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Over recent decades, the global population has been rapidly increasing and human activities have altered terrestrial water fluxes to an unprecedented extent. The phenomenal growth of the human footprint has significantly modified hydrological processes in various ways (e.g. irrigation, artificial dams, and water diversion) and at various scales (from a watershed to the globe). During the early 1990s, awareness of the potential for increased water scarcity led to the first detailed global water resource assessments. Shortly thereafter, in order to analyse the human perturbation on terrestrial water resources, the first generation of large-scale hydrological models (LHMs) was produced. However, at this early stage few models considered the interaction between terrestrial water fluxes and human activities, including water use and reservoir regulation, and even fewer models distinguished water use from surface water and groundwater resources. Since the early 2000s, a growing number of LHMs have incorporated human impacts on the hydrological cycle, yet the representation of human activities in hydrological models remains challenging. In this paper we provide a synthesis of progress in the development and application of human impact modelling in LHMs. We highlight a number of key challenges and discuss possible improvements in order to better represent the human–water interface in hydrological models.
Barriereinseln und Nehrungshaken, geformt durch eine Kombination aus Wind, Wellen, Strömung und Küstenlängstransport gelten als geologisch junge und morphologisch hoch aktive Küstenbereiche und variieren häufig in Ursprung, Genese und Entwicklung. Bisherige Untersuchungen zur Stratigraphie dieser durch engräumige Fazieswechsel geprägten Sedimentationsräume basieren häufig allein auf Bohrungen. Daher sind die interne sedimentologische Struktur und die Prozesse, die zur Entwicklung von Barriereinseln und Nehrungshaken geführt haben, oftmals unzureichend untersucht.
Ziel der folgenden Studie war es, anhand hochauflösender Georadarmessungen (GPR) und Bohrungen die Entstehung und interne sedimentäre Architektur der Nehrungshaken von Sylt und Amrum zu rekonstruieren. Durch die Korrelation von Sediment- und Radarfazies konnten über den bisherigen Kenntnisstand hinaus wertvolle, sich ergänzende Informationen zur Geologie des oberflächennahen Untergrundes der Inseln Sylt und Amrum gewonnen werden. Auf dieser Grundlage wurden für den Süden Sylts, die Westküste von Amrum und den Norden Amrums stratigraphische Modelle entwickelt, die schematisch den sedimentologischen Aufbau, die geomorphologisch-geologische Genese und die am Aufbau beteiligten Prozesse zusammenfassen. Die Einordnung in einen absoluten Zeitrahmen wurde durch Datierungen (AMS Radiokohlenstoff-Methode, Aminosäure-Racemisierungs-Methode) ermöglicht.
Die Ergebnisse sind als Beispiel für die Heterogenität und Individualität von Nehrungshaken und Barriereinseln zu sehen. Es konnte gezeigt werden, dass Nehrungshaken hinsichtlich ihres Aufbaus, ihrer sedimentären Struktur sowie den Prozessen ihrer Entstehung sehr unterschiedlich sind.
Mit Ausnahme der heutigen Dünen zeigt die Stratigraphie der Ansatzzone des südlichen Nehrungshakens von Sylt an den zentralen Inselgeestkern südlich der Ortschaft Rantum insgesamt eine Vergröberungs-Sequenz von tonigem Mischwatt im Liegenden über Sandwatt bis zu den gröberen washover-Schichten im Hangenden. Eine Besonderheit und regionale Abweichung stellt die Stratigraphie bei Puan Klent/Thörnhörn dar. Dort wurde im Liegenden der Watt-Fazies ein fossiler Strandhaken nachgewiesen.
