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The overarching goal of the thesis was to create a holistic predictive framework, a vegetation model, by improving the representations of and interactions between the biosphere, hydrosphere, atmosphere and pedosphere. Vegetation models rep- resent a crucial component of Earth system model since the properties of the land surface, via interactions with the atmosphere, can have extremely large climatic effect. Yet, there remains great uncertainty associated with the dynamics of the vegetated land surface. Various vegetation models have been critiqued for numerous reasons including overly simplistic representations of vegetation, prescribed vegetation, poor representations of diversity, inaccurate representations of competition, non-transparent model calibration, and poor responses to drought. The purpose of the creation of this "next generation" model was to address deficiencies common to current vegetation modelling paradigms.
The representation of the biosphere within this framework was improved via two separate development axes. First, ecological realism was improved by integrating concepts from community assembly theory, co-existence theory, and evolutionary theory. Explicitly, rather than defining teleonomic rules to define plant behaviour the process of natural selection is modelled. By modelling the pro- cess of natural selection and its affect on relative fitness, myriad "rules" which continually adapt to biotic and abiotic conditions "come out" as a consequence of the modelled dynamics rather than being "put in". In aDGVM2 (adaptive Dynamic Global Vegetation model 2) communities of plants and their trait values evolve through time, this evolution is constrained by trade-offs between traits. Poorly performing individuals are more likely to die and produce fewer copies of themselves, this results in a filtering of trait values. Further, the community and species’ trait values can evolve through successive generations via reproduction, mutation and crossover which we approximate by using a genetic optimisation algorithm. Thus, a plant community consisting of individuals and species with potentially novel and diverse trait values is assembled iteratively through time.
We tested the assertion that improved integration of concepts from community assembly, evolutionary, and co-existence theory could address limitations of DGVMs in Chapter 2. We demonstrated that such an approach does indeed allow diverse communities of plants to emerge from the modelling framework. We showed that the position of the emergent communities in trait space differed along abiotic gradients and that, in simulations where reproductive isolation was simulated, communities emerged which were composed of multiple co-existing clusters in trait-space. Simulated trait values of co-existing strategies emerging from aDGVM2 were often multimodal, indicative of the emergence of multiple life- history strategies.
Second, to successfully model how natural selection forms a community requires accurate representation of how resource availability affects fitness. In the majority of dynamic global vegetation models (DGVMs) there is no real representation of plant hydraulics with plant water availability being calculated as a simple function of relative soil moisture content and root fractions across a number of soil layers. Worryingly, a number vegetation models appear to under represent the magnitude of these observed responses to drought. This was deficiency was ad- dressed in Chapter 3 by designing a simplified version of the cohesion tension theory of sapwood ascent where elements determining plant conductances are considered in series and implementing a set of trait trade-offs which influence a plant’s hydraulic strategy whereby hydraulic safety trades-off against xylem and leaf conductivity.
Interactions between the biosphere, pedosphere, and hydrosphere can also potentially mediate water resource availability and thus fitness. In the majority of DGVMs the volume of soil explored and explorable by plant roots in fixed glob- ally and usually constrained to a depth not greater than 3m. However, we know that soils can have a strong effect on vegetation distributions, that soil depth is not constant globally, and that plants root to variable depths.
In Chapter 4 I explored interactions between soil depth, plant rooting and the emergent properties of communities and highlighted the importance of considering interactions between the biosphere, hydrosphere, pedosphere, and fire. Here I demonstrated that, in addition to fire and precipitation, edaphic constraints on the volume of soil explorable by plant roots (e.g. by shallow soils, lateritic layers, anoxic conditions due to water logging, toxicity resulting from heavy metal concentrations) can affect the process of plant community assembly, alter the mean values of multiple traits in communities, and the trait diversity of communities.
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Historically, the expansion of soy plantations has been a major driver of land-use/cover change (LUCC) in Brazil. While a series of recent public actions and supply-chain commitments reportedly curbed the replacement of forests by soy, the expansion of the agricultural commodity still poses a considerable threat to the Amazonian and Cerrado biomes. Identification of areas under high risk of soy expansion is thus paramount to assist conservation efforts in the region. We mapped the areas suitable for undergoing transition to soy plantations in the Legal Amazon with a machine-learning approach adopted from the ecological modeling literature. Simulated soy expansion for the year 2014 exhibited favorable validation scores compared to other LUCC models. We then used our model to simulate how potential future infrastructure improvements would affect the 2014 probabilities of soy occurrence in the region. In addition to the 2.3 Mha of planted soy in the Legal Amazon in 2014, our model identified another 14.7 Mha with high probability of soy conversion in the region given the infrastructure conditions at that time. Out of those, pastures and forests represented 9.8 and 0.4 Mha, respectively. Under the new infrastructure scenarios simulated, the Legal Amazonian area under high risk of soy conversion increased by up to 2.1 Mha (14.6%). These changes led to up to 11.4 and 51.4% increases in the high-risk of conversion areas of pastures and forests, respectively. If conversion occurs in the identified high-risk areas, at least 4.8 Pg of CO2 could be released into the atmosphere, a value that represents 10 times the total CO2 emissions of Brazil in 2014. Our results highlight the importance of targeting conservation policies and enforcement actions, including the Soy Moratorium, to mitigate future forest cover loss associated with infrastructure improvements in the region.
