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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.

Numerische Simulation des Wasserhaushalts mesoskaliger Einzugsgebiete mittels PRMS/MMs

Anpassung des Precipitation-Runoff-Modeling-System an mitteleuropaeische klimatische Verhaeltnisse und Abschaetzung der Wirkungen von Klima- und Landnutzungsaenderungen auf den Wasserhaushalt.

Entwicklung der Praxistauglichkeit eines kostengünstigen und einfachen Maisuntersaatverfahrens für verschiedene Klimaregionen und Bodenarten, Teilprojekt D

Alterswohnsitz in einer multikulturellen Gesellschaft - deutsche Rentner-Wohnbevölkerung auf den Kanarischen Inseln

Die Migration von Rentnern aus kühl gemäßigten in subtropisch warme Klimazonen ist aus den USA bekannt. Eine vergleichende Entwicklung zeichnet sich im letzten Drittel des 20. Jh. auch in Europa ab. Im Unterschied zu vielen US-amerikanischen Beispielen ist die europäische Nord-Süd-Wanderung aber küstenorientiert: Ihre Ziele sind weitgehend identisch mit den Zielen des sommerlichen Massentourismus an den europäischen Mittelmeerküsten. Die Ansprüche älterer Menschen an ihr Wohnumfeld decken sich aber keineswegs mit der küstenorientierten touristischen Nachfrage. Darüber hinaus handelt es sich in den USA um eine Binnenwanderung älterer Menschen, die nach dem Ausscheiden aus dem Erwerbsleben eine (meist klimatisch) angenehmere Wohnumgebung suchen. Um das Gleiche zu erreichen, müssen Nord- und Mitteleuropäer hingegen ihren eigenen Sprach- und Kulturraum verlassen. Das Leben im Ausland bringt für ältere Menschen eine Vielzahl spezifischer Probleme für ihre Wohn- und Lebenssituation; bekannt sind u.a.: einseitige soziale Kontakte, eingeschränkte sprachliche Kommunikation und mangelnde Akzeptanz der einheimischen (z.B. medizinischen) Versorgung. Erschwerend für die Wohnsituation ausländischer Rentner in Spanien ist eine Besonderheit der spanischen Fremdenverkehrsgebiete: In den Boom-Zeiten des Tourismus sind hier flächendeckend geplante Fremdenverkehrssiedlungen (die sog. 'Urbanisationen') entstanden, die ausschließlich für eine touristische Nutzung konzipiert wurden, den spezifischen Bedürfnissen älterer Wohnbevölkerung aber in keiner Weise entsprechen. Dies wird besonders deutlich auf den Kanarischen Inseln, wo sich bereits in den 60er Jahren Ausländer aus West-, Mittel- und Nordeuropa in den ersten Urbanisationen einkauften, um hier später ihren Lebensabend zu verbringen. Die Kanaren zählen somit zu den Fremdenverkehrsgebieten mit der längsten Tradition einer spontanen, ungeplanten Entwicklung von Alterswohnsitzen für europäische Ausländer. Ziel des hier skizzierten Forschungsvorhabens ist es zunächst, die gegenwärtige Größenordnung und räumliche Verteilung ausländischer Rentner-Residenten auf den Kanaren abzuschätzen. Zu diesem Zweck soll u.a. auch der regionale Immobilienmarkt analysiert werden. In einem zweiten Schritt sollen die Probleme und Bedürfnisse deutscher Rentner-Residenten untersucht werden, die auf den kanarischen Inseln in sog. 'Urbanisationen' leben. Besondere Aufmerksamkeit soll dabei das Verhältnis zwischen Rentner-Residenten und der einheimischen Gast-Gesellschaft finden, denn das Leben in transnationalen Gemeinschaften erhält im Europa des 21.Jh. zunehmend eine elementare Bedeutung. Die Besonderheit ist darin zu sehen, dass es ausgerechnet das Segment der Ruhestandsbevölkerung ist, die (als Pendant zur Globalisierung) beim Leben in transnationalen Gemeinschaften eine Vorreiterrolle einnimmt.