Die transgressive Sequenz der Ansatzzone des südlichen Nehrungshakens von Sylt bei Rantum auf Sylt ist kennzeichnend für eine landwärts gerichtete Wanderungsbewegung der Inselbarriere unter steigendem Meeresspiegel. Das Resultat des als „barrier rollover“ bezeichneten morphologischen Prozesses ist die allmähliche Erosion der westlichen Barrierefront. Das erodierte Sediment der Westküste wurde entweder durch overwash-Prozesse im rückwärtigen Inselbereich als washover fan abgelagert oder gelangte in den Küstenlängstransport, wurde zur Inselspitze transportiert und dort akkumuliert. Diese führte allmählich zum Wachstum und zur Progradation der südlichen Inselspitze (Hörnum Odde) in die sich südlich anschließende Tiderinne des Hörnum-Tiefs. Zahlreiche Erosionsdiskordanzen unterhalb des heutigen Meeresspiegels markieren ursprüngliche Inselspitzenendpositionen (time lines) und sind auf hochenergetische Sturmflutereignisse zurückzuführen. Die time lines werden nach Süden hin jünger und zeichnen unterschiedliche Stadien der Progradation nach, die ein episodisches Wachstum der Inselspitze in Abhängigkeit von der Sedimentverfügbarkeit und der Sturmflutintensität belegen. Alte Erosionsdiskordanzen belegen die frühe submarine Genese der Hörnum Odde. Ein starkes Wachstum der südlichen Inselspitze Sylts lässt sich im Mittelalter nachweisen.
Sturmfluten führten zudem immer wieder zu overwash-Prozessen und Überschwemmungen der noch jungen Inselspitze. Dies belegen ältere washover-Ablagerungen, die in unterschiedlichen Phasen der Nehrungshakenentwicklung nachgewiesen werden konnten. Rezente overwash-Prozesse sind auf die heutigen Dünen beschränkt und wurden in dieser Arbeit mit der Fragestellung untersucht, ob und inwieweit das Georadar als Methode zur Prospektion von washover-Sedimenten herangezogen werden kann.
Die unmittelbare Nachbarschaft der beiden Nehrungshaken von Sylt und Amrum lässt einen ähnlichen sedimentären Aufbau, eine analoge Genese in einem einheitlichen Prozess-System sowie ein vergleichbares Alter vermuten. Durch die Untersuchungen im Norden von Amrum sollte festgestellt werden, in wie weit das für die Hörnum Odde nachgewiesene Zusammenspiel von Küstenlängstransport, Progradation, sturmflutbedingten overwash-Prozessen und die zeitliche Unterbrechung des Längenwachstums durch Sturmfluterosion auch für Amrum zutrifft. Entgegen der Erwartungen unterscheidet sich der nördliche Nehrungshaken der Insel Amrum signifikant vom südlichen Nehrungshaken der Nachbarinsel Sylt.
Studien zur Landschaftsentwicklung an der Westküste Amrums wurden in einem Modell zusammengefasst, dass die Sedimentationsbedingungen, die im Westküstenvorfeld herrschten bevor der Kniepsand an die Insel heranwanderte, beschreibt. Auf der Landoberfläche des ertrinkenden saaleeiszeitlichen Geestkerns wurden zu Beginn der Flandrischen Transgression feinkörnige Sedimente eines Misch- und Schlickwatts abgelagert. Es ist davon auszugehen, dass der damals noch weit vor der Küste Amrums liegende Kniepsand eine Barriere bildete und so an der heute hochenergetischen Westküste für strömungsberuhigte Sedimentationsbedingungen sorgte. Ein weiteres Modell beschreibt den Andockmechanismus des Kniepsandes an die Insel Amrum. Durch die Anlagerung des ehemaligen Außensandes und den damit einhergehenden Sedimentinput wurden die Bedingungen für eine großflächige Dünenbildung geschaffen.
