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Climate fluctuations and the pyroclastic depositions from volcanic activity both influence ecosystem functioning and biogeochemical cycling in terrestrial and marine environments globally. These controlling factors are crucial for the evolution and fate of the pristine but fragile fjord ecosystem in the Magellanic moorlands (~53°S) of southernmost Patagonia, which is considered a critical hotspot for organic carbon burial and marine bioproductivity. At this active continental margin in the core zone of the southern westerly wind belt (SWW), frequent Plinian eruptions and the extremely variable, hyper-humid climate should have efficiently shaped ecosystem functioning and land-to-fjord mass transfer throughout the Late Holocene. However, a better understanding of the complex process network defining the biogeochemical cycling at this land-to-fjord continuum principally requires a detailed knowledge of substrate weathering and pedogenesis in the context of the extreme climate. Yet, research on soils, the ubiquitous presence of tephra and the associated chemical weathering, secondary mineral (trans)formation and organic matter (OM) turnover processes is rare in this remote region. This complicates an accurate reconstruction of the ecosystem´s potentially sensitive response to past environmental impacts, including the dynamics of Late Holocene land-to-fjord fluxes as a function of volcanic activity and strong hydroclimate variability.
Against this background, this PhD thesis aims to disentangle the controlling factors that modulate the terrigenous element mobilization and export mechanisms in the hyper-humid Patagonian Andes and assesses their significance for fjord primary productivity over the past 4.5 kyrs BP. For the first time, distinct biogeochemical characteristics of the regional weathering system serve as major criterion in paleoenvironmental reconstruction in the area. This approach includes broad-scale mineralogical and geochemical analyses of basement lithologies, four soil profiles, volcanic ash deposits, the non-karst stalagmite MA1 and two lacustrine sediment cores. In order to pay special attention to the possibly important temporal variations of pedosphere-atmosphere interaction and ecological consequences initiated by volcanic eruptions, the novel data were evaluated together with previously published reconstructions of paleoclimate and paleoenvironmental conditions.
The devastative high-tephra loading of a single eruption from Mt. Burney volcano (MB2 at 4.216 kyrs BP) sustainably transformed this vulnerable fjord ecosystem, while acidic peaty Andosols developed from ~2.5 kyrs BP onwards after the recovery from millennium-scale acidification. The special setting is dominated by most variable redox-pH conditions, profound volcanic ash weathering and intense OM turnover processes, which are closely linked and ultimately regulated by SWW-induced water-level fluctuations. Constant nutrient supply though sea spray deposition represents a further important control on peat accumulation and OM turnover dynamics. These extreme environmental conditions constrain the biogeochemical framework for an extended land-to-fjord export of leachates comprising various organic and inorganic colloids (i.e., Al-humus complexes and Fe-(hydr)oxides). Such tephra- and/or Andosol-sourced flux contains high proportions of terrigenous organic carbon (OCterr) and mobilized essential (micro)nutrients, e.g., bio-available Fe, that are beneficial for fjord bioproductivity. It can be assumed that this supply of bio-available Fe produced by specific Fe-(hydr)oxide (trans)formation processes from tephra components may outlast more than 6 kyrs and surpasses the contribution from basement rock weathering and glacial meltwaters. However, the land-to-fjord exports of OCterr and bio-available Fe occur mostly asynchronous and are determined by the frequency and duration of redox cycles in soils or are initiated by SWW-induced extreme weather events.
The verification of (crypto)tephra layers embedded stalagmite MA1 enabled the accurate dating of three smaller Late Holocene eruptions from Mt. Burney (MB3 at 2.291 kyrs BP and MB4 at 0.853 kyrs BP) and Aguilera (A1 at 2.978 kyrs BP) volcanoes. Irrespective of the improvement of the regional tephrochronology, the obtained precise 230Th/U-ages allowed constraints on the ecological consequences caused by these Plinian eruptions. The deposition of these thin tephra layers should have entailed a very beneficial short-term stimulation of fjord bioproductivity with bio-available Fe and other (micro)nutrients, which affected the entire area between 52°S and 53°S 30´, respectively. For such beneficial effects, the thickness of tephra deposited to this highly vulnerable peatland ecosystem should be below a threshold of 1 cm.
