Hochwasser stellt ein großes Risiko für Wohngebäude in Europa dar, und es wird erwartet, dass das Risiko in der Zukunft aufgrund klimatischer und sozioökonomischer Veränderungen zunehmen wird. Aktuelle Hochwasserrisikomodelle basieren meist auf einfachen Wasserstands-Schadenskurven. Diese Ansätze vereinfachen die Hochwasserschadensprozesse stark, können ungenau sein und bergen große Unsicherheiten, die oft nicht quantifiziert. Die Doktorarbeit stellt die Integration neuer Daten in probabilistische, multivariable Schadensmodelle zur Verbesserung ihrer Übertragbarkeit vor. Diese neuen Datenquellen und Modellierungsansätze werden verwendet, um zukünftige Veränderung des Hochwasserrisikos für Wohngebäude in Europa abzuschätzen und Risikokomponenten zu analysieren. Die Arbeit zeigt, OpenStreetMap (OSM) Daten liefern nützliche Informationen für die Modellierung von Hochwasserschäden und ermöglichen Modelltransfers. Die Integration von aus OSM abgeleiteten Gebäudeeigenschaften und Hochwassererfahrung aus Ereignisdatenbanken in das Bayes’sche Netzwerk basierte Hochwasserschadensmodelle für den privaten Sektor (BN-FLEMOps) ermöglichte die Implementierung auf der Mesoskala. Durch Vergleiche von Schadensschätzungen mit beobachteten Schäden in mehreren Fallstudien in Europa wurde das Modell validiert und detailliert mit einem Ensemble aus 20 Schadensmodellen verglichen. In einer abschließenden Studie werden die zukünftigen Veränderungen des Risikos für Wohngebäude in Europa modelliert. Die erwarteten jährlichen Schäden bis zum Ende des 21. Jahrhunderts werden um das 10-fache ansteigen. Die Britischen Inseln und der größte Teil von Zentral-Europa müssen mit einer starken Risikozunahme rechnen. Teile Skandinaviens und des Mittelmeerraums werden dagegen ein stagnierendes oder abnehmendes Hochwasserrisiko verzeichnen. Eine Verbesserung der privaten Vorsorgemaßnahmen könnte das Hochwasserrisiko im Mittel um 15 % und in einigen europäischen Regionen um bis zu 20 % verringern. / Flooding poses great risks for residential buildings in Europe and is expected to increase in the future, driven by climatic and socio-economic change. Current flood risk models rely mostly on simple stage-damage curves for flood loss estimation. This approach oversimplifies flood damage processes, can be inaccurate and harbour large uncertainties that often are not quantified and transparently communicated. This thesis presents research that integrates new data sources into probabilistic, multi-variable loss models to improve their transferability. These new data sources and approaches are used to estimate future fluvial flood risk change for residential buildings in Europe. Contributions of the three risk components, hazard, exposure, and vulnerability are analysed and compared independently and in combination. OpenStreetMap (OSM) data are identified as a valuable source of information for flood loss modelling and enables model transfers while retaining high predictive performance. Integrating OSM derived building characteristics and flood experience information from flood event databases into the Bayesian Network Flood Loss Estimation MOdel for the private sector (BN-FLEMOps) enables the spatio-temporal and scale transformation of the model. The model is validated with reported losses in multiple case studies in Europe and compared in detail with a model ensemble of 20 internationally published flood loss models. In a final study, the future flood risk changes for residential buildings in Europe are modelled. The expected annual damage will increase up to 10-fold until the end of the 21st century. Most of Central Europe and the British Isles have to expect strong risk increases. Parts of Scandinavia and the Mediterranean on the other hand will see stagnating or decreasing fluvial flood risk. Improving private precaution could reduce flood risk by 15 % on average and up to 20 % in some European regions.