State-of-the-art climate models contain, to a significant degree, empirical components. In particular, subgrid-scale (SGS) parameterizations are usually highly tuned against observations or high-resolution model data. While this enables the models to minimize the error during hindcasts, it is not guaranteed that it yields a benefit for climate projections because of climate change. In this thesis the Fluctuation-Dissipation theorem (FDT) is used to update the statistics of the system in the presence of an external forcing. If the empirical parameters are tuned objectively to the data (i.e., they depend on the statistics of the data), then they might be updated with the FDT. This ansatz is tested within a framework of a semi-empirical model (SEM) based on the leading variance patterns of a quasigeostrophic three-layer model (QG3LM) and supplemented by a purely data-driven parameterization. We show that the FDT is able to successfully update the tuning parameters of the data-driven SGS closure, resulting in a systematic improvement in model performance in comparison to an untreated SEM. Ideally, SGS parameterizations should contain little to no tuning parameters. Thus, complementary to the FDT approach we investigate a stochastic SGS closure constrained by first principles that is calculated using the stochastic mode reduction (SMR). The SMR allows for an analytic derivation of the SGS closure from the model equations while requiring only minimal tuning. We successfully apply the SMR to the QG3LM and construct the reduced stochastic model (RSM). Furthermore, we show that the RSM is more robust against an external forcing than the SEM. Additionally, we find that, under appropriate conditions, the FDT is able to update the empirical parts of the RSM. Yet, only for the response in mean streamfunction the RSM provides useful results, while the response in covariance of the streamfunction is incorrect for most cases. Nevertheless, we obtain a remarkably accurate response in both moments for the RSM in an idealized setting. In combination with the results of the FDT study this indicates that the considered RSM is too low dimensional and encourages us to investigate the response of larger RSMs in the future.
During my PhD, I was applying the clumped isotope technique to modern brachiopods and fossil belemnites, and I conducted methodological work. Carbonate clumped isotope thermometry is a tool to reconstruct carbonate precipitation temperatures. In contrast to oxygen isotope thermometry, i.e., the δ18O-thermometer, the carbonate clumped isotope thermometer does not require an estimate for the oxygen isotope composition of the seawater, as it considers the fractionation of isotopes exclusively amongst carbonate isotopologues. The ∆47 value of a carbonate expresses the abundance of the 13C–18O bond bearing carbonate isotopologue, within the carbonate, relative to its random distribution. In thermodynamic equilibrium, the ∆47 value of a given carbonate is solely a function of the carbonate precipitation temperature. However, kinetic isotope fractionations, i.e., vital effects, driven by diffusion, pH or incomplete oxygen isotope exchange between water and dissolved inorganic carbonate species can cause the carbonate to be precipitated with isotopic compositions that are offset from those predicted for thermodynamic equilibrium.
Brachiopods serve as important geochemical archives of past climate conditions. To investigate the nature and significance of kinetic controls on brachiopod shell δ18O and ∆47 values, in collaboration with the BASE-LiNE Earth ITN, I analysed the bulk and clumped isotope compositions of eighteen modern brachiopod shells, collected from different geographic locations and water depths that cover a substantial range of growth temperatures. Growth temperatures and seawater δ18O values for each brachiopod were independently determined. Most of the analysed brachiopods exhibit combined offsets from clumped and oxygen isotope equilibrium, and there is a significant negative correlation between the offset values. The observed correlation slope between offset ∆47 and offset δ18O point to the importance of kinetic effects associated with Knudsen diffusion and incomplete hydration and hydroxylation of CO2 (aq), occurring during biomineralisation. The correlations between the growth rates of the analysed brachiopods and both the offset ∆47 and the offset δ18O values provide further arguments for the presence of kinetic effects. In conclusion, the oxygen and clumped isotope composition of modern brachiopod shells are affected by growth rate-induced kinetic effects that hinder their use for palaeoceanography.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer optischer Aufbau für das Laserlabor der Abteilung Kristallographie im FB 11 an der Goethe-Universität Frankfurt beschrieben. Mit Hilfe dieses Aufbaus konnten verschiedene spektroskopische Methoden genutzt werden, um die - von Druck und Temperatur abhängige - Phasenstabilität von Calcium- und Eisencarbonaten zu untersuchen. Mit Hilfe von Raman-Spektroskopie konnte das Phasendiagramm von Calciumcarbonat (CaCO3) teilweise neu bestimmt werden. Fluoreszenzuntersuchungen an dotierten CaCO3 Proben ergaben, dass sich Europium-dotierter Calcit zunächst in eine amorphe Form umwandelt, bevor er bei ca. 15 GPa in eine amorphe 'aragonitische' Form umgewandelt wird. Die Umwandlung ist nicht reversibel. Laserheizexperimente bei 18.5 GPa an dotiertem Siderit (FeCO3) führten zur Bildung eines neuen Hochdruck-Hochtemperatur FeCO3 -Polymorphs. Die Strukturlösung erfolgte mit Hilfe von Röntgendaten, die am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg gewonnen wurden. Schließlich wurde eine neue Methode zur Bestimmung von Temperaturen in Laserheizexperimenten beschrieben. Sie beruht auf der Abschwächung eines Fluoreszenzsignals durch die Temperatur, welche durch die Wechselwirkung eines Heizlasers mit der Probe erzeugt wird.