The Late Holocene element mobilization and land-to-fjord transport was mainly controlled by (i) volcanic activity and tephra thickness, (ii) SWW-induced and southern hemispheric climate variability and (iii) the current state of the ecosystem. The influence of cascading climate and environmental impacts on OCterr and Fe-(hydr)oxide fluxes to can be categorized by four individual, in part overlapping scenarios. These different scenarios take into account the previously specified fundamental biogeochemical mechanisms and define frequently recurring patterns of ecosystem feedbacks governing the land-to-fjord mass transfer in the hyper-humid Patagonian Andes on the centennial-scale. This PhD thesis provides first evidence for a primarily tephra-sourced, continuous and long-lasting (micro)nutrient fertilization for phytoplankton growth in South Patagonian fjords, which is ultimately modulated by variations in SWW-intensity. It highlights the climate sensitivity of such critical land-to-fjord element transport and particularly emphasizes the important but so far underappreciated significance of volcanic ash inputs for biogeochemical cycles at active continental margins.
Ziel der Dissertation ist es, den Hochwasserschutz und das Management extremer Hoch-wasser für das Einzugsgebiet der Isar zu verbessern mit Hinblick darauf, wie sich vorhandene und neu zu schaffende Retentionsräume mit optimaler Wirkung für das gesamte Flusssystem einsetzen lassen. Dafür sind Kenntnisse über extreme Ereignisse und deren Auswirkung auf die betrachteten Einzugsgebiete notwendig. Großskalige Niederschläge in Mitteleuropa werden überwiegend durch Vb-artige Zugbahnen ausgelöst. Die Relevanz für Bayern zeigt die Auswertung des neuesten Kataloges der Vb-Zugbahnen für den Zeitraum 1959 bis 2015. In den Monaten April bis Oktober haben Vb-Zugbahnen zu ca. 30 % der beobachten Hochwasser beigetragen. Im Sommer führt sogar jedes zweite Vb-Tief zu Hochwasser. Im Donaueinzugsgebiet können 50 % der 20 größten Hochwasser direkt auf Vb-Zugbahnen zurückgeführt werden, weitere 25 % durch ähnliche Zugbahnen oder auf eine Vb aktiven Phase. Über die Hälfe der größten Hochwasser traten dabei in Bezug zu einer Serie von Vb-Tiefs auf. 60 % der Vb-Zugbahnen sind Teil einer Serie von Vb-Tiefs. Aus wiederkehrenden Niederschlägen persistenter Zugbahnen resultieren mehrgipflige Hochwasserwellen, die insbesondere für Rückhalteräume betrachtet werden müssen (DIN 19700). Die Detailuntersuchung erfolgt unter besonderer Beachtung der Untersuchungen zu den Vb-Zugbahnen. Das Isareinzugsgebiet mit 8900 km-² besitzt mit den Seen im Voralpenland große natürliche Retentionsräume und mit dem Sylvensteinspeicher im alpinen Einzugsgebiet den größten staatlichen Speicher Bayerns. Für die Wirkungsanalyse von gekoppelten Hoch-wasserrückhalteräumen in komplexen Einzugsgebieten müssen Ganglinien mit einem Nie-derschlag-Abfluss-Modell generiert werden, die den Wellenablauf des Hochwassers im ge-samten Einzugsgebiet repräsentieren. Die Dissertation analysiert, wie sich der Einsatz ver-schiedener Verfahren zur Vorgabe der Eingangsniederschläge auswirkt. Dabei liegt der Schwerpunkt der Untersuchung auf dem Niederschlagsverlauf. Es wird ein Verfahren zur Ableitung von Ganglinien aus standardisierten beobachteten Niederschlagsverläufen entwi-ckelt. Die Hochwasserganglinien, generiert aus synthetischen Niederschlagsverläufen der Bemessung, werden am Beispiel des Sylvensteinspeichers mit den drei größten abgelaufe-nen Hochwasserereignissen verglichen und diskutiert, ob mit dem neuen Verfahren die Cha-rakteristik der beobachten Hochwasser besser wiedergeben wird. Der Fokus liegt dabei auf der Wellenüberlagerung. Es kann für das ganze Gebiet gezeigt werden, dass die mit der neuen Methode standardisierten beobachteten Niederschlagsverläufe besser geeignet sind, die Wellenüberlagerung wiederzugeben, da zeitliche Unterschiede durch die Staueffekte an den Alpen berücksichtigt werden, wie sie bei Vb-Zugbahn geprägten Niederschlägen entste-hen. Es kann daher bei ähnlichen Fragestellungen empfohlen werden, diese Methode in der Praxis als Variante hinzuzuziehen, um die natürlichen Prozesse repräsentativer zu beschrei-ben. Für die Simulation mit dem N-A-Modell LARSIM werden die Unsicherheiten durch Varianten-rechnungen gezeigt. Es hat sich herausgestellt, dass nicht nur der Niederschlagsverlauf und die Vorbedingungen des Ereignisses eine große Auswirkung auf die Kalibrierung der Ab-flussbeiwerte im N-A-Modell haben, sondern auch das gewählte Flood-Routing-Verfahren und die Gerinnerauheit. Schließlich wird die Bewertung der potenziellen Standorte durchgeführt. Es wird berechnet, wo das Hochwasser zurückgehalten werden muss, um sowohl eine lokale Reduktion des Hochwasserscheitels, als auch gleichzeitig eine möglichst große Schutzwirkung für das Ge-samtsystem zu ermöglichen. Priorisiert werden Rückhaltestandorte, die praktisch umsetzbar sind und den größten Nutzen haben. Die Untersuchung