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Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Integrierte Analyse von mobilen, organischen Fremdstoffen in Fließgewässern“ (INTAFERE) am Institut für Physische Geographie an der Goethe-Universität Frankfurt erstellt. In INTAFERE wurde das Gefährdungspotenzial von mobilen, organischen Fremdstoffen (MOF) für aquatische Ökosysteme und die natürlichen Wasserressourcen in integrierter und partizipativer Art und Weise untersucht. MOF sind chemische Substanzen, die in Alltagsprodukten enthalten sind und durch unterschiedliche Eintragsfade in unbekannten Mengen in Oberflächengewässer eingetragen werden. Problematisch sind aus Umweltgesichtspunkten ihre Eigenschaften: sie besitzen im Wasser eine hohe Mobilität und sind schwer abbaubar. Dies führt zu einer Persistenz über lange Zeiträume. Für einige dieser Substanzen wurde zudem gezeigt, dass sie in sehr geringen Konzentrationen biologisch aktiv sind und für aquatische Ökosysteme eine Gefahr darstellen. In INTAFERE wurden drei zentrale Ziele verfolgt: Charakterisierung des Problemfeldes MOF, Erzeugung von praxisrelevantem Wissen für das Management von MOF und Entwicklung einer Softwareanwendung, die gesellschaftliche Aushandlungsprozesse durch eine transparente Darstellung der Wirkungszusammenhänge im Problemfeld unterstützt. Um einen Beitrag für die Erfüllung der Ziele zu leisten, war es die Aufgabe der Verfasserin, eine Akteursanalyse und -modellierung durchzuführen sowie Zukunftsszenarien im Bereich der MOF zu entwickeln. Dafür existierte keine adäquate Methodik, daher verfolgt die Dissertation zum einen die Entwicklung einer Methodik und zum anderen deren Anwendung im Kontext des Projektes INTAFERE. Da im Forschungsprozess die Durchführung von Analysen, die wissenschaftliche und gesellschaftliche Sichtweise der Problematik sowie die Erarbeitung von praktischen Lösungen im Mittelpunkt standen, wurde eine transdisziplinäre Herangehensweise gewählt. Ziel war es, eine Methodik zu entwerfen, die sowohl eine Entwicklung von Szenarien als auch eine Modellierung von Handlungsentscheidungen umfasst. Eine Modellierung und Visualisierung von Handlungsentscheidungen ist notwendig, um Strategien für ein Umweltproblem für verschiedene Szenarien zu ermitteln, und damit einen Lernprozess der Stakeholder zu initiieren. Dies wurde mit der transdisziplinären Methode „Akteursbasierte Modellierung“ umgesetzt. Hierbei wurden insbesondere Aspekte der Problemwahrnehmung von Akteuren und deren Darstellung, der partizipativen Szenarienentwicklung sowie der semi-quantitativen Modellierung von Handlungsentscheidungen berücksichtigt. Die Verfasserin hat mit der semi-quantitativen akteursbasierten Modellierung eine Methode erarbeitet und getestet, die bisher unverbundene Komponenten (wie die Software Dynamic Actor Network Analysis (DANA) und die Szenarienentwicklung) zusammenführt. Um Handlungsentscheidungen unter verschiedenen Szenarien zu modellieren hat die Autorin eine sequentielle Modellierung entwickelt, die mit der Software DANA durchgeführt werden kann. Die dafür notwendige Weiterentwicklung von DANA wurde von Dr. Pieter Bots (TU Delft) umgesetzt. Die akteursbasierte Modellierung läuft in drei methodischen Schritten ab: 1. Modellierung von Akteurs-Sichtweisen in Form von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse, aufbauend auf Ergebnissen von qualitativen, leitfaden-gestützten Expertengesprächen (= Akteursmodellierung), 2. partizipative Szenarienentwicklung mit den Akteuren und 3. Zusammenführung der Ergebnisse der Akteursmodellierung und der Szenarienentwicklung und darauf aufbauend eine sequentielle Modellierung von Handlungsentscheidungen und deren Auswirkungen auf Schlüsselfaktoren. Im Zuge der Anwendung auf das