Der anhaltende Anstieg der anthropogenen Treibhausgasemissionen führt zu einer erheblichen Verschärfung des Klimawandels und bedroht damit zunehmend die Integrität der Biosphäre und Gesellschaften weltweit. Negative Emissions-Technologien (NETs) wie die Pyrogene Kohlenstoffbindung und -speicherung (PyCCS) bieten potenzielle Lösungsansätze zur Minderung dieser Bedrohung. Diese Dissertation umfasst drei Studien, in denen das Vegetationsmodell LPJmL angewendet wird, um die globalen biogeochemischen Potenziale von PyCCS unter verschiedenen Implementierungsszenarien zu analysieren und die damit verbundenen Landnutzungsdynamiken zu evaluieren, die zu den kritischsten Zielkonflikten gehören. Zunächst zeigt die erste Studie mithilfe einer bedarfsorientierten Analyse, dass die Speicherung von Pflanzenkohle im Boden das Potenzial aufweist, NE von einem Umfang zu liefern, der laut klima-ökonomischen Szenarien zur Begrenzung der globalen Klimaerwärmung auf 1,5°C erforderlich wäre, was als besonders schwer vereinbar mit Naturschutz identifiziert wird. Die zweite Studie untersucht darauffolgend einen PyCCS-Ansatz, der den Landnutzungsdruck reduziert, indem Ackerflächen für PyCCS freigegeben werden, während die Kalorienversorgung auf den verbleibenden Anbauflächen durch Ertragssteigerungen mittels Pflanzenkohlezuführung aufrechterhalten wird. Dieser Ansatz könnte NE aus Bioenergie mit CO2-Abscheidung und -Speicherung—eine wichtige NET in ökonomischen Mitigationsszenarien—ersetzen und Flächen freigeben, die alternativ die Kalorienproduktion oder Naturschutzflächen fördern könnten. Im Rahmen der dritten Studie baut die Dissertation das Verständnis über das Potenzial von LCN-PyCCS als Instrument zur Klimastabilisierung durch die zusätzliche Darstellung der sich verbreitenden Praxis der Pflanzenkohle-basierten Düngung und Sensitivitätsanalysen der angenommenen Pyrolyseparameter und Bewirtschaftungsintensitäten weiter aus. / The ongoing rise in anthropogenic greenhouse gas emissions is significantly exacerbating climate change, which poses an increasing threat to the integrity of the biosphere and societies worldwide. Negative emission technologies (NETs) like Pyrogenic carbon capture and storage (PyCCS) offer potential mitigation solutions. This dissertation comprises three studies that apply the Dynamic Global Vegetation Model LPJmL to estimate global biogeochemical potentials of PyCCS under different deployment scenarios and evaluate the associated land use dynamics, which are among the most critical potential trade-offs. The first study is a demand-driven analysis aiming to achieve NEs projected to be required for limiting global warming to 1.5°C by PyCCS deployment. It finds that that biochar application has the potential to deliver these NEs — yet only under significant land use expansion, posing a significant threat to areas identified as particularly relevant for conservation. Subsequently, a novel approach to PyCCS deployment was assessed that reduces land pressure by releasing cropland to PyCCS feedstock production while maintaining calorie supply through biochar-mediated yield increases on remaining cropland. Based on this allocation scheme and LPJmL-computed biomass yields, a sequestration potential of 0.44–2.62 Gt CO2 yr−1 was quantified alongside calculating the potential benefits of replacing NE from BECCS (bioenergy with carbon capture and storage — a prominent NET in stabilization scenarios of climate economics) with PyCCS for nature restoration and calorie production. The understanding of the potential for LCN-PyCCS as a strategy for climate stabilization was further expanded by the representation of the emerging practice of biochar-based fertilization (i.e., biochar applied as mixtures with fertilizer at lower rates than the previously evaluated soil amendment) and sensitivity analyses of assumed pyrolysis parameters and management intensities in the third study.

