvlakte). In alle monsters heb ik de biomarkerconcentraties gemeten. Ook heb ik incubatie-experimenten uitgevoerd om de broeikasgasproductie in ontdooiende permafrost te kwantificeren. Mijn onderzoek wijst uit dat de biomarkerproxies nuttig zijn bij het vaststellen van de bron van het OM en om onderscheid te kunnen maken tussen OM van landplanten, waterplanten en OM afkomstig van microbiële activiteit. Daarnaast heb ik aangetoond dat sommige proxies nuttig zijn om de mate van degradatie van het OM vast te stellen, vooral in combinatie met sedimentologische data in een multi-proxy-benadering. Het blijkt dat het OM in Yedoma over het algemeen beter bewaard gebleven is dan het OM in ontdooide Yedoma-sedimenten. De broeikasgasproductie bleek het hoogst in de voor het eerst ontdooide permafrostsedimenten, wat betekent dat de bevroren Yedoma-sedimenten het meeste labiele OM bevatten. Bovendien heb ik aangetoond dat de methaan-producerende gemeenschappen zich wel in de recentelijk ontdooide sedimenten hebben gevestigd, maar nog niet in de nog bevroren sedimenten. Mijn onderzoek heeft de eerste moleculaire biomarker- en koolstofomzetdata en inzichten opgeleverd in de toestand en processen van diepe, bevroren en ontdooide Yedoma-sedimenten. Deze resultaten tonen de relevantie van het bestuderen van OM in diepe permafrostsedimenten. KW - permafrost sediments KW - organic matter KW - molecular biomarkers KW - anaerobic incubation experiments KW - Russian Arctic KW - Permafrostsedimente KW - organisches Material KW - molekulare Biomarker KW - anaerobe Inkubationensexperimente KW - russische Arktis Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-564911 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 - THES A1 - Seleem, Omar T1 - Towards urban pluvial flood mapping using data-driven models T1 - Kartierung städtischer Überschwemmungen mit datengesteuerten Modellen N2 - Casualties and damages from urban pluvial flooding are increasing. Triggered by short, localized, and intensive rainfall events, urban pluvial floods can occur anywhere, even in areas without a history of flooding. Urban pluvial floods have relatively small temporal and spatial scales. Although cumulative losses from urban pluvial floods are comparable, most flood risk management and mitigation strategies focus on fluvial and coastal flooding. Numerical-physical-hydrodynamic models are considered the best tool to represent the complex nature of urban pluvial floods; however, they are computationally expensive and time-consuming. These sophisticated models make large-scale analysis and operational forecasting prohibitive. Therefore, it is crucial to evaluate and benchmark the performance of other alternative methods. The findings of this cumulative thesis are represented in three research articles. The first study evaluates two topographic-based methods to map urban pluvial flooding, fill–spill–merge (FSM) and topographic wetness index (TWI), by comparing them against a sophisticated hydrodynamic model. The FSM method identifies flood-prone areas within topographic depressions while the TWI method employs maximum likelihood estimation to calibrate a TWI threshold (τ) based on inundation maps from the 2D hydrodynamic model. The results point out that the FSM method outperforms the TWI method. The study highlights then the advantage and limitations of both methods. Data-driven models provide a promising alternative to computationally expensive hydrodynamic models. However, the literature lacks benchmarking studies to evaluate the different models' performance, advantages and limitations. Model transferability in space is a crucial problem. Most studies focus on river flooding, likely due to the relative availability of flow and rain gauge records for training and validation. Furthermore, they consider these models as black boxes. The second study uses a flood inventory for the city of Berlin and 11 predictive features which potentially indicate an increased pluvial flooding hazard to map urban pluvial flood susceptibility using a convolutional neural network (CNN), an artificial neural network (ANN) and the benchmarking machine learning models random forest (RF) and support vector machine (SVM). I investigate the influence of spatial resolution on the implemented models, the models' transferability in space and the importance of the predictive features. The results show that all models perform well and the RF models are superior to the other models within and outside the training domain. The models developed using fine spatial resolution (2 and 5 m) could better identify flood-prone areas. Finally, the results point out that aspect is the most important predictive feature for the CNN models, and altitude is for the other models. While flood susceptibility maps identify flood-prone areas, they do not represent flood variables such as velocity and depth which are necessary for effective flood risk management. To address this, the third study investigates data-driven models' transferability to predict urban pluvial floodwater depth and the models' ability to enhance their predictions using transfer learning techniques. It compares the performance of RF (the best-performing model in the previous study) and CNN models using 12 predictive features and output from a hydrodynamic model. The findings in the third study suggest that while CNN models tend to generalise and smooth the target function on the training dataset, RF models suffer from overfitting. Hence, RF models are superior for predictions inside the training domains but fail outside them while CNN models could control the relative loss in performance outside the training domains. Finally, the CNN models benefit more from transfer learning techniques than RF models, boosting their performance outside training domains. In conclusion, this thesis has evaluated both topographic-based methods and data-driven models to map urban pluvial flooding. However, further studies are crucial to have methods that completely overcome the limitation of 2D hydrodynamic models. N2 - Die Zahl der Todesopfer und Schäden durch Überschwemmungen in Städten nimmt zu. Ausgelöst durch kurze, lokal begrenzte und intensive Niederschlagsereignisse können urbane pluviale Überschwemmungen überall auftreten - sogar in Gebieten, in denen es in der Vergangenheit keine Überschwemmungen gab. Urbane pluviale Überschwemmungen haben eine relativ geringe zeitliche und räumliche Ausdehnung. Obwohl die kumulativen Verluste durch urbane pluviale Überschwemmungen vergleichbar sind, konzentrieren sich die meisten Hochwasserrisikomanagement- und -minderungsstrategien auf Fluss- und Küstenüberschwemmungen. Numerisch-physikalisch-hydrodynamische Modelle gelten als das beste Instrument zur Darstellung der komplexen Natur städtischer pluvialer Überschwemmungen; sie sind jedoch rechenintensiv und zeitaufwändig. Diese anspruchsvollen Modelle machen groß angelegte Analysen und operationelle Vorhersagen unerschwinglich. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Leistung anderer Methoden zu bewerten und zu vergleichen, die komplexe hydrodynamische Modelle ersetzen könnten. Die Ergebnisse dieser kumulativen Arbeit werden in drei Forschungsartikeln dargestellt. In der ersten Studie bewerte ich zwei topografiebasierte Methoden zur Kartierung von Überschwemmungen in Städten, die Fill-Spill-Merge-Methode (FSM) und den topografischen Nässeindex (TWI), indem ich sie mit einem hochentwickelten hydrodynamischen Modell vergleiche. Die FSM-Methode identifiziert überschwemmungsgefährdete Gebiete innerhalb topografischer Senken, während die TWI-Methode eine Maximum-Likelihood-Schätzung verwendet, um einen TWI-Schwellenwert (τ) auf der Grundlage von Überschwemmungskarten aus dem hydrodynamischen 2D-Modell zu kalibrieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die FSM-Methode die TWI-Methode übertrifft. Anschließend werden die Vorteile und Grenzen beider Methoden aufgezeigt. Datengesteuerte Modelle stellen eine vielversprechende Alternative zu rechenintensiven hydrodynamischen Modellen dar. In der Literatur fehlt es jedoch an Benchmarking-Studien zur Bewertung der Leistung, Vorteile und Grenzen der verschiedenen Modelle. Die räumliche Übertragbarkeit von Modellen ist ein entscheidendes Problem. Die meisten Studien konzentrieren sich auf Flussüberschwemmungen, was wahrscheinlich auf die relative Verfügbarkeit von Abfluss- und Regenmesserdaten für Training und Validierung zurückzuführen ist. Außerdem betrachten sie diese Modelle als Black Boxes. In der zweiten Studie verwende ich ein Hochwasserinventar für die Stadt Berlin und 11 prädiktive Merkmale, die potenziell auf eine erhöhte pluviale Hochwassergefahr hinweisen, um die Anfälligkeit für pluviale Überschwemmungen in Städten zu kartieren. Dazu verwende ich ein Faltungsneuronales Netzwerk (CNN), ein Künstliches Neuronales Netzwerk (ANN) und die Benchmarking-Modelle Random Forest (RF) und Support Vector Machine (SVM). Ich untersuche den Einfluss der räumlichen Auflösung auf die implementierten Modelle, die Übertragbarkeit der Modelle im Raum und die Bedeutung der prädiktiven Merkmale. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Modelle gut abschneiden und die RF-Modelle den anderen Modellen innerhalb und außerhalb des Trainingsbereichs überlegen sind. Die Modelle, die mit feiner räumlicher Auflösung (2 und 5 m) entwickelt wurden, konnten hochwassergefährdete Gebiete besser identifizieren. Schließlich zeigen die Ergebnisse, dass der Aspekt das wichtigste Vorhersagemerkmal für die CNN-Modelle ist, und die Höhe für die anderen Modelle. Während Hochwasseranfälligkeitskarten überschwemmungsgefährdete Gebiete identifizieren, stellen sie keine Hochwasservariablen wie Geschwindigkeit und Wassertiefe dar, die für ein effektives Hochwasserrisikomanagement notwendig sind. Um dieses Problem anzugehen, untersuche ich in der dritten Studie die Übertragbarkeit datengesteuerter Modelle auf die Vorhersage der Überschwemmungstiefe in städtischen Gebieten und die Fähigkeit der Modelle, ihre Vorhersagen durch Transfer-Learning-Techniken zu verbessern. Ich vergleiche die Leistung von RF- (das beste Modell in der vorherigen Studie) und CNN-Modellen anhand von 12 Vorhersagemerkmalen und den Ergebnissen eines hydrodynamischen Modells. Die Ergebnisse der dritten Studie deuten darauf hin, dass CNN-Modelle dazu neigen, die Zielfunktion auf dem Trainingsdatensatz zu verallgemeinern und zu glätten, während RF-Modelle unter Overfitting leiden. Daher sind RF-Modelle für Vorhersagen innerhalb der Trainingsbereiche überlegen, versagen aber außerhalb davon, während CNN-Modelle den relativen Leistungsverlust außerhalb der Trainingsdomänen kontrollieren können. Schließlich profitieren die CNN-Modelle mehr von Transfer-Learning-Techniken als RF-Modelle, was ihre Leistung außerhalb der Trainingsbereiche erhöht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit sowohl topografiebasierte Methoden als auch datengesteuerte Modelle zur Kartierung von Überschwemmungen in Städten bewertet wurden. Weitere Studien sind jedoch von entscheidender Bedeutung, um Methoden zu entwickeln, die die Beschränkungen von 2D-hydrodynamischen Modellen vollständig überwinden. KW - urban pluvial flood KW - machine learning KW - deep learning KW - topography KW - tiefes Lernen KW - maschinelles Lernen KW - Topographie KW - städtische Überschwemmungen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-598137 ER - TY - THES A1 - Pilz, Tobias T1 - Pursuing the understanding of uncertainties in hydrological modelling N2 - Hydrological models are important tools for the simulation and quantification of the water cycle. They therefore aid in the understanding of hydrological processes, prediction of river discharge, assessment of the impacts of land use and climate changes, or the management of water resources. However, uncertainties associated with hydrological modelling are still large. While significant research has been done on the quantification and reduction of uncertainties, there are still fields which have gained little attention so far, such as model structural uncertainties that are related to the process implementations in the models. This holds especially true for complex process-based models in contrast to simpler conceptual models. Consequently, the aim of this thesis is to improve the understanding of structural uncertainties with focus on process-based hydrological modelling, including methods for their quantification. To identify common deficits of frequently used hydrological models and develop further strategies on how to reduce them, a survey among modellers was conducted. It was found that there is a certain degree of subjectivity in the perception of modellers, for instance with respect to the distinction of hydrological models into conceptual groups. It was further found that there are ambiguities on how to apply a certain hydrological model, for instance how many parameters should be calibrated, together with a large diversity of opinion regarding the deficits of models. Nevertheless, evapotranspiration processes are often represented in a more physically based manner, while processes of groundwater and soil water movement are often simplified, which many survey participants saw as a drawback. A large flexibility, for instance with respect to different alternative process implementations or a small number of parameters that needs to be calibrated, was generally seen as strength of a model. Flexible and efficient software, which is straightforward to apply, has been increasingly acknowledged by the hydrological community. This work further elaborated on this topic in a twofold way. First, a software package for semi-automated landscape discretisation has been developed, which serves as a tool for model initialisation. This was complemented by a sensitivity analysis of important and commonly used discretisation parameters, of which the size of hydrological sub-catchments as well as the size and number of hydrologically uniform computational units appeared to be more influential than information considered for the characterisation of hillslope profiles. Second, a process-based hydrological model has been implemented into a flexible simulation environment with several alternative process representations and a number of numerical solvers. It turned out that, even though computation times were still long, enhanced computational capabilities nowadays in combination with innovative methods for statistical analysis allow for the exploration of structural uncertainties of even complex process-based models, which up to now was often neglected by the modelling community. In a further study it could be shown that process-based models may even be employed as tools for seasonal operational forecasting. In contrast to statistical models, which are faster to initialise and to apply, process-based models produce more information in addition to the target variable, even at finer spatial and temporal scales, and provide more insights into process behaviour and catchment functioning. However, the process-based model was much more dependent on reliable rainfall forecasts. It seems unlikely that there exists a single best formulation for hydrological processes, even for a specific catchment. This supports the use of flexible model environments with alternative process representations instead of a single model structure. However, correlation and compensation effects between process formulations, their parametrisation, and other aspects such as numerical solver and model resolution, may lead to surprising results and potentially misleading conclusions. In future studies, such effects should be more explicitly addressed and quantified. Moreover, model functioning appeared to be highly dependent on the meteorological conditions and rainfall input generally was the most important source of uncertainty. It is still unclear, how this could be addressed, especially in the light of the aforementioned correlations. The use of innovative data products, e.g.\ remote sensing data in combination with station measurements, and efficient processing methods for the improvement of rainfall input and explicit consideration of associated uncertainties is advisable to bring more insights and make hydrological simulations and predictions more reliable. N2 - Hydrologische Modelle sind wichtige Werkzeuge zur Simulation und Quantifizierung des Wasserkreislaufs. Sie helfen bei der explorativen Analyse hydrologischer Prozesse, Abflussvorhersage, Abschätzung der Folgen von Klima- und Landnutzungswandel oder dem Management von Wasserressourcen. Allerdings sind die mit der hydrologischen Modellierung einhergehenden Unsicherheiten noch immer groß. Trotz der zahlreichen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Quantifizierung und Reduktion der Unsicherheiten gibt es einige Bereiche, die bisher wenig erforscht wurden, wie beispielsweise strukturelle Unsicherheiten, welche sich unter anderem auf die Prozessimplementation in den Modellen beziehen. Dies betrifft vor allem komplexe prozessbasierte Modelle im Gegensatz zu einfacheren konzeptionellen Modellen. Gegenstand dieser Arbeit ist es daher, das Verständnis struktureller Unsicherheiten sowie Methoden für deren Quantifizierung innerhalb prozessbasierter hydrologischer Modellanwendungen zu erweitern. Zur Identifikation typischer Defizite hydrologischer Modelle und Erarbeitung von Lösungsstrategien, um diese zu reduzieren, wurde eine Umfrage unter Modellanwendern durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass ein hohes Maß an Subjektivität in der Wahrnehmung des Themas unter Modellieren herrscht, beispielsweise bei der Einordnung hydrologischer Modelle in konzeptionelle Klassen. Des Weiteren gibt es Unklarheiten in der Art und Weise, wie ein bestimmtes hydrologisches Modell angewendet werden sollte, wie etwa hinsichtlich der Kalibrierung bestimmter Parameter, sowie vielschichtige Auffassungen bezüglich der Modelldefizite. Letztlich stellte sich jedoch heraus, dass Verdunstungsprozesse vor allem physikalisch basiert abgebildet werden, während Prozesse im Bereich des Grundwassers und der Bodenwasserbewegung häufig vereinfacht abgebildet werden, was von vielen Umfrageteilnehmern als Nachteil empfunden wurde. Generell als Stärke wurde die Flexibilität einiger Modelle empfunden, zum Beispiel wenn diese verschiedene Implementationen eines Prozesses enthalten oder wenn nur eine geringe Zahl an Parametern kalibriert werden muss. Flexible und effiziente Software, die darüber hinaus einfach zu bedienen ist, wird von der hydrologischen Gemeinschaft immer stärker in den Vordergrund gebracht. Daher greift diese Arbeit das Thema in zweifacher Hinsicht auf. Zum einen wurde ein Softwarepaket zur halbautomatischen Landschaftsdiskretisierung entwickelt, welches zudem als Werkzeug zur Modellinitialisierung gedacht ist. Damit einhergehend wurde eine Sensitivitätsanalyse wichtiger und häufig genutzter Diskretisierungsparameter durchgeführt, bei der die Größe hydrologischer Teileinzugsgebiete sowie die Anzahl und Größe hydrologischer Elementarflächen sich als maßgeblicher herausstellte als etwa raumbezogene Informationen zur Charakterisierung der Hangprofile. Zum anderen wurde ein prozessbasiertes hydrologisches Modell in eine flexible Softwareumgebung integriert, der verschiedene alternative Prozessformulierungen sowie numerische Differentialgleichungslöser hinzugefügt wurden. Die Analyse struktureller Unsicherheiten komplexer prozessbasierter Modelle wurde in der Vergangenheit von der hydrologischen Gemeinschaft mit Verweis auf zu lange Rechenzeit oft vernachlässigt. Es zeigte sich jedoch, dass die mittlerweile zur Verfügung stehenden Computerressourcen, vor allem in Kombination mit innovativen statistischen Analyseverfahren, derartige Untersuchungen bereits ermöglichen. In einer weiteren Studie konnte zudem gezeigt werden, dass auch prozessbasierte Modelle für den operationellen Einsatz in der saisonalen Vorhersage geeignet sind. Im Gegensatz zu statistischen Modellen, welche schneller initialisierbar und anwendbar sind, produzieren prozessbasierte Modelle neben der eigentlichen Zielgröße weitere potentiell relevante Informationen in höherer räumlicher und zeitlicher Auflösung und geben zudem tiefere Einblicke in die generelle Wirkungsweise der hydrologischen Prozesse in einem Einzugsgebiet. In der Studie stellte sich jedoch ebenso heraus, dass zuverlässige Niederschlagsvorhersagen für ein prozessbasiertes Modell umso wichtiger sind. Allgemein erscheint es unwahrscheinlich, dass eine einzelne optimale Implementation für einen hydrologischen Prozess, selbst innerhalb eines bestimmten Einzugsgebietes, überhaupt existiert. Die Nutzung flexibler Modellumgebungen mit alternativen Prozessbeschreibungen anstelle eines einzelnen Modells scheint deshalb große Vorteile zu bringen. Mögliche Korrelationen zwischen Prozessbeschreibungen, deren Parametrisierung, sowie anderen Aspekte wie numerischen Lösern und Modellauflösung, können jedoch zu überraschenden Ergebnissen und letztlich falschen Schlussfolgerungen führen. In zukünftigen Studien sollten solche Effekte daher explizit berücksichtigt und quantifiziert werden. Darüber hinaus wird die Leistungsfähigkeit eines Modells maßgeblich von den meteorologischen Randbedingungen beeinflusst. Vor allem der Niederschlag erwies sich innerhalb dieser Arbeit als wichtigste Ursache für Unsicherheiten in der Modellierung. Allerdings ist nicht vollständig klar, wie dieser Umstand berücksichtigt werden kann und inwiefern die zuvor genannten Korrelationen hier einen Einfluss haben. Die Nutzung innovativer Datenprodukte, zum Beispiel Fernerkundungsdaten verbunden mit Stationsmessungen, in Kombination mit effizienten Prozessierungsalgorithmen zur Verbesserung des Niederschlagsinputs und expliziten Beachtung einhergehender Unsicherheiten wird angeraten. Dies verspricht bessere Einblicke in die Zusammenhänge verschiedener Unsicherheitsquellen zu gewinnen und letztlich hydrologische Simulationen und Vorhersagen zuverlässiger zu machen. T2 - Beiträge zum Verständnis der Unsicherheiten in der hydrologischen Modellierung KW - hydrology KW - hydrological modelling KW - uncertainties KW - Hydrologie KW - hydrologische Modellierung KW - Unsicherheiten Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476643 ER - TY - THES A1 - Hesse, Cornelia T1 - Integrated water quality modelling in meso- to large-scale catchments of the Elbe river basin under climate and land use change T1 - Integrierte Gewässergütemodellierung in mittel- bis großskaligen Einzugsgebieten der Elbe unter dem Einfluss von Klima- und Landnutzungsänderungen N2 - In einer sich ändernden Umwelt sind Fließgewässerökosysteme vielfältigen direkten und indirekten anthropogenen Belastungen ausgesetzt, die die Gewässer sowohl in ihrer Menge als auch in ihrer Güte beeinträchtigen können. Ein übermäßiger Eintrag von Nährstoffen verursacht etwa Massenentwicklungen von Algen und Sauerstoffdefizite in den Gewässern, was zum Verfehlen der Ziele der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) führen kann. In vielen europäischen Einzugsgebieten und auch dem der Elbe sind solche Probleme zu beobachten. Während der letzten Jahrzehnte entstanden diverse computergestützte Modelle, die zum Schutz und Management von Wasserressourcen genutzt werden können. Sie helfen beim Verstehen der Nährstoffprozesse und Belastungspfade in Einzugsgebieten, bei der Abschätzung möglicher Folgen von Klima- und Landnutzungsänderungen für die Wasserkörper, sowie bei der Entwicklung eventueller Kompensationsmaßnahmen. Aufgrund der Vielzahl an sich gegenseitig beeinflussenden Prozessen ist die Modellierung der Wasserqualität komplexer und aufwändiger als eine reine hydrologische Modellierung. Ökohydrologische Modelle zur Simulation der Gewässergüte, einschließlich des Modells SWIM (Soil and Water Integrated Model), bedürfen auch häufig noch einer Weiterentwicklung und Verbesserung der Prozessbeschreibungen. Aus diesen Überlegungen entstand die vorliegende Dissertation, die sich zwei Hauptanliegen widmet: 1) einer Weiterentwicklung des Nährstoffmoduls des ökohydrologischen Modells SWIM für Stickstoff- und Phosphorprozesse, und 2) der Anwendung des Modells SWIM im Elbegebiet zur Unterstützung eines anpassungsfähigen Wassermanagements im Hinblick auf mögliche zukünftige Änderungen der Umweltbedingungen. Die kumulative Dissertation basiert auf fünf wissenschaftlichen Artikeln, die in internationalen Zeitschriften veröffentlicht wurden. Im Zuge der Arbeit wurden verschiedene Modellanpassungen in SWIM vorgenommen, wie etwa ein einfacher Ansatz zur Verbesserung der Simulation der Wasser- und Nährstoffverhältnisse in Feuchtgebieten, ein um Ammonium erweiterter Stickstoffkreislauf im Boden, sowie ein Flussprozessmodul, das Umwandlungsprozesse, Sauerstoffverhältnisse und Algenwachstum im Fließgewässer simuliert, hauptsächlich angetrieben von Temperatur und Licht. Auch wenn dieser neue Modellansatz ein sehr komplexes Modell mit einer Vielzahl an neuen Kalibrierungsparametern und steigender Unsicherheit erzeugte, konnten gute Ergebnisse in den Teileinzugsgebieten und dem gesamten Gebiet der Elbe erzielt werden, so dass das Modell zur Abschätzung möglicher Folgen von Klimavariabilitäten und veränderten anthropogenen Einflüssen für die Gewässergüte genutzt werden konnte. Das neue Fließgewässermodul ist ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Nährstoffmodellierung in SWIM, vor allem für Stoffe, die hauptsächlich aus Punktquellen in die Gewässer gelangen (wie z.B. Phosphat). Der neue Modellansatz verbessert zudem die Anwendbarkeit von SWIM für Fragestellungen im Zusammenhang mit der WRRL, bei der biologische Qualitätskomponenten (wie etwa Phytoplankton) eine zentrale Rolle spielen. Die dargestellten Ergebnisse der Wirkungsstudien können bei Entscheidungsträgern und anderen Akteuren das Verständnis für zukünftige Herausforderungen im Gewässermanagement erhöhen und dazu beitragen, ein angepasstes Management für das Elbeeinzugsgebiet zu entwickeln. N2 - In a changing world facing several direct or indirect anthropogenic challenges the freshwater resources are endangered in quantity and quality. An excessive supply of nutrients, for example, can cause disproportional phytoplankton development and oxygen deficits in large rivers, leading to failure of the aims requested by the Water Framework Directive (WFD). Such problems can be observed in many European river catchments including the Elbe basin, and effective measures for improving water quality status are highly appreciated. In water resources management and protection, modelling tools can help to understand the dominant nutrient processes and to identify the main sources of nutrient pollution in a watershed. They can be effective instruments for impact assessments investigating the effects of changing climate or socio-economic conditions on the status of surface water bodies, and for testing the usefulness of possible protection measures. Due to the high number of interrelated processes, ecohydrological model approaches containing water quality components are more complex than the pure hydrological ones, and their setup and calibration require more efforts. Such models, including the Soil and Water Integrated Model (SWIM), still need some further development and improvement. Therefore, this cumulative dissertation focuses on two main objectives: 1) the approach-related objectives aiming in the SWIM model improvement and further development regarding nutrient (nitrogen and phosphorus) process description, and 2) the application-related objectives in meso- to large-scale Elbe river basins to support adaptive river basin management in view of possible future changes. The dissertation is based on five scientific papers published in international journals and dealing with these research questions. Several adaptations were implemented in the model code to improve the representation of nutrient processes including a simple wetland approach, an extended by ammonium nitrogen cycle in the soils, as well as a detailed in-stream module, simulating algal growth, nutrient transformation processes and oxygen conditions in the river reaches, mainly driven by water temperature and light. Although this new approaches created a highly complex ecohydrological model with a large number of additional calibration parameters and rising uncertainty, the calibration and validation of the SWIM model enhanced by the new approaches in selected subcatchment and the entire Elbe river basin delivered satisfactory to good model results in terms of criteria of fit. Thus, the calibrated and validated model provided a sound base for the assessment of possible future changes and impacts in climate, land use and management in the Elbe river (sub)basin(s). The new enhanced modelling approach improved the applicability of the SWIM model for the WFD related research questions, where the ability to consider biological water quality components (such as phytoplankton) is important. It additionally enhanced its ability to simulate the behaviour of nutrients coming mainly from point sources (e.g. phosphate phosphorus). Scenario results can be used by decision makers and stakeholders to find and understand future challenges and possible adaptation measures in the Elbe river basin. KW - Elbe KW - SWIM KW - Wassergütemodellierung KW - water quality modelling KW - Nährstoffe KW - nutrients KW - Nährstoffretention KW - nutrient retention KW - Flussprozesse KW - in-stream processes KW - climate change KW - land use change KW - Klimaänderung KW - Landnutzungsänderung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422957 ER - TY - THES A1 - Grigoli, Francesco T1 - Automated seismic event location by waveform coherence analysis T1 - Die automatische Lokalisierung von Mikroerdbeben durch die Wellenform Kohärenzanalyse N2 - Automated location of seismic events is a very important task in microseismic monitoring operations as well for local and regional seismic monitoring. Since microseismic records are generally characterised by low signal-to-noise ratio, such methods are requested to be noise robust and sufficiently accurate. Most of the standard automated location routines are based on the automated picking, identification and association of the first arrivals of P and S waves and on the minimization of the residuals between theoretical and observed arrival times of the considered seismic phases. Although current methods can accurately pick P onsets, the automatic picking of the S onset is still problematic, especially when the P coda overlaps the S wave onset. In this thesis I developed a picking free automated method based on the Short-Term-Average/Long-Term-Average (STA/LTA) traces at different stations as observed data. I used the STA/LTA of several characteristic functions in order to increase the sensitiveness to the P wave and the S waves. For the P phases we use the STA/LTA traces of the vertical energy function, while for the S phases, we use the STA/LTA traces of the horizontal energy trace and then a more optimized characteristic function which is obtained using the principal component analysis technique. The orientation of the horizontal