Problemfeld der MOF wurde für folgende Akteure jeweils ein Wahrnehmungsgraph modelliert: Obere Wasserbehörde, Umweltbundesamt, Umwelt- und Verbraucherschutzorganisationen, Wasserversorger sowie für die Hersteller von verschiedenen MOF, weiterhin für die European Flame Retardants Association und die Weiterverarbeitende Industrie. Das Ergebnis der Szenarienentwicklung waren vier Szenarien: ein Gesundheitsszenario, unter der Annahme von hohen lokalen Umweltstandards durch nachhaltigkeitsorientierte KonsumentInnen, ein Umweltszenario, in dem eine starke Regulierung und nachhaltigkeitsorientierter Konsum Hand in Hand gehen, ein Globalisierungsszenario, in dem Wirtschaftsmacht und preisbewusste KonsumentInnen statt staatliche Regulierung vorherrschen und ein Technikszenario, unter der Annahme, dass Kläranlagen, bedingt durch eine starke Regulierung, aufgerüstet werden. Bei der Modellierung von Handlungsentscheidungen wurden die Wahrnehmungsgraphen und die vier Szenarien miteinander verknüpft. Pro Substanz wurde ein Modell entwickelt, welches die wichtigsten Systemkomponenten in einer angemessenen Komplexität umfasst und die von den Akteuren gemeinsam getragene Einschätzung der Wirkungsbeziehungen darstellt. Insgesamt wurden 16 Modelle entwickelt. Basierend auf den simulierten Akteurshandlungen wurden relativen Veränderungen der Schlüsselfaktoren Produktion, Import und Leistungsfähigkeit der Kläranlagen für die vier genannten Szenarien berechnet. In Zusammenarbeit mit Pieter Bots konnten algorithmische Beiträge zur Analyse- und Modellierungssoftware DANA getestet und verbessert werden. Da keine vollständige und zugleich leicht verständliche Einführung zu DANA vorlag, wurde für Nutzer im Rahmen dieser Dissertation eine Anleitung verfasst, die die Modellierung von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse sowie alle Schritte der akteursbasierten Modellierung mit DANA erläutert.
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Integrierte Analyse von mobilen, organischen Fremdstoffen in Fließgewässern“ (INTAFERE) am Institut für Physische Geographie an der Goethe-Universität Frankfurt erstellt. In INTAFERE wurde das Gefährdungspotenzial von mobilen, organischen Fremdstoffen (MOF) für aquatische Ökosysteme und die natürlichen Wasserressourcen in integrierter und partizipativer Art und Weise untersucht. MOF sind chemische Substanzen, die in Alltagsprodukten enthalten sind und durch unterschiedliche Eintragsfade in unbekannten Mengen in Oberflächengewässer eingetragen werden. Problematisch sind aus Umweltgesichtspunkten ihre Eigenschaften: sie besitzen im Wasser eine hohe Mobilität und sind schwer abbaubar. Dies führt zu einer Persistenz über lange Zeiträume. Für einige dieser Substanzen wurde zudem gezeigt, dass sie in sehr geringen Konzentrationen biologisch aktiv sind und für aquatische Ökosysteme eine Gefahr darstellen. In INTAFERE wurden drei zentrale Ziele verfolgt: Charakterisierung des Problemfeldes MOF, Erzeugung von praxisrelevantem Wissen für das Management von MOF und Entwicklung einer Softwareanwendung, die gesellschaftliche Aushandlungsprozesse durch eine transparente Darstellung der Wirkungszusammenhänge im Problemfeld unterstützt. Um einen Beitrag für die Erfüllung der Ziele zu leisten, war es die Aufgabe der Verfasserin, eine Akteursanalyse und -modellierung durchzuführen sowie Zukunftsszenarien im Bereich der MOF zu entwickeln. Dafür existierte keine adäquate Methodik, daher verfolgt die Dissertation zum einen die Entwicklung einer Methodik und zum anderen deren Anwendung im Kontext des Projektes INTAFERE. Da im Forschungsprozess die Durchführung von Analysen, die wissenschaftliche und gesellschaftliche Sichtweise der Problematik sowie die Erarbeitung von praktischen Lösungen im Mittelpunkt