Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die systematische Synthese von Informationen über Anpassung, Anpassungsstrategien, Einschränkungen und Grenzen auf globaler Ebene durch die Aufarbeitung der wissenschaftlichen Literatur und mit Hilfe von Techniken des maschinellen Lernens. In einem zweiten Schritt werden mittels einer Online-Umfrage und halbstrukturierter Interviews die Wahrnehmungen von Einschränkungen der Anpassungsmöglichkeiten in den kleinen Inselstaaten der Karibik bewertet, wobei der Schwerpunkt auf den Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Arten von Einschränkungen und dem erheblichen Einfluss der fehlenden Anpassungsfinanzierung liegt. Schließlich wird ein zukunftsorientierter Ansatz verfolgt, bei dem Bottom-up- und Top-down-Daten kombiniert werden, um zu veranschaulichen, wie sich sozioökonomische Dimensionen im Zusammenhang mit Einschränkungen bis zum Jahr 2100 unter verschiedenen Szenarien der künftigen sozialen und wirtschaftlichen Entwicklungen entfalten könnten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anpassung derzeit schrittweise und weitgehend fragmentiert erfolgt. Die Erkenntnisse über die Anpassungspolitik nehmen rasch zu, aber es bestehen weiterhin geografische Ungleichheiten. Finanzen und Regierungsführung sind weltweit die größten Einschränkungen, wobei die kleinen Inselstaaten sowie Mittel- und Südamerika die meisten Einschränkungen und Grenzen melden. Die Wechselwirkungen zwischen den Einschränkungen können zu Grenzen und zusätzlichen Verlusten und Schäden führen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, die Einschränkungen parallel anzugehen und eine nachhaltige und gezielte Anpassungsfinanzierung zu gewährleisten. Mögliche Szenarien für die künftige Entwicklung zeigen, dass selbst in den optimistischsten Szenarien sozioökonomische Schlüsseldimensionen wie schwache Regierungsführung die Anpassung bis weit in die zweite Hälfte des 21. Jahrhunderts hinein erschweren werden. / The first part of this thesis focuses on systematically synthesising information on adaptation, adaptation policies, constraints and limits on the global level by reviewing scientific literature and with the support of machine learning techniques. Secondly, through an online-survey and semi-structured interviews, perceptions of constraints in Caribbean Small Island Developing States are assessed, by focusing on the interactions between different types of constraints and the significant influence of the lack of adaptation finance. Finally, a forward-looking approach combining bottom-up and top-down data is taken to illustrate how socio-economic dimensions related to constraints could evolve by 2100, under various scenarios of future development. The results show that adaptation is currently incremental and largely fragmented. Evidence on adaptation policy is rapidly growing but geographic inequalities persist. There is negligible data on adaptation reducing climate change risks. Finance and governance are found to be the most prominent constraints globally, with Small Island Developing States and Central and South America reporting most constraints and limits. Indeed, Caribbean Small Island Developing States face large financial constraints which in turn closely interact with governance, human capacity and information constraints and result in vicious circles. Interactions between constraints can lead to limits and additional losses and damages. This highlights the need to address constraints in parallel and for sustained and dedicated adaptation finance. Potential scenarios of future development show that, even under the most optimistic scenarios, key socio-economic dimensions such as weak governance will challenge adaptation well into the second half of the 21st century. The persistence of constraints, in particular in the most vulnerable regions, calls for stringent mitigation, improved adaptation and increased efforts to address losses and damages.