Obwohl der Bedeutung von hyporheischen Zonen als Übergangsbereiche zwischen Flüssen und angrenzenden alluvialen Aquiferen eine wachsende Anerkennung zuteilwird, sind dynamische hyporheische Reaktionen auf instationäre hydrologische Bedingungen weiterhin signifikant untererforscht. Um diese Lücke zu schließen, liegt der Fokus dieser Doktorarbeit insbesondere auf den Effekten transienter Abflussverhalten und Temperaturschwankungen in Flüssen auf die raumzeitliche Variabilität von hyporheischen Austauschprozessen. Unter Beachtung dieser Ziele wird ein neues physikalisch basiertes numerisches Modell vorgeschlagen und schließlich angewandt, um systematisch die hyporheischen, durch Sedimentoberflächenstrukturen ausgelösten Reaktionen auf eine Reihe von künstlichen und natürlichen Abflussregimen abzuschätzen. Parameter wie das räumliche Ausmaß der hyporheischen Zone, hyporheische Austauschrate, mittlere Aufenthaltszeit, Temperatur des hyporheischen Flusses sowie das Denitrifikationspotenzial werden definiert, um den Einfluss der Antriebskräfte und Regulatoren auf dynamische hyporheische Reaktionen zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmendem Abfluss generell das räumliche Ausmaß der hyporheischen Zone vergrößert wird; jedoch bestimmen geomorphologische Bedingungen und Grundwasserflüsse erheblich das Ausdehnen und Zusammenziehen hyporheischer Zonen zusammen mit Strömungen, Wärme- und Stoffaustausch zwischen Fluss und Grundwasser. Temperaturvariabilität, ein wichtiger Faktor, welcher oft in hydrodynamischen Studien vernachlässigt wird, zeigt direkte kontrollierende Effekte beim Bestimmen hyporheischer Austauschraten und mittlerer Aufenthaltszeiten. Weiterhin spielt die Dynamik von Grundwasserständen eine entscheidende Rolle bei hyporheischen Austauschprozessen. Das Optimieren der Terminierung von Grundwasserförderung ist ausschlaggebend für die Regulierung von Wasserqualität, Nährstoffkreisläufen und der Entstehung thermischer hyporheischer Refugien. / Although there is a growing recognition of the importance of hyporheic zones as transitional areas connecting rivers and adjacent alluvial aquifers, the dynamic hyporheic responses to unsteady hydrological conditions are still significantly understudied. To bridge this gap, the present PhD thesis primarily focuses on the effects of transient river discharge and temperature fluctuations on the spatiotemporal variability of hyporheic exchange processes. With these objectives in mind, a novel physically based numerical model is proposed and then applied to systematically evaluate bedform-induced hyporheic responses to a series of synthetic and natural hydrological regimes. Metrics including spatial hyporheic extent, hyporheic exchange rate, mean residence time, temperature of hyporheic flux, and denitrification potential are defined to quantify the impact of drivers and modulators of dynamic hyporheic responses. Results indicate that increasing river discharge generally enlarges the spatial hyporheic extent; however, geomorphological settings and groundwater fluxes substantially modulate the expansion and contraction of hyporheic zones along with flow, heat and solute exchange between river and groundwater. Temperature variability, an important factor which is often neglected in hydrodynamic studies, displays direct controlling effects in determining hyporheic exchange rates and mean residence times. Groundwater table dynamics also play a critical role in hyporheic exchange processes. Optimizing the timing of aquifer pumping is crucial for regulation of water quality, nutrient cycling, and the formation of thermal hyporheic refugia. The findings largely advanced our mechanistic understandings of dynamic hyporheic responses to varying transient flow and temperature conditions, and therefore shed lights on improving river management and restoration strategies.

