Die Bemessung von Bauwerken an oder in Fließgewässern erfordert die Kenntnis des statistischen Hochwasserregimes. Beispielsweise legen Hochwasserschutzkonzeptionen häufig ein Hochwasser zu Grunde, welches in einem Jahr mit der Wahrscheinlichkeit von 1/100 auftritt. Ein extremeres Hochwasser wird für den Nachweis der Standsicherheit großer Stauanlagen nach DIN 19700-12 mit einem Hochwasser der jährlichen Eintrittswahrscheinlichkeit von 1/10000 benötigt. Ein solches Hochwasser kann bereits wegen des instationären Klimas nicht allein aus Durchflussmessdaten abgeleitet, sondern lediglich idealisiert dargestellt werden. Das resultiert nicht zuletzt daraus, dass der Mensch natürlich Zeuge eines so unwahrscheinlichen Ereignisses werden kann. Jedoch kann er die Unwahrscheinlichkeit nicht nachweisen. Jedes Berechnungsschema, mit welchem ein so unwahrscheinliches Ereignis abgeschätzt werden soll, wird nur begrenzt zuverlässig sein. Das Ziel der Arbeit ist es daher, die Schätzung etwas zuverlässiger zu gestalten. Grundsätzlich gilt, dass ein Modell umso mehr bzw. sicherere Ergebnisse liefern kann, je mehr Daten in das Modell eingehen. Direkt mit dem Durchfluss gekoppelt sind Angaben zu historischen Hochwasserereignissen bzw. qualitative Einschätzungen kleinräumiger Ereignisse. Eine wichtige Datenquelle neben den Durchflussartigen ist der mit dem Durchfluss kausal verbundene Niederschlag und dessen zu vermutendes Maximum in einem Gebiet. Wird zusätzlich regional vorgegangen, können räumliche Aspekte und Strukturen in größeren Einzugsgebieten berücksichtigt werden. Diese stärken bzw. erweitern die lokalen Berechnungsgrundlagen und gewährleisten ein räumlich konsistentes Bild. Im Umkehrschluss kann das Durchflussregime regionalisiert werden, um Informationen an nicht bemessenen Orten bereitstellen zu können. Aus den genannten erweiterten Berechnungsgrundlagen lassen sich drei Anknüpfungspunkte schließen: (i) Es muss eine sehr flexible und dennoch plausible Darstellungsmöglichkeit des statistischen Niederschlagsregimes bis zum vermutlichen Maximum formuliert werden. (ii) Das entwickelte Niederschlagsregime muss mit dem Durchflussregime gekoppelt werden, um die Informationen nutzen zu können. (iii) Die anschließende Regionalisierung muss die verschachtelte baumartige Struktur hydrologischer Einzugsgebiete berücksichtigen. Punkt (i) wird durch eine zweigeteilte Verteilungsfunktion gelöst. Damit werden die ideale Darstellung des wahrscheinlicheren Bereiches und der plausible Verlauf bis zum Maximum miteinander verbunden. Bezüglich Punkt (ii) wird ein neues Kopplungsprinzip entwickelt. Dieses basiert auf der Annahme, dass ein je nach Gebiet gültiger maximaler Scheitelabflussbeiwert existiert, welcher asymptotisch erreicht wird. Im Ergebnis erhält die Durchflussverteilung mit der Abflussbeiwertapproximation einen oberen Grenzwert in Abhängigkeit von Niederschlagsmaximum und Scheitelabflussbeiwert. Entsprechend der Vorgaben in Punkt (iii) wird die Referenzpegelmethode entwickelt. Diese basiert darauf, dass ähnliche Einzugsgebiete äquivalente Hochwasserscheitel generieren. Damit können bekannte Hochwasserereignisse eines Referenzpegels auf unbeobachtete Teileinzugsgebiete übertragen werden. Bei der Wahl des Referenzpegels wird u.a. die Topologie der Einzugsgebiete berücksichtigt. Die gesamte Strategie kann auf große Untersuchungsgebiete angewandt werden. Am Beispiel sächsischer Flüsse wird die Vorgehensweise von der Datenhomogenisierung bis hin zum extremen Hochwasserdurchfluss an einem unbeobachteten Querschnitt erläutert. / The dimensioning of different constructions at and in streams respectively requires knowlegde on the flood situation at site. For instance flood protection concepts often base on a peak discharge of the annual recurrence probability of 1/100. A more severe flood of an annual recurrence probability of 1/10000 is used to confirm the stability of large dams following DIN 19700-12. Such a flood cannot be deduced from runoff data only, but rather shown in an idealised way. It results not least on the fact, that human can witness a very improbable flood event. But is it not possible to verify the improbability. Every modelling scheme that is confronted with the deduction of such an extreme flood event will be of limited reliability. The task\'s aim will therefore be to make the estimation more reliable. Generally the more data a model involves the more trustworthy the results will become. Directly coupled with runoff are historical flood data and qualitative details of small scale flood events respectively. Aside runoff information an important data source is precipitation data, which is coupled with runoff data in a causal way, and the possible maximum precipitation. If additionally whole regions are examined it is possible to consider regional facets and structures of larger catchments. These strengthen and expand local modelling basics and provide a regional consistent result. Vice versa the flood regime can be regionalised to gain information at unobserved cross sections. Out of the described expanded modelling basics follow three links: (i) It is necessary to find a flexible but still plausible formulation of the statistical precipitation regime until the probable maximum precipitation. (ii) The formulation of point i) has to be coupled with the flood regime to include these information. (iii) The adjacent regionalisation has to account for the nested and arboreal structure of hydrological catchments. Point (i) will be solved by a split distribution function. That allows the ideal display of the more probable domain as well as the characteristics until the probable maximum. Regarding point (ii) a new principle of coupling will be developed. It bases on the assumption that a regional maximum runoff coefficient exists and it will be gained asymptotically. As a result of the runoff coefficient approximation the runoff distribution function gets an upper limit depending on maximum precipitation and runoff coefficient. Respecting the guidelines in point (iii) the reference gauge method will be developed. It bases upon the fact, that likewise catchments generate equivalent peak discharges. For this reason it is possible to carry known peak discharges of a reference gauge onto unobserved subcatchments. Among other things the choice of a reference gauge accounts for the topology of the catchments. The whole strategy can be applied to large catchments what is exemplarily shown in Saxon streams. Beginning with a data homogenisation to the point of discharges of extreme low exceedance probabilities at unobserved cross sections the whole procedure is shown.

