TY - THES A1 - Böniger, Urs T1 - Attributes and their potential to analyze and interpret 3D GPR data T1 - Attribute und deren Potenzial zur Analyse und Interpretation von 3D Georadardaten N2 - Based on technological advances made within the past decades, ground-penetrating radar (GPR) has become a well-established, non-destructive subsurface imaging technique. Catalyzed by recent demands for high-resolution, near-surface imaging (e.g., the detection of unexploded ordnances and subsurface utilities, or hydrological investigations), the quality of today's GPR-based, near-surface images has significantly matured. At the same time, the analysis of oil and gas related reflection seismic data sets has experienced significant advances. Considering the sensitivity of attribute analysis with respect to data positioning in general, and multi-trace attributes in particular, trace positioning accuracy is of major importance for the success of attribute-based analysis flows. Therefore, to study the feasibility of GPR-based attribute analyses, I first developed and evaluated a real-time GPR surveying setup based on a modern tracking total station (TTS). The combination of current GPR systems capability of fusing global positioning system (GPS) and geophysical data in real-time, the ability of modern TTS systems to generate a GPS-like positional output and wireless data transmission using radio modems results in a flexible and robust surveying setup. To elaborate the feasibility of this setup, I studied the major limitations of such an approach: system cross-talk and data delays known as latencies. Experimental studies have shown that when a minimal distance of ~5 m between the GPR and the TTS system is considered, the signal-to-noise ratio of the acquired GPR data using radio communication equals the one without radio communication. To address the limitations imposed by system latencies, inherent to all real-time data fusion approaches, I developed a novel correction (calibration) strategy to assess the gross system latency and to correct for it. This resulted in the centimeter trace accuracy required by high-frequency and/or three-dimensional (3D) GPR surveys. Having introduced this flexible high-precision surveying setup, I successfully demonstrated the application of attribute-based processing to GPR specific problems, which may differ significantly from the geological ones typically addressed by the oil and gas industry using seismic data. In this thesis, I concentrated on archaeological and subsurface utility problems, as they represent typical near-surface geophysical targets. Enhancing 3D archaeological GPR data sets using a dip-steered filtering approach, followed by calculation of coherency and similarity, allowed me to conduct subsurface interpretations far beyond those obtained by classical time-slice analyses. I could show that the incorporation of additional data sets (magnetic and topographic) and attributes derived from these data sets can further improve the interpretation. In a case study, such an approach revealed the complementary nature of the individual data sets and, for example, allowed conclusions about the source location of magnetic anomalies by concurrently analyzing GPR time/depth slices to be made. In addition to archaeological targets, subsurface utility detection and characterization is a steadily growing field of application for GPR. I developed a novel attribute called depolarization. Incorporation of geometrical and physical feature characteristics into the depolarization attribute allowed me to display the observed polarization phenomena efficiently. Geometrical enhancement makes use of an improved symmetry extraction algorithm based on Laplacian high-boosting, followed by a phase-based symmetry calculation using a two-dimensional (2D) log-Gabor filterbank decomposition of the data volume. To extract the physical information from the dual-component data set, I employed a sliding-window principle component analysis. The combination of the geometrically derived feature angle and the physically derived polarization angle allowed me to enhance the polarization characteristics of subsurface features. Ground-truth information obtained by excavations confirmed this interpretation. In the future, inclusion of cross-polarized antennae configurations into the processing scheme may further improve the quality of the depolarization attribute. In addition to polarization phenomena, the time-dependent frequency evolution of GPR signals might hold further information on the subsurface architecture and/or material properties. High-resolution, sparsity promoting decomposition approaches have recently had a significant impact on the image and signal processing community. In this thesis, I introduced a modified tree-based matching pursuit approach. Based on different synthetic examples, I showed that the modified tree-based pursuit approach clearly outperforms other commonly used time-frequency decomposition approaches with respect to both time and frequency resolutions. Apart from the investigation of tuning effects in GPR data, I also demonstrated the potential of high-resolution sparse decompositions for advanced data processing. Frequency modulation of individual atoms themselves allows to efficiently correct frequency attenuation effects and improve resolution based on shifting the average frequency level. GPR-based attribute analysis is still in its infancy. Considering the growing widespread realization of 3D GPR studies there will certainly be an increasing demand towards improved subsurface interpretations in the future. Similar to the assessment of quantitative reservoir properties through the combination of 3D seismic attribute volumes with sparse well-log information, parameter estimation in a combined manner represents another step in emphasizing the potential of attribute-driven GPR data analyses. N2 - Geophysikalische Erkundungsmethoden haben in den vergangenen Jahrzehnten eine weite Verbreitung bei der zerstörungsfreien beziehungsweise zerstörungsarmen Erkundung des oberflächennahen Untergrundes gefunden. Im Vergleich zur Vielzahl anderer existierender Verfahrenstypen ermöglicht das Georadar (auch als Ground Penetrating Radar bezeichnet) unter günstigen Standortbedingungen Untersuchungen mit der höchsten räumlichen Auflösung. Georadar zählt zu den elektromagnetischen (EM) Verfahren und beruht als Wellenverfahren auf der Ausbreitung von hochfrequenten EM-Wellen, das heisst deren Reflektion, Refraktion und Transmission im Untergrund. Während zweidimensionale Messstrategien bereits weit verbreitet sind, steigt gegenwärtig das Interesse an hochauflösenden, flächenhaften Messstrategien, die es erlauben, Untergrundstrukturen dreidimensional abzubilden. Ein dem Georadar prinzipiell ähnliches Verfahren ist die Reflexionsseismik, deren Hauptanwendung in der Lagerstättenerkundung liegt. Im Laufe des letzten Jahrzehnts führte der zunehmende Bedarf an neuen Öl- und Gaslagerstätten sowie die Notwendigkeit zur optimalen Nutzung existierender Reservoirs zu einer verstärkten Anwendung und Entwicklung sogenannter seismischer Attribute. Attribute repräsentieren ein Datenmaß, welches zu einer verbesserten visuellen Darstellung oder Quantifizierung von Dateneigenschaften führt die von Relevanz für die jeweilige Fragestellung sind. Trotz des Erfolgs von Attributanalysen bei reservoirbezogenen Anwendungen und der grundlegenden Ähnlichkeit von reflexionsseismischen und durch Georadar erhobenen Datensätzen haben attributbasierte Ansätze bisher nur eine geringe Verbreitung in der Georadargemeinschaft gefunden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Potential von Attributanalysen zur verbesserten Interpretation von Georadardaten zu untersuchen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf Anwendungen aus der Archäologie und dem Ingenieurwesen. Der Erfolg von Attributen im Allgemeinen und von solchen mit Berücksichtigung von