standen, wurde eine transdisziplinäre Herangehensweise gewählt. Ziel war es, eine Methodik zu entwerfen, die sowohl eine Entwicklung von Szenarien als auch eine Modellierung von Handlungsentscheidungen umfasst. Eine Modellierung und Visualisierung von Handlungsentscheidungen ist notwendig, um Strategien für ein Umweltproblem für verschiedene Szenarien zu ermitteln, und damit einen Lernprozess der Stakeholder zu initiieren. Dies wurde mit der transdisziplinären Methode „Akteursbasierte Modellierung“ umgesetzt. Hierbei wurden insbesondere Aspekte der Problemwahrnehmung von Akteuren und deren Darstellung, der partizipativen Szenarienentwicklung sowie der semi-quantitativen Modellierung von Handlungsentscheidungen berücksichtigt. Die Verfasserin hat mit der semi-quantitativen akteursbasierten Modellierung eine Methode erarbeitet und getestet, die bisher unverbundene Komponenten (wie die Software Dynamic Actor Network Analysis (DANA) und die Szenarienentwicklung) zusammenführt. Um Handlungsentscheidungen unter verschiedenen Szenarien zu modellieren hat die Autorin eine sequentielle Modellierung entwickelt, die mit der Software DANA durchgeführt werden kann. Die dafür notwendige Weiterentwicklung von DANA wurde von Dr. Pieter Bots (TU Delft) umgesetzt. Die akteursbasierte Modellierung läuft in drei methodischen Schritten ab: 1. Modellierung von Akteurs-Sichtweisen in Form von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse, aufbauend auf Ergebnissen von qualitativen, leitfaden-gestützten Expertengesprächen (= Akteursmodellierung), 2. partizipative Szenarienentwicklung mit den Akteuren und 3. Zusammenführung der Ergebnisse der Akteursmodellierung und der Szenarienentwicklung und darauf aufbauend eine sequentielle Modellierung von Handlungsentscheidungen und deren Auswirkungen auf Schlüsselfaktoren. Im Zuge der Anwendung auf das Problemfeld der MOF wurde für folgende Akteure jeweils ein Wahrnehmungsgraph modelliert: Obere Wasserbehörde, Umweltbundesamt, Umwelt- und Verbraucherschutzorganisationen, Wasserversorger sowie für die Hersteller von verschiedenen MOF, weiterhin für die European Flame Retardants Association und die Weiterverarbeitende Industrie. Das Ergebnis der Szenarienentwicklung waren vier Szenarien: ein Gesundheitsszenario, unter der Annahme von hohen lokalen Umweltstandards durch nachhaltigkeitsorientierte KonsumentInnen, ein Umweltszenario, in dem eine starke Regulierung und nachhaltigkeitsorientierter Konsum Hand in Hand gehen, ein Globalisierungsszenario, in dem Wirtschaftsmacht und preisbewusste KonsumentInnen statt staatliche Regulierung vorherrschen und ein Technikszenario, unter der Annahme, dass Kläranlagen, bedingt durch eine starke Regulierung, aufgerüstet werden. Bei der Modellierung von Handlungsentscheidungen wurden die Wahrnehmungsgraphen und die vier Szenarien miteinander verknüpft. Pro Substanz wurde ein Modell entwickelt, welches die wichtigsten Systemkomponenten in einer angemessenen Komplexität umfasst und die von den Akteuren gemeinsam getragene Einschätzung der Wirkungsbeziehungen darstellt. Insgesamt wurden 16 Modelle entwickelt. Basierend auf den simulierten Akteurshandlungen wurden relativen Veränderungen der Schlüsselfaktoren Produktion, Import und Leistungsfähigkeit der Kläranlagen für die vier genannten Szenarien berechnet. In Zusammenarbeit mit Pieter Bots konnten algorithmische Beiträge zur Analyse- und Modellierungssoftware DANA getestet und verbessert werden. Da keine vollständige und zugleich leicht verständliche Einführung zu DANA vorlag, wurde für Nutzer im Rahmen dieser Dissertation eine Anleitung verfasst, die die Modellierung von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse sowie alle Schritte der akteursbasierten Modellierung mit DANA erläutert.
