Permafrost ist ein Bestandteil der Kryosphäre der Erde, der für Ökosysteme und Infrastruktur in der Arktis von Bedeutung ist und auch eine Schlüsselrolle im globalen Kohlenstoffkreislauf einnimmt. Das Auftauen von Permafrost infolge einer Klimaerwärmung zu projizieren ist mit sehr großen Unsicherheiten behaftet, da großskalige Klimamodelle entscheidende Komplexitäten von Permafrostlandschaften nicht berücksichtigen. Insbesondere bleiben in diesen Modellen Auftauprozesse in eisreichem Permafrost unberücksichtigt, welche weitreichende Landschaftsveränderungen – sogenannter Thermokarst – hervorrufen. Im Rahmen dieser Dissertation habe ich ein numerisches Modell entwickelt, um Auftauprozesse in eisreichen Permafrostlandschaften zu untersuchen, und habe es angewendet, um verbesserte Projektionen darüber zu erhalten, wie viel Permafrost infolge einer Klimaerwärmung auftauen würde. Der Schwerpunkt meiner Forschung lag auf besonders kalten, eis- und kohlenstoffreichen Permafrostablagerungen in der nordostsibirischen Arktis. In drei Forschungsartikeln habe ich gezeigt, dass der neuartige Modellierungsansatz in From von lateral gekoppelten “Kacheln” verwendet werden kann, um die Entwicklung von eisreichen Permafrostlandschaften realistisch zu simulieren. Anhand numerischer Simulationen habe ich gezeigt, dass der kleinskalige laterale Transport von Wärme, Wasser, Schnee und Sediment die Dynamik von Permafrostlandschaften sowie die Menge des aufgetauten Permafrosts unter Klimaerwärmungsszenarien entscheidend beeinflusst. Weiterhin habe ich gezeigt, dass in Simulationen, die Thermokarstprozesse berücksichtigen, wesentlich mehr Kohlenstoff vom Auftauen des Permafrosts betroffen ist, als in solchen, in denen eisreiche Ablagerungen unberücksichtigt bleiben. Insgesamt stellt die in dieser Dissertation dargelegte Forschungsarbeit einen substantiellen Fortschritt bezüglich einer realistischeren Einschätzung der Dynamik eisreicher Permafrostlandschaften mittels numerischer Modelle dar. / Permafrost is a component of Earth's cryosphere which is of importance for ecosystems and infrastructure in the Arctic, and plays a key role in the global carbon cycle. Large-scale climate models reveal high uncertainties in projections of how much permafrost would thaw in response to climate warming scenarios, since they do not represent key complexities of permafrost environments. In particular, large-scale models do not take into account thaw processes in ice-rich permafrost which cause widespread landscape change referred to as thermokarst. For this thesis, I have developed a numerical model to investigate thaw processes in ice-rich permafrost landscapes, and I have used it to obtain improved projections of how much permafrost would thaw in response to climate warming. The focus of my research was on cold, ice- and carbon-rich permafrost deposits in the northeast Siberian Arctic, and on landscapes characterized by ice-wedge polygons. In three closely interrelated research articles, I have demonstrated that the novel modelling approach of laterally coupled ''tiles'' can be used to realistically simulate the evolution of ice-rich permafrost landscapes. The numerical simulations have revealed that small-scale lateral transport of heat, water, snow, and sediment crucially affect the dynamics of permafrost landscapes and how much permafrost would thaw under climate warming scenarios. My research revealed that substantially more permafrost carbon is affected by thaw in numerical simulations which take into account thermokarst processes, than in simulations which lack a representation of excess ice. These results suggest that conventional large-scale models used for future climate projections might considerably underestimate permafrost thaw and associated carbon-cycle feedbacks. Overall, the research presented in this thesis constitutes a major progress towards the realistic assessment of ice-rich permafrost landscape dynamics using numerical models.

