Aus Beobachtungsdaten der Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) können Variationen des Erdschwerefeldes auf großen räumlichen Skalen mit hoher Genauigkeit abgeleitet werden. Die Variationen auf zeitlichen Skalen von mehreren Tagen bis Wochen und räumlichen Skalen von wenigen hundert Kilometern sind insbesondere auf Änderungen der kontinentalen Wassermassen zurückzuführen. Die vorliegende Promotionsarbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung hydrologischer Massenvariationen aus GRACE-Daten am Beispiel der vier größten sibirischen Flusseinzugsgebiete Ob, Jenissei, Lena und Kolyma. Darauf aufbauend sollen in Kombination mit atmosphärischen Daten der NCEP-Reanalyse Süßwassereinträge in den Arktischen Ozean abgeleitet werden. Die Süßwassereinträge beeinflussen nachhaltig den Salzgehalt und damit das ozeanographische Regime des Arktischen Ozeans, welcher wiederum einen Einfluss auf die globale thermohaline Zirkulation hat. Da die großen Strömungen des Weltozeans einen grundlegenden Faktor des globalen Klimageschehens darstellen, sind die Änderungen des Süßwassereintrages ein wichtiger Aspekt hinsichtlich prognostizierter Klimatrends. Der Abfluss kann an ausgewählten Messpunkten mit einer hohen zeitlichen Auflösung beobachtet werden. Die Datenreihen weisen jedoch immer wieder Lücken auf und die bodengebundenen Messungen sind oft schwierig und kostenintensiv. Messmethoden, die unabhängig vom Zugang ins Messgebiet sind, können einen großen Fortschritt bei der Beobachtung sich ändernder Massen und Süßwasserflüsse leisten und damit einen Beitrag für ein besseres Verständnis gekoppelter komplexer Prozesse der Arktis liefern. Da die Fehlerstruktur der GRACE-Daten komplex und bis heute nicht vollständig verstanden ist, erfolgt zunächst eine Untersuchung des GRACE-Fehlerhaushaltes. Zudem werden die Fehlereffekte aufgrund des begrenzten räumlichen Spektrums und damit einhergehender Leck-Effekte auf Ebene von Gebietsmittelwerten analysiert und Lösungsvorschläge diskutiert. Dabei sind folgende Aspekte von Bedeutung: Erweiterung der GRACE-Datenreihe um geeigente Terme ersten Grades und Abschätzung von Leck-Effekten, verursacht durch das begrenzte Spektrum der Kugelfunktionsentwicklung. Leck-Effekte aufgrund ozeanischer Signalanteile sind bzgl. der Einzugsgebiete sibirischer Flusssysteme klein (< 1%), wohingegen Leck-Effekte aufgrund kontinentaler Signalanteile je nach Gebietsgröße relative Fehler von 8-17% nach sich ziehen. Die größten Fehlereffekte resultieren jedoch aus den Koeffizienten hoher Grade. Die Filterung der GRACE-Daten ermöglicht die Glättung fehlerbehafterer Signalanteile. Neben den in der Literatur gängigen Filtern wurde im Rahmen der Arbeit ein Kombinationsfilter entwickelt, welches auf Basis von räumlichen Vorinformationen aus Hydrologiemodellen signifikante Signalstrukturen in den GRACE-Datenreihen detektiert. Somit muss lediglich ein Restsignal mittels Filterung gedämpft werden. Mit dem Kombinationsfilter können sowohl feinere Signalstrukturen als auch größere Signalamplituden auf Land erhalten werden. Im Vergleich zu reinen Filteranwendungen werden hier Gesamtsignalstärke, Amplitude und Phase des jährlichen Signals gut repräsentiert. Darauf aufbauend lassen sich, in Kombination mit atmosphärischen Daten, Abflüsse für die sibirischen Flusssysteme aus GRACE-Wasserspeichervariationen ableiten. Die Validierung der berechneten Abflüsse anhand beobachteter Abflüsse zeigt eine hohe Übereinstimmung von bis zu 83%. Eine Gegenüberstellung des berechneten Abflusses der Lena mit Wasserstandsmessungen im Mündungsbereich zeigt zudem einen Zusammenhang zwischen dem maximalen Abfluss im Frühjahr und einer Zunahme des Wasserstandes in der Laptewsee. / The satellite mission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) observes the earth's gravity field on temporal scales of a few days to several weeks and spatial scales of a few hundred kilometers with high accuracy. A large part of the variations of the gravity field originate from hydrological mass changes on the continents. The dissertation discusses the determination of hydrological mass variations from GRACE for the Siberian water systems of the rivers Ob, Yenisey, Lena and Kolyma. The mass variations from GRACE data are combined with atmospheric data of the NCEP reanalysis to calculate the freshwater fluxes in the Arctic Ocean. The freshwater fluxes strongly influences the salinity and the oceanographic regime of the Arctic Ocean. In turn, the Arctic Ocean controls the global thermohaline circulation which is very important for the global climate. Because these large currents of the ocean influence the global climate, the changes of the freshwater fluxes in the Arctic Ocean are an important factor for the global climate change. The runoff can be measured pointwise with high temporal resolution, but measurements in the high latitudes are difficulty and expensive. Independent methods to measure the mass changes in the Arctic can help to determine the freshwater fluxes on large spatial scales, and contribute to understand the coupled and complex processes of the Arctic. Until present, the complex error structure of the GRACE data are not fully understand. The dissertation examines the errors and analysizes the leakage caused by the limited spectrum of the Stokes coefficients. A proposal for a solution will be discussed. The following steps are important: Expanding the GRACE data with adequate terms of degree one; Valuation of leakage errors because of the limited spectrum. Leakage due to oceanographic signals of the Arctic Ocean are small (< 1%). Leakage errors due to signals on land produces relative errors of basin averages of 8-17%. Beyond that, the largest errors are caused by the coefficients of higher degree. Filtering is an effective method to damp the error signals. In addition to the common filters described in the literature, a filter method, called composite filter, was created. Significant structures from hydrological models can be deteceted in the GRACE data without any other filtering. Only the residual signals should be filtered by using one of the common filters. In comparison to the common filters, the composite filter represents the signal strength, the signal structures, the amplitude and the phase of the saisonal signal on the continents much better. Combining hydrological mass variations from GRACE data with atmospheric data (for example the NCEP reanalysis) the runoff of the four Siberian river systems can be calculated. The validation of the calculated runoff using observations leads to a good agreement (83% for Yenisey and Lena). Furthermore, it is possible to combine the runoff of a river system with measurements of water level and salinity in the Arctic Ocean. The high runoff of the Lena river system in spring is visible in the water level changes in the Laptev sea.