Entkopplung ober- und unterirdischer Prozesse des Streuabbaus und Auswirkungen auf die Stabilisierung der organischen Bodensubstanz mit zunehmender Trockenheit

Trockengebiete bedecken große Teile der Landoberfläche und obwohl die Böden in Trockengebieten nur geringe Gehalte an organischem Kohlenstoff (OC) aufweisen, speichern sie einen erheblichen Teil der globalen OC-Vorräte im Boden. Derzeit ist es aber nicht möglich, die Auswirkungen der durch den Klimawandel prognostizierten Ausdehnung der Trockengebiete auf die Vorräte an OC im Boden vorherzusagen. Steigende Trockenheit beeinflusst die Prozesse des ober- und unterirdischen Streuabbaus und der Stabilisierung der organischen Bodensubstanz unterschiedlich. Es ist wenig bekannt über die Folgen zunehmender Trockenheit auf abiotische Prozesse des Streuabbaus wie Foto- und thermische Degradation sowie über Stabilisierungsprozesse der SOM, d. h. Aggregierung und Bildung von mineral-assoziierter organischer Substanz (MAOM) aus Blatt- und Wurzelstreu. Im Projekt werden wir einen einzigartigen Niederschlagsgradienten in Israel (gleiches Ausgangssubstrat) nutzen und die Hypothese testen, dass zunehmende Trockenheit zu einer zunehmenden Entkopplung der Mechanismen führt, die für den ober- und unterirdischen Streuabbau sowie für die Stabilisierung von SOM verantwortlich sind. Wir gehen davon aus, dass zunehmende Trockenheit den Abbau der Wurzelstreu stärker beeinflusst als den Abbau der Blattstreu. Des Weiteren nehmen wir an, dass zunehmender Niederschlag die Bildung von MAOM insbesondere aus Wurzelstreu fördert, während zunehmende Trockenheit einen höheren Anteil der Aggregierung an der SOM-Stabilisierung nach sich zieht. Wir werden den Streuabbau und die Stabilisierung von SOM untersuchen, indem wir 13C-markierte Streu (Spross, Wurzeln) einer einjährigen krautigen Pflanze entlang des Trockenheitsgradienten ausbringen. Den Einfluss der räumlichen Heterogenität der Vegetationsbedeckung wird berücksichtigt durch das Einbeziehen von Flächen unter sowie zwischen Sträuchern. Die Verwendung stabiler Isotope ermöglicht es uns, sowohl den Streuabbau als auch die Prozesse der SOM-Stabilisierung unter möglichst natürlichen Bedingungen entlang des Gradienten zu quantifizieren. Gemessene 13CO2-Flüsse im Feld werden mit den Informationen zum Einbau des 13C-Tracers in Fraktionen der SOM (gewonnen durch Dichtefraktionierung), EPS und der Aggregatstabilität kombiniert. Dies wird es ermöglichen, die SOM-Stabilisierungsmechanismen in Abhängigkeit der Trockenheit und der Vegetationsbedeckung zu erfassen. Die Ermittlung des Streuabbaus im Gelände wird mit Laborexperimenten kombiniert, um die Bedeutung abiotischer Prozesse für den Streuabbau zu quantifizieren. Unser komplementärer Ansatz wird ein umfassendes Bild über die Steuerung des Streuabbaus und der SOM-Stabilisierung in (semi)ariden Klimazonen ermöglichen. Dies wird die Grundlagen verschiedene Modellierungsansätze (Boden-C, Erdsystem) in ariden und semiariden Regionen bei zunehmender Trockenheit entscheidend verbessern.