components can be retrieved by robust and linear approach of waveform comparison between stations within a network using seismic sources outside the network (chapter 2). To locate the seismic event, we scan the space of possible hypocentral locations and origin times, and stack the STA/LTA traces along the theoretical arrival time surface for both P and S phases. Iterating this procedure on a three-dimensional grid we retrieve a multidimensional matrix whose absolute maximum corresponds to the spatial and temporal coordinates of the seismic event. Location uncertainties are then estimated by perturbing the STA/LTA parameters (i.e the length of both long and short time windows) and relocating each event several times. In order to test the location method I firstly applied it to a set of 200 synthetic events. Then we applied it to two different real datasets. A first one related to mining induced microseismicity in a coal mine in the northern Germany (chapter 3). In this case we successfully located 391 microseismic event with magnitude range between 0.5 and 2.0 Ml. To further validate the location method I compared the retrieved locations with those obtained by manual picking procedure. The second dataset consist in a pilot application performed in the Campania-Lucania region (southern Italy) using a 33 stations seismic network (Irpinia Seismic Network) with an aperture of about 150 km (chapter 4). We located 196 crustal earthquakes (depth < 20 km) with magnitude range 1.1 < Ml < 2.7. A subset of these locations were compared with accurate locations retrieved by a manual location procedure based on the use of a double difference technique. In both cases results indicate good agreement with manual locations. Moreover, the waveform stacking location method results noise robust and performs better than classical location methods based on the automatic picking of the P and S waves first arrivals. N2 - Die automatische Lokalisierung seismischer Ereignisse ist eine wichtige Aufgabe, sowohl im Bereich des Mikroseismischen Monitorings im Bergbau und von Untegrund Aktivitäten,  wie auch für die lokale und regionale Überwachung von natürlichen Erdbeben. Da mikroseismische Datensätze häufig ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis haben müssen die Lokalisierungsmethoden robust gegen Rauschsignale und trotzdem hinreichend genau sein. Aufgrund der in der Regel sehr hochfrequent aufgezeichneten Messreihen und der dadurch sehr umfangreichen Datensätze sind automatische Auswertungen erstrebenswert. Solche Methoden benutzen in der Regel automatisch gepickte und  den P und S Phasen zugeordnete Ersteinsätze und Minimieren die Summe der quadratischen Zeitdifferenz zwischen den beobachteten und theoretischen Einsatzzeiten. Obgleich das automatische Picken der P Phase in der Regel sehr genau möglich ist, hat man beim Picken der S Phasen häufig Probleme, z.B. wenn die Coda der P Phase sehr lang ist und in den Bereich der S Phase hineinreicht. In dieser Doktorarbeit wird eine Methode vollautomatische, Wellenform-basierte Lokalisierungsmethode entwickelt, die Funktionen des Verhältnisses "Short Term Average / Long Term Average"  (STA/LTA) verwendet und keine Pickzeiten invertiert. Die STA/LTA charakteristische Funktion wurde für unterschiedliche Wellenform Attribute getestet, um die Empfindlichkeit für P und S Phasen zu erhöhen. Für die P Phase wird die STA/LTA Funktion für die Energie der Vertikalkomponente der Bodenbewegung benutzt, wohingegen für die S Phase entweder die Energie der horizontalen Partikelbewegung oder eine optimierte Funktion auf Basis der Eigenwertzerlegung benutzt wird. Um die Ereignisse zu lokalisieren wird eine Gittersuche über alle möglichen Untergrundlokalisierungen durchgeführt. Für jeden räumlichen und zeitlichen Gitterpunkt werden die charakteristischen Funktionen entlang der theoretischen Einsatzkurve aufsummiert. Als Ergebnis erhält man eine 4-dimensionale Matrix über Ort und Zeit des Ereignisses, deren Maxima die wahrscheinlichsten Lokalisierungen darstellen. Um die Unsicherheiten der Lokalisierung abzuschätzen wurden die Parameter der STA/LTA Funktionen willkürlich verändert und das Ereignis relokalisiert. Die Punktwolke aller möglichen Lokalisierungen gibt ein Maß für die Unsicherheit des Ergebnisses. Die neu entwickelte Methode wurde an einem synthetischen Datensatz von 200 Ereignissen getestet und für zwei beobachtete Datensätze demonstriert. Der erste davon betrifft induzierte Seismizität in einem Kohlebergbau in Norddeutschland. Es wurden 391 Mikrobeben mit Magnituden zwischen Ml 0.5 und 2.0 erfolgreich lokalisiert und durch Vergleich mit manuell ausgewerteten Lokalisierungen verifziert.Der zweite Datensatz stammt von einem Anwednung auf des Regionale Überwachungsnetz in der Region Campania-Lucania (Süditalien)  mit 33 seismischen Stationen und einer Apertur von etwa 150 km. Wir konnten 196 Erdbeben mit Tiefen < 20 km und Magnituden zwischen Ml 1.1 und 2.7 lokalisieren. Eine Untergruppe der eigenen Lokalisierungen wurde mit den Lokalisierungen einer Standard Lokalisierung sowie einer  hochgenauen Relativlokalisierung verglichen. In beiden Fällen ist die Übereinstimmung mit den manuellen Lokalisierungen groß. Außerdem finden wir, dass die Wellenform Summations Lokalisierung ronbust gegen Rauschen ist und bessere Ergebnisse liefert als die Standard Lokalisierung, die auf dem automatischen Picken von Ersteinsatzzeiten alleine basiert. KW - earthquake location KW - induced seismicity KW - microseismicity Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70329 ER - TY - THES A1 - Davis, Timothy T1 - An analytical and numerical analysis of fluid-filled crack propagation in three dimensions T1 - Analytische und numerische Untersuchung der dreidimensionalen Ausbreitung von fluidgefüllten Rissen N2 - Fluids in the Earth's crust can move by creating and flowing through fractures, in a process called `hydraulic fracturing’. The tip-line of such fluid-filled fractures grows at locations where stress is larger than the strength of the rock. Where the tip stress vanishes, the fracture closes and the fluid-front retreats. If stress gradients exist on the fracture's walls, induced by fluid/rock density contrasts or topographic stresses, this results in an asymmetric shape and growth of the fracture, allowing for the contained batch of fluid to propagate through the crust. The state-of-the-art analytical and numerical methods to simulate fluid-filled fracture propagation are two-dimensional (2D). In this work I extend these to three dimensions (3D). In my analytical method, I approximate the propagating 3D fracture as a penny-shaped crack that is influenced by both an internal pressure and stress gradients. In addition, I develop a numerical method to model propagation where curved fractures can be simulated as a mesh of triangular dislocations, with the displacement of faces computed using the displacement discontinuity method. I devise a rapid technique to approximate stress intensity and use this to calculate the advance of the tip-line. My 3D models can be applied to arbitrary stresses, topographic and crack shapes, whilst retaining short computation times. I cross-validate my analytical and numerical methods and apply them to various natural and man-made settings, to gain additional insights into the movements of hydraulic fractures such as magmatic dikes and fluid injections in rock. In particular, I calculate the `volumetric tipping point’, which once exceeded allows a fluid-filled fracture to propagate in a `self-sustaining’ manner. I discuss implications this has for hydro-fracturing in industrial operations. I also present two studies combining physical models that define fluid-filled fracture trajectories and Bayesian statistical techniques. In these studies I show that the stress history of the volcanic edifice defines the location of eruptive vents at volcanoes. Retrieval of the ratio between topographic to remote stresses allows for forecasting of probable future vent locations. Finally, I address the mechanics of 3D propagating dykes and sills in volcanic regions. I focus on Sierra Negra volcano in the Gal\'apagos islands, where in 2018, a large sill propagated with an extremely curved trajectory. Using a 3D analysis, I find that shallow horizontal intrusions are highly sensitive to topographic and buoyancy stress gradients, as well as the effects of the free surface. N2 - Flüssigkeiten und Gase (Fluide) können sich in der Erdkruste bewegen, indem sie Risse erzeugen und durch diese fließen. Die Mechanik dieses Problems wird im Forschungsbereich der Bruchmechanik beschrieben. Das Vorhandensein von Spannungsgradienten verursacht einen Rissausbreitungsvorgang durch die Erdkruste. Auf den Flächen dieser Rissufer können verschiedene Arten von Belastungen auftreten, welche definieren, wie sich die Rissfront vergrößert. In dieser Arbeit adaptiere ich zuvor entwickelte zweidimensionale (2D) Modelle der flüssigkeitsgefüllten Bruchausbreitung für drei Dimensionen (3D). Anhand der dreidimensionalen Betrachtung können die Bewegungen dieser Frakturen detaillierter untersucht werden. Analoge und neotektonische Beobachtungen, die mit vorhandenen 2D-Techniken nicht beschreibbar waren, können mit der neuen Technik erklärt werden. Zusätzlich beschreibe ich, wie man mit einer 3D Randelementmethode (boundary element method) Spannungsintensitätsfaktoren berechnen und komplexe Rissgeometrien erfassen kann. Die Rechenzeiten sind vergleichbar mit 2D-Modellen. Ich stelle neue Analysetechniken bereit, mit denen diese Probleme schnell, aber kohärent quantifiziert werden können. Ich verwende diese 3D-Techniken, um eine Reihe von Fallstudien zu untersuchen, wobei ich mich zunächst auf den Wendepunkt konzentriere, ab dem sich der mit Fluiden gefüllte Riss autark bewegt. Ich habe herausgefunden, dass dies durch das in der Fraktur enthaltene Volumen beschrieben werden kann, was Auswirkungen auf den industriellen Betrieb hat. Anschließend präsentiere ich zwei Studien, die physikalische Rissausbreitungsmodelle und Bayes‘sche statistische Techniken kombinieren. Ich zeige, dass die Spannungshistorie den Ort eruptiver Entlüftungsöffnungen definiert und dass die Einbeziehung der topografischen und tektonischen Spannungsverhältnisse mit diesem Schema die Vorhersage wahrscheinlicher zukünftiger Entlüftungsstellen ermöglicht. Mit dem 3D Randelementmethode befasse ich mich mit der Ausbreitung von Gängen und Lavagängen in vulkanischen Regionen. Ich konzentriere mich auf eine Fallstudie vom Vulkan Sierra Negra auf den Galapagos-Inseln, auf der eine große Lavagängen beobachteten wurden, die sich mit einer stark gekrümmten Kurve ausbreitet. Ich habe heraus gefunden, dass die Bewegung von Lavagängen in solchen Systemen aus einer Wechselwirkung von topografischen- und Auftriebs- Spannungsgradienten sowie den Auswirkungen von Halbraumeffekten resultieren. KW - Fracture mechanics KW - Bruchmechanik KW - Boundary element method KW - Randelementmethode KW - Fluid KW - Fluide Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509609 ER - TY - THES A1 - Metz, Malte T1 - Finite fault earthquake source inversions T1 - Ausgedehnte Erdbebenquellinversion BT - implementation and testing of a novel physics-based rupture model BT - Implementierung und Validierung eines neuen selbst-ähnlichen Bruchmodels N2 - Earthquake modeling is the key to a profound understanding of a rupture. Its kinematics or dynamics are derived from advanced rupture models that allow, for example, to reconstruct the direction and velocity of the rupture front or the evolving slip distribution behind the rupture front. Such models are often parameterized by a lattice of interacting sub-faults with many degrees of freedom, where, for example, the time history of the slip and rake on each sub-fault are inverted. To avoid overfitting or other numerical instabilities during a finite-fault estimation, most models are stabilized by geometric rather than physical constraints such as smoothing. As a basis for the inversion approach of this study, we build on a new pseudo-dynamic rupture model (PDR) with only a few free parameters and a simple geometry as a physics-based solution of an earthquake rupture. The PDR derives the instantaneous slip from a given stress drop on the fault plane, with boundary conditions on the developing crack surface guaranteed at all times via a boundary element approach. As a side product, the source time function on each point on the rupture plane is not constraint and develops by itself without additional parametrization. The code was made publicly available as part of the Pyrocko and Grond Python packages. The approach was compared with conventional modeling for different earthquakes. For example, for the Mw 7.1 2016 Kumamoto, Japan, earthquake, the effects of geometric changes in the rupture surface on the slip and slip rate distributions could be reproduced by simply projecting stress vectors. For the Mw 7.5 2018 Palu, Indonesia, strike-slip earthquake, we also modelled rupture propagation using the 2D Eikonal equation and assuming a linear relationship between rupture and shear wave velocity. This allowed us to give a deeper and faster propagating rupture front and the resulting upward refraction as a new possible explanation for the apparent supershear observed at the Earth's surface. The thesis investigates three aspects of earthquake inversion using PDR: (1) to test whether implementing a simplified rupture model with few parameters into a probabilistic Bayesian scheme without constraining geometric parameters is feasible, and whether this leads to fast and robust results that can be used for subsequent fast information systems (e.g., ground motion predictions). (2) To investigate whether combining broadband and strong-motion seismic records together with near-field ground deformation data improves the reliability of estimated rupture models in a Bayesian inversion. (3) To investigate whether a complex rupture can be represented by the inversion of multiple PDR sources and for what type of earthquakes this is recommended. I developed the PDR inversion approach and applied the joint data inversions to two seismic sequences in different tectonic settings. Using multiple frequency bands and a multiple source inversion approach, I captured the multi-modal behaviour of the Mw 8.2 2021 South Sandwich subduction earthquake with a large, curved and slow rupturing shallow earthquake bounded by two faster and deeper smaller events. I could cross-validate the results with other methods, i.e., P-wave energy back-projection, a clustering analysis of aftershocks and a simple tsunami forward model. The joint analysis of ground deformation and seismic data within a multiple source inversion also shed light on an earthquake triplet, which occurred in July 2022 in SE Iran. From the inversion and aftershock relocalization, I found indications for a vertical separation between the shallower mainshocks within the sedimentary cover and deeper aftershocks at the sediment-basement interface. The vertical offset could be caused by the ductile response of the evident salt layer to stress perturbations from the mainshocks. The applications highlight the versatility of the simple PDR in probabilistic seismic source inversion capturing features of rather different, complex earthquakes. Limitations, as the evident focus on the major slip patches of the rupture are discussed as well as differences to other finite fault modeling methods. N2 - Erdbebenmodelle sind der Schlüssel zu einem detaillierten Verständnis der zugrunde liegenden Bruchprozesse. Die kinematischen oder dynamischen Brucheigenschaften werden mit Hilfe von ausgedehnten Bruchmodellen bestimmt. Dadurch können Details, wie z.B. die Bruchrichtung und -geschwindigkeit oder die Verschiebungsverteilung, aufgelöst werden. Häufig sind ausgedehnte Bruchmodelle durch sehr viele freie Parameter definiert, etwa individuelle Verschiebungen und Verschiebungsrichtungen auf den diskretisierten Bruchflächenelementen. Die große Anzahl an Parametern sorgt dafür, dass Inversionsprobleme hochgradig unterbestimmt sind. Um daraus resultierende numerische Instabilitäten zu verhinden, werden diese Modelle häufig mit zusätzlichen eher geometrischen als physikalischen Annahmen stabilisiert, z.B. im Bezug auf die Rauigkeit der Verschiebung auf der Bruchfläche. Die Basis für die Inversionsmethode in dieser Dissertaton bildet das von uns entwickelete pseudo-dynamische Bruchmodel (PDR). Die PDR basiert auf wenigen freien Parametern und einer simplen, planaren Geometrie und ergibt eine physik-gestützte Lösung für Erdbebenbrüche. Die PDR bestimmt die instantane Verschiebung basierend auf gegebenen Spannungsänderungen auf der Bruchfläche. Die Randbedingung der Spannungsänderung wird dabei zu jedem Zeitpunkt der Bruchentwicklung über eine Randelementmethode eingehalten. Als Nebenprodukt dessen kann die Herdzeitfunktion an jedem Punkt der Bruchfläche als Ergebnis des Models bestimmt werden, und muss daher nicht vorher definiert werden. Der PDR-Modellierungsansatz wurde mit anderen Modellen anhand verschiedener Erdbeben verglichen. Am Beispiel des Mw 7,1 2016 Kumamoto, Japan, Bebens konnte der Effekt einer gekrümmten Bruchfläche auf die daraus resultierenden Verschiebungsverteilung und Verschiebungsraten durch eine Projezierung der Spannungsvektoren reproduziert werden. Für das Mw 7,5 2018 Palu, Indonesien, Beben haben wir die Bruchausbreitung auf Grundlage der 2D-Eikonalgleichung und basierend auf einem angenommenen linearen Zusammenhang zwischen Bruch- und Scherwellengeschwindigkeit modelliert. Dadurch konnten wir die beobachtete Supershear-Bruchausbreitung als Ergebnis einer möglichen tiefen und daher schnelleren Bruchfront mit einer Abstrahlung an die Erdoberfläche erklären. Der PDR-Vorwärtsmodellierungs-Code wurde in den Open-Source Python Paketen Pyrocko und Grond veröffentlicht. Meine Dissertation beleuchtet drei Aspekte der Erdbebeninversion unter Zuhilfenahme der PDR: (1) Ist eine Implementation eines simplen Bruchmodels mit wenigen Parametern in ein probabalistisches Bayesisches Inversionsprogramm möglich? Kann dies schnelle und robuste Ergebnisse für weitere Folgeanwendungen, wie Bodenbeschleunigungsvorhersagen, liefern? (2) Wie hilft die Kombination aus seismischen Breitband- und Accelerometerdaten mit Nahfelddeformationsdaten, Inversionsergebnisse mit der PDR zu verbessern? (3) Können komplexe Brüche über einen multiplen PDR-Quellinversionsansatz aufgelöst werden und wenn ja, wann ist dies möglich? Ich habe den PDR-Inversionsansatz entwickelt und auf zwei Erdbeben-Sequenzen in verschiedenen tektonischen Umgebungen angewandt. Mit Hilfe von verschiedenen Datensätzen in mehreren Frequenzbändern innerhalb von einfachen und multiplen Bruchflächeninversionen konnte ich das multi-modale Mw 8,2 2021 South Sandwich Erdbeben characterisieren. Dieses bestand aus einem langen, flachen, langsam brechenden Beben entlang der gekrümmten Subduktionszone, welches durch zwei kleinere, tiefere Brüche mit schnelleren Bruchgeschwindigkeiten begrenzt wurde. Die Validierung mit Ergebnissen aus einer P-Wellen Back-Projection, der Clusteranalyse von Nachbeben und einer Tsunami-Modelierung zeigten eine hohe Konsistenz mit den PDR-Resultaten. Die Kombination von seismischen Daten und Oberflächendeformationen in einer multiplen PDR-Inversion habe ich auch zur Analyse eines Beben-Triplets vom Juni 2022 im Südosten des Irans genutzt. Die Inversionen konnten im Zusammenspiel mit relokalisierten Nachbeben einen neuen Fall von vertikaler Haupt-/Nachbebenseparation auflösen. Während die großen Hauptbeben im flachen Sediment stattfanden, sind die Nachbeben hauptsächlich entlang der tieferen Grenzfläche zwischen Sediment und kristallinem Grundgebirge aufgetreten. Eine Erklärung dafür ist das duktile Fließen einer vorhandenen Salzschicht auf der Grenzfläche, ausgelöst durch Spannungsänderungen im Zuge der Hauptbeben. Die Anwendungen konnten die Vielseitigkeit der PDR als simples Quellmodel innerhalb von seismischen Quellinversionen zeigen. Limitierungen der Inversion, wie der augenscheinliche Fokus auf den Hauptverschiebungsbereich eines Bebens, werden in dieser Arbeit genauso diskutiert wie die Einordnung der PDR im Vergleich zu anderen ausgedehnten Quellmodellen. KW - seismology KW - inversion KW - source model KW - Seismologie KW - Inversion KW - Bruchmodel Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-619745 ER - TY - THES A1 - Mantiloni, Lorenzo T1 - Modeling stress and dike pathways in calerdas T1 - Modellierung von Spannung und Magmagängen in Calderen BT - towards a physics-based forecast of eruptive vent locations BT - Entwicklung physikbasierter Vorhersagen von Eruptionsschlot-Lokationen N2 - Volcanic hazard assessment relies on physics-based models of hazards, such as lava flows and pyroclastic density currents, whose outcomes are very sensitive to the location where future eruptions will occur. On the contrary, forecast of vent opening locations in volcanic areas typically relies on purely data-driven approaches, where the spatial density of past eruptive vents informs the probability maps of future vent opening. Such techniques may be suboptimal in volcanic systems with missing or scarce data, and where the controls on magma pathways may change over time. An alternative approach was recently proposed, relying on a model of stress-driven pathways of magmatic dikes. In that approach, the crustal stress was optimized so that dike trajectories linked consistently the location of the magma chamber to that of past vents. The retrieved information on the stress state was then used to forecast future dike trajectories. The validation of such an approach requires extensive application to nature. Before doing so, however, several important limitations need to be removed, most importantly the two-dimensional (2D) character of the models and theoretical concepts. In this thesis, I develop methods and tools so that a physics-based strategy of stress inversion and eruptive vent forecast in volcanoes can be applied to three dimensional (3D) problems. In the first part, I test the stress inversion and vent forecast strategy on analog models, still within a 2D framework, but improving on the efficiency of the stress optimization. In the second part, I discuss how to correctly account for gravitational loading/unloading due to complex 3D topography with a Boundary-Element numerical model. Then, I develop a new, simplified but fast model of dike pathways in 3D, designed for running large numbers of simulations at minimal computational cost, and able to backtrack dike trajectories from vents on the surface. Finally, I combine the stress and dike models to simulate dike pathways in synthetic calderas. In the third part, I describe a framework of stress inversion and vent forecast strategy in 3D for calderas. The stress inversion relies on, first, describing the magma storage below a caldera in terms of a probability density function. Next, dike trajectories are backtracked from the known locations of past vents down through the crust, and the optimization algorithm seeks for the stress models which lead trajectories through the regions of highest probability. I apply the new strategy to the synthetic scenarios presented in the second part, and I exploit the results from the stress inversions to produce probability maps of future vent locations for some of those scenarios. In the fourth part, I present the inversion of different deformation source models applied to the ongoing ground deformation observed across the Rhenish Massif in Central Europe. The region includes the Eifel Volcanic Fields in Germany, a potential application case for the vent forecast strategy. The results show how the observed deformation may be due to melt accumulation in sub-horizontal structures in the lower crust or upper mantle. The thesis concludes with a discussion of the stress inversion and vent forecast strategy, its limitations and applicability to real volcanoes. Potential developments of the modeling tools and concepts presented here are also discussed, as well as possible applications to other geophysical problems. N2 - Die Analyse vulkanischer Gefahren basiert auf physikalischen Gefahrenmodellen wie Lavaströmen und pyroklastischen Dichteströmen, deren Ergebnisse von den Lokationen der Eruptionen abhängt. Die Vorhersage der Lokationen von Spaltenöffungen (eruptive vent opening) in Vulkangebieten basiert typischerweise auf rein datengesteuerten Ansätzen, bei denen die räumliche Verteilung vergangener Eruptionsspalten die Wahrscheinlichkeitskarten zukünftiger Spaltöffnungen beeinflusst. Solche Techniken sind in Vulkansystemen mit fehlenden oder knappen Daten suboptimal, ebenso wie dort, wo sich physikalische Bedingungen der Magmapfade im Laufe der Zeit verändern können. Kürzlich wurde ein alternativer Ansatz vorgeschlagen, der auf einem Modell spannungsbedingter Magmagänge basiert. Bei diesem Ansatz wurde die Krustenspannung so optimiert, dass die Verläufe der Magmagänge- sowohl mit der Lage der Magmakammer als auch mit der Lage früherer Spaltenöffnungen konsistent sind Die erlangten Informationen über den Spannungszustand werden dann zur Vorhersage zukünftiger Magmagänge verwendet. Die Validierung eines solchen Ansatzes erfordert eine umfassende Anwendung auf natürliche Vulkansysteme. Zuvor müssen jedoch einige wichtige Einschränkungen beseitigt werden, insbesondere der zweidimensionale (2D) Charakter der Modelle und theoretischen Konzepte. In dieser Arbeit entwickle ich Methoden und Software, um physikbasierte Strategien der Spannungsinversion und der Vorhersage von Lokationen von Magmagängen in Vulkanen auf dreidimensionale (3D) Probleme anwenden zu können. Im ersten Teil teste ich die Spannungsinversion und die Vorhersage von eruptiven Magmagängen an analogen Modellen, immer noch innerhalb eines 2D-Rahmens, aber mit verbesserter Effizienz der Spannungsoptimierung. Im zweiten Teil diskutiere ich, wie die gravitative Belastung/Entlastung aufgrund einer komplexen 3D-Topographie mit einem numerischen Grenzelementmodell berücksichtigt werden kann. Anschließend entwickle ich ein neues, vereinfachtes, aber effizientes Modell der Magmagang-Ausbreitung in 3D Dieses ist für die Durchführung einer großen Anzahl von Simulationen mit minimalem Rechenaufwand konzipiert und dabei in der Lage, Magmagang-Ausbreitungen an der Oberfläche zurückzuverfolgen. Schließlich kombiniere ich die Spannungs- und Magma-Ausbreitungsmodelle, um Magmagänge in synthetischen Calderas zu simulieren. Im dritten Teil erarbeite ich ein Rahmenmodell für Spannungsinversion und dreidimensionale Magmagang-Vorhersagen für Calderas. Die Spannungsinversion beruht auf der Annahme einer Magmaspeicherung unterhalb einer Caldera, deren Geometrie durch eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion beschrieben wird. Vergangene Eruptionsstandorte werden durch die Erdkruste zurück propagiert, dabei werden die Spannungsmodelle so optimiert, dass die Endpunkte der Optimierung (Starpunkte der Magmagänge) mit der angenommenen Magmakammer übereinstimmen. Ich verwende die synthetischen Szenarien aus dem zweiten Teil, um die Spannungsinversion in kontrollieren Szenarien zu testen. Im vierten Teil analysieren wir die Bodenverformung im Rheinischen Massiv, Mitteleuropa. Die Region umfasst die Eifel-Vulkanfelder in Deutschland, die einen potenziellen Anwendungsfall für die Strategie zur Vorhersage von Spalteneruptionen darsetellen. Dabei nutze ich in den Inversionen unterschiedliche Deformations-Quellmodelle, um jährliche Magmavolumenänderungen aufzulösen, unter der Annahme, das Magma in die Lithosphäre injiziert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die beobachtete Verformung auf die Ansammlung von Schmelze in subhorizontalen Strukturen in der unteren Kruste oder im oberen Mantel zurückzuführen sein könnte. Abschließend diskutiere ich die Limitationen der erarbeiteten Konzepte und die Möglichkeiten für Anwendungen sowohl in verschiedenen Hochrisko-Vulkanen, als auch in anderen Kontexten, wie besispielsweise in tektonischen und geothermischen Modellierungen. KW - dike pathways KW - stress modeling KW - volcanic hazard assessment KW - Calderas KW - Magmagänge KW - Stressmodellierung KW - Risikobewertung von Vulkanausbrüchen KW - Calderas Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-612621 ER - TY - THES A1 - Karamzadeh Toularoud, Nasim T1 - Earthquake source and receiver array optimal configuration T1 - Optimale Konfiguration von Quell- und Empfängerarray für Erdbeben N2 - Seismic receiver arrays have variety of applications in seismology, particularly when the signal enhancement is a prerequisite to detect seismic events, and in situations where installing and maintaining sparse networks are impractical. This thesis has mainly focused on the development of a new approach for seismological source and receiver array design.The proposed approach deals with the array design task as an optimization problem. The criteria and prerequisite constraints in array design task are integrated in objective function definition and evaluation of a optimization process. Three cases are covered in this thesis: (1) a 2-D receiver array geometry optimization, (2) a 3-D source array optimization, and (3) an array application to monitor microseismic data, where the effect of different types of noise are evaluated. A flexible receiver array design framework implements a customizable scenario modelling and optimization scheme by making use of synthetic seismograms. Using synthetic seismograms to evaluate array performance makes it possible to consider additional constraints, e.g. land ownership, site-specific noise levels or characteristics of the seismic sources under investigation. The use of synthetic array beamforming as an array design criteria is suggested. The framework is customized by designing a 2-D small scale receiver array to monitor earthquake swarm activity in northwest Bohemia/ Vogtland in central Europe. Two sub-functions are defined to verify the accuracy of horizontal slowness estimation; one to suppress aliasing effects due to possible secondary lobes of synthetic array beamforming calculated in horizontal slowness space, and the other to reduce the event's mislocation caused by miscalculation of the horizontal slowness vector. Subsequently, a weighting technique is applied to combine the sub-functions into one single scalar objective function to use in the optimization process. The idea of optimal array is employed to design a 3-D source array, given a well-located catalog of events. The conditions to make source arrays are formulated in four objective functions and a weighted sum technique is used to combine them in one single scalar function. The criteria are: (1) accurate slowness vector estimation, (2) high waveform coherency, (3) low location error and (4) high energy of coda phases. The method is evaluated by two experiments, (1) a synthetic test using realistic synthetic seismograms, (2) using real seismograms, and for each case optimized SA elements are configured using the data from the Vogtland area. The location of a possible scatterer in the velocity model, that