The process based soil erosion simulation model EROSION 3D is applied on regional scale for the federal state of Saxony/Germany. This survey is aimed on modeling soil loss, sediment transport, deposition resp. the input of particle attached nutrient and pollutant input into surface water bodies for 10years storm event and three land use scenarios. The available region-wide geo-data were preprocessed to be used in the parameterization interface DPROC. This software has been extended to parameterize large areas as well as small catchments. The basis of parameterization is a relational data base consisting of measured or estimated specific model soil parameters. These values have been derived by heavy rainfall simulation experiments below field conditions. The data base has been extended by the new results, which cover different soil tillage practices. The new experiments were conducted with a newly developed methodology. The experimental results show a significant relation of soil loss from the mechanical impact due to soil tillage. Only the non-tillage practice is able to protect soils efficiently from erosional soil losses. In order to describe particle attached nutrient and pollutant transport, soil samples were analyzed determining the element content of different particle fractions. The regional scale simulations identify the Saxonian Loess Belt as hotspot of soil erosion. However considerable amounts can also be expected in certain areas of the low mountain range. Particle attached element inputs into surface water bodies correspond to main sediment delivery areas. The amounts of erosional soil losses could be reduced to 90 % in case of consequently and area-wide transformation to conservation tillage practices. The calculated phosphorous inputs into surface waters on catchment scale are proofed to be valid. Compared to empirical based phosphorous and heavy metal yields the results in this study exceed this findings by a wide range. The differences are caused by lacking an event based consideration, which disregards system maximal impacts. Since erosion is an exclusive non continuous process, those maximal impacts are highly relevant and have to be considered in case of planning and execution of erosion and water protection concepts. / In der vorliegenden Arbeit wird das prozessbasierte Erosionsprognosemodell EROSION 3D flächendeckend auf regionaler Ebene für den Freistaat Sachsen angewendet. Ziel der Untersuchungen ist es, Bodenabtrag, Sedimenttransport und -deposition bzw. den Eintrag partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe in Oberflächengewässer für ein 10jähriges Starkniederschlagsereignis und drei verschiedene Landnutzungsszenarien zu beschreiben. Dazu wurden im Vorfeld verfügbare Geo-Basisdaten so aufbereitet, dass sie für die semiautomatische Parametrisierung mit der Software DPROC verwendet werden können. Diese Software wurde so erweitert, dass sowohl größere Einzugsgebiete als auch einzelne Teileinzugsgebiete parametrisiert werden können. Grundlage der Parametrisierung bildet eine relationale Datenbank, die auf Messwerten bzw. davon abgeleiteten Schätzwerten aus Starkregenexperimenten unter Feldbedingungen basiert. Der vorhandene Datenfundus wurde durch neue Ergebnisse zu verschiedenen Verfahren der ackerbaulichen Bodenbearbeitung mittels neu entwickelter Methodik korrigiert und erweitert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Feststoffaustrages von der Eingriffsintensität bei der Bodenbearbeitung. Dabei ist die Direktsaat die einzige Bewirtschaftungsform, die den Boden effektiv vor Erosion schützt. Um den selektiven partikelgebundenen Nähr- und Schadstofftransport prozessbasiert abzuschätzen, wurden die Stoffgehalte für die Partikelfraktionen Sand, Schluff und Ton an Bodenproben bestimmt. Die regionalskalierten Simulationen identifizieren die sächsische Lössregion als Schwerpunkt der Bodenerosion in Sachsen. Beträchtliche Bodenabträge sind darüber hinaus in den sächsischen Mittelgebirgen zu erwarten. Partikelgebundene Stoffeinträge in Oberflächengewässer verteilen sich in Abhängigkeit von den Sedimentliefergebieten. Die Bodenumlagerungsprozesse einschließlich der damit verbundenen partikelgebundenen Stoffeinträge lassen sich bei konsequenter Umstellung auf konservierende Bewirtschaftungsmethoden entsprechend den Modellergebnissen um mehr als 90 % reduzieren. Im Rahmen der Modellvalidierung konnte die Zuverlässigkeit der berechneten Phosphorausträge auf Einzugsgebietsebene belegt werden. Verglichen mit empirisch basierten mittleren jährlichen Abschätzungen sind die in dieser Arbeit berechneten ereignisbezogenen Phosphor- und Schwermetallausträge um ein Vielfaches höher. Zurückzuführen sind diese Unterschiede vor allem darauf, dass bei den rein empirischen Ansätzen, die maximale Belastungsspitzen unberücksichtigt bleiben. Da Erosion stets ein diskontinuierlicher Prozess ist, sind diese Belastungsspitzen im höchsten Maße relevant und bei der Planung und Durchführung von Erosions- und Gewässerschutzkonzepten unbedingt zu berücksichtigen.

The process based soil erosion simulation model EROSION 3D is applied on regional scale for the federal state of Saxony/Germany. This survey is aimed on modeling soil loss, sediment transport, deposition resp. the input of particle attached nutrient and pollutant input into surface water bodies for 10years storm event and three land use scenarios. The available region-wide geo-data were preprocessed to be used in the parameterization interface DPROC. This software has been extended to parameterize large areas as well as small catchments. The basis of parameterization is a relational data base consisting of measured or estimated specific model soil parameters. These values have been derived by heavy rainfall simulation experiments below field conditions. The data base has been extended by the new results, which cover different soil tillage practices. The new experiments were conducted with a newly developed methodology. The experimental results show a significant relation of soil loss from the mechanical impact due to soil tillage. Only the non-tillage practice is able to protect soils efficiently from erosional soil losses. In order to describe particle attached nutrient and pollutant transport, soil samples were analyzed determining the element content of different particle fractions. The regional scale simulations identify the Saxonian Loess Belt as hotspot of soil erosion. However considerable amounts can also be expected in certain areas of the low mountain range. Particle attached element inputs into surface water bodies correspond to main sediment delivery areas. The amounts of erosional soil losses could be reduced to 90 % in case of consequently and area-wide transformation to conservation tillage practices. The calculated phosphorous inputs into surface waters on catchment scale are proofed to be valid. Compared to empirical based phosphorous and heavy metal yields the results in this study exceed this findings by a wide range. The differences are caused by lacking an event based consideration, which disregards system maximal impacts. Since erosion is an exclusive non continuous process, those maximal impacts are highly relevant and have to be considered in case of planning and execution of erosion and water protection concepts.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI Symbole und Einheiten XIII Zusammenfassung XV Abstract XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 1.3 Stand der Forschung 6 1.3.1 Prozesse und Skalen der Bodenerosion 6 1.3.2 Einflussgrößen der Bodenerosion 8 1.3.3 Erosionsschäden 13 1.3.4 Gesetzliche Regelungen zum Erosionsschutz 15 1.3.5 Erosionsmodellierung 16 1.3.6 Niederschlagssimulationen zur Parametererfassung 25 1.3.7 Kornfraktionsspezifische Verteilung partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe 27 2 Material und Methoden 30 2.1 Untersuchungsgebiet 30 2.1.1 Allgemeine Charakteristik 30 2.1.2 Flächennutzung 31 2.1.3 Boden und Relief 31 2.1.4 Gewässer 33 2.1.5 Klima 34 2.1.6 Planungsebenen 34 2.2 Simulationsmodell EROSION 3D 36 2.2.1 Modellgrundlagen 36 2.2.2 Modellalgorithmen 39 2.2.3 Modellparameter 48 2.3 Parametrisierungsinterface DPROC 50 2.3.1 Programmgrundlagen 50 2.3.2 Datenbank 51 2.3.3 Flächenauswahl und Datenzuschnitt 53 2.4 Experimentelle Untersuchungen 56 2.4.1 Untersuchungsstandorte 56 2.4.2 Durchführung von Erosionsexperimenten mit Starkregensimulation 59 2.4.3 Parameterableitung 62 2.4.4 Korrektur- und Erweiterung der DPROC-Datenbank 65 2.5 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer 68 2.5.1 Regionalisierung und Validierung amtlicher Datenquellen 68 2.5.2 Probenahmen und Laboranalysen 68 2.5.3 Bestimmung der kornfraktionsspezifischen Phosphor- und Schwermetallgehalte 70 2.5.4 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer unter Verwendung der Simulationsergebnisse 71 2.6 Statistische Auswertung der experimentellen Daten 73 2.7 GIS-Daten und Datenaufbereitung 74 2.7.1 Reliefdaten 74 2.7.2 Bodendaten 75 2.7.3 Landnutzung und Bodenbearbeitung 75 2.7.4 Niederschlagsdaten 77 2.7.5 Andere Flächendaten 78 2.8 Simulationsrechnungen 79 2.8.1 Aufteilung in Untereinheiten 79 2.8.2 Szenarien 79 2.9 Risikoabschätzung 81 2.9.