Long-term average groundwater recharge representing the sustainable groundwater resources is modeled as a 0.5° by 0.5° grid on global scale by the WaterGAP Global Hydrology Model. Due to uncertainties of estimating groundwater recharge, especially in semiarid and arid regions, independent estimates are used for calibrating the model. This work compiled a new set of independent groundwater recharge estimates based on a work of Scanlon et al. (2006). The 59 independent estimates, together with an already existing independent estimates compilation, are used for the evaluation of two WGHM variants; one variant is modeling with an improved more realistically distributed daily precipitation dataset.
The objective of this thesis is the evaluation of the modeled data of the WaterGAP Global Hydrology Model (WGHM). The analysis of the impact of the new Watch Forcing Data (WFD) precipitation dataset on the modeled groundwater recharge tends to result in lower values in humid and higher values in (semi-)arid regions compared to the WGHM standard variant. Comparing both WGHM variants to the independent estimates compilations, representing (semi-)arid regions, the WGHM variant shows over- and underestimations especially of the low values and the WGHM WFD variant shows a bias toward overestimation especially for values below 4 mm/yr. The analysis of texture, hydrogeology and vegetation/ land cover could not give satisfying explanations for the discrepancies, but derived from the groundwater recharge measurement methods analysis indirect/ localized recharge seems to be a significant factor causing underestimations, as resulted in the comparison of the independent estimates based on Scanlon et al. 2006 with the WGHM variants.
We synthesised observations of total particle number (CN) concentration from 36 sites around the world. We found that annual mean CN concentrations are typically 300–2000 cm -3 in the marine boundary layer and free troposphere (FT) and 1000–10 000 cm -3 in the continental boundary layer (BL). Many sites exhibit pronounced seasonality with summer time concentrations a factor of 2–10 greater than wintertime concentrations. We used these CN observations to evaluate primary and secondary sources of particle number in a global aerosol microphysics model. We found that emissions of primary particles can reasonably reproduce the spatial pattern of observed CN concentration (R2=0.46) but fail to explain the observed seasonal cycle (R2=0.1). The modeled CN concentration in the FT was biased low (normalised mean bias, NMB=& -88%) unless a secondary source of particles was included, for example from binary homogeneous nucleation of sulfuric acid and water (NMB= -25%). Simulated CN concentrations in the continental BL were also biased low (NMB= -74%) unless the number emission of anthropogenic primary particles was increased or a mechanism that results in particle formation in the BL was included. We ran a number of simulations where we included an empirical BL nucleation mechanism either using the activation-type mechanism (nucleation rate, J, proportional to gas-phase sulfuric acid concentration to the power one) or kinetic-type mechanism (J proportional to sulfuric acid to the power two) with a range of nucleation coefficients. We found that the seasonal CN cycle observed at continental BL sites was better simulated by BL particle formation (R2=0.3) than by increasing the number emission from primary anthropogenic sources (R2=0.18). The nucleation constants that resulted in best overall match between model and observed CN concentrations were consistent with values derived in previous studies from detailed case studies at individual sites. In our model, kinetic and activation-type nucleation parameterizations gave similar agreement with observed monthly mean CN concentrations.