Die Abholzung tropischer Wälder stellt eine erhebliche Bedrohung für Natur und Menschen dar. In dieser Arbeit wird die Dynamik zwischen Entwaldungs- und anderen Landnutzungsprozessen erforscht, mit Schwerpunkt auf den oft unbeachteten tropischen Trockenwäldern. Konkret zielt die Arbeit darauf ab, (1) Typen von Entwaldungsprozessen in tropischen Trockenwäldern zu charakterisieren und zu kartieren, (2) diese Typen mit Naturschutzgebieten in Beziehung zu setzen, (3) die Beziehung zwischen gescheiterten Landinvestitionen und Entwaldung zu untersuchen und (4) zu konzeptualisieren, wie sich der Naturschutz ausweitet. Dabei werden zum ersten Mal einige Haupttypen von Entwaldungsprozessen identifiziert, wobei sich unterschiedliche Dynamiken der Grenzausdehnung sowie eine erhebliche Bedrohung für tropische Trockenwälder aufzeigen lassen – mit einem Verlust von 71 Millionen Hektar zwischen 2000 und 2020. Diese Grenzen bedrohen zudem v. a. Gebiete, die reich an biologischer Vielfalt und Kohlenstoff sind, während Schutzgebiete und das Land indigener Völker entscheidend dazu beitragen, die Grenzausdehnung einzudämmen. Eine weitere Erkenntnis dieser Arbeit ist der Zusammenhang zwischen gescheiterten Landinvestitionsprojekten und der daraus resultierenden Entwaldung. Hierbei werden häufig lokale Bedürfnisse übersehen und Sorgfaltspflichten umgangen, was zu Umweltzerstörung und sozialen Konflikten beiträgt. Darüber hinaus wird die Ausweitung des Naturschutzes beschrieben, indem untersucht wird, wie Prioritäten gesetzt werden, wie Governance-Systeme umstrukturiert werden und wie Naturschutzakteure mit anderen Interessengruppen interagieren. Insgesamt werden in dieser Arbeit innovative Methoden zur Beschreibung von Entwaldungsprozessen vorgestellt, die für verschiedene Kontexte, Maßstäbe und Landnutzungen angepasst und getestet werden können. Auf diese Weise trägt diese Arbeit zu einem tieferen Verständnis der globalen Entwaldung sowie der Möglichkeiten für Naturschutzbemühungen bei. / Uncurbed tropical deforestation poses significant threats to both nature and people. This thesis delves into the dynamics between deforestation frontiers and other land use frontiers, particularly focusing on tropical dry woodlands, which have been largely overlooked in research and policy. Specifically, the thesis aims to (1) characterise and map deforestation frontier types in tropical dry woodlands, (2) relate these frontier types to areas of woodland protection and conservation interest, (3) explore the relation of failed land investments with deforestation, and (4) conceptualise how conservation expands in response to deforestation frontiers. Thus, for the first time, major frontier types are identified, revealing varied dynamics of frontier expansion and a substantial threat to tropical dry woodlands, with a loss of 71 million hectares between 2000 and 2020. These frontiers disproportionately threaten areas rich in biodiversity and carbon, while protected areas and Indigenous Peoples’ lands are crucial in mitigating frontier expansion. Another significant finding of this thesis is the link between failed land investment projects and resulting deforestation frontiers. These projects often overlook local needs, and bypass due diligences contributing to environmental degradation and social conflict. Additionally, the thesis describes conservation frontiers by conceptualising (1) how conservation actors influence conservation priorities, (2) how the expansion of area-based conservation leads to the restructuring of governance systems, including possible resulting conflicts, and (3) the intricate dynamics between conservation actors and other stakeholders. Overall, the thesis introduces innovative methods for describing deforestation frontiers that could be adapted and tested across various contexts, scales, and land uses. Thereby, this research contributes to a deeper understanding of global deforestation challenges and opportunities for conservation efforts.