Das Wissen über die Wolkenmikrophysik und die Wechselwirkung zwischen Niederschlag und Aerosol ist ein wichtiger Baustein zur Optimierung von Klima- und Wettermodellen. Ein Großteil des Niederschlags in den mittleren Breiten fällt aus Mischphasenwolken, die aus unterkühlten Tröpfchen und Eispartikeln bestehen. Die Eispartikel bilden sich an speziellen Aerosolpartikeln, die als Eiskeime (INP) wirken können. Die Wahrscheinlichkeit eines Aerosols als Eiskeim zu wirken, nimmt mit abnehmender Temperatur und steigender Wassersättigung zu. Mineralstaubpartikel sind die häufigsten Eiskeime, die ab Temperaturen ≤−15°C aktiv sind, biologische Partikel wirken schon bei wärmeren Bedingungen. Große Wissenslücken bestehen noch bei der globalen Konzentration von Eiskeimen, inklusive deren geographischer und jahreszeitlicher Variabilität.
Im Zentrum der Experimente, die für diese Arbeit durchgeführt wurden, steht der Eiskeimzähler FRIDGE (Frankfurt Ice Deposition Freezing Experiment). Je nach Aufbau und Anwendung des Instruments werden zwei verschiedene Ansätze zur Aktivierung von Eiskeimen verfolgt. Die ursprüngliche und namensgebende Methode in Form einer Vakuum-Diffusionskammer wurde zur Untersuchung von Eisnukleation via Depositionsgefrieren (an INP_D) entwickelt (Klein et al., 2010). Danielczok (2015) nutzte einige Bestandteile des Analysegeräts, um auch Immersionsgefrieren (an INP_I) in Form von Tröpfchengefrieren à la Vali (1971) zu studieren. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Anwendungsmöglichkeit von FRIDGE weiterentwickelt. Ein zentraler Schritt war dabei die präzise Charakterisierung des Gefrierverhaltens von Tröpfchen aus Reinstwasser ohne zusätzliches Aerosol. Die Einbeziehung dieses sogenannten Hintergrundgefrierens, das für jedes Instrument und Messverfahren spezifisch ist, ermöglichte es, die Minimaltemperatur, für die zuverlässige Ergebnisse produziert werden können, von −22°C auf −29°C herabzusetzen. Der dadurch hinzugewonnene Temperaturbereich ist für Eisnukleation in Mischphasenwolken äußerst relevant.
Beide Anwendungsmethoden wurden im Rahmen des Fifth International Workshop on Ice Nucleation – Phase 2 (FIN-02) sowie bei einer weiteren Kampagne zur Messung von Eisnukleation an Cellulosepartikeln mit über zwanzig anderen Eiskeimzählern verglichen. Mit FRIDGE als Diffusionskammer wurde für die Mehrheit der untersuchten Aerosoltypen eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den anderen Instrumenten beobachtet. Die Experimente mit gefrierenden Tröpfchen in FRIDGE erzielten ausnahmslos Ergebnisse, die inmitten der Werte der anderen Instrumente lagen. Die erfolgreiche Validierung – besonders der neuen Anwendungsmethode – war das erste Ziel dieser Arbeit und die notwendige Voraussetzung für die anschließenden Feldmessungen.
Atmosphärische Eiskeimkonzentrationen wurden in mehrwöchigen Feldmesskampagnen an drei sehr unterschiedlichen Orten und atmosphärischen Bedingungen untersucht: an der Hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch (JFJ), am Storm Peak Laboratory (SPL) in den Rocky Mountains und am Cyprus Atmospheric Observatory (CAO) in Zypern. Am JFJ wurde eine INP-Konzentration beobachtet, die um den Faktor 20 niedriger als an den anderen beiden Stationen war. Der Grund dafür war, dass sich das Jungfraujoch die meiste Zeit der Messungen in der freien Troposphäre befand. Dementsprechend waren die Bedingungen an der Station von aerosolpartikelarmer Luft mit wenigen Eiskeimen geprägt. An zwei Standorten wurde Mineralstaub als ein Parameter, der die lokale INP-Konzentration positiv beeinflusst, identifiziert. Sowohl am JFJ als auch am CAO erhöhte ferntransportierter Saharastaub die INP-Konzentration.
Die Kombination der zwei Analysemethoden, die Aerosolproben aus derselben Luft entweder in trockenem Ausgangszustand oder in Tröpfchen suspendiert untersuchen, offenbarte eine interessante Eigenschaft der INP. Es herrschte eine offensichtliche Parallelität von INP_D- und INP_I- Konzentrationen. Bei fast allen Messungen waren INP_I etwa 10-mal häufiger als INP_D. Die Aussage trifft gleichermaßen auf sehr niedrige Konzentrationen am JFJ wie auch auf hohe Konzentrationen am SPL und CAO zu. Die einzige Ausnahme bilden Cellulosepartikel. Daraus lässt sich schließen, dass INP_D und INP_I dieselben Partikel sind, die je nach Aktivierungskonditionen Eisnukleation unterschiedlich effektiv hervorrufen.
Air-sea feedbacks between the Mediterranean Sea and the atmosphere on various temporal and spatial scales play a major role in the Mediterranean regional climate system and beyond. The Mediterranean Sea is a source of moisture due to excess evaporation and, on a long-term average, is associated with a warming of the lower atmosphere in contact with the sea surface due to heat loss at the air-sea interface. The complex air-sea interactions and feedbacks in the Mediterranean basin strongly modulate the sea surface fluxes and favor several cyclogenetic activities under certain meteorological conditions. Examples of such cyclonic activities are medicanes (Mediterranean hurricanes) and Vb-cyclones. Medicanes are mesoscale, marine, and warm-core Mediterranean cyclones that exhibit some similarities to tropical cyclones, while Vb-cyclones are extra-tropical cyclones, that propagate from the Western Mediterranean Sea and travel across the Eastern European Alps into the Central European region. Extremely strong winds and heavy precipitation associated with these cyclones can lead to severe destruction and flooding. Changes in the intensity and frequency of these cyclones are also projected under changing future climate conditions, where the Mediterranean region has been identified as a hotspot in terms of rising temperatures.