Die globalen Mitteltemperaturen könnten bis 2100 um 2◦C bis 4.5◦C über vorindustriellem Wert steigen sollten CO2 Emissionen nicht oder nur unzureichend gesenkt werden. Klima-Engineering befasst sich deshalb mit der gezielten Abkühlung des Klimas, z.B. durch terrestrischen Kohlendioxidentzugs (tCDR). Insbesondere wird der Anbau von großflächigen Biomasseplantagen (BP) in Kombination mit der Erstellung von langlebigen Kohlenstoffprodukten wie Bioenergie oder Biokohle in Betracht gezogen. Die vorliegende Doktorarbeit untersucht die tCDR Potentiale und möglichen Konsequenzen von BP auf Nahrungsmittelproduktion, Ökosysteme und das Klima selbst mit Hilfe der Analyse von Landnutzungszenarien simuliert mit einem Biosphärenmodell. Insgesamt wird das tCDR Potential von BP als gering befunden, unabhängig vom Emissionsszenario und ab wann oder wie flächendeckend BP angebaut werden. Demgegenüber stehen meist die zuvor genannten, ungewünschten Konsequenzen. In einem Szenario mit hohen CO2 Konzentrationen kann selbst unbeschränkte Landverfügbarkeit für tCDR die bisherigen Emissionen nicht ausgleichen. Anders jedoch, wenn gleichzeitig Emissionen eingespart. In beiden Fällen führen diese Landumwandlungen jedoch zu sehr hohen “Kosten” für Ökosysteme und die Nahrungsmittelproduktion. Um deren Schutz zu gewährleisten kann die Landverfügbarkeit für tCDR beschränkt werden, was jedoch die tCDR Potentiale trotz baldiger Etablierung sehr einschränkt. Auch die Potentiale des RCP2.6 bleiben deutlich unter den Anforderungen. Das Potential könnte jedoch durch Erhöhung der Umwandlungseffizienzen von Biomasse, neuen Managementoptionen oder der Aufwertung degradierter Flächen durch BP erhöht werden. Diese Doktorarbeit kann abschließend nicht die Annahme unterstützen, dass tCDR eine effektive und umweltfreundliche Methode der Kohlenstoffsequestrierung, und damit eine Ersetzung von strengen Mitigationspfaden, sein könnte. / Global mean temperatures could change by 2◦C to 4.5◦C above pre-industrial levels until 2100 if mitigation enforcement of CO2 emissions fails. To counteract this projected global warming, climate engineering techniques aim at intendedly cooling Earth’s climate for example through terrestrial carbon dioxide removal (tCDR). Here, tCDR refers to the establishment of large-scale biomass plantations (BPs) in combination with the production of long-lasting carbon products such as bioenergy with carbon capture and storage or biochar. This thesis examines the potentials and possible consequences of tCDR by analysing land-use scenarios with different spatial and temporal scales of BPs using an advanced biosphere model forced by varying climate projections. Synthesised, the potential of tCDR to permanently extract CO2 out of the atmosphere is found to be small, regardless of the emission scenario, the point of onset or the spatial extent. On the contrary, the aforementioned trade-offs and impacts are shown to be unfavourable in most cases. In a high emission scenario even unlimited area availability for tCDR could not reverse past emissions sufficiently. However, simultaneous emission reductions could result in strong carbon extractions reversing past emissions. In both cases, land transformation for tCDR leads to high “costs” for ecosystems and food production. Restricting the available land for BPs by these trade-off constraints leaves very small tCDR despite a near-future onset. Similarly, simulated tCDR potentials on dedicated BP areas defined in the RCP2.6 scenario stay below the aimed values using current management practices. Some potential may lie the reduction of carbon losses from field to end-products, new management options and the restoration of degraded soils with BPs. This thesis contradicts the assumption that tCDR could be an effective and environmentally friendly way of complementing or substituting strong and rapid mitigation efforts.