Der Bericht enthält den aktuellen Wissensstand zu Dürreindizes für die Anwendung in Sachsen. Dafür werden mehr als 100 Indizes aus den Gebieten Meteorologie, Hydrologie und Landwirtschaft sowie kombinierte Indizes charakterisiert. Berechnungen ausgewählter meteorologischer Dürreindizes für fünf Klimamessstationen und Modellierungen der Bodenfeuchte werden verglichen. Danach sind z. B. niederschlagsbasierte Indizes für Sachsen deutlich aussagekräftiger als rein temperaturbasierte. Die Veröffentlichung richtet sich an regionale Akteure sowie Planungsbüros, Bildungseinrichtungen und Unternehmen.

Ground-based weather radars provide information on the temporal evolution and the spatial distribution of precipitation on a macroscopic scale over a large area. However, the echoes measured by weather radars are always a superposition of forward and backward scattering effects which complicates their interpretation. The use of polarisation diversity enhances the number of independent observables measured simultaneously. This allows an effective separation of forward and backward scattering effects. Furthermore, it extends the capability of weather radars to retrieve also microphysical information about the precipitation. The dissertation at hand introduces new aspects in the field of polarimetric, ground-based, monostatic weather radars at S-, C-, and X-band. Relations are provided to change the polarisation basis of reflectivities. A fully polarimetric weather radar measurement at circular polarisation basis is analysed. Methods to check operationally the polarimetric calibration of weather radars operating at circular polarisation basis are introduced. Moreover, attenuation correction methods for weather radar measurements at linear horizontal / vertical polarisation basis are compared to each other, and the robustly working methods are identified. / Bodengebundene Wetterradare bieten Informationen über die zeitliche Entwicklung und die räumliche Verteilung von Niederschlag in einer makroskopischen Skala über eine große Fläche. Die Interpretation der Wetterradarechos wird erschwert, da sie sich aus einer Überlagerung von Vorwärts- und Rückwärtsstreueffekten ergeben. Die Anzahl der unabhängigen Wetterradarmessgrößen kann durch den Einsatz von Polarisationsdiversität erhöht werden. Dies ermöglicht eine effektive Trennung von Vorwärts- und Rückwärtsstreueffekten. Desweiteren erlaubt es die Bestimmung von mikrophysikalischen Niederschlagsparametern. Die vorliegende Dissertation betrachtet neue Aspekte für polarimetrische, bodengebundene, monostatische Wetterradare im S-, C- und X-Band. Gleichungen zur Polarisationsbasistransformation von Reflektivitätsmessungen werden eingeführt. Eine vollpolarimetrische Wetterradarmessung in zirkularer Polarisationsbasis wird analysiert. Neue Methoden, die eine Überprüfung der polarimetrischen Kalibrierung von Wetterradarmessungen in zirkularer Polarisationsbasis erlauben, werden betrachtet. Weiterhin werden Methoden zur Dämpfungskorrektur von Wetterradarmessungen in linearer horizontaler / vertikaler Polarisationsbasis miteinander verglichen und Empfehlungen von zuverlässigen Methoden gegeben.