Der hydrologische Kreislauf versorgt die Menschheit mit Wasserressourcen, die für ihr Wohlergehen unabdingbar sind. Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis über klimabedingte Veränderungen des hydrologischen Kreislaufs zu verbessern, wie diese die Verfügbarkeit von Wasserressourcen in der Zukunft beeinflussen und welche Möglichkeiten bestehen, den Druck auf die verfügbaren Wasserressourcen durch Verringerung des anthropogenen Wasserverbrauchs zu reduzieren. Diese Dissertation zeigt, dass der Klimawandel eine große Bedrohung für die Wasserversorgung der zukünftigen Bevölkerung darstellt. Durch Begrenzung des Anstiegs der globalen Mitteltemperatur auf 2 K oder sogar 1,5 K über das vorindustrielle Niveau können gravierende negative Auswirkungen auf die Wasserverfügbarkeit jedoch weitgehend vermieden werden. Dennoch wären einige Regionen wie der Mittelmeerraum "eher wahrscheinlich" von schwerwiegenden hydrologischen Veränderungen betroffen, und in großen Teilen der Welt könnten negative Auswirkungen auf die Wasserverfügbarkeit aufgrund der großen Unsicherheiten in den Projektionen nicht ausgeschlossen werden. Bei der Untersuchung der Nachfrageseite liegt der Schwerpunkt auf der Wassernutzung in der Tierproduktion. Diese Dissertation schätzt den gegenwärtigen Wasserverbrauch für die Produktion von Tierfutter auf 4666 km3/yr (44 % des gesamten landwirtschaftlichen Wasserverbrauchs). Große Verbesserungen der Wasserproduktivität können bei Schweinen und Geflügel durch Verbesserungen sowohl in der Futtermittelproduktion als auch in der Tierhaltung erzielt werden. Bei Wiederkäuern liegt das größte Potenzial in der Verbesserung der Tierhaltung. Allerdings geht eine effizientere Futterverwertung bei Wiederkäuern, die durch erhöhte Beigabe von Kraftfutter erzielt wird, mit einem erhöhten Wasserbedarf für die Produktion des Futters einher. Dadurch ist die Verbesserung der Wasserproduktivität bei Wiederkäuern begrenzt. / The hydrological cycle provides humanity with water resources that are essential for its well-being. The aim of this thesis is to advance the understanding of climate-related changes in the hydrological cycle, how they will affect the availability of water resources in the future, and what opportunities exist to reduce anthropogenic water use to lower the pressure on water resources. This thesis demonstrates that climate change is a large threat to freshwater supply for future populations. Limiting the increase in global mean temperature to 2 K or even 1.5 K above pre-industrial levels can mitigate most of the severe negative impacts on water resources. However, some regions such as the Mediterranean would still ‘more likely than not’ be affected by severe hydrological change, and in large parts of the world, negative impacts on water availability could not be ruled out due to the large uncertainties in the projections. On the demand side, the focus is on water use in the livestock sector. This thesis estimates that about 4666 km3/yr (44 % of total agricultural water use) are currently used for feed production for the livestock sector. Large improvements in livestock water productivity can be achieved for pigs and poultry by improvements in feed production and livestock rearing alike. For ruminants, the largest potential lies in improving livestock management. However, improving the feed use efficiency of ruminants through increased supplementation with forage crops comes at the cost of increased water requirements to produce the feed. This limits the potential for improving livestock water productivity in ruminant production.

In einer Zeit, in der menschliche Aktivitäten mit geologischen Kräften konkurrieren und sich das Klima ständig verändert, ist das Verständnis hydrologischer Prozesse essenziell. Die Quantifizierung hydrologischer Prozesse ist jedoch aufgrund der räumlichen Heterogenität der Umweltfaktoren, die die zugrunde liegenden Prozesse beeinflussen, eine Herausforderung. Daher wurden in dieser Arbeit eine Reihe gemeinsamer, miteinander verbundener Ansätze oder Technologien entwickelt und in einem Einzugsgebiet mit gemischter Landnutzung, dem Demnitz Millcreek (DMC, 66 km2), getestet. Durch die Anwendung von Datenanalyse, Modelling, Machine-learning und Unmanned-vehicle technologies haben wir nicht nur die hydrologischen Prozesse in diesem repräsentativen Einzugsgebiet entschlüsselt, sondern auch - aus einer breiteren Perspektive - den optimalen Methode zur gemeinsamen Nutzung vorhandener Technologien ermittelt, um Unsicherheiten bei Modellierung dieser Prozesse auf der Ebene des Einzugsgebiets zu verringern. / Understanding hydrological processes is essential in an era when human activities rival geologic-scale forces and the climate consistently changes. However, hydrological quantifications are challenging due to the spatial heterogeneity in environmental drivers of the underlying processes. Therefore in this thesis, a series of common linked approaches or technologies were developed and tested in a mixed-landuse catchment, the Demnitzer Millcreek (DMC, 66 km2). By applying data analysis, distributed modelling, machine-learning, and unmanned-vehicle technologies, we not only unraveled the hydrological processes in this representative catchment, but also from a wider perspective - identified the optimal way to jointly use the existing technologies to reduce the uncertainty in monitoring and modelling these processes at the catchment-scale.

