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Auswirkungen temporärer Waldränder auf biophysikalische Bedingungen und Verjüngung im Waldinneren

Die insbesondere durch Hitze und Trockenheit zunehmenden Störungen in den Wäldern Zentraleuropas lassen vermehrt Waldränder rund um Störungsflächen entstehen. Sogenannte temporäre Waldränder verschwinden zwar im Laufe der Zeit, ihre Auswirkungen können aber über die gestörten Flächen hinaus in angrenzende Wälder hineinreichen. Erhöhte Temperaturen, mehr Licht, größere Verdunstung, sowie Veränderungen der Waldstruktur und der Verjüngung sind die Folge. Angesichts derzeitiger Störungstrends werden temporäre Waldränder zum wichtigsten Waldrandtyp in Mitteleuropa und beeinflussen große Teile der Waldfläche. Unser Ziel ist es, die Auswirkungen von temporären Waldrändern auf die biophysikalischen Bedingungen und die Verjüngung im Waldinneren zu untersuchen. Auf lokaler Ebene streben wir ein mechanistisches Verständnis der Auswirkungen von temporären Waldrändern an. Dazu sollen in einer Modellregion (Fichtelgebirge, Bayern) entlang von Transekten Vegetationsstruktur, Temperatur und Verjüngung an temporären Waldrändern gemessen und miteinander in Beziehung gesetzt werden. Auf diese Weise können wir beurteilen, wie Wälder und ihr Mikroklima durch benachbarte Störungen beeinflusst werden und wie die Verjüngung im Waldinneren auf unterschiedliche biophysikalische Bedingungen reagiert. Auf großskaliger Ebene werden wir die Effekte temporärer Waldränder aufs Waldinnere mithilfe von Fernerkundungsdaten und nationalen Waldinventuren für ganz Deutschland untersuchen. Die flächendeckenden Auswertungen werden zeigen, wie sich die jüngsten Störungswellen auf die Waldstruktur und die mikroklimatischen Bedingungen ausgewirkt haben. Analog dazu werden wir analysieren, wie sich die Anzahl und Artenzusammensetzung der Waldverjüngung in Deutschland als Folge von Störungen und der damit verbundenen Zunahme von temporären Waldrändern entwickelt hat und wie diese Veränderungen im Hinblick auf die Baumarteneignung im Klimawandel zu bewerten sind. Unser Antrag adressiert die Auswirkungen des Klimawandels auf Waldökosysteme und deren Dynamik und die daraus resultierenden Implikationen für die Anpassungsfähigkeit zukünftiger Wälder in Europa.

Dynamik, Variabilität und bioklimatische Effekte von niedrigen Wolken im westlichen Zentralafrika