Simulations assuming open-pit mines and different cessation landscapes of open-pit mines with urbanization were performed with a non-hydrostatic meteorological model. The possible enhancement or counteracting of the atmospheric responses to these simultaneously occurring (= accumulated) land-use changes are examined applying a formula drived from the principle of superposition. Although accumulated land-use changes substantially affect the local water and energy fluxes and significantly influence cloud and precipitation microphysics, they do not necessarily provide more significant changes in these quantities than the change of different land-use types to only one land-use type (=single land-use changes). Where the atmospheric responses to accumulated land-use changes are enhanced or inhibited, depends on the thermal, dynamical and hydrologic characteristics of the undergoing accumulated land-use changes as well as on the land-use adjacent to the land-use conversion. In regions dominated by drier surfaces (e.g., agriculture), no enhancement or counteraction according to the principle of superposition could be detected in this study. / Simulationen mit einer Tagebaulandschaft sowie verschiedenen Tagebaufolgelandschaften inklusive Urbanisierung wurden mit einem nicht-hydrostatischen meteorologischen Modell durchgeführt. Eine mögliche Verstärkung oder Abschwächung der atmosphärischen Reaktion auf gleichzeitig auftretende (akkumulierte) Landnutzungsänderungen wird mittels einer auf dem Prinzip der Superposition erstellten Formel untersucht. Obgleich die akkumulierten Landnutzungsänderungen die lokalen Energie- und Wasserflüsse merklich sowie die Wolken und Niederschlagsmikrophysik signifikant beeinflussen, führen sie nicht notwendigerweise zu stärkeren Änderungen dieser Größen als einfache Landnutzungsänderungen. Wo sich akkumulierte Landnutzungsänderungen in ihrer Wirkung auf die Atmosphäre verstärken oder abschwächen, hängt davon ab, wie stark sich die dynamischen, hydrologischen und energetischen Eigenschaften der veränderten Landnutzung von der vorherigen und denen der Umgebung unterscheiden. In Regionen, die durch trockene Flächen charakterisiert sind (z.B. Ackerland), konnte in dieser Studie kein Verstärken oder Abschwächen im Sinne einer Abweichung vom Prinzip der Superposition festgestellt werden.

Der Bericht informiert über die Erfassung und Abschätzung von atmosphärischen Bedingungen, die den Aufbau bzw. die Ausprägung von Trockenheit begünstigen. Mit der Erwärmung wird es zunehmend wichtiger, neben dem Niederschlag auch die Verdunstung zu berücksichtigen. Im Klimafolgen-Bereich sind die Aussagen als “atmosphärisches Trockenheitsrisiko” zu interpretieren. Das erarbeitete Konzept lässt sich auch mit Vorhersagen bzw. Projektionen umsetzen. Die Veröffentlichung richtet sich an die mit dem Thema befassten. Redaktionsschluss: 28.02.2020

From September 17 to October 5, 2012, a field campaign with focus on clouds, aerosols, radiation and dynamics and their interaction in clouds that was coordinated and organized by the Leipzig Institute for Meteorology took place at the Zugspitze mountain. / Vom 17. September bis 5. Oktober wurde vom Leipziger Institut eine Feldkampagne zur Untersuchung der Wechselwirkung von Aerosolen, Niederschlag und Strahlung insbesondere in Hinblick auf konvektive Wolken auf der Zugspitze koordiniert und organisiert.