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 81 2.9.2 Oberflächengewässer 82 2.10 Modellvalidierung 84 2.10.1 Gebietsauswahl und Gebietscharakteristik 84 2.10.2 Datengrundlagen der Modellvalidierung 85 2.10.3 Modellparametrisierung 86 3 Ergebnisse 90 3.1 Experimentelle Ergebnisse 90 3.1.1 Starkregensimulationen 90 3.1.2 Ableitung sachsenweiter kornfraktionsspezifischer Stoffgehalte 91 3.2 Ergebnisse aus GIS-Operationen 98 3.2.1 Reliefdaten 98 3.2.2 Landnutzungsdaten 98 3.2.3 Andere GIS-Daten 99 3.3 Ergebnisse aus Simulationsrechnungen 105 3.3.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 105 3.3.2 Oberflächengewässer 112 3.4 Ergebnisse zur Modellvalidierung 126 3.4.1 Aus Messdaten abgeleitete Ergebnisse 126 3.4.2 Simulationsrechnungen zur Modellvalidierung 130 4 Diskussion 132 4.1 Experimentelle Ergebnisse 132 4.1.1 Messdaten 132 4.1.2 Abgeleitete Daten 135 4.1.3 Zusammenfassende Bewertung der experimentellen Daten 141 4.1.4 Kornfraktionsspezifische Stoffgehalte und -verteilungen 142 4.2 GIS-Daten 145 4.2.1 Reliefdaten 145 4.2.2 Bodendaten 145 4.2.3 Landnutzungsdaten 146 4.2.4 Regionalisierte Stoffgehalte 147 4.3 Weiterentwicklung und Korrektur der DPROC-Datenbank 149 4.4 Modellvalidierung 153 4.5 Simulationsrechnungen 156 4.5.1 Bodenabtrag und Deposition 156 4.5.2 Sediment- und partikelgebundener Stofftransport 163 5 Schlussfolgerung 170 6 Literatur 176 Anhang II A I Erosionsmodelle i A II DPROC-Übersetzungstabellen ii A III GIS-Daten viii A IV Interpolierte Oberboden-Schwermetallgehalte xii A V Daten der Starkregensimulationen xix A VI Elementgehalte der Bodenproben lxi A VII Simulationsrechnungen lxxi / In der vorliegenden Arbeit wird das prozessbasierte Erosionsprognosemodell EROSION 3D flächendeckend auf regionaler Ebene für den Freistaat Sachsen angewendet. Ziel der Untersuchungen ist es, Bodenabtrag, Sedimenttransport und -deposition bzw. den Eintrag partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe in Oberflächengewässer für ein 10jähriges Starkniederschlagsereignis und drei verschiedene Landnutzungsszenarien zu beschreiben. Dazu wurden im Vorfeld verfügbare Geo-Basisdaten so aufbereitet, dass sie für die semiautomatische Parametrisierung mit der Software DPROC verwendet werden können. Diese Software wurde so erweitert, dass sowohl größere Einzugsgebiete als auch einzelne Teileinzugsgebiete parametrisiert werden können. Grundlage der Parametrisierung bildet eine relationale Datenbank, die auf Messwerten bzw. davon abgeleiteten Schätzwerten aus Starkregenexperimenten unter Feldbedingungen basiert. Der vorhandene Datenfundus wurde durch neue Ergebnisse zu verschiedenen Verfahren der ackerbaulichen Bodenbearbeitung mittels neu entwickelter Methodik korrigiert und erweitert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Feststoffaustrages von der Eingriffsintensität bei der Bodenbearbeitung. Dabei ist die Direktsaat die einzige Bewirtschaftungsform, die den Boden effektiv vor Erosion schützt. Um den selektiven partikelgebundenen Nähr- und Schadstofftransport prozessbasiert abzuschätzen, wurden die Stoffgehalte für die Partikelfraktionen Sand, Schluff und Ton an Bodenproben bestimmt. Die regionalskalierten Simulationen identifizieren die sächsische Lössregion als Schwerpunkt der Bodenerosion in Sachsen. Beträchtliche Bodenabträge sind darüber hinaus in den sächsischen Mittelgebirgen zu erwarten. Partikelgebundene Stoffeinträge in Oberflächengewässer verteilen sich in Abhängigkeit von den Sedimentliefergebieten. Die Bodenumlagerungsprozesse einschließlich der damit verbundenen partikelgebundenen Stoffeinträge lassen sich bei konsequenter Umstellung auf konservierende Bewirtschaftungsmethoden entsprechend den Modellergebnissen um mehr als 90 % reduzieren. Im Rahmen der Modellvalidierung konnte die Zuverlässigkeit der berechneten Phosphorausträge auf Einzugsgebietsebene belegt werden. Verglichen mit empirisch basierten mittleren jährlichen Abschätzungen sind die in dieser Arbeit berechneten ereignisbezogenen Phosphor- und Schwermetallausträge um ein Vielfaches höher. Zurückzuführen sind diese Unterschiede vor allem darauf, dass bei den rein empirischen Ansätzen, die maximale Belastungsspitzen unberücksichtigt bleiben. Da Erosion stets ein diskontinuierlicher Prozess ist, sind diese Belastungsspitzen im höchsten Maße relevant und bei der Planung und Durchführung von Erosions- und Gewässerschutzkonzepten unbedingt zu berücksichtigen.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI Symbole und Einheiten XIII Zusammenfassung XV Abstract XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 1.3 Stand der Forschung 6 1.3.1 Prozesse und Skalen der Bodenerosion 6 1.3.2 Einflussgrößen der Bodenerosion 8 1.3.3 Erosionsschäden 13 1.3.4 Gesetzliche Regelungen zum Erosionsschutz 15 1.3.5 Erosionsmodellierung 16 1.3.6 Niederschlagssimulationen zur Parametererfassung 25 1.3.7 Kornfraktionsspezifische Verteilung partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe 27 2 Material und Methoden 30 2.1 Untersuchungsgebiet 30 2.1.1 Allgemeine Charakteristik 30 2.1.2 Flächennutzung 31 2.1.3 Boden und Relief 31 2.1.4 Gewässer 33 2.1.5 Klima 34 2.1.6 Planungsebenen 34 2.2 Simulationsmodell EROSION 3D 36 2.2.1 Modellgrundlagen 36 2.2.2 Modellalgorithmen 39 2.2.3 Modellparameter 48 2.3 Parametrisierungsinterface DPROC 50 2.3.1 Programmgrundlagen 50 2.3.2 Datenbank 51 2.3.3 Flächenauswahl und Datenzuschnitt 53 2.4 Experimentelle Untersuchungen 56 2.4.1 Untersuchungsstandorte 56 2.4.2 Durchführung von Erosionsexperimenten mit Starkregensimulation 59 2.4.3 Parameterableitung 62 2.4.4 Korrektur- und Erweiterung der DPROC-Datenbank 65 2.5 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer 68 2.5.1 Regionalisierung und Validierung amtlicher Datenquellen 68 2.5.2 Probenahmen und Laboranalysen 68 2.5.3 Bestimmung der kornfraktionsspezifischen Phosphor- und Schwermetallgehalte 70 2.5.4 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer unter Verwendung der Simulationsergebnisse 71 2.6 Statistische Auswertung der experimentellen Daten 73 2.7 GIS-Daten und Datenaufbereitung 74 2.7.1 Reliefdaten 74 2.7.2 Bodendaten 75 2.7.3 Landnutzung und Bodenbearbeitung 75 2.7.4 Niederschlagsdaten 77 2.7.5 Andere Flächendaten 78 2.8 Simulationsrechnungen 79 2.8.1 Aufteilung in Untereinheiten 79 2.8.2 Szenarien 79 2.9 Risikoabschätzung 81 2.9.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 81 2.9.2 Oberflächengewässer 82 2.10 Modellvalidierung 84 2.10.1 Gebietsauswahl und Gebietscharakteristik 84 2.10.2 Datengrundlagen der Modellvalidierung 85 2.10.3 Modellparametrisierung 86 3 Ergebnisse 90 3.1 Experimentelle Ergebnisse 90 3.1.1 Starkregensimulationen 90 3.1.2 Ableitung sachsenweiter kornfraktionsspezifischer Stoffgehalte 91 3.2 Ergebnisse aus GIS-Operationen 98 3.2.1 Reliefdaten 98 3.2.2 Landnutzungsdaten 98 3.2.3 Andere GIS-Daten 99 3.3 Ergebnisse aus Simulationsrechnungen 105 3.3.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 105 3.3.2 Oberflächengewässer 112 3.4 Ergebnisse zur Modellvalidierung 126 3.4.1 Aus Messdaten abgeleitete Ergebnisse 126 3.4.2 Simulationsrechnungen zur Modellvalidierung 130 4 Diskussion 132 4.1 Experimentelle Ergebnisse 132 4.1.1 Messdaten 132 4.1.2 Abgeleitete Daten 135 4.1.3 Zusammenfassende Bewertung der experimentellen Daten 141 4.1.4 Kornfraktionsspezifische Stoffgehalte und -verteilungen 142 4.2 GIS-Daten 145 4.2.1 Reliefdaten 145 4.2.2 Bodendaten 145 4.2.3 Landnutzungsdaten 146 4.2.4 Regionalisierte Stoffgehalte 147 4.3 Weiterentwicklung und Korrektur der DPROC-Datenbank 149 4.4 Modellvalidierung 153 4.5 Simulationsrechnungen 156 4.5.1 Bodenabtrag und Deposition 156 4.5.2 Sediment- und partikelgebundener Stofftransport 163 5 Schlussfolgerung 170 6 Literatur 176 Anhang II A I Erosionsmodelle i A II DPROC-Übersetzungstabellen ii A III GIS-Daten viii A IV Interpolierte Oberboden-Schwermetallgehalte xii A V Daten der Starkregensimulationen xix A VI Elementgehalte der Bodenproben lxi A VII Simulationsrechnungen lxxi

