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We present the analysis of the impact of convection on the composition of the tropical tropopause layer region (TTL) in West-Africa during the AMMA-SCOUT campaign. Geophysica M55 aircraft observations of water vapor, ozone, aerosol and CO2 show perturbed values at altitudes ranging from 14 km to 17 km (above the main convective outflow) and satellite data indicates that air detrainment is likely originated from convective cloud east of the flight. Simulations of the BOLAM mesoscale model, nudged with infrared radiance temperatures, are used to estimate the convective impact in the upper troposphere and to assess the fraction of air processed by convection. The analysis shows that BOLAM correctly reproduces the location and the vertical structure of convective outflow. Model-aided analysis indicates that in the outflow of a large convective system, deep convection can largely modify chemical composition and aerosol distribution up to the tropical tropopause. Model analysis also shows that, on average, deep convection occurring in the entire Sahelian transect (up to 2000 km E of the measurement area) has a non negligible role in determining TTL composition.
ucleation experiments starting from the reaction of OH radicals with SO2 have been performed in the IfT-LFT flow tube under atmospheric conditions at 293±0.5 K for a relative humidity of 13–61%. The presence of different additives (H2, CO, 1,3,5-trimethylbenzene) for adjusting the OH radical concentration and resulting OH levels in the range (4–300)·105 molecule cm−3 did not influence the nucleation process itself. The number of detected particles as well as the threshold H2SO4 concentration needed for nucleation was found to be strongly dependent on the counting efficiency of the used counting devices. High-sensitivity particle counters allowed the measurement of freshly nucleated particles with diameters down to about 1.5 nm. A parameterization of the experimental data was developed using power law equations for H2SO4 and H2O vapour. The exponent for H2SO4 from different measurement series was in the range of 1.7–2.1 being in good agreement with those arising from analysis of nucleation events in the atmosphere. For increasing relative humidity, an increase of the particle number was observed. The exponent for H2O vapour was found to be 3.1 representing a first estimate. Addition of 1.2·1011 molecule cm−3 or 1.2·1012 molecule cm−3 of NH3 (range of atmospheric NH3 peak concentrations) revealed that NH3 has a measureable, promoting effect on the nucleation rate under these conditions. The promoting effect was found to be more pronounced for relatively dry conditions. NH3 showed a contribution to particle growth. Adding the amine tert-butylamine instead of NH3, the enhancing impact for nucleation and particle growth appears to be stronger.
River flow regimes, including long-term average flows, seasonality, low flows, high flows and other types of flow variability, play an important role for freshwater ecosystems. Thus, climate change affects freshwater ecosystems not only by increased temperatures but also by altered river flow regimes. However, with one exception, transferable quantitative relations between flow alterations and ecosystem responses have not yet been derived. While discharge decreases are generally considered to be detrimental for ecosystems, the effect of future discharge increases is unclear. As a first step towards a global-scale analysis of climate change impacts on freshwater ecosystems, we quantified the impact of climate change on five ecologically relevant river flow indicators, using the global water model WaterGAP 2.1g to simulate monthly time series of river discharge with a spatial resolution of 0.5 degrees. Four climate change scenarios based on two global climate modelsand two greenhouse gas emissions scenarios were evaluated.
We compared the impact of climate change by the 2050s to the impact of water withdrawals and dams on natural flow regimes that had occurred by 2002. Climate change was computed to alter seasonal flow regimes significantly (i.e. by more than 10%) on 90% of the global land area (excluding Greenland and Antarctica), as compared to only one quarter of the land area that had suffered from significant seasonal flow regime alterations due to dams and water withdrawals. Due to climate change, the timing of the maximum mean monthly river discharge will be shifted by at least one month on one third on the global land area, more often towards earlier months (mainly due to earlier snowmelt). Dams and withdrawals had caused comparable shifts on less than 5% of the land area only. Long-term average annual river discharge is predicted to significantly increase on one half of the land area, and to significantly decrease on one quarter. Dams and withdrawals had led to significant decreases on one sixth of the land area, and nowhere to increases.
Thus, by the 2050s, climate change will have impacted ecologically relevant river flow characteristics much more strongly than dams and water withdrawals have up to now. The only exception refers to the decrease of the statistical low flow Q90, with significant decreases both by past water withdrawals and future climate change on one quarter of the land area. Considering long-term average river discharge, only a few regions, including Spain, Italy, Iraq, Southern India, Western China, the Australian Murray Darling Basin and the High Plains Aquifer in the USA, all of them with extensive irrigation, are expected to be less affected by climate change than by past anthropogenic flow alterations. In some of these regions, climate change will exacerbate the discharge reduction. Emissions scenario B2 leads to only slightly reduced alterations of river flow regimes as compared to scenario A2 even though emissions are much smaller. The differences in alterations resulting from the two applied climate models are larger than those resulting from the two emissions scenarios. Based on general knowledge about ecosystem responses to flow alterations and data related to flow alterations by dams and water withdrawals, we expect that the computed climate change induced river flow alterations will impact freshwater ecosystems more strongly than past anthropogenic alterations.
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.
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.
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.