Niedrige Wolken sind Schlüsselbestandteile vieler Klimazonen, aber in numerischen Modellen oft nicht gut dargestellt und schwer zu beobachten. Kürzlich wurde gezeigt, dass sich während der Haupttrockensaison im Juni und September im westlichen Zentralafrika eine ausgedehnte niedrige Wolkenbedeckung (engl. „low cloud cover“, LCC) entwickelt. Eine derart wolkige Haupttrockenzeit ist in den feuchten Tropen einzigartig und erklärt wahrscheinlich die dichtesten immergrünen Wälder in der Region. Da paläoklimatische Studien auf eine Instabilität hinweisen, kann jede Verringerung des LCC aufgrund des Klimawandels einen Kipppunkt für die Waldbedeckung darstellen. Daher besteht ein dringender Bedarf, das Auftreten, die Variabilität und die bioklimatischen Auswirkungen des LCC in westlichen Zentralafrika besser zu verstehen.Um diese Ziele zu erreichen, wurde ein Konsortium aus französischen, deutschen und gabunischen Partnern aufgebaut, zu dem Meteorologen, Klimatologen und Experten für Fernerkundung und Waldökologie gehören. Die meteorologischen Prozesse, welche die Bildung und Auflösung der LCC im Tagesgang steuern, werden anhand von zwei Ozean-Land-Transekten auf der Grundlage einer synergistischen Analyse von historischen In-situ Beobachtungen, von Daten einer Feldkampagne und anhand von atmosphärischen Modellsimulationen untersucht. Die Ergebnisse werden mit einem kürzlich entwickelten konzeptionellen Modell für LCC im südlichen Westafrika verglichen.Die intrasaisonale bis interannuale Variabilität des LCC wird durch die Analyse von In-Situ-Langzeitdaten und Satellitenschätzungen quantifiziert. Unterschiede im Jahresgang des LCC (d.h. jahreszeitlicher Beginn und Rückzug, wolkenarme Tage) und die Ausdehnung ins Inland werden dokumentiert. Ansätze, die auf Wettertypen und äquatorialen Wellen basieren, werden verwendet, um intrasaisonale Variationen des LCC zu verstehen. Die Auswirkungen lokaler und regionaler Meeresoberflächentemperaturen auf die LCC-Entwicklung und ihre Jahr-zu-Jahr Variabilität werden bewertet, wobei statistische Analysen und spezielle Sensitivitätsversuche mit einem regionalen Klimamodell verknüpft werden.Schließlich wird der Einfluss von LCC auf die Licht- und Wasserverfügbarkeit bzw. die Waldfunktion anhand von In-Situ-Messungen untersucht. Die Ergebnisse werden mit Messungen aus der nördlichen Republik Kongo, wo die Trockenzeit sonnig ist, sowie mit einem einfachen Wasserhaushaltsmodells, das an die Region angepasst ist, verglichen. Die Wasserhaushaltsanalysen sollen die Kompensations- oder Verstärkungseffekte von Regen im Vergleich zur potenziellen Evapotranspiration, beide moduliert durch die LCC, auf das Wasserdefizit aufzeigen.Die Ergebnisse von DYVALOCCA werden zum ersten konzeptionellen Modell für Wolkenbildung und -auflösung im westlichen Zentralafrika führen und eine Hilfestellung für die Bewertung von Klimawandel-Simulationen mit Blick auf potentielle Kipppunkte für die immergrünen Regenwälder in der Region geben.

Klimaatlas NRW - Wasser: Wasserhaushaltsmodell mGROWA - Tatsächliche Evapotranspiration

Dienst bestehend aus den Rasterlayern zu der Wasserhaushaltsgröße Tatsächliche Evapotranspiration in mm, jeweils für das ganze Jahr. Die hier dargestellten Rasterlayer zum Wasserhaushalt wurden vom Forschungszentrum Jülich mit Hilfe des Modells "mGROWA" im Rahmen einer Kooperation mit dem LANUV NRW berechnet und für den Klimaatlas NRW aufbereitet. Die jeweiligen Raster-Layer wurden jeweils für die 30-jährigen Mittelwerte der Klimanormalperioden 1961-1990, 1971-2000, 1981-2010 und 1991-2020 für die beobachtete Vergangenheit berechnet. Ergänzend werden die Änderungen der Klimanormalperiode 1991-2020 bezogen auf 1961-1990 dargestellt. Zusätzlich liegen Klimaprojektionen für die Zukunftszeiträume 2031-2060 und 2071-2100 vor, die jeweils nach den Klimaprojektionen RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 gegliedert sind. Die Stärke des möglichen Klimasignals je Szenario wird unterteilt nach dem 15., 50. und dem 85. Perzentil. Es werden sowohl absolute Mittelwerte als auch sogenannte Delta-Change Raster dargestellt, die die Änderung des Klimasignals gegenüber der Referenzperiode 1971-2000 zeigen. Datenquelle: Forschungszentrum Jülich (Frank Herrmann); Quellen für Klimaprojektionsdaten: Brienen et al. (2020), Krähenmann (2019).