In vielen Städten erfordern fortschreitende Urbanisierung und Klimaerwärmung ein besseres Verständnis des urbanen Wasserkreislaufes zur Entwicklung nachhaltiger Wassernutzungskonzepte. Jedoch erschwert die Komplexität urbaner Wasserflüsse die Nutzung hydrologischer Tracer. In dieser Arbeit werden stabile Isotope des Wassers, hydrochemische und -klimatische Daten genutzt, um die Wasserverteilung und -speicherung in Berlin in den Trockenjahren 2018–2020 zu untersuchen. Auf kleinräumiger Skala wurden Unterschiede bei Evapotranspiration, unterirdischen Fließwegen und Wasserspeicherung unter urbanen Grasflächen, Sträuchern und Bäumen deutlich. Im peri-urbanen Fluss Erpe erschwerte die geringe Variabilität von Abfluss- und Isotopendynamiken die Bestimmung von Verweilzeiten und Mischprozessen. Während warmer, trockener Sommer führte ein hoher Klarwasseranteil zu einer Verschlechterung der Wasserqualität. Auf der stadtweiten Skala wurde der Einfluss von Grundwasser, Niederschlag und Abwasser auf verschiedene Flüsse untersucht. Große Variabilität der Isotopendynamiken wurde in Einzugsgebieten mit Flächenversiegelung und Regenwassereinleitung beobachtet. Die Anreicherung schwerer Isotope in Spree und Havel im Sommer und Herbst verdeutlichte den Einfluss von großskaligen Klimadynamiken und Verdunstung im stromaufwärts gelegenen Einzugsgebiet. Ein nachhaltiges Management urbaner Grünflächen sowie die Speicherung von Regenwasser können dazu beitragen, den Einfluss von Klimaänderungen auf Berlins Wasserressourcen auf lokaler Ebene abzumindern. Jedoch werden großskalige Nutzungskonzepte in den Einzugsgebieten der Spree und Havel benötigt, um Wasserverluste zu minimieren und Abflussraten aufrecht zu erhalten. Weiterführende isotopenbasierte Studien haben großes Potential, das Verständnis von Wasseralter, Abflussentstehung, Verdunstung und langfristigen Dürrefolgen, sowie der Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf andere Metropolenregionen, weiter zu verbessern. / In urban areas, progressing urbanisation and climate warming call for a comprehensive understanding of urban water cycling to establish sustainable water management strategies. However, the complexity of urban water fluxes complicates the application of hydrological tracers. This thesis used stable isotopes of water, combined with hydrochemical and climatic data, to characterise water partitioning and storage in Berlin, Germany, during the exceptionally warm and dry 2018–2020 period. At the plot-scale, differences in evapotranspiration, subsurface flow paths and storage under urban grassland, shrub and trees were evident. In the peri-urban river Erpe, low variability in discharge and isotopic dynamics limited the applicability of transit time and end member mixing approaches. During warm and dry summers, high contributions of treated wastewater effluents caused a deterioration of water quality. At the city-scale, contributions of groundwater, storm runoff and effluents to different local streams were studied. Isotope dynamics were most variable in catchments with high levels of imperviousness and connectivity to storm drains. In the Spree and Havel rivers, the isotopic enrichment in summer and autumn reflected the impact of large-scale climate dynamics and evaporative losses in the upstream catchment. To mitigate climate change impacts on Berlin’s water resources in the future, the sustainable management of urban green spaces and better capturing of urban rainfall may limit water consumption at the local scale. However, maintaining discharge in the Spree and Havel rivers during warm and dry periods will require catchment-scale management practices that limit water consumption and losses in upstream areas. Future isotope-based research in urban areas has great potential to improve the understanding of urban water ages, source contributions to urban streamflow, evaporation and long-term drought recovery, as well as upscaling the results to other metropolitan areas.

Bei den Schätzungen der künftigen Auswirkungen bleiben die globalen Ungleichheiten der sozioökonomischen Bedingungen meist unberücksichtigt, die für die tatsächliche Fähigkeit der Systeme, viele der Anpassungsmaßnahmen umzusetzen, entscheidend sein werden. Um das zu erwartende Ausmaß der Anpassung auf der Grundlage wirtschaftlicher, finanzieller, menschlicher, technologischer und anderer Kapazitäten besser bestimmen zu können, sollten Projektionen der Klimaauswirkungen und der daraus resultierenden Verluste und Schäden die Koevolution zwischen Klimagefahren und sozioökonomischer Entwicklung berücksichtigen. In dieser Arbeit werden verschiedene Bereiche der Klimawissenschaft miteinander verknüpft, um ein Instrumentarium zur besseren Darstellung der Anpassung in quantitativen Modellierungsinstrumenten anzubieten. Der Ansatz bettet die sozioökonomischen