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Im Februar und März 2007 wurde vom Geographischen Institut der Universität eine Exkursion nach Neuseeland durchgeführt. Der hier vorliegende Bericht bezieht sich auf diese Exkursion. Im ersten Teil wird durch 17 Protokolle der Exkursionsverlauf wiedergegeben. Im zweiten Teil befassen sich sechs Texte näher mit je einem thematischen Aspekt der Exkursion. Autoren der Protokolle und der thematischen Texte sind die Teilnehmerinnen und Teilnehmer der Exkursion. Zum ersten Teil des Berichts – der Exkursionsverlauf Im ersten Teil dieses Berichtes wird der Verlauf der Exkursion Neuseeland 2007 des Geographischen Instituts der Universität Potsdam durch Tagesprotokolle dargestellt. Die Exkursion begann am 14. Februar 2007 in Auckland und endete am 4. März 2007 in Christchurch. Während dieser 19 Tage wurden verschiedene Orte auf der neuseeländischen Nord- und Südinsel aufgesucht, wobei die Exkursionsgruppe verschiedene Aspekte der neuseeländischen Gesellschaft aus einer humangeographischen Perspektive studierte. Im Mittelpunkt standen die Themen historische und jüngere Migration nach Neuseeland, Maori, Milchwirtschaft, Holzwirtschaft und Tourismus in Neuseeland. Die Tagesprotokolle machen deutlich, dass die Exkursion weniger in einer thematisch-systematischen Art und Weise durchgeführt wurde. Statt dessen erfolgte das Aufsuchen exemplarischer Orte, an denen Beobachtungen und darüber hinausgehende Erkundungen stattfanden. Die entsprechenden Aussagen sind in den Protokollen wiedergegeben, schwerpunktmäßig wird dabei folgendes angesprochen: Der erste Exkursionstag, das war der 14. Februar 2007, wurde für den Besuch des Geographischen Institutes der Auckland University genutzt. Dort wurde zum Beispiel eine Diskussionsrunde mit den beiden Humangeographen Richard Le Heron und Gordon Winder veranstaltet. Auch die folgenden zwei Tage verbrachten die Exkursionsgruppe in Auckland, wobei sie sich im »Auckland Museum« über die neuseeländische Geschichte und insbesondere über die Kultur der Maori informierte. Mit einem Maori-Guide unternahmen die Teilnehmer eine Stadtführung durch Auckland, wobei ebenfalls das Leben der Maori im Fokus stand. Außerdem besuchten sie eine private Einwanderungsagentur und führten in Kleingruppen Expertengespräche zum Thema »Migration und Integration in Neuseeland« durch. Am 17. Februar erkundeten die Exkursionsteilnehmer drei Orte in der näheren Umgebung Aucklands. Zunächst begaben sie sich zum Otara Market, einem Wochenmarkt der Pacific Islanders, der immer samstags in Otara abgehalten wird. Anschließend ging es weiter an die westliche Küste, wo sie unter Führung einer Rangerin durch den Muriwai-Regionalpark wanderten. Auf der Rückfahrt nach Auckland machten sie Halt in Soljan’s Winzerei, wo der Betrieb vorgestellt wurde und Wein verkosten werden konnte. Am 18. Februar verließ die Exkursionsgruppe Auckland in Richtung Norden, um zum Ort Puhoi zu gelangen. Dort beschäftigten sich die Teilnehmer mit den sogenannten Bohemians, die einst aus Böhmen nach Neuseeland auswanderten und deren Traditionen dort auch heute noch (zumindest teilweise) gepflegt werden. Am nächsten Tag fuhren sie weiter nach Pahia, dem nördlichsten Aufenthaltsort während der Exkursion. Auf dem Weg dorthin machten sie einen Umweg über Matakohe, wo das Kauri-Museum und der Tane Mahuta, der größte Kauribaum Neuseelands, besichtigt wurden. Am 20. Februar stand vormittags die Beschäftigung mit der Geschichte Neuseelands auf dem Tagesplan. Hierfür besuchte die Exkursionsgruppe die Waitangi Treaty Grounds. Dort informierten sich die Teilnehmer über den Vertrag von Waitangi und darüber, welche Folgen dieser für das Leben der Maori hatte. Am Nachmittag stand das Thema Tourismus im Mittelpunkt. Die Exkursionsteilnehmer machten sich mit einem Teil des touristischen Angebots vertraut, indem sie eine Bootstour durch die Bay of Islands unternahmen. Am 21. Februar fuhr die Gruppe in die Hamilton-Region, wo sie sich auch die folgenden zwei Tage aufhielt. Auf dem Weg dorthin wurde ein Zwischenstopp in Kawakawa und an den Whangarei Falls eingelegt. In Hamilton war die Exkursionsgruppe Gast im Geographischen Institut der Waikato University und im Waikato Migrant Resource Centre. Außerdem stand das Thema Milchwirtschaft auf dem Programm. Hierfür besichtigten die Teilnehmer das Unternehmen AmBreed, welches die Grundlage für die Aufzucht von Hochleistungsmilchkühen bereitstellt – nämlich das Bullensperma. Außerdem konnten sie sich über die Organisation und Probleme einer Milchfarm informieren. Darüber hinaus gestalteten in der Waikato-Region wohnende Nachfahren der böhmischen Einwanderer ein Abendprogramm für die Exkursionsgruppe. Den 24. Februar verbrachten die Teilnehmer im Gebiet von Rotorua. Dort durchkreuzten sie das Thermal Wonderland, in dem heiße Quellen und Geysire sowie die dadurch geschaffenen Oberflächengegebenheiten studiert werden können. Die heißen Quellen werden hier auch zur Energiegewinnung herangezogen, wovon sich die Exkursionsteilnehmer bei einer Besichtigung der Geothermal Power Station of Warakei überzeugen konnten. Auf der Fahrt zum Tongariro Nationalpark bewunderten sie die Huka Falls und machten Halt am Lake Taupo, dem größten See Neuseelands. Im Nationalpark unternahmen sie am 26. Februar eine Wanderung. Tags darauf fuhren sie weiter über Marton nach Wellington, der Hauptstadt Neuseelands. Dort war nachmittags sowie am 28. Februar Gelegenheit, die Stadt zu erkunden, unter anderem auf einer Stadtführung mit Prof. Bredlich. Daneben erfuhr man bei einem Besuch des neuseeländischen Nationalmuseums Te Papa viel Wissenswertes über Gesellschaft und Geschichte Neuseelands. Am 1. März überquerten sie mit der Fähre die Cookstraße, um zur Südinsel zu gelangen. Den Nachmittag dieses Tages verbrachte die Exkursionsgruppe in Upper Moutere, wo sie sich mit der Einwanderung Deutscher in der Region Nelson befasste Am Tag darauf fuhren die Teilnehmer zur Westküste und beschäftigten sich mit den Landschaftsformen der Südalpen und der Küste sowie mit der Frage, welche wirtschaftliche Rolle diese Region einst spielte und welche sie heute einnimmt. Am 3. März überquerten sie die Südalpen über den Athur’s Pass und kamen am Nachmittag in Christchurch an. Am nächsten Tag erlebten sie eine Besichtigungstour durch die größte Stadt der Südinsel unter Leitung von Prof. Parson vom Institut für Geographie der Universität von Canterbury. Dabei standen insbesondere Fragen des städtischen Wandels im Mittelpunkt, welcher mit den ökonomischen Reformen seit Ende der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts einherging. Damit endete am 4. März die Exkursion in Christchurch. Zum zweiten Teil des Berichts – die thematischen Texte Neben dem Gewinn eines ersten Eindrucks vor Ort bietet eine Exkursion als Form der Erkundung eines Landes durchaus auch die Gelegenheit, kritisch über gesellschaftliche Vorgänge zu reflektieren. Über solche Reflexionen geben die Darstellungen im zweiten Teil dieses Exkursionsberichtes Aufschluss. Das Spektrum der in den Texten aufgegriffenen Themen reicht dabei von physisch-geographischen Gegebenheiten, über Land- und Forstwirtschaft, die Maori bis zu bevölkerungsgeographischen Fragestellungen zur Migration und Integration in Neuseeland. Dem zu Grunde liegt ein – in der Geographie lange verwurzeltes – holistisches Verständnis der Disziplin. In den Berichten findet die zentrale Debatte in der Geographie um die Bedeutung und das Zusammenspiel von globalen, regionsunabhängigen und lokalen, regionsspezifischen Faktoren (»Glokalisierung«) an vielen Stellen ihren Ausdruck. Da während der Exkursion Einblick in verschiedenste Bereiche des Lebens in Neuseeland gewonnen werden konnten, ist es im thematischen zweiten Teil des Berichts vorrangiges Ziel, einen guten Überblick über Neuseeland und seine Bevölkerung zu geben. Dabei überwiegt ein beschreibender Charakter der Texte, gleichzeitig sollen aber auch zentrale Veränderungen und Herausforderungen für die neuseeländische Gesellschaft angesprochen, Erklärungsansätze gegeben und Lösungsstrategien aufgewiesen werden. Im Einzelnen ist der thematische Teil folgendermaßen aufgebaut: Zu Beginn widmet sich Anja Lehmann den Maori und beleuchtet Geschichte, Kultur und heutige Situation der indigenen Bevölkerung Neuseelands. Anschließend gehen Katharina Popig und Manuel Hundt in ihrem Text auf die frühe europäische Einwanderung nach Neuseeland, insbesondere auf die Rolle der deutschen bzw. böhmischen Einwanderer, ein. Im darauf folgenden Text zeigt Manuel Hundt die sich verändernden Muster in der jüngeren Migration auf und beleuchtet Fragen der Integration in Neuseeland, wobei insbesondere auf die Rolle der Pacific Islanders eingegangen wird. Dann folgt der Text von Lilli Maier. Sie beschäftigt sich mit Fragen des Tourismus und schildert die Gestalt des Fremdenverkehrs und seine Bedeutung für die neuseeländische Wirtschaft. Natalia Kiselgof gibt einen Überblick sowohl über physisch-geographische Aspekte und den Naturraum Neuseelands als auch über die Struktur der neuseeländischen Landwirtschaft, bevor Sören Sturm die Forstwirtschaft Neuseelands einer kritischen Analyse unterzieht.
Seit dem Zusammenbruch der Sowjetunion kamen in diesem Raum neue Migrationsprozesse wie die Arbeitsmigration zwischen den südlichen GUS-Republiken und Russland, aber auch grenzüberschreitende Bevölkerungsbewegungen ethnischer Gruppen in ihre „historischen Herkunftsgebiete“ auf. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten, dynamischen Wanderungsprozesse von Kasachen zwischen der Mongolei und Kasachstan weisen Kennzeichen dieses Migrationstypus, aber auch einige Besonderheiten auf. Die vorliegende Arbeit hat längere Forschungsaufenthalte in Kasachstan und der Mongolei von 2006 bis 2009 zur Grundlage. Aus der Mongolei stammende kasachische Migranten im Umland von Almaty und Kasachen im westlichsten aymag der Mongolei, Bayan-Ölgiy, wurden mittels quantitativer und qualitativer Methoden empirischer Sozialforschung befragt. Ergänzend wurden in beiden Staaten Befragungen von Experten aus gesellschaftlichen, wissenschaftlichen und politischen Institutionen durchgeführt, um eine möglichst ausgeglichene Sicht auf die postsowjetischen Migrations- und Inkorporationsprozesse zwischen beiden Staaten sicherzustellen. Zwischen den Migranten in Kasachstan und ihren – noch bzw. wieder – in der Mongolei lebenden Verwandten haben sich in den letzten Jahrzehnten enge soziale Netzwerke entwickelt. Die Aufrechterhaltung der Bindungen wird durch eine Verbesserung der Transport- und Kommunikationsmöglichkeiten zwischen beiden Staaten gefördert. Zirkuläre Migrationsmuster, regelmäßige Besuche und Telefongespräche sowie grenzüberschreitende sozioökonomische Unterstützungsmechanismen haben sich insbesondere in den vergangenen Jahren intensiviert. Diese Interaktionen sind im Kontext der rechtlichen, politischen und wirtschaftlichen Bedingungen im Migrationssystem Mongolei-Kasachstan – und insbesondere in Wechselwirkung mit der staat¬lichen Migrations- und Inkorpora-tionspolitik – einzuordnen. Die Erkenntnisse der vorliegenden Untersuchung lassen sich in aller Kürze so zusammenfassen: (I) Die in sozialen Netzwerken organisierten Interaktionen der Kasachen aus der Mongolei weisen Merkmale von, aber auch Unterschiede zu Konzepten des Transnationalismus-Ansatzes auf. (II) Die sozialen Bindungen zwischen Verwandten generieren Sozialkapital und tragen zur alltäglichen Unterstützung bei. (III) Die lokalen und grenzüberschreitenden Aktivitäten der Migranten sind als Strategien der sozioökonomischen Eingliederung zu deuten. (IV) Ein wesentlicher Teil der aus der Mongolei stammenden Kasachen artikuliert von der Mehrheitsbevölkerung abweichende, hybride Identifikationsmuster, die die politischen Eliten in Kasachstan bisher zu wenig wahrnehmen.
Vor dem Hintergrund der Auffassung, dass ethnische Minderheiten eine Form so-zialer Organisation darstellen, verfolgt die Studie – unter Berücksichtigung der Mehr-deutigkeit des Raumbegriffs – das Ziel, anhand von Beispielen aus Rumänien ein Konzept zu entwickeln, mit dem sich die aktuelle Beziehung von Ethnizität und Raum im Transformationsprozess adäquat analysieren und beschreiben lässt.
Precipitation forecasting has an important place in everyday life – during the day we may have tens of small talks discussing the likelihood that it will rain this evening or weekend. Should you take an umbrella for a walk? Or should you invite your friends for a barbecue? It will certainly depend on what your weather application shows.
While for years people were guided by the precipitation forecasts issued for a particular region or city several times a day, the widespread availability of weather radars allowed us to obtain forecasts at much higher spatiotemporal resolution of minutes in time and hundreds of meters in space. Hence, radar-based precipitation nowcasting, that is, very-short-range forecasting (typically up to 1–3 h), has become an essential technique, also in various professional application contexts, e.g., early warning, sewage control, or agriculture.
There are two major components comprising a system for precipitation nowcasting: radar-based precipitation estimates, and models to extrapolate that precipitation to the imminent future. While acknowledging the fundamental importance of radar-based precipitation retrieval for precipitation nowcasts, this thesis focuses only on the model development: the establishment of open and competitive benchmark models, the investigation of the potential of deep learning, and the development of procedures for nowcast errors diagnosis and isolation that can guide model development.
The present landscape of computational models for precipitation nowcasting still struggles with the availability of open software implementations that could serve as benchmarks for measuring progress. Focusing on this gap, we have developed and extensively benchmarked a stack of models based on different optical flow algorithms for the tracking step and a set of parsimonious extrapolation procedures based on image warping and advection. We demonstrate that these models provide skillful predictions comparable with or even superior to state-of-the-art operational software. We distribute the corresponding set of models as a software library, rainymotion, which is written in the Python programming language and openly available at GitHub (https://github.com/hydrogo/rainymotion). That way, the library acts as a tool for providing fast, open, and transparent solutions that could serve as a benchmark for further model development and hypothesis testing.