The development of high-resolution regional climate models (RCMs) has progressed our understanding of the processes characterizing the Mediterranean climate. However, large uncertainties still exist regarding the estimates of air-sea fluxes, which, in turn, affect the simulation of the Mediterranean climate. Several factors can be attributed to such discrepancies, such as data quality, temporal and spatial resolution, and the misrepresentation of physical processes. To overcome some of these inconsistencies and deficiencies of the existing climate simulations, a new high-resolution atmosphere-ocean regional coupled model (AORCM) has been developed to simulate the air-sea feedback mechanisms. This coupled model incorporates the coupling of RCM COSMO-CLM (CCLM) and the regional ocean model NEMO-MED12 for the Mediterranean Sea (MED) as well as NEMO-NORDIC for the North- and Baltic Sea (NORDIC). Several experiments were performed using both the coupled and uncoupled models to investigate the impact of air-sea interactions and feedbacks on sea surface heat fluxes, wind speed, and on the formation of Mediterranean cyclones (i.e., medicanes and Vb-cyclones). These experiments were performed using different horizontal atmospheric grid resolutions to analyze the effect of resolution on sea surface heat fluxes, wind speed, and the development of medicanes.
The results of the present study indicate that a finer atmospheric grid resolution ([is as appreciated as]9 vs. [is as appreciated as]50 km) improved the wind speed simulations (particularly near coastal areas) and subsequently improved the simulations of the turbulent heat fluxes. Both parameters were better simulated in the coupled simulations than in the uncoupled simulations, but coupling introduced a warm SST bias in winter. Radiation fluxes were slightly better represented in coarse-grid simulations than in fine-grid simulations. However, the higher-resolution coupled model could reproduce the observed net outgoing total surface heat flux over the Mediterranean Sea. In addition to that sub diurnal SST variations have a strong effect on sub-daily heat fluxes and wind speed but minor effects at longer timescales. Regarding the impact of atmospheric grid resolution ([is as appreciated as]50, 25, and [is as appreciated as]9 km) and ocean coupling on medicanes, it was detected that the coupled model with a finer atmospheric grid ([is as appreciated as]9 km) was able to not only reproduce most medicane events, but also improved the track length, warm core, and wind speed compared to the uncoupled model. The coupled model with the coarse-grid ([is as appreciated as]50 and [is as appreciated as]25 km) did not show any improvement in simulating medicanes compared to the uncoupled model. The spectral nudging technique, applied on the wind components above 850 hPa in the interior domain to keep large-scale circulation close to the driving data (i.e., ERAInterim reanalysis), improved the accuracy of the times and locations of generated medicanes, but no improvement was found in the track length and intensity.
Concerning the role of the Mediterranean Sea coupling on Vb cyclones, the investigation showed that atmosphere-ocean coupling had an overall positive impact, although with a strong case-by-case variation, on the trajectories and intensity of Vb-cyclones as a result of the variation in moisture source for each event. In general, all model configurations could replicate Vbcyclones, their trajectories, and associated precipitation fields. The average structure of the precipitation field was best represented in the coupled simulations. Coupling of the North- and Baltic Seas also showed an improvement in some of the simulated Vb-cyclones.
The atmosphere-ocean coupling showed an overall positive impact on the simulation of sea surface heat fluxes and Mediterranean cyclones (medicanes and Vb-cyclones). Moreover, the representation of sea surface heat fluxes, wind speed, and medicane features was more realistic when using a finer atmospheric grid resolution (less than 10 km). The present study suggests that the combination of a finer atmospheric grid resolution together with atmosphere-ocean coupling is advantageous in simulating the Mediterranean climate system.
Die Abstrahlung von internen Schwerewellen in atmosphärischen Strahlströmen und Temperaturfronten trägt vermutlich mit einem signifikanten Beitrag zum gesamten Schwerewellenspektrum bei. Das physikalische Verständnis der dabei ablaufenden Prozesse ist derzeit allerdings noch zu gering ausgeprägt, um eine adäquate mathematische Darstellung für operationelle Wetter- und Klimamodelle zu entwickeln. In dieser Arbeit wird der Mechanismus dieser Schwerewellenquelle in numerischen Simulationen des differenziell geheizten rotierenden Annulusexperiments erforscht. Dieses Experiment besitzt eine im Vergleich zur Atmosphäre deutlich verringerte Anzahl an Freiheitsgraden und eignet sich besonders gut zum Studium der Dynamik der mittleren Breiten. Analoge Untersuchungen werden in einem äquivalenten kartesischen Modellsystem vorgenommen, in dem periodische Bedingungen in den beiden horizontalen Raumrichtungen vorliegen.