makes the converted/reflected phases, e.g. sp-phases, is retrieved by a grid search method using the optimized SA. The accuracy of the approach and the obtained results demonstrated that the method is applicable to study the crustal structure and the location of crustal scatterers when the strong converted phases are observed in the data and a well-located catalog is available. Small aperture arrays are employed in seismology for a variety of applications, ranging from pure event detection to monitor and study of microcosmic activities. The monitoring of microseismicity during temporary human activities is often difficult, as the signal-to-noise ratio is very low and noise is strongly increased during the operation. The combination of small aperture seismic arrays with shallow borehole sensors offers a solution. We tested this monitoring approach at two different sites, (1) accompanying a fracking experiment in sedimentary shale at 4~km depth, and (2) above a gas field under depletion. Arrays recordings are compared with recordings available from shallow borehole sensors and examples of detection and location performance of the array are given. The effect of different types of noise at array and borehole stations are compared and discussed. N2 - Seismische Arrays haben eine Vielzahl von Anwendungen in der Seismologie, insbesondere wenn die Signalverbesserung eine Voraussetzung ist für die seismische Ereignisse erkennen, und in Situationen, in denen die Installation und Wartung spärlicher Netzwerke ist unpraktisch. Diese Arbeit hat sich vor allem auf die Entwicklung eines neuen Ansatzes für seismologische Quellen und Empfänger-Array-Design konzentriert. Der vorgeschlagene Ansatz beschäftigt sich mit der Array-Design-Aufgabe als Optimierungsproblem. Die notwendigen Kriterien und Randbedingungen, die für die seismologische Array-Design-Aufgabe wichtig sind, werden in die objektive Funktionsdefinition und Bewertung eines Optimierungsprozesses integriert. In dieser Arbeit werden drei Fälle behandelt. (1) eine 2-D-Empfänger-Array-Geometrieoptimierung, (2) eine 3D-Quellfeldoptimierung, und (3) eine Array-Anwendung zum Überwachen mikroseismischer Daten, wobei die Auswirkungen verschiedener Arten von Lärm werden bewertet. Ein flexibles Empfänger-Array-Design-Framework wird eingeführt, das ein anpassbares Szenario-Modellierungs- und Optimierungsschema unter Verwendung synthetischer Seismogramme implementiert. Die Verwendung synthetischer Seismogramme zur Bewertung der Array-Leistung ermöglicht es, zusätzliche Einschränkungen, wie z.B. Landbesitz, zu berücksichtigen, standortspezifische Lärmpegel oder Eigenschaften der seismischen Quellen unter Berücksichtigung von Untersuchung. Die Verwendung von synthetischem Array-Strahlformung als Array-Design-Kriterium wird vorgeschlagen. Das Array-Design-Framework wird durch die Entwicklung eines 2-D-Kleinempfänger-Arrays zur Überwachung der Erdbebenschwarmaktivität im Vogtland in Mitteleuropa angepasst. Es werden zwei Teilfunktionen definiert, um die Genauigkeit der horizontalen Langsamkeitsschätzung zu überprüfen. Eine zur Unterdrückung von Aliasing-Effekten aufgrund möglicher Nebenkeulen der synthetischen Strahlformung, berechnet im horizontalen Langsamkeitsraum, und zum anderen, um die Fehlstellung des Ereignisses durch eine Fehlberechnung des horizontalen Langsamkeitsvektors zu reduzieren. Anschliessend wird eine Gewichtungstechnik angewendet, um die Kombination von die Unterfunktionen zu einer einzigen skalaren Zielfunktion zusammenfassen, die in der Optimierungsprozess verwendet werden kann. Die Idee des Array Optimal Design wird verwendet, um ein 3-D Source Array zu entwerfen, das einen gut lokalisierten Katalog von Erdbebenereignissen enthält. Die Bedingungen für die Herstellung von Quellarrays werden in vier Zielfunktionen formuliert, und eine gewichtete Summentechnik wird verwendet, um sie in einer einzigen skalaren Funktion zu kombinieren. Die Kriterien sind: (1) genaue Langsamkeitsvektorschätzung, (2) hohe Wellenform-Kohärenz, (3) niedriger Ortsfehler und (4) bis hohe Energie der Coda-Phasen. Die Methode wird durch zwei Experimente bewertet, (1) ein synthetischer Test mit realistischen synthetischen Seismogrammen, (2) mit realen Seismogrammen und optimierte SA-Elemente werden für jeden Fall unter Verwendung der Daten aus dem Vogtland gefunden. Die Position eines möglichen Streuers im Geschwindigkeitsmodell, der die konvertierten/reflektierten Phasen, z.B. sp-Phasen, erzeugt, wird durch ein Rastersuchverfahren mit dem optimierten SA ermittelt. Die Genauigkeit des Ansatzes und die erhaltenen Ergebnisse sind überzeugend, dass die Methode anwendbar ist, um die Krustenstruktur und die Position von Krustalstreuern zu untersuchen, wenn die stark konvertierten Phasen in den Daten beobachtet werden und ein gut lokalisierter Katalog verfügbar ist. Die Überwachung der Mikroseismizität bei solchen temporären menschlichen Aktivitäten ist oft schwierig, da der Signal-Rausch-Verhältnis sehr niedrig ist und das Rauschen während des Betriebs stark erhöht wird. Die Kombination von seismischen Arrays mit kleiner Apertur und flachen Bohrlochsensoren bietet eine Lösung. Wir haben diesen Überwachungsansatz an zwei verschiedenen Standorten getestet. (1) Begleiten eines Fracking-Experiments in sedimentärem Schiefer in 4 km Tiefe und (2) über einem Gasfeld unter Erschöpfung. Die Aufzeichnungen von Arrays werden mit den Aufzeichnungen von flachen Bohrlochsensoren verglichen, und es werden Beispiele für die Detektions- und Standortleistung der Arrays gegeben. Die Auswirkungen verschiedener Arten von Lärm an Array- und Bohrlochstationen werden verglichen und diskutiert. KW - seismic array KW - earthquake source array KW - array design KW - optimal array configuration KW - source array optimal design KW - scatterer location KW - scattered phases KW - seismicity modelling KW - synthetic array beam power KW - Array-Entwurf KW - Erdbebenquellen-Array KW - optimale Array-Konfiguration KW - gestreute Phasen KW - Standort des Streuers KW - seismisches Array KW - Seismizitätsmodellierung KW - Quell-Array optimales Design KW - synthetische Array-Strahlleistung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459828 ER - TY - THES A1 - Nooshiri, Nima T1 - Improvement of routine seismic source parameter estimation based on regional and teleseismic recordings T1 - Verbesserung von Standard-Verfahren zur Abschätzung von seismischen Quellparametern auf regionalen und teleseismischen Distanzen N2 - Seismological agencies play an important role in seismological research and seismic hazard mitigation by providing source parameters of seismic events (location, magnitude, mechanism), and keeping these data accessible in the long term. The availability of catalogues of seismic source parameters is an important requirement for the evaluation and mitigation of seismic hazards, and the catalogues are particularly valuable to the research community as they provide fundamental long-term data in the geophysical sciences. This work is well motivated by the rising demand for developing more robust and efficient methods for routine source parameter estimation, and ultimately generation of reliable catalogues of seismic source parameters. Specifically, the aim of this work is to develop some methods to determine hypocentre location and temporal evolution of seismic sources based on regional and teleseismic observations more accurately, and investigate the potential of these methods to be integrated in near real-time processing. To achieve this, a location method that considers several events simultaneously and improves the relative location accuracy among nearby events has been provided. This method tries to reduce the biasing effects of the lateral velocity heterogeneities (or equivalently to compensate for limitations and inaccuracies in the assumed velocity model) by calculating a set of timing corrections for each seismic station. The systematic errors introduced into the locations by the inaccuracies in the assumed velocity structure can be corrected without explicitly solving for a velocity model. Application to sets of multiple earthquakes in complex tectonic environments with strongly heterogeneous structure such as subduction zones and plate boundary region demonstrate that this relocation process significantly improves the hypocentre locations compared to standard locations. To meet the computational demands of this location process, a new open-source software package has been developed that allows for efficient relocation of large-scale multiple seismic events using arrival time data. Upon that, a flexible location framework is provided which can be tailored to various application cases on local, regional, and global scales. The latest version of the software distribution including source codes, a user guide, an example data set, and a change history, is freely available to the community. The developed relocation algorithm has been modified slightly and then its performance in a simulated near real-time processing has been evaluated. It has been demonstrated that applying the proposed technique significantly reduces the bias in routine locations and enhance the ability to locate the lower magnitude events using only regional arrival data. Finally, to return to emphasis on global seismic monitoring, an inversion framework has been developed to determine the seismic source time function through direct waveform fitting of teleseismic recordings. The inversion technique can be systematically applied to moderate- size seismic events and has the potential to be performed in near real-time applications. It is exemplified by application to an abnormal seismic event; the 2017 North Korean nuclear explosion. The presented work and application case studies in this dissertation represent the first step in an effort to establish a framework for automatic, routine generation of reliable catalogues of seismic event locations and source time functions. N2 - Seismologische Dienste spielen eine wichtige Rolle in der seismologischen Forschung und Gefährdungsanalyse, indem sie Quellparameter für seismische Ereignisse (Lokalisierung, Stärke, Mechanismus) bereitstellen und diese Daten langfristig verfügbar machen. Die Verfügbarkeit von Katalogen seismischer Quellparameter ist eine wichtige Voraussetzung für die Bewertung der seismischen Gefährdung und Minderung der Auswirkungen von Erdbeben. Die seismischen Kataloge sind für die Forschungsgemeinschaft besonders wertvoll, da sie grundlegende Hintergrundsdaten über lange Zeiträume liefern. Die vorliegende Arbeit ist motiviert durch die steigende Nachfrage nach der Entwicklung robusterer und effizienterer Methoden für die routinemäßige Schätzung von Quellparametern und schließlich die Verbesserung der Qualität und Quantität der seismischen Kataloge. Ziel dieser Arbeit ist es insbesondere Methoden zu entwickeln, um die Lokalisierung von Hypozentren und die zeitliche Entwicklung der Momentfreisetzung bei einem Erdbeben auf der Grundlage regionaler und teleseismischer Beobachtungen genauer zu bestimmen, und das Potenzial dieser Methoden für eine zeitnahe Verarbeitung zu untersuchen. Um dies zu erreichen, wurde eine Lokalisierungsmethode bereitgestellt, die mehrere Ereignisse gleichzeitig berücksichtigt und die relative Genauigkeit der Hypozentren zwischen benachbarten Ereignissen verbessert. Dieses Verfahren versucht, die Verzerrungen durch Geschwindigkeits-heterogenitäten zu reduzieren, oder äquivalent Einschränkungen und Ungenauigkeiten in dem angenommenen Geschwindigkeitsmodell auszugleichen, indem richtungsabhängige Zeitkorrekturen für jede seismische Station berechnet werden. Die systematischen Fehler, die durch die Ungenauigkeiten in der angenommenen Geschwindigkeitsstruktur in die Lokalisierung projiziert werden, können korrigiert werden, ohne explizit nach einem Geschwindigkeitsmodell zu lösen. Die Anwendung auf Ensemble von Erdbeben in tektonischen Situationen mit stark heterogener, komplexer Struktur wie Subduktionszonen und Plattengrenzregionen zeigt, dass diese Relokalisierung die Hypozentren im Vergleich zu Standardlokalisierungen signifikant verbessert. Um den rechnerischen Anforderungen der Lokalisierung gerecht zu werden, wurde ein neues Open-Source-Softwarepaket entwickelt, das eine effiziente Relokalisierung einer großen Anzahl von Erdbeben unter Verwendung von Ankunftszeitdaten ermöglicht. Daraufhin wird ein flexibler Lokalisierungsrahmen bereitgestellt, der an verschiedene Fälle auf lokaler, regionaler und globaler Ebene angepasst werden kann. Die neueste Version der Software einschließlich Quellcodes, Benutzerhandbuch, Beispieldatensatz und Änderungsverlauf ist für die Öffentlichkeit frei verfügbar. Der entwickelte Relokalisierungs-Algorithmus wurde geringfügig verändert und anschließend seine Leistung in einem simulierten Echtzeit Prozess bewertet. Es zeigte sich, dass die Anwendung der vorgeschlagenen Technik die Verzerrung der Hypozentren der Routineauswertung erheblich verringert und die Fähigkeit zum Lokalisieren der Ereignisse mit niedriger Magnitude unter Verwendung nur regionaler Ankunftsdaten verbessert. Um sich wieder auf die globale seismische Überwachung zu konzentrieren, wurde schließlich ein Inversionssystem entwickelt, um die Zeitfunktion der seismischen Quelle durch direkte Wellenformanpassung von teleseismischen Aufzeichnungen zu bestimmen. Die Inversionstechnik kann systematisch auf seismische Ereignisse mittlerer Größe angewendet werden und hat das Potenzial, in nahezu Echtzeitanwendungen ausgeführt zu werden. Dies wird beispielhaft durch die Anwendung auf ein abnormales seismisches Ereignis veranschaulicht: die nordkoreanische Atomexplosion 2017. Die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeits- und Anwendungsfallstudien stellen den ersten Schritt dar, um einen Rahmen für die automatische, routinemäßige Erzeugung zuverlässiger Kataloge von seismischen Ereignisorten und Quellzeitfunktion zu schaffen. KW - observational seismology KW - earthquake bulletin data KW - seismic event localization KW - seismic source-time function estimation KW - beobachtende Seismologie KW - Erdbebenkatalogdaten KW - seismische Ereignislokalisierung KW - Herdzeit Parameter Abschätzung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459462 ER - TY - THES A1 - Osudar, Roman T1 - Methane distribution and oxidation across aquatic interfaces T1 - Verteilung und Oxidation von Methan in aquatischen Ökosystemen BT - case studies from Arctic water bodies and the Elbe estuary BT - Fallstudien aus arktischen Wasserkörpern und dem Elbe Ästuar N2 - The increase in atmospheric methane concentration, which is determined by an imbalance between its sources and sinks, has led to investigations of the methane cycle in various environments. Aquatic environments are of an exceptional interest due to their active involvement in methane cycling worldwide and in particular in areas sensitive to climate change. Furthermore, being connected with each other aquatic environments form networks that can be spread on vast areas involving marine, freshwater and terrestrial ecosystems. Thus, aquatic systems have a high potential to translate local or regional environmental and subsequently ecosystem changes to a bigger scale. Many studies neglect this connectivity and focus on individual aquatic or terrestrial ecosystems. The current study focuses on environmental controls of the distribution and aerobic oxidation of methane at the example of two aquatic ecosystems. These ecosystems are Arctic fresh water bodies and the Elbe estuary which represent interfaces between freshwater-terrestrial and freshwater-marine environments, respectively. Arctic water bodies are significant atmospheric sources of methane. At the same time the methane cycle in Arctic water bodies is strongly affected by the surrounding permafrost environment, which is characterized by high amounts of organic carbon. The results of this thesis indicate that the methane concentrations in Arctic lakes and streams substantially vary between each other being regulated by local landscape features (e.g. floodplain area) and the morphology of the water bodies (lakes, streams and river). The highest methane concentrations were detected in the lake outlets and in a floodplain lake complex. In contrast, the methane concentrations measured at different sites of the Lena River did not vary substantially. The lake complexes in comparison to the Lena River, thus, appear as more individual and heterogeneous systems with a pronounced imprint of the surrounding soil environment. Furthermore, connected with each other Arctic aquatic environments have a large potential to transport methane from methane-rich water bodies such as streams and floodplain lakes to aquatic environments relatively poor in methane such as the Lena River. Estuaries represent hot spots of oceanic methane emissions. Also, estuaries are intermediate zones between methane-rich river water and methane depleted marine water. Substantiated through this thesis at the example of the Elbe estuary, the methane distribution in estuaries, however, cannot entirely be described by the conservative mixing model i.e. gradual decrease from the freshwater end-member to the marine water end-member. In addition to the methane-rich water from the Elbe River mouth substantial methane input occurs from tidal flats, areas of significant interaction between aquatic and terrestrial environments. Thus, this study demonstrates the complex interactions and their consequences for the methane distribution within estuaries. Also it reveals how important it is to investigate estuaries at larger spatial scales. Methane oxidation (MOX) rates are commonly correlated with methane concentrations. This was shown in previous research studies and was substantiated by the present thesis. In detail, the highest MOX rates in the Arctic water bodies were detected in methane-rich streams and in the floodplain area while in the Elbe estuary the highest MOX rates were observed at the coastal stations. However, in these bordering environments, MOX rates are affected not only via the regulation through methane concentrations. The MOX rates in the Arctic lakes were shown to be also dependent on the abundance and community composition of methane-oxidising bacteria (MOB), that in turn are controlled by local landscape features (regardless of the methane concentrations) and by the transport of MOB between neighbouring environments. In the Elbe estuary, the MOX rates in addition to the methane concentrations are largely affected by the salinity, which is in turn regulated by the mixing of fresh- and marine waters. The magnitude of the salinity impact on MOX rates thereby depends on the MOB community composition and on the rate of the salinity change. This study extends our knowledge of environmental controls of methane distribution and aerobic methane oxidation in aquatic environments. It also illustrates how important it is to investigate complex ecosystems rather than individual ecosystems to better understand the functioning of whole biomes. N2 - Aufgrund des Anstiegs der Methankonzentration in der Atmosphäre, der durch ein Ungleichgewicht zwischen Quellen und Senken hervorgerufen wird, steht der Methankreislauf im Fokus der Forschung. Aquatische Ökosysteme, und im Speziellen solche, die vom Klimawechsel besonders betroffen sind, spielen eine wichtige Rolle im globalen Methankreislauf. Darüber hinaus können sie über große Areale miteinander verknüpft sein und terrestrische mit marinen Ökosystemen verbinden. In aquatischen Systemen können sich daher lokale und regionale Umweltänderungen auf sehr große räumliche Skalen auswirken. Viele Untersuchungen berücksichtigen diesen Zusammenhang nicht und betrachten aquatische unabhängig von den sich angrenzenden Ökosystemen. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Umweltfaktoren auf die Methankonzentration und die mikrobielle aerobe Methanoxidation. Der Schwerpunkt liegt dabei auf zwei aquatischen Ökosystemen, arktische Süßwassertransekte und Ästuare, und auf deren mikrobieller Ökologie. Diese beiden Ökosysteme beschreiben typische terrestrisch-limnische und limnisch-marine Übergangsbereiche. Arktische Gewässer stellen eine wichtige Quelle für atmosphärisches Methan dar. Sie werden außerdem stark durch den umgebenden Permafrost, der reich an organischer Substanz ist, beeinflusst. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen am Beispiel des Lena-Deltas, dass sich die Methankonzentrationen in arktischen Seen und Fließgewässern wesentlich voneinander unterscheiden. Besonderen Einfluss üben hierbei das örtliche Landschaftsbild (z.B. Überflutungsbereiche) und die Charakteristika der Wasserkörper (Seen, Wasserläufe und Flüsse) aus. Die höchsten Methankonzentrationen wurden in Seeabläufen und in Seen einer Überflutungsebene (Seekomplex) gemessen. Im Gegensatz dazu unterschieden sich die Methankonzentrationen an verschiedenen Messpunkten der Lena nur unwesentlich. Der Seekomplex erscheint daher im Vergleich zur Lena heterogener und stark vom umgebenden Bodenökosystem beeinflusst. Die miteinander vernetzten arktischen aquatischen Ökosysteme haben darüber hinaus ein hohes Potential, Methan von methan-reichen Gewässern, wie Wasserläufen und Überflutungsgebieten, zu relativ methan-armen Gewässern wie der Lena zur transportieren. Ästuare sind „hot spots“ der Methanemission von marin beeinflussten Systemen. Sie stellen Übergangszonen zwischen methan-reichem Flusswasser und methan-armem Meerwasser dar. Wie die Untersuchungen am Elbe Ästuar zeigen, kann die Methanverteilung jedoch nicht immer hinreichend durch das konservative Durchmischungs-Model (graduelle Abnahme vom Süß- zum Meerwasser hin) beschrieben werden. Zusätzlich zum methan-reichen Wasser der Elbemündung konnte der Eintrag von Methan in Wattbereichen, Gegenden starker aquatischer und terrestrischer Interaktion, gezeigt werden. Diese Studie verdeutlicht demnach die Komplexität von Ästuarsystemen hinsichtlich der Methanverteilung und die Notwendigkeit, diese in größeren Maßstäben zu untersuchen. Methanoxidationsraten (MOX-Raten) korrelieren gewöhnlich mit den Methankonzentrationen. Dies zeigen die hier vorliegenden Daten aber auch vorherige Studien. Die höchsten MOX-Raten der arktischen Gewässer wurden im Rahmen dieser Arbeit in methan-reichen Fließgewässern sowie einer Überflutungsebene gemessen. Im Elbeästuar wurden die höchsten Werte an den Küstenstationen aufgezeichnet. In den jeweils untersuchten Übergangszonen werden die MOX-Raten jedoch nicht nur durch die Methankonzentrationen gekennzeichnet. In den arktischen Seen werden sie zusätzlich durch die Zellzahl und Populationsstruktur von Methan oxidierenden Bakterien (MOB) bestimmt, welche wiederum durch lokale Umweltfaktoren (unabhängig von der Methankonzentration) und den Transport von MOB zwischen benachbarten Ökosystemen beeinflusst werden. Im Elbeästuar hingegen werden die MOX-Raten neben den Methankonzentrationen größtenteils von der Salinität, die durch die Vermischung von Süß- und Salzwasser reguliert wird, bedingt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auch, dass im Elbeästuar die Salinität, die durch die Vermischung von Süß- und Salzwasser reguliert wird, einen großen Einfluss auf die MOX-Raten hat. Das Ausmaß dieses Einflusses hängt dabei von der Populationsstruktur der MOB und der Geschwindigkeit des Salinitätswechsels ab. Zusammenfassend trägt die vorliegende Arbeit dazu bei, Zusammenhänge zwischen Methankonzentration, dem Prozess und Mikrobiom der aeroben Methanoxidation und bestimmten Umweltfaktoren wie beispielsweise der Salinität in aquatischen Systemen besser zu verstehen. Sie verdeutlicht außerdem, wie bedeutsam es ist, aquatische Ökosysteme in ihrer räumlichen Komplexität und nicht entkoppelt zu betrachten. KW - microbial methane oxidation KW - mikrobielle aerobe Methanoxidation KW - aquatic ecosystems KW - aquatischen Ökosystemen KW - Elbe estuary KW - Elbe Ästuar KW - Lena Delta KW - arktische Gewässer KW - arctic water bodies Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96799 ER - TY - THES A1 - Genderjahn, Steffi T1 - Biosignatures of Present and Past Microbial Life in Southern African Geoarchives T1 - Biosignaturen von gegenwärtigem und vergangenem mikrobiellen Leben in südafrikanischen Geoarchiven N2 - Global climate change is one of the greatest challenges of the 21st century, with influence on the environment, societies, politics and economies. The (semi-)arid areas of Southern Africa already suffer from water scarcity. There is a great variety of ongoing research related to global climate history but important questions on regional differences still exist. In southern African regions terrestrial climate archives are rare, which makes paleoclimate studies challenging. Based on the assumption that continental pans (sabkhas) represent a suitable geo-archive for the climate history, two different pans were studied in the southern and western Kalahari Desert. A combined approach of molecular biological and biogeochemical analyses is utilized to investigate the diversity and abundance of microorganisms and to trace temporal and spatial changes in paleoprecipitation in arid environments. The present PhD thesis demonstrates the applicability of pan sediments as a late Quaternary geo-archive based on microbial signature lipid biomarkers, such as archaeol, branched and isoprenoid glycerol dialkyl glycerol tetraethers (GDGTs) as well as phospholipid fatty acids (PLFA). The microbial signatures contained in the sediment provide information on the current or past microbial community from the Last Glacial Maximum to the recent epoch, the Holocene. The results are discussed in the context of regional climate evolution in southwestern Africa. The seasonal shift of the Innertropical Convergence Zone (ITCZ) along the equator influences the distribution of precipitation- and climate zones. The different expansion of the winter- and summer rainfall zones in southern Africa was confirmed by the frequency of certain microbial biomarkers. A period of increased precipitation in the south-western Kalahari could be described as a result of the extension of the winter rainfall zone during the last glacial maximum (21 ± 2 ka). Instead a period of increased paleoprecipitation in the western Kalahari was indicated during the Late Glacial to Holocene transition. This was possibly caused by a southwestern shift in the position of the summer rainfall zone associated to the southward movement of the ITCZ. Furthermore, for the first time this study characterizes the bacterial and archaeal life based on 16S rRNA gene high-throughput sequencing in continental pan sediments and provides an insight into the recent microbial community structure. Near-surface processes play an important role for the modern microbial ecosystem in the pans. Water availability as well as salinity might determine the abundance and composition of the microbial communities. The microbial community of pan sediments is dominated by halophilic and dry-adapted archaea and bacteria. Frequently occurring microorganisms such as, Halobacteriaceae, Bacillus and Gemmatimonadetes are described in more detail in this study. N2 - Der globale Klimawandel beeinflusst Umwelt, Gesellschaft, Politik sowie Wirtschaft und ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Die semi-ariden bzw. ariden Gebiete im südlichen Afrika leiden bereits unter Wasserknappheit. Eine Vielzahl laufender Forschungsprojekte befasst sich mit der globalen Klimageschichte, wobei häufig Fragen zu regionalen Unterschieden offen bleiben. In den südafrikanischen Gebieten sind terrestrische Klimaarchive (wie z.B. Seen) selten, so dass die Durchführung von Paleoklimastudien schwierig ist. Basierend auf der Annahme, dass kontinentale Pfannen (Sabkhas) zur Klimarekonstruktion geeignet sind, wurden in der vorliegenden Doktorarbeit zwei unterschiedliche Pfannen in der süd- und in der westlichen Kalahari untersucht. Mittels eines kombinierten Ansatzes aus molekularbiologischen und biogeochemischen Methoden wurde die Diversität und Abundanz der Mikroorganismen analysiert, um räumliche und zeitliche Veränderungen in Bezug auf den Niederschlag in diesen trockenen Gebieten zu rekonstruieren. Diese Dissertation betrachtet u.a. das Potential der Pfannensedimente als Geoarchiv auf Basis der mikrobiellen Biomarkeranalyse, wie Archaeol, verzweigte und isoprenoiden Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethern (GDGTs) sowie Phospholipidfettsäuren (PLFAs). Die im Sediment enthaltenen mikrobiellen Signaturen geben Auskunft über die gegenwärtige bzw. vergangene mikrobielle Gemeinschaft vom Letzten Glazialen Maximum bis zur jüngsten Epoche, dem Holozän. Die Ergebnisse werden im Kontext der regionalen Klimaentwicklung im südwestlichen Afrika diskutiert. Bedingt durch die saisonale Verschiebung der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) entlang des Äquators verändert sich die Verteilung von Niederschlags- und Klimazonen. Die unterschiedliche Ausdehnung der Winter- und Sommerregenzonen im südlichen Afrika konnte anhand der Häufigkeit bestimmter mikrobieller Biomarker bestätigt werden. Aufgrund der Ausdehnung der Winterregenzone während des Letzten Glazialen Maximums (LGM, 21 ± 2 ka) konnte eine Periode erhöhten Niederschlags in der südwestlichen Kalahari beschrieben werden. Im Gegensatz dazu konnte eine Niederschlagszunahme zwischen dem letzten Glazial bis zum Holozän (17 – 12 ka) in der westlichen Kalahari aufgezeigt werden, ausgelöst durch eine Verschiebung der ITCZ in Richtung Süden. Darüber hinaus charakterisiert diese Studie erstmals das bakterielle und archaelle Leben auf Basis der 16S rRNA Gen Hochdurchsatz-Sequenzierung in kontinentalen Pfannensedimenten und gibt einen Einblick in die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft. Oberflächennahe Prozesse spielen eine wichtige Rolle für das moderne mikrobielle Ökosystem in den Pfannen. Wasserverfügbarkeit sowie der Salzgehalt bestimmen die Abundanz und Diversität der mikrobiellen Gemeinschaften. Gelegentliche Regenschauer können die Bedingungen an den oberflächennahen Sedimenten schnell verändern und das mikrobielle Leben beeinflussen. Die mikrobielle Gemeinschaft der Pfannensedimente wird von halophilen und an die Trockenheit angepassten Archaeen und Bakterien dominiert. Häufig vorkommende Mikroorganismen, wie zum Beispiel Halobacteriaceae, Bacillus und Gemmatimonadetes werden in der vorliegenden Arbeit näher beschrieben. Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Diversität und Verteilung der mikrobiellen Gemeinschaft in nährstoffarmen und niederschlagsarmen, semi-ariden Habitaten. Sie beschreibt die Verwendung von Lipidbiomarkern als Proxy der mikrobiellen Abundanz in Bezug auf vergangene klimatische Veränderungen in der Kalahari. KW - biomarker KW - paleoclimate KW - Kalahari KW - halophiles KW - next generation sequencing KW - Biomarker KW - Paläoklima KW - Kalahari KW - Halophile KW - Hochdurchsatzsequenzierung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410110 ER - TY - THES A1 - Golly, Antonius T1 - Formation and evolution of channel steps and their role for sediment dynamics in a steep mountain stream T1 - Formation und Evolution von Bachstufen und ihr Einfluss auf die Sedimentdynamik eines steilen Gebirgseinzugsgebietes N2 - Steep mountain channels are an important component of the fluvial system. On geological timescales, they shape mountain belts and counteract tectonic uplift by erosion. Their channels are strongly coupled to hillslopes and they are often the main source of sediment transported downstream to low-gradient rivers and to alluvial fans, where commonly settlements in mountainous areas are located. Hence, mountain streams are the cause for one of the main natural hazards in these regions. Due to climate change and a pronounced populating of mountainous regions the attention given to this threat is even growing. Although quantitative studies on sediment transport have significantly advanced our knowledge on measuring and calibration techniques we still lack studies of the processes within mountain catchments. Studies examining the mechanisms of energy and mass exchange on small temporal and spatial scales in steep streams remain sparse in comparison to low-gradient alluvial channels. In the beginning of this doctoral project, a vast amount of experience and knowledge of a steep stream in the Swiss Prealps had to be consolidated in order to shape the principal aim of this research effort. It became obvious, that observations from within the catchment are underrepresented in comparison to experiments performed at the catchment’s outlet measuring fluxes and the effects of the transported material. To counteract this imbalance, an examination of mass fluxes within the catchment on the process scale was intended. Hence, this thesis is heavily based on direct field observations, which are generally rare in these environments in quantity and quality. The first objective was to investigate the coupling of the channel with surrounding hillslopes, the major sources of sediment. This research, which involved the monitoring of the channel and adjacent hillslopes, revealed that alluvial channel steps play a key role in coupling of channel and hillslopes. The observations showed that hillslope stability is strongly associated with the step presence and an understanding of step morphology and stability is therefore crucial in understanding sediment mobilization. This finding refined the way we think about the sediment dynamics in steep channels and motivated continued research of the step dynamics. However, soon it became obvious that the technological basis for developing field tests and analyzing the high resolution geometry measured in the field was not available. Moreover, for many geometrical quantities in mountain channels definitions and a clear scientific standard was not available. For example, these streams are characterized by a high spatial variability of the channel banks, preventing straightforward calculations of the channel width without a defined reference. Thus, the second and inevitable part of this thesis became the development and evaluation of scientific tools in order to investigate the geometrical content of the study reach thoroughly. The developed framework allowed the derivation of various metrics of step and channel geometry which facilitated research on the a large data set of observations of channel steps. In the third part, innovative, physically-based metrics have been developed and compared to current knowledge on step formation, suggested in the literature. With this analyses it could be demonstrated that the formation of channel steps follow a wide range of hydraulic controls. Due to the wide range of tested parameters channel steps observed in a natural stream were attributed to different mechanisms of step formation, including those based on jamming and those based on key-stones. This study extended our knowledge on step formation in a steep stream and harmonized different, often time seen as competing, processes of step formation. This study was based on observations collected at one point in time. In the fourth part of this project, the findings of the snap-shot observations were extended in the temporal dimension and the derived concepts have been utilized to investigate reach-scale step patterns in response to large, exceptional flood events. The preliminary results of this work based on the long-term analyses of 7 years of long profile surveys showed that the previously observed channel-hillslope mechanism is the responsible for the short-term response of step formation. The findings of the long-term analyses of step patterns drew a bow to the initial observations of a channel-hillslope system which allowed to join the dots in the dynamics of steep stream. Thus, in this thesis a broad approach has been chosen to gain insights into the complex system of steep mountain rivers. The effort includes in situ field observations (article I), the development of quantitative scientific tools (article II), the reach-scale analyses of step-pool morphology (article III) and its temporal evolution (article IV). With this work our view on the processes within the catchment has been advanced towards a better mechanistic understanding of these fluvial system relevant to improve applied scientific work. N2 - Gebirgsbäche sind stark gekoppelt mit angrenzenden Hängen, welche eine Hauptquelle von Sediment darstellen. Dieses Sediment wird durch erosive Prozesse weiter im fluvialen System stromabwärts transportiert, häufig auch in Bereiche alpiner Besiedlung. Das transportierte Sediment kann dort verheerende Schäden an Gebäuden und Infrastruktur anrichten. Daher stellen Gebirgsbäche eine Hauptursache für Naturgefahren in steilen Regionen dar, welche durch den Wandel des Klimas und die fortschreitende Besiedlung durch den Menschen noch verstärkt werden. Wenngleich quantitative Studien unser Wissen über Mess- und Kalibrierungstechniken zur Erfassung von Sedimenttransport erweitert haben, so sind doch viele Prozesse innerhalb der Einzugsgebiete in Hinblick auf Erosion und Sedimentverfügbarkeit weitgehend unerforscht. So stellen Beobachtungen von Mechanismen von Energie- und Massenaustausch auf kleinen räumlichen und zeitlichen Skalen innerhalb steiler Gebirgseinzugsgebiete eine Ausname dar. Diese Doktorarbeit basiert auf hoch-qualitativen Feldbeobachtungen in einem schweizer Gebirgsbach um Forschungsfragen in Hinblick auf die Sediementdyanmik zu behandeln. Das erste Ziel war es, die Gerinne-Hang-Kopplung zu erforschen und zu verstehen, um mögliche Sedimentquellen zu identifizieren, sowie die Mechanismen und Prozesse der Sedimentgenerierung in den Kontext der allgemeinen Dynamik von Gebirgsbächen zu bringen. Die erste Studie, welche auf visuellen Beobachtungen basiert, offenbarte eine Schlüsselrolle von Bachstufen in der Gerinne-Hang-Kopplung. Auf dieser Grundlage wurde ein konzeptuelles Modell entwickelt (Artikel I): durch die Erosion von Bachstufen werden angrenzende Hänge destabilisiert und ermöglichen anhaltenden Sedimenteintrag. Diese Forschung regte eine genauere Beobachtung der räumlichen und zeitlichen Evolution von Bachstufen an. Die weitere Forschung erforderte jedoch neue technologische Werkzeuge und Methoden welche zunächst in dieser Doktorarbeit eigens entwickelt wurden (Artikel II). Mit diesen Werkzeugen wurde dann ein Datensatz eingemessener Bachstufen in Hinblick auf den Formationsprozess analysiert (Artikel III). Mit dieser Analyse konnten verschiedene Stufenbildungstheorien überprüft und und zwei dominante Mechanismen verifiziert werden: Bachstufen formen sich in engen und verengenden Bachabchnitten durch Verklemmung, sowie in breiten und breiter werdenden Abschnitten durch die Ablagerung von Schlüsselsteinen. Durch diese Beobachtung wurde unser Wissen über Stufenbildung erweitert indem verschiedene hypothetisierte Mechanismen in einem Gebirgsbach harmonisiert wurden. Zu guter Letzt wurde diese Punktbeobachtung schließlich in den zeitlichen Kontext gesetzt, indem die Muster von Bachstufen über 7 Jahre nach einem hydrologischen Großereignis in 2010 untersucht wurden (Artikel IV). Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass Großereignisse einen erheblichen Einfluss auf die Gerinnebreite haben: sowohl die räumlich gemittelte Gerinnebreite, als auch die mittlere Gerinnebreite an Bachstufen ist unmittelbar nach dem Großereignis deutlich erhöht. Weiterhin ist die relative Anzahl der Bachstufen welche durch Schlüsselsteine erzeugt werden größer nach dem Großereignis. Dies deutet darauf hin, dass der zuerst beobachtete Mechanismus der Gerinne-Hang-Kopplung (Artikel I) verantwortlich ist für die zeitliche Evolution der Bachstufen nach Großereignissen (Artikel IV). KW - Geomorphologie KW - geomorphology KW - Naturgefahren KW - natural hazards KW - Gebirgsbäche KW - mountain rivers KW - Geschiebetransport KW - bedload transport KW - Bachstufen KW - channel steps KW - Gerinne-Hang-Kopplung KW - channel-hillslope coupling Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411728 ER - TY - THES A1 - Kuhnert, Matthias T1 - Quantifizierung von Oberflächenabfluss und Erosion auf Böden mit hydrophoben Eigenschaften T1 - Quantification of surface runoff and soil erosion on water repellent soils N2 - Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung hydrophober Bodeneigenschaften und deren Auswirkungen auf Oberflächenabfluss und Erosion auf verschiedenen Skalen. Die dazu durchgeführten Untersuchungen fanden auf einer Rekultivierungsfläche im Braunkohlegebiet Welzow Süd (Südostdeutschland) statt. Die Prozesse wurden auf drei Skalen untersucht, die von der Plotskala (1m²) über die Hangskala (300m²) bis zur Betrachtung eines kleinen Einzugsgebietes (4ha) reichen. Der Grad der hydrophoben Bodeneigenschaften wurde sowohl direkt, über die Bestimmung des Kontaktwinkel, als auch indirekt, über die Bestimmung der Persistenz, ermittelt. Dabei zeigte sich, dass der Boden im Winterhalbjahr hydrophil reagierte, während er im Sommerhalbjahr hydrophobe Bodeneigenschaften aufwies. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ansteigende Bodenwassergehalte, die in der Literatur häufig als Ursache für einen Wechsel der Bodeneigenschaften angegeben werden, auf dieser Fläche nicht zu einem Umbruch der Bodenbedingungen führen. Stattdessen kam es als Folge des Auftauens von gefrorenem Boden zu hydrophilen Bodeneigenschaften, die zu einem Anstieg des Bodenwassergehalts führten. Räumliche Unterschiede zeigten sich in den geomorphologischen Einheiten. Rinnen und Rillen wiesen seltener hydrophobe Eigenschaften als die Zwischenrillenbereiche und Kuppen auf. Diese räumlichen und zeitlichen Variabilitäten wirkten sich auch auf den Oberflächenabfluss aus, der als Abflussbeiwert (ABW: Quotient aus Abfluss und Niederschlag) untersucht wurde. Der ABW liegt auf Böden mit hydrophoben Bodeneigenschaften (ABW=0,8) deutlich höher als bei jenen mit hydrophilen Eigenschaften(ABW=0,2), wie sie im Winter oder auf anderem Substrat vorzufinden sind (diese Werte beziehen sich auf die Plotskala). Betrachtet man die Auswirkungen auf unterschiedlichen Skalen, nimmt der Abflussbeiwert mit zunehmender Flächengröße ab (ABW = 0,8 auf der Plotskala, ABW = 0,5 auf der Hangskala und ABW = 0,2 im gesamten Gebiet), was in den hydrophil reagierenden Rillen und Rinnen auf der Hangskala und dem hydrophilen Substrat im Einzugsgebiet begründet ist. Zur Messung der Erosion wurden verschiedene, zum Teil neu entwickelte Methoden eingesetzt, um eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung zu erreichen. Bei einer neu entwickelten Methode wird der Sedimentaustrag ereignisbezogen über eine Waage bestimmt. In Kombination mit einer Kippwaage ermöglicht sie die gleichzeitige Messung des Oberflächenabflusses. Die Messapparatur wurde für Gebiete entwickelt, die eine überwiegend grobsandige Textur aufweisen und nur geringe Mengen Ton und Schluff enthalten. Zusätzlich wurden zwei Lasersysteme zur Messung der räumlichen Verteilung der Erosion eingesetzt. Für die erste Methode wurde ein punktuell messender Laser in einer fest installierten Apparatur über die Fläche bewegt und punktuell Höhenunterschiede in einem festen Raster bestimmt. Durch Interpolation konnten Bereiche mit Sedimentabtrag von Akkumulationsbereiche unterschieden werden. Mit dieser Methode können auch größere Flächen vermessen werden (hier 16 m²), allerdings weisen die Messungen in den Übergangsbereichen von Rinne zu Zwischenrille große Fehler auf. Bei der zweiten Methode wird mit einer Messung ein Quadratmeter mit einer hohen räumlichen Auflösung komplett erfasst. Um ein dreidimensionales Bild zu erstellen, müssen insgesamt vier Aufnahmen von jeweils unterschiedlichen Seiten aufgenommen werden. So lassen sich Abtrag und Akkumulation sehr genau bestimmen, allerdings ist die Messung relativ aufwendig und erfasst nur eine kleine Fläche. Zusätzlich wurde der Sedimentaustrag noch auf der Plotskala erfasst. Die Messungen zeigen, korrespondierend zu den Bodeneigenschaften, große Sedimentausträge während des Sommerhalbjahrs und kaum Austräge im Winter. Weiterhin belegen die Ergebnisse eine größere Bedeutung der Rillenerosion gegenüber der Zwischenrillenerosion für Niederschlagsereignisse hoher Intensität (>25 mm/h in einem zehnminütigem Intervall). Im Gegensatz dazu dominierte die Zwischenrillenerosion bei Ereignissen geringerer Intensität (<20 mm/h in einem zehnminütigem Intervall), wobei mindestens 9 mm Niederschlag in einer Intensität von mindesten 3,6 mm/h nötig sind, damit es zur Erosion kommt. Basierend auf den gemessenen Abflüssen und Sedimentausträgen wurden Regressiongleichungen abgeleitet, die eine Berechnung dieser beiden Prozesse für die untersuchte Fläche ermöglichen. Während die Menge an Oberflächenabfluss einen starken Zusammenhang zu der Menge an gefallenem Niederschlag zeigt (r² = 0,9), ist die Berechnung des ausgetragenen Sedimentes eher ungenau (r² = 0,7). Zusammenfassend beschreibt die Arbeit Einflüsse hydrophober Bodeneigenschaften auf verschiedenen Skalen und arbeitet die Auswirkungen, die vor allem auf der kleinen Skala von großer Bedeutung sind, heraus. N2 - The objective of the thesis is the investigation of water repellent soil conditions and their consequences on surface runoff and erosion by water on different scales. The test site is a lignite mining area situated in Welzow Süd (south east Germany). The processes are to investigate on three different scales, starting with a plot scale (1 m²), then a hill slope scale (300 m²) and, finally, with a small catchment area (4 ha). The level of water repellency was quantified by both direct (contact angle) and indirect measurement (persistence of the soil). The results show seasonal differences with hydrophilic soil conditions during winter and water repellent reactions during summer. For this change in soil conditions, the soil water content is pronounced in literature to be the most important factor. On the test site, the soil water content changed instead as a consequence of the thawing of the soil which affects the hydrophilic conditions of the soil itself. The spatial differences of the soil water content are related to rill and channel areas (hydrophillic) and to knoll areas (water repellent). Both the spatial as well as the temporal variation of the soil conditions affect surface runoff which is investigated as a runoff coefficient (RC: ratio of amount of surface runoff to amount of precipitation). The RC shows higher values on soil with water repellent conditions (RC=0.8) in comparison with the values on hydrophilic soils (RC=0.2). The hydrophilic conditions predominate in areas with different substrates and during the winter. Observations on different scales show a decreasing RC as the size of the area increases (RC = 0.8 on the plot scale, RC = 0.5 on the hill slope scale and RC = 0.2 for the entire catchment area). The reasons for this are the hydrophilic rill in the hill slope area and the hydrophilic substrate in the entire catchment area. The measurement of erosion, based on different methods, some of them just newly developed, quantifies in a good resolution sediment transport spatially as well as temporally. The central part of one of the newly developed approaches is a balance which quantifies an event based sediment output. This approach is coupled with a tipping bucket to measure surface runoff. The system has been developed for coarse textured areas with little amounts of sand and silt. Additionally, two laser systems are used to detect changes in the soil surface over the spatial distribution. The first method contains a laser which measures only a single point and has to be moved in a fixed apparatus above the soil surface in a well defined raster. The areas of sediment abrasion and the detachment areas are restricted by interpolation of the measurement results. This method enables measurements on large areas (16 m² in this project), but tends to result in a high level of errors in the transition zone between rill and interrill. The second laser system covered an area of 1 m² in high resolution. To construct a three-dimensional picture, four different pictures have to be taken from four different directions. This defines the abrasion and detachment areas in a very detailed manner, but the method is very time-consuming and covers only a small area. In addition, measurements on the plots collected the amount of sediment output on a small scale. These results show, corresponding to the water repellent soil conditions, high rates of sediment output during summer, but low rates during winter season. The results show also the dominance of rill erosion in comparison with interrill erosion during high intensity rainfall events (>25 mm/h during one interval of ten minutes). On the contrary, interrill erosion becomes more important during low intensity rainfall events (<20 mm/h during at one interval of ten minutes). At least a 9 mm amount of precipitation with a minimum intensity of 3.6 mm/h is necessary to provoke erosion on this test site. Based on the measurement results regression empirical equations were developed to quantify surface runoff and sediment output. While, surface runoff correlates well with the amount of precipitation (r² = 0,9), sediment output shows little correlation to the amount and intensity of the precipitation (r² = 0,7). In summary, the thesis described effects of water repellent soil conditions on surface runoff and erosion on different scales. The effects on the smaller scales especially are of high interest to hydrological processes. KW - Oberflächenabfluss KW - Erosion KW - Hydrophobie KW - Messmethoden KW - Hangskala KW - surfac runoff KW - soil erosion KW - hydrophobicity KW - measurements KW - hill slope scale Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32871 ER - TY - THES A1 - Düthmann, Doris T1 - Hydrological modeling of mountain catchments in Central Asia T1 - Hydrologische Modellierung von Gebirgsgebieten in Zentralasien BT - approaches for data sparse catchments BT - Ansätze für datenarme Einzugsgebiete N2 - Water resources from Central Asia’s mountain regions have a high relevance for the water supply of the water scarce lowlands. A good understanding of the water cycle in these mountain regions is therefore needed to develop water management strategies. Hydrological modeling helps to improve our knowledge of the regional water cycle, and it can be used to gain a better understanding of past changes or estimate future hydrologic changes in view of projected changes in climate. However, due to the scarcity of hydrometeorological data, hydrological modeling for mountain regions in Central Asia involves large uncertainties. Addressing this problem, the first aim of this thesis was to develop hydrological modeling approaches that can increase the credibility of hydrological models in data sparse mountain regions. This was achieved by using additional data from remote sensing and atmospheric modeling. It was investigated whether spatial patterns from downscaled reanalysis data can be used for the interpolation of station-based precipitation data. This approach was compared to other precipitation estimates using a hydrologic evaluation based on hydrological modeling and a comparison of simulated and observed discharge, which demonstrated a generally good performance of this method. The study further investigated the value of satellite-derived snow cover data for model calibration. Trade-offs of good model performance in terms of discharge and snow cover were explicitly evaluated using a multiobjective optimization algorithm, and the results were contrasted with single-objective calibration and Monte Carlo simulations. The study clearly shows that the additional use of snow cover data improved the internal consistency of the hydrological model. In this context, it was further investigated for the first time how many snow cover scenes were required for hydrological model calibration. The second aim of this thesis was the application of the hydrological model in order to investigate the causes of observed streamflow increases in two headwater catchments of the Tarim River over the recent decades. This simulation-based approach for trend attribution was complemented by a data-based approach. The hydrological model was calibrated to discharge and glacier mass balance data and considered changes in glacier geometry over time. The results show that in the catchment with a lower glacierization, increasing precipitation and temperature both contributed to the streamflow increases, while in the catchment with a stronger glacierization, increasing temperatures were identified as the dominant driver. N2 - Wasserressourcen aus den Gebirgsregionen Zentralasiens haben eine große Bedeutung für die Wasserversorgung der niederschlagsarmen Tiefebenen. Ein gutes Verständnis des Wasserkreislaufs in diesen Gebirgsregionen ist daher eine wichtige Grundlage für die Entwicklung von Wassermanagementstrategien. Hydrologische Modelle sind ein gut geeignetes Hilfsmittel, um den Wasserhaushalt dieser Gebiete besser zu verstehen, sowie Änderungen des Wasserkreislaufs in der Vergangenheit nachzuvollziehen oder zukünftige hydrologische Änderungen infolge des Klimawandels zu projizieren. Allerdings ist die hydrologische Modellierung in Gebirgsgebieten Zentralasiens aufgrund der nur spärlich vorhandenen hydrometeorologischen Daten mit großen Unsicherheiten verbunden. Das erste Ziel dieser Arbeit war daher, Ansätze für die hydrologische Modellierung zu entwickeln, mit denen die Unsicherheiten der Modellierung in datenarmen Gebirgsregionen reduziert werden können. Dazu wurden zusätzliche Daten aus der Fernerkundung und atmosphärischen Modellierung verwendet. Es wurde untersucht, ob räumliche Muster von herunterskalierten Reanalysedaten für die Interpolation von stationsbasierten Niederschlagsdaten verwendet werden können. Diese Methode zeigte bei einem Vergleich mit anderen Niederschlagsschätzungen, wozu ein Ansatz basierend auf hydrologischer Modellierung und dem Vergleich von beobachteten und simulierten Abflussdaten angewandt wurde, generell gute Ergebnisse. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit der Wert von satellitenbasierten Schneebedeckungsdaten analysiert. Der Zielkonflikt zwischen hoher Modellgüte bezüglich Abfluss und Schneebedeckung wurde explizit mit einem multiobjektiven Kalibrieralgorithmus untersucht. Die Ergebnisse wurden mit Modellkalibrierungen mit nur einer Zielfunktion sowie mit Monte-Carlo-Simulationen verglichen. Die Studie zeigt sehr deutlich, dass die zusätzliche Verwendung von Schneebedeckungsdaten die interne Konsistenz des Modells erhöht. In diesem Zusammenhang wurde auch erstmalig die Anzahl der für die Modellkalibrierung erforderlichen Schneebedeckungsszenen analysiert. Das zweite Ziel dieser Arbeit war die Anwendung des hydrologischen Modells, um die Ursachen einer beobachteten Zunahme des Abflusses in zwei Kopfeinzugsgebieten des Tarim-Flusses über die letzten Jahrzehnte zu untersuchen. Dieser simulationsbasierte Ansatz zur Trendattributierung wurde durch einen datenbasierten Ansatz ergänzt. Das hydrologische Modell wurde sowohl an Abfluss- als auch an Gletschermassenbilanzdaten kalibriert und berücksichtigt Änderungen in der Gletschergeometrie über die Zeit. Die Ergebnisse zeigen, dass in dem geringer vergletscherten Gebiet Zunahmen im Niederschlag und in der Temperatur zum Anstieg des Abflusses beigetragen haben, während in dem stärker vergletscherten Gebiet die Temperaturzunahme als dominierender Treiber identifiziert wurde. KW - hydrological modeling KW - mountain hydrology KW - precipitation interpolation KW - multiobjective calibration KW - remote sensing data KW - trend attribution KW - hydrologische Modellierung KW - Gebirgshydrologie KW - Niederschlagsinterpolation KW - multiobjektive Kalibrierung KW - Fernerkundungsdaten KW - Trendattributierung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-80071 ER - TY - THES A1 - Rözer, Viktor T1 - Pluvial flood loss to private households T1 - Schäden durch urbane Sturzfluten in Privathaushalten N2 - Today, more than half of the world’s population lives in urban areas. With a high density of population and assets, urban areas are not only the economic, cultural and social hubs of every society, they are also highly susceptible to natural disasters. As a consequence of rising sea levels and an expected increase in extreme weather events caused by a changing climate in combination with growing cities, flooding is an increasing threat to many urban agglomerations around the globe. To mitigate the destructive consequences of flooding, appropriate risk management and adaptation strategies are required. So far, flood risk management in urban areas is almost exclusively focused on managing river and coastal flooding. Often overlooked is the risk from small-scale rainfall-triggered flooding, where the rainfall intensity of rainstorms exceeds the capacity of urban drainage systems, leading to immediate flooding. Referred to as pluvial flooding, this flood type exclusive to urban areas has caused severe losses in cities around the world. Without further intervention, losses from pluvial flooding are expected to increase in many urban areas due to an increase of impervious surfaces compounded with an aging drainage infrastructure and a projected increase in heavy precipitation events. While this requires the integration of pluvial flood risk into risk management plans, so far little is known about the adverse consequences of pluvial flooding due to a lack of both detailed data sets and studies on pluvial flood impacts. As a consequence, methods for reliably estimating pluvial flood losses, needed for pluvial flood risk assessment, are still missing. Therefore, this thesis investigates how pluvial flood losses to private households can be reliably estimated, based on an improved understanding of the drivers of pluvial flood loss. For this purpose, detailed data from pluvial flood-affected households was collected through structured telephone- and web-surveys following pluvial flood events in Germany and the Netherlands. Pluvial flood losses to households are the result of complex interactions between impact characteristics such as the water depth and a household’s resistance as determined by its risk awareness, preparedness, emergency response, building properties and other influencing factors. Both exploratory analysis and machine-learning approaches were used to analyze differences in resistance and impacts between households and their effects on the resulting losses. The comparison of case studies showed that the awareness around pluvial flooding among private households is quite low. Low awareness not only challenges the effective dissemination of early warnings, but was also found to influence the implementation of private precautionary measures. The latter were predominately implemented by households with previous experience of pluvial flooding. Even cases where previous flood events affected a different part of the same city did not lead to an increase in preparedness of the surveyed households, highlighting the need to account for small-scale variability in both impact and resistance parameters when assessing pluvial flood risk. While it was concluded that the combination of low awareness, ineffective early warning and the fact that only a minority of buildings were adapted to pluvial flooding impaired the coping capacities of private households, the often low water levels still enabled households to mitigate or even prevent losses through a timely and effective emergency response. These findings were confirmed by the detection of loss-influencing variables, showing that cases in which households were able to prevent any loss to the building structure are predominately explained by resistance variables such as the household’s risk awareness, while the degree of loss is mainly explained by impact variables. Based on the important loss-influencing variables detected, different flood loss models were developed. Similar to flood loss models for river floods, the empirical data from the preceding data collection was used to train flood loss models describing the relationship between impact and resistance parameters and the resulting loss to building structures. Different approaches were adapted from river flood loss models using both models with the water depth as only predictor for building structure loss and models incorporating additional variables from the preceding variable detection routine. The high predictive errors of all compared models showed that point predictions are not suitable for estimating losses on the building level, as they severely impair the reliability of the estimates. For that reason, a new probabilistic framework based on Bayesian inference was introduced that is able to provide predictive distributions instead of single loss estimates. These distributions not only give a range of probable losses, they also provide information on how likely a specific loss value is, representing the uncertainty in the loss estimate. Using probabilistic loss models, it was found that the certainty and reliability of a loss estimate on the building level is not only determined by the use of additional predictors as shown in previous studies, but also by the choice of response distribution defining the shape of the predictive distribution. Here, a mix between a beta and a Bernoulli distribution to account for households that are able to prevent losses to their building’s structure was found to provide significantly more certain and reliable estimates than previous approaches using Gaussian or non-parametric response distributions. The successful model transfer and post-event application to estimate building structure loss in Houston, TX, caused by pluvial flooding during Hurricane Harvey confirmed previous findings, and demonstrated the potential of the newly developed multi-variable beta model for future risk assessments. The highly detailed input data set constructed from openly available data sources containing over 304,000 affected buildings in Harris County further showed the potential of data-driven, building-level loss models for pluvial flood risk assessment. In conclusion, pluvial flood losses to private households are the result of complex interactions between impact and resistance variables, which should be represented in loss models. The local occurrence of pluvial floods requires loss estimates on high spatial resolutions, i.e. on the building level, where losses are variable and uncertainties are high. Therefore, probabilistic loss estimates describing the uncertainty of the estimate should be used instead of point predictions. While the performance of probabilistic models on the building level are mainly driven by the choice of response distribution, multi-variable models are recommended for two reasons: First, additional resistance variables improve the detection of cases in which households were able to prevent structural losses. Second, the added variability of additional predictors provides a better representation of the uncertainties when loss estimates from multiple buildings are aggregated. This leads to the conclusion that data-driven probabilistic loss models on the building level allow for a reliable loss estimation at an unprecedented level of detail, with a consistent quantification of uncertainties on all aggregation levels. This makes the presented approach suitable for a wide range of applications, from decision support in spatial planning to impact- based early warning systems. N2 - Über die Hälfte der Weltbevölkerung lebt heute in Städten. Mit einer hohen Dichte an Menschen, Gütern und Gebäuden sind Städte nicht nur die wirtschaftlichen, politischen und kulturellen Zentren einer Gesellschaft, sondern auch besonders anfällig gegenüber Naturkatastrophen. Insbesondere Hochwasser und Überflutungen stellen in Folge von steigenden Meeresspiegeln und einer erwarteten Zunahme von Extremwettereignissen eine wachsende Bedrohung in vielen Regionen dar. Um die möglichen Folgen dieser Entwicklung zu vermeiden bzw. zu reduzieren, ist es notwendig sich der steigenden Gefahr durch geeignete Maßnahmen anzupassen. Bisher ist der Hochwasserschutz in Städten beinahe ausschließlich auf Überflutungen durch Flusshochwasser oder Sturmfluten fokussiert. Dabei werden sogenannte urbane Sturzfluten, die in den letzten Jahren vermehrt zu hohen Schäden in Städten geführt haben, nicht berücksichtigt. Bei urbanen Sturzfluten führen lokale Starkniederschläge mit hohen Regenmengen zu einer Überlastung des städtischen Abwassersystems und damit zu einer direkten, oft kleinräumigen Überflutung innerhalb eines bebauten Gebiets. Mit einer prognostizierten Zunahme von Starkniederschlägen, sowie einer baulichen Verdichtung und damit einhergehender Flächenversiegelung in vielen Städten, ist mit einer Zunahme von urbanen Sturzfluten zu rechnen. Dies verlangt die Einbindung des Risikos durch urbane Sturzfluten in bestehende Hochwasserschutzkonzepte. Bisher fehlen allerdings sowohl detaillierte Daten als auch Methoden um das Risiko durch urbane Sturzfluten und die dadurch verursachten Schäden, etwa an Wohngebäuden, zuverlässig abzuschätzen. Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Arbeit hauptsächlich mit der Entwicklung von Verfahren und Modellen zur Abschätzung von Schäden an Privathaushalten durch urbane Sturzfluten. Dazu wurden detaillierte Daten durch Telefon- und Online-Umfragen nach urbanen Sturzflutereignissen in Deutschland und in den Niederlanden erhoben und ausgewertet. Die Erkenntnisse aus den detaillierten Analysen zu Vorsorge, Notmaßnahmen und Wiederherstellung, vor, während und nach urbanen Sturzflutereignissen, wurden genutzt um eine neue Methode zur Schätzung von Schäden an Wohngebäuden zu entwickeln. Dabei werden neben Angaben wie Dauer und Höhe der Überflutung, auch Eigenschaften von Haushalten, wie etwa deren Risikobewusstsein, in die Schätzung miteinbezogen. Nach lokaler Validierung wurde die neuentwickelte Methode beispielhaft zur Schätzung von Wohngebäudeschäden nach einem urbanen Sturzflutereignis im Großraum Houston (Texas, USA) erfolgreich angewendet. Anders als bei bisherigen Ansätzen wird der geschätzte Schaden eines Wohngebäudes nicht als einzelner Wert angegeben, sondern als Verteilung, welche die Bandbreite möglicher Schäden und deren Wahrscheinlichkeit angibt. Damit konnte die Zuverlässigkeit von Schadensschätzungen im Vergleich zu bisherigen Verfahren erheblich verbessert werden. Durch die erfolgreiche Anwendung sowohl auf der Ebene einzelner Gebäude als auch für gesamte Städte, ergibt sich ein breites Spektrum an Nutzungsmöglichkeiten, etwa als Entscheidungsunterstützung in der Stadtplanung oder für eine verbesserte Frühwarnung vor urbanen Sturzfluten. KW - Schadensmodellierung KW - Unsicherheiten KW - Starkregen KW - Privathaushalte KW - damage modeling KW - economic impacts KW - uncertainty KW - private households KW - probabilistic KW - pluvial flooding Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429910 ER - TY - THES A1 - Metin Usta, Ayşe Duha T1 - The role of risk components and spatial dependence in flood risk estimations N2 - Flooding is a vast problem in many parts of the world, including Europe. It occurs mainly due to extreme weather conditions (e.g. heavy rainfall and snowmelt) and the consequences of flood events can be devastating. Flood risk is mainly defined as a combination of the probability of an event and its potential adverse impacts. Therefore, it covers three major dynamic components: hazard (physical characteristics of a flood event), exposure (people and their physical environment that being exposed to flood), and vulnerability (the elements at risk). Floods are natural phenomena and cannot be fully prevented. However, their risk can be managed and mitigated. For a sound flood risk management and mitigation, a proper risk assessment is needed. First of all, this is attained by a clear understanding of the flood risk dynamics. For instance, human activity may contribute to an increase in flood risk. Anthropogenic climate change causes higher intensity of rainfall and sea level rise and therefore an increase in scale and frequency of the flood events. On the other hand, inappropriate management of risk and structural protection measures may not be very effective for risk reduction. Additionally, due to the growth of number of assets and people within the flood-prone areas, risk increases. To address these issues, the first objective of this thesis is to perform a sensitivity analysis to understand the impacts of changes in each flood risk component on overall risk and further their mutual interactions. A multitude of changes along the risk chain are simulated by regional flood model (RFM) where all processes from atmosphere through catchment and river system to damage mechanisms are taken into consideration. The impacts of changes in risk components are explored by plausible change scenarios for the mesoscale Mulde catchment (sub-basin of the Elbe) in Germany. A proper risk assessment is ensured by the reasonable representation of the real-world flood event. Traditionally, flood risk is assessed by assuming homogeneous return periods of flood peaks throughout the considered catchment. However, in reality, flood events are spatially heterogeneous and therefore traditional assumption misestimates flood risk especially for large regions. In this thesis, two different studies investigate the importance of spatial dependence in large scale flood risk assessment for different spatial scales. In the first one, the “real” spatial dependence of return period of flood damages is represented by continuous risk modelling approach where spatially coherent patterns of hydrological and meteorological controls (i.e. soil moisture and weather patterns) are included. Further the risk estimations under this modelled dependence assumption are compared with two other assumptions on the spatial dependence of return periods of flood damages: complete dependence (homogeneous return periods) and independence (randomly generated heterogeneous return periods) for the Elbe catchment in Germany. The second study represents the “real” spatial dependence by multivariate dependence models. Similar to the first study, the three different assumptions on the spatial dependence of return periods of flood damages are compared, but at national (United Kingdom and Germany) and continental (Europe) scales. Furthermore, the impacts of the different models, tail dependence, and the structural flood protection level on the flood risk under different spatial dependence assumptions are investigated. The outcomes of the sensitivity analysis framework suggest that flood risk can vary dramatically as a result of possible change scenarios. The risk components that have not received much attention (e.g. changes in dike systems and in vulnerability) may mask the influence of climate change that is often investigated component. The results of the spatial dependence research in this thesis further show that the damage under the false assumption of complete dependence is 100 % larger than the damage under the modelled dependence assumption, for the events with return periods greater than approximately 200 years in the Elbe catchment. The complete dependence assumption overestimates the 200-year flood damage, a benchmark indicator for the insurance industry, by 139 %, 188 % and 246 % for the UK, Germany and Europe, respectively. The misestimation of risk under different assumptions can vary from upstream to downstream of the catchment. Besides, tail dependence in the model and flood protection level in the catchments can affect the risk estimation and the differences between different spatial dependence assumptions. In conclusion, the broader consideration of the risk components, which possibly affect the flood risk in a comprehensive way, and the consideration of the spatial dependence of flood return periods are strongly recommended for a better understanding of flood risk and consequently for a sound flood risk management and mitigation. N2 - Hochwasser sind ein großes Problem und treten hauptsächlich aufgrund extremer Wetterbedingungen (z. B. starker Regen und Schneeschmelze) auf. Die Folgen von Hochwasserereignissen können verheerend sein. Das Konzept des Hochwasserrisikos beinhaltet die drei Komponenten: Gefahr, Exposition und Vulnerabilität. Hochwasser sind natürliche Phänomene und können nicht sicher verhindert werden. Das Risiko kann jedoch gesteuert und gemindert werden. Für ein solides Hochwasserrisikomanagement und die Minderung des Risikos ist eine ordnungsgemäße Risikobewertung und ein klares Verständnis der Hochwasserrisikodynamik erforderlich. Beispielsweise verursacht der anthropogene Klimawandel eine höhere Intensität der Niederschläge und einen Anstieg des Meeresspiegels und damit eine Zunahme des Ausmaßes und der Häufigkeit von Hochwasserereignissen. Andererseits können unangemessene strukturelle Schutzmaßnahmen, das Anwachsen von Vermögenswerten und eine steigende Anzahl betroffener Personen in den hochwassergefährdeten Gebieten das Risiko erhöhen. Um diese Probleme zu adressieren, besteht ein Ziel dieser Arbeit aus der Durchführung einer Sensitivitätsanalyse, um die Auswirkungen von Änderungen in jeder Hochwasserrisikokomponente auf das Gesamtrisiko und deren Wechselwirkungen untereinander zu verstehen. Eine angemessene Risikobewertung wird auch durch die korrekte k Darstellung des realen Hochwasserereignisses erreicht. Traditionell wird das Hochwasserrisiko bewertet, indem homogene Wiederkehrintervalle von Hochwasserspitzen im gesamten Einzugsgebiet angenommen werden. In der Realität sind Hochwasserereignisse jedoch räumlich heterogen, weshalb die traditionelle Annahme von Homogenität das Hochwasserrisiko insbesondere für große Einzugsgebiete falsch einschätzt. In dieser Arbeit wird die Bedeutung der räumlichen Abhängigkeit bei der Bewertung des Hochwasserrisikos in großem Maßstab in zwei Studien für verschiedene räumliche Skalen untersucht. In der ersten Untersuchung wird die „reale“ räumliche Abhängigkeit durch einen kontinuierlichen Risikomodellierungsansatz dargestellt. Zusätzlich werden die Risikoabschätzungen unter dieser modellierten Abhängigkeitsannahme mit zwei weiteren Annahmen zur räumlichen Abhängigkeit der Wiederkehrintervalle von Hochwasser verglichen: vollständige Abhängigkeit und Unabhängigkeit für das Elbeeinzugsgebiet in Deutschland. Die zweite Studie repräsentiert die „reale“ räumliche Abhängigkeit durch ein copula-basiertes Abhängigkeitsmodell. In ähnlicher Weise werden die drei verschiedenen Annahmen zur räumlichen Abhängigkeit der Wiederkehrintervalle von Hochwasser auf nationaler und kontinentaler Ebene verglichen. Außerdem wird der Einfluss von „Tail-dependences“ im Modell sowie von Hochwasserschutzmaßnahmen auf die räumliche Abhängigkeit untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit unter Anwendung des Sensitivitätsanalyse-Frameworks zeigen, dass das Hochwasserrisiko aufgrund möglicher Änderungsszenarien dramatisch variieren kann. Der Einfluss des Klimawandels kann durch Änderungen anderer Risikokomponenten (z. B. Änderungen der Deichsysteme und der Vulnerabilität) überdeckt werden. Die Untersuchung zur räumlichen Abhängigkeit zeigen, dass der Schaden unter der Annahme vollständiger Abhängigkeit für Ereignisse mit Wiederkehrintervalle von mehr als ungefähr 200 Jahren im Elbeeinzugsgebiet 100 % größer als der Schaden unter modellierter Abhängigkeit. Die Annahme vollständiger Abhängigkeit überschätzt den 200-jährigen Hochwasserschaden, einen Referenzindikator für die Versicherungsbranche, um 139 %, 188 % und 246 % für Vereinigte Königreich, Deutschland und Europa. Die Fehleinschätzung des Hochwasserrisikos kann unter verschiedenen Annahmen von Abhängigkeit zwischen Oberlauf und Unterlauf eines Einzugsgebietes stark variieren. Zudem können „Tail-dependences“ im Modell sowie der Hochwasserschutz im Einzugsgebiet die Ergebnisse der Risikoabschätzung, unter verschiedenen Annahmen der räumlichen Abhängigkeit, beeinflussen. Abschließend wird eine umfangreiche Berücksichtigung der Risikokomponenten und insbesondere der räumlichen Abhängigkeit von Wiederkehrintervallen stark empfohlen, um das Hochwasserrisiko und damit dessen Management und Minderung besser verstehen zu können. T2 - Die Rolle von Risikokomponenten und räumlicher Abhängigkeit bei Hochwasserrisikoabschätzungen KW - flood risk KW - sensitivity analysis KW - hazard KW - river flooding KW - vulnerability KW - spatial dependence KW - damage estimation KW - continuous simulation KW - flood risk assessment KW - kontinuierliche Simulation KW - Schadensabschätzung KW - Hochwasserrisiko KW - Hochwasserrisikobewertung KW - Gefahr KW - Flusshochwasser KW - Sensitivitätsanalyse KW - räumliche Abhängigkeit KW - Vulnerabilität Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-492554 ER - TY - THES A1 - Marc, Odin T1 - Earthquake-induced landsliding T1 - Erdbeben induzierten Hangrutschungen BT - earthquakes as erosional agents across timescales BT - Erdbeben als Erosions-Agenten über Zeitskalen N2 - Earthquakes deform Earth's surface, building long-lasting topographic features and contributing to landscape and mountain formation. However, seismic waves produced by earthquakes may also destabilize hillslopes, leading to large amounts of soil and bedrock moving downslope. Moreover, static deformation and shaking are suspected to damage the surface bedrock and therefore alter its future properties, affecting hydrological and erosional dynamics. Thus, earthquakes participate both in mountain building and stimulate directly or indirectly their erosion. Moreover, the impact of earthquakes on hillslopes has important implications for the amount of sediment and organic matter delivered to rivers, and ultimately to oceans, during episodic catastrophic seismic crises, the magnitude of life and property losses associated with landsliding, the perturbation and recovery of landscape properties after shaking, and the long term topographic evolution of mountain belts. Several of these aspects have been addressed recently through individual case studies but additional data compilation as well as theoretical or numerical modelling are required to tackle these issues in a more systematic and rigorous manner. This dissertation combines data compilation of earthquake characteristics, landslide mapping, and seismological data interpretation with physically-based modeling in order to address how earthquakes impact on erosional processes and landscape evolution. Over short time scales (10-100 s) and intermediate length scales (10 km), I have attempted to improve our understanding and ability to predict the amount of landslide debris triggered by seismic shaking in epicentral areas. Over long time scales (1-100 ky) and across a mountain belt (100 km) I have modeled the competition between erosional unloading and building of topography associated with earthquakes. Finally, over intermediate time scales (1-10 y) and at the hillslope scale (0.1-1 km) I have collected geomorphological and seismological data that highlight persistent effects of earthquakes on landscape properties and behaviour. First, I compiled a database on earthquakes that produced significant landsliding, including an estimate of the total landslide volume and area, and earthquake characteristics such as seismic moment and source depth. A key issue is the accurate conversion of landslide maps into volume estimates. Therefore I also estimated how amalgamation - when mapping errors lead to the bundling of multiple landslide into a single polygon - affects volume estimates from various earthquake-induced landslide inventories and developed an algorithm to automatically detect this artifact. The database was used to test a physically-based prediction of the total landslide area and volume caused by earthquakes, based on seismological scaling relationships and a statistical description of the landscape properties. The model outperforms empirical fits in accuracy, with 25 out of 40 cases well predicted, and allows interpretation of many outliers in physical terms. Apart from seismological complexities neglected by the model I found that exceptional rock strength properties or antecedent conditions may explain most outliers. Second, I assessed the geomorphic effects of large earthquakes on landscape dynamics by surveying the temporal evolution of precipitation-normalized landslide rate. I found strongly elevated landslide rates following earthquakes that progressively recover over 1 to 4 years, indicating that regolith strength drops and recovers. The relaxation is clearly non-linear for at least one case, and does not seem to correlate with coseismic landslide reactivation, water table level increase or tree root-system recovery. I suggested that shallow bedrock is damaged by the earthquake and then heals on annual timescales. Such variations in ground strength must be translated into shallow subsurface seismic velocities that are increasingly surveyed with ambient seismic noise correlations. With seismic noise autocorrelation I computed the seismic velocity in the epicentral areas of three earthquakes where I constrained a change in landslide rate. We found similar recovery dynamics and timescales, suggesting that seismic noise correlation techniques could be further developed to meaningfully assess ground strength variations for landscape dynamics. These two measurements are also in good agreement with the temporal dynamics of post-seismic surface displacement measured by GPS. This correlation suggests that the surface healing mechanism may be driven by tectonic deformation, and that the surface regolith and fractured bedrock may behave as a granular media that slowly compacts as it is sheared or vibrated. Last, I compared our model of earthquake-induced landsliding with a standard formulation of surface deformation caused by earthquakes to understand which parameters govern the competition between the building and destruction of topography caused by earthquakes. In contrast with previous studies I found that very large (Mw>8) earthquakes always increase the average topography, whereas only intermediate (Mw ~ 7) earthquakes in steep landscapes may reduce topography. Moreover, I illustrated how the net effect of earthquakes varies with depth or landscape steepness implying a complex and ambivalent role through the life of a mountain belt. Further I showed that faults producing a Gutenberg-Richter distribution of earthquake sizes, will limit topography over a larger range of fault sizes than faults producing repeated earthquakes with a characteristic size. N2 - Erdbeben gestalten die Erdoberfläche, sie tragen langfristig zum Aufbau von Topografie sowie zur Landschafts- und Gebirgsbildung bei. Die von Erdbeben erzeugten seismischen Erschütterungen können Gebirge jedoch auch destabilisieren und grosse Mengen an Boden sowie Grundgestein zum Abrutschen bringen und zerrüten. Erdbeben wirken daher sowohl auf die Gebirgsbildung als auch auf ihre Denudation. Ein detailliertes Verständnis der Auswirkungen von Erdbeben auf Hangstabilität ist eine wichtige Voraussetzung um die Zusammenhänge mit anderen Prozesse besser nachzuvollziehen: der kurzfristige Transport von Sedimenten und organischem Material in Flüsse und ihre Ablagerung bis in die Ozeane; der Verlust von Leben und Infrastruktur durch Hangrutschungen verbunden mit episodischen, katastrophalen, seismischen Ereignissen; die Störung und Wiederherstellung von Landschaftseigenschaften nach Erdbeben; sowie die langfristigen topographischen Entwicklung von ganzen Gebirgsketten. Einige dieser Forschungsfragen wurden kürzlich in einzelnen Fallstudien betrachtet aber zusätzliche Datenerfassung, theoretische und numerische Modellierung sind erforderlich, um diese Prozesse detaillierter zu erfassen. In dieser Dissertation werden Daten zu Eigenschaften der Erdbeben sowie aus Hangrutsch kartierungen und die Interpretation seismologischer Daten mit physikalischer Modellierung kombiniert, um die folgende übergreifende Frage zu beantworten: Wie beeinflussen Erdbeben die Erosionsprozesse in der Landschaftsentwicklung? Auf einer kurzen Zeitskala (10-100 s) und einer mittleren räumlichen Skala (10 km), habe ich versucht sowohl unser Prozessverständnis zu vertiefen als auch Vorhersagen über das gesamte Volumen der Rutschungen welche durch seismische Beben in der unmittelbaren Umgebung von Epizentren ausgelöst wurden, zu treffen und zu verbessern Auf einer langen Zeitskala (1-100 ky) und über einen Gebirgsgürtel (100 km) habe ich die durch Erdbeben ausgelösten konkurrierenden Prozesse von Abflachung von Topografie durch Erosion und den Aufbau von Topografie durch Hebung, modelliert. Auf einer mittleren Zeitskala (1-10 Jahre) und einer relativ kleinen Hangskala (0,1-1 km) habe ich geomorphologische und seismologische Daten erhoben, welche die anhaltenden Auswirkungen von Erdbeben auf Landschaftseigenschaften und deren Dynamic hervorheben. Zuerst habe ich eine Datenbank von Erdbeben erstellt, welche erhebliche Hangrutschungen ausgelöst hatten, einschliesslich einer Schätzung des gesamten Hangrutschungsvolumens und der Erdbebencharakteristiken wie z.B. seismischer Moment und Lage des Hypozentrums. Ich habe auch beurteilt, wie die Kartierung von Erdrutschen die Abschätzungen des Gesamtvolumens fehlerhaft beeinflussen können und präsentiere einen Algorithmus, um solche Fehler automatisch zu erkennen. Diese Datenbank wurde verwendet, um eine physisch-basierte Vorhersage der durch Erdbeben verursachten gesamten Hangrutschungsflächen und Volumen zu testen, welche auf seismologischen Skalierungsbeziehungen und auf einer statistischen Beschreibung der Landschaftseigenschaften basiert. Zweitens untersuchte ich den Einfluss von starken Erdbeben auf die Landschaftsdynamik durch das Vermessen der temporalen Entwicklung der Suszeptibilität von Hangrutschungen. Ich habe gezeigt, dass die stark erhöhte Hangrutschrate nach dem Erdbeben schrittweise nach einigen Jahren zurückging. Diesen Rückgang über die Zeit interpretiere ich als die Zerrüttung von oberflächennahem Gestein durch das Erdbeben und die Heilung der dadurch entstandenen Risse über der Zeit. Meine Daten deuten darauf hin, dass die Zerrüttungen und die anschliessende Heilung des Festgesteins in dem epizentralen Gebieten mit ambienten, seismischen Hintergrundrauschen überwacht werden kann. Möglicherweise wird die Heilung zusätzlich durch andauernde post-seismische Deformation angetrieben. Am Ende der Arbeit vergleiche ich meine entwickelten Modelle von erdbebenbedingten Hangrutschungen mit einer Standardformel für erdbebenverursachte Oberflächendeformierung. Mit diesem Vergleich zeige ich welche Parameter den Wettstreit zwischen der Hebung von Topografie und der gleichzeitigen Zerstörung von Topografie durch Erdbeben bestimmen. Ich zeige, dass nur mittlere - Mw ~ 7 - Erdbeben die Topografie reduzieren können im Gegensatz zu stärkeren - Mw > 8 - Beben die immer einen effektive Bildung von Topografie verursachen. Meine Ergebnisse zeigen die komplexen Zusammenhänge von Erdbeben in der Gebirgsbildung. KW - earthquake KW - landslide KW - erosion KW - Erdbeben KW - Erdrutsch KW - Erosion KW - topography KW - Topographie Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96808 ER - TY - THES A1 - Emberson, Robert T1 - Chemical weathering driven by bedrock landslides Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Siegmund, Nicole T1 - Wind driven soil particle uptake Quantifying drivers of wind erosion across the particle size spectrum T1 - Partikelaufwirbelung durch Wind - Über die Quantifizierung von Winderosion über das ganze Partikel-Größenspektrum N2 - Among the multitude of geomorphological processes, aeolian shaping processes are of special character, Pedogenic dust is one of the most important sources of atmospheric aerosols and therefore regarded as a key player for atmospheric processes. Soil dust emissions, being complex in composition and properties, influence atmospheric processes and air quality and has impacts on other ecosystems. In this because even though their immediate impact can be considered low (exceptions exist), their constant and large-scale force makes them a powerful player in the earth system. dissertation, we unravel a novel scientific understanding of this complex system based on a holistic dataset acquired during a series of field experiments on arable land in La Pampa, Argentina. The field experiments as well as the generated data provide information about topography, various soil parameters, the atmospheric dynamics in the very lower atmosphere (4m height) as well as measurements regarding aeolian particle movement across a wide range of particle size classes between 0.2μm up to the coarse sand. The investigations focus on three topics: (a) the effects of low-scale landscape structures on aeolian transport processes of the coarse particle fraction, (b) the horizontal and vertical fluxes of the very fine particles and (c) the impact of wind gusts on particle emissions. Among other considerations presented in this thesis, it could in particular be shown, that even though the small-scale topology does have a clear impact on erosion and deposition patterns, also physical soil parameters need to be taken into account for a robust statistical modelling of the latter. Furthermore, specifically the vertical fluxes of particulate matter have different characteristics for the particle size classes. Finally, a novel statistical measure was introduced to quantify the impact of wind gusts on the particle uptake and its application on the provided data set. The aforementioned measure shows significantly increased particle concentrations during points in time defined as gust event. With its holistic approach, this thesis further contributes to the fundamental understanding of how atmosphere and pedosphere are intertwined and affect each other. N2 - Unter der Vielzahl geomorphologischer Prozesse nehmen äolische Formgebungsprozesse eine besondere Stellung ein, denn obwohl ihre unmittelbaren Auswirkungen als gering einzuschätzen sind (Ausnahmen existieren), sind sie aufgrund ihrer konstanten und großen Kraft ein mächtiger Akteur im Erdsystem. Pedogener Staub ist eine der wichtigsten Quellen atmosphärischer Aerosole und kann daher als Schlüsselfaktor für atmosphärische Prozesse angesehen werden. Bodenstaubemissionen, die in Zusammensetzung und Eigenschaften komplex sind, beeinflussen atmosphärische Prozesse und Luftqualität und haben Auswirkungen auf andere Ökosysteme. Um zum wissenschaftlichen Verständnis dieses komplexen Systems beizutragen, dokumentiert diese Arbeit eine Reihe von Veröffentlichungen, die alle auf einem ganzheitlichen Datensatz basieren, die während einer Reihe von Feldexperimenten auf Ackerland in La Pampa, Argentinien, gewonnen wurden. Die Feldexperimente sowie die generierten Daten liefern Informationen über Topographie, verschiedene Bodenparameter, die atmosphärische Dynamik in der unteren Atmosphäre (4 m Höhe) sowie Messungen zur äolischen Partikelbewegung über einen weiten Bereich von Partikelgrößenklassen zwischen 0,2μm und groben Sand. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf drei Themen: Die Auswirkungen kleinräumiger Landschaftsstrukturen auf äolische Transportprozesse der groben Partikelfraktion, die horizontalen und vertikalen Strömungen der sehr feinen Partikel und der Einfluss von Windböen auf die Partikelemissionen. Neben anderen in dieser Arbeit vorgestellten Überlegungen konnte insbesondere gezeigt werden, dass, obwohl die kleinräumige Topologie einen deutlichen Einfluss auf Erosions- und Ablagerungsmuster hat, auch physikalische Bodenparameter für eine robuste statistische Modellierung berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus weisen speziell die vertikalen Feinstaubflüsse unterschiedliche Eigenschaften für die Partikelgrößenklassen auf. Schließlich wurde ein neuartiges statistisches Maß eingeführt, um den Einfluss von Windböen auf die Partikelkonzentration der Luft zu quantifizieren, und seine Anwendung auf den bereitgestellten Datensatz zeigt signifikant erhöhte Partikelkonzentrationen zu Zeitpunkten, die als Böen definiert wurden. Mit ihrem ganzheitlichen Ansatz trägt diese Arbeit weiter zum grundlegenden Verständnis bei, wie Atmosphäre und Pedosphäre miteinander verflochten sind und sich gegenseitig beeinflussen. KW - Winderosion KW - winderosion KW - PM10, PM2, PM1 KW - Horizontal flux KW - horizontaler Fluss KW - Vertical flux KW - vertikaler Fluss KW - Argentina KW - Argentinien KW - wind gusts KW - Windböen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-574897 ER - TY - THES A1 - Krstulovic, Marija T1 - Local structure of network formers and network modifiers in silicate melts at high pressure and temperature conditions T1 - Lokale Struktur der Netzwerkbildner und der Netzwerkwandler in silikatischen Schmelzen bei hohen Druck- und Temperaturbedingungen N2 - Silikatische Schmelzen sind wichtiger Bestandteil des Erdinneren und als solche leisten sie in magmatischen Prozessen einen wesentlichen Beitrag in der Dynamik der festen Erde und der chemischen Entwicklung des gesamten Erdköpers. Makroskopische physikalische und chemische Eigenschaften wie Dichte, Kompressibilität, Viskosität, Polymerisationsgrad etc. sind durch die atomare Struktur der Schmelzen bestimmt. In Abhängigkeit vom Druck, aber auch von der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung zeigen silikatische Schmelzen unterschiedliche strukturelle Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind am besten durch die lokale Koordinationsumgebung, d.h. Symmetrie und Anzahl der Nachbarn (Koordinationszahl) eines Atoms, sowie dem Abstand zwischen Zentralatom und Nachbarn (atomarer Abstand) beschrieben. Mit steigendem Druck und Temperatur, das heißt mit der zunehmenden Tiefe in der Erde, nimmt die Dichte der Schmelzen zu, welches zur Veränderung von Koordinationszahl und Abständen führen kann. Bei gleichbleibender Koordinationszahl nimmt der Abstand in der Regel zu. Kommt es zu Erhöhung der Koordinationszahl kann der Abstand zunehmen. Diese allgemeinen Trends können allerdings stark variieren, welches insbesondere auf die chemische Zusammensetzung zurückzuführen ist. Dadurch, dass natürliche Schmelzen der tiefen Erde für direkte Untersuchungen nicht zugänglich sind, um ihre Eigenschaften unter den relevanten Bedingungen zu verstehen, wurden umfangreiche experimentelle und theoretische Untersuchungen bisher durchgeführt. Dies wurde häufig am Beispiel von amorphen Proben der Endglieder SiO2, und GeO2 studiert, wobei letzteres als strukturelles und chemisches Analogmodell zu SiO2 dient. Meistens wurden die Experimente bei hohem Druck und bei Raumtemperatur durchgeführt. Natürliche Schmelzen sind chemisch deutlich komplexer als die einfachen Endglieder SiO2 und GeO2, so dass die Beobachtungen an diesen möglicherweise zu falschen Verdichtungsmodellen führen können. Weiterhin können die Untersuchungen an Gläsern bei Raumtemperatur potentiell starke Abweichungen zu Eigenschaften von Schmelzen bei natürlichen thermodynamischen Bedingungen aufweisen. Das Ziel dieser Dissertation war es zu erläutern, welchen Einfluss die Zusammensetzung und die Temperatur auf die strukturelle Eigenschaften der Schmelzen unter hohen Drücken haben. Um das zu verstehen, haben wir komplexe alumino-germanatische und alumino-silikatische Gläser studiert. Genauer gesagt, wir haben synthetische Gläser studiert, die eine Zusammensetzung wie das Mineral Albit und wie eine Mischung von Albit-Diopsid im eutektischen Punkt haben. Das Albitglas ähnelt strukturell einer vereinfachten granitischen Schmelze, während das Albit-Diopsid-Glas eine vereinfachte basaltische Schmelze simuliert. Um die lokale Koordinationsumgebung der Elemente zu studieren, haben wir die Röntgenabsorptionsspektroskopie in Kombination mit einer Diamantstempelzelle benutzt. Dadurch, dass die Diamanten eine hohe Absorption für Röntgenstrahlung mit Energien unterhalb von 10 keV aufweisen, ist die unmittelbare Untersuchung der geologisch sehr relevanten Elemente wie Si, Al, Ca, Mg etc. mit dieser Spektroskopie in Kombination mit einer Diamantstempelzelle nicht möglich. Deswegen wurden die Gläser mit Ge und Sr dotiert. Diese Elemente dienen teilweise oder vollständig als Ersatzelemente für wichtige Hauptelemente. In diesem Sinne, dient Ge als Ersatzelement für Si und andere Netzwerkbildner, während Sr Netzwerkwandler wie Z.B. Ca, Na, Mg etc., sowie andere Kationen mit großem Ionenradius ersetzt. Im ersten Schritt haben wir die Ge K-Kante im Ge-Albit-Glass, NaAlGe3O8, bei Raumtemperatur bis 131 GPa untersucht. Dieses Glas hat eine höhere chemische Komplexität als SiO2 und GeO2, aber es ist immer noch vollständig polymerisiert. Die Unterschiede im Verdichtungsmechanismus zwischen diesem Glas und den einfachen Oxiden können so eindeutig auf höhere chemische Komplexität zurückgeführt werden. Die partiell mit Ge und Sr dotierten Albit und Albit-Diopsid-Zusammensetzungen wurden bei Raumtemperatur für Ge bis 164 GPa und für Sr bis 42 GPa untersucht. Während das Albitglass wie NaAlGe3O8 nominelll vollständig polymerisiert ist, ist das Albit-Diopsid Glas teilweise depolymerisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass in allen drei Gläsern strukturelle An̈derungen in den ersten 25 bis maximal 30 GPa stattfinden, wobei beide Ge und Sr die maximale Koordinationszahl 6 bzw. ∼9 erreichen. Bei höheren Drücken findet in den Gläsern nur eine isostrukturelle Schrumpfung der Koordinationspolyeder statt. Der wichtigste Befund der Hochdruckstudien an den alumino-silikatischen und alumino-germanatischen Gläsern ist, dass in diesen komplexen Gläsern die Polyeder eine viel höhere Kompressibilität aufweisen als bei den Endgliedern zu beobachten. Das zeigt sich insbesondere durch die starke Verkürzung der Ge-O Abstände in dem amorphen NaAlGe3O8 und Albit-Diopsid-Glas bei Drücken über 30 GPa. Zusätzlich zu den Effekten der Zusammensetzung auf den Verdichtungsprozess, haben wir den Einfluss der Temperatur auf die strukturelle Änderungen untersucht. Dazu haben wir das Albit-Diopsid-Glas untersucht, da es den Schmelzen im unteren Mantel chemisch am ähnlichsten ist. Wir haben die Ge K-Kante der Probe mit einer resistiv-geheizten und einer Laser-geheizter Diamantstempelzelle untersucht, für einen Druckbereich bis zu 48 GPa, sowie einen Temperaturbereich bis 5000 K. Hohe Temperaturen, bei denen die Probe flüssig ist und die für den Erdmantel relevant sind, haben einen bedeutenden Einfluss auf die strukturelle Transformation. Diese wird um ca. 30% zu deutlich niedrigeren Drücken verschoben, im Vergleich zu den Gläsern bei Raumtemperatur und unterhalb von 1000 K. Die Ergebnisse dieser Dissertation stellen einen wichtigen Beitrag fur das Verständnis der Eigenschaften von Schmelzen unter Bedingungen des unteren Mantels dar. Im Kontext der Diskussion über die Existenz und den Ursprung von silikatischen Schmelzen mit ultrahoher Dichte, welche an der Grenze zwischen Mantel und Erdkern aufgrund seismologischer Daten vermutet werden, zeigen diese Untersuchugen, dass die im Vergleich zur Umgebung höhere Dichte nicht durch strukturelle Besonderheiten, sondern durch eine besondere chemische Zusammensetzung erklärt werden müssen. Außerdem legen die Ergebnisse nahe, dass für Schmelzen im unteren Erdmantel nur sehr geringe Löslichkeiten von Edelgasen zu erwarten sind, so dass die strukturellen Eigenschaften deutlich den Gesamthaushalt und Transport der Edelgase im Erdmantel beeinflussen. N2 - Silicate melts are major components of the Earth’s interior and as such they make an essential contribution in igneous processes, in the dynamics of the solid Earth and the chemical development of the entire Earth. Macroscopic physical and chemical properties such as density, compressibility, viscosity, degree of polymerization etc. are determined by the atomic structure of the melt. Depending on the pressure, but also on the temperature and the chemical composition, silicate melts show different structural properties. These properties are best described by the local coordination environment, i.e. symmetry and number of neighbors (coordination number) of an atom, as well as the distance between the central atom and its neighbors (inter-atomic distance). With increasing pressure and temperature, i.e. with increasing depth in the Earth, the density of the melt increases, which can lead to changes in coordination number and distances. If the coordination number remains the same, the distance usually decreases. If the coordination number increases, the distance can increase. These general trends can, however, vary greatly, which can be attributed in particular to the chemical composition. Due to the fact that natural melts of the deep earth are not accessible to direct investigations, in order to understand their properties under the relevant conditions, extensive experimental and theoretical investigations have been carried out so far. This has often been studied using the example of amorphous samples of the end-members SiO2 and GeO2 , with the latter serving as a structural and chemical analog model to SiO2. Commonly, the experiments were carried out at high pressure and at room temperature. Natural melts are chemically much more complex than the simple end-member SiO2 and GeO2, so that observations made on them may lead to incorrect compression models. Furthermore, the investigations on glasses at room temperature can show potentially strong deviations from the properties of melts under natural thermodynamic conditions. The aim of this thesis was to explain the influence of the composition and the temperature on the structural properties of the melts at high pressures. To understand this, we studied complex alumino-germanate and alumino-silicate glasses. More precisely, we studied synthetic glasses that have a composition like the mineral albite and like a mixture of albite-diopside at the eutectic point. The albite glass is structurally similar to a simplified granitic melt, while the albite-diopside glass simulates a simplified basaltic melt. To study the local coordination environment of the elements, we used X-ray absorption spectroscopy in combination with a diamond anvil cell. Because the diamonds have a high absorbance for X-rays with energies below 10 keV, the direct investigation of the geologically relevant elements such as Si, Al, Ca, Mg etc. with this spectroscopic probe technique in combination with a diamond anvil cell is not possible. Therefore the glasses were doped with Ge and Sr. These elements serve partially or fully as substitutes for important major elements. In this sense, Ge serves as an a substitute for Si and other network formers, while Sr replaces network modifiers such as Ca, Na, Mg etc., as well as other cations with a large ionic radius. In the first step we studied the Ge K-edge in Ge-Albit-glass, NaAlGe3O8, at room temperature up to 131 GPa. This glass has a higher chemical complexity than SiO2 and GeO2, but it is still fully polymerized. The differences in the compression mechanism between this glass and the simple oxides can clearly be attributed to higher chemical complexity. The albite and albite-diopside compositions partially doped with Ge and Sr were probed at room temperature for Ge up to 164 GPa and for Sr up to 42 GPa. While the albite glass is nominally fully polymerized like NaAlGe3O8, the albite-diopside glass is partially depolymerized. The results show that structural changes take place in all three glasses in the first 25 to a maximum of 30 GPa, with both Ge and Sr reaching the maximum coordination number 6 and ∼9, respectively. At higher pressures, only isostructural shrinkage of the coordination polyhedra takes place in the glasses. The most important finding of the high pressure studies on the alumino-silicate and alumino-germanate glasses is that in these complex glasses the polyhedra show a much higher compressibility than what can be observed in the end-members. This is shown in particular by the strong shortening of the Ge-O distances in the amorphous NaAlGe3O8 and albite-diopside glass at pressures above 30 GPa. In addition to the effects of the composition on the compaction process, we investigated the influence of temperature on the structural changes. To do this, we probed the albite-diopside glass, as it is chemically most similar to the melts in the lower mantle. We studied the Ge K edge of the sample with a resistively heated and a laser-heated diamond anvil cell, for a pressure range of up to 48 GPa and a temperature range of up to 5000 K. High temperatures at which the sample is liquid and that are relevant for the Earth mantle, have a significant impact on the structural transformation, with a shift of approx. 30% to significantly lower pressures, compared to the glasses at room temperature and below 1000 K. The results of this thesis represent an important contribution to the understanding of the properties of melts at conditions of the lower mantle. In the context of the discussion about the existence and origin of ultra-dense silicate melts at the core-mantle boundary, these investigations show that the higher density compared to the surrounding material cannot be explained by only structural features, but by a distinct chemical composition. The results also suggest that only very low solubilities of noble gases are to be expected for melts in the lower mantle, so that the structural properties clearly influence the overall budget and transport of noble gases in the Earth’s mantle. KW - glasses KW - silicate melts KW - XAS KW - local structure KW - spectroscopy KW - high-pressure KW - EXAFS KW - XANES KW - compression KW - EXAFS KW - XANES KW - XAS KW - Verdichtung KW - Gläser KW - Hochdruck KW - lokale Struktur KW - silikatische Schmelzen KW - Spektroskopie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516415 ER - TY - THES A1 - Strauß, Jens T1 - Organic carbon in ice-rich permafrost T1 - Organischer Kohlenstoff in eisreichen Permafrostablagerungen BT - characteristics, quantity, and availability BT - stoffliche Charakteristik, Bilanzierung und Verfügbarkeit N2 - Permafrost, defined as ground that is frozen for at least two consecutive years, is a distinct feature of the terrestrial unglaciated Arctic. It covers approximately one quarter of the land area of the Northern Hemisphere (23,000,000 km²). Arctic landscapes, especially those underlain by permafrost, are threatened by climate warming and may degrade in different ways, including active layer deepening, thermal erosion, and development of rapid thaw features. In Siberian and Alaskan late Pleistocene ice-rich Yedoma permafrost, rapid and deep thaw processes (called thermokarst) can mobilize deep organic carbon (below 3 m depth) by surface subsidence due to loss of ground ice. Increased permafrost thaw could cause a feedback loop of global significance if its stored frozen organic carbon is reintroduced into the active carbon cycle as greenhouse gases, which accelerate warming and inducing more permafrost thaw and carbon release. To assess this concern, the major objective of the thesis was to enhance the understanding of the origin of Yedoma as well as to assess the associated organic carbon pool size and carbon quality (concerning degradability). The key research questions were: - How did Yedoma deposits accumulate? - How much organic carbon is stored in the Yedoma region? - What is the susceptibility of the Yedoma region's carbon for future decomposition? To address these three research questions, an interdisciplinary approach, including detailed field studies and sampling in Siberia and Alaska as well as methods of sedimentology, organic biogeochemistry, remote sensing, statistical analyses, and computational modeling were applied. To provide a panarctic context, this thesis additionally includes results both from a newly compiled northern circumpolar carbon database and from a model assessment of carbon fluxes in a warming Arctic. The Yedoma samples show a homogeneous grain-size composition. All samples were poorly sorted with a multi-modal grain-size distribution, indicating various (re-) transport processes. This contradicts the popular pure loess deposition hypothesis for the origin of Yedoma permafrost. The absence of large-scale grinding processes via glaciers and ice sheets in northeast Siberian lowlands, processes which are necessary to create loess as material source, suggests the polygenetic origin of Yedoma deposits. Based on the largest available data set of the key parameters, including organic carbon content, bulk density, ground ice content, and deposit volume (thickness and coverage) from Siberian and Alaskan study sites, this thesis further shows that deep frozen organic carbon in the Yedoma region consists of two distinct major reservoirs, Yedoma deposits and thermokarst deposits (formed in thaw-lake basins). Yedoma deposits contain ~80 Gt and thermokarst deposits ~130 Gt organic carbon, or a total of ~210 Gt. Depending on the approach used for calculating uncertainty, the range for the total Yedoma region carbon store is ±75 % and ±20 % for conservative single and multiple bootstrapping calculations, respectively. Despite the fact that these findings reduce the Yedoma region carbon pool by nearly a factor of two compared to previous estimates, this frozen organic carbon is still capable of inducing a permafrost carbon feedback to climate warming. The complete northern circumpolar permafrost region contains between 1100 and 1500 Gt organic carbon, of which ~60 % is perennially frozen and decoupled from the short-term carbon cycle. When thawed and reintroduced into the active carbon cycle, the organic matter qualities become relevant. Furthermore, results from investigations into Yedoma and thermokarst organic matter quality studies showed that Yedoma and thermokarst organic matter exhibit no depth-dependent quality trend. This is evidence that after freezing, the ancient organic matter is preserved in a state of constant quality. The applied alkane and fatty-acid-based biomarker proxies including the carbon-preference and the higher-land-plant-fatty-acid indices show a broad range of organic matter quality and thus no significantly different qualities of the organic matter stored in thermokarst deposits compared to Yedoma deposits. This lack of quality differences shows that the organic matter biodegradability depends on different decomposition trajectories and the previous decomposition/incorporation history. Finally, the fate of the organic matter has been assessed by implementing deep carbon pools and thermokarst processes in a permafrost carbon model. Under various warming scenarios for the northern circumpolar permafrost region, model results show a carbon release from permafrost regions of up to ~140 Gt and ~310 Gt by the years 2100 and 2300, respectively. The additional warming caused by the carbon release from newly-thawed permafrost contributes 0.03 to 0.14°C by the year 2100. The model simulations predict that a further increase by the 23rd century will add 0.4°C to global mean surface air temperatures. In conclusion, Yedoma deposit formation during the late Pleistocene was dominated by water-related (alluvial/fluvial/lacustrine) as well as aeolian processes under periglacial conditions. The circumarctic permafrost region, including the Yedoma region, contains a substantial amount of currently frozen organic carbon. The carbon of the Yedoma region is well-preserved and therefore available for decomposition after thaw. A missing quality-depth trend shows that permafrost preserves the quality of ancient organic matter. When the organic matter is mobilized by deep degradation processes, the northern permafrost region may add up to 0.4°C to the global warming by the year 2300. N2 - Permafrost, definiert als mehr als zwei aufeinander folgende Jahre gefrorenes Bodenmaterial, ist eines der prägenden Merkmale der unvergletscherten arktischen Landgebiete. Verursacht durch extrem kalte Wintertemperaturen und geringe Schneebedeckung nimmt das Permafrost-Verbreitungsgebiet mit ~23.000.000 km² rund ein Viertel der Landfläche der Nordhemisphäre ein. Von Permafrost unterlagerte arktische Landschaften sind besonders anfällig hinsichtlich einer Erwärmung des Klimas. Verglichen mit der globalen Mitteltemperatur prognostizieren Klimamodelle für die Arktis einen doppelt so starken Anstieg der Temperatur. In einer sich erwärmenden Arktis bewirken Störungen des thermisch-hydrologischen Gleichgewichts eine Degradation von Permafrost und Veränderungen des Oberflächenreliefs. Diese Störungen können zum Beispiel zu einer Vertiefung der saisonalen Auftauschicht, zu thermisch bedingter Erosion sowie zu schneller Oberflächenabsenkung und Thermokarst führen. Im Verbreitungsgebiet der spätpleistozänen eisreichen Permafrost-Ablagerungen Sibiriens und Alaskas, bezeichnet als Yedoma, können Thermokarstprozesse auch mehr als 3 m tiefe organischen Kohlenstoffspeicher verfügbar machen, wenn durch schmelzendes Grundeis und Schmelzwasserdrainage die Oberfläche abgesenkt wird. So kann das Tauen von Permafrost eine globale Bedeutung entwickeln, indem vorher eingefrorener Kohlenstoff wieder dem aktiven Kohlenstoffkreislauf zugeführt wird. Dies kann durch Treibhausgasfreisetzung aus Permafrost zu einer sich selbst verstärkenden weiteren Erwärmung und somit zu fortschreitendem Tauen mit weiterer Kohlenstofffreisetzung führen. Diesen Prozess nennt man Permafrost-Kohlenstoff Rückkopplung. Um das Verständnis der Permafrostkohlenstoffdynamik grundlegend zu verbessern, wurde in dieser Doktorarbeit die Entstehung der Yedoma-Ablagerungen eingeschlossen des darin - Wie wurden die Yedoma-Sedimente abgelagert? - Wie viel Kohlenstoff ist in der Yedoma Region gespeichert? - Wie ist die Anfälligkeit dieses Kohlenstoffs für eine Degradation in der Zukunft? Um die oben genannten drei Forschungsfragen zu beantworten, wurde ein interdisziplinärer Forschungsansatz gewählt. In Sibirien und Alaska wurden detaillierte Felduntersuchungen durchgeführt und Methoden der Sedimentologie, der organischen Biogeochemie, der Fernerkundung sowie der statistischen Analyse und computergestützten Modellierung angewendet. Um diese Ergebnisse in den panarktische Kontext zu setzen, enthält diese Doktorarbeit ebenfalls Ergebnisse einer Studie, welche auf Grundlage einer neu zusammengestellten Datenbank den gesamten Kohlenstoff des arktischen Permafrosts abschätzt. Eine Modellierungsstudie ergänzt die Arbeit bezüglich einer Abschätzung der Kohlenstoffflüsse der Permafrostregion und deren Einfluss auf die globale Erwärmung. Die Ergebnisse zur Yedoma-Entstehung zeigen, dass die Korngrößenverteilungen dieser Ablagerungen, tiefenabhängig betrachtet, sehr homogen sind. Alle gemessenen Korngrößenverteilungen sind schlecht sortiert. Dies deutet auf eine Vielzahl von Transportprozessen hin und widerspricht der populären Hypothese einer reinen Löß-Ablagerung. Interpretiert im Kontext mit der Abwesenheit von Gletschern sowie Eisschilden, als Ausgangsgebiete von Löß-Ablagerungen, in den sibirischen Tiefländern des Spätpleistozäns, zeigt diese Arbeit, dass Yedoma-Ablagerungen polygenetischen Ursprungs sind. Basierend auf dem größten verfügbaren Datensatz der Schlüsselparameter Kohlenstoffgehalt, Lagerungsdichte, Grundeis und Volumen der Ablagerungen von über 20 Untersuchungsgebieten in Sibirien und Alaska zeigt diese Arbeit mit Yedoma- und Thermokarstablagerungen zwei wesentliche Kohlenstoffspeicher der Yedoma Region auf. Yedoma-Ablagerungen enthalten ~80 Gt und Thermokarstablagerungen ~130 Gt organischen Kohlenstoffs, was einer Gesamtmenge von ~210 Gt organischen Kohlenstoffs entspricht. Abhängig vom gewählten Ansatz der Fehlerberechnung liegt der Unsicherheitsbereich dieser Quantitätsabschätzung bei ±75 % (einfaches Bootstrapping) oder ±20 % (wiederholtes Bootstrapping). Obwohl diese Zahlen die bisherigen Berechnungen des Yedoma-Region-Kohlenstoffspeichers vorhergehender Studien halbieren, stellen 210 Gt organischen Kohlenstoffs noch immer einen großen Kohlenstoffspeicher dar, der eine positive Rückkopplung zur globalen Klimaerwärmung bewirken könnte. Die gesamte Permafrostregion beinhaltet zwischen 1100 und 1500 Gt Kohlenstoff, wovon ~60 % dauerhaft gefroren und somit dem derzeitigen Kohlenstoffkreislauf entzogen sind. Wenn dieser Kohlenstoff freigesetzt wird, ist ein weiterer Faktor, die Kohlenstoffqualität, relevant. Die Untersuchungen zur Kohlenstoffqualität zeigen keinen tiefenabhängigen Trend in Yedoma- und Thermokarstablagerungen. Dies belegt, dass nach dem Einfrieren die fossile organische Substanz konserviert wurde. Die genutzten Biomarkerdaten, z.B. der 'carbon preference' Index und der 'higher land plant fatty acid' Index zeigen sowohl für Yedoma- als auch für Thermokarstablagerungen keine signifikanten Unterschiede der Kohlenstoffqualität. Das bedeutet, dass der Kohlenstoffabbau nach dem Auftauen von unterschiedlichen Faktoren abhängig ist. Dazu gehören verschiedene Abbauwege oder schon vor dem Einfrieren geschehener Abbau. Um die Bedeutung des aufgetauten Kohlenstoffs abzuschätzen, wurden Thermokarstprozesse in ein Permafrost-Kohlenstoff-Modell einbezogen. Unter Berücksichtigung verschiedener Erwärmungsszenarien könnte die zirkumarktische Permafrostregion bis zum Jahr 2100 ~140 Gt Kohlenstoff und bis 2300 ~310 Gt in die Atmosphäre freisetzen. Dies entspricht einer Erwärmung der mittleren globalen Oberflächentemperatur von ~0,03 bis ~0,14°C bis 2100 und bis zu ~0,4°C bis 2300. Zusammenfassend stellt diese Dissertation heraus, dass die Yedoma-Ablagerungen während des Spätpleistozäns durch eine Kombination verschiedener aquatischer (alluviale, fluviale, lakustrine) sowie äolische Prozesse entstanden sind. Die zirkumarktische Region, inklusive der Yedoma Region, beinhaltet eine erhebliche Menge an derzeit eingefrorenem organischen Kohlenstoffs. Dieser Kohlenstoff ist gut erhalten und damit nach dem Auftauen für den mikrobiellen Abbau verfügbar. Eine fehlende Tiefenabhängigkeit der Kohlenstoffqualität zeigt, dass Permafrost die Qualität zum Einfrierzeitpunkt bewahrt. Wenn auch der tiefliegende organische Kohlenstoff durch Thermokarstprozesse verfügbar gemacht wird, kann die Permafrostregion bis zum Jahr 2300 bis zu 0,4°C zur mittleren globalen Oberflächentemperatur beitragen. KW - permafrost KW - Arctic KW - climate change KW - vulnerability KW - Dauerfrostboden KW - Arktis KW - Klimawandel KW - Vulnerabilität Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-75236 ER - TY - THES A1 - Bajerski, Felizitas T1 - Bacterial communities in glacier forefields of the Larsemann Hills, East Antarctica : structure, development & adaptation T1 - Bakterielle Gemeinschaften in Gletschervorfeldern der Larsemann Berge der Ostantarktis : Struktur, Entwicklung & Anpassung N2 - Antarctic glacier forfields are extreme environments and pioneer sites for ecological succession. The Antarctic continent shows microbial community development as a natural laboratory because of its special environment, geographic isolation and little anthropogenic influence. Increasing temperatures due to global warming lead to enhanced deglaciation processes in cold-affected habitats and new terrain is becoming exposed to soil formation and accessible for microbial colonisation. This study aims to understand the structure and development of glacier forefield bacterial communities, especially how soil parameters impact the microorganisms and how those are adapted to the extreme conditions of the habitat. To this effect, a combination of cultivation experiments, molecular, geophysical and geochemical analysis was applied to examine two glacier forfields of the Larsemann Hills, East Antarctica. Culture-independent molecular tools such as terminal restriction length polymorphism (T-RFLP), clone libraries and quantitative real-time PCR (qPCR) were used to determine bacterial diversity and distribution. Cultivation of yet unknown species was carried out to get insights in the physiology and adaptation of the microorganisms. Adaptation strategies of the microorganisms were studied by determining changes of the cell membrane phospholipid fatty acid (PLFA) inventory of an isolated bacterium in response to temperature and pH fluctuations and by measuring enzyme activity at low temperature in environmental soil samples. The two studied glacier forefields are extreme habitats characterised by low temperatures, low water availability and small oligotrophic nutrient pools and represent sites of different bacterial succession in relation to soil parameters. The investigated sites showed microbial succession at an early step of soil formation near the ice tongue in comparison to closely located but rather older and more developed soil from the forefield. At the early step the succession is influenced by a deglaciation-dependent areal shift of soil parameters followed by a variable and prevalently depth-related distribution of the soil parameters that is driven by the extreme Antarctic conditions. The dominant taxa in the glacier forefields are Actinobacteria, Acidobacteria, Proteobacteria, Bacteroidetes, Cyanobacteria and Chloroflexi. The connection of soil characteristics with bacterial community structure showed that soil parameter and soil formation along the glacier forefield influence the distribution of certain phyla. In the early step of succession the relative undifferentiated bacterial diversity reflects the undifferentiated soil development and has a high potential to shift according to past and present environmental conditions. With progressing development environmental constraints such as water or carbon limitation have a greater influence. Adapting the culturing conditions to the cold and oligotrophic environment, the number of culturable heterotrophic bacteria reached up to 108 colony forming units per gram soil and 148 isolates were obtained. Two new psychrotolerant bacteria, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T and Chryseobacterium frigidisoli PB4T, were characterised in detail and described as novel species in the family of Oxalobacteraceae and Flavobacteriaceae, respectively. The isolates are able to grow at low temperatures tolerating temperature fluctuations and they are not specialised to a certain substrate, therefore they are well-adapted to the cold and oligotrophic environment. The adaptation strategies of the microorganisms were analysed in environmental samples and cultures focussing on extracellular enzyme activity at low temperature and PLFA analyses. Extracellular phosphatases (pH 11 and pH 6.5), β-glucosidase, invertase and urease activity were detected in the glacier forefield soils at low temperature (14°C) catalysing the conversion of various compounds providing necessary substrates and may further play a role in the soil formation and total carbon turnover of the habitat. The PLFA analysis of the newly isolated species C. frigidisoli showed that the cold-adapted strain develops different strategies to maintain the cell membrane function under changing environmental conditions by altering the PLFA inventory at different temperatures and pH values. A newly discovered fatty acid, which was not found in any other microorganism so far, significantly increased at decreasing temperature and low pH and thus plays an important role in the adaption of C. frigidisoli. This work gives insights into the diversity, distribution and adaptation mechanisms of microbial communities in oligotrophic cold-affected soils and shows that Antarctic glacier forefields are suitable model systems to study bacterial colonisation in connection to soil formation. N2 - Gletschervorfelder der Antarktis stellen extreme Habitate dar und sind Pionierstandorte biologischer Sukzession. Insbesondere unter Berücksichtigung zuletzt beobachteter und vorausgesagter Erwärmungstrends in der Antarktis und der Relevanz der Mikroorganismen für das Antarktische Ökosystem, ist es essentiell mehr Informationen über die Entwicklung frisch exponierter Gletschervorfelder zu erlangen. Ziel dieser Studie ist es, die Struktur und Entwicklung bakterieller Gletschervorfeldgemeinschaften zu verstehen, insbesondere wie die Mikroorganismen von den Bodenparametern beeinflusst werden und wie diese sich an die extremen Bedingungen des Habitats anpassen. Für die Untersuchung der Proben von zwei Gletschervorfeldern aus den Larsemann Bergen der Ostantarktis diente eine Kombination aus Kultivierungsexperimenten und molekularen, geophysikalischen und geochemischen Analysen. Die untersuchten Gletschervorfelder sind durch extrem niedrige Temperaturen, einer geringen biologischen Wasserverfügbarkeit und oligotrophe Nährstoffgehalte charakterisiert und zeigen unterschiedliche Entwicklungsstufen in Verbindung zu den Bodenparametern. In einem frühen Schritt der Bodenbildung in der Nähe der Gletscherzunge sind die Gemeinschaften undifferenziert, doch mit fortschreitender Entwicklung nimmt de Einfluss von Wasser- und Nährstofflimitationen zu. Nachdem die Kultivierungsbedingungen den kalten und nährstoffarmen Bedingungen des Habitats angepasst wurden, konnten 108 koloniebildende Einheiten heterotropher Bakterien pro Gramm Boden angereichert und daraus 148 Isolate gewonnen werden. Zwei neue psychrotolerante Bakterien, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T und Chryseobacterium frigidisoli PB4T, wurden detailiert charakterisiert und als jeweils neue Spezies beschrieben. Die Anpassungsstrategien der Mikroorganismen an die extremen antarktischen Bedingungen zeigten sich in der Aktivität extrazellulärer Enzyme bei niedriger Temperatur, die mit derer temperierter Habitate vergleichbar ist, und in der Fähigkeit der Mikroorganismen, die Fettsäurezusammensetzung der Zellmembran zu ändern. Eine neue Fettsäure, die bisher in keinen anderen Mikroorganismus gefunden wurde, spielt eine entscheidende Rolle in der Anpassung des neu-beschriebenen Bakteriums C. frigidisoli an niedrige Temperaturen und saure pH-Werte. Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Vielfalt, Verteilung und Anpassung mikrobieller Gemeinschaften in nährstoffarmen und Kälte-beeinflussten Habitaten und zeigt, dass Antarktische Gletschervorfelder geeignete Modellsysteme, um bakterielle Besiedelung in Verbindung zu Bodenbildung zu untersuchen. KW - Antarktis KW - Gletschervorfeld KW - mikrobielle Gemeinschaften KW - Anpassung KW - Kultivierung KW - Antarctica KW - glacier forefield KW - microbial communities KW - adaptation KW - cultivation Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67424 ER - TY - THES A1 - Theuring, Philipp Christian T1 - Suspended sediments in the Kharaa River, sources and impacts T1 - Feinsedimente im Kharaa Fluss, Quellen und Auswirkungen N2 - Anthropogenically amplified erosion leads to increased fine-grained sediment input into the fluvial system in the 15.000 km2 Kharaa River catchment in northern Mongolia and constitutes a major stressing factor for the aquatic ecosystem. This study uniquely combines the application of intensive monitoring, source fingerprinting and catchment modelling techniques to allow for the comparison of the credibility and accuracy of each single method. High-resolution discharge data were used in combination with daily suspended solid measurements to calculate the suspended sediment budget and compare it with estimations of the sediment budget model SedNet. The comparison of both techniques showed that the development of an overall sediment budget with SedNet was possible, yielding results in the same order of magnitude (20.3 kt a- 1 and 16.2 kt a- 1). Radionuclide sediment tracing, using Be-7, Cs-137 and Pb-210 was applied to differentiate sediment sources for particles < 10μm from hillslope and riverbank erosion and showed that riverbank erosion generates 74.5% of the suspended sediment load, whereas surface erosion contributes 21.7% and gully erosion only 3.8%. The contribution of the single subcatchments of the Kharaa to the suspended sediment load was assessed based on their variation in geochemical composition (e.g. in Ti, Sn, Mo, Mn, As, Sr, B, U, Ca and Sb). These variations were used for sediment source discrimination with geochemical composite fingerprints based on Genetic Algorithm driven Discriminant Function Analysis, the Kruskal–Wallis H-test and Principal Component Analysis. The contributions of the individual sub-catchment varied from 6.4% to 36.2%, generally showing higher contributions from the sub-catchments in the middle, rather than the upstream portions of the study area. The results indicate that river bank erosion generated by existing grazing practices of livestock is the main cause for elevated fine sediment input. Actions towards the protection of the headwaters and the stabilization of the river banks within the middle reaches were identified as the highest priority. Deforestation and by lodging and forest fires should be prevented to avoid increased hillslope erosion in the mountainous areas. Mining activities are of minor importance for the overall catchment sediment load but can constitute locally important point sources for particular heavy metals in the fluvial system. N2 - Durch Landnutzung erhöhte Erosion führt zu verstärktem Eintrag von Feinsedimenten im 15.000 km2 großen Einzugsgebiet des Kharaa in der nördlichen Mongolei. Diese Einträge stellen einen starken Stressor für das aquatische Ökosystem dar. Im Rahmen dieser Studie werden auf neuartige Weise verschiedene Ansätze zur Untersuchung der Feinsedimentdynamik im Einzugsgebiet kombiniert. Der Vergleich der Ergebnisse aus zeitlich hochaufgelösten Abfluss- und Schwebstoffanalysen, Sedimentbudgetmodellierung und „Sediment Source Fingerprinting“ Techniken erlaubt eine Bewertung der Genauigkeit und Anwendbarkeit jeder einzelnen Methodik im Untersuchungsgebiet. Das anhand von Abflussund Schwebstoffmessdaten berechnete Sedimentbudget am Gebietsauslass wurde mit dem mittels des Sedimentbudgetmodels SedNet berechneten Sedimentbudget verglichen. Die Ergebnisse von des aus Abfluss- und Schwebstoffmessdaten berechneten Sedimentbudgets (20,3 kt a- 1) und der mittels SedNet berechneten Werte (16,2 kt a- 1) zeigen eine befriedigende Übereinstimmung und bekräftigen die Anwendbarkeit des Models. Zur Unterscheidung der Herkunft der Feinsedimente hinsichtlich des dominanten Erosionsprozesses wurde die Sedimentfraktion < 10μm hinsichtlich der Konzentrationen der Radioisotope Be-7, Cs-137 und Pb-210 analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Gerinneerosion für 74.5% der Suspensionsfracht verantwortlich ist und Einträge durch Flächenerosion 21.7% und durch Gully-erosion nur 3.8% beitragen. Zur Untersuchung der Anteile der Teileinzugsgebiete an der Gesamtsuspensionsfracht am Gebietsauslass wurden die Sedimente der Teilgebiete hinsichtlich der Variation ihrer geochemischen Zusammensetzung untersucht (z.B. Ti, Sn, Mo, Mn, As, Sr, B, U, Ca und Sb). Anhand der Zusammensetzung wurde jeweils ein spezifischer “Fingerabdruck” für Sedimente aus spezifischen Teileinzugsgebieten definiert. Mittels Diskriminanzanalyse, Kruskal–Wallis H-test und Hauptkomponentenanalyse konnten die Beiträge der Teileinzugsgebiete an der Gesamtfracht mit einem Mischungsmodel berechnet werden. Generell trugen die oberläufigen Teileinzugsgebiete am geringsten, und die mittelläufigen am stärksten zur Sediment Fracht bei. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass durch Überweidung begünstigte Ufererosion für den Hauptteil der Suspensionsfracht im Kharaa Fluss verantwortlich ist. Zur Verringerung des Schwebstoffeintrags in den Fluss werden Maßnahmen zur Uferbefestigung, insbesondere der Schutz und die Wiederherstellung der Ufervegetation als primäre Maßnahmen empfohlen. KW - sediment source fingerprinting KW - Mongolia KW - suspended sediments KW - sediment transport modelling KW - Mongolei KW - Sedimentquellenidentifizierung KW - Feinsedimente KW - Sedimentfracht Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410550 ER - TY - THES A1 - Düsing, Walter T1 - From changes in the Earth's orbit to African climate variability T1 - Von Änderungen des Erdorbits zu Afrikanischen Klimavariabilität N2 - We developed an orbital tuned age model for the composite Chew Bahir sediment core, obtained from the Chew Bahir basin (CHB), southern Ethiopia. To account for the effects of sedimentation rate changes on the spectral expression of the orbital cycles we developed a new method: the Multi-band Wavelet Age modeling technique (MUBAWA). By using a Continuous Wavelet Transformation, we were able to track frequency shifts that resulted from changing sedimentation rates and thus calculated tuned age model encompassing the last 620 kyrs. The results show a good agreement with the directly dated age model that is available from the dating of volcanic ashes. Then we used the XRF data from CHB and developed a new and robust humid-arid index of east African climate during the last 620 kyrs. To disentangle the relationship of the selected elements we performed a principal component analysis (PCA). In a following step we applied a continuous wavelet transformation on the PC1, using the directly dated age model. The resulting wavelet power spectrum, unlike a normal power spectrum, displays the occurrence of cycles/frequencies in time. The results highlight that the precession cycles are most dominantly expressed under the 400 kyrs eccentricity maximum whereas weakly expressed during eccentricity minimum. This suggests that insolation is a key driver of the climatic variability observed at CHB throughout the last 620 kyrs. In addition, the prevalence of half-precession and obliquity signals was documented. The latter is attributed to the inter-tropical insolation gradient and not interpreted as an imprint of high latitudes forcing on climatic changes in the tropics. In addition, a windowed analysis of variability was used to detect changes in variance over time and showed that strong climate variability occurred especially along the transition from a dominant insolation-controlled humid climate background state towards a predominantly dry and less-insolation controlled climate. The last chapter dealt with non-linear aspects of climate changes represented by the sediments of the CHB. We use recurrence quantification analysis to detect non-linear changes within the potassium concentration of Chew Bahir sediment cores during the last 620 kyrs. The concentration of potassium in the sediments of the lake is subject to geochemical processes related to the evaporation rate of the lake water at the time of deposition. Based on recurrence analysis, two types of variabilities could be distinguished. Type 1 represents slow variations within the precession period bandwidth of 20 kyrs and a tendency towards extreme climatic events whereas type 2 represents fast, highly variable climatic transitions between wet and dry climate states. While type 1 variability is linked to eccentricity maxima, type 2 variability occurs during the 400 kyrs eccentricity minimum. The climate history presented here shows that during high eccentricity a strongly insolation-driven climate system prevailed, whereas during low eccentricity the climate was more strongly affected by short-term variability changes. The short-term environmental changes, reflected in the increased variability might have influenced the evolution, technological advances and expansion of early modern humans who lived in this region. In the Olorgesaille Basin the temporal changes in the occurrence of stone tools, which bracket the transition from Acheulean to Middle Stone Age (MSA) technologies at between 499–320 kyrs, could potentially correlate to the marked transition from a rather stable climate with less variability to a climate with increased variability in the CHB. We conclude that populations of early anatomically modern humans are more likely to have experienced climatic stress during episodes of low eccentricity, associated with dry and high variability climate conditions, which may have led to technological innovation, such as the transition from the Acheulean to the Middle Stone Age. N2 - Bei der von uns entwickelten Multi-band Wavelet Age-Modeling (MUBAWA) Methode handelt es sich um eine Methode zur Erstellung eines orbital abgestimmten Altersmodells. Diese Methode verwendet, anders als bisherige Methoden, keinen stationären Filter, sondern eine kontinuierliche Wavelet Transformation (CWT) um die orbitale Komponente der zyklischen Sedimentabfolge zu extrahieren. Durch die Anwendung der CWT können zeitliche Änderungen der Sedimentationsrate berücksichtigt werden. Mit Hilfe der neuen MUBAWA Methode haben wir ein orbital abgestimmtes Altersmodell mit einem Basisalter von 620 kyrs für die Sedimentkerne des Chew Bahir Beckens (CHB) erstellt, welches mit den radiometrisch datierten Vulkanaschen der Sedimentkerne übereinstimmt. In dem folgenden Kapitel haben wir die Ergebnisse der Röntgenfluoreszenz (XRF) - Analyse der Sedimentkerne genutzt um einen neuen Feucht-trocken Anzeiger zu entwickeln Um Umwelteinflüsse, sowie lineare Zusammenhänge der Elementkonzentrationen zu entschlüsseln, haben wir eine Hauptkomponentenanalyse angewendet. Die erste Hauptkomponente (PC1) haben wir als Feucht-Trockenanzeiger interpretiert. Auf Grundlage des direkt datierten Altersmodells haben wir die PC1 genutzt um eine CWT zu berechnen. Das resultierende Wavelet Powerspektrum stellt das Auftreten von Zyklen/Frequenzen in der Zeit dar. Die Ergebnisse zeigen, dass vor 400 kyrs, während eines Exzentrizitätsmaximums, der Präzessionszyklus besonders stark ausgeprägt war, wohingegen der Präzessionszyklus während eines Exzentrizitätsminimums eher schwach ausgeprägt war. Dies deutet darauf hin, dass die Sonneneinstrahlung, welche in den Tropen durch den Präzessionzyklus beeinflusst wird, ein dominanter Faktor für die klimatische Variabilität in CHB während der letzten 620 kyrs darstellt. Darüber hinaus wurde die Prävalenz von Halbpräzessions- und Obliquitätszyklen dokumentiert. Obliquitätszyklen werden dem intertropischen Gradienten der Sonneneinstrahlung zugeschrieben, der klimatische Veränderungen in den Tropen erzwingt und nicht als ein Einfluss der hohen Breiten interpretiert. Darüber hinaus wurde eine gefensterte Variabilitätsanalyse der PC1 verwendet um eine zeitliche Veränderung der Variabilität zu erfassen. Diese zeigte, dass starke Klimavariabilität vor allem entlang des Übergangs von einem dominanten insolationsgesteuerten feuchten Klima zu einem überwiegend trockenen und weniger insolationsgesteuerten Klima auftrat. Das letzte Kapitel befasst sich mit nichtlinearen Aspekten der Klimavariabilität, repräsentiert durch die Kaliumkonzentration des Sediments des CHBs. Die Kaliumkonzentration in den Sedimenten des Sees ist geochemischen Prozessen unterworfen, die mit der Verdunstungsrate des Seewassers zum Zeitpunkt der Ablagerung zusammenhängen und daher als Feucht-Trockenanzeiger interpretiert werden. Basierend auf der Rekurrenzanalyse konnten zwei Arten von Variabilitäten unterschieden werden. Typ 1 repräsentiert langsame Variationen innerhalb der Bandbreite der Präzessionsperiode von 20 kyrs und eine Tendenz zu extremen klimatischen Ereignissen, während Typ 2 schnelle, sehr variable klimatische Übergänge zwischen feuchten und trockenen Klimazuständen repräsentiert. Die Variabilität vom Typ 1 ist mit Exzentrizitätsmaxima verbunden, wohingegen die Variabilität vom Typ 2 während des Exzentrizitätsminimums vor 400 kyrs auftritt. Die hier vorgestellte Klimageschichte zeigt, dass bei hoher Exzentrizität ein stark insolationsgetriebenes Klimasystem vorherrschte, während bei niedriger Exzentrizität das Klima stärker von kurzfristigen Variabilitätsänderungen beeinflusst wurde. Die kurzfristigen Umweltveränderungen, die sich in der erhöhten Variabilität widerspiegeln, könnten die Entwicklung, den technologischen Fortschritt und die Expansion der frühneuzeitlichen Menschen, die in dieser Region lebten, beeinflusst haben. Im Olorgesaille-Becken könnten die zeitlichen Veränderungen des Vorkommens von Steinwerkzeugen, die den Übergang von Acheulean zu mittel- steinzeitlichen (MSA) Technologien bei 499-320 kyrs markieren, möglicherweise mit dem deutlichen Übergang von einem eher stabilen Klima mit geringerer Variabilität zu einem Klima mit erhöhter Variabilität in der CHB korrelieren. Wir kommen zu dem Schluss, dass Populationen früher anatomisch moderner Menschen während Episoden geringer Exzentrizität klimatischen Stress erfahren haben könnten. Diese trockenen und hochvariablen Klimabedingungen könnten zu technologischen Innovationen geführt haben, wie z.B. dem Übergang von der Acheulean zur MSA. KW - Paleoclimate dynamics KW - Paläoklimadynamik KW - African climate KW - Afrikanisches Klima KW - age modeling KW - Altersmodelierung KW - Cyclostratigraphy KW - Zyklostratigraphie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-503140 ER - TY - THES A1 - Barbosa, Luís Romero T1 - Groundwater recharge in tropical wet regions via GIS-based and cosmic-ray neutron sensing T1 - Recarga de águas subterrâneas em regiões úmidas tropicais por métodos baseados em SIG e Detecção de Nêutrons de Raios Cósmicos T1 - Grundwasserneubildung in tropisch-feuchten Gebieten über GIS-basierte Methoden und Messung der Neutronen aus kosmischer Höhenstrahlung N2 - Studies on the unsustainable use of groundwater resources are still considered incipient since it is frequently a poorly understood and managed, devalued and inadequately protected natural resource. Groundwater Recharge (GWR) is one of the most challenging elements to estimate since it can rarely be measured directly and cannot easily be derived from existing data. To overcome these limitations, many hydro(geo)logists have combined different approaches to estimate large-scale GWR, namely: remote sensing products, such as IMERG product; Water Budget Equation, also in combination with hydrological models, and; Geographic Information System (GIS), using estimation formulas. For intermediary-scale GWR estimation, there exist: Non-invasive Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS); wireless networks from local soil probes; and soil hydrological models, such as HYDRUS. Accordingly, this PhD thesis aims, on the one hand, to demonstrate a GIS-based model coupling for estimating the GWR distribution on a large scale in tropical wet basins. On the other hand, it aims to use the time series from CRNS and invasive soil moisture probes to inversely calibrate the soil hydraulic properties, and based on this, estimating the intermediary-scale GWR using a soil hydrological model. For such purpose, two tropical wet basins located in a complex sedimentary aquifer in the coastal Northeast region of Brazil were selected. These are the João Pessoa Case Study Area and the Guaraíra Experimental Basin. Several satellite products in the first area were used as input to the GIS-based water budget equation model for estimating the water balance components and GWR in 2016 and 2017. In addition, the point-scale measurement and CRNS data were used in the second area to determine the soil hydraulic properties, and to estimate the GWR in the 2017-2018 and 2018-2019 hydrological years. The resulting values of GWR on large- and intermediary-scale were then compared and validated by the estimates obtained by groundwater table fluctuations. The GWR rates for IMERG- and rain-gauge-based scenarios showed similar coefficients between 68% and 89%, similar mean errors between 30% and 34%, and slightly-different bias between -13% and 11%. The results of GWR rates for soil probes and CRNS soil moisture scenarios ranged from -5.87 to -61.81 cm yr-1, which corresponds to 5% and 38% of the precipitation. The calculations of the mean GWR rates on large-scale, based on remote sensing data, and on intermediary-scale, based on CRNS data, held similar results for the Podzol soil type, namely 17.87% and 17% of the precipitation. It is then concluded that the proposed methodologies allowed for estimating realistically the GWR over the study areas, which can be a ground-breaking step towards improving the water management and decision-making in the Northeast of Brazil. N2 - Studien über die nicht nachhaltige Nutzung von Grundwasserressourcen gelten nach wie vor als am Anfang, da es sich oft um eine schlecht verstandene und unkontrolliert genutzte, geringgeschätzte und unzureichend geschützte natürliche Ressource handelt. Die Grundwasserneubildung (GWR) ist eines der am schwierigsten abzuschätzenden Einflussgrößen, da sie selten direkt gemessen werden kann und nicht einfach aus vorhandenen Daten abzuleiten ist. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben viele Hydro(geo)logen verschiedene Ansätze kombiniert, um die GWR in großem Maßstab zu ermitteln, darunter sind: Fernerkundungsprodukte, wie das IMERG-Produkt; Wasserbilanz-Abschätzungen, auch in Kombination mit hydrologischen Modellen und; Geographische Informationssysteme (GIS) unter Nutzung von Abschätzungsformeln. Für die Ermittlung von GWR auf mittleren Flächenskalen existieren: Nicht-invasive Messung der Albedoneutronen an der Landoberfläche (CRNS); Drahtlosnetzwerke von lokalen Bodensonden, und bodenhydrologische Modelle, wie bspw. HYDRUS. In diesem Kontext zielt die Doktorarbeit zum einen darauf ab, eine GIS-basiert Modellkopplung zur Schätzung der GWR-Verteilung im großen Maßstab in tropisch-feuchte Einzugsgebiete aufzuzeigen. Zum anderen verwendet sie CRNS- und invasive Bodenfeuchtesonden-Zeitreihen zur inversen Kalibrierung der hydraulischen Bodeneigenschaften und darauf aufbauend zur Schätzung der GWR im mittleren Maßstab über ein bodenhydrologisches Modell. Zu diesem Zweck wurden zwei tropisch-feuchte Einzugsgebiete ausgewählt, die sich in einem komplexen Sedimentgrundwasserleiter der Küstenregion des Nordosten-Brasilien befinden. Dies sind das João Pessoa-Fallstudiengebiet und das Guaraíra-Flusseinzugsgebiet. Mehrere Satellitenprodukte wurden im ersten Gebiet als Eingangsdaten für das GIS-basierte Wasserbilanz-Modell zur Schätzung der Wasserhaushaltskomponenten und der GWR in den Jahren 2016 und 2017 verwendet. Daneben wurden im zweiten Gebiet die Punktmessungen- und CRNS-Daten verwendet, um über ein bodenhydrologisches HYDRUS-1D-Modell die hydraulischen Bodeneigenschaften zu ermitteln und die GWR in den hydrologischen Jahren 2017-2018 und 2018-2019 abzuschätzen. Die resultierenden GWR-Werte im großen und mittleren Maßstab wurden dann mit den gemessenen Schwankungen der Grundwasserstände verglichen und daran überprüft. Die GWR-Raten aus IMERG- und Niederschlagsmessern-basierten Szenarien zeigten ähnliche Korrelationen zwischen 68% und 89%, mittlere Fehler zwischen 30% und 34%, und leicht unterschiedliche Abweichungen zwischen -13% und 11%. Die berechneten GWR-Raten für Bodensonden- und CRNS-Bodenfeuchtewerte lagen im Bereich von 58,7 bis 618,1 mm im Jahr, was 5% bzw. 38% der Niederschlagsmengen entspricht. Die Berechnung der mittleren GWR-Raten auf großer Landschaftsskala, basierend auf Fernerkundungsdaten, und auf mittlerer Skala, basierend auf CRNS-Daten, ergaben für den Bodentyp Podsol ähnliche Ergebnisse, nämlich 17,87% bzw. 17% der Niederschläge. Daraus wurde der Schluss gezogen, dass die vorgeschlagenen Methoden eine realistische Schätzung der GWR in den Untersuchungsgebieten ermöglichen, was ein wegweisender Schritt zur Verbesserung des Wassermanagements und Nutzungsentscheidungen im Nordosten Brasiliens sein kann. N2 - Estudos sobre o uso insustentável dos recursos hídricos subterrâneos ainda são considerados incipientes, por se tratar de um recurso natural pouco compreendido e gerenciado, desvalorizado e mal protegido. A Recarga de Água Subterrânea (GWR) é um dos elementos mais desafiadores para estimar, pois raramente pode ser medido diretamente e não pode ser facilmente derivado dos dados existentes. Para superar essas limitações, muitos hidro(geo)logistas têm combinado diferentes abordagens para estimar a GWR em larga escala, a saber: produtos de sensoriamento remoto, como o produto IMERG; Equação do Balanço Hídrico, também em combinação com modelos hidrológicos no solo, e; Sistema de Informação Geográfica (GIS), com o uso de fórmulas de estimativa. Para as estimativas de GWR em escala intermediária, existem: Detecção Não-invasiva de Nêutrons de Raios Cósmicos (CRNS); redes sem fio a partir de sondas locais inseridos no solo; e modelos hidrológicos, como o HYDRUS. Neste contexto, a tese de doutorado visa, por um lado, demonstrar um acoplamento de modelo baseado em GIS para estimar a distribuição da GWR em larga escala em bacias tropicais úmidas. Por outro lado, visa utilizar as séries temporais de CRNS e de umidade do solo de sondas invasivas para calibrar inversamente as propriedades hidráulicas do solo, e com base nisso, estimar a GWR em escala intermediária usando um modelo hidrológico do solo. Para tanto, foram selecionadas duas bacias hidrográficas úmidas tropicais, localizadas em um aquífero sedimentar complexo na região costeira do Nordeste do Brasil. Estas são a Área de Estudo de Caso de João Pessoa e a Bacia Experimental do Guaraíra. Vários produtos de satélite foram usados na primeira área como entrada no modelo de balanço hídrico baseado em GIS para estimar os componentes do balanço hídrico e a GWR em 2016 e 2017. Além disso, as medições em escala pontual e os dados de CRNS foram usados na segunda área para determinar as propriedades hidráulicas do solo, e estimar GWR nos anos hidrológicos 2017-2018 e 2018-2019. Os valores resultantes de GWR em escala larga e intermediária foram então comparadas e validadas pelas estimativas obtidas pelas flutuações do lençol freático. As taxas de GWR para os cenários baseados no IMERG e em medidores de precipitação mostraram correlações semelhantes entre 68% e 89, erros médios semelhantes entre 30% e 34%, e viés ligeiramente diferentes entre -13% e 11%. Os resultados das taxas de GWR para os cenários de umidade do solo para sensores inseridos no solo e CRNS variaram de -5,87 a -61,81 cm ano-1, o que corresponde a 5% e 38% da precipitação. Os cálculos das taxas médias de GWR em grande escala, com base em dados de sensoriamento remoto, e em média escala, com base em dados de CRNS, apresentaram resultados semelhantes para o tipo de solo Espodossolo, a saber 17,87% e 17% da precipitação. Conclui-se então que as metodologias propostas permitiram estimar realisticamente a GWR nas áreas de estudo, o que pode ser um passo inovador no tocante ao aprimoramento do gerenciamento e tomada de decisão da água no Nordeste do Brasil. KW - groundwater recharge KW - remote sensing KW - cosmic-ray neutron sensing KW - soil hydraulic properties KW - northeast of Brazil KW - Grundwasserneubildung KW - Fernerkundungsprodukte KW - Neutronen aus kosmischer Höhenstrahlung KW - hydraulische Bodeneigenschaften KW - Nordostbrasilien KW - recarga de águas subterrâneas KW - sensoriamento remoto KW - detecção de nêutrons de raios cósmicos KW - propriedades hidráulicas do solo KW - nordeste do Brasil Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-460641 ER - TY - THES A1 - Yang, Xiaoqiang T1 - Spatial and temporal analyses of catchment and in-stream nitrate dynamics BT - insights derived from fully distributed, process-based modeling and high-frequency monitoring BT - Untersuchungen auf der Basis von räumlich verteilter, prozessbasierter Modellierung und eines zeitlich hochaufgelösten Gewässermonitorings N2 - Water quality in river systems is of growing concern due to rising anthropogenic pressures and climate change. Mitigation efforts have been placed under the guidelines of different governance conventions during last decades (e.g., the Water Framework Directive in Europe). Despite significant improvement through relatively straightforward measures, the environmental status has likely reached a plateau. A higher spatiotemporal accuracy of catchment nitrate modeling is, therefore, needed to identify critical source areas of diffuse nutrient pollution (especially for nitrate) and to further guide implementation of spatially differentiated, cost-effective mitigation measures. On the other hand, the emerging high-frequency sensor monitoring upgrades the monitoring resolution to the time scales of biogeochemical processes and enables more flexible monitoring deployments under varying conditions. The newly available information offers new prospects in understanding nitrate spatiotemporal dynamics. Formulating such advanced process understanding into catchment models is critical for model further development and environmental status evaluation. This dissertation is targeting on a comprehensive analysis of catchment and in-stream nitrate dynamics and is aiming to derive new insights into their spatial and temporal variabilities through the new fully distributed model development and the new high-frequency data. Firstly, a new fully distributed, process-based catchment nitrate model (the mHM-Nitrate model) is developed based on the mesoscale Hydrological Model (mHM) platform. Nitrate process descriptions are adopted from the Hydrological Predictions for the Environment (HYPE), with considerable improved implementations. With the multiscale grid-based discretization, mHM-Nitrate balances the spatial representation and the modeling complexity. The model has been thoughtfully evaluated in the Selke catchment (456 km2), central Germany, which is characterized by heterogeneous physiographic conditions. Results show that the model captures well the long-term discharge and nitrate dynamics at three nested gauging stations. Using daily nitrate-N observations, the model is also validated in capturing short-term fluctuations due to changes in runoff partitioning and spatial contribution during flooding events. By comparing the model simulations with the values reported in the literature, the model is capable of providing detailed and reliable spatial information of nitrate concentrations and fluxes. Therefore, the model can be taken as a promising tool for environmental scientists in advancing environmental modeling research, as well as for stakeholders in supporting their decision-making, especially for spatially differentiated mitigation measures. Secondly, a parsimonious approach of regionalizing the in-stream autotrophic nitrate uptake is proposed using high-frequency data and further integrated into the new mHM-Nitrate model. The new regionalization approach considers the potential uptake rate (as a general parameter) and effects of above-canopy light and riparian shading (represented by global radiation and leaf area index data, respectively). Multi-parameter sensors have been continuously deployed in a forest upstream reach and an agricultural downstream reach of the Selke River. Using the continuous high-frequency data in both streams, daily autotrophic uptake rates (2011-2015) are calculated and used to validate the regionalization approach. The performance and spatial transferability of the approach is validated in terms of well-capturing the distinct seasonal patterns and value ranges in both forest and agricultural streams. Integrating the approach into the mHM-Nitrate model allows spatiotemporal variability of in-stream nitrate transport and uptake to be investigated throughout the river network. Thirdly, to further assess the spatial variability of catchment nitrate dynamics, for the first time the fully distributed parameterization is investigated through sensitivity analysis. Sensitivity results show that parameters of soil denitrification, in-stream denitrification and in-stream uptake processes are the most sensitive parameters throughout the Selke catchment, while they all show high spatial variability, where hot-spots of parameter sensitivity can be