One of the promising directions for model development is to challenge the potential of deep learning – a subfield of machine learning that refers to artificial neural networks with deep architectures, which may consist of many computational layers. Deep learning showed promising results in many fields of computer science, such as image and speech recognition, or natural language processing, where it started to dramatically outperform reference methods.
The high benefit of using "big data" for training is among the main reasons for that. Hence, the emerging interest in deep learning in atmospheric sciences is also caused and concerted with the increasing availability of data – both observational and model-based. The large archives of weather radar data provide a solid basis for investigation of deep learning potential in precipitation nowcasting: one year of national 5-min composites for Germany comprises around 85 billion data points.
To this aim, we present RainNet, a deep convolutional neural network for radar-based precipitation nowcasting. RainNet was trained to predict continuous precipitation intensities at a lead time of 5 min, using several years of quality-controlled weather radar composites provided by the German Weather Service (DWD). That data set covers Germany with a spatial domain of 900 km x 900 km and has a resolution of 1 km in space and 5 min in time. Independent verification experiments were carried out on 11 summer precipitation events from 2016 to 2017. In these experiments, RainNet was applied recursively in order to achieve lead times of up to 1 h. In the verification experiments, trivial Eulerian persistence and a conventional model based on optical flow served as benchmarks. The latter is available in the previously developed rainymotion library.
RainNet significantly outperformed the benchmark models at all lead times up to 60 min for the routine verification metrics mean absolute error (MAE) and critical success index (CSI) at intensity thresholds of 0.125, 1, and 5 mm/h. However, rainymotion turned out to be superior in predicting the exceedance of higher intensity thresholds (here 10 and 15 mm/h). The limited ability of RainNet to predict high rainfall intensities is an undesirable property which we attribute to a high level of spatial smoothing introduced by the model. At a lead time of 5 min, an analysis of power spectral density confirmed a significant loss of spectral power at length scales of 16 km and below.
Obviously, RainNet had learned an optimal level of smoothing to produce a nowcast at 5 min lead time. In that sense, the loss of spectral power at small scales is informative, too, as it reflects the limits of predictability as a function of spatial scale. Beyond the lead time of 5 min, however, the increasing level of smoothing is a mere artifact – an analogue to numerical diffusion – that is not a property of RainNet itself but of its recursive application. In the context of early warning, the smoothing is particularly unfavorable since pronounced features of intense precipitation tend to get lost over longer lead times. Hence, we propose several options to address this issue in prospective research on model development for precipitation nowcasting, including an adjustment of the loss function for model training, model training for longer lead times, and the prediction of threshold exceedance.
The model development together with the verification experiments for both conventional and deep learning model predictions also revealed the need to better understand the source of forecast errors. Understanding the dominant sources of error in specific situations should help in guiding further model improvement. The total error of a precipitation nowcast consists of an error in the predicted location of a precipitation feature and an error in the change of precipitation intensity over lead time. So far, verification measures did not allow to isolate the location error, making it difficult to specifically improve nowcast models with regard to location prediction.
To fill this gap, we introduced a framework to directly quantify the location error. To that end, we detect and track scale-invariant precipitation features (corners) in radar images. We then consider these observed tracks as the true reference in order to evaluate the performance (or, inversely, the error) of any model that aims to predict the future location of a precipitation feature. Hence, the location error of a forecast at any lead time ahead of the forecast time corresponds to the Euclidean distance between the observed and the predicted feature location at the corresponding lead time.
Based on this framework, we carried out a benchmarking case study using one year worth of weather radar composites of the DWD. We evaluated the performance of four extrapolation models, two of which are based on the linear extrapolation of corner motion; and the remaining two are based on the Dense Inverse Search (DIS) method: motion vectors obtained from DIS are used to predict feature locations by linear and Semi-Lagrangian extrapolation.
For all competing models, the mean location error exceeds a distance of 5 km after 60 min, and 10 km after 110 min. At least 25% of all forecasts exceed an error of 5 km after 50 min, and of 10 km after 90 min. Even for the best models in our experiment, at least 5 percent of the forecasts will have a location error of more than 10 km after 45 min. When we relate such errors to application scenarios that are typically suggested for precipitation nowcasting, e.g., early warning, it becomes obvious that location errors matter: the order of magnitude of these errors is about the same as the typical extent of a convective cell. Hence, the uncertainty of precipitation nowcasts at such length scales – just as a result of locational errors – can be substantial already at lead times of less than 1 h. Being able to quantify the location error should hence guide any model development that is targeted towards its minimization. To that aim, we also consider the high potential of using deep learning architectures specific to the assimilation of sequential (track) data.
Last but not least, the thesis demonstrates the benefits of a general movement towards open science for model development in the field of precipitation nowcasting. All the presented models and frameworks are distributed as open repositories, thus enhancing transparency and reproducibility of the methodological approach. Furthermore, they are readily available to be used for further research studies, as well as for practical applications.
Optical flow models as an open benchmark for radar-based precipitation nowcasting (rainymotion v0.1)
(2019)
Quantitative precipitation nowcasting (QPN) has become an essential technique in various application contexts, such as early warning or urban sewage control. A common heuristic prediction approach is to track the motion of precipitation features from a sequence of weather radar images and then to displace the precipitation field to the imminent future (minutes to hours) based on that motion, assuming that the intensity of the features remains constant (“Lagrangian persistence”). In that context, “optical flow” has become one of the most popular tracking techniques. Yet the present landscape of computational QPN models still struggles with producing open software implementations. Focusing on this gap, we have developed and extensively benchmarked a stack of models based on different optical flow algorithms for the tracking step and a set of parsimonious extrapolation procedures based on image warping and advection. We demonstrate that these models provide skillful predictions comparable with or even superior to state-of-the-art operational software. Our software library (“rainymotion”) for precipitation nowcasting is written in the Python programming language and openly available at GitHub (https://github.com/hydrogo/rainymotion, Ayzel et al., 2019). That way, the library may serve as a tool for providing fast, free, and transparent solutions that could serve as a benchmark for further model development and hypothesis testing – a benchmark that is far more advanced than the conventional benchmark of Eulerian persistence commonly used in QPN verification experiments.
During the last few decades, the rapid separation of the Small Aral Sea from the isolated basin has changed its hydrological and ecological conditions tremendously. In the present study, we developed and validated the hybrid model for the Syr Darya River basin based on a combination of state-of-the-art hydrological and machine learning models. Climate change impact on freshwater inflow into the Small Aral Sea for the projection period 2007–2099 has been quantified based on the developed hybrid model and bias corrected and downscaled meteorological projections simulated by four General Circulation Models (GCM) for each of three Representative Concentration Pathway scenarios (RCP). The developed hybrid model reliably simulates freshwater inflow for the historical period with a Nash–Sutcliffe efficiency of 0.72 and a Kling–Gupta efficiency of 0.77. Results of the climate change impact assessment showed that the freshwater inflow projections produced by different GCMs are misleading by providing contradictory results for the projection period. However, we identified that the relative runoff changes are expected to be more pronounced in the case of more aggressive RCP scenarios. The simulated projections of freshwater inflow provide a basis for further assessment of climate change impacts on hydrological and ecological conditions of the Small Aral Sea in the 21st Century.
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.
Im Landschaftszustand und in der Landschaftsentwicklung kommen funktionale Beziehungen zwischen dem naturbedingten Energie-, Wasser- und Stoffhaushalt einerseits und den Auswirkungen der Landnutzung andererseits zum Ausdruck. Gegenwärtig verändert der globale Anstieg der bodennahen Temperaturen vielerorts den landschaftlichen Energie-, Wasser- und Stoffhaushalt, wobei besonders in Trockengebieten zu erwarten ist, dass dieser Trend in Verbindung mit einer unangepassten Landnutzung das Regenerationsvermögen der Vegetation einschränkt und zur Zerstörung der Bodendecke führt. Für die Mongolei und für benachbarte Gebiete Asiens sind in Szenarien zur globalen Erwärmung hohe Werte des Temperaturanstiegs prognostiziert worden. Eine globale Einschätzung der anthropogen induzierten Bodendegradation hat diese Region als stark oder extrem stark betroffen eingestuft. Vor diesem Hintergrund wurde im Uvs-Nuur-Becken, das im Nordwesten der Mongolei und damit in einer der trockensten Regionen des Landes gelegen ist, untersucht, wie sich der globale Temperaturanstieg auf der lokalen und regionalen Ebene widerspiegelt und wie der Landschaftshaushalt dabei verändert wird. Die Auswirkungen des sommerlichen Witterungsverlaufes auf den Landschaftszustand sind 1997 bis 1999 an einem Transsekt erfasst worden, das sich zwischen dem Kharkhiraa-Gebirge am Westrand des Beckens und dem See Uvs Nuur im Beckeninneren von den Polsterfluren und Matten der alpinen Stufe über die Gebirgswaldsteppe, die Trockensteppe bis zur Halbwüste erstreckt. An neun Messpunkten wurden witterungsklimatische Daten in Verbindung mit Merkmalen der Vegetation, des Bodens und der Bodenfeuchte aufgenommen. Die im Sommer 1998 gewonnenen Messwerte wurden mit Hilfe einer Clusteranalyse gebündelt und verdichtet. Auf dieser Grundlage konnten landschaftliche Zustandsformen inhaltlich gekennzeichnet, zeitlich eingeordnet und durch Zeit-Verhaltens-Modelle (Stacks) abgebildet werden. Aus den Zeit-Verhaltens-Modellen wird ersichtlich, dass man Zustandsformen, in denen die Hitze und die Trockenheit des Sommers 1998 besonders stark zum Ausdruck kommen, an allen Messpunkten beobachten kann, nimmt man die Station auf dem fast 3.000 m hohen Gipfel des Khukh Uul sowie die grundwasserbeeinflusste Station in unmittelbarer Seenähe aus. In ihrer extremen Form sind Trockenperioden jedoch nur im Beckeninneren und am Fuß der Randgebirge, also in der Halbwüste, in der Trockensteppe und in der Wiesensteppe aufgetreten. Im Bergwald sowie im Bereich der alpinen Matten und Polsterfluren fehlen sie. Am stärksten sind die grundwasserfreien Bereiche der Halbwüste von der Hitze und Niederschlagsarmut des Sommers 1998 betroffen. An vier Fünfteln der Tage des Beobachtungszeitraumes herrscht an diesem Messpunkt extreme Trockenheit. Es fällt entweder gar kein Niederschlag oder nur so wenig, dass der seit dem Frühjahr erschöpfte Bodenwasservorrat nicht aufgefüllt wird. Das Verhältnis zwischen Niederschlag und potenzieller Verdunstung liegt hier bei 1:12. In der Halbwüste zeichnet sich eine fortschreitende Desertifikation ab, zumal hier eine nichtangepasste Weidenutzung dominiert, in der Ziegen eine immer größere Rolle spielen. Dies gilt insbesondere für Bereiche in Siedlungsnähe. Örtlich ist auch der Bestand der Trockensteppe gefährdet, die sich an die Halbwüste zum Beckenrand hin anschließt. Hier ist nicht nur die Viehdichte am höchsten, sondern hier werden auch die meisten unbefestigten Fahrwege wild angelegt und die Bodendecke damit zerstört. Dies kann im Endeffekt zu einem Übergreifen von Prozessen der Desertifikation führen. Aus methodischer Sicht zeigt sich, dass die Kennzeichnung landschaftlicher Zustandsformen durch Zeit-Verhaltens-Modelle die Ermittlung der Auswirkungen von Witterung und Klima auf den Landschaftszustand erleichtert, da sie deren Aussage konzentriert. Zur Interpretation der Ergebnisse ist jedoch ein Rückgriff auf die beschreibende Darstellung der Messwerte notwendig. Die im westlichen Uvs-Nuur-Becken und seinen Randgebirgen angewandte Verfahrensweise ermöglicht es, globale Aussagen zur globalen Erwärmung der Kontinente regional oder lokal zu überprüfen und zu untersetzen."
Exploring elections features from a geographical perspective is the focus of this study. Its primary objective is to develop a scientific approach based on geoinformation technology (GIT) that promotes deeper understanding how geographical settings affect the spatial and temporal variations of voting behaviour and election outcomes. For this purpose, the five parliamentary elections (1991-2005) following the political turnaround in 1990 in the South East European reform country Albania have been selected as a case study. Elections, like other social phenomena that do not develop uniformly over a territory, inherit a spatial dimension. Despite of fact that elections have been researched by various scientific disciplines ranging from political science to geography, studies that incorporate their spatial dimension are still limited in number and approaches. Consequently, the methodologies needed to generate an integrated knowledge on many facets that constitute election features are lacking. This study addresses characteristics and interactions of the essential elements involved in an election process. Thus, the baseline of the approach presented here is the exploration of relations between three entities: electorate (political and sociodemographic features), election process (electoral system and code) and place (environment where voters reside). To express this interaction the concept of electoral pattern is introduced. Electoral patterns are defined by the study as the final view of election results, chiefly in tabular and/or map form, generated by the complex interaction of social, economic, juridical, and spatial features of the electorate, which has occurred at a specific time and in a particular geographical location. GIT methods of geoanalysis and geovisualization are used to investigate the characteristics of electoral patterns in their spatial and temporal distribution. Aggregate-level data modelled in map form were used to analyse and visualize the spatial distribution of election patterns components and relations. The spatial dimension of the study is addressed in the following three main relations: One, the relation between place and electorate and its expression through the social, demographic and economic features of the electorate resulting in the profile of the electorate’s context; second, the electorate-election interaction which forms the baseline to explore the perspective of local contextual effects in voting behaviour and election results; third, the relation between geographical location and election outcomes reflecting the implication of determining constituency boundaries on election results. To address the above relations, three types of variables: geo, independent and dependent, have been elaborated and two models have been created. The Data Model, developed in a GIS environment, facilitates structuring of election data in order to perform spatial analysis. The peculiarity of electoral patterns – a multidimensional array that contains information on three variables, stored in data layers of dissimilar spatial units of reference and scales of value measurement – prohibit spatial analysis based on the original source data. To perform a joint spatial analysis it is therefore mandatory to restructure the spatial units of reference while preserving their semantic content. In this operation, all relevant electoral as well as socio-demographic data referenced to different administrative spatial entities are re-referenced to uniform grid cells as virtual spatial units of reference. Depending on the scale of data acquisition and map presentation, a cell width of 0.5 km has been determined. The resulting fine grid forms the basis of subsequent data analyses and correlations. Conversion of the original vector data layers into target raster layers allows for unification of spatial units, at the same time retaining the existing level of detail of the data (variables, uniform distribution over space). This in turn facilitates the integration of the variables studied and the performance of GIS-based spatial analysis. In addition, conversion to raster format makes it possible to assign new values to the original data, which are based on a common scale eliminating existing differences in scale of measurement. Raster format operations of the type described are well-established data analysis techniques in GIT, yet they have rarely been employed to process and analyse electoral data. The Geovisualization Model, developed in a cartographic environment, complements the Data Model. As an analog graphic model it facilitates efficient communication and exploration of geographical information through cartographic visualization. Based on this model, 52 choropleth maps have been generated. They represent the outcome of the GIS-based electoral data analysis. The analog map form allows for in-depth visual analysis and interpretation of the distribution and correlation of the electoral data studied. For researchers, decision makers and a wider public the maps provide easy-to-access information on and promote easy-to-understand insight into the spatial dimension, regional variation and resulting structures of the electoral patterns defined.