Verbesserung Wasser- und Düngernutzungseffizienz im Nassreisanbau durch Verwendung verschiedener Bodenabdeckungs-Systeme

Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Kooperationsprojektes werden unsere chinesischen Partner Feldversuche in drei verschiedenen Klimazonen Chinas (Peking, Nanking und Kanton (Guangzhou)) durchführen. Diese sollen durch die National Nature Science Foundation of China (NSFC) gefördert werden. Die Feldversuchsanlage wird an allen Orten identisch sein. Zusätzlich führt jede Gruppe Ergänzungsstudien gemäß der jeweiligen Arbeitsrichtung durch. Unser gemeinsames Projekt soll die relative Vorzüglichkeit von GCRPS gegenüber dem traditionellen Nassreis- bzw. Trockenreisanbau in der zweiten Reisanbausaison in der Region von Guangzhou (South China Agricultural University) untersuchen. Der Schwerpunkt wird auf den Wasserbedarf, die Stickstoffnutzungseffizienz (15N-Methode und Bilanzmethode) sowie auf N2O-, CH4 und NH3-Emissionen gelegt werden. Die Felduntersuchungen in Südchina werden durch Versuche unter kontrollierten Umweltbedingungen in Kiel unterstützt. Mit diesen Experimenten soll der Effekt von Stickstoffform und Stickstoffdüngungsrate auf die Fe-, Mn- und P-Aufnahme von Reis studiert werden. Diese Frage hat hohe Priorität, denn Ernährungsstörungen aufgrund Veränderungen des Bewässerungsmanagements wurden in verschiedenen chinesischen Provinzen im Nassreisanbau beobachtet. Weiterhin sollen die physiologische Wassernutzungseffizienz und der Effekt der Stickstoffform auf die CH4-Emissionen geprüft werden. Die kooperierenden vier chinesischen Arbeitsgruppen haben ihre jeweiligen Forschungsanträge an die NSFC eingereicht.

Nutzung von Lignocellulosereichen Substraten zur Biogas- und Faser, bzw. Cellulosegewinnung mittels innovativer Verfahren

Eine Substitution fossiler durch biogene Rohstoffe für stoffliche Anwendungen ist ein maßgeblicher Schritt zur Reduktion der anthropogenen CO2 Emissionen. Dabei sollte Biomasse im Sinne der Bioökonomie möglichst ganzheitlich und effizient genutzt werden, um die Flächeneffizient und den Beitrag zur Eindämmung des Klimawandels zu maximieren. Die hochwertige Verwendung von bisher kaum genutzten landwirtschaftlichen Reststoffen ist eine vielversprechende Methode zur Effizienzsteigerung. Die stoffliche Nutzung von Agrarreststoffen ist allerdings problematisch. Biogene Stoffe haben stets eine schwankenden Produktqualität. Deshalb ist eine Vorbehandlung und Auftrennung der Reststoffe auf verwertbare Bestandteile notwendig und ein entscheidender Schritt für die Weiternutzung. Deutschland und Taiwan stellen zwei Technologieführer mit hohem Umweltbewusstsein in ihrer jeweiligen Klimazone dar. Deutschland befindet sich in der gemäßigten Klimazone, während Taiwan sich in der (sub-)tropischen Klimazone befindet. Besonders vielversprechende landwirtschaftliche Reststoffe, die sich für eine stofflich Nutzung eignen und daher untersucht werden sollen, sind in der gemäßigten Klimazone Getreidestroh und in der (sub-)tropischen Klimazone Kakao- und Bananenschalen, sowie Reisstroh. Zudem fallen Tomatenpflanzenreste in beiden Klimazonen an. Im angestrebten Projekt wird der landwirtschaftliche Reststoff zunächst in einem hydrothermalen Aufbereitungsverfahren aufgeschlossen, um die anaerob kaum abzubauenden Fasern von den sehr gutvergärbaren Bestandteilen zu trennen. Dies wird in Deutschland mittels Thermodruckhydrolyse realisiert und in Taiwan mittel Überkritischer Wassermethode. Anschließend folgt eine Auftrennung in einem Flüssig/Fest-Separator. Der faserreiche Feststoff soll als Torfersatzprodukt und als Substrat zur mikrobiellen Zelluloseproduktion genutzt werden. Torf findet insbesondere im Gartenbau Anwendung, da er diverse Vorteile besitzt. Allerdings bildet sich Torf in Mooren nur sehr langsam und zur Gewinnung müssen die CO2-bindende Moore entwässert werden. Im Projekt soll untersucht werden in wie weit die produzierten Fasern Torf ersetzen können. Ein zweiter zu untersuchender Ansatz im Projekt ist es die Feststofffraktion als Nährmedium für Bakterienkulturen zu verwenden, die gezielt mikrobielle Zellulose produzieren. Die Flüssigkeit soll mithilfe innovativer zweistufiger Biogasanlage energetisch genutzt werden soll. Die Nutzung der Organik zur Biogasproduktion soll die Prozessenergie der energieintensiven Aufbereitung bereitstellen. Der TS-Gehalt der flüssigen Fraktion ist sehr gering, was bei herkömmlichen volldurchmischten Reaktoren eine lange Verweilzeit und somit ein sehr großes Reaktorvolumen verursacht. Um diese Nachteile zu reduzieren, sollen im Projekt zweistufige Reaktorsysteme untersucht werden. Während in Taiwan beide Fermenter volldurchmischt betrieben werden, wird in Deutschland der Methanreaktor als Festbettfermenter ausgeführt.