CDC (Climate Data Center)

Free access and download to of a growing selection of DWD’s climate data. Via CDC Search you will find data for direct download and interactive access to station data. The interactive mode gives graphical and tabular previews of the German station data. In addition, all data sets remain accessible from our ftp server for direct download

Skalierbarkeit von Großkollektoranlagen und KNW-Netzen, Teilvorhaben: Agraranalyse - Auswirkungen landwirtschaftlicher Nutzungen auf die Performance von Großkollektoranlagen

Das Forschungsvorhaben KNW-Opt II vereint die Lösungsansätze der beiden bundesweit größten kollektorbasierten Kalten Nahwärmenetze (KNW) 'Bad Nauheim Süd' und 'Soester Norden'. Mit Hilfe von wissenschaftlichen Monitorings werden wichtige übertragbare Erkenntnisse für die Planung, den Bau und den Betrieb komplexer kollektorbasierter KNW-Systeme gewonnen. Diese werden im Rahmen des Wissenstransfers für die breite Anwendung verfügbar gemacht. Es werden Softwarelösungen erarbeitet, validiert und bereitgestellt. Im Vorgängerprojekt KNW-Opt wurde in 'Bad Nauheim Süd' ein wissenschaftliches Monitoring implementiert und erste Optimierungen umgesetzt. Diese Arbeiten werden in KNW-Opt II weiter fortgeführt und ergänzend Agraranalysen an diesem Standort durchgeführt. Zudem werden die Untersuchungen durch Aufbau eines wissenschaftlichen Monitorings am aktuell größten kollektorbasierten KNW-Netz im 'Soester Norden' erweitert und die Übertragbarkeit der Erkenntnisse aus KNW-Opt hierfür genutzt. Die beiden Leuchttürme dienen zudem der Entwicklung einer KNW-Energy-Cloud sowie einem KNW Real-Time Twin, mit deren Hilfe die Übertragbarkeit auf andere KNW-Netze im Neubau aber auch Bestand ermöglicht werden soll. Um die Marktdurchdringung zu beschleunigen, erfolgt der Wissens- und Technologietransfer durch die Einbindung der wichtigsten Branchenverbände schon während der Projektlaufzeit. Im Teilvorhaben der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) wird die nachhaltige Bewirtschaftung doppelgenutzter Agrarflächen adressiert. Das übergeordnete Ziel ist die Maximierung des Energieaustauschs für die Beheizung und Kühlung von Gebäuden, ohne die landwirtschaftliche Produktionskapazität des Feldes zu beeinträchtigen. Hierbei wird betrachtet, wie verschiedene Pflanzenkulturen für den Energieaustausch relevante Bodenparameter wie Temperatur- und Feuchtigkeit beeinflussen sowie die Wasseraufnahme der Pflanzen und die Dynamik der Evapotranspiration

Dynamik der Verweilzeiten von Wasser in Mediterranen Einzugsgebieten und deren ökohydrologischen Auswirkungen in einer sich wandelndem Umwelt