Die komplexe und oft nichtlineare Kopplung zwischen Atmosphäre und Land stellt eine Herausforderung dar, Umweltveränderungen mit denen der außertropischen Zirkulation in Beziehung zu setzen. Das Verständnis dieser Prozesse ist unerlässlich, um vergangene Klimaveränderungen zu erklären und genaue Klimavorhersagen in den mittleren Breiten und den Polarregionen zu ermöglichen. Der atmosphärische Wasserkreislauf spielt dabei eine entscheidende Rolle, da er starken Rückkopplungsmechanismen mit allen Klimakomponenten der Erde unterliegt. In dieser Arbeit werden verschiedene klimaempfindliche Umweltsysteme untersucht, darunter Nordostgrönland, das Thianshan-Gebirge, die Halbinsel Krim und Südpatagonien, wobei der Schwerpunkt auf dem atmosphärischen Zweig des Wasserkreislaufs und seiner Wechselwirkung mit der Erdoberfläche liegt. Da Verdunstung und Niederschlag die Schlüsselelemente des atmosphärischen Wasserkreislaufs sind, bestand ein Forschungsziel darin, die Feuchtigkeitsaufnahme in den untersuchten Regionen mit Hilfe eines Lagrange-Ansatz auf Basis von Reanalysedaten für den Zeitraum 1979 - 2017 zu quantifizieren. Dabei wurde der Einfluss der vorherrschenden großräumigen Zirkulationsmuster auf die Feuchtigkeitsquellen und den Transport feuchter Luftmassen untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf den jüngsten Veränderungen der atmosphärischen Zirkulation und deren Auswirkungen auf die Umwelt. Besondere Aufmerksamkeit galt der Eisdynamik der Gletscher Grey und Schiaparelli in Südpatagonien. Diese Analysen wurden auf Grundlage von in-situ-Messungen in Kombination mit Reanalyse- und Modelldaten durchgeführt. Die Feuchtigkeitszufuhr in den mittleren und polaren Breiten ist stark von der Westwindlage geprägt. Langfristige Trends stehen im Zusammenhang mit Veränderungen der großräumigen Zirkulation und der lokalen Feuchtigkeitsverfügbarkeit. Die Prozesse werden von der globalen Erwärmung der Meeres- und Landoberflächen, Änderungen der Bodenfeuchte und dem Verlust des arktischen Meereises beeinflusst. Ein Bezug der atmosphärischen Einflüsse auf eisdynamische Prozesse konnte hergestellt werden. Die Forschungsarbeit liefert Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Klimawandel, großräumiger atmosphärischer Zirkulation und deren Einfluss auf die Gletscher. Durch die Untersuchung dieser komplexen Wechselwirkungen tragen die Ergebnisse zu einem erweiterten Verständnis der Auswirkungen auf sensible Umweltsysteme in einer sich verändernden Welt bei. / The complex and often non-linear coupling between the atmosphere and land makes it challenging to link changes in the environment with changes in the extratropical circulation. Understanding these processes is essential to explain past climate changes and to facilitate accurate climate predictions in the mid-latitudes and polar regions. Here, the atmospheric water cycle plays a crucial role that is subject to strong feedback mechanisms with all of the Earth's climate components. This thesis reports a study of diverse climate-sensitive environmental regions, including northeast Greenland, the Thianshan Mountains, the Crimean Peninsula, and South Patagonia, with a particular focus on the atmospheric branch of the water cycle and its interaction with the Earth's surface. Given that evaporation and precipitation are key components of the atmospheric water cycle, a major objective was to quantify the moisture uptake areas of the study regions using a Lagrangian perspective based on reanalysis data for the period 1979 - 2017. The study identified the influence of the prevailing large-scale circulation patterns on moisture sources and the transport of moist air masses. The emphasis was on recent changes in atmospheric circulation and their consequences for the environment. Particular attention has been given to the ice dynamics of the Grey and Schiaparelli Glaciers in South Patagonia. These analyses were carried out using in-situ records combined with reanalysis and model data. The findings illustrate the intricate links between climate change and large-scale atmospheric circulation and its impact on glaciers. By unraveling these complex interactions, the study advances the understanding of the wider implications for environmental systems in a changing world.