Semi-arid areas are, due to their climatic setting, characterized by small water resources. An increasing water demand as a consequence of population growth and economic development as well as a decreasing water availability in the course of possible climate change may aggravate water scarcity in future, which often exists already for present-day conditions in these areas. Understanding the mechanisms and feedbacks of complex natural and human systems, together with the quantitative assessment of future changes in volume, timing and quality of water resources are a prerequisite for the development of sustainable measures of water management to enhance the adaptive capacity of these regions. For this task, dynamic integrated models, containing a hydrological model as one component, are indispensable tools.<br /> The main objective of this study is to develop a hydrological model for the quantification of water availability in view of environmental change over a large geographic domain of semi-arid environments.<br /> The study area is the Federal State of Ceará (150 000 km2) in the semi-arid north-east of Brazil. Mean annual precipitation in this area is 850 mm, falling in a rainy season with duration of about five months. Being mainly characterized by crystalline bedrock and shallow soils, surface water provides the largest part of the water supply. The area has recurrently been affected by droughts which caused serious economic losses and social impacts like migration from the rural regions. <br /> The hydrological model Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) developed in this study is a deterministic, spatially distributed model being composed of conceptual, process-based approaches. Water availability (river discharge, storage volumes in reservoirs, soil moisture) is determined with daily resolution. Sub-basins, grid cells or administrative units (municipalities) can be chosen as spatial target units. The administrative units enable the coupling of Wasa in the framework of an integrated model which contains modules that do not work on the basis of natural spatial units.<br /> The target units mentioned above are disaggregated in Wasa into smaller modelling units within a new multi-scale, hierarchical approach. The landscape units defined in this scheme capture in particular the effect of structured variability of terrain, soil and vegetation characteristics along toposequences on soil moisture and runoff generation. Lateral hydrological processes at the hillslope scale, as reinfiltration of surface runoff, being of particular importance in semi-arid environments, can thus be represented also within the large-scale model in a simplified form. Depending on the resolution of available data, small-scale variability is not represented explicitly with geographic reference in Wasa, but by the distribution of sub-scale units and by statistical transition frequencies for lateral fluxes between these units.<br /> Further model components of Wasa which respect specific features of semi-arid hydrology are: <br /> (1) A two-layer model for evapotranspiration comprises energy transfer at the soil surface (including soil evaporation), which is of importance in view of the mainly sparse vegetation cover. Additionally, vegetation parameters are differentiated in space and time in dependence on the occurrence of the rainy season. <br /> (2) The infiltration module represents in particular infiltration-excess surface runoff as the dominant runoff component. <br /> (3) For the aggregate description of the water balance of reservoirs that cannot be represented explicitly in the model, a storage approach respecting different reservoirs size classes and their interaction via the river network is applied. <br /> (4) A model for the quantification of water withdrawal by water use in different sectors is coupled to Wasa. <br /> (5) A cascade model for the temporal disaggregation of precipitation time series, adapted to the specific characteristics of tropical convective rainfall, is applied for the generating rainfall time series of higher temporal resolution.<br /> All model parameters of Wasa can be derived from physiographic information of the study area. Thus, model calibration is primarily not required.<br /> Model applications of Wasa for historical time series generally results in a good model performance when comparing the simulation results of river discharge and reservoir storage volumes with observed data for river basins of various sizes. The mean water balance as well as the high interannual and intra-annual variability is reasonably represented by the model. Limitations of the modelling concept are most markedly seen for sub-basins with a runoff component from deep groundwater bodies of which the dynamics cannot be satisfactorily represented without calibration.<br /> Further results of model applications are:<br /> (1) Lateral processes of redistribution of runoff and soil moisture at the hillslope scale, in particular reinfiltration of surface runoff, lead to markedly smaller discharge volumes at the basin scale than the simple sum of runoff of the individual sub-areas. Thus, these processes are to be captured also in large-scale models. The different relevance of these processes for different conditions is demonstrated by a larger percentage decrease of discharge volumes in dry as compared to wet years.<br /> (2) Precipitation characteristics have a major impact on the hydrological response of semi-arid environments. In particular, underestimated rainfall intensities in the rainfall input due to the rough temporal resolution of the model and due to interpolation effects and, consequently, underestimated runoff volumes have to be compensated in the model. A scaling factor in the infiltration module or the use of disaggregated hourly rainfall data show good results in this respect.<br /> The simulation results of Wasa are characterized by large uncertainties. These are, on the one hand, due to uncertainties of the model structure to adequately represent the relevant hydrological processes. On the other hand, they are due to uncertainties of input data and parameters particularly in view of the low data availability. Of major importance is:<br /> (1) The uncertainty of rainfall data with regard to their spatial and temporal pattern has, due to the strong non-linear hydrological response, a large impact on the simulation results.<br /> (2) The uncertainty of soil parameters is in general of larger importance on model uncertainty than uncertainty of vegetation or topographic parameters.<br /> (3) The effect of uncertainty of individual model components or parameters is usually different for years with rainfall volumes being above or below the average, because individual hydrological processes are of different relevance in both cases. Thus, the uncertainty of individual model components or parameters is of different importance for the uncertainty of scenario simulations with increasing or decreasing precipitation trends.<br /> (4) The most important factor of uncertainty for scenarios of water availability in the study area is the uncertainty in the results of global climate models on which the regional climate scenarios are based. Both a marked increase or a decrease in precipitation can be assumed for the given data.