Die Verschmutzung von Süßgewässern mit organischen Mikroschadstoffen ist ein Problem, das sich weltweit zunehmend verschärft. Die vorliegende Doktorarbeit soll zu einem besseren Verständnis des Verhaltens einzelner Mikroschadstoffe und deren Transformationsprodukten in Flüssen beitragen, sowie die Rolle relevanter Einflussfaktoren untersuchen. Verhalten verschiedener Stoffe wurde im Oberflächenwasser eines urbanen Flusses analysiert. Es zeigte sich, dass die Sonneneinstrahlung für einige Verbindungen der wichtigste Einflussfaktor ist, während andere eher biologisch abgebaut wurden. Die Mahd von Makrophyten hatte ebenfalls stoffspezifische Folgen auf den Abbau. Um langfristige Variabilität von Stofftransport besser zu verstehen wurde eine neue Methode zur Schätzung des Stofftransports anhand von Schwankungen der elektrischen Leitfähigkeit getestet. Einige Stofftransportparameter änderten sich über die Jahreszeiten hinweg und transiente Speicherung unterschied sich zwischen den Flussabschnitten. Um im Besonderen den Einfluss von mikrobieller Diversität und von hyporheischem Austausch zu bewerten, wurde ein Meskosmenexperiment mit 20 rezirkulierenden Fließrinnen entwickelt. Es konnte festgestellt werden, dass vor allem mikrobielle Diversität einen starken Einfluss hat. Der neue Versuchsaufbau kann zukünftig für die Untersuchung weiterer Variablen Verwendung finden. Schließlich wurden Mikroschadstoffe und Transformationsprodukte in der hyporheischen Zone der Fließrinnen analysiert. Das Verhalten war sowohl stoffspezifisch als auch fließwegspezifisch. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des oberflächennahen, hyporheischen Austauschs auf den Stoffabbau. Im Allgemeinen konnte die hohe Variabilität des Abbaus von Mikroschadstoffen mit besonderer Relevanz der hyporheischen Zone und der mikrobiellen Diversität nachgewiesen werden. Diese Faktoren sollten in zukünftigen Forschungsvorhaben besonders berücksichtigt werden. / Contamination of freshwaters with organic micropollutants is a worldwide emerging problem. The present thesis aims to contribute to a better understanding of the variability of the behaviour of individual micropollutants, the formation of transformation products in rivers and the specific role of relevant influencing factors. The behaviour of several substances was investigated in the surface water of an urban river by accounting for spatial and temporal dynamics. Solar radiation was identified to be the major driver for some compounds, while others were more susceptible to biodegradation. The response to macrophyte removal was also compound-specific. To better understand long-term variability of solute transport on a reach-scale a new method to estimate solute transport by use of electrical conductivity fluctuations was proposed and tested. Some solute transport metrics changed over the seasons and transient storage differed between river sections. To specifically assess the influence of microbial diversity and hyporheic exchange, a mesocosm experiment with 20 recirculating flumes was developed. It was found that microbial diversity in particular had a strong impact and the novel setup was suggested to be a useful method to test other variables in the future. Finally, the behaviour of micropollutants and transformation products in the hyporheic zone of the flumes was investigated on a centimeter-scale. The behaviour was found to be compound-specific as well as flowpath-specific. But several compounds were degraded most on the shortest, most oxic flowpath. The findings highlight the importance of shallow, small-scale hyporheic exchange for turnover of micropollutants. Generally, the high variability of micropollutant degradation depending on relevant influencing factors, specifically hyporheic exchange and microbial diversity, has been demonstrated. These factors are of great importance and need to be addressed and considered in future research.