Die vorliegende Arbeit stellt einen Ansatz zur Systematisierung der Konzeption und Entwicklung webbasierter multimedialer Lehr-/Lernobjekte (mmL-Objekte) in der Physischen Geographie, im Wesentlichen in der Teildisziplin Geomorphologie, vor. Auf allgemeine Ausführungen zu mediendidaktischen Grundlagen und Begrifflichkeiten im Zusammenhang internetgestützter Lehr-/Lernszenarien folgt die Darstellung von Strategien der Wissensstrukturierung, Wissensaneignung und fachwissenschaftlicher Methodik im Lehr-/Lernkontext geomorphologischer Prozesse und ihrer Modellierung im Internet. Die Aufbereitung des Prozesskomplexes Bodenerosion seht im Mittelpunkt. Ein Überblick über Potentiale computergestützter Modellierung und Visualisierung zur Entwicklung webbasierter multimedialer Lehr-/Lernmaterialien in der Geographie leitet über zur Erarbeitung eines präskriptiven Ansatzes zur Konzeption interaktiver Lernaufgaben. Sie setzen sich zusammen aus einer Visualisierungskomponente, den Möglichkeiten zur Interaktion mit der Visualisierung und mindestens einer Aufgabenstellung. Vor allem in computerunterstützten Lehr-/Lernprozessen, die selbständiges Lernen erfordern, erweisen sie sich als wesentliches didaktisches Element, um sicherzustellen, dass sich Lernende aktiv und nicht nur rezeptiv mit Inhalten und Medien in der für erfolgreiche Lernprozesse erforderlichen Intensität auseinander setzen. Ausgehend von der Funktion des zu entwickelnden Lehr-/Lernangebotes und dem jeweiligen angestrebten Zielhorizont eines Lehr-/Lernelements werden Empfehlungen zur Konstruktion aufgabenorientierter mmL-Objekte vorgeschlagen. Exemplarisch wird die praktische Anwendung theoretisch begründeter Empfehlungen anhand von aufgabenorientierten mmL-Objekten (interaktiven Lernaufgaben) aufgezeigt und diskutiert, die im Rahmen des BMBF-Projektes „WEBGEO – Webbing von Geoprozessen für die Grundausbildung Physische Geographie“ und im Rahmen der Lehrveranstaltung „Erstellung von E-Learning-Modulen durch Studierende“ entwickelt wurden.
Global water models (GWMs) simulate the terrestrial water cycle on the global scale and are used to assess the impacts of climate change on freshwater systems. GWMs are developed within different modelling frameworks and consider different underlying hydrological processes, leading to varied model structures. Furthermore, the equations used to describe various processes take different forms and are generally accessible only from within the individual model codes. These factors have hindered a holistic and detailed understanding of how different models operate, yet such an understanding is crucial for explaining the results of model evaluation studies, understanding inter-model differences in their simulations, and identifying areas for future model development. This study provides a comprehensive overview of how 16 state-of-the-art GWMs are designed. We analyse water storage compartments, water flows, and human water use sectors included in models that provide simulations for the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project phase 2b (ISIMIP2b). We develop a standard writing style for the model equations to enhance model intercomparison, improvement, and communication. In this study, WaterGAP2 used the highest number of water storage compartments, 11, and CWatM used 10 compartments. Six models used six compartments, while four models (DBH, JULES-W1, Mac-PDM.20, and VIC) used the lowest number, three compartments. WaterGAP2 simulates five human water use sectors, while four models (CLM4.5, CLM5.0, LPJmL, and MPI-HM) simulate only water for the irrigation sector. We conclude that, even though hydrological processes are often based on similar equations for various processes, in the end these equations have been adjusted or models have used different values for specific parameters or specific variables. The similarities and differences found among the models analysed in this study are expected to enable us to reduce the uncertainty in multi-model ensembles, improve existing hydrological processes, and integrate new processes.
The accurate knowledge of the groundwater storage variation (ΔGWS) is essential for reliable water resource assessment, particularly in arid and semi-arid environments (e.g., Australia, the North China Plain (NCP)) where water storage is significantly affected by human activities and spatiotemporal climate variations. The large-scale ΔGWS can be simulated from a land surface model (LSM), but the high model uncertainty is a major drawback that reduces the reliability of the estimates. The evaluation of the model estimate is then very important to assess its accuracy. To improve the model performance, the terrestrial water storage variation derived from the Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) satellite mission is commonly assimilated into LSMs to enhance the accuracy of the ΔGWS estimate. This study assimilates GRACE data into the PCRaster Global Water Balance (PCR-GLOBWB) model. The GRACE data assimilation (DA) is developed based on the three-dimensional ensemble Kalman smoother (EnKS 3D), which considers the statistical correlation of all extents (spatial, temporal, vertical) in the DA process. The ΔGWS estimates from GRACE DA and four LSM simulations (PCR-GLOBWB, the Community Atmosphere Biosphere Land Exchange (CABLE), the Water Global Assessment and Prognosis Global Hydrology Model (WGHM), and World-Wide Water (W3)) are validated against the in situ groundwater data. The evaluation is conducted in terms of temporal correlation, seasonality, long-term trend, and detection of groundwater depletion. The GRACE DA estimate shows a significant improvement in all measures, notably the correlation coefficients (respect to the in situ data) are always higher than the values obtained from model simulations alone (e.g., ~0.15 greater in Australia, and ~0.1 greater in the NCP). GRACE DA also improves the estimation of groundwater depletion that the models cannot accurately capture due to the incorrect information of the groundwater demand (in, e.g., PCR-GLOBWB, WGHM) or the unavailability of a groundwater consumption routine (in, e.g., CABLE, W3). In addition, this study conducts the inter-comparison between four model simulations and reveals that PCR-GLOBWB and CABLE provide a more accurate ΔGWS estimate in Australia (subject to the calibrated parameter) while PCR-GLOBWB and WGHM are more accurate in the NCP (subject to the inclusion of anthropogenic factors). The analysis can be used to declare the status of the ΔGWS estimate, as well as itemize the possible improvements of the future model development.