Nachbarschaftsbeziehungen im Speziellen steht in engem Zusammenhang mit der Genauigkeit, mit welcher die gemessenen Daten räumlich lokalisiert werden können. Vor der eigentlichen Attributuntersuchung wurden deshalb die Möglichkeiten zur kinematischen Positionierung in Echtzeit beim Georadarverfahren untersucht. Ich konnte zeigen, dass die Kombination von modernen selbstverfolgenden Totalstationen mit Georadarinstrumenten unter Verwendung von leistungsfähigen Funkmodems eine zentimetergenaue Positionierung ermöglicht. Experimentelle Studien haben gezeigt, dass die beiden potentiell limitierenden Faktoren - systeminduzierte Signalstöreffekte und Datenverzögerung (sogenannte Latenzzeiten) - vernachlässigt beziehungsweise korrigiert werden können. In der Archäologie ist die Untersuchung oberflächennaher Strukturen und deren räumlicher Gestalt wichtig zur Optimierung geplanter Grabungen. Das Georadar hat sich hierbei zu einem der wohl am meisten genutzten zerstörungsfreien geophysikalischen Verfahren entwickelt. Archäologische Georadardatensätze zeichnen sich jedoch oft durch eine hohe Komplexität aus, was mit der wiederholten anthropogenen Nutzung des oberflächennahen Untergrundes in Verbindung gebracht werden kann. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Verwendung zweier unterschiedlicher Attribute zur Beschreibung der Variabilität zwischen benachbarten Datenspuren eine deutlich verbesserte Interpretation in Bezug auf die Fragestellung ermöglicht. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass eine integrative Auswertung von mehreren Datensätzen (methodisch sowie bearbeitungstechnisch) zu einer fundierteren Interpretation führen kann, zum Beispiel bei komplementären Informationen der Datensätze. Im Ingenieurwesen stellen Beschädigungen oder Zerstörungen von Versorgungsleitungen im Untergrund eine große finanzielle Schadensquelle dar. Polarisationseffekte, das heisst Änderungen der Signalamplitude in Abhängigkeit von Akquisitions- sowie physikalischen Parametern stellen ein bekanntes Phänomen dar, welches in der Anwendung bisher jedoch kaum genutzt wird. In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie Polarisationseffekte zu einer verbesserten Interpretation verwendet werden können. Die Überführung von geometrischen und physikalischen Attributen in ein neues, so genanntes Depolarisationsattribut hat gezeigt, wie unterschiedliche Leitungstypen extrahiert und anhand ihrer Polarisationscharakteristika klassifiziert werden können. Weitere wichtige physikalische Charakteristika des Georadarwellenfeldes können mit dem Matching Pursuit-Verfahren untersucht werden. Dieses Verfahren hatte in den letzten Jahren einen großen Einfluss auf moderne Signal- und Bildverarbeitungsansätze. Matching Pursuit wurde in der Geophysik bis jetzt hauptsächlich zur hochauflösenden Zeit-Frequenzanalyse verwendet. Anhand eines modifizierten Tree-based Matching Pursuit Algorithmus habe ich demonstriert, welche weiterführenden Möglichkeiten solche Datenzerlegungen für die Bearbeitung und Interpretation von Georadardaten eröffnen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, wie moderne Vermessungstechniken und attributbasierte Analysestrategien genutzt werden können um dreidimensionale Daten effektiv und genau zu akquirieren beziehungsweise die resultierenden Datensätze effizient und verlässlich zu interpretieren. KW - Attributanalyse KW - Georadar KW - Bildbearbeitung KW - attribute analysis KW - ground penetrating radar KW - image processing Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50124 ER - TY - THES A1 - Arboleda Zapata, Mauricio T1 - Adapted inversion strategies for electrical resistivity data to explore layered near-surface environments N2 - The electrical resistivity tomography (ERT) method is widely used to investigate geological, geotechnical, and hydrogeological problems in inland and aquatic environments (i.e., lakes, rivers, and seas). The objective of the ERT method is to obtain reliable resistivity models of the subsurface that can be interpreted in terms of the subsurface structure and petrophysical properties. The reliability of the resulting resistivity models depends not only on the quality of the acquired data, but also on the employed inversion strategy. Inversion of ERT data results in multiple solutions that explain the measured data equally well. Typical inversion approaches rely on different deterministic (local) strategies that consider different smoothing and damping strategies to stabilize the inversion. However, such strategies suffer from the trade-off of smearing possible sharp subsurface interfaces separating layers with resistivity contrasts of up to several orders of magnitude. When prior information (e.g., from outcrops, boreholes, or other geophysical surveys) suggests sharp resistivity variations, it might be advantageous to adapt the parameterization and inversion strategies to obtain more stable and geologically reliable model solutions. Adaptations to traditional local inversions, for example, by using different structural and/or geostatistical constraints, may help to retrieve sharper model solutions. In addition, layer-based model parameterization in combination with local or global inversion approaches can be used to obtain models with sharp boundaries. In this thesis, I study three typical layered near-surface environments in which prior information is used to adapt 2D inversion strategies to favor layered model solutions. In cooperation with the coauthors of Chapters 2-4, I consider two general strategies. Our first approach uses a layer-based model parameterization and a well-established global inversion strategy to generate ensembles of model solutions and assess uncertainties related to the non-uniqueness of the inverse problem. We apply this method to invert ERT data sets collected in an inland coastal area of northern France (Chapter~2) and offshore of two Arctic regions (Chapter~3). Our second approach consists of using geostatistical regularizations with different correlation lengths. We apply this strategy to a more complex subsurface scenario on a local intermountain alluvial fan in southwestern Germany (Chapter~4). Overall, our inversion approaches allow us to obtain resistivity models that agree with the general geological understanding of the studied field sites. These strategies are rather general and can be applied to various geological environments where a layered subsurface structure is expected. The flexibility of our strategies allows adaptations to invert other kinds of geophysical data sets such as seismic refraction or electromagnetic induction methods, and could be considered for joint inversion approaches. N2 - Die ERT-Methode (Electrical Resistivity Tomography) wird häufig zur Untersuchung geologischer, geotechnischer und hydrogeologischer Probleme im Binnenland und in Gewässern wie beispielsweise Seen, Flüssen oder dem Meer eingesetzt. Das Ziel der ERT-Methode ist es, zuverlässige Widerstandsmodelle des Untergrunds zu erhalten, die in Bezug auf die Struktur des Untergrundes und dessen petrophysikalischer Eigenschaften interpretiert werden können. Die Zuverlässigkeit der resultierenden Widerstandsmodelle hängt nicht nur von der Qualität der erfassten Daten ab, sondern auch von der angewendeten Inversionsstrategie. Die Inversion von ERT-Daten führt zu mehreren Lösungen, die die gemessenen Daten gleich gut erklären. Typische Inversionsansätze basieren auf verschiedenen deterministischen (lokalen) Strategien, die verschiedene Glättungs- und Dämpfungsstrategien berücksichtigen, um die Inversion zu stabilisieren. Diese Strategien haben jedoch den Nachteil, möglicherweise auftretende scharfe Grenzflächen zu verwischen. Es gibt jedoch Szenarien, in denen der Untergrund durch Schichten mit scharfen Grenzflächen gekennzeichnet ist, die Schichten mit hohem Widerstandskontrast (z. B. bis zu mehreren Größenordnungen) voneinander trennen. Wenn Vorwissen (z. B. aus