Durch die rasch wachsende Weltbevölkerung steigt die Nachfrage nach Lebensmitteln, weshalb die Deckung des Bedarfs an Nahrungsmitteln Fortschritte in der Landwirtschaft erfordert. Länder mit niedrigem und mittlerem Einkommen, insbesondere im globalen Süden, stehen bei der Steigerung der Nahrungsmittelproduktion vor zahlreichen Herausforderungen, die durch den vorherrschenden Regenfeldbau und die drohende Gefahr des Klimawandels noch verstärkt werden. In dieser Dissertation werden die Dynamik der Landnutzung und die Bedingungen für den Maisanbau in Kenia sowie die Auswirkung auf Erträge in verschiedenen agrarökologischen Zonen untersucht. Die Arbeit bewertet das Potenzial verschiedener landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsstrategien zur Optimierung der Maisproduktivität durch Anpassung der Strategien an die spezifischen Standortbedingungen. Die Studie verwendet Fernerkundungsdaten, um verschiedene Bewirtschaftungs- und Anbaubedingungen als Input-Daten für das DSSAT-CERES-Maismodell zu erfassen. Die Studie ergab, dass die Integration von Fernerkundungsdaten für die Ertragsvorhersage und die Überwachung der Maisbedingungen in datenarmen Regionen wie Kenia entscheidend ist. Zeitliche Informationen aus der Fernerkundung können als Input-Daten für Modellierungen verwendet werden, um Ertragssimulationen bis zur nationalen Ebene zu verbessern. Außerdem konnte festgestellt werden, dass Sorte, Stickstoffdüngung und Aussaattermin den Ertrag in den verschiedenen agroökologischen Zonen erheblich beeinflussen. Noch wichtiger ist, dass die Region durch die Anpassung der Praktiken an die spezifischen Bedingungen der jeweiligen agrarökologischen Zone die Produktion in der gesamten Studienregion potenziell um +5,7 % steigern könnte. Diese Dissertation unterstreicht die Bedeutung der Integration von Anbaumodellierung und Fernerkundung für die Bewertung des Produktionspotenzials von Mais unter verschiedenen Umweltbedingungen. / A rapidly growing global population is escalating the demand for food, necessitating advancements in agricultural practices to meet dietary and nutritional needs. Low and middle-income countries, particularly in the Global South, are facing numerous challenges in boosting food production, compounded by the prevalence of rainfed agriculture and the looming threat of climate change. This dissertation explores the dynamics of land use and maize conditions in Kenya and yield responses across various agroecological zones. The work evaluates the potential of different agricultural management strategies in a bid to optimize maize productivity by tailoring strategies to specific site conditions. The study incorporates remote sensing data to acquire various management and crop conditions as input data for the DSSAT-CERES-Maize model. The study found that remote sensing data integration is crucial for yield prediction and maize conditions monitoring in data-scarce regions, such as Kenya. Temporal information from remote sensing can be used as input data for crop modelling frameworks to enhance yield simulations from field to national scales. The study also found that cultivar type, nitrogen fertilization and sowing dates significantly influence yield across the different agroecological zones. More importantly, by tailoring practices to the specific conditions of the agroecological zone, the region could potentially increase production by +5.7% in the entire study region. This dissertation underscores the importance of crop modelling and remote sensing integration for evaluating maize production potential across diverse environmental settings.

Bisher wurden die Einzugsgebiete der Gesundheitszentren mit den administrativen Grenzen des Sektors, in dem das Gesundheitszentrum liegt, gleichgesetzt. Das Hauptanliegen dieser Arbeit ist es, die tatsächlichen Einzugsgebiete zu erfassen und bisher verwendete methodische Ansätze auf ihre Eignung zu testen, Einzugsgebiete für Gesundheitszentren möglichst realistisch zu modellieren. Darüber hinaus sollen Gründe für räumliche Unterschiede in der Inanspruchnahme von Gesundheitszentren ermittelt werden. Fragenbögen, die mit Patienten in den Gesundheitszentren ausgefüllt wurden, sowie aus Registrierungsbüchern erfasste Daten geben Aufschluss über die räumlichen Unterschiede bei der Inanspruchnahme und dienen als Referenzdaten für die weiteren Analysen. Die Studie zeigt, dass keine der getesteten Methoden dazu geeignet ist, die Einzugsgebiete zufriedenstellend zu modellieren. Ein selbst entwickelter Ansatz, der verschiedene Methoden kombiniert, liefert bezüglich der Bevölkerung nur zweitbeste Ergebnisse nach Thiessen Polygonen, während für keine der Methoden die Grenzen mit den Grenzen übereinstimmen, die für die tatsächliche Nutzung ermittelt wurden. / Until now catchment areas of health centers are considered as the administrative boundaries of the sector where the health center is situated. The main objective of this study is to determine the actual catchment areas of health centers in Huye District (Southern Province, Rwanda) and to test approaches used in other studies in a geographical information system for an improved estimation of catchment areas. Furthermore reasons for disparities in health center utilization are to be revealed. Questionnaires filled with patients at health centers as well as data retrieved from registration books aim to give information about spatial disparities in health center utilization and serve as evaluation basis for further analysis. The study shows that none of the tested methods is able to predict catchment areas or the population to be served in a satisfying accuracy. An own approach that combines different methods gives only second best results after Thiessen polygons regarding the served population while for none of the methods the boundaries match well the catchment areas as they are defined by the data.