<br /> Results of model simulations for climate scenarios until the year 2050 show that a possible future change in precipitation volumes causes a larger percentage change in runoff volumes by a factor of two to three. In the case of a decreasing precipitation trend, the efficiency of new reservoirs for securing water availability tends to decrease in the study area because of the interaction of the large number of reservoirs in retaining the overall decreasing runoff volumes. / Semiaride Gebiete sind auf Grund der klimatischen Bedingungen durch geringe Wasserressourcen gekennzeichnet. Ein zukünftig steigender Wasserbedarf in Folge von Bevölkerungswachstum und ökonomischer Entwicklung sowie eine geringere Wasserverfügbarkeit durch mögliche Klimaänderungen können dort zu einer Verschärfung der vielfach schon heute auftretenden Wasserknappheit führen. Das Verständnis der Mechanismen und Wechselwirkungen des komplexen Systems von Mensch und Umwelt sowie die quantitative Bestimmung zukünftiger Veränderungen in der Menge, der zeitlichen Verteilung und der Qualität von Wasserressourcen sind eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung von nachhaltigen Maßnahmen des Wassermanagements mit dem Ziel einer höheren Anpassungsfähigkeit dieser Regionen gegenüber künftigen Änderungen. Hierzu sind dynamische integrierte Modelle unerlässlich, die als eine Komponente ein hydrologisches Modell beinhalten. <br /> Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist daher die Erstellung eines hydrologischen Modells zur großräumigen Bestimmung der Wasserverfügbarkeit unter sich ändernden Umweltbedingungen in semiariden Gebieten.<br /> Als Untersuchungsraum dient der im semiariden tropischen Nordosten Brasiliens gelegene Bundestaat Ceará (150 000 km2). Die mittleren Jahresniederschläge in diesem Gebiet liegen bei 850 mm innerhalb einer etwa fünfmonatigen Regenzeit. Mit vorwiegend kristallinem Grundgebirge und geringmächtigen Böden stellt Oberflächenwasser den größten Teil der Wasserversorgung bereit. Die Region war wiederholt von Dürren betroffen, die zu schweren ökonomischen Schäden und sozialen Folgen wie Migration aus den ländlichen Gebieten geführt haben. <br /> Das hier entwickelte hydrologische Modell Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) ist ein deterministisches, flächendifferenziertes Modell, das aus konzeptionellen, prozess-basierten Ansätzen aufgebaut ist. Die Wasserverfügbarkeit (Abfluss im Gewässernetz, Speicherung in Stauseen, Bodenfeuchte) wird mit täglicher Auflösung bestimmt. Als räumliche Zieleinheiten können Teileinzugsgebiete, Rasterzellen oder administrative Einheiten (Gemeinden) gewählt werden. Letztere ermöglichen die Kopplung des Modells im Rahmen der integrierten Modellierung mit Modulen, die nicht auf der Basis natürlicher Raumeinheiten arbeiten.<br /> Im Rahmen eines neuen skalenübergreifenden, hierarchischen Ansatzes werden in Wasa die genannten Zieleinheiten in kleinere räumliche Modellierungseinheiten unterteilt. Die ausgewiesenen Landschaftseinheiten erfassen insbesondere die strukturierte Variabilität von Gelände-, Boden- und Vegetationseigenschaften entlang von Toposequenzen in ihrem Einfluss auf Bodenfeuchte und Abflussbildung. Laterale hydrologische Prozesse auf kleiner Skala, wie die für semiaride Bedingungen bedeutsame Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, können somit auch in der erforderlichen großskaligen Modellanwendung vereinfacht wiedergegeben werden. In Abhängigkeit von der Auflösung der verfügbaren Daten wird in Wasa die kleinskalige Variabilität nicht räumlich explizit sondern über die Verteilung von Flächenanteilen subskaliger Einheiten und über statistische Übergangshäufigkeiten für laterale Flüsse zwischen den Einheiten berücksichtigt.<br /> Weitere Modellkomponenten von Wasa, die spezifische Bedingungen semiarider Gebiete berücksichtigen, sind: <br /> (1) Ein Zwei-Schichten-Modell zur Bestimmung der Evapotranspiration berücksichtigt auch den Energieumsatz an der Bodenoberfläche (inklusive Bodenverdunstung), der in Anbetracht der meist lichten Vegetationsbedeckung von Bedeutung ist. Die Vegetationsparameter werden zudem flächen- und zeitdifferenziert in Abhängigkeit vom Auftreten der Regenzeit modifiziert. <br /> (2) Das Infiltrationsmodul bildet insbesondere Oberflächenabfluss durch Infiltrationsüberschuss als dominierender Abflusskomponente ab. <br /> (3) Zur aggregierten Beschreibung der Wasserbilanz von im Modell nicht einzeln erfassbaren Stauseen wird ein Speichermodell unter Berücksichtigung verschiedener Größenklassen und ihrer Interaktion über das Gewässernetz eingesetzt. <br /> (4) Ein Modell zur Bestimmung der Entnahme durch Wassernutzung in verschiedenen Sektoren ist an Wasa gekoppelt. <br /> (5) Ein Kaskadenmodell zur zeitlichen Disaggregierung von Niederschlagszeitreihen, das in dieser Arbeit speziell für tropische konvektive Niederschlagseigenschaften angepasst wird, wird zur Erzeugung höher aufgelöster Niederschlagsdaten verwendet.<br /> Alle Modellparameter von Wasa können von physiographischen Gebietsinformationen abgeleitet werden, sodass eine Modellkalibrierung primär nicht erforderlich ist. <br /> Die Modellanwendung von Wasa für historische Zeitreihen ergibt im Allgemeinen eine gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse für Abfluss und Stauseespeichervolumen mit Beobachtungsdaten in unterschiedlich großen Einzugsgebieten. Die mittlere Wasserbilanz sowie die hohe monatliche und jährliche Variabilität wird vom Modell angemessen wiedergegeben. Die Grenzen der Anwendbarkeit des Modell-konzepts zeigen sich am deutlichsten in Teilgebieten mit Abflusskomponenten aus tieferen Grundwasserleitern, deren Dynamik ohne Kalibrierung nicht zufriedenstellend abgebildet werden kann.<br /> Die Modellanwendungen zeigen weiterhin:<br /> (1) Laterale Prozesse der Umverteilung von Bodenfeuchte und Abfluss auf der Hangskala, vor allem die Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, führen auf der Skala von Einzugsgebieten zu deutlich kleineren Abflussvolumen als die einfache Summe der Abflüsse der Teilflächen. Diese Prozesse sollten daher auch in großskaligen Modellen abgebildet werden. Die unterschiedliche Ausprägung dieser Prozesse für unterschiedliche Bedingungen zeigt sich an Hand einer prozentual größeren Verringerung der Abflussvolumen in trockenen im Vergleich zu feuchten Jahren.<br /> (2) Die Niederschlagseigenschaften haben einen sehr großen Einfluss auf die hydrologische Reaktion in semiariden Gebieten. Insbesondere die durch die grobe zeitliche Auflösung des Modells und durch Interpolationseffekte unterschätzten Niederschlagsintensitäten in den Eingangsdaten und die daraus folgende Unterschätzung von Abflussvolumen müssen im Modell kompensiert werden. Ein Skalierungsfaktor in der Infiltrationsroutine oder die Verwendung disaggregierter stündlicher Niederschlagsdaten zeigen hier gute Ergebnisse.<br /> Die Simulationsergebnisse mit Wasa sind insgesamt durch große Unsicherheiten gekennzeichnet. Diese sind einerseits in Unsicherheiten der Modellstruktur zur adäquaten Beschreibung der relevanten hydrologischen Prozesse begründet, andererseits in Daten- und Parametersunsicherheiten in Anbetracht der geringen Datenverfügbarkeit. Von besonderer Bedeutung ist: <br /> (1) Die Unsicherheit der Niederschlagsdaten in ihrem räumlichen Muster und ihrer zeitlichen Struktur hat wegen der stark nicht-linearen hydrologischen Reaktion einen großen Einfluss auf die Simulationsergebnisse.<br /> (2) Die Unsicherheit von Bodenparametern hat im Vergleich zu Vegetationsparametern und topographischen Parametern im Allgemeinen einen größeren Einfluss auf die Modellunsicherheit.<br /> (3) Der Effekt der Unsicherheit einzelner Modellkomponenten und -parameter ist für Jahre mit unter- oder überdurchschnittlichen Niederschlagsvolumen zumeist unterschiedlich, da einzelne hydrologische Prozesse dann jeweils unterschiedlich relevant sind. Die Unsicherheit einzelner Modellkomponenten- und parameter hat somit eine unterschiedliche Bedeutung für die Unsicherheit von Szenarienrechnungen mit steigenden oder fallenden Niederschlagstrends.<br /> (4) Der bedeutendste Unsicherheitsfaktor für Szenarien der Wasserverfügbarkeit für die Untersuchungsregion ist die Unsicherheit der den regionalen Klimaszenarien zu Grunde liegenden Ergebnisse globaler Klimamodelle. Eine deutliche Zunahme oder Abnahme der Niederschläge bis 2050 kann gemäß den hier vorliegenden Daten für das Untersuchungsgebiet gleichermaßen angenommen werden.<br /> Modellsimulationen für Klimaszenarien bis zum Jahr 2050 ergeben, dass eine mögliche zukünftige Veränderung der Niederschlagsmengen zu einer prozentual zwei- bis dreifach größeren Veränderung der Abflussvolumen führt. Im Falle eines Trends von abnehmenden Niederschlagsmengen besteht in der Untersuchungsregion die Tendenz, dass auf Grund der gegenseitigen Beeinflussung der großen Zahl von Stauseen beim Rückhalt der tendenziell abnehmenden Abflussvolumen die Effizienz von neugebauten Stauseen zur Sicherung der Wasserverfügbarkeit zunehmend geringer wird.