Aufschlüssen, Bohrungen oder anderen geophysikalischen Untersuchungen) auf scharfe Widerstandsvariationen hindeutet, kann es von Vorteil sein, die Parametrisierungs- und Inversionsstrategien anzupassen, um stabilere und geologisch zuverlässige Modelllösungen zu erhalten. Anpassungen traditioneller lokaler Inversionen, beispielweise durch die Verwendung verschiedener struktureller und/oder geostatistischer Bedingungen, können helfen, schärfere Modelllösungen zu erhalten. Zusätzlich kann eine schichtbasierte Modellparametrisierung in Kombination mit lokalen oder globalen Inversionsansätzen verwendet werden, um Modelle mit scharfen Grenzen zu erhalten. In dieser Arbeit habe ich drei typische geschichtete oberflächennahe Umgebungen untersucht, in denen Vorabinformationen verwendet werden, um 2D-Inversionsstrategien so anzupassen, dass geschichtete Untergrundlösungen bevorzugt werden. In Zusammenarbeit mit den Co-Autoren der Kapitel 2-4 habe ich zwei allgemeine Strategien in Betracht gezogen. Unser erster Ansatz verwendet eine schichtbasierte Modellparametrisierung und eine gut etablierte globale Inversionsstrategie. Diese Strategie erzeugt Ensembles von Modelllösungen mithilfe derer die Unsicherheiten im Zusammenhang der Nicht-Eindeutigkeit des inversen Problems bewertet werden können. Wir wenden diese Methode an, um ERT-Datensätze zu invertieren, die in einem Binnenküstengebiet in Nordfrankreich (Kapitel 2) und vor der Küste zweier arktischer Regionen (Kapitel 3) gesammelt wurden. Unser zweiter Ansatz besteht darin, geostatistische Regularisierungen mit unterschiedlichen Korrelationslängen zu verwenden. Wir wenden diese Strategie auf ein komplexeres Untergrundszenario an, das sich auf einen lokalen Schwemmfächer in einem Mittelgebirge im Südwesten Deutshclands umfasst (Kapitel 4). Insgesamt ermöglichen uns unsere Inversionsansätze, Widerstandsmodelle zu erhalten, die mit dem allgemeinen geologischen Verständnis der untersuchten Feldstandorte übereinstimmen. Diese Strategien sind allgemeingültig und können in verschiedenen geologischen Umgebungen angewandt werden, in denen eine geschichtete Struktur des Untergrunds zu erwarten ist. Zudem erlaubt es die Flexibilität unserer Strategien, dass diese an die Inversion anderer geophysikalischer Datensätze wie seismischer Refraktionsmessungen oder elektromagentischer Induktionsverfahren angepasst werden können. Außerdem könnten solche Strategien für gemeinsame Inversionsansätze in Betracht gezogen werden. KW - Near-surface geophysics KW - Electrical resistivity tomography KW - Non-uniqueness KW - Global inversion KW - Particle swarm optimization KW - Ensemble analysis KW - Oberflächennahe Geophysik KW - Tomographie des elektrischen Widerstands KW - Nicht-Einmaligkeit KW - Globale Inversion KW - Partikelschwarm-Optimierung KW - Ensemble-Analyse Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-581357 ER - TY - THES A1 - Riebold, Johannes T1 - On the linkage between future Arctic sea ice retreat, the large-scale atmospheric circulation and temperature extremes over Europe T1 - Untersuchung des Zusammenhangs zwischen zukünftigen Arktischen Meereisänderungen, der großskaligen atmosphärischen Zirkulation und Temperaturextremen über Europa N2 - Extreme weather and climate events are one of the greatest dangers for present-day society. Therefore, it is important to provide reliable statements on what changes in extreme events can be expected along with future global climate change. However, the projected overall response to future climate change is generally a result of a complex interplay between individual physical mechanisms originated within the different climate subsystems. Hence, a profound understanding of these individual contributions is required in order to provide meaningful assessments of future changes in extreme events. One aspect of climate change is the recently observed phenomenon of Arctic Amplification and the related dramatic Arctic sea ice decline, which is expected to continue over the next decades. The question to what extent Arctic sea ice loss is able to affect atmospheric dynamics and extreme events over mid-latitudes has received a lot of attention over recent years and still remains a highly debated topic. In this respect, the objective of this thesis is to contribute to a better understanding on the impact of future Arctic sea ice retreat on European temperature extremes and large-scale atmospheric dynamics. The outcomes are based on model data from the atmospheric general circulation model ECHAM6. Two different sea ice sensitivity simulations from the Polar Amplification Intercomparison Project are employed and contrasted to a present day reference experiment: one experiment with prescribed future sea ice loss over the entire Arctic, as well as another one with sea ice reductions only locally prescribed over the Barents-Kara Sea.% prescribed over the entire Arctic, as well as only locally over the Barent/Karasea with a present day reference experiment. The first part of the thesis focuses on how future Arctic sea ice reductions affect large-scale atmospheric dynamics over the Northern Hemisphere in terms of occurrence frequency changes of five preferred Euro-Atlantic circulation regimes. When compared to circulation regimes computed from ERA5 it shows that ECHAM6 is able to realistically simulate the regime structures. Both ECHAM6 sea ice sensitivity experiments exhibit similar regime frequency changes. Consistent with tendencies found in ERA5, a more frequent occurrence of a Scandinavian blocking pattern in midwinter is for instance detected under future sea ice conditions in the sensitivity experiments. Changes in occurrence frequencies of circulation regimes in summer season are however barely detected. After identifying suitable regime storylines for the occurrence of European temperature extremes in winter, the previously detected regime frequency changes are used to quantify dynamically and thermodynamically driven contributions to sea ice-induced changes in European winter temperature extremes. It is for instance shown how the preferred occurrence of a Scandinavian blocking regime under low sea ice conditions dynamically contributes to more frequent midwinter cold extreme occurrences over Central Europe. In addition, a reduced occurrence frequency of a Atlantic trough regime is linked to reduced winter warm extremes over Mid-Europe. Furthermore, it is demonstrated how the overall thermodynamical warming effect due to sea ice loss can result in less (more) frequent winter cold (warm) extremes, and consequently counteracts the dynamically induced changes. Compared to winter season, circulation regimes in summer are less suitable as storylines for the occurrence of summer heat extremes. Therefore, an approach based on circulation analogues is employed in order to quantify thermodyamically and dynamically driven contributions to sea ice-induced changes of summer heat extremes over three different European sectors. Reduced occurrences of blockings over Western Russia are detected in the ECHAM6 sea ice sensitivity experiments; however, arguing for dynamically and thermodynamically induced contributions to changes in summer heat extremes remains rather challenging. N2 - Wetter- und Klimaextreme stellen eine der größten Gefahren für die heutige Gesellschaft dar. Daher ist es essentiell verlässliche Aussagen darüber zu treffen, welche Änderungen solcher Extremereignisse im Zuge des zukünftigen globalen Klimawandels zu erwarten sind. Die projizierten Klimaänderungen, welche mit dem zukünftigen Klimawandel einhergehen, sind jedoch im Allgemeinen das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen von verschiedenen physikalischen und dynamischen Prozessen in den verschiedenen Subsystemen des Klimasystems. Daher ist ein tiefgreifendes Verständnis dieser einzelnen Prozesse erforderlich, um aussagekräftige Einschätzungen für die Zukunft abgeben zu können. Ein Aspekt des globalen