Ziele dieser Dissertation sind die Aufklärung der Strömungsverhältnisse und Untersuchungen zum Verhalten von Arzneimittelrückständen im Tegeler See, die Entwicklung eines Simulationsmodells für Szenarioberechnungen sowie die Ableitung neuer Bewirtschaftungskonzepte unter Zuhilfenahme der gewonnenen Erkenntnisse und Modellergebnisse. Das zweidimensionale Strömungsmodell 2D-POM kann die Mischungsverhältnisse der beiden Zuflüsse zum Tegeler See, insbesondere den Einstrom der Oberhavel, ausreichend genau abbilden. Der Oberhaveleinstrom ist sowohl windinduziert als auch vom Abfluss der Oberhavel abhängig. Der Wind wirkt je nach Windrichtung verstärkend oder abschwächend auf den Oberhaveleinstrom. Der Tegeler See weist im Vergleich zu anderen Oberflächengewässern, die als Trinkwasserressource dienen, die höchsten bisher berichteten Gehalte an Arzneimittelrückständen auf. Die räumliche Verteilung von Carbamazepin (CBZ) und Sulfamethoxazol (SMX) wird hauptsächlich durch die Verdünnung mit Oberhavelwasser bestimmt. Nur ein geringer Teil des CBZ (40%) wird im Tegeler See eliminiert. Für SMX konnte keine Elimination festgestellt werden. Im Gegensatz dazu wird Diclofenac (DCF) im Oberflächenwasser photolytisch abgebaut (50% in den Wintermonaten, mehr als 95% im Sommer). Die Konzentrationen von DCF im Tegeler See zeigen deshalb eine hohe saisonale Variabilität. Durch Simulation von sieben Bewirtschaftungsszenarien wurde untersucht, ob mithilfe der existierenden Seeleitung und Phosphateliminierungsanlage die Konzentrationen der Arzneimittelrückstände im Tegeler See verringert werden können, ohne die erfolgreiche Seerestaurierung zu gefährden. In keinem Szenario konnten die Gehalte an Arzneimittelrückständen und Phosphor gleichzeitig auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Aus diesem Grund sind ergänzende Maßnahmen notwendig, z.B. eine zusätzliche Spurenstoffentfernung im Zulauf des Sees oder eine weitere Phosphorreduzierung in der Oberhavel. / This cumulative thesis aims at (i) understanding the hydrodynamic characteristics of Lake Tegel, (ii) examining the occurrence and fate of pharmaceutical micro-pollutants in the lake, (iii) developing a modeling tool for scenario prediction, and (iv) utilizing the above findings and applying the above modeling tool to create new management strategies for Lake Tegel. The free-surface two-dimensional circulation model 2D-POM serves as an adequate tool for representing the intrusion of River Havel and the mixing intensity of both inflows, as validated by measured data. The calculations indicated that the intrusion of River Havel into Lake Tegel fluctuates with river discharge and wind, both of which can amplify or neutralize the other. Compared to other surface waters also used as drinking water resources, Lake Tegel seams to feature the highest ever reported pharmaceutical concentrations worldwide. The spatial distribution of carbamazepine (CBZ) and sulfamethoxazole (SMX) in the lake was shown to be primarily affected by dilution with water from River Havel rather than by degradation within the lake. By contrast, concentrations of diclofenac (DCL) are affected by both dilution and photodegradation. DCF showed the strongest elimination of all three pharmaceuticals and revealed significant seasonality with 50% elimination in winter and more than 95% in summer. Elimination of CBZ was 40%, while SMX did not degrade at determinable rates. Seven different management scenarios were tested to answer the question of whether the existing lake pipeline could be used to reduce the amount of pharmaceuticals in Lake Tegel without deteriorating the current phosphorus level. No scenario provided a strategy optimal for both pharmaceuticals and phosphorus. Consequently, additional efforts need to be made, such as supplementary pharmaceutical treatment of the inflow originating from the wastewater treatment plant, or phosphorus reduction in the River Havel catchment.