Arsenic (As) contaminated groundwater has been a major concern due to the negative impacts to exposed people. This research was conducted to assess and compare the removal efficiency of As from groundwater by laterite, sand, and ash. The experiment was carried out in 14 days in a household scale in Son Dong commune, Hoai Duc district, Ha Noi. Groundwater was pumped directly from a well and flowed through 20 cm (diameter) x 80 cm (length) columns. The initial As concentration in groundwater was 526 μg/L decreasing to an average of 189, 192 and 154 μg/L after being filtrated using sand, ash, and laterite, respectively. Average removal efficiency of sand, ash and laterite during the experiment was 63.3, 63.9, and 70.5%, respectively. Laterite had higher As removal efficiency may be due to higher content of goethite and kaolinite in this sorbent which resulted in better adsorption of As. The concentrations of As in the outflow water were higher than the allowable limit set by the national technical regulation on drinking water quality (QCVN 01:2009/BYT). Therefore, it requires higher volume of sorbents or additional treatment technologies for removal of As from groundwater. / Ô nhiễm asen (As) trong nước ngầm hiện nay là một vấn đề cấp bách đối với xã hội bởi những rủi ro tiềm ẩn với sức khoẻ con người. Nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá và so sánh khả năng hấp phụ As trong nước ngầm của đá ong, cát và tro. Thí nghiệm được tiến hành trong vòng 14 ngày đặt tại một hộ gia đình có nguồn nước ngầm bị ô nhiễm As thuộc xã Sơn Đồng, huyện Hoài Đức, Hà Nội. Nước ngầm được bơm từ giếng và chảy qua các cột đựng vật liệu có đường kính và chiều dài lần lượt là 20 cm và 80 cm. Nồng độ As ban đầu là 526 μg/L đã giảm xuống còn 189, 192 và 154 μg/L sau khi lọc bằng cát, tro và đá ong. Hiệu suất xử lý As trung bình của cát, tro và đá ong lần lượt là 63,3, 63,9 và 70,5 μg/L. Đá ong xử lý As tốt hơn có thể do hàm lượng goethit và kaolinit cao hơn trong vật liệu hấp phụ này dẫn đến khả năng hấp phụ As tốt hơn. Tuy nhiên hàm lượng As trong nước đầu ra vẫn chưa đạt quy chuẩn cho nước uống (QCVN 01:2009/BYT). Do đó, cần tăng thêm lượng vật liệu hoặc kết hợp với các phương pháp khác để xử lý As hiệu quả hơn.

Der Einsatz von hydrologischen Modellen zur Unterstützung von Planung und Betrieb von Entwässerungssystemen ist als Stand der Technik anzusehen. Realitätsnahe und sichere Modellergebnisse stellen dabei die Grundlage für eine zielgerichtete Entscheidungsfindung dar. Nur durch eine Kalibrierung können Parameter von konzeptionellen Modellen zur Berechnung des Niederschlag-Abfluss-Prozesses an die Randbedingungen des zu simulierenden technischen oder natürlichen Systems angepasst werden. Auch wenn die Kalibrierung eines Modells entscheidend zur Erhöhung der Realitätsnähe beiträgt, kann diese durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei hydrologischen Modellen nicht ausschließlich deterministische Gleichungen mit physikalisch basierten Parametern eingesetzt werden. Wesentliche Einflussfaktoren auf die Kalibrierung von urbanhydrologischen Modellen sind die gewählte Modellstruktur, die Eingangsdaten, die Kalibrierdaten, die Auswahl von Kalibrierereignissen sowie die eigentliche Kalibriermethodik. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Einflüsse der Kalibrierdaten, der Auswahl von Ereignissen und der Kalibriermethodik auf die Ergebnisse der automatischen Kalibrierung mittels multikriterieller Optimierungsverfahren untersucht.

