This cumulative thesis encompass three studies focusing on the Weddell Sea region in the Antarctic. The first study produces and evaluates a high quality data set of wind measurements for this region. The second study produces and evaluates a 15 year regional climate simulation for the Weddell Sea region. And the third study produces and evaluates a climatology of low level jets (LLJs) from the simulation data set. The evaluations were done in the attached three publications and the produced data sets are published online. In 2015/2016, the RV Polarstern undertook an Antarctic expedition in the Weddell Sea. We operated a Doppler wind lidar on board during that time running different scan patterns. The resulting data was evaluated, corrected, processed and we derived horizontal wind speed and directions for vertical profiles with up to 2 km height. The measurements cover 38 days with a temporal resolution of 10-15 minutes. A comparisons with other radio sounding data showed only minor differences. The resulting data set was used alongside other measurements to evaluate temperature and wind of simulation data. The simulation data was produced with the regional climate model CCLM for the period of 2002 to 2016 for the Weddell Sea region. Only smaller biases were found except for a strong warm bias during winter near the surface of the Antarctic Plateau. Thus we adapted the model setup and were able to remove the bias in a second simulation. This new simulation data was then used to derive a climatology of low level jets (LLJs). Statistics of occurrence frequency, height and wind speed of LLJs for the Weddell Sea region are presented along other parameters. Another evaluation with measurements was also performed in the last study.

Wasserbezogene regulierende und versorgende Ökosystemdienstleistungen (ÖSDL) wurden im Hinblick auf das Abflussregime und die Grundwasserneubildung im Biosphärenreservat Pfälzerwald im Südwesten Deutschlands anhand hydrologischer Modellierung unter Verwendung des Soil and Water Assessment Tool (SWAT+) untersucht. Dabei wurde ein holistischer Ansatz verfolgt, wonach den ÖSDL Indikatoren für funktionale und strukturelle ökologische Prozesse zugeordnet werden. Potenzielle Risikofaktoren für die Verschlechterung von wasserbedingten ÖSDL des Waldes, wie Bodenverdichtung durch Befahren mit schweren Maschinen im Zuge von Holzerntearbeiten, Schadflächen mit Verjüngung, entweder durch waldbauliche Bewirtschaftungspraktiken oder durch Windwurf, Schädlinge und Kalamitäten im Zuge des Klimawandels, sowie der Kli-mawandel selbst als wesentlicher Stressor für Waldökosysteme wurden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf hydrologische Prozesse analysiert. Für jeden dieser Einflussfaktoren wurden separate SWAT+-Modellszenarien erstellt und mit dem kalibrierten Basismodell verglichen, das die aktuellen Wassereinzugsgebietsbedingungen basierend auf Felddaten repräsentierte. Die Simulationen bestätigten günstige Bedingungen für die Grundwasserneubildung im Pfälzerwald. Im Zusammenhang mit der hohen Versickerungskapazität der Bodensubstrate der Buntsandsteinverwitterung, sowie dem verzögernden und puffernden Einfluss der Baumkronen auf das Niederschlagswasser, wurde eine signifikante Minderungswirkung auf die Oberflächenabflussbildung und ein ausgeprägtes räumliches und zeitliches Rückhaltepotential im Einzugsgebiet simuliert. Dabei wurde festgestellt, dass erhöhte Niederschlagsmengen, die die Versickerungskapazität der sandigen Böden übersteigen, zu einer kurz geschlossenen Abflussreaktion mit ausgeprägten Oberflächenabflussspitzen führen. Die Simulationen zeigten Wechselwirkungen zwischen Wald und Wasserkreislauf sowie die hydrologische Wirksamkeit des Klimawandels, verschlechterter Bodenfunktionen und altersbezogener Bestandesstrukturen im Zusammenhang mit Unterschieden in der Baumkronenausprägung. Zukunfts-Klimaprojektionen, die mit BIAS-bereinigten REKLIES- und EURO-CORDEX-Regionalklimamodellen (RCM) simuliert wurden, prognostizierten einen höheren Verdunstungsbedarf und eine Verlängerung der Vegetationsperiode bei gleichzeitig häufiger auftretenden Dürreperioden innerhalb der Vegetationszeit, was eine Verkürzung der Periode für die Grundwasserneubildung induzierte, und folglich zu einem prognostizierten Rückgang der Grundwasserneubildungsrate bis zur Mitte des Jahrhunderts führte. Aufgrund der starken Korrelation mit Niederschlagsintensitäten und der Dauer von Niederschlagsereignissen, bei allen Unsicherheiten in ihrer Vorhersage, wurde für die Oberflächenabflussgenese eine Steigerung bis zum Ende des Jahrhunderts prognostiziert. Für die Simulation der Bodenverdichtung wurden die Trockenrohdichte des Bodens und die SCS Curve Number in SWAT+ gemäß Daten aus Befahrungsversuchen im Gebiet angepasst. Die günstigen Infiltrationsbedingungen und die relativ geringe Anfälligkeit für Bodenverdichtung der grobkörnigen Buntsandsteinverwitterung dominierten die hydrologischen Auswirkungen auf Wassereinzugsgebietsebene, sodass lediglich moderate Verschlechterungen wasserbezogener ÖSDL angezeigt wurden. Die Simulationen zeigten weiterhin einen deutlichen Einfluss der Bodenart auf die hydrologische Reaktion nach Bodenverdichtung auf Rückegassen und stützen damit die Annahme, dass die Anfälligkeit von Böden gegenüber Verdichtung mit dem Anteil an Schluff- und Tonbodenpartikeln zunimmt. Eine erhöhte Oberflächenabflussgenese ergab sich durch das Wegenetz im Gesamtgebiet. Schadflächen mit Bestandesverjüngung wurden anhand eines artifiziellen Modells innerhalb eines Teileinzugsgebiets unter der Annahme von 3-jährigen Baumsetzlingen in einem Entwicklungszeitraum von 10 Jahren simuliert und hinsichtlich spezifischer Was-serhaushaltskomponenten mit Altbeständen (30 bis 80 Jahre) verglichen. Die Simulation ließ darauf schließen, dass bei fehlender Kronenüberschirmung die hydrologisch verzögernde Wirkung der Bestände beeinträchtigt wird, was die Entstehung von Oberflächenabfluss begünstigt und eine quantitativ geringfügig höhere Tiefensickerung fördert. Hydrologische Unterschiede zwischen dem geschlossenem Kronendach der Altbestände und Jungbeständen mit annähernden Freilandniederschlagsbedingungen wurden durch die dominierenden Faktoren atmosphärischer Verdunstungsanstoß, Niederschlagsmengen und Kronenüberschirmungsgrad bestimmt. Je weniger entwickelt das Kronendach von verjüngten Waldbeständen im Vergleich zu Altbeständen, je höher der atmosphärische Verdunstungsanstoß und je geringer die eingetragenen Niederschlagsmengen, desto größer war der hydrologische Unterschied zwischen den Bestandestypen. Verbesserungsmaßnahmen für den dezentralen Hochwasserschutz sollten folglich kritische Bereiche für die Abflussbildung im Wald (CSA) berücksichtigen. Die hohe Sensibilität und Anfälligkeit der Wälder gegenüber Verschlechterungen der Ökosystembedingungen legen nahe, dass die Erhaltung des komplexen Gefüges und von intakten Wechselbeziehungen, insbesondere unter der gegebenen Herausforderung des Klimawandels, sorgfältig angepasste Schutzmaßnahmen, Anstrengungen bei der Identifizierung von CSA sowie die Erhaltung und Wiederherstellung der hydrologischen Kontinuität in Waldbeständen erfordern.