einer Doppelwelle, die durch eine Serie von Vb-Zugbahnen entstehen kann, zeigt, wie die Einschätzung potenzieller Standorte verändern kann. Der alpine und zum Teil der voralpine Raum reagieren mit kurzen steilen Ganglinien und sind gegenüber Doppelwellen weniger sensitiv, weil kaum Wellenüberlagerung entsteht. Für den Sylvensteinspeicher, der im alpinen Raum liegt, können daher kurze Niederschlagspausen für eine schnelle Entlastung des Speicherraumes genutzt werden. Un-terhalb von Seen mit einem großen Retentionsvermögen erzeugen Doppelwellen aufgrund der langen Retentionsäste durch die Wellenüberlagerung deutlich höhere Abflüsse als Ein-zelwellen. Rückhalt an der oberen Isar ist unter diesen Kriterien am optimalsten. Empfohlene Maßnahmen - ohne Bauaufwand - konnten bereits umgesetzt werden und verbessern den Hochwasserschutz und das Hochwassermanagement an der Isar. Die Auswertungen zeigen, dass in den Monaten April, Mai, September und Oktober die Hochwasserereignisse in Folge von Vb-Zugbahnen im Zuge der Klimaveränderung häufiger und in den Sommermonaten extremer werden könnten.
It is generally assumed that the temperature increase associated with global climate change will lead to increased thunderstorm intensity and associated heavy precipitation events. In the present study it is investigated whether the frequency of thunderstorm occurrences will in- or decrease and how the spatial distribution will change for the A1B scenario. The region of interest is Central Europe with a special focus on the Saar-Lor-Lux region (Saarland, Lorraine, Luxembourg) and Rhineland-Palatinate.Daily model data of the COSMO-CLM with a horizontal resolution of 4.5 km is used. The simulations were carried out for two different time slices: 1971"2000 (C20), and 2071"2100 (A1B). Thunderstorm indices are applied to detect thunderstorm-prone conditions and differences in their frequency of occurrence in the two thirty years timespans. The indices used are CAPE (Convective Available Potential Energy), SLI (Surface Lifted Index), and TSP (Thunderstorm Severity Potential).The investigation of the present and future thunderstorm conducive conditions show a significant increase of non-thunderstorm conditions. The regional averaged thunderstorm frequencies will decrease in general, but only in the Alps a potential increase in thunderstorm occurrences and intensity is found. The comparison between time slices of 10 and 30 years length show that the number of gridpoints with significant signals increases only slightly. In order to get a robust signal for severe thunderstorm, an extension to more than 75 years would be necessary.
High-resolution projections of the future climate are required to assess climate change realistically at a regional scale. This is in particular important for climate change impact studies since global projections are much too coarse to represent local conditions adequately. A major concern is thereby the change of extreme values in a warming climate due to their severe impact on the natural environment, socio-economical systems and the human health. Regional climate models (RCMs) are, however, able to reproduce much of those local features. Current horizontal resolutions are about 18-25km, which is still too coarse to directly resolve small-scale processes such as deep-convection. For this reason, projections of a possible future climate were simulated in this study with the regional climate model COSMO-CLM at horizontal resolutions of 4.5km and 1.3km for the region of Saarland-Lorraine-Luxemburg and Rhineland-Palatinate for the first time. At a horizontal scale of about 1km deep-convection is treated explicitly, which is expected to improve particularly the simulation of convective summer precipitation and a better resolved orography is expected to improve near surface fields such as 2m temperature. These simulations were performed as 10-year long time-slice experiments for the present climate (1991"2000), the near future (2041"2050) and the end of the century (2091"2100). The climate change signals of the annual and seasonal means and the change of extremes are analysed with respect to precipitation and 2m temperature and a possible added value due to the increased resolution is investigated. To assess changes in extremes, extreme indices have been applied and 10- and 20-year return levels were estimated by "peak-over-threshold" models. Since it is generally known that model output of RCMs should not directly be used for climate change impact studies, the precipitation and temperature fields were bias-corrected with several quantile-matching methods. Among them is a new developed parametric method which includes an extension for extreme values and is hence expected to improve the correction. In addition, the impact of the bias-correction on the climate change signals and on the extreme value statistics was investigated. The results reveal a significant warming of the annual mean by about +1.7 -°C