Im Gegensatz zur Annuluskonfiguration, in der nachweislich auch eine Schwerwellenabstrahlung an den Zylinderwänden erfolgt, kommt in dieser Konfiguration nur die interne Dynamik als Schwerewellenquelle in Frage. Die nichtlinearen Simulationen beider Modellkonfigurationen zeigen eine großskalige barokline Wellenstruktur, die ein atmosphärenähnliches Jet-Front System beinhaltet. Darin eingelagert werden vier voneinander isolierte Schwerewellenpakete in der Annuluskonfiguration sowie zwei Schwerewellenpakete im doppeltperiodischen Modellsystem charakterisiert. Um den zugrundeliegenden Quellmechanismus zu untersuchen, erfolgt eine Aufspaltung der Zustandsvariablen in einen balancierten und einen unbalancierten Anteil, wobei erstgenannter das geostrophische und hydrostatische Gleichgewicht erfüllt und letztgenannter das Schwerewellensignal enthält. Die Strömungsaufspaltung bildet die Grundlage für die Entwicklung eines tangential-linearen Modells für den unbalancierten Strömungsanteil. Hierbei wird eine systematische Umformulierung der dynamischen Grundgleichungen hinsichtlich der Wechselwirkung beider Strömungsanteile vollzogen. Insbesondere wird der rein balancierte Antrieb der unbalancierten Strömung freigelegt, um dessen Einfluss auf die Schwerewellenaktivität zu quantifizieren. Die anschließenden tangential-linearen Simulationen zeigen, dass drei der vier Schwerewellenpakete in der Annuluskonfiguration in der internen Strömung generiert werden. Ein verbleibendes Wellenpaket entsteht an der inneren Zylinderwand, ehe es in das innere Modellvolumen propagiert. Darüber hinaus wird deutlich, dass der rein balancierte interne Antrieb der Schwerewellen einen signifikanten Beitrag zur Schwerewellengenerierung leistet. Im doppeltperiodischen Modellsystem gibt es eine nahezu perfekte Übereinstimmung zwischen den unbalancierten Strömungsmustern in den tangential-linearen und den nichtlinearen Simulationen. Auch dort nimmt der balancierte Antrieb eine zentrale Rolle bei der Schwerewellenabstrahlung ein. Die abschließende Gegenüberstellung verschiedener, voneinander unabhängiger Gleichgewichtskonzepte macht deutlich, dass die balancierte Strömung der führenden Ordnung in der Rossbyzahl bereits eine erstaunliche Übereinstimmung mit der vollen Strömung liefert. Zudem erbringt die Anwendung einer Lagrange'schen Filtermethode den Nachweis, dass die Vertikalbewegungen und die horizontalen Divergenzsignale in der Annuluskonfiguration fast ausschließlich auf die Schwerewellenaktivität zurückzuführen sind.
Mistral and Tramontane are wind systems in southern France and the western Mediterranean Sea. Both are caused by similar synoptic situations and channeled in valleys. Their relevance for the climate of the western Mediterranean region motivated this work. The representation of Mistral and Tramontane in regional climate simulations was surveyed with the models ALADIN, WRF, PROMES, COSMO-CLM, RegCM, and LMDZ. ERA-Interim and global CMIP5 simulations (MPI-ESM, CMCC-CM, HadGEM2-ES, and CNRM-CM5) provided the lateral boundary data for the regional simulations regarding the 20th century and two representative concentration pathways for the 21st century (RCP4.5 and RCP8.5).
A Mistral and Tramontane time series, a principal component analysis of pressure fields, and a Bayesian network were combined to develop a classification algorithm to identify pressure patterns in favor of Mistral and Tramontane. The regional climate models were able to reproduce the observed climatology of Mistral and Tramontane. Compared to observational data (SAFRAN and QuikSCAT), the simulations underestimate the wind speed over the Mediterranean Sea, mainly at the borders of the main flow. Simulations with smaller grid spacing showed better agreement with the observations.
A sensitivity study tested the influence of the Charnock parameter on the Mistral wind field. Its value impacted both wind speed and wind direction. Decreasing the orographic resolution in idealized simulations using COSMO-CLM caused a reduction in wind speed and a broader flow area. Including a parameterization for subgrid scale orography improved the simulation. However, an accurate simulation of Mistral and Tramontane still requires a high-resolution orography.
The classification algorithm also was applied to pressure fields from regional climate simulations driven by global simulation data. At the end of the 21st century, only small, non-significant changes in the number of Mistral days per year occur in the projection simulations. The number of Tramontane days per year decreased significantly.