Starkregen in Berlin
(2021)
In den Sommern der Jahre 2017 und 2019 kam es in Berlin an mehreren Orten zu Überschwemmungen in Folge von Starkregenereignissen. In beiden Jahren führte dies zu erheblichen Beeinträchtigungen im Alltag der Berliner:innen sowie zu hohen Sachschäden. Eine interdisziplinäre Taskforce des DFG-Graduiertenkollegs NatRiskChange untersuchte (1) die meteorologischen Eigenschaften zweier besonders eindrücklicher Unwetter, sowie (2) die Vulnerabilität der Berliner Bevölkerung gegenüber Starkregen.
Eine vergleichende meteorologische Rekonstruktion der Starkregenereignisse von 2017 und 2019 ergab deutliche Unterschiede in der Entstehung und den Überschreitungswahrscheinlichkeiten der beiden Unwetter. So war das Ereignis von 2017 mit einer relativ großen räumlichen Ausdehnung und langer Dauer ein untypisches Starkregenereignis, während es sich bei dem Unwetter von 2019 um ein typisches, kurzzeitiges Starkregenereignis mit ausgeprägter räumlicher Heterogenität handelte. Eine anschließende statistische Analyse zeigte, dass das Ereignis von 2017 für längere Niederschlagsdauern (>=24 h) als großflächiges Extremereignis mit Überschreitungswahrscheinlichkeiten von unter 1 % einzuordnen ist (d.h. Wiederkehrperioden >=100 Jahre). Im Jahr 2019 wurden dagegen ähnliche Überschreitungswahrscheinlichkeiten nur lokal und für kürzere Zeiträume (1-2 h) berechnet.
Die Vulnerabilitätsanalyse basiert auf einer von April bis Juni 2020 in Berlin durchgeführten Onlinebefragung. Diese richtete sich an Personen, die bereits von vergangenen Starkregenereignissen betroffen waren und thematisierte das Schadensereignis selbst, daraus entstandene Beeinträchtigungen und Schäden, Risikowahrnehmung sowie Notfall- und Vorsorgemaßnahmen. Die erhobenen Umfragedaten (n=102) beziehen sich vornehmlich auf die Ereignisse von 2017 und 2019 und zeigen, dass die Berliner Bevölkerung sowohl im Alltag (z.B. bei der Beschaffung von Lebensmitteln) als auch im eigenen Haushalt (z.B. durch Überschwemmungsschäden) von den Unwettern beeinträchtigt war. Zudem deuteten die Antworten der Betroffenen auf Möglichkeiten hin, die Vulnerabilität der Gesellschaft gegenüber Starkregen weiter zu reduzieren - etwa durch die Unterstützung besonders betroffener Gruppen (z.B. Pflegende), durch gezielte Informationskampagnen zum Schutz vor Starkregen oder durch die Erhöhung der Reichweite von Unwetterwarnungen. Eine statistische Analyse zur Effektivität privater Notfall- und Vorsorgemaßnahmen auf Grundlage der Umfragedaten bestätigte vorherige Studienergebnisse.
So gab es Anhaltspunkte dafür, dass durch das Umsetzen von Vorsorgemaßnahmen wie beispielsweise das Installieren von Rückstauklappen, Barriere-Systemen oder Pumpen Starkregenschäden reduziert werden können.
Die Ergebnisse dieses Berichts unterstreichen die Notwendigkeit für ein integriertes Starkregenrisikomanagment, das die Risikokomponenten Gefährdung, Vulnerabilität und Exposition ganzheitlich und auf mehreren Ebenen (z.B. staatlich, kommunal, privat) betrachtet.
Vorbemerkungen "Ghettos" und "Armutsviertel" in deutschen Städten wurden Ende der 90er Jahre ein zentrales und umkämpftes Motiv. Publizistische und politische Programme und Persönlichkeiten legitimierten und profilierten sich rund um diese Begriffe, die sich so zu einem stabilen Deutungssystem der Stadt, in diesem Fall zu einer Folge von Bedrohungsszenarien entwickelten. In diesem Kontext, der uns in Berlin fast jeden Tag in der Zeitung begegnete, entdeckten wir unabhängig voneinander ein Forschungsfeld für unsere Diplomarbeiten, in dem wir unser Interesse an theoretischen und konzeptionellen Ansätzen in der Geographie mit politischen Fragen zusammenbringen und -denken konnten. Obwohl Diskurse, Bilderwelten und Identitäten im Rahmen der Stadtgeographie, der Sozialgeographie und der Politischen Geographie mittlerweile zu wichtigen Themen geworden sind, gab es auf den ersten Blick innerhalb der deutschsprachigen Geographie nur wenige Anknüpfungspunkte für unsere Untersuchungen. Wir fanden meist erst jenseits der Sprach- und Disziplingrenzen eine reichhaltige, theoriegeleitete Debatte vor, die unsere Fragestellungen inspirierte. Zentrale Konzepte - Diskurse, Macht, die über diese Diskurse wirkt, über Denkfiguren und Bilder Identitäten erzeugt und Menschen einordnet - passierten wir auf einer Art Forschungsreise, die zu vielen nichtgeographischen Autoren, nicht zuletzt zu MICHEL FOUCAULT führte. Die Rolle von "Raum" in diesen wissenschaftlichen Konzepten, der Hinweis auf die Erschaf-fung von "uns" und "anderen", außen und innen, und die Rolle von diesen Konzepten "im Raum" als komplexes Geflecht von materiellen, sozialen und symbolischen Elementen war für uns faszinierend. Sie warf Fragen auf, die in unseren Diplomarbeiten bei weitem nicht zu Genüge angesprochen, geschweige denn beantwortet werden konnten. Das Thema ist für uns also noch lange nicht abgehakt. Wir versuchten in unseren Arbeiten einen kritischen Standpunkt einzunehmen, der nicht nach einer politisch vorgegebenen Agenda Problemlösungen sucht, sondern den Prozeß der Definition von Problemen selbst und die daran anknüpfenden Ordnungen und Lösungen in Frage stellt. Viele Akteure aus der Politik, den Medien, der Wissenschaft und aus Institutionen wie der Polizei oder Wohnungsbaugesellschaften und schließlich auch die unterschiedlichen Bewohner der Stadt selbst sind an diesem Prozess in ihren sehr unterschiedlichen Rollen und Positionen beteiligt. Die Geographien der Stigmatisierung sind die Resultate der Stigmatisierungsprozesse in Presse und Politik und der verschiedenen Positionen innerhalb dieser Prozesse und Machtstrukturen. Sie werden aber auch Teil der Handlungen der Stigmatisierten, ihrer Geographien von der Stadt, von sich selbst, von den Anderen. Unser Ziel war es zu zeigen, wie in den Diskursen der Stadtentwicklung Bilder die Wirklichkeit machen, indem die Akteure mittels dieser Diskurse harte Grenzen in der Stadt ziehen, Zuschreibungen von gesund und pathologisch, legitim und illegitim vornehmen. So wird schließlich auch die Wirklichkeit nicht nur in den Köpfen und in der Stadtlandschaft herbeigedacht/-geschrieben/-geredet, sondern in der Folge auch durch politische oder administrative Maßnahmen geschaffen. Von diesen Grundlagen ausgehend, nahmen wir zwei unterschiedliche Wege, die in diesem Band zusammenfinden - nicht als Synthese, sondern als verschiedenartiges Ausloten dieser Prozesse. DIRK GEBHARDT untersucht diese Prozesse der Raumordnung in einem deutsch-französischen Vergleich. Er vergleicht die Bilder und Diskurse über Viertel wie dasjenige der Soldiner-/Koloniestraße in Berlin-Wedding, den Hermannplatz in Neukölln und den "Sozialpalast" in Schöneberg mit den Diskursen über innerstädtische Viertel und Großwohn-siedlungen ("cités") mit hohem Zuwandereranteil in Marseille. Dieser Teil des Bandes erzeugt somit eine gewisse Breite und ergründet die Tiefe der Bilder, ihrer Logiken und Zusammenhänge. ULRICH BEST konzentriert sich auf Berlin-Kreuzberg. Er stellt die aktuelle Rolle Kreuzbergs in Diskussionen der Stadtpolitik in Berlin dar und betrachtet sie in der Geschichte der Rollen Kreuzbergs als eines "anderen Bezirks" - also die historischen Geographien der Stigmatisierung. Zum zweiten verbindet er diese Ebene der stadtpolitischen Zuschreibungen mit den Selbstzuschreibungen der Bewohner Kreuzbergs, fragt nach Parallelen und nach den Bewohner-Strategien im Umgang mit dem Stigma. Wie wir bereits oben andeuteten, sind die Arbeiten von unserer Seite jeweils die Ergebnisse eines Entdeckens neuer Ansätze und des Versuchs einer Positionierung in der Verworrenheit und scheinbaren Gewichtslosigkeit der Diskurse. Von unserer heutigen Perspektive aus müssen wir sagen, daß allein der Begriff "Diskurs" sich in der deutschsprachigen Geographie inzwischen einer gewissen Beliebtheit erfreut. Wir möchten in unseren Arbeiten aber, um das hier noch einmal klar zu sagen, immer auf das Geflecht von Macht, Definition und Politik verweisen und, indem wir dies tun, eine kritische Position einnehmen. Wir sind nicht stehen geblieben. Manches, was wir geschrieben haben, würden wir heute anders schreiben. Es handelte sich um Diplomarbeiten, und zu Diplomarbeiten gehört unserer Meinung nach dieses Entdecken unbedingt dazu. Daher fanden wir es sinnvoll, die Arbeiten in dieser Form zu veröffentlichen, als zwei mögliche, teilweise parallele und teilweise voneinander abweichende Strecken in einem Feld voller faszinierender Ideen. Wir freuen uns sehr, daß wir zum einen die Möglichkeit hatten, sie überhaupt zu schreiben und bedanken uns dafür bei unseren Betreuern Prof. Dr. Fred Scholz (Ulrich Best) und Prof. Dr. Franz-Josef Kemper (Dirk Gebhardt), sowie bei vielen Freundinnen und Freunden, mit denen wir diskutieren konnten. Wir freuen uns genauso sehr, daß wir nun die Möglichkeit haben, sie in leicht überarbeiteter Form in dieser Reihe zu veröffentlichen. Dafür und für viele Ratschläge danken wir den Herausgebern.
Submerged sequences of marine terraces potentially provide crucial information of past sea-level positions. However, the distribution and characteristics of drowned marine terrace sequences are poorly known at a global scale. Using bathymetric data and novel mapping and modeling techniques, we studied a submerged sequence of marine terraces in the Bay of Biscay with the objective to identify the distribution and morphologies of submerged marine terraces and the timing and conditions that allowed their formation and preservation. To accomplish the objectives a high-resolution bathymetry (5 m) was analyzed using Geographic Information Systems and TerraceM(R). The successive submerged terraces were identified using a Surface Classification Model, which linearly combines the slope and the roughness of the surface to extract fossil sea-cliffs and fossil rocky shore platforms. For that purpose, contour and hillshaded maps were also analyzed. Then, shoreline angles, a geomorphic marker located at the intersection between the fossil sea-cliff and platform, were mapped analyzing swath profiles perpendicular to the isobaths. Most of the submerged strandlines are irregularly preserved throughout the continental shelf. In summary, 12 submerged terraces with their shoreline angles between approximately: -13 m (T1), -30 and -32 m (T2), -34 and 41 m (T3), -44 and -47 m (T4), -49 and 53 m (T5), -55 and 58 m (T6), -59 and 62 m (T7), -65 and 67 m (T8), -68 and 70 m (T9), -74 and -77 m (T10), -83 and -86 m (T11) and -89 and 92 m (T12). Nevertheless, the ones showing the best lateral continuity and preservation in the central part of the shelf are T3, T4, T5, T7, T8, and T10. The age of the terraces has been estimated using a landscape evolution model. To simulate the formation and preservation of submerged terraces three different scenarios: (i) 20-0 ka; (ii) 128-0 ka; and (iii) 128-20 ka, were compared. The best scenario for terrace generation was between 128 and 20 Ka, where T3, T5, and T7 could have been formed.
Die verschiedenen Meßverfahren zur Bestimmung von Bodenwassergehalten und der Bodenfeuchte konnten während ihres Einsatzes im Uvs-Nuur-Becken über einen längeren Zeitraum hinweg erprobt werden. Dabei stellte sich heraus, daß die Thetasonde und die Stechzylinderproben sich zur Bestimmung des volumetrischen Bodenwassergehalts gut eignen. An den Standorten, an denen parallele Messungen mit beiden Verfahren möglich waren, zeigten Vergleiche der Meßreihen, daß sich die beiden Methoden gegenseitig bestätigen. Nur in Einzelfällen traten größere Abweichungen zwischen den Tageswerten auf. Einschränkend auf die Anwendbarkeit der Verfahren und die Genauigkeit der Meßergebnisse kann sich die Bodenbeschaffenheit auswirken. In stark verdichteten oder skelettreichen Böden ist das Einbringen der Sondenmeßstäbe schwierig und stellenweise nicht möglich. Derartige Böden sind auch für die Entnahme von Stechzylinderproben problematisch, da es schwierig ist Materialverluste bei der Entnahme gering zuhalten. Die Verfahren zur Bestimmung der Bodenfeuchte, Tensiometer und Gipsblocksensoren, hatten gegenüber den anderen Verfahren den Vorteil, daß sie automatisiert waren. Auf diese Weise konnte auch ohne intensive Betreuung eine hohe zeitliche Meßdichte erzielt werden. Über eine Eichkurve, die im Labor erstellt wurde, konnten den Wasserspannungen die entsprechenden Bodenwassergehalte zugeordnet werden. Für Station S 2 sind die Tensiometermeßwerte gut geeignet, um zusammen mit den Stechzylinderproben die Bodenwasserdynamik zu beschreiben. An den anderen Standorten liegen die Wassergehalte, die man über die Eichkurve erhält, verglichen mit Thetasonden- und Stechzylinderwerten sehr viel höher. Beim Einsatz von Tensiometern und Gipsblocksensoren in diesem Gebiet muß aufgrund des geringen Bodenwassergehalts vieler Standorte besonders darauf geachtet werden, daß die Sensoren bzw. die Kerzen eng vom Boden umschlossen sind, ansonsten kann es zu erheblichen Beeinträchtigungen der Meßgenauigkeit kommen. Bei den Tensiometern muß zusätzlich darauf geachtet werden, daß der Meßbereich nicht überschritten wird. Die Variabilität zwischen den Bodenwassergehalten der Standorte ergibt sich aus ihrer Lage im Untersuchungsgebiet und dem Witterungsgeschehen. Die deutlichsten Unterschiede zeigen sich beim Vergleich der Standorte der Ebenen und der Hangbereiche. An den Standorten in der Ebene ist die potentielle Evapotranspiration höher als an den Hangstandorten, dies wirkt sich auf die absolute Höhe der Bodenwassergehalte und auf ihre Variabilität aus. In der Ebene gehen die Bodenwassergehalte nach einer Erhöhung durch Niederschlagseinträge aufgrund der starken Evapotranspiration relativ schnell wieder zurück, so kommt es zu einer hohen Variabilität. An den Hangstandorten ist dieser Effekt abgeschwächt, besonders gering ist die potentielle Verdunstung im Wald am Standort S 7. Die Meßreihen dort weisen geringere Gegensätze zwischen den Extrema auf. Die signifikanten Unterschiede der Bodenwassergehalte verschiedener Meßtiefen eines Standortes werden anhand Variationskoeffizienten der Meßreihen deutlich. In 5 cm Bodentiefe spiegelt sich das aktuelle atmosphärische Geschehen wider. Niederschlagseinträge werden durch eine unmittelbare Erhöhung des Bodenwassergehalts sichtbar. Ist die potentielle Verdunstung nach einer Erhöhung der Bodenwassergehalte durch Niederschlagseinträge hoch, verringern sich die Bodenwassergehalte in dieser Meßtiefe auch schnell wieder. In den Bereichen ab 20 cm Bodentiefe sind kurzfristige Erhöhungen des Bodenwassergehalts nur nach sehr starken Niederschlägen zu beobachten. Veränderungen wie der allmähliche Rückgang des Bodenwassergehalts in den tieferen Bodenschichten an S 3 sind nur über einen längeren Zeitraum festzustellen. Die zeitliche Variabilität der Bodenwassergehalte wird vom Witterungsgeschehen, insbesondere den Niederschlägen und der potentiellen Verdunstung, bestimmt. Im Sommer 1998 ist das Verhältnis von Niederschlag und potentieller Verdunstung so, daß auch nach den Hauptniederschlägen des Jahres in den Sommermonaten keine Erhöhung der Bodenwassergehalte stattgefunden hat. An Station S 3 ist in den tieferen Bodenschichten eine Austrocknung zu verzeichnen. Dies ist der Hauptunterschied zwischen den Jahren 1997 und 1998. 1997 fällt sehr viel mehr Regen als 1998, es kommt zu einer nachhaltigen Durchfeuchtung des Bodens. Auch die Verdunstung ist 1997 geringer. Nach Niederschlägen findet daher kein so schneller Rückgang der Bodenwassergehalte wie 1998 statt, und die Variabilität der Meßwerte ist geringer. Es ist anzunehmen, daß die Bodenwassergehalte am Anfang der Meßperiode des Jahres 1998, die im Laufe des Meßzeitraums abnehmen, Vorräte aus den Einträgen des Jahres 1997 darstellen. Eine nachhaltige Durchfeuchtung des Bodens findet also nur bei sehr hohen Niederschlagseinträgen wie im Jahr 1997 statt.