until 2041"2050 and +3.7 -°C until 2091"2100, but considerably stronger signals of up to +5 -°C in summer in the Rhine Valley. Furthermore, the daily variability increases by about +0.8 -°C in summer but decreases by about -0.8 -°C in winter. Consequently, hot extremes increase moderately until the mid of the century but strongly thereafter, in particular in the Rhine Valley. Cold extremes warm continuously in the complete domain in the next 100 years but strongest in mountainous areas. The change signals with regard to annual precipitation are of the order -±10% but not significant. Significant, however, are a predicted increase of +32% of the seasonal precipitation in autumn until 2041"2050 and a decrease of -28% in summer until 2091-2100. No significant changes were found for days with intensities > 20 mm/day, but the results indicate that extremes with return periods ≤2 years increase as well as the frequency and duration of dry periods. The bias-corrections amplified positive signals but dampened negative signals and considerably reduced the power of detection. Moreover, absolute values and frequencies of extremes were altered by the correction but change signals remained approximately constant. The new method outperformed other parametric methods, in particular with regard to extreme value correction and related extreme indices and return levels. Although the bias correction removed systematic errors, it should be treated as an additional layer of uncertainty in climate change studies. Finally, the increased resolution of 1.3km improved predominantly the representation of temperature fields and extremes in terms of spatial heterogeneity. The benefits for summer precipitation were not as clear due to a severe dry-bias in summer, but it could be shown that in principle the onset and intensity of convection improves. This work demonstrates that climate change will have severe impacts in this investigation area and that in particular extremes may change considerably. An increased resolution provides thereby an added value to the results. These findings encourage further investigations, for other variables as for example near-surface wind, which will be more feasible with growing computing resources. These analyses should, however, be repeated with longer time series, different RCMs and anthropogenic scenarios to determine the robustness and uncertainty of these results more extensively.
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des EU INTERREG NWE IVB Projektes "ForeStClim - Transnational Forestry Management Strategies in Response to Regional Climate Change Impacts". Zum Zweck der Verbesserung des Prozessverständnisses von Abflussprozessen in Wäldern sowie zur Validierung und Weiterentwicklung eines GIS-basierten Tools (GIS-DRP) zur Erstellung von Abflussprozesskarten wurden auf 25 Test-Plots in vier Einzugsgebieten in Rheinland-Pfalz und dem Großherzogtum Luxemburg boden-hydrologische Untersuchungen durchgeführt. Auf Grundlage dieser Untersuchungen konnten große intraspezifische Unterschiede im Abflussverhalten von Waldstandorten erhoben werden. Die Differenzen werden dabei hauptsächlich durch das Substrat, die bodenphysikalischen Eigenschaften, die Nutzung bzw. deren Intensität und die Vorfeuchte bedingt. Es wurde nachgewiesen, dass Wälder generell hohe Infiltrationsraten aufweisen und verzögerte Zwischenabflussprozesse begünstigen. Durch einen prinzipiell naturnahen Waldbau und etwaige Meliorationsmaßnahmen auf Niederertragsstandorten bestehen zudem Möglichkeiten positiv auf die Wasserretention und das Wasserspeichervermögen eines Forstbestandes einzuwirken. Die mittels GIS-DRP erstellten Abflussprozesskarten der vier Testgebiete wurden durch die Ergebnisse der Geländeuntersuchungen sowie der Abflussprozesskartierung nach SCHERRER (2006) validiert. Hierdurch wurden für die Abflussgenerierung wichtige Parameter ermittelt und Optimierungsansätze erarbeitet, welche anschließend in GIS-DRP implementiert werden konnten. Verschlämmungsprozesse auf Ackerflächen können nun durch das modifizierte GIS-DRP-Werkzeug identifiziert werden. Zudem war es möglich, Extrem-Ereignis basierte Abflussprozesskarten zu etablieren, die Hot Spots der Abflussgenerierung identifizieren können. Die Einführung des Abflussprozesses "dSSF" (tiefer Zwischenabfluss) wurde durch eine neue Klassifizierung des geologischen Ausgangssubstrates erreicht. Forstwirten und Entscheidungsträgern im Waldmanagement wird somit die Möglichkeit geboten, Expertenwissen in ihre Planungen einfließen zu lassen. Hierdurch kann zum einen positiv auf den Landschaftswasserhaushalt eingewirkt werden, da gezielt auf Flächen nachteiliger Abflussbildung geeignete Maßnahmen des dezentralen Hochwasserschutzes angewandt werden können. Zum anderen werden Potentiale für bestmögliche Waldwachstumsvoraussetzungen in einem Landschaftsraum aufgezeigt. Der nachhaltigen Nutzung von Wäldern wird somit auch im Kontext des Klimawandels Rechnung getragen.