Bei der Förderung von Erdöl wird auch Erdgas gefördert, das oft abgefackelt wird. Das Abfackeln von Erdgas ist sehr schädlich für die Umwelt und die Bewohner einer Umgebung in der Gas abgefackelt wird. Demzufolge ist die Reduktion dieses Prozesses eine wichtige Aufgabe, die durch Monitoring von Gasfackeln unterstützt werden kann. Dies gelingt am besten durch Fernerkundung mit Satellitendaten. Die vorliegende Dissertation widmet sich der Parametrisierung von Gasfackeln anhand von Infrarot-Satellitenaufnahmen. Eine Gruppe von Sensoren wurde verglichen, woraus optimale Eigenschaften eines Sensors zur Gasfackelanalyse abgeleitet wurden. Danach wurde ein Modell zur Berechnung des Gasflusses aus Infrarot-Satellitenaufnahmen entwickelt. Das vorgeschlagene Modell basiert auf der Physik der Verbrennung und wird von Teilmodellen zur Berechnung der Verbrennungsparameter unterstütz. Dadurch werden Prozesse mitberücksichtigt, die bisher in der Gasfackelforschung wenig adressiert wurden. Eine Experimentenreihe erlaubte eine Charakterisierung der Flamme in Bezug auf sich verändernde Bedingungen, z.B. Gasfluss. Zusätzlich wurde das Modell durch die Experimente validiert. Die abgeleitete Genauigkeit der Gasflusswerte ist verhältnismäßig hoch, insbesondere wenn man die Komplexität und Variabilität einer Gasflamme berücksichtigt. Durch Analysieren des Sensordesigns des BIROS Sensors aus der FireBIRD-Mission des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt konnten die Sensorparameter charakterisiert und deren Einfluss auf ein abgeleitetes Bildprodukt quantifiziert werden. Die Fähigkeit des Modells mit unterschiedlichen Sensordaten zu funktionieren, wurde geprüft durch einen Vergleich der geschätzten Gasflusswerte aus Daten von zwei Satellitensensoren. Die verglichenen Gasflusswerte sind sehr ähnlich, was die Fähigkeit des Models mit unterschiedlichen Daten gut zu funktionieren, bestätigt. Das vorgeschlagene Model hat Potenzial, das globale Monitoring von Gasfackeln zu verbessern. / Routine gas flaring is harmful to the environment and people living in the vicinity of gas flares. Therefore, the reduction of this process is an important task, which can be supported by monitoring of gas flares, which can be done with remote sensing techniques. The presented work is devoted to the monitoring of gas flaring. The first aspect of the analysis was to compare a group of sensors with respect to the features crucial for gas flaring analysis. A set of requirements for an optimal sensor for this purpose was proposed. Next, a model for calculating gas flow from infrared satellite imagery was proposed, which relies on several other models, allowing to derive the values of the combustion parameters. By modelling these parameters in a gas flare, processes are accounted for that were scarcely addressed in the research conducted on gas flaring until now. To describe the characteristics of the flame coming from combustion in a flare, an experimental series was designed and conducted. The experimental series allowed to characterise the flame with respect to changing conditions, e.g. gas flow. Thus, the characteristics derived from the experiments could be included in the model for gas flow calculation. Additionally, the experiments served as a mean to validate the model. The accuracy of the derived gas flow values is relatively high, especially considering the variability of a gas flare flame. One design goal of the model for gas flow calculation was to ensure feasibility to work with data from different sensors producing equally accurate results. By analysing the design of the BIROS sensor of the DLR, the sensor parameters could be described, and their influence on the resulting imagery could be quantified. The feasibility was verified by comparing the gas flow values calculated using data from two different satellite sensors. The results obtained are very similar. The model proposed reveals potential to improve the global monitoring of gas flaring.

Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung eines tour-basierten Verkehrsnachfragemodells zur Abbildung von Aktivitätenketten unter Berücksichtigung von raum-zeitlichen constraints. Den theoretischen Hintergrund bildet ein hierarchisch organisierter Entscheidungsprozess, um die theoretisch möglichen Entscheidungskombinationen zu reduzieren und damit eine wahrscheinlichkeitsbasierte Berechnung zu ermöglichen. Als Beispieltour dient die Aktivitätenkette ‚Wohnen-Arbeit-Sekundäraktivität-Wohnen’, auf deren Basis auch die statistischen Analysen der Mobilitätsbefragung Santiagos durchgeführt werden. Unter Verwendung eines GIS werden so genannte ‚Suchräume’ (Aktionsräume in denen Sekundäraktivitäten durchgeführt werden) ermittelt. Ein Ergebnis der Datenanalyse sind Grenzwerte der maximalen täglichen Reisezeit für eine Reihe von Modus-Kombinationen. Die Zeitfenster von Startzeiten und Aktivitätendauer werden in Abhängigkeit sozioökonomischer Gruppen ermittelt. Die Bestimmung der Suchräume erfolgt in Abhängigkeit von Arbeitsdauer sowie Distanz zwischen Wohn- und Arbeitsort. Beide Kriterien erwiesen sich in der Analyse als statistisch signifikant. Der Vergleich zwischen Modell und Empirie (Santiagos Mobilitätsbefragung) deutet darauf hin, dass die Suchräume geeignet sind und die Mehrheit der beobachteten Zielwahlentscheidungen beinhalten. Zur Berechnung der Wahrscheinlichkeitspfade (unter Verwendung der Programmsyntax von SPSS) wird ein im Umfang auf sieben Ziele reduziertes Alternativenset pro Wohn- und Arbeitsstandort bestimmt. Dabei werden Erreichbarkeit und Attraktivität der Ziele innerhalb des Suchraumes berücksichtigt. Die erzielten Ergebnisse stützen das Argument, dass die raum-zeitlichen constraints (tägliche Reisezeit, Suchräume) eine effektive Reduktion der kombinatorischen Vielfalt zulassen. Die Erfahrungen aus der Berechnung der Beispieltour eignen sich zum Übertrag auf weitere Tour-Typen, um eine Modellierung der städtischen Gesamtverkehrsnachfrage zu ermöglichen. / In this thesis we develop a tour-based approach for modeling activity and travel pattern considering time-space constraints. A hierarchical structure of choice-making builds theoretical background for the model and is based on a set of axiomatic rules. Our central argument is that the time-space constraints can be used for reducing the number of choices and, respectively, control the combinatorics associated with the probabilistic approach. The empirical analysis of our use case, a tour of type ‘Home-Work-SecondaryActivity-Home’, is based on Santiago’s travel survey. In addition, we apply GIS to estimate the so-called search spaces (potential areas where secondary activities are realized) and justify their sizes with the empirical findings. From the data analysis we identify thresholds for the tour-based maximum daily travel times considering a set of mode combinations. We define regimes of starting times and duration of activities depending on socio-economic user groups. The estimation of search spaces is realized considering the time spent at work as well as the distance between the home and work locations. Both criteria were found to be statistically significant. The comparison of modeled results with survey observations allowed concluding that the search spaces are realistic since they capture most of the observed trip destinations. For the estimation of spatial path flows of activities and trips (using SPSS programming language), we define a final choice set of no more than seven alternatives per primary location considering zone-based accessibility and land-use attractiveness. The obtained results support the argument that time-space constraints (daily travel time, search spaces) allow an effective control of combinatorial complexity. Basing on the experience obtained in process of modeling the exemplary tour, the approach can be applied to further tour types offering the possibility to estimate the entire transport demand of Santiago city.

Urbane Gesundheit ist von globalem Interesse, da schon jetzt die Mehrheit der Menschen in Städten wohnt und dies zunehmend in Entwicklungsländern. Obwohl mentale Gesundheitsprobleme (z.B. Depressionen) in Entwicklungsländern stark verbreitet sind, wurden diese für die rasant anwachsenden Städte dieser Länder bisher nicht zufriedenstellend untersucht. Mit einem räumlich-epidemiologischen Ansatz werden in der vorliegenden Dissertation Faktoren identifiziert, welche das mentale Wohlbefinden der Slumbewohner Dhakas beeinflussen. Hierfür wurden Baseline Daten einer Kohortenstudie verwendet, welche Anfang 2009 in neun Slums in Dhaka durchgeführt wurde. Es wurden Daten von 1.938 Erwachsenen (≥15 Jahre) erhoben. Der WHO-5 Well-being Index wurde als Instrument zur Selbsteinschätzung des mentalen Wohlbefindens verwendet. Mentales Wohlbefinden war signifikant mit verschiedenen Faktoren der natürlichen Umwelt, der Sicherheit vor Überflutungen, sanitären Verhältnissen, sowie mit qualitativ hochwertiger, zufriedenstellender und beständiger Behausung assoziiert. Weitere mentale Gesundheitsassoziationen wurden in Bezug auf Bevölkerungsdichte, Zufriedenheit mit der Arbeitsstelle und mit der Einkommensgenerierung identifiziert, während für individuelle Faktoren wie