The Land and Water Development Division of the Food and Agriculture Organization of the United Nations and the Johann Wolfgang Goethe University, Frankfurt am Main, Germany, are cooperating in the development of a global irrigation-mapping facility. This report describes an update of the Digital Global Map of Irrigated Areas for the continent of Asia. For this update, an inventory of subnational irrigation statistics for the continent was compiled. The reference year for the statistics is 2000. Adding up the irrigated areas per country as documented in the report gives a total of 188.5 million ha for the entire continent. The total number of subnational units used in the inventory is 4 428. In order to distribute the irrigation statistics per subnational unit, digital spatial data layers and printed maps were used. Irrigation maps were derived from project reports, irrigation subsector studies, and books related to irrigation and drainage. These maps were digitized and compared with satellite images of many regions. In areas without spatial information on irrigated areas, additional information was used to locate areas where irrigation is likely, such as land-cover and land-use maps that indicate agricultural areas or areas with crops that are usually grown under irrigation. Contents 1. Working Report I: Generation of a map of administrative units compatible with statistics used to update the Digital Global Map of Irrigated Areas in Asia 2. Working Report II: The inventory of subnational irrigation statistics for the Asian part of the Digital Global Map of Irrigated Areas 3. Working Report III: Geospatial information used to locate irrigated areas within the subnational units in the Asian part of the Digital Global Map of Irrigated Areas 4. Working Report IV: Update of the Digital Global Map of Irrigated Areas in Asia, Results Maps
This paper provides global terrestrial surface balances of nitrogen (N) at a resolution of 0.5 by 0.5 degree for the years 1961, 1995 and 2050 as simulated by the model WaterGAP-N. The terms livestock N excretion (Nanm), synthetic N fertilizer (Nfert), atmospheric N deposition (Ndep) and biological N fixation (Nfix) are considered as input while N export by plant uptake (Nexp) and ammonia volatilization (Nvol) are taken into account as output terms. The different terms in the balance are compared to results of other global models and uncertainties are described. Total global surface N surplus increased from 161 Tg N yr-1 in 1961 to 230 Tg N yr-1 in 1995. Using assumptions for the scenario A1B of the Special Report on Emission Scenarios (SRES) of the International Panel on Climate Change (IPCC) as quantified by the IMAGE model, total global surface N surplus is estimated to be 229 Tg N yr-1 in 2050. However, the implementation of these scenario assumptions leads to negative surface balances in many agricultural areas on the globe, which indicates that the assumptions about N fertilizer use and crop production changes are not consistent. Recommendations are made on how to change the assumptions about N fertilizer use to receive a more consistent scenario, which would lead to higher N surpluses in 2050 as compared to 1995.
Throughout mankind’s history, the need to secure and protect the home settlement was an essential one. This holds especially true for the city of Ainos (modern Enez) in Turkish Thrace. Due to its continuous settlement history since the 7th/6th century BC, several different types of city walls were built—sometimes even on top of each other—several of which have been preserved over time. To decipher the construction style, the course and the age of a buried city wall segment in the southern part of the former city, a geoscientific multi-proxy approach including magnetic gradiometer (MG) and electrical resistivity tomography (ERT) measurements in combination with granulometrical, sedimentological and microfaunistical investigations on sediment cores was applied. We were able to (1) present reasonable arguments for its Hellenistic age; (2) reveal the course of this wall segment and extrapolate it further north into a less studied area; and (3) demonstrate that in this near-coastal area, the former swampy terrain had been consolidated for constructing the wall. Our multi-proxy approach serves as a valuable example for investigating buried structures in archaeological contexts, avoiding a less-economical, time-consuming, or even forbidden excavation.