Low-level jets (LLJs) are climatological features in polar regions. It is well known that katabatic winds over the slopes of the Antarctic ice sheet are associated with strong LLJs. Barrier winds occurring, e.g., along the Antarctic Peninsula may also show LLJ structures. A few observational studies show that LLJs occur over sea ice regions. We present a model-based climatology of the wind field, of low-level inversions and of LLJs in the Weddell Sea region of the Antarctic for the period 2002–2016. The sensitivity of the LLJ detection on the selection of the wind speed maximum is investigated. The common criterion of an anomaly of at least 2 m/s is extended to a relative criterion of wind speed decrease above and below the LLJ. The frequencies of LLJs are sensitive to the choice of the relative criterion, i.e., if the value for the relative decrease exceeds 15%. The LLJs are evaluated with respect to the frequency distributions of height, speed, directional shear and stability for different regions. LLJs are most frequent in the katabatic wind regime over the ice sheet and in barrier wind regions. During winter, katabatic LLJs occur with frequencies of more than 70% in many areas. Katabatic LLJs show a narrow range of heights (mostly below 200 m) and speeds (typically 10–20 m/s), while LLJs over the sea ice cover a broad range of speeds and heights. LLJs are associated with surface inversions or low-level lifted inversions. LLJs in the katabatic wind and barrier wind regions can last several days during winter. The duration of LLJs is sensitive to the LLJ definition criteria. We propose to use only the absolute criterion for model studies.

Intense, southward low-level winds are common in Nares Strait, between Ellesmere Island and northern Greenland. The steep topography along Nares Strait leads to channelling effects, resulting in an along-strait flow. This research study presents a 30-year climatology of the flow regime from simulations of the COSMO-CLM climate model. The simulations are available for the winter periods (November–April) 1987/88 to 2016/17, and thus, cover a period long enough to give robust long-term characteristics of Nares Strait. The horizontal resolution of 15 km is high enough to represent the complex terrain and the meteorological conditions realistically. The 30-year climatology shows that LLJs associated with gap flows are a climatological feature of Nares Strait. The maximum of the mean 10-m wind speed is around 12 m s-1 and is located at the southern exit of Smith Sound. The wind speed is strongly related to the pressure gradient. Single events reach wind speeds of 40 m s-1 in the daily mean. The LLJs are associated with gap flows within the narrowest parts of the strait under stably stratified conditions, with the main LLJ occurring at 100–250 m height. With increasing mountain Froude number, the LLJ wind speed and height increase. The frequency of strong wind events (>20 m s-1 in the daily mean) for the 10 m wind shows a strong interannual variability with an average of 15 events per winter. Channelled winds have a strong impact on the formation of the North Water polynya.

Climate change is expected to cause mountain species to shift their ranges to higher elevations. Due to the decreasing amounts of habitats with increasing elevation, such shifts are likely to increase their extinction risk. Heterogeneous mountain topography, however, may reduce this risk by providing microclimatic conditions that can buffer macroclimatic warming or provide nearby refugia. As aspect strongly influences the local microclimate, we here assess whether shifts from warm south-exposed aspects to cool north-exposed aspects in response to climate change can compensate for an upward shift into cooler elevations.