Globale Gletschermassenbilanzvorhersagen auf saisonalen und dekadischen Zeitskalen (GLISSADE)

Gletscher stellen als Wasserspeicher einen wichtigen Beitrag zur Wasserversorgung in vielen Regionen der Erde dar. Das klimawandelbedingte Abschmelzen der Gletscher ändert die regionale Wasserverfügbarkeit in vergletscherten Einzugsgebieten und trägt zum globalen Anstieg des Meeresspiegels bei. Ziel des Projekts ist es, zu untersuchen, inwieweit sich Massenbilanzänderungen von Gletschern, also der Netto-Gewinn bzw. Verlust an Eis und Schnee, auf saisonalen (Vorhersagezeitraum von 6 Monaten) und dekadischen (mehrere Jahre im Voraus) Zeitskalen vorhersagen lassen. Dazu werden retrospektive Vorhersagen, das heißt Vorhersagen mit neuesten gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Klimamodellen (CFSv2, GloSea5, DePreSys) unter Annahme realistischer Anfangszustände für vergangene Zeiträume als Eingangsdaten für ein globales prozessbasiertes Gletschermodell mit Eisdynamik (OGGM) genutzt, um retrospektive saisonale und dekadische Gletschervorhersagen durchzuführen. Dieser Ansatz ermöglicht es, Vorhersagen und Beobachtungsdaten (z.B. Massenbilanzen und Längenänderungen der Gletscher) auf der saisonalen und dekadischen Zeitskala direkt zu vergleichen. Daher kann die Güte der Vorhersagbarkeit sehr detailliert für Gletscher in verschiedenen Klimazonen der Erde untersucht und in Bezug zu Zirkulationsmustern im Klimasystem gesetzt werden. Somit liefert das Projekt einen wichtigen Beitrag für zukünftige Gletschervorhersagesysteme, welche zur Vorhersage der Wasserverfügbarkeit und des Meeresspiegelanstiegs eingesetzt werden können.

Erfassung und Bewertung des CO2-Festlegungspotentials von Aufforstungen und Sekundaerwaeldern in zwei verschiedenen Klimazonen Suedamerikas