Klimawandels über die letzten Dekaden ist das Phänomen der arktischen Verstärkung und der damit verbundene dramatische Rückgang des Arktischen Meereises, welcher sich voraussichtlich in den nächsten Jahrzehnten auch fortsetzen wird. Die Frage, inwieweit der Rückgang des arktischen Meereises die atmosphärische Dynamik sowie Wetter- und Klimaextreme über den mittleren Breiten beeinflussen kann, wurde in den letzten Jahren von einer Vielzahl von Studien adressiert, bleibt jedoch bis zum heutigen Tage ein kontrovers diskutiertes Thema. Aus diesem Grund zielt die vorliegende Arbeit darauf ab einen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen des zukünftigen arktischen Meereisrückgangs auf europäische Temperaturextreme, sowie auf Änderungen der relevanten großräumigen atmosphärischen Zirkulationsbedingungen zu leisten. Die Ergebnisse dieser Arbeit basieren auf Modelldaten des atmosphärischen Zirkulationsmodells ECHAM6. Zwei unterschiedliche Meereissensitivitätsexperimente aus dem Polar Amplification Intercomparison Project werden analysiert: ein Experiment mit vorgeschriebener zukünftiger Meereisreduktion über der gesamten Arktis, sowie ein Weiteres, in dem jediglich das Meereis über der Barents- und Karasee verringert wird. Beide Experimente werden einer Referenzsimulation gegenübergestellt, welche gegenwärtige Meereisbedingungen repräsentiert. Zunächst wird analysiert, inwieweit der zukünftige arktische Meereisrückgang Einfluss auf die großräumige atmosphärische Zirkulation über der nördlichen Hemisphäre hat. Dazu werden im Rahmen dieser Arbeit die Häufigkeitsänderungen von fünf bevorzugten atmosphärischen Zirkulationsregimen bestimmt. Beide Sensitivitätsexperimente zeigen diesbezüglich ähnliche Änderungen in den Auftrittswahrscheinlichkeiten der Regime. In Übereinstimmung mit Ergebnissen, welche auf der ERA5-Reanalyse basieren, zeigt sich beispielsweise ein häufigeres Auftreten eines skandinavischen Blockierungsmusters im Mittwinter unter reduzierten Meereisbedingungen. Änderungen in der Auftrittswahrscheinlichkeit verschiedener Zirkulationsregime in der Sommersaison werden hingegen kaum detektiert. Anschließend werden jene Regime identifiziert, welche mit einem häufigerem Auftreten von winterlichen Temperaturextremen über Europa in Verbindung gebracht werden können. In Kombination mit den zuvor erfassten meereisbedingten Änderungen in den Auftrittswahrscheinlichkeiten der Regime werden dann dynamisch und thermodynamisch induzierte Beiträge zu meereisbedingten Änderungen europäischer Temperaturextreme quantifiziert. Es zeigt sich beispielsweise, dass das bevorzugte Auftreten des skandinavischen Blockierungsmusters unter zukünftigen Meereisbedingungen dynamisch zu häufigeren Kälteextremereignissen im Winter über Mitteleuropa beiträgt. Darüber hinaus kann eine reduzierte Häufigkeit des Auftretens eines Regimes, welches mit einem Trog über dem westlichen Atlantik assoziiert werden kann, mit einer verringerten Anzahl von sehr warmen Wintertagen über Mitteleuropa in Verbindung gebracht werden. Es wird zudem gezeigt, wie der in den Modellsimulationen thermodynamisch induzierte Erwärmungseffekt infolge der reduzierten Meereisbedingungen zu einem häufigeren (weniger häufigeren) Auftreten von extrem warmen (kalten) Wintertagen führen kann. Dieser thermodynamische Effekt kann folglich den dynamisch induzierten Veränderungen entgegenwirken. Zirkulationsregime in der Sommersaison können nur bedingt mit einem häufigeren Auftreten von europäischen Hitzeextremen im Sommer in Verbindung gebracht werden. Aus diesem Grund wird ein zusätzlicher methodischer Ansatz verwendet, der auf der Identifikation von Zirkulationsmustern basiert, welche große Ähnlichkeit zu typischen atmosphärischen Blockierungen während vergangener Hitzewellen über verschiedenen europäischen Regionen aufweisen. Dies ermöglicht es meereisbedingte Änderungen im Auftreten von Hitzeextremen über drei verschiedene europäische Sektoren in thermodynamisch und dynamisch induzierte Beiträge zu zerlegen. In den Meereissensitivitätsexperimenten kann beispielsweise ein selteneres Auftreten von Blockierungen über Westrussland detektiert werden. Eine in sich geschlossene physikalische Argumentation bezüglich der dynamisch und thermodynamisch induzierten Beiträge zu den detektierten Änderungen in der Häufigkeit von sommerlichen Hitzeextremen stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar. Im Vergleich zu anderen Aspekten des zukünftigen Klimawandels, wie beispielsweise dem thermodynamischen Einfluss global erhöhter Meeresoberflächentemperaturen, zeigt sich, dass die meereisinduzierten Auswirkungen auf europäische Temperaturextreme wahrscheinlich von untergeordneter Bedeutung sind. Nichtsdestotrotz können die Ergebnisse dieser Arbeit zu einem besseren Verständnis gegenwärtiger und zeitnah zu erwartender Änderungen von Temperaturextremereignissen über Europa beitragen. Zusätzlich dazu bietet die vorliegende Arbeit eine nützliche und ergänzende Perspektive auf die wissenschaftliche Fragestellung, inwieweit der Arktische Klimawandel mit Änderungen in der atmosphärischen Zirkulation und Extremereignissen über den mittleren Breiten in Verbindung gebracht werden kann. Folglich trägt diese Arbeit damit dazu bei einem allgemeinen Konsens in diesem stark debattierten Forschungsgebiet einen Schritt näher zu kommen. KW - extreme events KW - Arctic sea ice KW - circulation regimes KW - atmosphere KW - climate change KW - Extremereignisse KW - arktisches Meereis KW - Zirkulationsregime KW - Klimawandel KW - Atmosphäre KW - large-scale circulation KW - großskalige Zirkulation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604883 ER - TY - THES A1 - Kaya, Mustafa T1 - Cretaceous-Paleogene evolution of the proto-Paratethys Sea in Central Asia BT - mechanisms and paleoenvironmental impacts BT - Mechanismen und paläoökologische Auswirkungen N2 - Unlike today’s prevailing terrestrial features, the geologic past of Central Asia witnessed marine environments and conditions as well. A vast, shallow sea, known as proto-Paratethys, extended across Eurasia from the Mediterranean Tethys to the Tarim Basin in western China during Cretaceous to Paleogene times. This sea formed about 160 million years ago (during Jurassic times) when the waters of the Tethys Ocean flooded into Eurasia. It drastically retreated to the west and became isolated as the Paratethys during the Late Eocene-Oligocene (ca. 34 Ma). Having well-constrained timing and paleogeography for the Cretaceous-Paleogene proto-Paratethys sea incursions in Central Asia is essential to properly understand and distinguish the controlling mechanisms and their link to Asian paleoenvironmental and paleoclimatic change. The Cretaceous-Paleogene tectonic evolution of the Pamir and Tibet and their far-field effects play a significant role on the sedimentological and structural evolution of the Central Asian basins and on the evolution of the proto-Paratethys sea fluctuations as well. Comparing the records of the sea incursions to the tectonic and eustatic events has paramount importance to reveal the controlling mechanisms behind the sea incursions. However, due to inaccuracies in the dating of rocks (mostly continental rocks and marine rocks with benthic microfossils providing low-resolution biostratigraphic constraints) and conflicting results, there has been no consensus on the timing of the sea incursions and interpretation of their records has been in question. Here, we present a new chronostratigraphic framework based on biostratigraphy and magnetostratigraphy as well as a detailed paleoenvironmental analysis for the Cretaceous and Paleogene proto-Paratethys Sea incursions in the Tajik and Tarim basins, in Central Asia. This enables us to identify the major drivers of marine fluctuations and their potential consequences on regional and global climate, particularly Asian aridification and the global carbon cycle perturbations such as the Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM). To estimate the paleogeographic evolution of the proto-Paratethys Sea, the refined age constraints and detailed paleoenvironmental interpretations are combined with successive paleogeographic maps. Regional coastlines and depositional environments during the Cretaceous-Paleogene sea advances and retreats were drawn based on the results of this thesis and integrated with existing literature to generate new paleogeographic maps. Before its final westward retreat in the Eocene, a total of six Cretaceous and Paleogene major sea incursions have been distinguished from the sedimentary records of the Tajik and Tarim basins in Central Asia. All have been studied and documented here. We identify the presence of marine conditions already in the Early Cretaceous in the western Tajik Basin, followed by the Cenomanian (ca. 100 Ma) and Santonian (ca. 86 Ma) major marine incursions far into the eastern Tajik and Tarim basins separated by a Turonian-Coniacian (ca. 92-86 Ma) regression. Basin-wide tectonic subsidence analyses imply that the Early Cretaceous invasion of the sea into the Tajik Basin is related to increased Pamir tectonism (at ca. 130 – 90 Ma) in a retro-arc basin setting inferred to be linked to collision and subduction. This tectonic event mainly governed the Cenomanian (ca. 100 Ma) sea incursion in conjunction with a coeval global eustatic high resulting in the maximum geographic extent of the sea. The following Turonian-Coniacian (ca. 92-86 Ma) major regression, driven by eustasy, coincides with a sharp slowdown in tectonic subsidence related to a regime change in Pamir tectonism from compression to extension. The Santonian (ca. 86 Ma) major sea incursion was more likely controlled dominantly by eustasy as also evidenced by the coeval fluctuations in the west Siberian Basin. During the early Maastrichtian, the global Late Cretaceous cooling is inferred from the disappearance of mollusk-rich limestones and the dominance of bryozoan-rich and echinoderm-rich limestones in the Tajik Basin documenting the first evidence for the Late Cretaceous cooling event in Central Asia. Following the last Cretaceous sea incursion, a major regional restriction event, marked by the exceptionally thick (≤ 400 m) shelf evaporites is assigned a Danian-Selandian age (ca. 63-59 Ma). This is followed by the largest recorded proto-Paratethys sea incursion with a transgression estimated as early Thanetian (ca. 59-57 Ma) and a regression within the Ypresian (ca. 53-52 Ma). The transgression of the next incursion is now constrained as early Lutetian (ca. 47-46 Ma), whereas its regression is constrained as late Lutetian (ca. 41 Ma) and is associated with a drastic increase in both tectonic subsidence and basin infilling. The age of the final and least pronounced sea incursion restricted to the westernmost margin of the Tarim Basin is assigned as Bartonian–Priabonian (ca. 39.7-36.7 Ma). We interpret the long-term westward retreat of the proto-Paratethys Sea starting at ca. 41 Ma to be associated with far-field tectonic effects of the Indo-Asia collision and Pamir/Tibetan plateau uplift. Short-term eustatic sea level transgressions are superimposed on this long-term regression and seem coeval with the transgression events in the other northern Peri-Tethyan sedimentary provinces for the 1st and 2nd Paleogene sea incursions. However, the last Paleogene sea incursion is interpreted as related to tectonism. The transgressive and regressive intervals of the proto-Paratethys Sea correlate well with the reported humid and arid phases, respectively in the Qaidam and Xining basins, thus demonstrating the role of the proto-Paratethys Sea as an important moisture source for the Asian interior and its regression as a contributor to Asian aridification. We lastly study the mechanics, relative contribution and preservation efficiency of ancient epicontinental seas as carbon sinks with new and existing data, using organic rich (sapropel) deposits dated to the PETM from the extensive epicontinental proto-Paratethys and West Siberian seas. We estimate ca. 1390±230 Gt organic C burial, a substantial amount compared to previously estimated global total excess organic C burial (ca. 1700-2900 Gt) is focused in the proto-Paratethys and West Siberian seas alone. We also speculate that enhanced organic carbon burial later over much of the proto-Paratethys (and later Paratethys) basin (during the deposition of the Kuma Formation and Maikop series, repectively) may have majorly contributed to drawdown of atmospheric carbon dioxide before and during the EOT cooling and glaciation of Antarctica. For past periods with smaller epicontinental seas, the effectiveness of this negative carbon cycle feedback was arguably diminished, and the same likely applies to the present-day. N2 - Im Gegensatz zu den heute vorherrschenden kontinentalen Bedingungen war die geologische Vergangenheit Zentralasiens auch Zeuge marin dominierter Phasen. Ein riesiges Schelfmeer, bekannt als Proto-Paratethys, erstreckte sich während der Kreidezeit bis zum Paläogen über Eurasien - von der Tethys im Mittelmeer bis zum Tarimbecken im Westen Chinas. Dieses Meer bildete sich vor etwa 160 Millionen Jahren während der Jurazeit, als das Wasser des Tethys-Ozeans nach Eurasien strömte. Es zog sich drastisch nach Westen zurück und wurde während des späten Eozän-Oligozäns (ca. 34 Ma) als Paratethys isoliert. Eine gut eingegrenzte zeitliche Einordnung und Paläogeographische Charakterisierung für die kretazisch-paläogenen proto-Paratethys-Meerestransgressionen in Zentralasien ist unerlässlich, um die Kontrollmechanismen und ihre Verbindung mit den paläoökologischen und paläoklimatischen Veränderungen in Asien richtig zu verstehen und zu unterscheiden. Die kreidezeitlich-paläogene tektonische Entwicklung des Pamir und Tibets und ihre Fernfeldeffekte spielen eine bedeutende Rolle für die Entwicklung der zentralasiatischen Becken und der proto-paläozoischen Meeresschwankungen. Aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Datierung der Gesteine und widersprüchlichen Ergebnissen gab es jedoch bislang keinen Konsens über den Zeitpunkt der Meerestransgressionen. Die Interpretation der dabei abgelagerten Sedimentfolgen wurde in Frage gestellt. Hier präsentieren wir eine neue, zeitliche Einordung auf Grundlage von Biostratigraphie und Magnetostratigraphie sowie eine detaillierte Paläoumweltanalyse für die Transgressionen des kreidezeitlichen und paläogenen proto-Paratethys-Meeres im tadschikischen und Tarimbecken in Zentralasien. Dies ermöglicht es uns, die wichtigsten Triebkräfte der marinen Fluktuationen und ihre möglichen Auswirkungen auf das regionale und globale Klima zu identifizieren - insbesondere die asiatische Aridifizierung und die Störungen des globalen Kohlenstoffkreislaufs etwa während des paläozän-eozänen thermischen Maximums (PETM). Beckenweite tektonische Senkungsanalysen deuten darauf hin, dass die frühkretazische Transgressionsphase im Tadschikischen Becken mit einer Intensivierung der Kollisionstektonik im Pamir (zwischen ca. 130 und 90 Ma) und der damit verbundenen Bildung eines Retro-Arc-Beckens in Zusammenhang stehen. Die globale Abkühlung der Spätkreide wird aus dem Verschwinden von molluskenreichen Kalksteinen und der Dominanz von bryozoen- und echinodermenreichen Kalksteinen im Tadschikischen Becken abgeleitet. Dies liefert den ersten Nachweis für das Abkühlungsereignis der Spätkreide in Zentralasien. Wir interpretieren die langfristige paläogene Regression des Proto-Paratethys-Meeres Richtung Westen ab ca. 41 Ma mit den tektonischen Fernfeldeffekten der indo-asiatischen Kollision und der Hebung des Pamir/Tibetischen Plateaus. Die transgressiven und regressiven Intervalle der proto-Paratethys-See korrelieren gut mit den bekannten feuchten und ariden Phasen im Qaidam- bzw. Xining-Becken, was die Rolle der proto-Paratethys-See als wichtige Feuchtigkeitsquelle für das asiatische