Streamflow dynamics in mountainous environments are controlled by runoff generation processes in the basin upstream. Runoff generation processes are thus a major control of the terrestrial part of the water cycle, influencing both, water quality and water quantity as well as their dynamics. The understanding of these processes becomes especially important for the prediction of floods, erosion, and dangerous mass movements, in particular as hydrological systems often show threshold behavior. In case of extensive environmental changes, be it in climate or in landuse, the understanding of runoff generation processes will allow us to better anticipate the consequences and can thus lead to a more responsible management of resources as well as risks. In this study the runoff generation processes in a small undisturbed catchment in the Chilean Andes were investigated. The research area is characterized by steep hillslopes, volcanic ash soils, undisturbed old growth forest and high rainfall amounts. The investigation of runoff generation processes in this data scarce area is of special interest as a) little is known on the hydrological functioning of the young volcanic ash soils, which are characterized by extremely high porosities and hydraulic conductivities, b) no process studies have been carried out in this area at either slope or catchment scale, and c) understanding the hydrological processes in undisturbed catchments will provide a basis to improve our understanding of disturbed systems, the shift in processes that followed the disturbance and maybe also future process evolution necessary for the achievement of a new steady state. The here studied catchment has thus the potential to serve as a reference catchment for future investigations. As no long term data of rainfall and runoff exists, it was necessary to replace long time series of data with a multitude of experimental methods, using the so called "multi-method approach". These methods cover as many aspects of runoff generation as possible and include not only the measurement of time series such as discharge, rainfall, soil water dynamics and groundwater dynamics, but also various short term measurements and experiments such as determination of throughfall amounts and variability, water chemistry, soil physical parameters, soil mineralogy, geo-electrical soundings and tracer techniques. Assembling the results like pieces of a puzzle produces a maybe not complete but nevertheless useful picture of the dynamic ensemble of runoff generation processes in this catchment. The employed methods were then evaluated for their usefulness vs. expenditures (labour and financial costs). Finally, the hypotheses - the perceptual model of runoff generation generated from the experimental findings - were tested with the physically based model Catflow. Additionally the process-based model Wasim-ETH was used to investigate the influence of landuse on runoff generation at the catchment scale. An initial assessment of hydrologic response of the catchment was achieved with a linear statistical model for the prediction of event runoff coefficients. The parameters identified as best predictors give a first indication of important processes. Various results acquired with the "multi-method approach" show that response to rainfall is generally fast. Preferential vertical flow is of major importance and is reinforced by hydrophobicity during the summer months. Rapid lateral water transport is necessary to produce the fast response signal, however, while lateral subsurface flow was observed at several soil moisture profiles, the location and type of structures causing fast lateral flow on the hillslope scale is still not clear and needs to be investigated in more detail. Surface runoff has not been observed and is unlikely due to the high hydraulic conductivities of the volcanic ash soils. Additionally, a large subsurface storage retains most of the incident rainfall amount during events (>90%, often even >95%) and produces streamflow even after several weeks of drought. Several findings suggest a shift in processes from summer to winter causing changes in flow patterns, changes in response of stream chemistry to rainfall events and also in groundwater-surface water interactions. The results of the modelling study confirm the importance of rapid and preferential flow processes. However, due to the limited knowledge on subsurface structures the model still does not fully capture runoff response. Investigating the importance of landuse on runoff generation showed that while peak runoff generally increased with deforested area, the location of these areas also had an effect. Overall, the "multi-method approach" of replacing long time series with a multitude of experimental methods was successful in the identification of dominant hydrological processes and thus proved its applicability for data scarce catchments under the constraint of limited resources.
Spatial patterns as well as temporal dynamics of soil moisture have a major influence on runoff generation. The investigation of these dynamics and patterns can thus yield valuable information on hydrological processes, especially in data scarce or previously ungauged catchments. The combination of spatially scarce but temporally high resolution soil moisture profiles with episodic and thus temporally scarce moisture profiles at additional locations provides information on spatial as well as temporal patterns of soil moisture at the hillslope transect scale. This approach is better suited to difficult terrain (dense forest, steep slopes) than geophysical techniques and at the same time less cost-intensive than a high resolution grid of continuously measuring sensors. Rainfall simulation experiments with dye tracers while continuously monitoring soil moisture response allows for visualization of flow processes in the unsaturated zone at these locations. Data was analyzed at different spacio-temporal scales using various graphical methods, such as space-time colour maps (for the event and plot scale) and binary indicator maps (for the long-term and hillslope scale). Annual dynamics of soil moisture and decimeterscale variability were also investigated. The proposed approach proved to be successful in the investigation of flow processes in the unsaturated zone and showed the importance of preferential flow in the Malalcahuello Catchment, a datascarce catchment in the Andes of Southern Chile. Fast response times of stream flow indicate that preferential flow observed at the plot scale might also be of importance at the hillslope or catchment scale. Flow patterns were highly variable in space but persistent in time. The most likely explanation for preferential flow in this catchment is a combination of hydrophobicity, small scale heterogeneity in rainfall due to redistribution in the canopy and strong gradients in unsaturated conductivities leading to self-reinforcing flow paths.
Stand des IMAF zu Beginn des Jahres 2006
Zum 1. April 2005 wurde per Beschluss des Rektorats der Universität Potsdam das Interdisziplinäre Zentrum für Musterdynamik und Angewandte Fernerkundung (IMAF) an der Universität Potsdam eingerichtet. Diesem Beschluss gingen knapp zwei Jahre konzeptionelle, organisatorische und administrative Vorarbeiten voraus. Inzwischen ist das IMAF also offiziell gegründet, der Vorstand wurde „bestellt“ (Prof. M. Mutti. Prof. E. Zehe, Prof. A. Bronstert), der Geschäftsführer bzw. wissenschaftliche Koordinator Dr. M. Kühling arbeitet in dieser Funktion seit Sommer 2005 und seit kurzem ist auch die 1. Version der Homepage des IMAF (http://www.uni-potsdam.de/imaf/) frei geschaltet. Auch die Infrastruktur des IMAF ist in der Entstehungsphase: Büroräume sind versprochen (wenn auch noch nicht bezugsfertig) im Haus 13 auf dem Campus Golm der Universität Potsdam und der 1. erfolgreiche Drittmittelantrag erbrachte 8 leistungsfähige Tischrechner und einen Server für das IMAF aus EU-Mitteln. Wichtiger als die administrativen und organisatorischen Arbeiten sind aber die inhaltlichen Forstschritte. Hier ist die große Resonanz, die die Gründung des IMAF sowohl innerhalb als auch außerhalb der Universität gefunden hat, besonders erfreulich. Über 30 Angehörige des Zentrums sind inzwischen zu verzeichnen und es gibt bereits eine Reihe von wissenschaftlichen Projektinitiativen und Ideen für dieses Zentrum. Neben den wissenschaftlichen Arbeiten am IMAF ist ein zweites Hauptziel für dieses Zentrum die Entwicklung und der Ausbau eines strukturierten Ausbildungsangebotes für Musterdynamik und angewandte Fernerkundung. Dies sollen gleichermaßen Masterstudenten als auch Doktoranden der Universität Potsdam und der mit ihr assoziierten außeruniversitären Institute nutzen. Zudem werden Kurse und Weiterbildungsveranstaltungen mit nationalen und internationalen Experten angestrebt. Neben diesen positiven Entwicklungen gibt es auch (noch ??) über einige Mängel zu berichten:
Das Sekretariat ist nach wie vor unbesetzt, die Finanzausstattung des Zentrums ist völlig ungenügend und die im Konzept für das Zentrum beantragte Wissenschaftlerstelle für Softwareanwendung ist nicht in Sicht. Für einen Erfolg des Zentrums ist es unbedingt notwendig, dass sich diese Situation deutlich verbessert!!
Forschungsschwerpunkte des IMAF
Räumliche Muster und deren Struktur in der Umwelt
Räumliche Muster sind in vielen naturwissenschaftlichen Disziplinen (Hydrologie, Ökologie, Geologie, Biologie, Chemie, Physik) von zentraler Bedeutung. Z.B. bestimmen die räumlichen (und zeitlichen) Muster von Bodeneigenschaften und Vegetation in ihrem Zusammenspiel mit den Mustern von Niederschlag und Strahlungsinput maßgeblich den Wasser- und Stoffhaushalt auf unterschiedlichsten Skalen und führen über Rückkopplung wiederum zu Veränderungen in Klima, Vegetation und Ökosystemen. Vom kleinräumigen Transport von Schadstoffen und von der Hochwasserentstehung bis zur Frage nach den regionalen und globalen Veränderungen von Klima, Vegetation und Landnutzung seien hier nur einige Problemkreise genannt, in denen Muster und Musterdynamik eine zentrale Stellung einnehmen. Darüber hinaus liefert die Betrachtung der zeitlichen Veränderung von räumlichen Mustern, in Ergänzung zur klassischen Erfassung dynamischer Prozesse in Form von Messungen lokaler zeitlicher Änderungen, eine völlig neue Perspektive auf Dynamik und eröffnet damit völlig neue wissenschaftliche Möglichkeiten. Aktuelle und sehr drängende Fragen innerhalb dieses Forschungsschwerpunktes sind unter anderem:
• Analyse der generelle Raumstruktur von Geodaten (Variabilität, Struktur, Konnektivität);
• Thematische Verbindungen verschiedener Datenebenen und Möglichkeiten für deren Assimilation;
• Möglichkeiten und Grenzen des Skalenübergangs zwischen verschiedenen räumlichen Auflösungen und Informationsquellen;
• Ableitung der zeitlichen Dynamik bzw. Entwicklung von großen flächenhaften Datenfeldern.
Angewandte Fernerkundung
Wie keine andere Technik bietet die Fernerkundung in jeglicher Form (unter anderem Satelliten, flugzeuggetragene Sensoren, Wetterradar und auch geophysikalische Methoden) umfangreiche Möglichkeiten, räumliche Muster und deren zeitliche Veränderungen zu erfassen. Allen Methoden der Fernerkundung gemein ist, dass sie nur indirekte Ergebnisse liefern. Das heißt, es besteht nur ein mittelbarer Zusammenhang zwischen dem beobachteten Signal, meist der Reflektivität oder Emissivität elektromagnetischer Strahlung in verschiedenen Spektralbereichen (optisch oder Radar), und der eigentlich interessierenden Größe, wie dem Feuchtezustand der Vegetation, der Bodenfeuchte oder Bodenrauhigkeit, der Niederschlagsintensität, dem Zustand der Schneedecke oder der Ausdehnung eines Oberflächenfilms auf Gewässern. Ein Satellitenbild enthält beispielsweise immer die spektrale Signatur des räumlichen Musters mehrerer der oben genannten Einflussgrößen, was die Extraktion oder Diskriminierung der eigentlich interessierenden Größe erschwert. Dieser „vermischte“ Charakter der Fernerkundungsdaten bietet aber auch immense Chancen. So lassen sich durch geeignete Interpretationsverfahren aus jedem mit hohem finanziellem und technischem Aufwand erstellten Satellitenbild zahlreiche und im Detail völlig unterschiedliche Fragestellungen bearbeiten. Die Extraktion der gewünschten Information aus dem Fernerkundungssignal führt mathematisch gesehen meist auf die Lösung so genannter inverser, schlecht gestellter Probleme. Somit beinhaltet die interdisziplinäre Nutzung von Fernerkundung auch ein hohes methodisches Synergiepotential. Durch die heutigen technischen Möglichkeiten zur Archivierung auch sehr umfangreicher raumbezogener Informationen ist die Bearbeitung zu jedem beliebigen Zeitpunkt nach der Aufnahme möglich – zum Beispiel bis entsprechend lange Zeitreihen und/oder geeignete Interpretationsverfahren zur Verfügung stehen. Tatsächlich dürfte der weitaus größte Teil der raumbezogenen Informationen, die in den bisher erhobenen Fernerkundungsdaten stecken, nur in Ansätzen ausgewertet sein. Einer bereits sehr hoch entwickelten technischen Dimension der Fernerkundung steht ein gewisses Defizit im Umfang ihrer Anwendung in den verschiedenen naturwissenschaftlichen Disziplinen gegenüber. Aktuelle und sehr drängende Fragen innerhalb dieses Forschungsschwerpunktes sind unter anderem:
• Nutzung der räumlichen und inhaltlichen Breite von Fernerkundungsinformationen;
• Verbindung mit automatisierten, u.a. geophysikalischen Methoden des „ground-truthings“;
• Identifizierung der Grenzen bzgl. Repräsentanz der Daten (spektral, raum-zeitliche Auflösung);
• Verbindung unterschiedlicher Methoden der Fernerkundung und der Geophysik.