Es ist dringend erforderlich, die relevanten hydrologischen Prozesse in montanen mediterranen Einzugsgebieten zu verstehen, um deren potentielle Änderungen in ihren Funktionen für die Wasserversorgung durch den Klimawandel und Landnutzungsänderungen zu kennen. Daher möchte ich zusammen mit meiner Gastinstitution, dem IDAEA-CSIC in Barcelona, untersuchen, wie die Vegetation, die Böden und das Grundwasser das Speichern, die Mischung, die Abflussbildung, sowie die Evapotranspiration in dem Einzugsgebiet Vallcebre im Nordosten Spaniens beeinflussen. Die Forscher des IDAEA -CSIC haben hydrometrische Daten und stabile Isotope (d2H, d18O) der verschiedenen hydrologischen Kompartimente des Einzugsgebiets gesammelt. Somit liegen Informationen über den Freiland- und Bestandniederschlag, Stammabfluss, Bach- und Grundwasser, sowie Wasser im Boden und der Vegetation vor. Ich plane, diesen umfangreichen Datensatz zur Bestimmung der Verweilzeiten mit neue Methoden anzuwenden, damit sich unser Verständnis von Wasserfluss und Stofftransport in Einzugsgebieten verbessert. Ich werde zunächst testen, wie mittels 'StorAge Selection functions' (Rinaldo et al. 2015) die Dynamik der Verweilzeiten des Abflusses und der Evapotranspiration beschrieben werden können. Des Weiteren habe ich als Ziel die neuen Konzepte der 'young water fraction' (Kirchner 2016) and 'new water fraction' (Kirchner 2017) anzuwenden, um besser die kurzfristige Komponente der Verweilzeiten beschreiben zu können. Diese Methoden sind noch nicht für Mediterrane Einzugsgebiete getestet worden, aber der umfangreiche Datensatz für die Vallcebre Einzugsgebiete ermöglicht die Untersuchung aktueller Fragen der Einzugshydrologie: Können Studien zur Verweilzeit verbessert werden mit höherer Rate der Probennahme von Niederschlag und Abfluss? Wie wirken sich neu erschlossene Daten über Bestandsniederschlag, Stammabfluss, Wurzelwasseraufnahme oder Bodenwasserfluss auf die Analysen aus? Zuletzt werde ich die Information von Tiefenprofilen der Isotopenzusammensetzung von Porenwasser einbeziehen, um hydrologische Modelle zu testen und die Verweilzeiten im Boden mit der Verweilzeit des Einzugsgebietsabflusses in Bezug zu setzen. Letzteres baut auf meine Dissertation und derzeitiger Postdoc-Studien auf.

Risiken und Resilienz hydrologischer Extreme in städtisch-ländlichen Gebieten im südlichen Afrika - Co-Produktion von Wasser- und Klimadienstleistungen für ein angepasstes und nachhaltiges Risikomanagement, Teilprojekt 3

Folgenabschätzung der Vaskulärpflanzenbesiedelung auf den Wasser- und Kohlenstoffkreislauf Sphagnum dominierter Hochmoore - VESBO

Boreale und temperate Moore bedecken weniger als 3% der Erdoberfläche, speichern jedoch fast 30% des terrestrischen Kohlenstoffs (C), akkumuliert über Jahrtausende durch permanente Wassersättigung. Natürliche Hochmoore sind charakterisiert durch Sphagnum-Moos dominierte Vegetationsdecken, werden jedoch seit Jahrhunderten vom Menschen durch Torfabbau genutzt. Die Auswirkungen der künstlichen Entwässerung auf Ökosystemfunktionen und Biodiversität sind zahlreich und nicht auf die stark erhöhten CO2-Emissionen beschränkt. Die Wiederherstellung quasi-natürlicher hydrologischer Bedingungen und typischer Vegetation ist das Hauptziel der seit Jahrzehnten praktizierten Renaturierung. Aufgrund enger Kopplung der C-Fixierung an den Wasserhaushalt können Änderungen in der Pflanzendecke erhebliche Auswirkungen auf die C-Senkenfunktion des Ökosystems haben .In den letzten Jahrzehnten wurden Veränderungen der Artenzusammensetzung Sphagnum-dominierter Hochmoore hin zu mehrschichtigen Baum- und Grasgesellschaften beobachtet. Aktuelle Studien berichten konträre Resultate über Auswirkungen auf Bestandsniederschlag, Evapotranspiration (ET), Bruttoprimärproduktion, Respiration, CO2-Nettobilanz (NEE) sowie die C-Senkenfunktion des Bodens. Eine abschließende Bewertung veränderter Ökosystemfunktionen im Angesicht des Klimawandels fehlt, ist jedoch von zunehmender Bedeutung, da immer mehr Flächen renaturiert werden. Das Entfernen von Gefäßpflanzen ist dabei eine übliche Naturschutzpraxis um ET zu reduzieren und weitere Besiedelungen zu begrenzen. Die Wirksamkeit hinsichtlich der Wiederherstellung naturnaher hydrologischer Bedingungen und der Einfluss auf die C-Bilanz sind jedoch nicht abschließend geklärt. Der vorliegende Projektantrag hat die mechanistische Analyse von ET, NEE und C-Senkenfunktion des Bodens eines renaturierten, atlantisch-temperaten Hochmoores unter Gefäßpflanzenbesiedelung zum Ziel. Der Fokus wird auf der Aufteilung der ET- und NEE-Flüsse des Ökosystems durch Eddy Kovarianz und Kammermessungen in situ in Moos-, Gras- und Baumbeiträge liegen. Die Ergebnisse werden zur Parametrisierung eines Boden-Pflanze-Atmosphäre-Austauschmodells genutzt, mit dem Moos- und Gefäßpflanzenschichten auf Torfböden simuliert werden können. Das Modell wird zusammen mit den empirischen Daten verwendet, um saisonale Änderungen der Flussbeiträge der funktionellen Gruppen in Abhängigkeit dynamischer Umgebungsbedingungen zu quantifizieren. Das ganzheitliche Prozessverständnis ist für die NEE-Abschätzung renaturierter Hochmoorökosysteme unter sich ändernden Klimabedingungen und Vegetationszusammensetzungen und damit deren Auswirkungen auf den Klimawandel von großer Bedeutung. Das verbesserte Wissen über die verschiedenen Wechselwirkungen von Pflanzenfunktionsgruppen mit Massen- und Energieflüssen des Hochmoorökosystems wird durch die Evaluierung von Renaturierungs-, Naturschutz- und Emissionsminderungsmaßnahmen in ganz Europa direkt in Wert gesetzt.