Die Untersuchung von Klimaszenarien ergab, dass die Grundwasserneubildung in Nordostdeutschland abnehmen könnte. Um Süßgewässer zu erhalten müssen neue Strategien entwickelt werden. Im Gebiet des Lietzengrabens wird Klarwasser eingeleitet, um Feuchtgebiete und Seen zu erhalten. Diese Strategie wurde durch eine Szenarioanalyse erarbeitet, die sich auf das hydrologische iterative Modell ArcEGMO-ASM stützte. In dieser Arbeit wurde das voll integrierte Modell HydroGeoSphere genutzt, um den Fluss von Wasser an der Oberfläche und im Untergrund zu simulieren. Basierend auf dieser Simulation wurden Fließpfade und Aufenthaltszeiten abgeschätzt. Die Ergebnisse beider Modelle wurden analysiert und verglichen. Mit beiden Modellen war es möglich, die Abfluss- und Grundwasserdynamiken im Einzugsgebiet zu reproduzieren. Bei der Anwendung von HydroGeoSphere fehlten Möglichkeiten zur Berücksichtigung von z.B. Schneefall und Wehren, welche in ArcEGMO-ASM vorhanden sind. Die Kalibrierung des Modells lieferte Parameterwerte, die eine Reproduktion der Dynamiken erlaubten. Allerdings könnte HydroGeoSphere nur eingeschränkt nutzbar sein, da die Werte teils unrealistisch waren. HydroGeoSphere ermöglichte aber die Abschätzung von unterirdischen Fließpfaden und Aufenthaltszeiten. Weiter wurde der Austritt von Grundwasser in einen Bachabschnitt durch Messungen bestimmt und mit Simulationsergebnissen verglichen. Keines der Modelle war geeignet, die räumlichen Muster auf dieser Skala zu reproduzieren. Die simulierten Exfiltrationsraten wichen von den beobachteten ab. Der Vergleich von ArcEGMO-ASM und HydroGeoSphere zeigte die Vorteile und Grenzen der Modelle auf. Der Einsatz von HydroGeoSphere bei Untersuchungen von Bewirtschaftungsstrategien macht sich noch nicht bezahlt, vergleicht man den Aufwand mit den Vorteilen. Da HydroGeoSphere weiterentwickelt wird und die Rechenkapazitäten zunehmen, könnte das Modell in der nahen Zukunft in der Praxis nutzbar sein. / Analysis of climatic scenarios for North-East Germany showed that groundwater recharge could decline. In order to sustain freshwaters, new strategies must be developed. At the Lietzengraben catchment treated wastewater is discharged to sustain wetlands and lakes in the catchment. This management strategy was developed previously by scenario analysis, performed by the hydrological iterative model ArcEGMO-ASM. In this work, the fully integrated model HydroGeoSphere was used to simulate the surface and subsurface water flow in the catchment. Based on the simulation results, flow paths and residence times were estimated. The results of the simulations by both models were investigated and compared. It was possible to reproduce the catchment dynamics regarding discharge and groundwater heads reasonably well with both models. The application of HydroGeoSphere was limited due to the inability of the model to represent features like snowfall and weirs, which are represented in ArcEGMO-ASM. The calibrated parameter values enabled the model to reproduce the catchment dynamics reasonably well. HydroGeoSphere may be limited in its use since the obtained values are partially unrealistic. HydroGeoSphere allowed the approximation of subsurface flow paths and residence times. The exfiltration of groundwater to a stream reach was estimated by measurements and compared to simulation results. Both models were not able to reproduce the spatial patterns on a sub-reach scale and the calculated exfiltration rates did not match the observed rates. The comparison of ArcEGMO-ASM and HydroGeoSphere showed the advantages and limitations of both models. Comparing the overall additional effort to the benefits, however, the application of HydroGeoSphere to investigations regarding management strategies or scenario analyses may not pay off. Since HydroGeoSphere is under steady development and computational resources improve, the use of HydroGeoSphere may be applicable in the near future.

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.