Abstracts book of oral presentations and poster contributions for the mid-term conference of the Interreg IVB NWE project ForeStClim. The international conference took place in Nancy (France) from 20. to 22. September 2010. The topics of the conference sessions were as follows:rnSession 1: Projecting forest sites and stand shiftsrnSession 2: Climate change and water: modelling across spatial and temporal scalesrnSession 3: Addressing climate change in practical silvicultural decision support
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die agrarklimatische und phänologische Situation in der zweiten Hälfte des vergangenen 20. Jahrhunderts für das Mittlere Moseltal am Beispiel der Moselregion im Umfeld der Stadt Bernkastel-Kues ausgewertet. Es konnten erhebliche klimatische und phänologische Veränderungen festgestellt und deren Auswirkungen auf den regionsprägenden Weinbau aufgezeigt werden. Der zeitliche Verlauf der Jahresmittel der Lufttemperatur zeigt eine deutliche Zweiteilung der Entwicklung in den Jahren 1945 bis 2000. Eine Abnahme (- 0.7 K) in der ersten Hälfte und eine deutliche Zunahme (+1.1 K) in der zweiten Hälfte der Zeitreihe. Einen vergleichbaren Verlauf zeigen die Jahresmittel der Tagestemperaturmaxima und -minima. Eine erhebliche Erwärmung lässt sich im April und Mai, August und Oktober und Januar und Dezember beobachten. Die geringsten Veränderungen zeigen Februar, Juli und November. Die Jahresniederschläge lassen keinen Trend im Gesamtabschnitt erkennen. Saisonale Verschiebungen weisen jedoch auf Änderungen in der Niederschlagscharakteristik hin. Die niederschlagsreichste Zeit im Jahr hat sich vom August auf Juni/Juli verschoben (starke Abnahme im August) und der regenärmste Monat vom März auf den Februar. Zunahmen zeigen v. a. September und Oktober. Die Jahressummen der Sonnen-scheindauer zeigen einen starken Rückgang in den Jahren 1945 bis 1981 und eine Trendumkehr in den Jahren bis 2000. Insbesondere der Monat August weist eine starke Zunahme der Sonnenscheindauer auf. Der mittlere jährliche Wachstumsverlauf der Weinrebe beginnt Anfang/Mitte April. Austrieb und Ergrünen folgen bis Mitte Mai. Die Rebe blüht im Durchschnitt zwischen dem 21.6. und 26.6. Mitte Juli sind die Beeren erbsengroß. Das Beerenwachstum und die Fruchtreife dauern in der Regel bis Anfang Oktober. Die Herbsttermine Laubfärbung und Laubfall finden zwischen Mitte Oktober und Anfang November statt. Alle in Bernkastel beobachteten phänologischen Merkmale zeigen eine Vorverlagerung der Eintrittstermine zwischen -6 Tagen und -15 Tagen in den Jahren 1967 bis 2001. Die Beerenentwicklung bzw. Reifephase im Sommer und Frühherbst verlängert sich um rund 10 Tage. Die wärmer gewordenen Monate März und April (geringere Spätfrostgefahr) äußern sich anhand eines früheren Vegetationsbeginns der Rebe. Die wärmeren, trockeneren und sonnenscheinreicheren Monate Mai und Juni führen zu einer erheblichen Vorverlagerung des Blühtermins und zu einer günstigen Verschiebung der Fruchtentwicklungs- und Reifephasen in den trockeneren, wärmeren und strahlungsreicheren Hochsommer. Die optimale Ausreife der Trauben im September und Oktober wird einerseits durch eine Temperaturzunahme gefördert, anderseits durch höhere Niederschlagswerte verzögert oder behindert. Die phänologischen Termine Knospung, Austriebs, Blüte und Reifegrad eignen sich somit hervorra-gend als Indikator für die Veränderung der klimatischen Bedingungen im Jahresverlauf. Ein starker Zusammenhang zwischen den Terminen des Blühbeginns der Rebe mit den Temperaturfaktoren und zwischen dem Reifegrad 60 -°Oe und kumulierten Temperatursummen bzw. den Sonnenscheindauern zwischen Mai und August ist ein weiterer Beleg für die stattgefundenen klimatischen Veränderungen im Mittleren Moseltal besonders in den Monaten März bis Juni und August und Oktober.