Verbesserung der Nahrungsmittel- und Ernährungssicherheit durch solarbetriebene Bewässerung mit integrierter Regenwassersammlung für Kleinbauern im oberen Ewaso Ng'iro-Becken, Kenia, Teilprojekt 1

Das Projekt zielt auf die Verbesserung der ökonomischen, sozialen und umweltbezogenen Nachhaltigkeit im Bewässerungsanbau in Kenia. Der Bewässerungsanbau ist ein entscheidender Hebel zur Erreichung von vielen Nachhaltigkeitszielen (SDG 2, 6 and 7 im Wasser-, Energie- und Ernährungs- Nexus). In Kenia ist die Verfügbarkeit von Wasser aus (Tief-) Brunnen durch die Geologie und andere Bedingungen stark eingeschränkt. Um die zukünftige Versorgungssicherheit zu erhöhen, soll die Abkopplung der Bewässerung von der Grundwasserverfügbarkeit untersucht werden. Zudem soll der zunehmend weniger vorhersagbaren Verteilung der Niederschläge mit einer gesteuerten Wasserverteilung begegnet werden. Dafür untersucht das Projekt Bewässerungssysteme, in denen Speicherung und später kontrollierte Verteilung des natürlich vorhandenen Regenwassers genutzt werden. In dem gewählten Forschungsgebiet, haben viele Farmer bereits begonnen, Regenwassersammler (RWH Systeme) zu etablieren. Die Nutzung des gespeicherten Wassers zur Bewässerung erfordert angetriebene Pumpen oder ist sehr arbeitsintensiv. Solare Bewässerungssysteme - als zunehmend kostengünstige Technik - eröffnet Wege zu intelligenter Landwirtschaft und arbeitssparenden und ressourceneffizienten Technologien. Zeitgesteuerte Tropf-/Sprinklerbewässerungssysteme, die niedrige Evapotranspiration in den frühen Morgen- oder späten Abendstunden nutzen, erfordern wiederum die Dimensionierung der PV-Systeme der in diesen Zeiträumen verfügbaren Sonneneinstrahlung anzupassen. Um das Risiko bei Einführung dieser Technologie aufzufangen, schließt das Projekt erkennbare Lücken über den gezielten Aufbau von Kapazitäten. Dies wird einerseits durch Training von Fachkräften und andererseits durch Verbesserung des Förderumfeldes erreicht. Die Einbindung der relevanten Interessengruppen, über die gesamte FVC und Logistikkette und darüber hinaus, gewährleistet die erfolgreiche und fortdauernde Einbindung dieser neuen Systeme in die Landwirtschaft.