Eiskeime (INP) sind Aerosolpartikel, die das Entstehen von Eiskristallen in der Atmosphäre zwischen 0 und -37°C ermöglichen, indem sie die zur Ausbildung der Eisphase nötige Energie gegenüber einem reinen Wassersystem stark herabsetzen. Dabei sind aktive Stellen auf der Oberfläche dieser Partikel für die erste Nukleation von Eis verantwortlich. In der Folge können die Eiskristalle zulasten von verdunstenden Wasserdampfmolekülen und Wassertröpfchen weiter anwachsen. Über Eismultiplikationsprozesse zersplittern und vervielfältigen sich die Eiskristalle und wachsen über Bereifung schließlich zu einer kritischen Größe heran, wodurch sie als Niederschlag zu Boden fallen können. Auch wenn der Anteil der zur heterogenen Eisnukleation fähigen Aerosole vergleichsweise gering ist, spielen INP eine entscheidende Rolle für die Entwicklung von Niederschlag und nehmen Einfluss auf Strahlungsprozesse, indem sie auf die Phase der Wolken und damit auf deren Strahlungseigenschaften einwirken. Viele Fragen im Forschungsgebiet der heterogenen Eisnukleation sind jedoch weiterhin nicht hinreichend genau geklärt. Ohne eine verbesserte Kenntnis von Konzentrationen, geographischer und vertikaler Verteilung, sowie zeitlicher Variation, Quellen und Natur von INP, sind noch vorhandene Wissenslücken im Strahlungsantrieb durch Wechselwirkungen von Aerosolen und Wolken nur zu einem gewissem Grad zu reduzieren. Dies ist nötig, um aktuelle Beobachtungsdaten der sich erwärmenden Atmosphäre besser verstehen und die zukünftigen Änderungen des Klimas sicherer vorhersagen zu können. In dieser Arbeit wird die Vakuumdiffusionskammer FRIDGE verwendet, um atmosphärische INP-Konzentrationen zu bestimmen. Aerosolpartikel werden dabei in einem ersten Schritt auf einem Silicium-Probenträger elektrostatisch niedergeschlagen. Die Effizienz des Sammelprozesses, also der Anteil der Partikel die tatsächlich auf dem Si-Substrat abgeschieden werden, wurde mittels zweier unabhängiger Methoden auf etwa 60% bestimmt. In einem zweiten Mess-Schritt werden die Proben in FRIDGE typischen Bedingungen von Mischphasenwolken ausgesetzt, wodurch Eiskristalle an den INP aktiviert werden und im Verlauf einer Messung anwachsen. Eine Kamera beobachtet die durch das Eiswachstum entstehenden Helligkeitsänderungen auf dem dunklen Probensubstrat. Die Kriterien, wann ein Objekt als Eiskristall identifiziert und gezählt wird, mussten im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelt werden. In der zu Beginn der Arbeit vorgefundenen Einstellung hatte bereits eine sehr geringe Helligkeitsänderung, wie sie durch das hygroskopische Wachstum von Aerosolpartikeln hervorgerufen wird, zu Signalen geführt, die fälschlicherweise als Eiskristalle gezählt wurden. Das reevaluierte Messverfahren von FRIDGE wurde im Zuge der FIN-02 Kampagne in einem groß angelegten Laborexperiment an der AIDA Wolkenkammer mit zahlreichen anderen INP-Zählern aus der ganzen Welt verglichen. Für den Großteil der Messungen der untersuchten Modell-Aerosoltypen konnte eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den anderen Instrumenten erzielt werden. In einer einmonatigen Feldmesskampagne im östlichen Mittelmeerraum konnten die ersten INP-Messungen an Bord eines unbemannten Flugzeugs durchgeführt werden. Während der Kampagne auf Zypern wurden mehrere Fälle von transportiertem Saharastaub beprobt, in denen die INP-Konzentration maßgeblich erhöht war. Lidar-Beobachtungen und ein Staubtransportmodell zeigten, dass sich das Maximum der Staubschichten zumeist in etwa 2-4 Kilometern Höhe befand. In der Höhe wurden INP-Konzentrationen gefunden, die im Mittel um einen Faktor 10 größer waren als auf Bodenniveau. Es wird gefolgert, dass INP-Messungen am Boden möglicherweise nur begrenzte Aussagekraft über die Situation nahe der Wolkenbildung besitzen. Im Rahmen BACCHUS-Projekts wurden zwischen August 2014 und Januar 2017 (mit Unterbrechungen) alle 1-2 Tage Proben an drei Reinluftstationen gesammelt (insgesamt über 900). Das INP-Messnetz mit einer geographischen Ausdehnung von der Arktis zum Äquator bestand aus Stationen in Spitzbergen, Martinique und im Amazonas. Die Station im brasilianischen Regenwald ist durch wechselnde Bedingungen von sauberer Regen- und verunreinigter Trockenzeit charakterisiert. In der Trockenzeit steigen die Partikelkonzentrationen durch starke Belastung aus Biomassenverbrennung um eine Größenordnung an; eine gleichzeitige Zunahme der INP-Konzentrationen konnte nicht beobachtet werden. Daraus kann vermutet werden, dass Partikel aus Feueremissionen keine ausgezeichneten Fähigkeiten zur Eisnukleation aufweisen. Die INP-Konzentrationen in der Karibik konnten mit dem Jahresgang von transportieren Saharastaub in Verbindung gebracht werden. In der Arktis wurden die niedrigsten INP-Konzentrationen der drei Stationen beobachtet. Zum Zeitpunkt des Erstellens dieser Arbeit können die determinierenden Einflussfaktoren, sowie der anthropogene Einfluss zur Zeit des arktischen Dunstes noch nicht abschließend geklärt werden.
Transforming the current rather centralized electricity generating system into a climate neutral system based on renewable energy is an important approach to reduce greenhouse gas emissions and thus mitigate climate change. Stakeholders have each of them their own perception of the best strategies to achieve such a transformation. All perspectives are equally legitimate and needed for developing a specific transformation strategy suited for the region in focus....
In light of the global sea-level rise and climate change of the 21th century, it is important to look back into the recent past in order to understand what the future might hold. A multi-proxy data set was compiled to evaluate the influence of geomorphological and environmental factors, such as antecedent topography, subsidence, sea level and climate, on reef, sand apron and lagoon development in modern carbonate platforms through the Holocene. Therefore, a combination of remote sensing and morphological data from 122 modern carbonate platforms and atolls in the Atlantic, Indian and Pacific Oceans were conducted, along with a case study from the oceanic (Darwinian) barrier-reef system of Bora Bora, French Polynesia, South Pacific.