Barrieren in den Szenariorahmen der Shared Socioeconomic Pathways (SSPs) ein, um quantitative Pfade der Anpassungsfähigkeit zu erstellen. Die Integration der Anpassungsfähigkeit in den Szenarioraum ermöglicht eine differenziertere Operationalisierung der Anpassung in der quantitativen Modellierung. Im ersten Teil der Arbeit werden zwei Erweiterungen des Szenariorahmens vorgestellt, die sich auf Indikatoren für die Regierungsführung und die Gleichstellung der Geschlechter als zwei der wichtigsten Hindernisse für die Anpassung konzentrieren. Im zweiten Teil werden zwei Anwendungen der Anpassungsfähigkeit für die Sektoren Gesundheit und Landwirtschaft vorgestellt, die den Zusammenhang zwischen sozioökonomischen Bedingungen und der unterschiedlichen Anfälligkeit für mögliche Klimastressoren aufzeigen. Das hier vorgestellte Toolkit eignet sich in erster Linie für den Einsatz in quantitativen Bewertungen von Auswirkungen und alternativen politischen Optionen, um anpassungsrelevante Informationen einzubeziehen, damit der Klimawandel unter verschiedenen sozioökonomischen Szenarien robuster dargestellt werden kann. / Adaptation to climate change can substantially reduce the negative impacts of climate change, but quantitative estimates of future impacts tend to disregard global inequalities in socio-economic conditions, which will be decisive for the systems’ actual ability to deploy many of the adaptation measures. To better ascertain the degree of adaptation that can be expected based on economic, financial, human, technological and other capacities, projections of climate impacts and the ensuing loss and damage should account for the co-evolution between climate hazards and socio-economic development. To this end, this thesis connects several areas of climate change science to offer a toolkit for improving the representation of adaptation in quantitative modeling tools. The approach shown here embeds the socio-economic barriers to into the scenario framework of Shared Socioeconomic Pathways (SSPs) to establish quantitative pathways of adaptive capacity. Integrating adaptive capacity in the scenario space opens opportunities for a more nuanced operationalization of adaptation in quantitative modeling. In the first half of the thesis, two extensions of the scenario framework are presented, focusing on indicators of governance and gender equality as two of the key barriers to adaptation that have not yet been part of the set of indicators in the SSPs. The second half of the thesis showcases two sectoral applications of adaptive capacity for the health and agriculture sectors, demonstrating the relationship between socioeconomic conditions and differential vulnerability to possible climate stressors. The toolkit presented in this thesis is primarily suited for use in quantitative assessments of impacts and alternative policy options to incorporate adaptation-relevant information, with the ultimate goal of a more robust representation of climate change under different socio-economic development scenarios.

Seit der industriellen Revolution haben Menschen durch Verbrennung von fossilen Energieträgern die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre erhöht. Die daraus folgende Erderwärmung hat weitreichende Folgen für das Klima, unter anderem häufigere und intensivere Wetterextreme. Wegen ihrer gravierenden Auswirkungen auf die Gesellschaft, ist es von allgemeinem Interesse zu verstehen, wie der menschengemachte Klimawandel diese Wetterextreme beeinflusst. In dieser kumulativen Dissertation analysiere ich erst zwei komplexe Wettereignisse, die die Nahrungsmittelproduktion in Europa beeinträchtigen: Frosttage nach dem Beginn der Apfelblüte und Feuchte Frühsommerperioden nach warmen Wintern. In einer dritten Studie untersuche ich wie dynamische Klimaveränderungen in den mittleren Breiten der Nordhalbkugel zu beständigerem Sommerwetter beitragen. Schließlich beschäftige ich mich mit tropischen Stürmen im Nordatlantik und damit, wie sie von der globalen Erwärmung beeinflusst werden. Eine zentrale methodische Herausforderung in diesem Forschungsfeld ist, dass Wetterextreme per Definition selten sind und dass es aufgrund der starken internen Klimavariabilität schwierig ist, die Veränderungen zu quantifizieren, die auf den menschgemachten Klimawandel zurück zu führen sind. In dieser Arbeit verfolge ich zweigegenläufige Ansätze um mit dieser Herausforderung um zu gehen: 1) Ich verwende große Klimasimulationsensembles um den Effekt der internen Klimavariabilität aus zu glätten und dadurch die erzwungenen Veränderungen beim Apfelfrost und in der Persistenz zu ergründen. 