Multivariate Analyse von Land-Atmosphäre Wechselwirkungen in einem veränderlichen Klima

Die Hydrologie der Landoberfläche wirkt an der Schnittstelle zwischen Boden, Vegetation und Atmosphäre. Sie hat dadurch Auswirkungen auf Nahrungsmittelproduktion, Wasserverfügbarkeit und Extremereignisse, wie Dürren und Überschwemmungen. Die Wechselwirkungen zwischen Land (Hydrologie) und Atmosphäre (Wetter) sind bisher nur ungenügend verstanden. Es ist insbesondere unklar, ob sich die Einflüsse der Landoberfläche auf Vegetation und Wetter durch die globale Erwärmung verstärken werden. Darüber hinaus ist nur wenig bekannt bezüglich des Übergangs von einem energielimitierten Regime, wo die Atmosphäre (Temperatur und Einstrahlung) das Land (Vegetationsproduktivität, Bodenfeuchte) beeinflusst, hin zu einem wasserlimitierten Regime, wo das Land (auch) die Atmosphäre beeinflusst. Um das Verständnis der Land-Atmosphäre-Wechselwirkungen zu verbessern, wird ein multivariater Ansatz mit der Analyse von Daten über Bodenfeuchte, Matrixpotential, Bruttoprimärproduktion, Verdunstung, Temperatur und Landoberflächencharakteristiken vorgeschlagen. Mit dieser umfassenden Methodik werden Land-Atmosphäre-Wechselwirkungen in Bezug auf ihre kurz- und langfristige Variabilität, sowie auf ihre Veränderungen im Kontext des Klimawandels untersucht. Ausserdem werden potentiell stark betroffene Regionen bestimmt. Desweiteren wird ein kritischer Bereich der Bodenfeuchte und/oder des Matrixpotentials identifiziert und charakterisiert, ab dem eine Wasserlimitierung von Vegetation oder Evapotranspiration auftritt. Ein Ergebnis dieser Analyse wird die Identifizierung eines dritten charakteristischen Matrixpotentials neben dem permanenten Welkepunkt und der Feldkapazität sein. Als Grundlage für diese Untersuchungen wird mittels eines Landoberflächenmodells von geeigneter Komplexität ein langfristiger, qualitativ hochwertiger hydrologischer Datensatz berechnet, welcher anhand von multivariaten Beobachtungen kalibriert wird. Dabei werden auch die Unsicherheiten des Datensatzes, sowie der multivariaten Beobachtungen, thematisiert. Die Resultate dieser Arbeit können helfen das Management von Wasserressourcen zu verbessern. Beispielsweise können Prognosen des Matrixpotentials in Verbindung mit dem identifizierten kritischen Bereich für eine intelligente Bewässerung von Pflanzen und Feldern verwendet werden. Eine Analyse von langfristigen Trends in Matrixpotential-, Bodenfeuchte- und Abflussdaten kann als Grundlage für langfristige Anpassungsmaßnahmen dienen. In einer weiteren Analyse werden Größenordnungen und Auftrittshäufigkeiten von Extremereignissen, wie Dürren und Überschwemmungen untersucht und in Verbindung mit entstandenen Sach- und Personenschäden gebracht. Diese Arbeit trägt zu den Millenniums-Entwicklungszielen der Vereinten Nationen bezüglich der Bekämpfung von Hunger und einer nachhaltigeren Wassernutzung, den 'Europa 2020' Zielen der EU Kommission bezüglich nachhaltiger Energienutzung, und zum 'grand challenge' Wasserverfügbarkeit des Weltklimaforschungsprogramms bei.

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