explicitly identified. The Spearman rank correlation is further analyzed between sensitivity indices and multiple catchment factors. The correlation identifies that the controlling factors vary spatially, reflecting heterogeneous catchment responses in the Selke catchment. These insights are, therefore, informative in informing future parameter regionalization schemes for catchment water quality models. In addition, the spatial distributions of parameter sensitivity are also influenced by the gauging information that is being used for sensitivity evaluation. Therefore, an appropriate monitoring scheme is highly recommended to truly reflect the catchment responses. N2 - Die Wasserqualität in Flusssystemen ist aufgrund des steigenden anthropogenen Drucks und des Klimawandels von wachsender Bedeutung. Um kritische Eintragspfade diffuser Nitratbelastungen zu identifizieren, ist eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung der Modellierung des Einzugsgebietes erforderlich. Neue hochfrequente Sensordaten bieten neue Perspektiven für das Verständnis der Nitratdynamik in Einzugsgebieten. Die Vertiefung des Prozessverständnisses ist entscheidend für die Weiterentwicklung von Einzugsmodellen. Diese Dissertation zielt auf eine umfassende Analyse der einzugsbezogenen und gewässerinternen Nitratdynamik ab und analysiert ihre räumlichen und zeitlichen Variabilität anhand vollständig verteilter Modellierung und neuer zeitlich hochaufgelöster Sensordaten. Zunächst wurde ein neues, räumlich verteiltes hydrologisches Nitratmodell (das mHM-Nitratmodell) entwickelt, um die Nitratflüsse und -dynamiken in Einzugsgebieten abzubilden. Das Modell wurde im Selke Einzugsgebiet (456 km2) in Mitteldeutschland implementiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell sowohl die lang- als auch die kurzfristige Dynamik von Abfluss und Nitrat an drei genesteten Messstationen gut erfasst und in der Lage ist, detaillierte und zuverlässige räumliche Informationen zu liefern. Des Weiteren wurde ein vereinfachter Ansatz zur Regionalisierung der autotrophen Nitrataufnahme in Fließgewässern entwickelt und in das neue mHM-Nitratmodell integriert. Die Verfügbarkeit von Licht auf der Gewässeroberfläche wird als treibender Faktor identifiziert, welcher durch Globalstrahlung und pflanzenspezifischem Blattflächenindex quantifiziert werden kann. Die räumliche Übertragbarkeit des Ansatzes wird anhand kontinuierlicher, zeitlich hochaufgelöster Gewässermessdaten in der Selke überprüft. Hierauf aufbauend wird die vollständig verteilte Parametrisierung des Modells durch Sensitivitätsanalysen untersucht, welche die empfindlichsten Parameter und deren räumliche Variabilität identifizieren. Die Spearman-Rank-Korrelationen zeigen, dass die bestimmenden Einflussfaktoren aufgrund der heterogenen Einzugscharakteristik auch räumlich stark variieren. Das mHM-Nitratmodell kann als vielversprechendes Instrument zur Beurteilung der detaillierten räumzeitlichen Variabilität der Nitratflüsse und -dynamiken genutzt werden, was sowohl für Wissenschaftler als auch für Nutzer aus der Praxis wichtig ist. Die Integration des neuen Ansatzes zur gewässerinternen Nährstoffaufnahme in das Modell ermöglicht eine räumlich-zeitliche Untersuchung des Nitrattransports und Nährstoffentzugs in Fließgewässernetzwerken. Die Erkenntnisse aus Sensitivitäts- und Korrelationsanalysen sind bedeutsam für die Ableitung zukünftiger Parameterregionalisierungsansätze, die es erlauben, einen ausgewogenen Kompromiss zwischen der Komplexität der Modellparametrisierung und der hinreichenden Darstellung der natürlichen Heterogenität zu finden. T2 - Raumzeitliche Analyse von einzugsgebietsbezogenen und gewässerinternen Nitratdynamiken KW - Catchment and in-stream water quality KW - Spatial and temporal nitrate variability KW - Fully distributed nitrate modeling KW - High-frequency data KW - Heterogeneous catchement responses KW - Autotrophic nitrate uptake in river networks KW - Autotropher Nitrat-Aufnahme in Gewässernetzen KW - Räumlich verteilte Nitratmodellierung KW - Heterogene Einzugsgebietsreaktionen KW - Hochfrequenzdaten KW - Räumliche und zeitliche Nitratvariabilität Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-477029 ER - TY - THES A1 - Aich, Valentin T1 - Floods in the Niger River Basin in the face of global change T1 - Hochwasser im Niger Einzugsgebiet im Kontext des Globalen Wandels BT - analysis, attribution and projections BT - Analyse, Zuschreibung und Projektionen N2 - In the last decade, the number and dimensions of catastrophic flooding events in the Niger River Basin (NRB) have markedly increased. Despite the devastating impact of the floods on the population and the mainly agriculturally based economy of the riverine nations, awareness of the hazards in policy and science is still low. The urgency of this topic and the existing research deficits are the motivation for the present dissertation. The thesis is an initial detailed assessment of the increasing flood risk in the NRB. The research strategy is based on four questions regarding (1) features of the change in flood risk, (2) reasons for the change in the flood regime, (3) expected changes of the flood regime given climate and land use changes, and (4) recommendations from previous analysis for reducing the flood risk in the NRB. The question examining the features of change in the flood regime is answered by means of statistical analysis. Trend, correlation, changepoint, and variance analyses show that, in addition to the factors exposure and vulnerability, the hazard itself has also increased significantly in the NRB, in accordance with the decadal climate pattern of West Africa. The northern arid and semi-arid parts of the NRB are those most affected by the changes. As potential reasons for the increase in flood magnitudes, climate and land use changes are attributed by means of a hypothesis-testing framework. Two different approaches, based on either data analysis or simulation, lead to similar results, showing that the influence of climatic changes is generally larger compared to that of land use changes. Only in the dry areas of the NRB is the influence of land use changes comparable to that of climatic alterations. Future changes of the flood regime are evaluated using modelling results. First ensembles of statistically and dynamically downscaled climate models based on different emission scenarios are analyzed. The models agree with a distinct increase in temperature. The precipitation signal, however, is not coherent. The climate scenarios are used to drive an eco-hydrological model. The influence of climatic changes on the flood regime is uncertain due to the unclear precipitation signal. Still, in general, higher flood peaks are expected. In a next step, effects of land use changes are integrated into the model. Different scenarios show that regreening might help to reduce flood peaks. In contrast, an expansion of agriculture might enhance the flood peaks in the NRB. Similarly to the analysis of observed changes in the flood regime, the impacts of climate- and land use changes for the future scenarios are also most severe in the dry areas of the NRB. In order to answer the final research question, the results of the above analysis are integrated into a range of recommendations for science and policy on how to reduce flood risk in the NRB. The main recommendations include a stronger consideration of the enormous natural climate variability in the NRB and a focus on so called “no-regret” adaptation strategies which account for high uncertainty, as well as a stronger consideration of regional differences. Regarding the prevention and mitigation of catastrophic flooding, the most vulnerable and sensitive areas in the basin, the arid and semi-arid Sahelian and Sudano-Sahelian regions, should be prioritized. Eventually, an active, science-based and science-guided flood policy is recommended. The enormous population growth in the NRB in connection with the expected deterioration of environmental and climatic conditions is likely to enhance the region´s vulnerability to flooding. A smart and sustainable flood policy can help mitigate these negative impacts of flooding on the development of riverine societies in West Africa. N2 - Während des vergangenen Jahrzehnts nahmen die Anzahl und die Ausmaße von katastrophalen Hochwassern im Einzugsgebiet des Nigerflussess (NEZG) deutlich zu. Trotz der verheerenden Auswirkungen der Hochwasserkatastrophen auf die Menschen und die hauptsächlich auf Landwirtschaft basierende Wirtschaft der Anrainerstaaten wird das Thema von Politik und Wissenschaft noch kaum beachtet. Die vorliegende Dissertation ist die erste ausführliche Analyse des steigenden Hochwasserrisikos im NEZG. Die Forschungsstrategie basiert auf vier Fragen nach (1) der Art der Veränderungen des Hochwasserrisikos, (2) den Ursachen der Veränderungen im Hochwasserregime, (3) den zukünftigen Entwicklungen im Hochwasserregime hinsichtlich der erwartenden Klima- und Landnutzungswandel und (4) den aus den Untersuchungen abgeleiteten Empfehlungen zur Reduzierung des Hochwasserrisikos im NEZG. Die Frage nach den Merkmalen der Veränderungen im Hochwasserrisiko wurde mithilfe von statistischen Untersuchungen beantwortet. Die Analysen zeigen, dass neben den Risikofaktoren Exponiertheit und Verwundbarkeit auch die Hochwasserstände selbst im NEZG in den letzten Jahrzehnten signifikant und entsprechend der typischen dekadischen Klimamuster Westafrikas angestiegen sind. Als potentielle Ursachen des Hochwasseranstiegs werden Klima- und Landnutzungswandel untersucht. Zwei verschiedene Ansätze, basierend auf Daten sowie auf Simulationen, führen zu ähnlichen Ergebnissen und zeigen, dass der Einfluss der Klimaveränderungen im Allgemeinen größer als der des Landnutzungswandels ist. Das zukünftige Hochwasserrisiko wird anhand des öko-hydrologisches Modells SWIM abgeschätzt. Der Einfluss des Klimawandels auf das Hochwasserregime ist auf Grund des problematischen Niederschlagssignals unsicher. Tendenziell werden aber höhere Maximalabflüsse erwartet. Der Effekt der Landnutzungsänderung beeinflusst das Hochwasserverhalten ebenfalls stark, besonders in den trockenen Gebieten. Verschiedene Szenarien zeigen, dass Renaturierung hülfe, Hochwasserspitzen zu kappen. Eine Ausweitung der Agrarflächen dagegen würde die Hochwässer im NEZG weiter verstärken Zentrale Empfehlungen sind eine stärkere Einbeziehung der enorm starken natürlichen Klimavariabilität im NEZG und eine Fokussierung auf sogenannte „no-regret“ Anpassungsstrategien. Dabei sollte den verwundbarsten Regionen des Einzugsgebiets, den ariden und semi-ariden Regionen, Priorität eingeräumt werden. Die enorme Bevölkerungszunahme im NEZG verbunden mit der zu erwartenden Verschlechterung der Umwelt- und Klimabedingungen wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch die Verwundbarkeit bezüglich Hochwässer weiter ansteigen lassen. Eine vernünftige und nachhaltige Hochwasserpolitik kann helfen, die negativen Folgen auf die Entwicklung der Anrainerstaaten des Nigerflusses abzumindern. KW - flood KW - Niger KW - climate change KW - land use change KW - Hochwasser KW - Niger KW - Klimawandel KW - Landnutzungswandel Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-91577 ER - TY - THES A1 - Fritsch, Uta T1 - Entwicklung von Landnutzungsszenarien für landschaftsökologische Fragestellungen N2 - Die Landschaften Mitteleuropas sind das Resultat einer langwierigen Geschichte menschlicher Landnutzung mit ihren unterschiedlichen, z.T. konkurrierenden Nutzungsansprüchen. Durch eine überwiegend intensive Beanspruchung haben die direkten und indirekten Auswirkungen der Landnutzung in vielen Fällen zu Umweltproblemen geführt. Die Disziplin der Landschaftsökologie hat es sich zur Aufgabe gemacht, Konzepte für eine nachhaltige Nutzung der Landschaft zu entwickeln. Eine wichtige Fragestellung stellt dabei die Abschätzung der möglichen Folgen von Landnutzungsänderungen dar. Für die Analyse der relevanten Prozesse in der Landschaft werden häufig mathematische Modelle eingesetzt, welche es erlauben die Landschaft unter aktuellen Verhältnissen oder hinsichtlich veränderter Rahmenbedingungen zu untersuchen. Die hypothetische Änderung der Landnutzung, die als Landnutzungsszenario bezeichnet wird, verkörpert eine wesentliche Modifikation der Rahmenbedingungen, weil Landnutzung maßgeblich Einfluss auf die natürlichen Prozesse der Landschaft nimmt. Während die Antriebskräfte einer solchen Änderung überwiegend von sozio-ökonomischen und politischen Entscheidungen gesteuert werden, orientiert sich die exakte Verortung der Landnutzungsänderungen an den naturräumlichen Bedingungen und folgt z.T. erkennbaren Regeln. Anhand dieser Vorgaben ist es möglich, räumlich explizite Landnutzungsszenarien zu entwickeln, die als Eingangsdaten für die Modellierung verschiedener landschaftsökologischer Fragestellungen wie z.B. für die Untersuchung des Einflusses der Landnutzung auf den Wasserhaushalt, die Erosionsgefahr oder die Habitatqualität dienen können. Im Rahmen dieser Dissertation wurde das rasterbasierte deterministische Allokationsmodell luck (Land Use Change Scenario Kit) für die explizite Verortung der Landnutzungsänderungen entwickelt. Es basiert auf den in der Landschaftsökologie üblichen räumlichen Daten wie Landnutzung, Boden sowie Topographie und richtet sich bei der Szenarienableitung nach den Leitbildern der Landschaftsplanung. Das Modell fußt auf der Hypothese, dass das Landnutzungsmuster als Funktion seiner landschaftsökologischen Faktoren beschrieben werden kann. Das Veränderungspotenzial einer Landnutzungseinheit resultiert im Modell aus einer Kombination der Bewertung der relativen Eignung des Standortes für die jeweilige Landnutzung und der Berücksichtigung von Standorteigenschaften der umliegenden Nachbarn. Die Durchführung der Landnutzungsänderung im Modell ist iterativ angelegt, um den graduellen Prozess des Landschaftswandels nachvollziehen zu können. Als Fallbeispiel für die Anwendung solcher räumlich expliziten Landnutzungsszenarien dient die Fragestellung, inwieweit Landnutzungsänderungen die Hochwasserentstehung beeinflussen. Um den Einfluss auf die Hochwasserentstehung für jede der Landnutzungskategorien – bebaute, landwirtschaftlich genutzte und naturnahe Flächen – abschätzen zu können, wird im Landnutzungsmodell luck exemplarisch für jede Kategorie ein Teilmodell für die Veränderung von Landnutzung angeboten: 1) Ausdehnung der Siedlungsfläche: Dieses Teilmodell fußt auf der Annahme, dass sich Siedlungen nur in direkter Nachbarschaft bereits bestehender Bebauung und bevorzugt entlang von Entwicklungsachsen ausbreiten. Steile Hangneigungen stellen für potenzielle Standorte ein Hemmnis bei der Ausbreitung dar. 2) Stilllegung von Grenzertragsackerflächen: Gemäß der Hypothese, dass sich die Stilllegung von Ackerflächen an der potenziellen Ertragsleistung der Standorte orientiert, werden in diesem Teilmodell alle Ackerstandorte dahingehend bewertet und die Flächen mit der geringsten Leistungsfähigkeit stillgelegt. Bei homogenen Gebietseigenschaften werden die Stilllegungsflächen zufällig auf die Ackerfläche verteilt. 3) Etablierung von Schutzgebieten in Ufer- und Auenbereichen: Ausgehend von der These, dass sich entlang von Flüssen sensible Flächen befinden, deren Schutz positive Folgen für das Leistungsvermögen der Landschaft haben kann, werden in diesem Teilmodell schützenswerte Ufer- und Auenbereiche auf derzeit landwirtschaftlich genutzten Flächen ausgewiesen. Die Größe der Schutzgebietsfläche orientiert sich an der Morphologie der umgebenden Landschaft. Die drei Teilmodelle wurden hinsichtlich der implizierten Hypothesen mit vielen unterschiedlichen Ansätzen validiert. Das Resultat dieser intensiven Analyse zeigt für jedes Teilmodell eine zufriedenstellende Tauglichkeit. Die Modellierung der Landnutzungsänderungen wurden in drei mesoskaligen Flusseinzugsgebieten mit einer Fläche zwischen 100 und 500 km² durchgeführt, die sich markant in ihrer Landnutzung unterscheiden. Besonderer Wert wurde bei der Gebietsauswahl darauf gelegt, dass eines der Gebiete intensiv landwirtschaftlich genutzt wird, eines dicht besiedelt und eines vorwiegend bewaldet ist. Im Hinblick auf ihre Relevanz für die vorliegende Fragestellung wurden aus bestehenden Landnutzungstrends die Szenarien für (1) die prognostizierte Siedlungsfläche für das Jahr 2010, (2) die möglichen Konsequenzen des EU-weiten Beschlusses der Agenda 2000 und (3) die Novelle des Bundesnaturschutzgesetzes aus dem Jahr 2001 abgeleitet. Jedes Szenario wurde mit Hilfe des Modells auf die drei Untersuchungsgebiete angewendet. Dabei wurden für die Siedlungsausdehnung in allen drei Gebieten realistische Landnutzungsmuster generiert. Einschränkungen ergeben sich bei der Suche nach Grenzertragsstilllegungsflächen. Hier hat unter homogenen Gebietseigenschaften die zufällige Verteilung von Flächen für die Stilllegung zu einem unrealistischen Ergebnis geführt. Die Güte der Schutzgebietsausweisung ist maßgeblich an die aktuelle Landnutzung der Aue und die Morphologie des Geländes gebunden. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn die Flächen in den Ufer- und Auenbereichen mehrheitlich unter derzeitiger Ackernutzung stehen und der Flusslauf sich in das Relief eingetieft hat. Exemplarisch werden für jeden Landnutzungstrend die hydrologischen Auswirkungen anhand eines historischen Hochwassers beschrieben, aus denen jedoch keine pauschale Aussage zum Einfluss der Landnutzung abgeleitet werden kann. Die Studie demonstriert die Bedeutung des Landnutzungsmusters für die natürlichen Prozesse in der Landschaft und unterstreicht die Notwendigkeit einer räumlich expliziten Modellierung für landschaftsökologische Fragestellungen in der Mesoskala. N2 - Today′s landscapes in Central Europe are the result of a long history of land-use, which is characterised by many different demands. The immediate and long-term consequences of predominantly intensive land-use have led to environmental problems in many cases. Therefore it is necessary to develop strategies for the maintenance of landscape efficiency which take into account the different claims of utilisation. In this context the estimation of possible impacts of land-use changes represents an important statement of problem. For the analysis of the relevant processes within the landscape, it is common to apply mathematical models. Such models enable the investigation of the landscape under current conditions or with regard to modified boundary conditions. A hypothetic alteration of land-use, which is termed as land-use scenario, represents a substantial modification of the boundary conditions, because land-use exerts a strong influence on the natural processes of the landscape. While the driving forces are predominantly governed by socio-economical and political decisions, the exact location of land-use changes within the landscape mainly depends on the natural conditions and follows partly transparent rules. With these presumptions it is possible to develop land-use scenarios, which can serve as input data for the modelling of different questions of landscape ecology such as the influence of land-use on the water balance, the danger of erosion or the quality of habitat characteristics. In the context of this thesis the grid-based deterministic allocation model luck (Land Use Change Scenario Kit) for the allocation of land-use changes was developed. It is based upon the types of spatial data, which are commonly used in landscape ecology, such as information on land-use, soils as well as topography. The derivation of scenarios follows the approaches of landscape planning. The model is based upon the hypothesis, that land-use structure can be described as a function of its landscape ecological factors. The potential of a site to become subject to land-use changes, results from a combination of its local qualities and the site characteristics of its neighbourhood. Land-use change is realised iteratively in order to simulate the gradual process of changes in the landscape. The influence of land-use changes on flood generation serves as a case study to demonstrate the need for spatial explicit land-use scenarios. For each land-use category – built up areas, agriculturally used areas and natural/semi-natural land – the model luck offers a submodel for investigating the effect of land-use changes on flood generation: 1) Expansion of settlement area: This submodel is based upon the assumption that settlements spread only in the neighbourhood of already existing built-up areas and preferentially along infrastructural axes of development. Steep slopes inhibit the spreading on potential locations. 2) Set-aside of marginal yield sites under agricultural use: Setting-aside of arable land is based on the hypothesis that the selection of arable land to be set-aside depends on the potential yield efficiency of the locations. Within this submodel all fields under agricultural use are valued to that effect and the ones with the least productive efficiency are selected as set-aside locations. In case of homogeneous area qualities the set-aside locations are selected randomly. 3) Establishment of protected areas in waterside and ripearian areas: This submodel takes into consideration that the protection of sensitive areas along the river courses may have positive consequences for the efficiency of the landscape. Therefore this submodel establishes protection zones on waterside and ripearian sites under currently agricultural use, that might be of value for nature conservation. The size of the protection area depends on the morphology of the surrounding landscape. The three submodels were validated with respect to the implied hypotheses by the help of many different approaches. The result of this intensive analysis shows a satisfying suitability for each of the submodels. The simulation of land-use changes was carried out for three mesoscale river catchments with an area between 100 and 500 km². Special attention was paid to the fact that these areas should be markingly different in their land-use: One study area is predominantly under intensive agricultural use, one is densely populated and the third one is covered by forest in large parts of the area. With regard to their relevance to the onhand question from existing land-use trends scenarios were derived for the prognosed settlement area for the year 2010, for the possible consequences of the EU-wide agreement of Agenda 2000 and for the amending federal conservation law dating to the year 2001, which enhances the enlargement of protected areas. Each scenario was applied to the three study areas utilizing the model luck. For the expansion of the settlement areas in all three study areas realistic land-use patterns were generated. Limitations arose only in the context of the search for marginal yield fields. Here, the random distribution of areas to be set-aside under homogeneous conditions led to unrealistic results. The quality of the establishment of protected areas in waterside and ripearian areas is substantially bound to current land-use and the morphology of the area. The best results for this submodel are achieved if waterside and ripearian areas are mainly arable land and if the river has lowered its course into the morphology. The hydrological consequences are described exemplarily for each land-use trend with a historical flood event. The interpretation of the hydrographs does not allow global statements about the influence of land-use. The study demonstrates the significance of land-use pattern for the natural processes in the landscape and underlines the necessity of spatially explicit modelling for landscape ecological questions at the mesoscale. KW - Landnutzung KW - Landschaftsökologie KW - Siedlungsfläche KW - Grenzertragsstandorte KW - Landnutzungsszenarien KW - Landschaftsökologie KW - Modellierung von Landnutzungsänderung KW - Siedlungsfläche KW - Grenzertragsstandorte KW - Schutzgebiete KW - land-use scenario KW - landscape ecology KW - modelling of land-use changes KW - settlement area KW - marginal revenue sites KW - nature conservation area Y1 - 2002 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000431 ER - TY - THES A1 - Thonicke, Kirsten T1 - Fire disturbance and vegetation dynamics : analysis and models N2 - Untersuchungen zur Rolle natürlicher Störungen in der Vegetation bzw. in Ökosystemen zeigen, dass natürliche Störungen ein essentielles und intrinsisches Element in Ökosystemen darstellen, substanziell zur Vitalität und strukturellen Diversität der Ökosysteme beitragen und Stoffkreisläufe sowohl auf dem lokalen als auch auf dem globalen Niveau beeinflussen. Feuer als Grasland-, Busch- oder Waldbrand ist ein besonderes Störungsagens, da es sowohl durch biotische als auch abiotische Umweltfaktoren verursacht wird. Es beeinflusst biogeochemische Kreisläufe und spielt für die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre durch Freisetzung klimarelevanter Spurengase und Aerosole aus der Verbrennung von Biomasse eine bedeutende Rolle. Dies wird auch durch die Emission von ca. 3.9 Gt Kohlenstoff pro Jahr unterstrichen, was einen großen Anteil am globalen Gesamtaufkommen ausmacht. Ein kombiniertes Modell, das die Effekte und Rückkopplungen zwischen Feuer und Vegetation beschreibt, wurde erforderlich, als Änderungen in den Feuerregimes als Folge von Änderungen in der Landnutzung und dem Landmanagement festgestellt wurden. Diese Notwendigkeit wurde noch durch die Erkenntnis unterstrichen, daß die Menge verbrennender Biomasse als ein bedeutender Kohlenstoffluß sowohl die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre und das Klima, aber auch die Vegetationsdynamik selbst beeinflusst. Die bereits existierenden Modellansätze reichen hier jedoch nicht aus, um entsprechende Untersuchungen durchzuführen. Als eine Schlussfolgerung daraus wurde eine optimale Menge von Faktoren gefunden, die das Auftreten und die Ausbreitung des Feuers, sowie deren ökosystemare Effekte ausreichend beschreiben. Ein solches Modell sollte die Merkmale beobachteter Feuerregime simulieren können und Analysen der Interaktionen zwischen Feuer und Vegetationsdynamik unterstützen, um auch Ursachen für bestimmte Änderungen in den Feuerregimes herausfinden zu können. Insbesondere die dynamischen Verknüpfungen zwischen Vegetation, Klima und Feuerprozessen sind von Bedeutung, um dynamische Rückkopplungen und Effekte einzelner, veränderter Umweltfaktoren zu analysieren. Dadurch ergab sich die Notwendigkeit, neue Feuermodelle zu entwickeln, die die genannten Untersuchungen erlauben und das Verständnis der Rolle des Feuer in der globalen Ökologie verbessern. Als Schlussfolgerung der Dissertation wird festgestellt, dass Feuchtebedingungen, ihre Andauer über die Zeit (Länge der Feuersaison) und die Streumenge die wichtigsten Komponenten darstellen, die die Verteilung der Feuerregime global beschreiben. Werden Zeitreihen einzelner Regionen simuliert, sollten besondere Entzündungsquellen, brandkritische Klimabedingungen und die Bestandesstruktur als zusätzliche Determinanten berücksichtigt werden. Die Bestandesstruktur verändert das Niveau des Auftretens und der Ausbreitung von Feuer, beeinflusst jedoch weniger dessen interannuelle Variabilität. Das es wichtig ist, die vollständige Wirkungskette wichtiger Feuerprozesse und deren Verknüpfungen mit der Vegetationsdynamik zu berücksichtigen, wird besonders unter Klimaänderungsbedingungen deutlich. Eine länger werdende, vom Klima abhängige Feuersaison bedeutet nicht automatisch eine im gleichen Maße anwachsende Menge verbrannter Biomasse. Sie kann durch Änderungen in der Produktivität der Vegetation gepuffert oder beschleunigt werden. Sowohl durch Änderungen der Bestandesstruktur als auch durch eine erhöhte Produktivität der Vegetation können Änderungen der Feuereigenschaften noch weiter intensiviert werden und zu noch höheren, feuerbezogenen Emissionen führen. N2 - Studies of the role of disturbance in vegetation or ecosystems showed that disturbances are an essential and intrinsic element of ecosystems that contribute substantially to ecosystem health, to structural diversity of ecosystems and to nutrient cycling at the local as well as global level. Fire as a grassland, bush or forest fire is a special disturbance agent, since it is caused by biotic as well abiotic environmental factors. Fire affects biogeochemical cycles and plays an important role in atmospheric chemistry by releasing climate-sensitive trace gases and aerosols, and thus in the global carbon cycle by releasing approximately 3.9 Gt C p.a. through biomass burning. A combined model to describe effects and feedbacks between fire and vegetation became relevant as changes in fire regimes due to land use and land management were observed and the global dimension of biomass burnt as an important carbon flux to the atmosphere, its influence on atmospheric chemistry and climate as well as vegetation dynamics were emphasized. The existing modelling approaches would not allow these investigations. As a consequence, an optimal set of variables that best describes fire occurrence, fire spread and its effects in ecosystems had to be defined, which can simulate observed fire regimes and help to analyse interactions between fire and vegetation dynamics as well as to allude to the reasons behind changing fire regimes. Especially, dynamic links between vegetation, climate and fire processes are required to analyse dynamic feedbacks and effects of changes of single environmental factors. This led us to the point, where new fire models had to be developed that would allow the investigations, mentioned above, and could help to improve our understanding of the role of fire in global ecology. In conclusion of the thesis, one can state that moisture conditions, its persistence over time and fuel load are the important components that describe global fire pattern. If time series of a particular region are to be reproduced, specific ignition sources, fire-critical climate conditions and vegetation composition become additional determinants. Vegetation composition changes the level of fire occurrence and spread, but has limited impact on the inter-annual variability of fire. The importance to consider the full range of major fire processes and links to vegetation dynamics become apparent under climate change conditions. Increases in climate-dependent length of fire season does not automatically imply increases in biomass burnt, it can be buffered or accelerated by changes in vegetation productivity. Changes in vegetation composition as well as enhanced vegetation productivity can intensify changes in fire and lead to even more fire-related emissions. --- Anmerkung: Die Autorin ist Trägerin des von der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam vergebenen Michelson-Preises für die beste Promotion des Jahres 2002/2003. KW - Waldbrand KW - Feuerregime KW - Vegetationsdynamik KW - natürliche Störungen KW - Waldbrandmodellierung KW - Klimaänderung KW - forest fires KW - fire regimes KW - vegetation dynamics KW - natural disturbances KW - fire modelling KW - climate change Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000713 ER -