Binnenland und ihren Rückzug als Mitverursacher der asiatischen Aridifizierung verdeutlicht. Schließlich untersuchen wir die Wirkungsfaktoren, den relativen Beitrag und die Erhaltungseffizienz alter epikontinentaler Meere als Kohlenstoffsenken mit neuen und bestehenden Daten. Dabei verwenden wir organik-reiche Ablagerungen aus den ausgedehnten epikontinentalen Proto-Paratethys- und westsibirischen Meeren, die auf das PETM datiert sind. Wir schätzen eine Einlagerung von ca. 1390±230 Gt organischer Kohlenstoffverbindungen. Das stellt eine beachtliche Menge, verglichen mit der zuvor geschätzten globalen Gesamtmenge an überschüssiger organischer Kohlenstoffeinlagerung (ca. 1700-2900 Gt) dar, welche sich allein auf die Proto-Paratethys und die westsibirischen Meere konzentriert. Für vergangene und zukünftige Perioden mit kleineren epikontinentalen Meeren würde die Wirksamkeit dieser negativen Rückkopplung des Kohlenstoffkreislaufs wohl abnehmen. T2 - Kreidezeit - Paläogene Entwicklung des Proto-Paratethys-Meeres in Zentralasien KW - Geology KW - Paleoclimatology KW - Sedimentology KW - Stratigraphy KW - Paleogeography KW - Geologie KW - Paläoklimatologie KW - Sedimentologie KW - Stratigraphie KW - Paläogeographie Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483295 ER - TY - THES A1 - Meijer, Niels T1 - Asian dust, monsoons and westerlies during the Eocene N2 - The East Asian monsoons characterize the modern-day Asian climate, yet their geological history and driving mechanisms remain controversial. The southeasterly summer monsoon provides moisture, whereas the northwesterly winter monsoon sweeps up dust from the arid Asian interior to form the Chinese Loess Plateau. The onset of this loess accumulation, and therefore of the monsoons, was thought to be 8 million years ago (Ma). However, in recent years these loess records have been extended further back in time to the Eocene (56-34 Ma), a period characterized by significant changes in both the regional geography and global climate. Yet the extent to which these reconfigurations drive atmospheric circulation and whether the loess-like deposits are monsoonal remains debated. In this thesis, I study the terrestrial deposits of the Xining Basin previously identified as Eocene loess, to derive the paleoenvironmental evolution of the region and identify the geological processes that have shaped the Asian climate. I review dust deposits in the geological record and conclude that these are commonly represented by a mix of both windblown and water-laid sediments, in contrast to the pure windblown material known as loess. Yet by using a combination of quartz surface morphologies, provenance characteristics and distinguishing grain-size distributions, windblown dust can be identified and quantified in a variety of settings. This has important implications for tracking aridification and dust-fluxes throughout the geological record. Past reversals of Earth’s magnetic field are recorded in the deposits of the Xining Basin and I use these together with a dated volcanic ash layer to accurately constrain the age to the Eocene period. A combination of pollen assemblages, low dust abundances and other geochemical data indicates that the early Eocene was relatively humid suggesting an intensified summer monsoon due to the warmer greenhouse climate at this time. A subsequent shift from predominantly freshwater to salt lakes reflects a long-term aridification trend possibly driven by global cooling and the continuous uplift of the Tibetan Plateau. Superimposed on this aridification are wetter intervals reflected in more abundant lake deposits which correlate with highstands of the inland proto-Paratethys Sea. This sea covered the Eurasian continent and thereby provided additional moisture to the winter-time westerlies during the middle to late Eocene. The long-term aridification culminated in an abrupt shift at 40 Ma reflected by the onset of windblown dust, an increase in steppe-desert pollen, the occurrence of high-latitude orbital cycles and northwesterly winds identified in deflated salt deposits. Together, these indicate the onset of a Siberian high atmospheric pressure system driving the East Asian winter monsoon as well as dust storms and was triggered by a major sea retreat from the Asian interior. These results therefore show that the proto-Paratethys Sea, though less well recognized than the Tibetan Plateau and global climate, has been a major driver in setting up the modern-day climate in Asia. N2 - Die ostasiatischen Monsune prägen das heutige asiatische Klima, doch ihr geologischer Ursprung und ihre Antriebsmechanismen sind nach wie vor umstritten. Der südöstliche Sommermonsun bringt Feuchtigkeit, während der nordwestliche Wintermonsun Staub aus dem trockenen asiatischen Inland aufwirbelt und das chinesische Lössplateau bildet. Der Ursprung dieses Lösses und damit des Monsuns wurde vor 8 Millionen Jahren vermutet (Ma). In den letzten Jahren sind diese Lößablagerungen jedoch weiter in das Eozän (56-34 Ma) zurückverlegt worden, einer Periode, die durch bedeutende Änderungen sowohl in der regionalen Geographie als auch im globalen Klima gekennzeichnet ist. Inwieweit diese Rekonfigurationen die atmosphärische Zirkulation antrieben und ob es sich bei den lößartigen Sedimenten um monsunartige Ablagerungen handelt, bleibt jedoch umstritten. In dieser Dissertation untersuche ich die terrestrischen Ablagerungen des Xining-Beckens, die zuvor als Löss aus dem Eozän identifiziert wurden, um die paläo-umweltbedingte Entwicklung der Region abzuleiten und die geologischen Prozesse zu identifizieren, die das asiatische Klima geprägt haben. Ich überprüfe die Staubablagerungen im geologischen Archiv und komme zu dem Schluss, dass diese durch eine Mischung aus windgetriebenen und wassergelagerten Sedimenten dargestellt werden, im Gegensatz zu dem rein windgetriebenen Material, das als Löß bekannt ist. Doch durch die Verwendung einer Kombination der oberflächenmorphologien von Quartz, Herkunftsmerkmalen und unterscheidenden Korngrößenverteilungen kann windgetriebener Staub in einer Vielzahl von Umgebungen identifiziert und quantifiziert werden. Dies hat wichtige Auswirkungen auf die Nachverfolgung der Aridifizierung und der Staubflüsse in dem gesamten geologischen Archiv. Frühere Umkehrungen des Erdmagnetfeldes werden in den Ablagerungen des Xining-Beckens aufgezeichnet und ich verwende diese zusammen mit einer datierten vulkanischen Ascheschicht, um das Alter genau auf die Eozän-Periode einzugrenzen. Eine Kombination aus Pollenansammlungen, geringen Staubhäufigkeiten und anderen geochemischen Daten deutet darauf hin, dass das frühe Eozän relativ feucht war, was auf einen verstärkten Sommermonsun aufgrund des wärmeren Treibhausklimas zu dieser Zeit hinweist. Eine anschließende Verschiebung von überwiegend Süßwasser zu Salzseen spiegelt einen langfristigen Aridifizierungstrend wider, der möglicherweise durch die globale Abkühlung und die kontinuierliche Hebung des Tibetischen Plateaus angetrieben wurde. Überlagert wird diese Aridifizierung von feuchteren Intervallen, die durch eine Zunahme in Seeablagerungen gekennzeichnet werden und mit den Hochständen des inländischen proto-Paratethys-Meeres korrelieren. Dieses Meer bedeckte den eurasischen Kontinent und versorgte dadurch die winterlichen Westwinde mit zusätzlicher Feuchtigkeit im mittleren bis späten Eozän. T2 - Asiatischer Staub, Monsune und Westwind während des Eozäns KW - Paleoclimatology KW - Asia KW - Eocene KW - Stratigraphy KW - Asien KW - Stratigrafie KW - Monsoon KW - Monsun KW - Paläoklimatologie KW - Eozän Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-488687 ER - TY - THES A1 - Reese, Ronja T1 - The far reach of ice-shelf thinning in Antarctica Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Rasche, Daniel T1 - Cosmic-ray neutron sensing for the estimation of soil moisture T1 - Cosmic-Ray Neutron Sensing zur Messung der Bodenfeuchte BT - from