Der Einfluss bodenspezifischer Größen auf die Rillenerosion wurde in Überströmungsversuchen in einem eigens dafür konstruiertem Kleingerinne untersucht. Die Neigung des 2 m langen und 0,1 m breiten Gerinnes wurde dafür zwischen 2, 4 und 6 % variiert. Im Gerinne wurden zum einen natürliche Böden, zum anderen künstliche, aus Schluff und Sand gemischte Substrate mit 0,060 l*s-1, 0,125 l*s-1 und 0,300 l*s-1 überströmt. Die Körnung der natürlichen Böden reichte von stark schluffig bis sandig-lehmig, die der künstlichen Substrate von stark schluffig bis sandig. Die künstlichen Substrate wiesen im Gegensatz zu den natürlichen Böden keine Aggregierung auf und waren frei von organischer Substanz. Zu Beginn der Versuche wird der Boden zunächst flächig überströmt. Währenddessen bilden sich Mikrorillen auf der Gerinnesohle aus. Selektiver Sedimenttransport bewirkt die Akkumulation der nicht transportablen Fraktion auf der Bodenoberfläche, wodurch sich Rippel bilden. Über den Rippeln formen sich stehende Wellen im Abfluss. Die stehenden Wellen erzeugen Sohlschubspannungsspitzen auf die Gerinnesohle, welche zu verstärkter lokaler Erosion, zur Ausbildung von Mikrodepressionen und im weiteren zur Entstehung von Rillenköpfen führen. Die Rillenköpfe wandern entgegen dem Gefälle und hinterlassen Rillen, in denen sich der Abfluss konzentriert. In den Rillen können weitere Rillenköpfe entstehen. Anhand des Beginns der Rillenerosion, der Rillenkopfneubildungsrate, dem Erosionsfortschritt der Rillenköpfe, der Bestandsdauer der Rillenköpfe und der Sedimentkonzentration im Abfluss kann das Phänomen „Rillenerosion“ erfasst und quantifiziert werden. Diese erosionsspezifischen Kennwerte zeigen sich dabei in Abhängigkeit von bodenspezifischen Größen, wie der Lagerungsdichte, der Korngrößenzusammensetzung sowie der Aggregatgrößenverteilung und –stabilität. Aus den Korrelationsanalysen zwischen den bodenspezifischen Größen und den spezifischen Kennwerten der Rillenerosion leiten sich empirische Beziehungen ab. Diese Beziehungen sind nicht-linearerer und nicht-stetiger Natur. Parallel zu den Versuchen im Kleingerinne wurden Überströmungs- und Beregnungsversuche in einem Großgerinne durchgeführt. Die Projektion der laborativen Ergebnisse des Kleingerinnes auf das naturnahere Großgerinne zeigte dabei Parallelen.

Evapotranspiration ET is a dominant Earth System process that couples the water and energy cycles at the earth surface. The pressure of global environmental changes foster the broad scientific aim to understand impacts of climate and land-use on evapotranspiration under transient conditions. In this work, the spatial scale of river catchments is addressed through data analysis of hydrological and meteorological archives with ET classically derived through water balance closure. Through a synthesis of various catchments with different climatic forcings and hydrological conditions, the core objectives of this thesis are: - Did environmental changes in the past, such as climatic- or land-use and land cover (LULC) changes, result in detectable non-stationary changes in the hydro-climate time series? - How can the impacts of climatic- from LULC changes on the hydroclimatology of catchments be separated? - What are the factors that control the sensitivity of ET and streamflow to external changes? These research questions are addressed for the climatic scales of long-term annual averages and seasonal conditions which characterise the hydroclimatology of river catchments. Illustrated by a rich hydro-climatic archive condensed for 27 small to medium sized river catchments in Saxony, a method is proposed to analyse the seasonal features of river flow allowing to detect shifting seasons in snow affected river basins in the last 90 years. Observations of snow depth at these same times lead to the conclusion, that changes in the annual cycle of air temperature have a large influence on the timing of the freeze-thaw in late winter and early spring. This causes large changes in storage of water in the snow pack, which leads to profound changes of the river regime, particularly affecting the river flow in the following months. A model-based data analysis, based on the fundamental principles of water and energy conservation for long-term average conditions, is proposed for the prediction of ET and streamflow, as well as the separation of climate related impacts from impacts resulting from changes in basin conditions. The framework was tested on a large data set of river catchments in the continental US and is shown to be consistent with other methods proposed in the literature. The observed past changes highlight that (i) changes in climate, such as precipitation or evaporative demand, result in changes of the partitioning within the water and energy balance, (ii) the aridity of the climate and to a lesser degree basin conditions determine the sensitivity to external changes, (iii) these controlling factors influence the direction of LULC change impacts, which in some cases can be larger than climate impacts. This work provides evidence, that changes in climatic and land cover conditions can lead to transient hydrological behaviours and make stationary assumptions invalid. Hence, past changes present the opportunity for model testing and thereby deriving fundamental laws and concepts at the scale of interest, which are not affected by changes in the boundary conditions. / Die Verdunstung ist ein maßgeblicher Prozess innerhalb des Klimasystems der Erde, welche den Wasserkreislauf mit dem Energiehaushalt der Erde verbindet. Eine zentrale wissenschaftliche Herausforderung ist, zu verstehen, wie die regionale Wasserverfügbarkeit durch Änderungen des Klimas oder der physiographischen Eigenschaften der Landoberfläche beeinflusst wird. Mittels einer integrierten Datenanalyse von vorhandenen langjährigen Archiven hydroklimatischer Zeitreihen werden die folgenden wissenschaftlichen Fragestellungen dieser Dissertation diskutiert: - Haben beobachtete Änderungen der Landoberfläche und des Klimas zu nachweisbaren, instationären hydroklimatischen Änderungen geführt? - Lassen sich die hydroklimatischen Auswirkungen von Klimaänderungen und Änderungen der Landoberfläche voneinander unterscheiden? - Welche Faktoren beeinflussen die Sensitivität von Abfluss und Verdunstung auf Veränderungen der klimatischen und physiographischen Randbedingungen? Hierbei fokussiert sich die Arbeit auf Änderungen im langjährige Mittel und im Jahresgang von hydroklimatischen Variablen auf der räumlichen Skala von Flusseinzugsgebieten. Zur Untersuchung des hydrologischen Regimes wurde ein harmonischer Filter angewandt, der es erlaubt, die Eintrittszeit des Jahresgangs (Phase) zu quantifizieren. Diese klimatologische Kenngröße wurde für eine Vielzahl von Einzugsgebieten in Sachsen untersucht, wobei sich vor allem für die Gebiete in den Kammlagen des Erzgebirges signifikante Veränderungen ergaben. Es konnte gezeigt werden, dass die signifikante Phasenverschiebung der Temperatur seit Ende der 1980er Jahre zu einer verfrühten Schneeschmelze und dadurch zu einem Rückgang des Abflusses bis in die Sommermonate hinein geführt hat. Desweiteren wurde eine modellbasierte Datenanalyse entwickelt, welche auf Massen- und Energieerhalt von Einzugsgebieten im langjährigen Mittel beruht. Das entwickelte Konzept erlaubt es, Auswirkungen von Klimaänderungen von anderen Effekten, welche z.B. durch Landnutzungsänderungen bedingt sind, abzugrenzen und zu quantifizieren. Die Ergebnisse einer Sensitivitätsanalyse dieses Konzeptes sowie die Anwendung auf einen umfangreichen hydroklimatischen Datensatz der USA zeigen: (i) Veränderungen im Wasser- oder Energiedargebot beeinflussen auch die Aufteilung der Wasser- und Energieflüsse. (ii) Die Aridität des Klimas und nachgeordnet die physiographischen Faktoren bestimmen die Sensitivität von Verdunstung und Abfluss. (iii) Beide Faktoren beeinflussen die Stärke und Richtung der Auswirkungen von physiographischen Änderungen. (iv) Anthropogene Veränderungen der Landoberfläche führten zum Teil zu stärkeren Auswirkungen als klimatisch bedingte Änderungen. Zusammenfassend zeigt sich, dass Änderungen von Landnutzung und Klima zu Verschiebungen im Wasserhaushalt führen können und damit auch die Annahme von Stationarität verletzen. Hydroklimatische Veränderungen bieten aber auch eine Gelegenheit zum Testen von Theorien und Modellen, um somit die grundlegenden Zusammenhänge zu erkennen, welche nicht durch Änderungen der Randbedingungen hinfällig werden.