Boreale Wälder in Permafrostregionen sind ein wesentlicher Bestandteil regionaler und globaler Klimamuster und machen etwa ein Drittel der weltweiten Waldfläche aus. Die Entwicklung der Waldbedeckung hat einen wichtigen Einfluss auf den Permafrost, da dieser durch die Vegetation geschützt wird. Der direkte Einfluss des Klimawandels auf die Wälder und der indirekte Effekt durch eine Veränderung der Permafrostdynamik können zu weitreichenden Ökosystemverschiebungen führen, die wiederum die Persistenz des Permafrosts beeinträchtigen und wichtige Ökosystemfunktionen destabilisieren könnten. Ziel dieser Dissertation ist es zu verstehen, wie sich die komplexen Wechselwirkungen zwischen der Vegetation, dem Permafrost und der Atmosphäre auf die Wälder und den darunterliegenden Permafrost auswirken. Im Rahmen dieser Dissertation habe ich ein eindimensionales, numerisches Landoberflächenmodell (CryoGrid), das zur Simulation der physikalischen Prozesse in Permafrostgebieten verwendet werden kann, für die Anwendung in bewaldetem Gebieten angepasst. Dazu habe ich ein detailliertes, mehrschichtiges Kronendachmodell (CLM-ml v0) und ein dynamisches Lärchenbestandsmodell gekoppelt. Dies ermöglichte den Energietransfer und das Wärmeregime welche für die komplexe Wald-Permafrost-Dynamik verantwortlich sind an verschiedenen Untersuchungsstandorten in gemischten und lärchendominierten Wäldern in Ostsibirien zu reproduzieren. Die numerischen Simulationen ergaben, dass die Wälder den thermischen und hydrologischen Zustand des Permafrosts hauptsächlich durch die Veränderung der Strahlungsbilanz und der Phänologie der Schneedecke beeinflussen und so eine stabilisierende Wirkung haben. Die Untersuchung der unterschiedlichen isolierenden Wirkung verschiedener Waldtypen und Walddichten sowie die Rückkopplungsmechanismen nach Störungen zeigen Veränderungen der thermischen und hydrologischen Bedingungen und der Tiefe der Auftauschicht. Zusammenfassend legen die Ergebnisse nahe, dass lokale, detaillierte und spezifische Landoberflächenmodelle erforderlich sind, um die komplexe Dynamik in borealen Permafrostökosystemen vollständig zu erfassen. Veränderungen der Rückkopplungen zwischen Permafrost, Klima, Wald und Störungen werden die eng gekoppelten Ökosystemfunktionen destabilisieren. Die induzierten Bodenveränderungen werden sich auf wichtige Wald- und Permafrostfunktionen, wie beispielsweise die Isolation des Permafrostbodens oder die Kohlenstoffspeicherung, und Rückkopplungsmechanismen wie Überschwemmung, Dürren, Brände, und Waldverlust, auswirken. / Boreal forests in permafrost regions make up around one-third of the global forest cover and are an essential component of regional and global climate patterns. The forests efficiently protect the underlying permafrost but the exact processes are not well understood. The direct influence of climatic change on forests and the indirect effect through a change in permafrost dynamics can lead to extensive ecosystem shifts, which will, in turn, affect permafrost persistence and potentially destabilize various ecosystem functions. The aim of this dissertation is to understand how complex interactions between the vegetation, permafrost, and the atmosphere stabilize the forests and the underlying permafrost. Within this dissertation, I have adapted a one-dimensional, numerical land surface model (CryoGrid), which can be used to simulate the physical processes in permafrost regions, for the application in vegetated areas by coupling a detailed multilayer canopy model (CLM-ml v0), and a dynamic larch stand model. An intensive validation of the model setup has allowed for the precise quantification of the heat- and water transfer processes responsible for the complex permafrost dynamics under boreal forest covers. At a variety of study sites throughout eastern Siberia, the numerical simulations revealed that the forests exert a strong control on the thermal and hydrological state of permafrost through changing the radiation balance and snow cover phenology. The forest cover has a net stabilizing effect on the permafrost ground below. The detailed physical model has furthermore enabled me to study the variation in insulation effect between different forest types and densities as well as the feedback mechanisms occurring after disturbances. In summary, the results suggest that local, detailed, and specific land surface models are required to fully comprehend the complex dynamics in boreal permafrost ecosystems. The research revealed that the feedbacks between permafrost, climate, boreal forest, and disturbances will destabilize tightly coupled ecosystem functions. The induced changes will affect key forest and permafrost functions, such as the forest's insulation capacity or the carbon budget, as well as feedback mechanisms like swamping, droughts, fires, or forest loss.