Im folgenden wird ein Verfahren dargestellt welches die Möglichkeit bietet komplexe räumliche Zusammenhänge zwischen Niederschlagsereignissen quantitativ in Klimanetzwerke zu fassen und diese auf vielfältige Arten und Weisen zu analysieren. In dem Maße wie synchronisiert Niederschlagsereignisse zwischen Raumpunkten auftreten, in dem Maße sind diese Raumpunkte in Event Synchronization Klimanetzwerken verbunden. Zum einen wird das bestehende Ähnlichkeitsmaß der Ereignissynchronisation verbessert und erweitert, und zum anderen werden verschiedene, zum Teil neue, statistische Methoden zur Netzwerkanalyse vorgestellt und erläutert. Klimanetzwerke sind räumlich eingebettete Netzwerke und die statistisch zu zeigende Abhängigkeit der Ähnlichkeit vom räumlichen Abstand führt zu einer vom Raum nicht unabängigen Netzwerkstruktur. Dies ist in einer Vielzahl von Fällen ein ungewünschter Effekt und es wird eine Methodik entwickelt wie dieser statistisch quantifiziert werden kann. Des weiteren werden zwei weitere neue Netzwerkstatistiken vorgestellt. Einerseits das neue Netzwerkmaß Directionality und andererseits eine Netzwerkreduktion welche Klimanetzwerke auf Klimanetzwerke mit weitreichenden Verbindungen reduziert. Dieser neue Ansatz steht gewissermaßen im Gegensatz zur klassischen Klimanetzwerkkonstruktion die vor allem zu kurzreichweitigen Verbindungen führt. Das neue Netzwerkmaß Directionality gibt für jeden Raumpunkt des Netzwerks eine dominante Raumrichtung der Netzwerkverbindungen an und kann dadurch z.B. für bestimmte Event Synchronization Klimanetzwerke Isochronen abbilden. / In the following an approach to the analysis of spatial structures of precipitation event synchronizations is presented. By estimating the synchronicity of precipitation events between points in space, a spatial similarity network is constructed. These Climate Networks can be analyzed statistically in various ways. However, the similarity measure Event Synchronization that will be presented, as well as the concept of Climate Networks, is more general. Climate Network precipitation analyses are done in the applications part in order to present improvements to existing methodologies, as well as novel ones. On one hand, the existing similarity measure Event Synchronization will be refined and extended to a weighted and continuous version, and on the other hand, new methods for statistical analyses of Climate Networks will be presented. Climate Networks are spatially embedded networks and the probability of a link between two nodes decreases with the distance between these nodes. In other words, Climate Network topologies depend on the spatial embedding. Often this effect is distracting and should be considered as a bias in Climate Network statistics. This thesis provides a methodology to estimate this bias and to correct network measures for it. Furthermore, two novel graph statistics are introduced. First, the novel network measure Directionality, and second, a network coarse-graining approach that reduces Climate Networks to Climate Networks of teleconnections, i.e., long-ranged interrelations. This new approach is in contrast to existing Climate Network construction schemes, since commonly most links are short. The novel network measure Directionality provides a dominant direction of links in the embedding space. For undirected Event Synchronization networks this measure is applied for the estimation of Isochrones, i.e., lines of synchronous event occurrences.

Für das Verbundprojekt EMTAL (Einzugsgebietsmanagement von Talsperren in Mittelgebirgslandschaften) wurden Methoden zur Klärung hydrologischer Fragen entwickelt. Das dafür gewählte Modell WaSiM-ETH kann den Abfluss im Untersuchungsgebiet gut reproduzieren und ist unter Verwendung physikalisch basierter Teilmodule auf ähnliche Einzugsgebiete übertragbar. Es kann in einer hohen Bandbreite zeitlicher und räumlicher Diskretisierung verwendet werden. Bei der Modellierung verschiedener Landnutzungsszenarien zeigen sich Grenzen im Prozessverständnis, der Parametrisierung bekannter oder vermuteter Prozessse und in der Darstellung verschiedener Prozesse durch das Modell. Innerhalb streng festgelegter Randbedingungen können aber plausible Ergebnisse erlangt werden. Zusätzlich wurden meteorologische Zeitreihen für die Niederschlag-Abfluss-Modellierung bis 2050 erstellt. Die Effekte von Klimaänderungen auf den Abfluss werden gut abgebildet. Die Grenzen der Modellierung liegen hier in erster Linie bei der Güte der Eingangsdaten aus den Klimaprognosen.