Active chlorine species play a dominant role in the catalytic destruction of stratospheric ozone in the polar vortices during the late winter and early spring seasons. Recently, the correct understanding of the ClO dimer cycle was challenged by the release of new laboratory absorption cross sections (Pope et al., 2007) yielding significant model underestimates of observed ClO and ozone loss (von Hobe et al., 2007). Under this aspect, nocturnal Arctic stratospheric limb emission measurements carried out by the balloon version of the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS-B) from Kiruna (Sweden) on 11 January 2001 and 20/21 March 2003 have been reanalyzed with regard to the chlorine reservoir species ClONO2 and the active species, ClO and ClOOCl (Cl2O2). New laboratory measurements of IR absorption cross sections of ClOOCl for various temperatures and pressures allowed for the first time the retrieval of ClOOCl mixing ratios from remote sensing measurements. High values of active chlorine (ClOx) of roughly 2.3 ppbv at 20 km were observed by MIPAS-B in the cold mid-winter Arctic vortex on 11 January 2001. While nighttime ClOOCl shows enhanced values of nearly 1.1 ppbv at 20 km, ClONO2 mixing ratios are less than 0.1 ppbv at this altitude. In contrast, high ClONO2 mixing ratios of nearly 2.4 ppbv at 20 km have been observed in the late winter Arctic vortex on 20 March 2003. No significant ClOx amounts are detectable on this date since most of the active chlorine has already recovered to its main reservoir species ClONO2. The observed values of ClOx and ClONO2 are in line with the established polar chlorine chemistry. The thermal equilibrium constants between the dimer formation and its dissociation, as derived from the balloon measurements, are on the lower side of reported data and in good agreement with values recommended by von Hobe et al. (2007). Calculations with the ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry model (EMAC) using established kinetics show similar chlorine activation and deactivation, compared to the measurements in January 2001 and March 2003, respectively.
Fractional release factors of long-lived halogenated organic compounds in the tropical stratosphere
(2010)
Fractional release factors (FRFs) of organic trace gases are time-independent quantities that influence the calculation of Global Warming Potentials and Ozone Depletion Potentials. We present the first set of vertically resolved FRFs for 15 long-lived halocarbons in the tropical stratosphere up to 34 km altitude. They were calculated from measurements on air samples collected on board balloons and a high altitude aircraft. We compare the derived dependencies of FRFs on the mean stratospheric transit times (the so-called mean ages of air) with similarly derived FRFs originating from measurements at higher latitudes and find significant differences. Moreover a comparison with averaged FRFs currently used by the World Meteorological Organisation revealed the limitations of these measures due to their observed vertical and latitudinal variability. The presented data set could be used to improve future ozone level and climate projections.
This study presents a global scale analysis of cropping intensity, crop duration and fallow land extent computed by using the global dataset on monthly irrigated and rainfed crop areas MIRCA2000. MIRCA2000 was mainly derived from census data and crop calendars from literature. Global cropland extent was 16 million km2 around the year 2000 of which 4.4 million km2 (28%) was fallow, resulting in an average cropping intensity of 0.82 for total cropland extent and of 1.13 when excluding fallow land. The lowest cropping intensities related to total cropland extent were found for Southern Africa (0.45), Central America (0.49) and Middle Africa (0.54), while highest cropping intensities were computed for Eastern Asia (1.04) and Southern Asia (1.0). In remote or arid regions where shifting cultivation is practiced, fallow periods last 3–10 years or even longer. In contrast, crops are harvested two or more times per year in highly populated, often irrigated tropical or subtropical lowlands where multi-cropping systems are common. This indicates that intensification of agricultural land use is a strategy that may be able to significantly improve global food security. There exist large uncertainties regarding extent of cropland, harvested crop area and therefore cropping intensity at larger scales. Satellite imagery and remote sensing techniques provide opportunities for decreasing these uncertainties and to improve the MIRCA2000 inventory.