Evapotranspiration ET is a dominant Earth System process that couples the water and energy cycles at the earth surface. The pressure of global environmental changes foster the broad scientific aim to understand impacts of climate and land-use on evapotranspiration under transient conditions. In this work, the spatial scale of river catchments is addressed through data analysis of hydrological and meteorological archives with ET classically derived through water balance closure. Through a synthesis of various catchments with different climatic forcings and hydrological conditions, the core objectives of this thesis are: - Did environmental changes in the past, such as climatic- or land-use and land cover (LULC) changes, result in detectable non-stationary changes in the hydro-climate time series? - How can the impacts of climatic- from LULC changes on the hydroclimatology of catchments be separated? - What are the factors that control the sensitivity of ET and streamflow to external changes? These research questions are addressed for the climatic scales of long-term annual averages and seasonal conditions which characterise the hydroclimatology of river catchments. Illustrated by a rich hydro-climatic archive condensed for 27 small to medium sized river catchments in Saxony, a method is proposed to analyse the seasonal features of river flow allowing to detect shifting seasons in snow affected river basins in the last 90 years. Observations of snow depth at these same times lead to the conclusion, that changes in the annual cycle of air temperature have a large influence on the timing of the freeze-thaw in late winter and early spring. This causes large changes in storage of water in the snow pack, which leads to profound changes of the river regime, particularly affecting the river flow in the following months. A model-based data analysis, based on the fundamental principles of water and energy conservation for long-term average conditions, is proposed for the prediction of ET and streamflow, as well as the separation of climate related impacts from impacts resulting from changes in basin conditions. The framework was tested on a large data set of river catchments in the continental US and is shown to be consistent with other methods proposed in the literature. The observed past changes highlight that (i) changes in climate, such as precipitation or evaporative demand, result in changes of the partitioning within the water and energy balance, (ii) the aridity of the climate and to a lesser degree basin conditions determine the sensitivity to external changes, (iii) these controlling factors influence the direction of LULC change impacts, which in some cases can be larger than climate impacts. This work provides evidence, that changes in climatic and land cover conditions can lead to transient hydrological behaviours and make stationary assumptions invalid. Hence, past changes present the opportunity for model testing and thereby deriving fundamental laws and concepts at the scale of interest, which are not affected by changes in the boundary conditions.:Kurzfassung Abstract List of Manuscripts Symbols and abbreviations List of Symbols List of abbreviations 1 Introduction 1.1 Motivation and relevance 1.1.1 Scientific importance of evapotranspiration 1.1.2 Pressure of human driven changes 1.1.3 Practical importance of evapotranspiration 1.2 Scope 1.2.1 Focus on the catchment scale 1.2.2 Changes in the hydroclimatology of river catchments 1.2.3 Hydro-climate data analysis 1.3 Objectives and research questions 1.3.1 Shifting seasons in hydrology 1.3.2 Long-term annual average changes of evapotranspiration and streamflow 1.3.3 Methodological requirements 1.4 Structure of the thesis 2 Long term variability of the annual hydrological regime 2.1 Introduction 2.1.1 Motivation 2.1.2 Seasonal changes in hydrologic records 2.1.3 Regional climate in Saxony 2.1.4 Objective and structure 2.2 Methods 2.2.1 Annual periodic signal extraction 2.2.2 The runoff ratio and its annual phase 2.2.3 Descriptive circular statistics 2.2.4 Detection of nonstationarities, trends and change points 2.3 Data 2.4.1 Estimation and variability of the timing of the runoff ratio 2.4.2 Temporal variability of the timing 2.4.3 Does temperature explain trends in seasonality of runoff ratio? 2.4.4 Trend analysis in snow dominated basins 2.4.5 Uncertainty and significance of the results 2.5 Conclusions 2.A Preparation of basin input data 2.A.1 Precipitation 2.A.2 Temperature and snow depth data 3 Evaluation of water-energy balance frameworks 3.1 Introduction 3.2 Theory 3.2.1 Coupled water and energy balance 3.2.2 The ecohydrologic framework for change attribution 3.2.3 Applying the climate change hypothesis to predict changes in basin evapo transpiration and streamflow 3.2.4 Derivation of climatic sensitivity using the CCUW hypothesis 3.2.5 The Budyko hypothesis and derived sensitivities 3.3 Sensitivity analysis 3.3.1 Mapping of the Budyko functions into UW space 3.3.2 Mapping CCUW into Budyko space 3.3.3 Climatic sensitivity of basin evapotranspiration and streamflow 3.3.4 Climate-vegetation feedback effects 3.4 Application: three case studies 3.4.1 Mississippi River Basin (MRB) 3.4.2 Headwaters of the Yellow River Basin (HYRB) 3.4.3 Murray-Darling River Basin (MDB) 3.5 Conclusions 3.5.1 Potentials and limitations 3.5.2 Insights on the catchment parameter 3.5.3 Validation 3.5.4 Perspectives 3.A Derivation of the climate change direction 4 Climate sensitivity of streamflow over the continental United States 4.1 Introduction 4.1.1 Motivation 4.1.2 Hydro-climate of the continental US 4.1.3 Aims and research questions 4.2 Methods 4.2.1 Ecohydrological concept to separate impacts of climate and basin changes 4.2.2 Streamflow change prediction based on a coupled water-energy balance framework 4.2.3 Streamflow change prediction based on the Budyko hypothesis 4.2.4 Statistical classification of potential climate and basin change impacts 4.3 Data 4.4 Results and discussion 4.4.1 Hydro-climate conditions in the US 4.4.2 Climate sensitivity of streamflow 4.4.3 Assessment of observed and predicted changes in streamflow 4.4.4 Uncertainty discussion 4.5 Conclusions 4.A Mathematical derivations for the Mezentsev function 5 Summary and conclusions 5.1 Shifting seasons in hydrology 5.1.1 Major findings 5.1.2 Socio-economic and political relevance 5.1.3 Limitations and possible directions for further research 5.2 Long-term annual changes in ET and streamflow 5.2.1 Major findings 5.2.2 Socio-economic and political relevance 5.2.3 Limitations and further research 5.3 General conclusions and outlook 5.3.1 Regional and temporal limits and validity 5.3.2 Hydrological records carry signals of climate and land use change 5.3.3 Statistical significance of past changes 5.3.4 Improvements in assessing ET 5.3.5 Remote sensing 5.3.6 Learning from the past to predict the future? Bibliography Danksagung Erklärung / Die Verdunstung ist ein maßgeblicher Prozess innerhalb des Klimasystems der Erde, welche den Wasserkreislauf mit dem Energiehaushalt der Erde verbindet. Eine zentrale wissenschaftliche Herausforderung ist, zu verstehen, wie die regionale Wasserverfügbarkeit durch Änderungen des Klimas oder der physiographischen Eigenschaften der Landoberfläche beeinflusst wird. Mittels einer integrierten Datenanalyse von vorhandenen langjährigen Archiven hydroklimatischer Zeitreihen werden die folgenden wissenschaftlichen Fragestellungen dieser Dissertation diskutiert: - Haben beobachtete Änderungen der Landoberfläche und des Klimas zu nachweisbaren, instationären hydroklimatischen Änderungen geführt? - Lassen sich die hydroklimatischen Auswirkungen von Klimaänderungen und Änderungen der Landoberfläche voneinander