Doris Düthmann

• 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 precipitationWater 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.…
• 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.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.…