Dieser Beitrag illustriert die o.g. Fragestellungen anhand einiger Darstellungen aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen und erläutert 2 Beispiele zu beabsichtigten Forschungsprojekten:
• Erfassung und Bedeutung von Boden-Oberflächeneigenschaften auf die Abflussbildung von Landschaften;
• Phänomene des Stofftransportes in homogenen vs. heterogenen Böden.
Die Arbeit gibt einen Einblick in die Verständigungspraxen bei Stadtführungen mit (ehemaligen) Obdachlosen, die in ihrem Selbstverständnis auf die Herstellung von Verständnis, Toleranz und Anerkennung für von Obdachlosigkeit betroffene Personen zielen. Zunächst wird in den Diskurs des Slumtourismus eingeführt und, angesichts der Vielfalt der damit verbundenen Erscheinungsformen, Slumming als organisierte Begegnung mit sozialer Ungleichheit definiert. Die zentralen Diskurslinien und die darin eingewobenen moralischen Positionen werden nachvollzogen und im Rahmen der eigenommenen wissenssoziologischen Perspektive als Ausdruck einer per se polykontexturalen Praxis re-interpretiert. Slumming erscheint dann als eine organisierte Begegnung von Lebensformen, die sich in einer Weise fremd sind, als dass ein unmittelbares Verstehen unwahrscheinlich erscheint und genau aus diesem Grund auf der Basis von gängigen Interpretationen des Common Sense ausgehandelt werden muss. Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Arbeit, wie sich Teilnehmer und Stadtführer über die Erfahrung der Obdachlosigkeit praktisch verständigen und welcher Art das hierüber erzeugte Verständnis für die im öffentlichen Diskurs mit vielfältigen stigmatisierenden Zuschreibungen versehenen Obdachlosen ist. Dabei interessiert besonders, in Bezug auf welche Aspekte der Erfahrung von Obdachlosigkeit ein gemeinsames Verständnis möglich wird und an welchen Stellen dieses an Grenzen gerät. Dazu wurden die Gesprächsverläufe auf neun Stadtführungen mit (ehemaligen) obdachlosen Stadtführern unterschiedlicher Anbieter im deutschsprachigen Raum verschriftlicht und mit dem Verfahren der Dokumentarischen Methode ausgewertet. Die vergleichende Betrachtung der Verständigungspraxen eröffnet nicht zuletzt eine differenzierte Perspektive auf die in den Prozessen der Verständigung immer schon eingewobenen Anerkennungspraktiken. Mit Blick auf die moralische Debatte um organisierte Begegnungen mit sozialer Ungleichheit wird dadurch eine ethische Perspektive angeregt, in deren Zentrum Fragen zur Vermittlungsarbeit stehen.
The sea level rise induced intensification of coastal floods is a serious threat to many regions in proximity to the ocean. Although severe flood events are rare they can entail enormous damage costs, especially when built-up areas are inundated. Fortunately, the mean sea level advances slowly and there is enough time for society to adapt to the changing environment. Most commonly, this is achieved by the construction or reinforcement of flood defence measures such as dykes or sea walls but also land use and disaster management are widely discussed options. Overall, albeit the projection of sea level rise impacts and the elaboration of adequate response strategies is amongst the most prominent topics in climate impact research, global damage estimates are vague and mostly rely on the same assessment models. The thesis at hand contributes to this issue by presenting a distinctive approach which facilitates large scale assessments as well as the comparability of results across regions. Moreover, we aim to improve the general understanding of the interplay between mean sea level rise, adaptation, and coastal flood damage.
Our undertaking is based on two basic building blocks. Firstly, we make use of macroscopic flood-damage functions, i.e. damage functions that provide the total monetary damage within a delineated region (e.g. a city) caused by a flood of certain magnitude. After introducing a systematic methodology for the automatised derivation of such functions, we apply it to a total of 140 European cities and obtain a large set of damage curves utilisable for individual as well as comparative damage assessments. By scrutinising the resulting curves, we are further able to characterise the slope of the damage functions by means of a functional model. The proposed function has in general a sigmoidal shape but exhibits a power law increase for the relevant range of flood levels and we detect an average exponent of 3.4 for the considered cities. This finding represents an essential input for subsequent elaborations on the general interrelations of involved quantities.
The second basic element of this work is extreme value theory which is employed to characterise the occurrence of flood events and in conjunction with a damage function provides the probability distribution of the annual damage in the area under study. The resulting approach is highly flexible as it assumes non-stationarity in all relevant parameters and can be easily applied to arbitrary regions, sea level, and adaptation scenarios. For instance, we find a doubling of expected flood damage in the city of Copenhagen for a rise in mean sea levels of only 11 cm. By following more general considerations, we succeed in deducing surprisingly simple functional expressions to describe the damage behaviour in a given region for varying mean sea levels, changing storm intensities, and supposed protection levels. We are thus able to project future flood damage by means of a reduced set of parameters, namely the aforementioned damage function exponent and the extreme value parameters. Similar examinations are carried out to quantify the aleatory uncertainty involved in these projections. In this regard, a decrease of (relative) uncertainty with rising mean sea levels is detected. Beyond that, we demonstrate how potential adaptation measures can be assessed in terms of a Cost-Benefit Analysis. This is exemplified by the Danish case study of Kalundborg, where amortisation times for a planned investment are estimated for several sea level scenarios and discount rates.
For three small, mountainous catchments in Germany two medium-range forecast systems are compared that predict precipitation for up to 5 days in advance. One system is composed of the global German weather service (DWD) model, GME, which is dynamically downscaled using the COSMO-EU regional model. The other system is an empirical (expanded) downscaling of the ECMWF model IFS. Forecasts are verified against multi-year daily observations, by applying standard skill scores to events of specified intensity. All event classes are skillfully predicted by the empirical system for up to five days lead time. For the available prediction range of one to two days it is superior to the dynamical system.
A digital filter is introduced which treats the problem of predictability versus time averaging in a continuous, seamless manner. This seamless filter (SF) is characterized by a unique smoothing rule that determines the strength of smoothing in dependence on lead time. The rule needs to be specified beforehand, either by expert knowledge or by user demand. As a result, skill curves are obtained that allow a predictability assessment across a whole range of time-scales, from daily to seasonal, in a uniform manner. The SF is applied to downscaled SEAS5 ensemble forecasts for two focus regions in or near the tropical belt, the river basins of the Karun in Iran and the Sao Francisco in Brazil. Both are characterized by strong seasonality and semi-aridity, so that predictability across various time-scales is in high demand. Among other things, it is found that from the start of the water year (autumn), areal precipitation is predictable with good skill for the Karun basin two and a half months ahead; for the Sao Francisco it is only one month, longer-term prediction skill is just above the critical level.
Soil is today considered a non-renewable resource on societal time scale, as the rate of soil loss is higher than the one of soil formation.
Soil formation is complex, can take several thousands of years and is influenced by a variety of factors, one of them is time. Oftentimes, there is the assumption of constant and progressive conditions for soil and/or profile development (i.e., steady-state). In reality, for most of the soils, their (co-)evolution leads to a complex and irregular soil development in time and space characterised by “progressive” and “regressive” phases.
Lateral transport of soil material (i.e., soil erosion) is one of the principal processes shaping the land surface and soil profile during “regressive” phases and one of the major environmental problems the world faces.
Anthropogenic activities like agriculture can exacerbate soil erosion. Thus, it is of vital importance to distinguish short-term soil redistribution rates (i.e., within decades) influenced by human activities differ from long-term natural rates. To do so, soil erosion (and denudation) rates can be determined by using a set of isotope methods that cover different time scales at landscape level.
With the aim to unravel the co-evolution of weathering, soil profile development and lateral redistribution on a landscape level, we used Pluthonium-239+240 (239+240Pu), Beryllium-10 (10Be, in situ and meteoric) and Radiocarbon (14C) to calculate short- and long-term erosion rates in two settings, i.e., a natural and an anthropogenic environment in the hummocky ground moraine landscape of the Uckermark, North-eastern Germany. The main research questions were:
1. How do long-term and short-term rates of soil redistributing processes differ?
2. Are rates calculated from in situ 10Be comparable to those of using meteoric 10Be?
3. How do soil redistribution rates (short- and long-term) in an agricultural and in a natural landscape compare to each other?
4. Are the soil patterns observed in northern Germany purely a result of past events (natural and/or anthropogenic) or are they imbedded in ongoing processes?
Erosion and deposition are reflected in a catena of soil profiles with no or almost no erosion on flat positions (hilltop), strong erosion on the mid-slope and accumulation of soil material at the toeslope position. These three characteristic process domains were chosen within the CarboZALF-D experimental site, characterised by intense anthropogenic activities. Likewise, a hydrosequence in an ancient forest was chosen for this study and being regarded as a catena strongly influenced by natural soil transport.
The following main results were obtained using the above-mentioned range of isotope methods available to measure soil redistribution rates depending on the time scale needed (e.g., 239+240Pu, 10Be, 14C):
1. Short-term erosion rates are one order of magnitude higher than long-term rates in agricultural settings.
2. Both meteoric and in situ 10Be are suitable soil tracers to measure the long-term soil redistribution rates giving similar results in an anthropogenic environment for different landscape positions (e.g., hilltop, mid-slope, toeslope)
3. Short-term rates were extremely low/negligible in a natural landscape and very high in an agricultural landscape – -0.01 t ha-1 yr-1 (average value) and -25 t ha-1 yr-1 respectively. On the contrary, long-term rates in the forested landscape are comparable to those calculated in the agricultural area investigated with average values of -1.00 t ha-1 yr-1 and -0.79 t ha-1 yr-1.
4. Soil patterns observed in the forest might be due to human impact and activities started after the first settlements in the region, earlier than previously postulated, between 4.5 and 6.8 kyr BP, and not a result of recent soil erosion.
5. Furthermore, long-term soil redistribution rates are similar independently from the settings, meaning past natural soil mass redistribution processes still overshadow the present anthropogenic erosion processes.
Overall, this study could make important contributions to the deciphering of the co-evolution of weathering, soil profile development and lateral redistribution in North-eastern Germany. The multi-methodological approach used can be challenged by the application in a wider range of landscapes and geographic regions.
Pollen records from Siberia are mostly absent in global or Northern Hemisphere synthesis works. Here we present a taxonomically harmonized and temporally standardized pollen dataset that was synthesized using 173 palynological records from Siberia and adjacent areas (northeastern Asia, 42-75 degrees N, 50-180 degrees E). Pollen data were taxonomically harmonized, i.e. the original 437 taxa were assigned to 106 combined pollen taxa. Age-depth models for all records were revised by applying a constant Bayesian age-depth modelling routine. The pollen dataset is available as count data and percentage data in a table format (taxa vs. samples), with age information for each sample. The dataset has relatively few sites covering the last glacial period between 40 and 11.5 ka (calibrated thousands of years before 1950 CE) particularly from the central and western part of the study area. In the Holocene period, the dataset has many sites from most of the area, with the exception of the central part of Siberia. Of the 173 pollen records, 81 % of pollen counts were downloaded from open databases (GPD, EPD, PANGAEA) and 10 % were contributions by the original data gatherers, while a few were digitized from publications. Most of the pollen records originate from peatlands (48 %) and lake sediments (33 %). Most of the records (83 %) have >= 3 dates, allowing the establishment of reliable chronologies. The dataset can be used for various purposes, including pollen data mapping (example maps for Larix at selected time slices are shown) as well as quantitative climate and vegetation reconstructions. The datasets for pollen counts and pollen percentages are available at https://doi.org/10.1594/PANGAEA.898616 (Cao et al., 2019a), also including the site information, data source, original publication, dating data, and the plant functional type for each pollen taxa.
Analyse der Landschaftszerschneidung und -fragmentierung, Untersuchung und Anwendung verschiedener Zerschneidungsgeometrien und deren Implementierung für unterschiedliche Indikatoren. Die Ergebnisse des methodischen Vergleiches für den Landkreis Havelland sollen die Grundlage für die Auswahl der geeignetesten Methode bei einer landesweite Untersuchung in Brandenburg liefern.
With the growing size and use of night light time series from the Visible Infrared Imaging Radiometer Suite Day/Night Band (DNB), it is important to understand the stability of the dataset. All satellites observe differences in pixel values during repeat observations. In the case of night light data, these changes can be due to both environmental effects and changes in light emission. Here we examine the stability of individual locations of particular large scale light sources (e.g., airports and prisons) in the monthly composites of DNB data from April 2012 to September 2017. The radiances for individual pixels of most large light emitters are approximately normally distributed, with a standard deviation of typically 15-20% of the mean. Greenhouses and flares, however, are not stable sources. We observe geospatial autocorrelation in the monthly variations for nearby sites, while the correlation for sites separated by large distances is small. This suggests that local factors contribute most to the variation in the pixel radiances and furthermore that averaging radiances over large areas will reduce the total variation. A better understanding of the causes of temporal variation would improve the sensitivity of DNB to lighting changes.
Accurate weather observations are the keystone to many quantitative applications, such as precipitation monitoring and nowcasting, hydrological modelling and forecasting, climate studies, as well as understanding precipitation-driven natural hazards (i.e. floods, landslides, debris flow). Weather radars have been an increasingly popular tool since the 1940s to provide high spatial and temporal resolution precipitation data at the mesoscale, bridging the gap between synoptic and point scale observations. Yet, many institutions still struggle to tap the potential of the large archives of reflectivity, as there is still much to understand about factors that contribute to measurement errors, one of which is calibration. Calibration represents a substantial source of uncertainty in quantitative precipitation estimation (QPE). A miscalibration of a few dBZ can easily deteriorate the accuracy of precipitation estimates by an order of magnitude. Instances where rain cells carrying torrential rains are misidentified by the radar as moderate rain could mean the difference between a timely warning and a devastating flood.
Since 2012, the Philippine Atmospheric, Geophysical, and Astronomical Services Administration (PAGASA) has been expanding the country’s ground radar network. We had a first look into the dataset from one of the longest running radars (the Subic radar) after devastating week-long torrential rains and thunderstorms in August 2012 caused by the annual southwestmonsoon and enhanced by the north-passing Typhoon Haikui. The analysis of the rainfall spatial distribution revealed the added value of radar-based QPE in comparison to interpolated rain gauge observations. However, when compared with local gauge measurements, severe miscalibration of the Subic radar was found. As a consequence, the radar-based QPE would have underestimated the rainfall amount by up to 60% if they had not been adjusted by rain gauge observations—a technique that is not only affected by other uncertainties, but which is also not feasible in other regions of the country with very sparse rain gauge coverage.
Relative calibration techniques, or the assessment of bias from the reflectivity of two radars, has been steadily gaining popularity. Previous studies have demonstrated that reflectivity observations from the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) and its successor, the Global Precipitation Measurement (GPM), are accurate enough to serve as a calibration reference for ground radars over low-to-mid-latitudes (± 35 deg for TRMM; ± 65 deg for GPM). Comparing spaceborne radars (SR) and ground radars (GR) requires cautious consideration of differences in measurement geometry and instrument specifications, as well as temporal coincidence. For this purpose, we implement a 3-D volume matching method developed by Schwaller and Morris (2011) and extended by Warren et al. (2018) to 5 years worth of observations from the Subic radar. In this method, only the volumetric intersections of the SR and GR beams are considered.