Alter, Geschlecht, Krankheiten, Gesundheitswissen und Migrationshintergrund angepasst wurde. Räumliche Konzentrationen von gutem und schlechtem mentalem Wohlbefinden wurden festgestellt, welche auf massive Gesundheitsungleichheiten innerhalb der Slums hindeuten. Verschiedene Nachbarschaftskontexte wirken sich zudem in anderer Weise auf das Wohlbefinden aus als persönliche und Haushaltscharakteristika. In der Annahme, dass mentale Gesundheitsprobleme das Risiko physischer Krankheiten sowie die Unfallgefahr erhöhen, liefert diese Dissertation wichtige Informationen, um sowohl eine bessere Krankheitsversorgung als auch sinnvolle Krankheitspräventionsprogramme für die Slums von Dhaka und vergleichbarer Gebiete zu entwickeln. / Urban health is of global concern because the majority of the world’s population lives in urban areas, mainly in the global south. Although mental health problems (e.g., depression) in developing countries are highly prevalent, such issues are not yet adequately addressed in the rapidly urbanising megacities of these countries, where a growing number of residents live in slums. Little is known about the spectrum and burden of mental disease in urban slums. Using a spatial-epidemiological approach, this thesis identifies factors that contribute to mental well-being in the slums of Dhaka, the capital of Bangladesh, which currently accommodates an estimated population of more than 14 million, including 3.4 million slum dwellers. The baseline data from a cohort study conducted in early 2009 in nine slums of Dhaka were used. Data were collected from 1,938 adults (≥15 years). The WHO-5 Well-being Index was used as a measure of self-rated mental well-being. It was found that mental well-being was significantly associated with various factors such as selected features of the natural environment, flood non-affectedness, sanitation, and housing quality, sufficiency and durability. Further associations with population density, job satisfaction, and income generation were identified while adjusting for individual factors such as age, gender, diseases, health knowledge, and migration. Spatial clusters of poor and good mental well-being among different population groups were detected and point to severe health disparities both within and between the slums. Diverse neighbourhood conditions affected mental well-being differently from personal and household level characteristics. Given that mental health conditions could elevate the risk for physical diseases and contribute to injuries, this thesis may provide crucial information for developing better health care and disease prevention programmes in Dhaka’s slums and other comparable settings.

Die vorrangige Zielstellung dieser Dissertation war die Berechnung nicht erschlossener landwirtschaftlicher Potenziale des Europäischen Russlands. Wir haben ein räumliches Allokationsmodell entwickelt, dass die jährlichen Acker- und Ackerbrachflächen von 1991 bis 2009 kartiert. Diese Daten haben wir anschließend in ein dynamisches Vegetationsmodell integriert und damit berechnet, dass während der postsowjetischen Aufgabe von 31 Millionen Hektar Ackerland bis 2009 470 TgC in Boden und Vegetation gebunden wurden. Anschließend haben wir ein Pflanzenwachstumsmodell auf regionale Weizenerträge kalibriert und darauf basierend durchschnittliche Ertragslücken von 1.51-2.10 t ha−1 für natürliche (künstlich unbewässerte) und 3.14-3.30 t ha−1 für künstlich bewässerte Anbaubedingungen ermittelt. Die Karte der Ackerbrachflächen, räumlich-explizite Informationen über die Kohlenstoffspeicherung in Boden und Vegetation infolge der Ackerflächenaufgabe sowie unsere Ergebnisse der Ertragslückenberechnung haben wir zur Berechnung von Weizenproduktionspotenzialen verwendet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Europäische Russland erhebliche Potenziale mobilisieren kann – bis zu 32 Millionen Tonnen für künstlich unbewässerte Bedingungen – obwohl ausschließlich jüngere Ackerbrachen zur Rekultivierung in unserem Modell berücksichtigt wurden. Ältere Brachflächen haben häufig große Mengen Kohlenstoff in Boden und Vegetation gespeichert; die Rekultivierung ältere Brachflächen würde zu hohen Emissionen führen. Eine wesentliche Schlussfolgerung dieser Dissertation ist daher, dass Produktionssteigerungen vorrangig durch Flächenintensivierung der bestehenden Ackerflächen erzielt werden sollten. Allerdings können die Ergebnisse dieser Arbeit helfen, Brachen für die Rekultivierung zu bestimmen, deren Rekultivierung relativ geringe Kohlenstoffemissionen nach sich ziehten. Zudem können die Ergebnisse dieser Arbeit nützlich sein, landwirtschaftliche Produktionsmittel effizienter einzusetzen. / This dissertation addresses the primary objective to systematically quantify untapped agricultural potentials in European Russia, where widespread abandoned agricultural lands and large yield gaps co-exist. We developed a spatial allocation model to produce annual cropland and cropland abandonment maps. Feeding the new maps into a dynamic vegetation model revealed that 470 Tg of carbon was sequestered in soil and vegetation due to the abandonment of 31 million hectares of cropland. Thus, the environmental consequences limit the potential for cropland expansion to abandoned cropland. We then