Für die Luftqualitätsbewertung in Städten sind Informationen zur raumzeitlichen Variabilität luftgetragener Feinstäube auf kleiner Skala von wichtiger Bedeutung. Standardisierte Messverfahren, zur Bestimmung von Partikelkonzentrationen, sind mit hohem Aufwand verbunden, weshalb dichte Messnetze fehlen. Partikelausbreitungsmodelle sind kompliziert in der Anwendung und/oder benötigen hohe Computerrechenleistung. Infolgedessen gibt es bezüglich örtlicher Partikelkonzentrationen große Informationslücken. Diese Arbeit untersucht die mikroskalige Variabilität von Aerosolen in Raum und Zeit mit unterschiedlichen Methoden. Es wurden Erhebungen mit mobilen Sensoren und eine Passantenbefragung durchgeführt. Weiterhin wurden in dieser Arbeit die physikalischen Partikeltransportmodelle ENVI-met und Austal2000 in ihrer Leistung bewertet und in angewandten Studien eingesetzt. Weiterhin wurde ein neuronales Netzwerk zur Vorhersage von Partikelkonzentrationen entwickelt. Die Untersuchungen erfolgten in den Städten Aachen und Münster. Es konnten unerwartete Verteilungsmuster hinsichtlich der Massekonzentration von Partikeln beobachtet werden. In einem innerstädtischen Park wurden diffuse Partikelquellen identifiziert, mit einem deutlichen Hinweis darauf, dass feuchtgelagerte Wegedecken einen maßgeblichen Anteil an lokalen Partikelimmissionen hatten. Weiterhin wurde Straßenverkehr als wichtiger Beitrag zum städtischen Aerosol identifiziert. Passanten, die verschiedenen Partikelkonzentrationen ausgesetzt waren, konnten diese perzeptiv nicht unterscheiden. Simulationsergebnisse von Austal2000 und ENVI-met wiesen Unterschätzungen im Vergleich zu Messwerten auf. Das entwickelte neuronale Netzwerk prognostizierte Partikelkonzentrationen teilweise mit hoher Genauigkeit. Das große Potenzial von neuronalen Netzen für die Vorhersage von Partikelkonzentrationen in räumlicher und zeitlicher Ausdehnung, auch für den Bereich der Luftqualitätsüberwachung, wurde aufgezeigt. / Knowledge about the micro-scale variability of airborne particles is a crucial criterion for air quality assessment within complex terrains such as urban areas. Due to the significant costs and time consumption related to the work required for standardized measurements of particle concentrations, dense monitoring networks are regularly missing. Models that simulate the transmission of particles are often difficult to use and/or computationally expensive. As a result, information regarding on-site particle concentrations at small scales is still limited. This thesis explores the micro-scale variability of aerosol concentrations in space and time using different methods. Experimental fieldwork, including measurements with mobile sensor equipment alongside a survey, and modeling approaches were conducted. Applied simulation studies, a performance assessment of two popular particle dispersion models, namely Austal2000 and ENVI-met, as well as the development of an ANN model are presented. The cities of Aachen and Münster were chosen as case studies for this research. Unexpected patterns of particle mass concentrations could be observed, including the identification of diffuse particle sources inside a park area with strong evidence that unpaved surfaces contributed to local aerosol concentration. In addition, vehicle traffic was proved to be a major contributor of particles, particularly close to traffic lanes. Results of the survey reveal that people were not able to distinguish between different aerosol concentration levels. Austal2000 and ENVI-met turned out to have room for improvement in terms of the reproduction of observed particle concentration levels, with both models having a tendency toward underestimation. The newly developed ANN model was confirmed to be a fairly accurate tool for predicting aerosol concentrations in both space and time, and demonstrates the principal ability of the approach also in the domain of air quality monitoring.