Ecological networks are more sensitive to plant than to animal extinction under climate change
(2016)
Impacts of climate change on individual species are increasingly well documented, but we lack understanding of how these effects propagate through ecological communities. Here we combine species distribution models with ecological network analyses to test potential impacts of climate change on >700 plant and animal species in pollination and seed-dispersal networks from central Europe. We discover that animal species that interact with a low diversity of plant species have narrow climatic niches and are most vulnerable to climate change. In contrast, biotic specialization of plants is not related to climatic niche breadth and vulnerability. A simulation model incorporating different scenarios of species coextinction and capacities for partner switches shows that projected plant extinctions under climate change are more likely to trigger animal coextinctions than vice versa. This result demonstrates that impacts of climate change on biodiversity can be amplified via extinction cascades from plants to animals in ecological networks.
Die Studie zur holozänen und pleistozänen Umweltgeschichte Süd-Kameruns betrachtet den Aussagewert alluvialer Ablagerungen der Flüsse Boumba, Dja, Nyong, Ntem und Sanaga für die Paläoumweltforschung. Die zugrundeliegende Forschungsarbeit fand im Rahmen des ReSaKo-Projektes, als Teil der interdisziplinären DFG-Forschergruppe 510 (“Ökologischer Wandel und kulturelle Umbrüche in West- und Zentralafrika”) statt, welches die zeitliche und räumliche Korrelation zwischen Klimawandel, Landnutzungsstrategien und kulturellen Innovationen während der “First Millennium BC Crisis” untersucht hat. Hierfür wurde der ökologisch sensitive Bereich des tropischen bis äquatorialen, immergrünen bis halb-immergrünen Guineisch-Kongolesischen Regenwaldes und dessen Übergangszone zur Savanne im Süden Kameruns ausgewählt. Als Hauptziele galten dabei zum einen der Nachweis und die Interpretation umweltgeschichtlich verwertbarer Alluvionen in einer diesbezüglich bisher unerforschten Region und zum anderen die Korrelation der Befunde mit bereits vorliegenden terrestrischen und hemi-pelagischen Paläoumweltarchiven zur weiteren Rekonstruktion der Paläoumweltbedingungen im westlichen (monsunalen) Äquatorialafrika. Nach der Identifizierung geeigneter Arbeitsgebiete entlang verzweigter, mäandrierender und verflochtener bis anastomosierender Flussabschnitte mittels Fernerkundung von Satellitenbildszenen (LANDSAT ETM+ und ASTER), wurden unter Verwendung physiogeographischer und geomorphologischer Arbeitsmethoden ausgedehnte Feldarbeiten während der Trockenzeiten der Jahre 2005-2008 durchgeführt. Zahlreiche Bohrarbeiten (161 Handbohrungen bis 550 cm Tiefe) zur Sedimentprobennahme (1093 Proben) innerhalb der Alluvial- und Auenbereiche der fluvialen Systeme lieferten einen umfassenden Einblick in die Stratigraphie und fluvial-morphologische als auch paläoökologische und –hydrologische Entwicklung der verschiedenen fluvialen Ökosysteme. Die mehrschichtigen, sandigen bis tonigen Alluvionen enthalten Paläooberflächen (z. B. Gyttjen, reliktische Sümpfe, fossile organische Lagen/Horizonte), die hervorragende zusätzliche Proxydaten-Archive für die Rekonstruierung umweltgeschichtlicher Bedingungen darstellen. Bohrtransekte und die Interpretation von Korngrößensequenzen (Verfeinerung, Vergröberung) und Paläooberflächen aus solchen alluvialen Sedimentarchiven stellen ein wichtiges, diagnostisches Instrument bei der Rekonstruktion paläoökologischer und paläohydrologischer Bedingungen und Veränderungen dar und belegen zeitweise einsetzende Austrocknung und Bodenbildung in den Auen sowie die Entstehung von Sümpfen, Mudden, Altarmen