calibrated a crop growth model for provincial wheat yields in European Russia and found average yield gaps of 1.51–2.10 t ha−1 under rainfed conditions and 3.14–3.30 t ha−1 under irrigated conditions. The cropland abandonment maps, spatial information on carbon sequestration due to cropland abandonment, and the estimates of yield gaps allowed us to estimate the potential of European Russia to increase its wheat production and to account for the carbon tradeoffs of cropland expansion. We demonstrated that European Russia can substantially increase its wheat production (up to 32 Mt under rainfed conditions). This increase is despite a limited expansion of wheat cultivation to the recently abandoned cropland to reduce the trade-off from the high carbon emissions in re-cultivating older, abandoned cropland where most carbon is stored. Therefore, intensification of the existing croplands is recommended to be the major driver for future growth in agricultural production. This dissertation can help policy makers and agribusiness owners identify areas suitable for cropland expansion, better target agricultural inputs and infrastructures, as well as guide adaptation strategies to the volatile climate conditions. Moreover, this dissertation contributes to better identifying and balancing trade-offs between environmental impacts and increasing agricultural production in European Russia.

Mittels umweltpolitischer Programme von weltweit einzigartigem Ausmaß versucht China sowohl den menschlichen Druck auf die Landbedeckung zu mindern als auch eine nachhaltige Landnutzung zu fördern. Als Hotspot globaler Umweltveränderungen wurden insbesondere für die Innere Mongolei erhebliche Investitionen zur Renaturierung von Landoberflächen von der chinesischen Zentralregierung getätigt. Die Fernerkundung ist ein effektiver Ansatz für ein flächendeckendes Monitoring des Landnutzungswandels. Jedoch erschweren die limitierte Datenverfügbarkeit und das Fehlen verfügbarer Veränderungsanalysemethoden die Anwendung fernerkundlicher Techniken zum Monitoring von Landnutzung und ihrer Veränderungen. Um den Landnutzungswandel in der Inneren Mongolei verlässlich zu kartieren, wurden daher in einem ersten Schritt Möglichkeiten und Grenzen von Zeitreihen räumlich grob aufgelöster Fernerkundungsdaten für das Monitoring von Langzeitveränderungen der Landbedeckung untersucht. Im zweiten Schritt wurde ein Ansatz zur Erfassung von jährlichen Veränderungen zwischen mehreren Landnutzungsklassen entwickelt und angewandt. Die Ergebnisse zeigen, dass die chinesische Landnutzungspolitik seit dem Jahr 2000 wirksam zum Erhalt und zur Regenerierung von Waldökosystemen in der Inneren Mongolei beiträgt. Abnehmende Entwaldung und ein Zuwachs von Waldflächen sind insbesondere in jenen Regionen zu finden, in welchen die landnutzungspolitischen Maßnahmen umgesetzt wurden. Die Konvertierung von Ackerland zu Grasland wurde zumeist innerhalb anfälliger, klimatisch und topographisch ungeeigneter Gebiete beobachtet. Die vorliegende Dissertation veranschaulicht sowohl den Einfluss politischer Maßnahmen und zugrunde liegender sozio-ökonomischer Treiber auf die Landoberfläche als auch die Bedeutung von grob aufgelösten Fernerkundungsdaten und Zeitreihenanalysen für das Monitoring des Landnutzungswandels in großräumigen Gebieten. / Monitoring land use and land cover change (LULCC) support better interpretation about how land surfaces are impacted by human decisions. The overall aim of this thesis is to gain a better understanding about LULCC in Inner Mongolia using remote sensing under consideration of China’s land use policies. With the largest scale land restoration programs in the world, China aims to reduce human pressure on lands and promote sustainable land use. As a hot-spot of environmental change, Inner Mongolia received the heaviest investment from the central government for land restoration. Yet the effectiveness and consequences of China’s land use policies in Inner Mongolia remain unclear. Remote sensing is an effective tool for monitoring land use and land cover change across broad scales, yet data limitations and a lack of available change detection methods hampers the capacity of researchers to apply remote sensing techniques for LULCC monitoring. To reliably map LULCC in Inner Mongolia, the opportunities and limitations of using coarse resolution imagery time series for monitoring long-term land changes was first examined. Second, an approach detecting annual changes between multiple land categories was developed and applied in Inner Mongolia. Results indicate that China’s land use policies effectively preserved and recovered forest ecosystems in Inner Mongolia after the year 2000. The decreasing trends of deforestation and forest gain are obvious in the regions that implement China’s land use policies, which reflect the positive influence of the policy. Cropland retirement was mostly found in ecologically fragile areas where climate and topographic conditions are unsuitable for cultivation. This thesis reveals how political factors and other underlying social-economic drivers impact a country''s land surface, and highlights the values of using coarse resolution imagery and time series analysis for LULCC monitoring across large areas.