The influence of antecedent topography and platform size as factors controlling Holocene sand apron development and extension in modern atolls and carbonate platforms is hypothesized. Antecedent topography describes the elevation and relief of the underlying Pleistocene topography (karst) and determines the distance from the sea floor to the rising postglacial sea level. Maximum lagoon depth and marginal reef thickness, when available in literature, were used as proxies for antecedent topography. Sand apron proportions of 122 atolls and carbonate platforms from the Atlantic, Indian and Pacific Oceans were quantified and correlated to maximum lagoon depth, total platform area and marginal reef thickness. This study shows that sand apron proportions increase with decreasing lagoon depths. Sand apron proportions also increase with decreasing platform area. The interaction of antecedent topography and Holocene sea-level rise is responsible for variations in accommodation space and at least determines the extension of the lateral expansion of sand aprons. In general, sand apron formation started when marginal reefs approached relative sea level. Spatial and regional variations in sea-level history let sand apron formation start earlier in the Indo-Pacific region (transgressive-regressive) than in the Western Atlantic Ocean (transgressive).
The influence of sea level, antecedent topography and subsidence of a volcanic island on late Quaternary reef development was evaluated based on six rotary core transects on the barrier and fringing reefs of Bora Bora. This study was designed to revalue the Darwinian model, the subsidence theory of reef development, which genetically connects fringing reef, barrier reef and atoll development by continuous subsidence of the volcanic basement. Postglacial sea-level rise, and to a minor degree subsidence, were identified as major factors controlling Holocene reef development in that they have created accommodation space and controlled reef architecture. Antecedent topography was also an important factor because the Holocene barrier reef is located on a Pleistocene barrier reef forming a topographic high. Pleistocene soil and basalt formed the pedestal of the fringing reef. Uranium-Thorium dating shows that barrier and fringing reefs developed contemporaneously during the Holocene.
In the barrier–reef lagoon of Bora Bora, the influence of environmental factors, such as sea level and climate, tsunamis and tropical cyclones controlling Holocene sediment dynamics was evaluated based on sedimentological, paleontological, geochronological and geochemical data. The lagoonal succession comprises mixed carbonate-siliciclastic sediments overlying peat and Pleistocene soil. The multi-proxy data set shows variations in grain-size, total organic carbon (proxy for primary productivity), Ca and Cl element intensities (proxies for carbonate availability and lagoonal salinity) during the mid-late Holocene. These patterns could result from event sedimentation during storms and correlate to event deposits found in nearby Tahaa, probably induced by elevated cyclone activity. Accordingly, elevated erosion and runoff from the volcanic island and lower lagoonal salinity would be a result of rainfall during repeated cyclone landfall. However, Ti/Ca and Fe/Ca ratios as proxies for terrigenous sediment delivery peaked out in the early Holocene and declined since the mid-Holocene. Benthic foraminifera assemblages do not indicate reef-to-lagoon transport. Alternatively, higher and sustained hydrodynamic energy is probably induced by stronger trade winds and a higher-than-present sea level during the mid-late Holocene. The increase in mid-late Holocene sediment dynamics within the back-reef lagoon is supposed to display sediment-load shedding of sand aprons due to the oversteepening of slopes at sand apron/lagoon edges during their progradation rather than an increase in tropical storm activity during that time.
The influence of sea-level and climate changes on sediment import, composition and distribution in the Bora Bora lagoon during the Holocene is validated. Lagoonal facies succession comprises siderite-rich marly wackestones, foraminifera-siderite wackestones, mollusk-foraminifera marly packstones and mollusk-rich wackestones during the early-mid Holocene, and mudstones since the mid-late Holocene. During the early Holocene, enhanced weathering and iron input from the volcanic island due to wetter climate conditions led to the formation of siderite within the lagoonal sediments. The geochemical composition of these siderites shows that precipitation was driven by microbial activity and iron reduction in the presence of dissolved bicarbonate. Chemical substitutions at grain margins illustrate changes in the oxidation state and probably reflect changes in pore water chemistry due to sea-level rise and climate change (rainfall). In the late Holocene, sediment transport into the lagoon is hampered by motus on the windward side of the lagoon, which led to early submarine lithification within the lagoon.
Floodplains and other wetlands depend on seasonal river flooding and play an important role in the terrestrial water cycle. They influence evapotranspiration, water storage and river discharge dynamics, and they are the habitat of a large number of animals and plants. Thus, to assess the Earth’s system and its changes, a robust understanding of the dynamics of floodplain wetlands including inundated areas, water storages, and water flows is required.
This PhD thesis aims at improving the modeling of large floodplains and wetlands within the global-scale hydrological model WaterGAP, in order to better estimate water flows and water storage variations in different storage compartments. Within the scope of this thesis, I have developed a new approach to simulate dynamic floodplain inundation on a global-scale. This approach introduces an algorithm into WaterGAP, which has a spatial resolution of 0.5 degree (longitude and latitude) globally. The new approach uses subgrid-scale topography, based on high-resolution digital elevation models, to describe the floodplain elevation profile within each grid cell by applying a hypsographic curve. The approach comprises the modeling of a two-way river-floodplain interaction, the separate downstream water transport within the river and the floodplain – both with temporally and spatially different variable flow velocities – and the floodplain-groundwater interactions. The WaterGAP version that includes the floodplain algorithm, WaterGAP 2.2b_fpl, estimates floodplain and river water storage, inundated area and water table elevation, and also simulates backwater effects.