Die Arbeit beschäftigt sich mit laser-induzierter Plasmaspektroskopie (LIBS) im Kontext der robotischen Mars-Erkundung. Bei LIBS wird Plasma analysiert, das durch Ablation von Probenmaterial gebildet wird. Die Methode wird seit 2012 von dem Instrument ChemCam des Mars-Rovers Curiosity eingesetzt, um das Gestein und den Boden der Marsoberfläche zu untersuchen. Sie wird auch in der NASA-Mission Mars 2020 und in der chinesischen Mission HX-1 eingesetzt werden, welche im Jahr 2020 zum Mars starten sollen. Zwei Studien dieser Arbeit betrachten Emissionen von Molekülen, die sich im Plasma bilden. Diese können zur Detektion von Chlor und Fluor eingesetzt werden, die von geologischem Interesse für Mars sind. Emissionen von MgCl und CaCl werden in simulierten Marsbedingungen für die Bestimmung der Chlorkonzentration untersucht. Nur das CaCl-Signal wird als stark genug befunden. Dieses ist am stärksten bei vergleichsweise geringen Chlorkonzentrationen, was durch einen Nichtgleichgewichtszustand des Plasmas erklärt werden kann. In der zweiten Studie werden die Emissionen von CaCl und CaF verglichen. Beide können mit demselben Modell in Abhängigkeit der Konzentrationen der Reaktionspartner beschrieben werden. Allerdings werden auch starke Matrixeffekte beobachtet, die die Emissionen beeinträchtigen können. Im letzten Teil der Arbeit wird der Plasma-Imaging-Aufbau beschrieben, der aufgebaut wurde. Der Aufbau ermöglicht räumlich aufgelöste Messungen der Emissionsspektren. Es werden erste Ergebnisse vorgestellt, die mit diesem Aufbau erzielt wurden. Diese zeigen, dass CaCl und CaF nur im Plasmazentrum emittieren, was mit einer Verdünnung und Ausbildung eines Niedertemperaturbereichs im Plasmazentrum erklärt werden kann. Atomare Emissionen von Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff sind dagegen intensiver an der Plasmafront und zeigen Verwirbelungen auf, was auf komplexe Temperaturverteilungen und auf einen starken Einfluss von Strömungen im Plasma hinweist. / In this thesis, laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is investigated in the context of the robotic exploration of Mars. In LIBS, the plasma formed by laser-ablated sample material is analyzed spectroscopically. Since 2012, it is employed by the ChemCam instrument on board the Mars rover Curiosity to analyze rocks and soil on the Martian surface. The technique will also be used in NASA's Mars 2020 mission and in the Chinese HX-1 mission, which are both scheduled to launch to Mars in 2020. The first two studies are concerned with emissions of molecules that form in the laser-induced plasma. These can be used to detect chlorine and fluorine, which are of geological interest for Mars. In the first study, MgCl and CaCl emissions are investigated for the detection and quantification of chlorine in Martian atmospheric conditions. Only the CaCl signal is found to be intense enough for this purpose. The CaCl signal is found to be skewed towards low chlorine concentrations, which is explained by a non-equilibrium model of the laser-induced plasma. In the second study, the emissions of CaCl and CaF are compared. The same model is used to describe the dependence of both signals on the respective reactant concentrations. Strong matrix effects are observed that affect the observed intensities. In the final part of the thesis the plasma imaging setup that was developed in the context of this thesis is presented. It enables spatially resolved measurements of the plasma emission spectra. First results show that CaCl and CaF emissions are confined close to the plasma center, likely because rarefaction leads to a low-temperature center in which molecules can form. Atomic emissions of hydrogen, carbon, and oxygen are more stable at the plasma front and show signs of vorticity, indicating a complex temperature distribution and a strong influence of flows within the plasma.