und Altwasserseen. Dies zeugt eindeutig von einer modifizierten Dynamik der fluvialen Systeme als Reaktion auf endogene Steuer-größen und (fluss-)interner Variabilität (equilibrium). Eine Vielzahl (76) von 14C (AMS)-Datierungen an organischem Sediment und Makroresten aus diesen Alluvionen lieferten spätpleistozäne bis rezente Alter (~48 – 0,2 ka BP). Die dazugehörigen δ13C-Werte (-35.5 bis -18.0 ‰) belegen für den Großteil der Untersuchungsstandorte (außer Oberläufe des Nyong und Sanaga) den Fortbestand von C3-Spezies dominierter Galleriewald-Ökosysteme entlang der Flusssysteme (“fluviale Regenwaldrefugien”) trotz einiger klimatischer Veränderungen/Aridisierungen (z. B. Letztes Glaziales Maximum um etwa 20.000 BP). Trotz der bestehenden Schwierigkeiten bei der Interpretation tropischer Sedimentarchive (z. B. Hiatusproblematik) und fluvialer Archive im Allgemeinen, unterstützen weitere sedimentologische und pedologische Analysen (bodenchemische und -physikalische Laboranalysen: Korngrößen, Kohlenstoff [Ctot], Stickstoff [N], Eisengehalt [Feo und Fed], pH, Munsell-Farben und C/N) und ausgewählte 14C (AMS)-Datierungen und δ13C-Bestimmungen diesen Beitrag zur hypothetischen Rekonstruktion der umweltgeschichtlichen und paläohydrologischen Entwicklung des Untersuchungsraumes. Die Interpretation des Alluvialarchivs liefert zusätzlich fundierte Informationen hinsichtlich der komplexen Zusammenhänge zwischen Klima, Ozean, fluvialen und ökologischen Systemen und anthropogener Einflussnahme in einem regional weitestgehend unerforschten Gebiet mit hoch-sensitiven tropischen Ökosystemen. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Korrelation mit früheren Paläoumweltstudien, die über Untersuchungen an weiteren terrestrischen (lakustrin und palustrin) und hemi-pelagischen Archiven dieser Region gewonnen werden konnten. Sie bekräftigen Milanković- bis sub-Milanković-skalige Fluktuationen (bes. Präzession-Zyklus) der Intensität des westafrikanischen Monsuns und daraus resultierende klimatische, hydrologische und ökologische Modifikationen im Untersuchungsgebiet, was wiederum weitreichende Telekonnektionen und Reorganisationen impliziert. Insgesamt können im Liegenden grobkörnige, sandige sedimentäre Einheiten, welche turbulente fluvial-morphologische Bedingungen und geöffnete Landschaftsstrukturen während des Spätpleistozäns (48-30 ka BP) vermuten lassen, von fein-sandigen LGM-zeitlichen (22-16 ka BP) und mächtigen schluffigen bis tonigen, holozänen Sedimenteinheiten im Hangenden unterschieden werden, welche eher stabilisierte und saisonale Umweltverhältnisse widerspiegeln. Größere Um- und Verlagerungen innerhalb der Alluvialbereiche (v. a. Gerinnebettverlagerungen, Versumpfung) konnten für den Übergang vom Pleistozän zum Holozän (14-10 ka BP) nachgewiesen werden. Weitere einschneidende Veränderungen traten im Spätholozän auf (um 4, 2 und 0,8 ka BP), wahrscheinlich begünstigt durch die einsetzende Sesshaftwerdung Bantu sprechender Volksgruppen im tropischen Regenwald Zentralafrikas und die Einführung der Metallurgie um 3 ka BP. Die Informationen über regionale umweltgeschichtliche Oszillationen und Variationen im Prozess- und Landschaftsgefüge sind in den alluvialen Sedimenten gut dokumentiert und erhalten geblieben und ergänzen somit frühere Ergebnisse (z. B. ECOFIT Programm) zur spätquartären Umweltgeschichte des vom Monsun geprägten westlichen Äquatorialafrikas. Die Ergebnisse bestätigen vor allem die Bedeutung und Anwendbarkeit tropischer (afrikanischer) alluvialer Sedimente für die Paläoumweltforschung und belegen zudem, dass neben (neo-)tektonischen Impulsen das Klima die tragende Rolle in der Gestaltung der Landschaft und der Dynamik, sowie der Entwicklung der Flusseinzugsgebiete gespielt hat.