Problemstellung: Aenderungen in der Art der Landnutzung weltweit haben entscheidende Wirkungen auf natuerliche Ressourcen. Moegliche negative Folgen sind Verschlechterung der Land- und Wasserqualitaet, Verlust von Biodiversitaet und globaler Klimawandel. Zwei Haupteffekte unkontrollierter Landnutzung sind Desertifikation und Deforestation. Obwohl diese Prozesse in sehr verschiedenen klimatischen Zonen ablaufen, haben sie doch vergleichbare Ursachen und Effekte. 75 Prozent der Flaeche Argentiniens liegen in ariden und semi-ariden Zonen. Diese Flaeche liefert 50 Prozent der landwirtschaftlichen Produktion Argentiniens. Negativer Einfluss durch die Art der Landnutzung und grossflaechige Abholzung von Naturwaeldern fuehrten zu Bodendegradation, Erosion und Versalzung. Ca. 40 Prozent der Flaeche Argentiniens zeigen Symptome schwerer Degradation. In Patagonien sind bereits 70-80 Prozent der Flaeche schwer oder irreparabel geschaedigt. Ecuador ist ein Land mit grosser agrooekologischer Diversitaet. In der Vergangenheit war die landwirtschaftliche Nutzung auf die dichter besiedelte Andenregion konzentriert. Seit ca. 1900 erfolgte die Besiedelung des tropischen Tieflandes, speziell in der Kuestenregion, gefolgt von einem Anstieg der agrarischen Nutzung der Amazonasregion ab ungefaehr 1970. Den groessten Anteil daran hat eine extensive Viehbeweidung, insbesondere auf ehemaligen Naturwaldflaechen. Durch die Viehweide werden dem Boden Naehrstoffe entzogen, die Produktion sinkt nach relativ kurzer Zeit dramatisch ab. Als Folge dieser nicht nachhaltigen Landnutzung werden viele Flaechen bereits nach wenigen Jahren verlassen. In den letzten Jahren ist das Interesse an forstlichen Plantagen und Sekundaerwaeldern im Zusammenhang mit der Entwicklung von nachhaltigen Landnutzungssystemen gewachsen. Gefoerdert wurde diese Entwicklung durch die Rolle, die diese Landnutzungsformen bei der Festlegung von Kohlenstoff spielen. Die im Rahmen des Kyoto-Protokolls vereinbarten Instrumente lassen eine Einbeziehung der CO2-Senkenfunktion forstlicher Projekte zu. Dies eroeffnet die Moeglichkeit, finanzielle Anreize fuer Aufforstungen und Sekundaerbewaldung zu schaffen und damit der Degradation und Desertifikation entgegenzuwirken. Eine Voraussetzung fuer die internationale Anerkennung der CO2-Senkenfunktion sind die systematische Erfassung, Auswahl, Bewertung und Kontrolle von geeigneten Projekten/Flaechen. Bisher beschraenkten sich die Untersuchungen fast ausschliesslich auf die mengenmaessige Erfassung ueberirdisch gespeicherten Kohlenstoffs. Fuer eine umfassende Beurteilung ist auch die Kohlenstoffspeicherung im Boden zu erfassen und das Gesamtpotential im Rahmen einer Kosten-Nutzen-Analyse zu bewerten. Vorgehensweise: Kosten-Nutzen-Analyse: Eine Kosten-Nutzen-Analyse fuer Sekundaerwaldbewirtschaftung und Baumplantagenwirtschaft in einer bestimmten Region ist durchgefuehrt, und die Ergebnisse sind verglichen.

Geodatenbasierte Erarbeitung eines repräsentativen Messnetzes für die Bewertung der Wirkungen bodennahen Ozons auf die Vegetation in Deutschland

In einem Guidance-Dokument für die Berichterstattung zum Wirkungsmonitoring nach der NEC-Richtlinie wird empfohlen, bei der Erhebung der Wirkungen Gebiete mit hoher Luftschadstoffbelastung aber auch Hintergrundgebiete, die unterschiedliche Empfindlichkeit der Ökosystemtypen und Faktoren, die die Wirkung beeinflussen, wie z. B. Klimazonen, zu berücksichtigen, um die Wirkungen repräsentativ zu erfassen. In dem Vorhaben soll zunächst allein aufgrund wissenschaftlicher Aspekte ein Messnetz für Ozon entwickelt werden, das den Anspruch der räumlichen Repräsentativität in Bezug auf oben genannte Aspekte sehr gut erfüllt. Mit Hilfe geostatistischer Verfahren sollen Raumeinheiten identifiziert werden, die hinsichtlich der Wirkungen bodennahen Ozons auf die Vegetation ähnliche Voraussetzungen bieten und auf dieser Grundlage die erforderliche Mindestprobenzahl bestimmt werden. Im Anschluss soll ein Optimierungsvorschlag, basierend auf dem derzeitigen Messnetz mit Fokus auf die Anforderungen an das Wirkungsmonitoring nach der NEC Richtlinie, erarbeitet werden.

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