Calibration bias affects reflectivity observations homogeneously across the entire radar domain. Yet, other sources of systematic measurement errors are highly heterogeneous in space, and can either enhance or balance the bias introduced by miscalibration. In order to account for such heterogeneous errors, and thus isolate the calibration bias, we assign a quality index to each matching SR–GR volume, and thus compute the GR calibration bias as a qualityweighted average of reflectivity differences in any sample of matching SR–GR volumes. We exemplify the idea of quality-weighted averaging by using beam blockage fraction (BBF) as a quality variable. Quality-weighted averaging is able to increase the consistency of SR and GR observations by decreasing the standard deviation of the SR–GR differences, and thus increasing the precision of the bias estimates.
To extend this framework further, the SR–GR quality-weighted bias estimation is applied to the neighboring Tagaytay radar, but this time focusing on path-integrated attenuation (PIA) as the source of uncertainty. Tagaytay is a C-band radar operating at a lower wavelength and is therefore more affected by attenuation. Applying the same method used for the Subic radar, a time series of calibration bias is also established for the Tagaytay radar.
Tagaytay radar sits at a higher altitude than the Subic radar and is surrounded by a gentler terrain, so beam blockage is negligible, especially in the overlapping region. Conversely, Subic radar is largely affected by beam blockage in the overlapping region, but being an SBand radar, attenuation is considered negligible. This coincidentally independent uncertainty contributions of each radar in the region of overlap provides an ideal environment to experiment with the different scenarios of quality filtering when comparing reflectivities from the two ground radars. The standard deviation of the GR–GR differences already decreases if we consider either BBF or PIA to compute the quality index and thus the weights. However, combining them multiplicatively resulted in the largest decrease in standard deviation, suggesting that taking both factors into account increases the consistency between the matched samples.
The overlap between the two radars and the instances of the SR passing over the two radars at the same time allows for verification of the SR–GR quality-weighted bias estimation method. In this regard, the consistency between the two ground radars is analyzed before and after bias correction is applied. For cases when all three radars are coincident during a significant rainfall event, the correction of GR reflectivities with calibration bias estimates from SR overpasses dramatically improves the consistency between the two ground radars which have shown incoherent observations before correction. We also show that for cases where adequate SR coverage is unavailable, interpolating the calibration biases using a moving average can be used to correct the GR observations for any point in time to some extent. By using the interpolated biases to correct GR observations, we demonstrate that bias correction reduces the absolute value of the mean difference in most cases, and therefore improves the consistency between the two ground radars.
This thesis demonstrates that in general, taking into account systematic sources of uncertainty that are heterogeneous in space (e.g. BBF) and time (e.g. PIA) allows for a more consistent estimation of calibration bias, a homogeneous quantity. The bias still exhibits an unexpected variability in time, which hints that there are still other sources of errors that remain unexplored. Nevertheless, the increase in consistency between SR and GR as well as between the two ground radars, suggests that considering BBF and PIA in a weighted-averaging approach is a step in the right direction.
Despite the ample room for improvement, the approach that combines volume matching between radars (either SR–GR or GR–GR) and quality-weighted comparison is readily available for application or further scrutiny. As a step towards reproducibility and transparency in atmospheric science, the 3D matching procedure and the analysis workflows as well as sample data are made available in public repositories. Open-source software such as Python and wradlib are used for all radar data processing in this thesis. This approach towards open science provides both research institutions and weather services with a valuable tool that can be applied to radar calibration, from monitoring to a posteriori correction of archived data.
Landscapes in high northern latitudes are assumed to be highly sensitive to future global change, but the rates and long-term trajectories of changes are rather uncertain. In the boreal zone, fires are an important factor in climate-vegetation interactions and biogeochemical cycles. Fire regimes are characterized by small, frequent, low-intensity fires within summergreen boreal forests dominated by larch, whereas evergreen boreal forests dominated by spruce and pine burn large areas less frequently but at higher intensities. Here, we explore the potential of the monosaccharide anhydrides (MA) levoglucosan, mannosan and galactosan to serve as proxies of low-intensity biomass burning in glacial-to-interglacial lake sediments from the high northern latitudes. We use sediments from Lake El'gygytgyn (cores PG 1351 and ICDP 5011-1), located in the far north-east of Russia, and study glacial and interglacial samples of the last 430 kyr (marine isotope stages 5e, 6, 7e, 8, 11c and 12) that had different climate and biome configurations. Combined with pollen and non-pollen palynomorph records from the same samples, we assess how far the modern relationships between fire, climate and vegetation persisted during the past, on orbital to centennial timescales. We find that MAs attached to particulates were well-preserved in up to 430 kyr old sediments with higher influxes from low-intensity biomass burning in interglacials compared to glacials. MA influxes significantly increase when summergreen boreal forest spreads closer to the lake, whereas they decrease when tundra-steppe environments and, especially, Sphagnum peatlands spread. This suggests that low-temperature fires are a typical characteristic of Siberian larch forests also on long timescales. The results also suggest that low-intensity fires would be reduced by vegetation shifts towards very dry environments due to reduced biomass availability, as well as by shifts towards peatlands, which limits fuel dryness. In addition, we observed very low MA ratios, which we interpret as high contributions of galactosan and mannosan from biomass sources other than those currently monitored, such as the moss-lichen mats in the understorey of the summergreen boreal forest. Overall, sedimentary MAs can provide a powerful proxy for fire regime reconstructions and extend our knowledge of long-term natural fire-climate-vegetation feedbacks in the high northern latitudes.
Eine Zunahme der allgemeinen Temperatur auf Grund des Klimawandels und die damit einhergehende Zunahme von Hitzewellen führten dazu, dass das Landesamt für Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV) einen Leitfaden für den Schutz der positiven Klimafunktion urbaner Böden herausgab. Darauf aufbauend wurde auf regionaler Ebene für die Stadt Düsseldorf die Kühlleistung der urbanen Böden quantifiziert, um besonders schutzwürdige Bereiche zu identifizieren. Im Rahmen des Projektes ExTrass sollte nun die Kühlleistung urbaner Böden innerhalb Remscheids quantifiziert werden, jedoch auf Basis von frei zugänglichen Daten. Eine solche Datengrundlage schließt eine Modellierung des Bodenwasserhaushaltes, welches die Grundlage der Quantifizierung in Düsseldorf war, für Remscheid aus. Jedoch bietet der vorgestellte Ansatz die Möglichkeit, eine solche Untersuchung auch in anderen Gemeinden innerhalb Deutschlands mit relativ wenig Aufwand durchzuführen.
Die Kühlleistung der Böden wurde über die nutzbare Feldkapazität abgeschätzt, welche das Wasserspeichervolumen der obersten durchwurzelten Bodenzone angibt. Es ist der Bodenwasserspeicher, der Wasser für die Evapotranspiration zur Verfügung stellt und damit maßgeblich die Kühlleistung eines Bodens definiert, d.h. durch direkte Evaporation des Bodenwassers sowie durch die Transpiration von Wasser durch Pflanzen. In die Erstellung der Karte sind eingegangen: (a) die Bodenkarte Nordrhein-Westfalens (BK50), um die nutzbare Feldkapazität (nFK) je Fläche zu bestimmen; (b) der Landnutzungsdatensatz UrbanAtlas 2012, in Verbindung mit einer Literaturrecherche, um den Einfluss der Landnutzung auf die Werte der nFK, insbesondere im Hinblick auf Versiegelung und Verdichtung herzuleiten; und (c) OpenStreetMap (OSM), um den Anteil der versiegelten Flächen genauer zu bestimmen, als dies auf Basis des UrbanAtlas möglich gewesen wäre.
Es hat sich gezeigt, dass dieser Ansatz geeignet ist, um die räumliche Verteilung der potenziellen Bodenkühlfunktion innerhalb einer Stadt zu untersuchen. Es ist zu beachten, dass der Einfluss des Grundwassers in Remscheid nicht berücksichtigt werden konnte. Denn es ist damit zu rechnen, dass die Grundwasserverhältnisse aufgrund der geologischen und topographischen Situation in Remscheid kleinräumig Variationen unterliegen und es somit
keinen durchgängigen und kartierten Aquifer gibt.
Kleingartenanlagen, Parks und Friedhöhe im innerstädtischen Bereich und allgemein die Landnutzungsklassen Wald und Grünland wurden als Flächen mit einem besonders hohem potenziellen Bodenkühlpotenzial identifiziert. Solche Flächen sind besonders schützenswert. Die Analyse der Speicherfüllstände der oberen Bodenzone, basierend auf der erstellten Karte der potenziellen Bodenkühlfunktion und der klimatischen Wasserbilanz, ergab, dass besonders innerstädtische Flächen, die einen kleinen Bodenwasserspeicher haben, in einem trockenen Jahr bereits früh im Sommer ihre Kühlfunktion verlieren und bei Hitzewellen somit eine verringerte positive Klimafunktion haben. Gestützt wird diese Aussage durch eine Auswertung des normalisierten differenzierten Vegetationsindex (NDVI), der genutzt wurde, um die Veränderung der Pflanzenvitalität vor und nach einer Hitzeperiode im Juni/Juli 2018 zu untersuchen.
Messungen mit Meteobikes, einer Vorrichtung, die dazu geeignet ist, während einer Radfahrt kontinuierlich die Temperatur zu messen, stützen die Erkenntnis, dass innerstädtische Grünflächen wie Parks eine positive Wirkung auf das urbane Mikroklima haben. Weiterhin zeigen diese Messungen, dass die Topographie innerhalb des Untersuchungsgebietes die Aufheizung einzelner Flächen und die Temperaturverteilung vermutlich mitbestimmt. Die hier vorgestellte Karte der potenziellen Kühlfunktion für Remscheid sollte als Ergänzung in die Klimafunktionskarte für Remscheid eingehen und den bestehenden Layer „flächenhafte Klimafunktion“, der nur die Landnutzung berücksichtigt, ersetzen.
Climate change heavily impacts smallholder farming worldwide. Cross-scale vulnerability assessment has a high potential to identify nested measures for reducing vulnerability of smallholder farmers. Despite their high practical value, there are currently only limited examples of cross-scale assessments. The presented study aims at assessing the vulnerability of smallholder farmers in the Northeast of Brazil across three scales: regional, farm and field scale. In doing so, it builds on existing vulnerability indices and compares results between indices at the same scale and across scales. In total, six independent indices are tested, two at each scale. The calculated indices include social, economic and ecological indicators, based on municipal statistics, meteorological data, farm interviews and soil analyses. Subsequently, indices and overlapping indicators are normalized for intra- and cross-scale comparison. The results show considerable differences between indices across and within scales. They indicate different activities to reduce vulnerability of smallholder farmers. Major shortcomings arise from the conceptual differences between the indices. We therefore recommend the development of hierarchical indices, which are adapted to local conditions and contain more overlapping indicators for a better understanding of the nested vulnerabilities of smallholder farmers.
Understanding hydrological processes is of fundamental importance for the Vietnamese national food security and the livelihood of the population in the Vietnamese Mekong Delta (VMD). As a consequence of sparse data in this region, however, hydrologic processes, such as the controlling processes of precipitation, the interaction between surface and groundwater, and groundwater dynamics, have not been thoroughly studied. The lack of this knowledge may negatively impact the long-term strategic planning for sustainable groundwater resources management and may result in insufficient groundwater recharge and freshwater scarcity. It is essential to develop useful methods for a better understanding of hydrological processes in such data-sparse regions. The goal of this dissertation is to advance methodologies that can improve the understanding of fundamental hydrological processes in the VMD, based on the analyses of stable water isotopes and monitoring data. The thesis mainly focuses on the controlling processes of precipitation, the mechanism of surface–groundwater interaction, and the groundwater dynamics. These processes have not been fully addressed in the VMD so far. The thesis is based on statistical analyses of the isotopic data of Global Network of Isotopes in Precipitation (GNIP), of meteorological and hydrological data from Vietnamese agencies, and of the stable water isotopes and monitoring data collected as part of this work.
First, the controlling processes of precipitation were quantified by the combination of trajectory analysis, multi-factor linear regression, and relative importance analysis (hereafter, a model‐based statistical approach). The validity of this approach is confirmed by similar, but mainly qualitative results obtained in other studies. The total variation in precipitation isotopes (δ18O and δ2H) can be better explained by multiple linear regression (up to 80%) than single-factor linear regression (30%). The relative importance analysis indicates that atmospheric moisture regimes control precipitation isotopes rather than local climatic conditions. The most crucial factor is the upstream rainfall along the trajectories of air mass movement. However, the influences of regional and local climatic factors vary in importance over the seasons. The developed model‐based statistical approach is a robust tool for the interpretation of precipitation isotopes and could also be applied to understand the controlling processes of precipitation in other regions.
Second, the concept of the two-component lumped-parameter model (LPM) in conjunction with stable water isotopes was applied to examine the surface–groundwater interaction in the VMD. A calibration framework was also set up to evaluate the behaviour, parameter identifiability, and uncertainties of two-component LPMs. The modelling results provided insights on the subsurface flow conditions, the recharge contributions, and the spatial variation of groundwater transit time. The subsurface flow conditions at the study site can be best represented by the linear-piston flow distribution. The contributions of the recharge sources change with distance to the river. The mean transit time (mTT) of riverbank infiltration increases with the length of the horizontal flow path and the decreasing gradient between river and groundwater. River water infiltrates horizontally mainly via the highly permeable aquifer, resulting in short mTTs (<40 weeks) for locations close to the river (<200 m). The vertical infiltration from precipitation takes place primarily via a low‐permeable overlying aquitard, resulting in considerably longer mTTs (>80 weeks). Notably, the transit time of precipitation infiltration is independent of the distance to the river. All these results are hydrologically plausible and could be quantified by the presented method for the first time. This study indicates that the highly complex mechanism of surface–groundwater interaction at riverbank infiltration systems can be conceptualized by exploiting two‐component LPMs. It is illustrated that the model concept can be used as a tool to investigate the hydrological functioning of mixing processes and the flow path of multiple water components in riverbank infiltration systems.
Lastly, a suite of time series analysis approaches was applied to examine the groundwater dynamics in the VMD. The assessment was focused on the time-variant trends of groundwater levels (GWLs), the groundwater memory effect (representing the time that an aquifer holds water), and the hydraulic response between surface water and multi-layer alluvial aquifers. The analysis indicates that the aquifers act as low-pass filters to reduce the high‐frequency signals in the GWL variations, and limit the recharge to the deep groundwater. The groundwater abstraction has exceeded groundwater recharge between 1997 and 2017, leading to the decline of groundwater levels (0.01-0.55 m/year) in all considered aquifers in the VMD. The memory effect varies according to the geographical location, being shorter in shallow aquifers and flood-prone areas and longer in deep aquifers and coastal regions. Groundwater depth, season, and location primarily control the variation of the response time between the river and alluvial aquifers. These findings are important contributions to the hydrogeological literature of a little-known groundwater system in an alluvial setting. It is suggested that time series analysis can be used as an efficient tool to understand groundwater systems where resources are insufficient to develop a physical-based groundwater model.