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Diese Arbeit untersucht, inwiefern Visual Analytics die Analyse von Prozessen in geowissenschaftlichen raum-zeitlichen Daten unterstützen kann. Hierzu wurden drei neuartige Visual Analytics Ansätze entwickelt. Jeder Ansatz addressiert eine wichtige Analyseperspektive. Der erste Ansatz erlaubt es, wichtige räumliche Zustände in den Daten sowie deren auftreten in der Zeit zu untersuchen. Mittels hierarchischem Clustering werden alle in den Daten enthaltenen räumlichen Zustände in einer Clusterhierarchie verortet. Interaktive visuelle Analyse ermöglicht es, verschiedene räumliche Zustände aus den Daten zu extrahieren und die dazugehörigen raum-zeitlichen Muster zu interpretieren und zu bewerten. Der zweite Ansatz unterstützt die systematische Analyse des in den Daten zu beobachtenden zeitlichen Verhaltens sowie dessen Auftreten im geographischen Raum mittels einer Kombination aus Cluster Ensembles und interaktiver visueller Exploration. Der dritte Ansatz gestattet die Detektion und Analyse von zeitlichen Zusammenhängen in den Daten. Hierzu wurde eine etablierte Methode zur Analyse von zeitlichen Zusammenhängen zwischen zwei einzelnen Zeitreihen, gefensterte Kreuzkorrelation, durch Visual Analytics auf den Vergleich von Zeitreihenensembles erweitert. Dadurch ist es nicht nur möglich, Zusammenhänge zwischen Zeitreihen zu untersuchen, sondern auch Unsicherheiten in den Daten zu berücksichtigen. Alle Ansätze wurden anhand einer nutzer- und aufgabenorientierten Methodik entwickelt und erfolgreich in Anwendungsfällen aus der Erdsystem-Modellierung, der Ozeanmodellierung, der Paläoklimatologie und sogar den Kognitionswissenschaften eingesetzt. Diese Dissertation zeigt, dass Visual Analytics einen wertvollen Ansatz zur Analyse von Prozess-bezogenen Mustern in raum-zeitlichen Daten darstellt. Es kann die Grenzen existierender Analysemethoden erweitern und ermöglicht Geowissenschaftlern neue, aufschlussreiche Sichtweisen auf Daten und die darin beschriebenen Prozesse. / This thesis studied how visual analytics can facilitate the analysis of processes in geoscientific spatiotemporal data. Three novel visual analytics solutions were developed, each addressing an important analysis perspective. The first solution addresses the analysis of prominent spatial situations in the data and their occurrence over time. Hierarchical clustering is used to arrange all spatial situations in the data in a hierarchy of clusters. The combination with interactive visual analysis enables geoscientists to explore and alter the resulting hierarchy, to extract different sets of representative spatial situations, and to interpret and assess the corresponding spatiotemporal patterns. The second solution supports geoscientists in the analysis of prominent types of temporal behavior and their location in geographic space. Cluster ensembles are integrated with interactive visual exploration to enable users to systematically detect and interpret various types of temporal behavior in different data sets and to use this information for assessment of simulation model output. The third solution enables geoscientists to detect and analyze interrelations of temporal behavior in the data. Windowed cross-correlation, a technique for comparison of two individual time series, was extended to the comparison of entire ensembles of time series through visual analytics. This not only allows scientists to study interrelations, but also to assess how much these interrelations vary between two ensembles. All visual analytics solutions were developed following a rigorous user- and task-centered methodology and successfully applied to use cases in Earth system modeling, ocean modeling, paleoclimatology, and even cognitive science. The results of this thesis demonstrate that visual analytics successfully addresses important analysis perspectives and that it is a valuable approach to the analysis of process-related patterns in geoscientific spatiotemporal data.

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