WaterGAP 2.2b_fpl was applied to model river discharge, river flow velocity, water storages, water heights and surface water extent on a global-scale. Model results were comprehensively validated against ground observations and remote sensing data. Overall, the modeled and observed data are in agreement. In comparison to the former version WaterGAP 2.2b, the model performance has improved significantly. The improvements are most remarkable in the Amazon River basin. However, the seasonal variation of surface water extent and total water storage anomalies are still too low in many regions on the globe when compared to observations. A detailed analysis of the simulated results suggests that in the Amazon River basin the introduction of backwater effects is important for realistically simulating water storages and surface water extent. Future efforts should focus on the simulation of water levels in order to better model the flow routing according to water slope. To further improve the model performance in specific regions, I recommend that the globally constant model parameters that affect inundation initiation, river-floodplain interaction, DEM correction for vegetation, and backwater amount at basin or subbasin-scale be adjusted.
Die lakustrinen Sedimente im Vorotan-Becken (Armenien) wurden palynologisch untersucht. Aus den Ergebnissen konnte die Vegetationsgeschichte im Südlichen Kaukasus während des Frühpleistozäns teilweise rekonstruiert werden.
Bei den Sedimenten handelt es sich um diatomeenreiche Tone, Silte und Feinsande, in denen Pollen gut und pflanzliche Makroreste ausgezeichnet erhalten sind. Die Datierung ist durch die Kombination von Paläomagnetik und 39Ar/40Ar-Methode eindeutig: Die Sedimente decken den Beginn der „mid Pleistocene transition“ (1?110?–?960 ka) ab.
An zehn Aufschlüssen wurden insgesamt 506 Sedimentproben genommen und die darin enthaltenen Pollen untersucht. So konnten insgesamt 64 Taxa nachgewiesen werden. Sie wurden in Pollenprofilen zusammengefasst und ökologisch bewertet. Die erhobenen Daten wurden zudem einer Faktorenanalyse und einer Clusteranalyse unterzogen, deren Ergebnisse ebenfalls in die Pollenprofile eingingen.
Die Pollenprofile lassen deutlich regionale Vegetationszyklen während des Frühpleistozäns erkennen. Diese Zyklen werden ausführlich beschrieben und mit Ergebnissen anderer Autoren aus dem Mittelmeerraum verglichen. Auch ein Bezug zur rezenten Vegetation im Südlichen Kaukasus und den angrenzenden Gebieten wird hergestellt.
Die Paläovegetation im Südlichen Kaukasus ist demnach während des Frühpleistozäns geprägt von einem Vegetationsmosaik aus Grassteppe und offenen Wäldern. Je nach Klima lassen sich Einflüsse von angrenzenden Vegetationszonen erkennen: borealer Nadelwald der Höhenlagen des Kaukasus, thermophiler Laubwald der euxinischen und hyrkanischen Wälder sowie xerotherme Steppe des Nordiran.
Während der Interglaziale herrscht eine Waldsteppe aus thermophilem Laubwald (z.?B. Quercus, Carpinus, Ulmus, Zelkova, Tilia) vor, in der bei starken Erwärmungsphasen die Grassteppe deutlich dominiert und die Wälder wohl an Nordhänge und in Uferbereiche zurückgedrängt werden. In den Glazialphasen finden sich zunehmend Koniferen in der Vegetation (z.?B. Tsuga, Abies, Picea, Pinus) – bis hin zu einem nahezu geschlossenen Kiefernwald am Ende des ersten lang andauernden Glazials MIS 30.
Es zeigt sich, dass sich die einzelnen Klimazyklen in der Ausprägung der Vegetation signifikant unterscheiden. Hierbei spielt sowohl die Amplitude der Erwärmung als auch die Dauer der jeweiligen Phase eine Rolle.
Der Vergleich mit anderen Untersuchungen zeigt, dass die Vegetationszyklen im Südlichen Kaukasus teilweise deutlich anders verlaufen als im westlichen, zentralen und östlichen Mittelmeerraum. Entlang einer Ost-West-Achse ist hier ein „Vegetationsgradient“ zu erkennen.
Das hat Auswirkungen auf die Interpretation der Ausbreitung früher Menschen aus Afrika nach Eurasien. Es ist davon auszugehen, dass sich nicht jeder Vegetationszyklus des Frühpleistozäns gleichermaßen gut für ein Vordringen nach Eurasien eignete. Geeignete Bedingungen (offene Landschaft, Vegetationsmosaik, warmes Klima) herrschten im Südlichen Kaukasus vor allem während stark ausgeprägter Interglaziale. Dagegen brachten lang anhaltende Glazialphasen wohl eher lebensfeindlichere Bedingungen für Homo erectus.
Weil in den südlichen Regionen Europas teilweise eine stark abweichende Vegetation während der unterschiedlichen Klimaphasen vorherrschte, ist es naheliegend, dass der Südliche Kaukasus für die frühen Menschen eine Rolle als Refugium spielte.
Deutlich zeichnen sich in den Ergebnissen Veränderungen in der Vegetation beim Übergang von den obliquitätsdominierten 41-ka-Klimazyklen zu den exzentrizitätsbestimmten 100-ka-Zyklen ab („mid Pleistocene transition“). Diese Veränderungen haben sich sicherlich auch auf die Population der Menschen ausgewirkt und größere Wanderbewegungen und/oder Anpassungen hervorgerufen. Möglicherweise haben in dieser drastischen Veränderung sogar kulturelle Entwicklungen ihren Anfang – zum Beispiel die Nutzbarmachung des Feuers.