unterscheiden? - Welche Faktoren beeinflussen die Sensitivität von Abfluss und Verdunstung auf Veränderungen der klimatischen und physiographischen Randbedingungen? Hierbei fokussiert sich die Arbeit auf Änderungen im langjährige Mittel und im Jahresgang von hydroklimatischen Variablen auf der räumlichen Skala von Flusseinzugsgebieten. Zur Untersuchung des hydrologischen Regimes wurde ein harmonischer Filter angewandt, der es erlaubt, die Eintrittszeit des Jahresgangs (Phase) zu quantifizieren. Diese klimatologische Kenngröße wurde für eine Vielzahl von Einzugsgebieten in Sachsen untersucht, wobei sich vor allem für die Gebiete in den Kammlagen des Erzgebirges signifikante Veränderungen ergaben. Es konnte gezeigt werden, dass die signifikante Phasenverschiebung der Temperatur seit Ende der 1980er Jahre zu einer verfrühten Schneeschmelze und dadurch zu einem Rückgang des Abflusses bis in die Sommermonate hinein geführt hat. Desweiteren wurde eine modellbasierte Datenanalyse entwickelt, welche auf Massen- und Energieerhalt von Einzugsgebieten im langjährigen Mittel beruht. Das entwickelte Konzept erlaubt es, Auswirkungen von Klimaänderungen von anderen Effekten, welche z.B. durch Landnutzungsänderungen bedingt sind, abzugrenzen und zu quantifizieren. Die Ergebnisse einer Sensitivitätsanalyse dieses Konzeptes sowie die Anwendung auf einen umfangreichen hydroklimatischen Datensatz der USA zeigen: (i) Veränderungen im Wasser- oder Energiedargebot beeinflussen auch die Aufteilung der Wasser- und Energieflüsse. (ii) Die Aridität des Klimas und nachgeordnet die physiographischen Faktoren bestimmen die Sensitivität von Verdunstung und Abfluss. (iii) Beide Faktoren beeinflussen die Stärke und Richtung der Auswirkungen von physiographischen Änderungen. (iv) Anthropogene Veränderungen der Landoberfläche führten zum Teil zu stärkeren Auswirkungen als klimatisch bedingte Änderungen. Zusammenfassend zeigt sich, dass Änderungen von Landnutzung und Klima zu Verschiebungen im Wasserhaushalt führen können und damit auch die Annahme von Stationarität verletzen. Hydroklimatische Veränderungen bieten aber auch eine Gelegenheit zum Testen von Theorien und Modellen, um somit die grundlegenden Zusammenhänge zu erkennen, welche nicht durch Änderungen der Randbedingungen hinfällig werden.:Kurzfassung Abstract List of Manuscripts Symbols and abbreviations List of Symbols List of abbreviations 1 Introduction 1.1 Motivation and relevance 1.1.1 Scientific importance of evapotranspiration 1.1.2 Pressure of human driven changes 1.1.3 Practical importance of evapotranspiration 1.2 Scope 1.2.1 Focus on the catchment scale 1.2.2 Changes in the hydroclimatology of river catchments 1.2.3 Hydro-climate data analysis 1.3 Objectives and research questions 1.3.1 Shifting seasons in hydrology 1.3.2 Long-term annual average changes of evapotranspiration and streamflow 1.3.3 Methodological requirements 1.4 Structure of the thesis 2 Long term variability of the annual hydrological regime 2.1 Introduction 2.1.1 Motivation 2.1.2 Seasonal changes in hydrologic records 2.1.3 Regional climate in Saxony 2.1.4 Objective and structure 2.2 Methods 2.2.1 Annual periodic signal extraction 2.2.2 The runoff ratio and its annual phase 2.2.3 Descriptive circular statistics 2.2.4 Detection of nonstationarities, trends and change points 2.3 Data 2.4.1 Estimation and variability of the timing of the runoff ratio 2.4.2 Temporal variability of the timing 2.4.3 Does temperature explain trends in seasonality of runoff ratio? 2.4.4 Trend analysis in snow dominated basins 2.4.5 Uncertainty and significance of the results 2.5 Conclusions 2.A Preparation of basin input data 2.A.1 Precipitation 2.A.2 Temperature and snow depth data 3 Evaluation of water-energy balance frameworks 3.1 Introduction 3.2 Theory 3.2.1 Coupled water and energy balance 3.2.2 The ecohydrologic framework for change attribution 3.2.3 Applying the climate change hypothesis to predict changes in basin evapo transpiration and streamflow 3.2.4 Derivation of climatic sensitivity using the CCUW hypothesis 3.2.5 The Budyko hypothesis and derived sensitivities 3.3 Sensitivity analysis 3.3.1 Mapping of the Budyko functions into UW space 3.3.2 Mapping CCUW into Budyko space 3.3.3 Climatic sensitivity of basin evapotranspiration and streamflow 3.3.4 Climate-vegetation feedback effects 3.4 Application: three case studies 3.4.1 Mississippi River Basin (MRB) 3.4.2 Headwaters of the Yellow River Basin (HYRB) 3.4.3 Murray-Darling River Basin (MDB) 3.5 Conclusions 3.5.1 Potentials and limitations 3.5.2 Insights on the catchment parameter 3.5.3 Validation 3.5.4 Perspectives 3.A Derivation of the climate change direction 4 Climate sensitivity of streamflow over the continental United States 4.1 Introduction 4.1.1 Motivation 4.1.2 Hydro-climate of the continental US 4.1.3 Aims and research questions 4.2 Methods 4.2.1 Ecohydrological concept to separate impacts of climate and basin changes 4.2.2 Streamflow change prediction based on a coupled water-energy balance framework 4.2.3 Streamflow change prediction based on the Budyko hypothesis 4.2.4 Statistical classification of potential climate and basin change impacts 4.3 Data 4.4 Results and discussion 4.4.1 Hydro-climate conditions in the US 4.4.2 Climate sensitivity of streamflow 4.4.3 Assessment of observed and predicted changes in streamflow 4.4.4 Uncertainty discussion 4.5 Conclusions 4.A Mathematical derivations for the Mezentsev function 5 Summary and conclusions 5.1 Shifting seasons in hydrology 5.1.1 Major findings 5.1.2 Socio-economic and political relevance 5.1.3 Limitations and possible directions for further research 5.2 Long-term annual changes in ET and streamflow 5.2.1 Major findings 5.2.2 Socio-economic and political relevance 5.2.3 Limitations and further research 5.3 General conclusions and outlook 5.3.1 Regional and temporal limits and validity 5.3.2 Hydrological records carry signals of climate and land use change 5.3.3 Statistical significance of past changes 5.3.4 Improvements in assessing ET 5.3.5 Remote sensing 5.3.6 Learning from the past to predict the future? Bibliography Danksagung Erklärung

Ziel dieser Arbeit ist die Verbesserung der Vorhersagekraft des Bodenerosionsmodelierungs-werkzeugs EROSION-3D, welche oftmals durch die Identifizierung der werkzeugspezifischen Parameter Skinfaktor und Erosionswiderstand limitiert ist. Als drei Betrachtungsebenen der Arbeit werden 1. Beobachtungsdaten, 2. die Fähigkeit von EROSION-3D zur Beschreibung der Beobachtungsdaten und 3. die Vorhersagekraft des Werkzeugs untersucht. Aufzeichnungen verschiedener Beregnungsversuche wurden maschinenlesbar zusammengefasst. Daran wurde EROSION-3D mit den bisher üblichen sowie Monte-Carlo Methoden kalibriert. Anhand beschreibender Daten der Beregnungsversuche wurden Vorhersagemethoden zur Schätzung der modellspezifischen Parameter entwickelt und hinsichtlich der Parameterwerte und damit modellierter Abfluss-/Abtragswerte validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass verbesserte Vorhersagen mit den neuen Schätzmethoden möglich sind, aber auch Möglichkeiten zur Verbesserung der Modellstruktur bestehen.

Mithilfe des Modells EROSION-3D wurden für sämtliche Ackerflächen Sachsens Erosionsszenarienkarten erstellt. Der vorliegende Band der Schriftenreihe dient der Dokumentation der Modellierungen. Fachnutzer und interessierte Privatpersonen erhalten so die Möglichkeit, sich mit der Methodik und den zugrundeliegenden Modellannahmen vertraut zu machen. Die Szenarienkarten selbst sind im Portal iDA abrufbar in der Rubrik „Landwirtschaft“ > „Erosionsgefährdung Landwirtschaftliche Nutzflächen“ > „Erosionsszenarienkarten Modell EROSION 3D“. Redaktionsschluss: 31.08.2022

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