This doctoral thesis demonstrates that important aspects of hydrological processes can be understood by statistical analysis of stable water isotope and monitoring data. The approaches developed in this thesis can be easily transferred to regions in similar tropical environments, particularly those in alluvial settings. The results of the thesis can be used as a baseline for future isotope-based studies and contribute to the hydrogeological literature of little-known groundwater systems in the VMD.
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.
Wasser erweist sich immer mehr als eine der kostbarsten und zukünftig knappsten Ressourcen auf unserem Planeten. Effizienter Umgang mit dieser Ressource ist deshalb auch in Großbewässerungsgebieten weltweit zu einer obersten Priorität geworden. Dabei spielt verstärkte Mitbestimmung und Partizipation der lokalen Bevölkerung erwiesenerweise eine wichtige Rolle. In einer viermonatigen Feldstudie wurden im Bewässerungsgebiet Office du Niger, Mali, in zwei Dörfern die örtlichen „Bauernorganisationen zum Unterhalt des tertiären Bewässerungssystems“ evaluiert. Welchen Nutzen und welche Erfolge können sie vorweisen? Wo liegen Probleme in Umsetzung und Akzeptanz der lokalen Organisationsstrukturen? Die vorliegende Arbeit stellt umfassend die Möglichkeiten und Grenzen bäuerlicher Selbstorganisation zum nachhaltigen Kanalunterhalt in der Forschungsregion dar, ergründet die vorliegenden Problemfaktoren und zeigt Schritte zur Überwindung derselbigen auf.
Das rasant voranschreitende Wirtschaftswachstum Chiles in Zusammenhang mit einer sehr liberalen Wirtschafts- und Stadtentwicklungspolitik ist Ursache für eine tiefgreifende gesellschaftliche und urbane Umstrukturierung der chilenischen Hauptstadt. Die Nutznießer dieser Entwicklung sind in jüngster Zeit besonders auch Angehörige der unteren Mittelschicht, für die eigens preiswerte bewachte und umzäunte Wohnprojekte ins Leben gerufen werden. Schwerpunkt der vorliegenden Untersuchung war es, diese sich neu formierende Gesellschaftsschicht genauer zu betrachten und zu untersuchen, mit welchen Anpassungshandlungen diese auf die veränderten Lebens- und Wohnbedingungen innerhalb dieser sogenannten condominios reagieren. Das Konzept condominio scheint zunächst die ideale Antwort auf zahlreiche Handlungsprobleme zu sein; das Wohnen im abgeschlossenen Wohnviertel gibt das Gefühl der Sicherheit und Kontrolle der unmittelbaren Umgebung und ist durch seine Exklusivität gleichzeitig ein willkommenes Statussymbol. Erst auf den zweiten Blick wird sichtbar, was das condominio nicht leisten kann und welche weiteren Probleme mit dem Wohnen im abgeschlossenen Viertel entstehen. Im Laufe der Analyse wurde jedoch die trotz aller Problemlagen essentielle Bedeutung des condominios für ihre Bewohner erkennbar. Die neue Wohnform der unteren Mittelschicht ist nicht nur ein Produkt der sich in ihren Potentialen, Ansprüchen und Werten verändernden Anwohner. Sie wird auch aktiv für die Konstruktion von sozialen Identitäten genutzt und ist damit also zentrales Element in der Formation und Identifikation dieser Gesellschafts-schicht.
Inhalt: 1 Einleitung 1.1 Fragestellung und Ziele der Arbeit 1.2 Methodische Vorüberlegungen 1.3 Auswahl der Untersuchungsorte 1.4 Forschungspraxis und forschungspraktische Probleme 2 Der Untersuchungsraum 2.1 Fidschi - ein einführen der Überblick 2.2 Das Dorf Naikeleyaga auf der Insel Kabara 2.3 Suva 2.4 Die lebenspraktische Dimension der räumlichen Ungleichheiten - ein zusammenfassender Überblick 3 Die Bevölkerungsentwicklung des Dorfes Naikeleyaga vor dem Hintergrund der räumlichen Mobilität seiner Gemeinschaft 3.1 Einleitung 3.2 Bevölkerungsstand des Dorfes Naikeleyaga (1993) 3.3 Bevölkerungsdynamik des Dorfes Naikeleyaga 3.4 Wanderungserfahrungen der 1993 anwesenden Bevölkerung 3.5 Die multilokale Dorfgemeinschaft: Zur räumlichen Verteilung der registrierten Angehörigen der yavusa 3.6 Naikeleyaganer in Suva 3.7 Zusammenfassung 4 Analyse individueller Wanderungsbiographien 4.1 Einleitung 4.2 Die Untersuchungsgruppe 4.3 Die bisherigen Aufenthaltsorte der Befragten 4.4 Muster der räumlichen Mobilität 4.5 Zur Häufigkeit und Frequenz der individuellen Bewegungen 4.6 Zur Dauer der einzelnen Bewegungen 4.7 Zirkuläre Bewegungen und Etappenwanderungen 4.8 Zusammenfassung 5 Wanderungsentschlüsse im Kontext: Lebensgeschichten ausgewählter Mitglieder der Dorfgemeinschaft 5.1 Einführung 5.2 Fallbeispiele 5.3 Schlußfolgerungen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Resümee 6.2 Reflektion 6.3 Ausblick
High-mountain regions provide valuable ecosystem services, including food, water, and energy production, to more than 900 million people worldwide. Projections hold, that this population number will rapidly increase in the next decades, accompanied by a continued urbanisation of cities located in mountain valleys. One of the manifestations of this ongoing socio-economic change of mountain societies is a rise in settlement areas and transportation infrastructure while an increased power need fuels the construction of hydropower plants along rivers in the high-mountain regions of the world. However, physical processes governing the cryosphere of these regions are highly sensitive to changes in climate and a global warming will likely alter the conditions in the headwaters of high-mountain rivers. One of the potential implications of this change is an increase in frequency and magnitude of outburst floods – highly dynamic flows capable of carrying large amounts of water and sediments. Sudden outbursts from lakes formed behind natural dams are complex geomorphological processes and are often part of a hazard cascade. In contrast to other types of natural hazards in high-alpine areas, for example landslides or avalanches, outburst floods are highly infrequent. Therefore, observations and data describing for example the mode of outburst or the hydraulic properties of the downstream propagating flow are very limited, which is a major challenge in contemporary (glacial) lake outburst flood research. Although glacial lake outburst floods (GLOFs) and landslide-dammed lake outburst floods (LLOFs) are rare, a number of documented events caused high fatality counts and damage. The highest documented losses due to outburst floods since the start of the 20th century were induced by only a few high-discharge events. Thus, outburst floods can be a significant hazard to downvalley communities and infrastructure in high-mountain regions worldwide.
This thesis focuses on the Greater Himalayan region, a vast mountain belt stretching across 0.89 million km2. Although potentially hundreds of outburst floods have occurred there since the beginning of the 20th century, data on these events is still scarce. Projections of cryospheric change, including glacier-mass wastage and permafrost degradation, will likely result in an overall increase of the water volume stored in meltwater lakes as well as the destabilisation of mountain slopes in the Greater Himalayan region. Thus, the potential for outburst floods to affect the increasingly more densely populated valleys of this mountain belt is also likely to increase in the future. A prime example of one of these valleys is the Pokhara valley in Nepal, which is drained by the Seti Khola, a river crossing one of the steepest topographic gradients in the Himalayas. This valley is also home to Nepal’s second largest, rapidly growing city, Pokhara, which currently has a population of more than half a million people – some of which live in informal settlements within the floodplain of the Seti Khola. Although there is ample evidence for past outburst floods along this river in recent and historic times, these events have hardly been quantified.
The main motivation of my thesis is to address the data scarcity on past and potential future outburst floods in the Greater Himalayan region, both at a regional and at a local scale. For the former, I compiled an inventory of >3,000 moraine-dammed lakes, of which about 1% had a documented sudden failure in the past four decades. I used this data to test whether a number of predictors that have been widely applied in previous GLOF assessments are statistically relevant when estimating past GLOF susceptibility. For this, I set up four Bayesian multi-level logistic regression models, in which I explored the credibility of the predictors lake area, lake-area dynamics, lake elevation, parent-glacier-mass balance, and monsoonality. By using a hierarchical approach consisting of two levels, this probabilistic framework also allowed for spatial variability on GLOF susceptibility across the vast study area, which until now had not been considered in studies of this scale. The model results suggest that in the Nyainqentanglha and Eastern Himalayas – regions with strong negative glacier-mass balances – lakes have been more prone to release GLOFs than in regions with less negative or even stable glacier-mass balances. Similarly, larger lakes in larger catchments had, on average, a higher probability to have had a GLOF in the past four decades. Yet, monsoonality, lake elevation, and lake-area dynamics were more ambiguous. This challenges the credibility of a lake’s rapid growth in surface area as an indicator of a pending outburst; a metric that has been applied to regional GLOF assessments worldwide.
At a local scale, my thesis aims to overcome data scarcity concerning the flow characteristics of the catastrophic May 2012 flood along the Seti Khola, which caused 72 fatalities, as well as potentially much larger predecessors, which deposited >1 km³ of sediment in the Pokhara valley between the 12th and 14th century CE. To reconstruct peak discharges, flow depths, and flow velocities of the 2012 flood, I mapped the extents of flood sediments from RapidEye satellite imagery and used these as a proxy for inundation limits. To constrain the latter for the Mediaeval events, I utilised outcrops of slackwater deposits in the fills of tributary valleys. Using steady-state hydrodynamic modelling for a wide range of plausible scenarios, from meteorological (1,000 m³ s-1) to cataclysmic outburst floods (600,000 m³ s-1), I assessed the likely initial discharges of the recent and the Mediaeval floods based on the lowest mismatch between sedimentary evidence and simulated flood limits. One-dimensional HEC-RAS simulations suggest, that the 2012 flood most likely had a peak discharge of 3,700 m³ s-1 in the upper Seti Khola and attenuated to 500 m³ s-1 when arriving in Pokhara’s suburbs some 15 km downstream.
Simulations of flow in two-dimensions with orders of magnitude higher peak discharges in ANUGA show extensive backwater effects in the main tributary valleys. These backwater effects match the locations of slackwater deposits and, hence, attest for the flood character of Mediaeval sediment pulses. This thesis provides first quantitative proof for the hypothesis, that the latter were linked to earthquake-triggered outbursts of large former lakes in the headwaters of the Seti Khola – producing floods with peak discharges of >50,000 m³ s-1.
Building on this improved understanding of past floods along the Seti Khola, my thesis continues with an analysis of the impacts of potential future outburst floods on land cover, including built-up areas and infrastructure mapped from high-resolution satellite and OpenStreetMap data. HEC-RAS simulations of ten flood scenarios, with peak discharges ranging from 1,000 to 10,000 m³ s-1, show that the relative inundation hazard is highest in Pokhara’s north-western suburbs. There, the potential effects of hydraulic ponding upstream of narrow gorges might locally sustain higher flow depths. Yet, along this reach, informal settlements and gravel mining activities are close to the active channel. By tracing the construction dynamics in two of these potentially affected informal settlements on multi-temporal RapidEye, PlanetScope, and Google Earth imagery, I found that exposure increased locally between three- to twentyfold in just over a decade (2008 to 2021).
In conclusion, this thesis provides new quantitative insights into the past controls on the susceptibility of glacial lakes to sudden outburst at a regional scale and the flow dynamics of propagating flood waves released by past events at a local scale, which can aid future hazard assessments on transient scales in the Greater Himalayan region. My subsequent exploration of the impacts of potential future outburst floods to exposed infrastructure and (informal) settlements might provide valuable inputs to anticipatory assessments of multiple risks in the Pokhara valley.
Pokhara (ca. 850 m a.s.l.), Nepal's second-largest city, lies at the foot of the Higher Himalayas and has more than tripled its population in the past 3 decades. Construction materials are in high demand in rapidly expanding built-up areas, and several informal settlements cater to unregulated sand and gravel mining in the Pokhara Valley's main river, the Seti Khola. This river is fed by the Sabche glacier below Annapurna III (7555 m a.s.l.), some 35 km upstream of the city, and traverses one of the steepest topographic gradients in the Himalayas. In May 2012 a sudden flood caused >70 fatalities and intense damage along this river and rekindled concerns about flood risk management. We estimate the flow dynamics and inundation depths of flood scenarios using the hydrodynamic model HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System). We simulate the potential impacts of peak discharges from 1000 to 10 000 m3 s−1 on land cover based on high-resolution Maxar satellite imagery and OpenStreetMap data (buildings and road network). We also trace the dynamics of two informal settlements near Kaseri and Yamdi with high potential flood impact from RapidEye, PlanetScope, and Google Earth imagery of the past 2 decades. Our hydrodynamic simulations highlight several sites of potential hydraulic ponding that would largely affect these informal settlements and sites of sand and gravel mining. These built-up areas grew between 3- and 20-fold, thus likely raising local flood exposure well beyond changes in flood hazard. Besides these drastic local changes, about 1 % of Pokhara's built-up urban area and essential rural road network is in the highest-hazard zones highlighted by our flood simulations. Our results stress the need to adapt early-warning strategies for locally differing hydrological and geomorphic conditions in this rapidly growing urban watershed.
Water shortage is a serious threat for many societies worldwide. In drylands, water management measures like the construction of reservoirs are affected by eroded sediments transported in the rivers. Thus, the capability of assessing water and sediment fluxes at the river basin scale is of vital importance to support management decisions and policy making. This subject was addressed by the DFG-funded SESAM-project (Sediment Export from large Semi-Arid catchments: Measurements and Modelling). As a part of this project, this thesis focuses on (1) the development and implementation of an erosion module for a meso-scale catchment model, (2) the development of upscaling and generalization methods for the parameterization of such model, (3) the execution of measurements to obtain data required for the modelling and (4) the application of the model to different study areas and its evaluation. The research was carried out in two meso-scale dryland catchments in NE-Spain: Ribera Salada (200 km²) and Isábena (450 km²). Adressing objective 1, WASA-SED, a spatially semi-distributed model for water and sediment transport at the meso-scale was developed. The model simulates runoff and erosion processes at the hillslope scale, transport processes of suspended and bedload fluxes in the river reaches, and retention and remobilisation processes of sediments in reservoirs. This thesis introduces the model concept, presents current model applications and discusses its capabilities and limitations. Modelling at larger scales faces the dilemma of describing relevant processes while maintaining a manageable demand for input data and computation time. WASA-SED addresses this challenge by employing an innovative catena-based upscaling approach: the landscape is represented by characteristic toposequences. For deriving these toposequences with regard to multiple attributes (eg. topography, soils, vegetation) the LUMP-algorithm (Landscape Unit Mapping Program) was developed and related to objective 2. It incorporates an algorithm to retrieve representative catenas and their attributes, based on a Digital Elevation Model and supplemental spatial data. These catenas are classified to provide the discretization for the WASA-SED model. For objective 3, water and sediment fluxes were monitored at the catchment outlet of the Isábena and some of its sub-catchments. For sediment yield estimation, the intermittent measurements of suspended sediment concentration (SSC) had to be interpolated. This thesis presents a comparison of traditional sediment rating curves (SRCs), generalized linear models (GLMs) and non-parametric regression using Random Forests (RF) and Quantile Regression Forests (QRF). The observed SSCs are highly variable and range over six orders of magnitude. For these data, traditional SRCs performed poorly, as did GLMs, despite including other relevant process variables (e.g. rainfall intensities, discharge characteristics). RF and QRF proved to be very robust and performed favourably for reproducing sediment dynamics. QRF additionally excels in providing estimates on the accuracy of the predictions. Subsequent analysis showed that most of the sediment was exported during intense storms of late summer. Later floods yielded successively less sediment. Comparing sediment generation to yield at the outlet suggested considerable storage effects within the river channel. Addressing objective 4, the WASA-SED model was parameterized for the two study areas in NE Spain and applied with different foci. For Ribera Salada, the uncalibrated model yielded reasonable results for runoff and sediment. It provided quantitative measures of the change in runoff and sediment yield for different land-uses. Additional land management scenarios were presented and compared to impacts caused by climate change projections. In contrast, the application for the Isábena focussed on exploring the full potential of the model's predictive capabilities. The calibrated model achieved an acceptable performance for the validation period in terms of water and sediment fluxes. The inadequate representation of the lower sub-catchments inflicted considerable reductions on model performance, while results for the headwater catchments showed good agreement despite stark contrasts in sediment yield. In summary, the application of WASA-SED to three catchments proved the model framework to be a practicable multi-scale approach. It successfully links the hillslope to the catchment scale and integrates the three components hillslope, river and reservoir in one model. Thus, it provides a feasible approach for tackling issues of water and sediment yield at the meso-scale. The crucial role of processes like transmission losses and sediment storage in the river has been identified. Further advances can be expected when the representation of connectivity of water and sediment fluxes (intra-hillslope, hillslope-river, intra-river) is refined and input data improves.