Floodplains play an important role in the terrestrial water cycle and are very important for biodiversity. Therefore, an improved representation of the dynamics of floodplain water flows and storage in global hydrological and land surface models is required. To support model validation, we combined monthly time series of satellite-derived inundation areas (Papa et al., 2010) with data on irrigated rice areas (Portmann et al., 2010). In this way, we obtained global-scale time series of naturally inundated areas (NIA), with monthly values of inundation extent during 1993–2004 and a spatial resolution of 0.5°. For most grid cells (0.5°×0.5°), the mean annual maximum of NIA agrees well with the static open water extent of the Global Lakes and Wetlands database (GLWD) (Lehner and Döll, 2004), but in 16% of the cells NIA is larger than GLWD. In some regions, like Northwestern Europe, NIA clearly overestimates inundated areas, probably because of confounding very wet soils with inundated areas. In other areas, such as South Asia, it is likely that NIA can help to enhance GLWD. NIA data will be very useful for developing and validating a floodplain modeling algorithm for the global hydrological model WGHM. For example, we found that monthly NIAs correlate with observed river discharges.
Irrigation is the most important water use sector accounting for about 70% of the global freshwater withdrawals and 90% of consumptive water uses. While the extent of irrigation and related water uses are reported in statistical databases or estimated by model simulations, information on the source of irrigation water is scarce and very scattered. Here we present a new global inventory on the extent of areas irrigated with groundwater, surface water or non-conventional sources, and we determine the related consumptive water uses. The inventory provides data for 15 038 national and sub-national administrative units. Irrigated area was provided by census-based statistics from international and national organizations. A global model was then applied to simulate consumptive water uses for irrigation by water source. Globally, area equipped for irrigation is currently about 301 million ha of which 38% are equipped for irrigation with groundwater. Total consumptive groundwater use for irrigation is estimated as 545 km3 yr−1, or 43% of the total consumptive irrigation water use of 1 277 km3 yr−1. The countries with the largest extent of areas equipped for irrigation with groundwater, in absolute terms, are India (39 million ha), China (19 million ha) and the United States of America (17 million ha). Groundwater use in irrigation is increasing both in absolute terms and in percentage of total irrigation, leading in places to concentrations of users exploiting groundwater storage at rates above groundwater recharge. Despite the uncertainties associated with statistical data available to track patterns and growth of groundwater use for irrigation, the inventory presented here is a major step towards a more informed assessment of agricultural water use and its consequences for the global water cycle.
Irrigation is the most important water use sector accounting for about 70% of the global freshwater withdrawals and 90% of consumptive water uses. While the extent of irrigation and related water uses are reported in statistical databases or estimated by model simulations, information on the source of irrigation water is scarce and very scattered. Here we present a new global inventory on the extent of areas irrigated with groundwater, surface water or non-conventional sources, and we determine the related consumptive water uses. The inventory provides data for 15 038 national and sub-national administrative units. Irrigated area was provided by census-based statistics from international and national organizations. A global model was then applied to simulate consumptive water uses for irrigation by water source. Globally, area equipped for irrigation is currently about 301 million ha of which 38% are equipped for irrigation with groundwater. Total consumptive groundwater use for irrigation is estimated as 545 km3 yr−1, or 43% of the total consumptive irrigation water use of 1277 km3 yr−1. The countries with the largest extent of areas equipped for irrigation with groundwater, in absolute terms, are India (39 million ha), China (19 million ha) and the USA (17 million ha). Groundwater use in irrigation is increasing both in absolute terms and in percentage of total irrigation, leading in places to concentrations of users exploiting groundwater storage at rates above groundwater recharge. Despite the uncertainties associated with statistical data available to track patterns and growth of groundwater use for irrigation, the inventory presented here is a major step towards a more informed assessment of agricultural water use and its consequences for the global water cycle.