Der Übergang Europas in die Wissensgesellschaft ist durch die massive Ausbreitung wissenschaftlichen Wissens und dessen Eindringen in den ökonomischen Produktionsprozess gekennzeichnet. Für die Teilnahme von Regionen an der Wissensgesellschaft ist die Ausbildung junger Akademiker und deren Integration in den regionalen Arbeitsmarkt von entscheidender Bedeutung. In dieser Perspektive wird in der vorliegenden Arbeit die Erwerbssituation und die regionale Mobilität italienischer Hochschulabsolventen aus dem Mezzogiorno betrachtet. Die Untersuchung erfolgt anhand von zwei methodischen Ansätzen. Im ersten empirischen Teil wird umfangreiches Datenmaterial, u.a. die Hochschulabsolventenbefragung des italienischen Statistikamts, ausgewertet. Hierbei zeigt sich, dass der italienische Mezzogiorno trotz vergleichsweise niedriger Absolventenzahlen von einer extremen Jungakademikerarbeitslosigkeit gekennzeichnet ist: Zudem verlassen viele junge Süditaliener vor Studienbeginn oder nach Studienende ihre Heimat, um in Nord- oder Mittelitalien eine Arbeit zu finden, so dass von einem regelrechten Brain drain gesprochen werden kann. Im zweiten empirischen Teil der Arbeit werden in einer hermeneutischen Perspektive sowohl die Erwerbssituation als auch die Mobilitätsbereitschaft von Hochschulabsolventen in Sizilien untersucht. Mit Hilfe von biographisch orientierten, themenzentrierten qualitativen Interviews wird der Versuch unternommen, die Handlungsrationalitäten zu verstehen, die sich hinter den hohen Arbeitslosenzahlen verbergen. Es wird gezeigt, dass die sozialen, kulturellen und institutionellen Rahmenbedingungen die Entstehung komplexer Aktivitätsnetze begünstigen, die den Verbleib in Sizilien auch bei einer unbefriedigenden Erwerbssituation ermöglichen und zu einem permanenten Hinausschieben der Wanderungsentscheidung beitragen. Für die regionale Entwicklung Siziliens, wie auch der übrigen Regionen des Mezzogiorno, kann sich aber gerade der Verbleib junger Hochschulabsolventen in der Unterbeschäftigung als Standortvorteil für wissensorientierte Unternehmen und somit als Entwicklungspotential erweisen. / Europe''s transition towards the Knowledge Society is characterised by major advances in scientific knowledge and its infiltration of the economic production process. To fulfil their role in the Knowledge Society, regions must ensure that young academics can be educated and integrated into the regional labour market. In this perspective the book analyses the employment situation and the regional mobility of young academics in the Italian Mezzogiorno using two different empirical approaches. The first part of this paper investigates the employment situation and regional mobility of young Italian academics using data sources provided by the Italian statistical office, Istat. Despite its comparatively small academic population, the Italian Mezzogiorno is marked by extremely high unemployment levels among young academics. Furthermore, a large number of young Italians from the South leave their home region before starting university or after graduation in order to find jobs in Northern or Central Italy. The second section of this paper draws on empirical evidence to analyse the employment outlook and high level of emigration among young Sicilian graduates from a hermeneutic perspective. With the help of biographical, problem-oriented qualitative interviews, the author attempts to understand the culturally embedded rationalities that inform statistical evidence. Sicily''s social, cultural and institutional framework is shown to promote the growth of highly complex networks of activity that encourage young unemployed graduates to remain in unsatisfactory work environments and constantly postpone their decision to migrate. On a more positive note, the continued presence of young underemployed university graduates may be considered beneficial to the regional development of Sicily, as well as other parts of the Mezzogiorno, if interpreted as a regional advantage for knowledge-intensive industries in their search for new locations.