the atmosphere to the near-surface and to larger depths N2 - Water stored in the unsaturated soil as soil moisture is a key component of the hydrological cycle influencing numerous hydrological processes including hydrometeorological extremes. Soil moisture influences flood generation processes and during droughts when precipitation is absent, it provides plant with transpirable water, thereby sustaining plant growth and survival in agriculture and natural ecosystems. Soil moisture stored in deeper soil layers e.g. below 100 cm is of particular importance for providing plant transpirable water during dry periods. Not being directly connected to the atmosphere and located outside soil layers with the highest root densities, water in these layers is less susceptible to be rapidly evaporated and transpired. Instead, it provides longer-term soil water storage increasing the drought tolerance of plants and ecosystems. Given the importance of soil moisture in the context of hydro-meteorological extremes in a warming climate, its monitoring is part of official national adaption strategies to a changing climate. Yet, soil moisture is highly variable in time and space which challenges its monitoring on spatio-temporal scales relevant for flood and drought risk modelling and forecasting. Introduced over a decade ago, Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) is a noninvasive geophysical method that allows for the estimation of soil moisture at relevant spatio-temporal scales of several hectares at a high, subdaily temporal resolution. CRNS relies on the detection of secondary neutrons above the soil surface which are produced from high-energy cosmic-ray particles in the atmosphere and the ground. Neutrons in a specific epithermal energy range are sensitive to the amount of hydrogen present in the surroundings of the CRNS neutron detector. Due to same mass as the hydrogen nucleus, neutrons lose kinetic energy upon collision and are subsequently absorbed when reaching low, thermal energies. A higher amount of hydrogen therefore leads to fewer neutrons being detected per unit time. Assuming that the largest amount of hydrogen is stored in most terrestrial ecosystems as soil moisture, changes of soil moisture can be estimated through an inverse relationship with observed neutron intensities. Although important scientific advancements have been made to improve the methodological framework of CRNS, several open challenges remain, of which some are addressed in the scope of this thesis. These include the influence of atmospheric variables such as air pressure and absolute air humidity, as well as, the impact of variations in incoming primary cosmic-ray intensity on observed epithermal and thermal neutron signals and their correction. Recently introduced advanced neutron-to-soil moisture transfer functions are expected to improve CRNS-derived soil moisture estimates, but potential improvements need to be investigated at study sites with differing environmental conditions. Sites with strongly heterogeneous, patchy soil moisture distributions challenge existing transfer functions and further research is required to assess the impact of, and correction of derived soil moisture estimates under heterogeneous site conditions. Despite its capability of measuring representative averages of soil moisture at the field scale, CRNS lacks an integration depth below the first few decimetres of the soil. Given the importance of soil moisture also in deeper soil layers, increasing the observational window of CRNS through modelling approaches or in situ measurements is of high importance for hydrological monitoring applications. By addressing these challenges, this thesis aids to closing knowledge gaps and finding answers to some of the open questions in CRNS research. Influences of different environmental variables are quantified, correction approaches are being tested and developed. Neutron-to-soil moisture transfer functions are evaluated and approaches to reduce effects of heterogeneous soil moisture distributions are presented. Lastly, soil moisture estimates from larger soil depths are derived from CRNS through modified, simple modelling approaches and in situ estimates by using CRNS as a downhole technique. Thereby, this thesis does not only illustrate the potential of new, yet undiscovered applications of CRNS in future but also opens a new field of CRNS research. Consequently, this thesis advances the methodological framework of CRNS for above-ground and downhole applications. Although the necessity of further research in order to fully exploit the potential of CRNS needs to be emphasised, this thesis contributes to current hydrological research and not least to advancing hydrological monitoring approaches being of utmost importance in context of intensifying hydro-meteorological extremes in a changing climate. N2 - Wasser, das als Bodenfeuchte in der ungesättigten Bodenzone gespeichert ist, beeinflusst zahlreiche hydrologische Prozesse. Sie ist von großer Bedeutung für hydrometeorologische Extremereignisse, da sie sowohl die Prozesse zur Entstehung von Hochwassereignissen beeinflusst als auch pflanzenverfügbares Wasser in Dürreperioden bereitstellt, in denen Regen ausbleibt. Vor allem Bodenfeuchte in tieferen Schichten des Bodens wird zum Beispiel durch die geringere Dichte an Pflanzenwurzeln langsamer aufgenommen und reduziert. Die Bodenfeuchte in diesen tieferen Schichten kann daher vor allem in Trockenperioden zum Überleben der Pflanzen in landwirtschaftlichen Gebieten und natürlichen Ökosystemen beitragen. Im Kontext hydro-meteorologischer Extremereignisse kommt der Bodenfeuchte so eine besondere Bedeutung zu und ist daher Teil nationaler Monitoring- und Anpassungsstrategien an sich verändernde Klimabedingungen. Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) ist ein geophysikalisches Messverfahren, das natürlich vorkommende Neutronen aus kosmischer Strahlung zur Bodenfeuchtebestimmung nutzt. Die Intensität der über dem Boden gemessenen Neutronen ist dabei abhängig von der Menge anWasserstoff in der Umgebung des Neutronendetektors. Da in den meisten Bereichen an Land die Bodenfeuchte den größten Teil des Wasserstoffs ausmacht, lassen Veränderungen in der gemessenen Neutronenintensität auf veränderte Bodenfeuchtebedingungen schließen. Ein Vorteil dieser nichtinvasiven Methode ist ihr großer Messbereich von mehreren Hektar. Die, selbst über kurze Distanzen und Zeiträume auftretenden, Unterschiede werden somit repräsentativ gemittelt und gemessene Bodenfeuchtewerte können so besser für Vorhersagemodelle von Hochwasser- und Dürreereignissen genutzt werden. Trotz des Potentials von CRNS für das Monitoring von Bodenfeuchte bleiben zahlreiche offene Forschungsfragen, von denen einige im Rahmen dieser Arbeit betrachtet werden. Hierzu zählt die Bestimmung und Korrektur von Einflussgrößen, die das Neutronensignal zusätzlich zur Bodenfeuchte beeinflussen. Ebenso gehört die Ableitung von Bodenfeuchte aus dem Neutronensignal selbst sowie der Umgang mit stark unterschiedlichen Bodenfeuchtebedingungen im Messbereich dazu. Obwohl CRNS einen großen horizontalen Messbereich besitzt, ist die Messtiefe auf die oberen ca. 30 cm des Bodens begrenzt. Hierzu werden Ansätze untersucht, die Bodenfeuchte mathematisch in größere Tiefen zu extrapolieren und sie direkt dort zu messen, indem Neutronendetektoren in Bohrlöchern installiert werden. Mit der Betrachtung der Forschungsfragen kann diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von CRNS und der Anwendbarkeit der Methode z.B. im Rahmen nationaler Monitoring-Programme leisten, denen im Kontext zunehmend intensiverer hydro-meteorologischer Extremereignisse eine besondere Bedeutung zukommt. KW - cosmic-ray neutron sensing KW - soil moisture KW - Cosmic-Ray Neutron Sensing KW - Bodenfeuchte KW - soil hydrology KW - geophysics KW - Bodenhydrologie KW - Geophysik Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636465 