Cosmic-ray neutron sensing (CRNS) is a non-invasive tool for measuring hydrogen pools such as soil moisture, snow or vegetation. The intrinsic integration over a radial hectare-scale footprint is a clear advantage for averaging out small-scale heterogeneity, but on the other hand the data may become hard to interpret in complex terrain with patchy land use.
This study presents a directional shielding approach to prevent neutrons from certain angles from being counted while counting neutrons entering the detector from other angles and explores its potential to gain a sharper horizontal view on the surrounding soil moisture distribution.
Using the Monte Carlo code URANOS (Ultra Rapid Neutron-Only Simulation), we modelled the effect of additional polyethylene shields on the horizontal field of view and assessed its impact on the epithermal count rate, propagated uncertainties and aggregation time.
The results demonstrate that directional CRNS measurements are strongly dominated by isotropic neutron transport, which dilutes the signal of the targeted direction especially from the far field. For typical count rates of customary CRNS stations, directional shielding of half-spaces could not lead to acceptable precision at a daily time resolution. However, the mere statistical distinction of two rates should be feasible.
Der Rangsdorfer See (A = 2,44 km² , z(max) = 6 m, z(mean) = 1,930 m) im Landkreis Teltow Fläming ist einer von vielen Gewässern in Brandenburg, die derzeit den nach EU-Wasserrahmenrichtlinie geforderten guten Zustand nicht erreichen. Bekanntlich gilt Phosphor für viele Gewässer als der bedeutendste produktionslimitierende Nährstoff und ist somit aussichtsreicher Steuerfaktor für eine erfolgreiche Seentherapie.
Ziel dieser Arbeit war es, die Gewässergüte des Rangsdorfer Sees nach trophischen Aspekten zu bewerten, Phosphor-Eintragspfade zu identifizieren, welche die höchsten Frachten verursachen sowie Therapiemaßnahmen zu finden, die eine langfristige Zustandsverbesserung ermöglichen. In einer Szenarioanalyse wurde das modifizierte Einbox Modell angewendet, um die Wirksamkeit externer und interner Therapiemaßnahmen abzuschätzen. Nach Abschluss der Studienarbeiten können folgende Schlüsse gezogen werden:
Der Rangsdorfer See ist aufgrund seiner Morphometrie ein naturgegebenes nährstoffreiches Gewässer und war das auch schon, bevor anthropogene Einflüsse auf ihn einwirkten. Langjährige Nährstoffeinträge verschiedener Herkunft (Abwassereinleitungen, Fischintensivhaltung, Rieselfelder) führten jedoch zu einer übermäßigen Produktivität. Viele Belastungsquellen wurden ausgeschaltet, es findet jedoch immer noch ein relevanter Nährstoffaustrag aus dem Einzugsgebiet statt. Unter Verwendung von Phosphor-Bilanzmodellen und seetypspezifischen kritischen Phosphor-Seekonzentrationen zeigt sich, dass die aktuell stattfindende externe Phosphor-Belastung den kritischen Phosphor-Eintrag zur mutmaßlichen Erreichung des guten ökologischen Zustandes überschreitet. Anteilig die größte Fracht wird über den natürlichen Hauptzufluss in den Rangsdorfer See transportiert. Sanierungsmaßnahmen in dessen Einzugsgebiet stellen ein effektives Mittel dar. Eine technische Lösung zur Nährstoffminderung im Zufluss (Eliminierungsanlage) kann unterstützend eingesetzt werden, muss aber dann bei unveränderter hoher Phosphor-Konzentration im Zufluss dauerhaft betrieben werden. Das Einbox Modell stellte sich als hilfreiches Instrument zur Vorauswahl geeigneter Therapiemaßnahmen heraus.
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.
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.
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.
Physical and hydrological properties of peat as proxies for degradation of South African peatlands
(2018)
The physical and hydrological properties of peat from seven peatlands in northern Maputaland (South Africa) were investigated and related to the degradation processes of peatlands in different hydrogeomorphic settings. The selected peatlands are representative of typical hydrogeomorphic settings and different stages of human modification from natural to severely degraded. Nineteen transects (141 soil corings in total) were examined in order to describe peat properties typical of the distinct hydrogeomorphic settings. We studied degree of decomposition, organic matter content, bulk density, water retention, saturated hydraulic conductivity and hydrophobicity of the peats. From these properties we derived pore size distribution, unsaturated hydraulic conductivity and maximum capillary rise. We found that, after drainage, degradation advances faster in peatlands containing wood peat than in peatlands containing radicell peat. Eucalyptus plantations in catchment areas are especially threatening to peatlands in seeps, interdune depressions and unchannelled valley bottoms. All peatlands and their recharge areas require wise management, especially valley-bottom peatlands with swamp forest vegetation. Blocking drainage ditches is indispensable as a first step towards achieving the restoration of drained peatland areas, and further measures may be necessary to enhance the distribution of water. The sensitive swamp forest ecosystems should be given conservation priority.
In this dissertation, I describe the mechanisms involved in magmatic plumbing system establishment and evolution. Magmatic plumbing systems play a key role in determining volcanic activity style and recognizing its complexities can help in forecasting eruptions, especially within hazardous volcanic systems such as calderas. I explore the mechanisms of dike emplacement and intrusion geometry that shape magmatic plumbing systems beneath caldera-like topographies and how their characteristics relate to precursory activity of a volcanic eruption. For this purpose, I use scaled laboratory models to study the effect of stress field reorientation on a propagating dike induced by caldera topography. I construct these models by using solid gelatin to mimic the elastic properties of the earth's crust with a caldera on the surface. I inject water as the magma analog and track the evolution of the experiments through qualitative (geometry and stress evolution) and quantitative (displacement and strain computation) descriptions. The results show that a vertical dike deviates towards and outside of the caldera-like margin due to stress field reorientation beneath the caldera-like topography. The propagating intrusion forms a circumferential-eruptive dike when the caldera-like size is small, whereas a cone sheet develops beneath the large caldera-like topography.
To corroborate the results obtained from the experimental models, this thesis also describes the results of a case study utilizing seismic monitoring data associated with the unrest period of the 2015 phreatic eruption of Lascar volcano. Lascar has a crater with a small-scale caldera-like topography and exhibited long-lasting anomalous evolution of the number of long-period (LP) events preceding the 2015 eruption. I apply seismic techniques to constrain the hypocentral locations of LP events and characterize their spatial distribution, obtaining an image of Lascar's plumbing system. I observe an agreement in shallow hypocentral locations obtained through four different seismic techniques; nevertheless, the cross-correlation technique provides the best results. These results depict a plumbing system with a narrow sub-vertical deep conduit and a shallow hydrothermal system, where most LP events are located. These two regions are connected through an intermediate region of path divergence, whose geometry and orientation likely is influenced by stress reorientation due to topographic effects of the caldera-like crater.
Finally, in order to further enhance the interpretations of the previous case study, the seismic data was analyzed in tandem with a complementary multiparametric monitoring dataset. This complementary study confirms that the anomalous LP activity occurred as a sign of unrest in the preparatory phase of the phreatic eruption. In addition, I show how changes observed in other monitored parameters enabled to detect further signs of unrest in the shallow hydrothermal system. Overall, this study demonstrates that detecting complex geometric regions within plumbing systems beneath volcanoes is fundamental to produce an effective forecast of eruptions that from a first view seem to occur without any precursory activity.
Furthermore, through the development of this research I show that combining methods that include both observations and models allows one to obtain a more precise interpretation of the volcanic processes.
Sicherung und Entwicklung von Böden und ihren Funktionen in Niederungen durch Naturschutzmaßnahmen
(2007)
Mit dem 1999 in Kraft getretenen Bundesbodenschutzgesetz ist eine wichtige Grundlage geschaffen, den Boden u. a. stärker in Planungs- und Zulassungsverfahren zu berücksichtigen. Die Ziele des Gesetzes, die nachhaltige Sicherung und Wiederherstellung von Bodenfunktionen, können wegen fehlender gesetzlicher Instrumente allerdings nicht eigenständig umgesetzt werden. Eine Schnittstelle zur Realisierung bodenbezogener Erhaltungs- und Entwicklungsziele bieten deshalb naturschutzrechtliche Instrumente wie die Landschaftsplanung, die Eingriffsregelung und Pflege- und Entwicklungspläne von Schutzgebieten. Am Beispiel beeinträchtigter Niederungsböden wird in der Arbeit hinterfragt und aufgezeigt, inwieweit auf das Schutzgut Boden bezogene Maßnahmenplanungen wie Wiedervernässung und Extensivierung mit naturschutzrechtlichen Instrumenten effektiv erstellt und umgesetzt werden können. Es liegt die Hypothese zugrunde, dass eine genaue Ist-Zustandserfassung von Niederungsböden auf Grundlage der in der naturschutzfachlichen Planungspraxis gängig herangezogenen Kartengrundlagen nicht möglich ist. Für die Bestimmung der Entwicklungspotenziale von Niederungsböden sowie die Erarbeitung detaillierter Maßnahmenplanungen ist eine gezielte Vor-Ort-Erhebung planungsrelevanter Bodenmerkmale erforderlich, auf die jedoch häufig verzichtet wird. Zudem wird bisher den Wirkungen von Maßnahmen auf das Leistungsvermögen und die Funktionsfähigkeit sowie den erforderlichen Ausgangsvoraussetzungen zu wenig Beachtung geschenkt. Dies erschwert die Umsetzung mit naturschutzrechtlichen Instrumenten. Ziel der Arbeit ist es, verallgemeinerbare Handlungsempfehlungen für die Durchführung von Vor-Ort-Erhebungen und die Ableitung von Aufwertungspotenzialen von Niederungsböden für eine zielgerichtete Maßnahmenkonzeption und sachgerechte Umsetzung zu formulieren. Auf der Basis einer Literaturanalyse und einer Untersuchung der aktuellen Standortausprägung in einem Beispielgebiet, dem Polder "Götz-Gollwitz", der in der entwässerten Niederung der "Mittleren Havel" (Bundesland Brandenburg)liegt, - wird untersucht, wie die Maßnahmen Wiedervernässung und Extensivierung auf die Bodeneigenschaften wirken und welche Veränderungen zum Erhalt und zur Verbesserung der Funktionsfähigkeit der Böden führen. - werden die aktuellen Substrat- und Bodentypen, die hydromorphen Verhältnisse sowie die Vegetationsausprägung gekennzeichnet. Es erfolgt ein Vergleich der Ergebnisse mit der Aussagekraft von standortkundlichen Kartenwerken. - werden Entwicklungsszenarien skizziert. Es wird aufgezeigt, welche Ausgangsvoraussetzungen und durchzuführenden Maßnahmen für die Erreichung bodenbezogener Ziele im Polder "Götz-Gollwitz" erforderlich und welche Wirkungen dabei auf den Boden, die derzeitige Flächennutzung sowie auf die Biotop- und Artenausstattung zu erwarten sind. Auf Basis der prognostizierten Standortveränderungen erfolgt die Diskussion, inwieweit es in Abhängigkeit der Szenarien bzw. der dabei getätigten Maßnahmen im Einzelnen zum Erhalt bzw. zur Verbesserung der Funktionsfähigkeit von Böden kommt. Für die Formulierung von Handlungsempfehlungen - wird anhand dreier häufig auftretender Ausgangszustände eine vom Beispielgebiet losgelöste Diskussion zum Erhalt und zu Verbesserungsmöglichkeiten der Leistungs- und Funktionsfähigkeit von Böden geführt. Dabei erfolgt die Unterscheidung, ob konkrete Maßnahmen als Ausgleichs- und Ersatzmaßnahmen aus der naturschutzrechtlichen Eingriffsregelung oder durch Pflege- und Entwicklungspläne als sonstige Minderungs-, Erhaltungs- oder Entwicklungsmaßnahmen umgesetzt werden können. - werden die Aktualität sowie Flächen- und Aussagenschärfe von Kartengrundlagen bewertet und ein Teil der Bodenparameter bestimmt, die unbedingt im Gelände zu erheben sind, um Ziele und Maßnahmen gezielter abzuleiten. - wird aus den Untersuchungen abgeleitet, mit welchem Aufwand und Methoden eine Überprüfung der aktuellen Standortausprägung zu erfolgen hat. Die Herleitung eines vertretbaren Erhebungsaufwandes (Punktdichte und -anordnung) wird durch verschiedene Rechenbeispiele unterstützt, die auf Basis der Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI) und der im Beispielgebiet aufgebrachten Arbeitszeit kalkuliert werden. Die Vorgehensweise für die Prüfung und Erhebung des aktuellen Bodenzustandes sowie Ableitung der Aufwertungspotenziale von Bodenfunktionen wird in einem Ablaufschema dargestellt. Schlussfolgerungen beziehen sich auf Erreichung bodenbezogener Zielvorstellung in Abhängigkeit von den Anforderungen naturschutzrechtlicher Planungsinstrumente. Es wird die Bedeutung von Vor-Ort-Erhebungen als wertvollen Planungsbeitrag herausgestellt und die Notwendigkeit und Möglichkeiten aufgezeigt, für die Ebene der Maßnahmenplanung finanzielle Mittel zur Begleichung der Kosten von Vor-Ort-Erhebungen aufzubringen. Die vorliegende Arbeit leistet einen substanziellen Beitrag dazu, bodenbezogene Maßnahmenplanungen in Niederungsgebieten künftig realistischer und sachgerecht mit Instrumenten des Naturschutzes durchführen zu können.