ER - TY - THES A1 - Pfalz, Gregor T1 - Advancing knowledge of Arctic lake system dynamics: A data-driven perspective on spatiotemporal patterns T1 - Fortschritte im Verständnis der Dynamik arktischer Seesysteme: Eine datengetriebene Perspektive auf raumzeitliche Muster N2 - Ecosystems play a pivotal role in addressing climate change but are also highly susceptible to drastic environmental changes. Investigating their historical dynamics can enhance our understanding of how they might respond to unprecedented future environmental shifts. With Arctic lakes currently under substantial pressure from climate change, lessons from the past can guide our understanding of potential disruptions to these lakes. However, individual lake systems are multifaceted and complex. Traditional isolated lake studies often fail to provide a global perspective because localized nuances—like individual lake parameters, catchment areas, and lake histories—can overshadow broader conclusions. In light of these complexities, a more nuanced approach is essential to analyze lake systems in a global context. A key to addressing this challenge lies in the data-driven analysis of sedimentological records from various northern lake systems. This dissertation emphasizes lake systems in the northern Eurasian region, particularly in Russia (n=59). For this doctoral thesis, we collected sedimentological data from various sources, which required a standardized framework for further analysis. Therefore, we designed a conceptual model for integrating and standardizing heterogeneous multi-proxy data into a relational database management system (PostgreSQL). Creating a database from the collected data enabled comparative numerical analyses between spatially separated lakes as well as between different proxies. When analyzing numerous lakes, establishing a common frame of reference was crucial. We achieved this by converting proxy values from depth dependency to age dependency. This required consistent age calculations across all lakes and proxies using one age-depth modeling software. Recognizing the broader implications and potential pitfalls of this, we developed the LANDO approach ("Linked Age and Depth Modelling"). LANDO is an innovative integration of multiple age-depth modeling software into a singular, cohesive platform (Jupyter Notebook). Beyond its ability to aggregate data from five renowned age-depth modeling software, LANDO uniquely empowers users to filter out implausible model outcomes using robust geoscientific data. Our method is not only novel but also significantly enhances the accuracy and reliability of lake analyses. Considering the preceding steps, this doctoral thesis further examines the relationship between carbon in sediments and temperature over the last 21,000 years. Initially, we hypothesized a positive correlation between carbon accumulation in lakes and modelled paleotemperature. Our homogenized dataset from heterogeneous lakes confirmed this association, even if the highest temperatures throughout our observation period do not correlate with the highest carbon values. We assume that rapid warming events contribute more to high accumulation, while sustained warming leads to carbon outgassing. Considering the current high concentration of carbon in the atmosphere and rising temperatures, ongoing climate change could cause northern lake systems to contribute to a further increase in atmospheric carbon (positive feedback loop). While our findings underscore the reliability of both our standardized data and the LANDO method, expanding our dataset might offer even greater assurance in our conclusions. N2 - Ökosysteme spielen eine zentrale Rolle bei der Bewältigung des Klimawandels, gelten jedoch auch als äußerst anfällig für drastische Umweltveränderungen. Die Erforschung ihrer historischen Dynamiken kann unser Verständnis darüber verbessern, wie sich zukünftige Veränderungen angesichts beispielloser Umweltveränderungen auf sie auswirken können. Angesichts des enormen Stresses, dem arktische Seen durch den Klimawandel ausgesetzt sind, können konkrete Fälle aus der Vergangenheit helfen, mögliche Schwankungen im Ökosystem des Sees besser zu verstehen und zu deuten. Einzelne Seesysteme unterliegen jedoch einer inhärenten Komplexität und vielschichtigen Beschaffenheit. Klassische Einzelanalysen von Seen liefern oft keine globale Perspektive, da lokale Besonderheiten – wie individuelle Seeparameter, Einzugsgebiete und Seehistorien – allgemeinere Schlussfolgerungen überlagern können. Eine differenzierte Herangehensweise ist hierbei erforderlich, um Seesysteme im globalen Kontext angemessen zu analysieren. Ein Schlüssel zur Bewältigung dieser Herausforderung ist die datenwissenschaftliche Analyse von sedimentologischen Daten aus mehreren nördlichen Seesystemen. Diese Dissertation fokussiert sich dabei auf das Gebiet des nördlichen Eurasiens mit einem besonderen Fokus auf Seesystem in Russland (n=59). Die gesammelten sedimentologischen Daten für diese Doktorarbeit mussten hierfür zunächst standardisiert und homogenisiert werden. Hierfür wurde ein konzeptuelles Modell für die Integration und Standardisierung von heterogenen Multi-Proxy-Daten in ein relationales Datenbankverwaltungssystem (PostgreSQL) entworfen. Die Erstellung einer Datenbank aus der gesammelten Datenkollektion ermöglichte die numerische, vergleichende Analyse zwischen räumlich getrennten Seen als auch zwischen verschiedenen Proxys. Eine Analyse von mehreren Seen erforderte zudem eine gemeinsame Analyseebene, welche wir durch die Umwandlung von einer Tiefenabhängigkeit zu Altersabhängigkeit der Proxywerte erreichten. Diese bedurfte aber, dass die zugehörigen Alter von Proxywerte von allen Seen mit demselben Verfahren einer Alterstiefenmodellsoftware berechnet werden müssen. Angesichts der weitreichenden Implikationen und potenziellen Fallstricke entwickelten wir den LANDO-Ansatz („Linked Age and Depth Modelling“). LANDO stellt eine innovative Integration mehrerer Alters-Tiefen-Modellierungssoftware in eine einheitliche, kohärente Plattform (Jupyter Notebook) dar. Neben seiner Fähigkeit, Daten von fünf renommierten Alters-Tiefen-Modellierungssoftware zu aggregieren, ermöglicht LANDO es den Nutzern auf einzigartige Weise, unbegründete Modellergebnisse anhand robuster geowissenschaftlicher Daten herauszufiltern. Unsere Methode ist nicht nur neuartig, sondern steigert auch signifikant die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Seeanalysen. Schlussendlich unter Berücksichtigung der vorangegangenen Schritte betrachtet die Doktorarbeit den Zusammenhang zwischen Kohlenstoff in Sedimenten und Temperatur über die letzten 21 000 Jahre. Zunächst nehmen wir an, dass es eine positive Korrelation zwischen Kohlenstoffakkumulation in Seen und modellierter Paläo-Temperatur gibt. Diese kann dank des homogenisierten Datensatzes von heterogenen Seen bestätigt werden, wenn auch die höchsten Temperaturen über unseren Betrachtungszeitraum nicht korrelieren mit den höchsten Kohlenstoffwerten. Wir gehen davon aus, dass schnelle Erwärmungsereignisse eher zu einer hohen Akkumulation beitragen, während bestehende Erwärmung eher zu einer Ausgasung von Kohlenstoff führt. In Anbetracht der aktuellen hohen Konzentration von Kohlenstoff in der Atmosphäre und der steigenden Temperaturen, können bei einem weiterführenden Klimawandel nördliche Seesysteme zu einem weiteren Anstieg von atmosphärischem Kohlenstoff führen (positive Feedbackschleife). Obwohl die bemerkenswerten Ergebnisse zeigen, dass unser Ansatz aus standardisierten Daten und LANDO zuverlässig ist, könnte eine größere Datenmenge das Vertrauen in die Ergebnisse noch weiter stärken. KW - Arcitc KW - lake systems KW - paleotemperature KW - carbon KW - climate data science KW - Paläolimnologie KW - Eurasien KW - Paläoklimatologie KW - Seesedimente KW - Klimadatenwissenschaften KW - Kohlenstoff Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636554 ER -