2) Mit Methoden, die auf Beobachtungsdaten beruhen, quantifiziere ich den Einfluss der internen Klimavariabilität auf tropische Zyklone um dann einschätzen zu können, in welchem Maß der beobachtete Anstieg der tropischen Zyklonaktivität im Atlantik der internen Klimavariabilität oder erzwungenen Veränderungen zugeschrieben werden kann. / Since the industrial revolution, humans have increased the greenhouse gas concentration of the atmosphere by burning fossil fuels. The resulting global warming has far reaching impacts on the climate system including increasingly frequent and intense weather extremes. Due to the severe impacts these weather extremes cause to societies, there is a strong interest in understanding how anthropogenic climate change affects weather extremes. In this cumulative thesis I first study two compound weather extremes that affect food production in Europe: frost days after apple blossom and wet early summers after warm winters. In a third study I quantify how dynamic changes in the climate system contribute to more persistent summer weather extremes in the northern hemispheric mid-latitudes. Finally, I analyze tropical cyclones in the Atlantic basin and changes in tropical cyclone activity as a result of global warming. One central methodological challenge in the research field is that weather extremes are rare by definition and that due to the strong internal climate variability it is difficult to quantify changes that are forced by anthropogenic climate change. In this thesis I explore two divergent approaches to this challenge: 1) Using large ensemble climate simulations I smooth out the effect of internal variability thereby exposing the forced change in apple frost and weather persistence. 2) Using observation based approaches, I quantify the contributions of internal climate variability on tropical cyclones in order to subsequently estimate to which extent the observed increase in tropical cyclone activity in the Atlantic can be attributed to internal climate variability or forced changes.

In nie dagewesener Größenordnung greift der Mensch durch die Verbrennung fossiler Energieträger und der weiträumigen Umgestaltung der Landoberfläche in die globale Umwelt ein. Klimawandel und Übernutzung natürlicher Ressourcen könnten schon in diesem Jahrhundert die Anpassungsfähigkeiten vieler ökologischer und sozialer Systeme übersteigen und somit zu Konflikten und politischer Destabilisierung führen. Vor diesem Hintergrund soll diese Studie zu einem besseren Verständnis der wichtigsten globalen Triebkräfte beitragen, die die Entwicklung der terrestrischen Biosphäre in diesem Jahrhundert prägen werden: Klimawandel und menschliche Landnutzung. Auf der Basis eines Dynamischen Globalen Vegetationsmodells werden im ersten Teil der vorliegenden Arbeit zwei große klimatische Störungen des globalen Kohlenstoffkreislaufs untersucht, die innerhalb der letzten drei Jahrzehnte beobachtet wurden. Im Fordergrund steht die Frage, wie sich die Veränderungen von Temperatur-, Niederschlags- und Strahlungsbedingungen auf pflanzliche Produktivität und Zersetzungsprozesse im Boden auswirkten. Es zeigt sich, dass vermehrte Kohlenstoffspeicherung in der Landbiosphäre den überwiegenden Teil der atmosphärischen CO2 Anomalien erklärt. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der weltweit steigenden Nachfrage nach Bioenergie, die aufgrund des flächenintensiven Anbaus von Biomasse zur wichtigsten Triebkraft für zukünftige Landnutzungsänderungen werden könnte. Aus der Kombination von Vegetationsmodellierung und räumlichen Datenanalysen werden globale Bioenergiepotentiale unter Berücksichtigung verschiedener Nachhaltigkeitsanforderungen bestimmt und mögliche ökologische Auswirkungen des großräumigen Anbaus von Energiepflanzen abgeschätzt. Im Jahr 2050 könnten demnach 15-25% des weltweiten Energiebedarfs durch Bioenergie abgedeckt werden. Dafür müssten allerdings natürliche Ökosysteme in großem Umfang in Agrarland umgewandelt werden. / Human activities, primarily the combustion of fossil fuels and the global modification of the land surface, are transforming the Earth System at unprecedented scale. Climate change and the overexploitation of natural resources may soon overwhelm the adaptive capacities of many ecosystems and societies, which could lead to substantial losses in human well-being and political destabilization. In this context, it is the goal of this thesis to contribute to a better understanding of the most important global drivers that will determine the future of the land biosphere during this century: climate change and human land use. Based on a Dynamic Global Vegetation Model (DGVM), the first part of this thesis examines two large climatic disturbances of the terrestrial carbon cycle that were observed during the last three decades. These analyses focus on the effects of changes in temperature, precipitation and radiation on plant productivity and soil decomposition. Results indicate that increased carbon storage in the land biosphere explains the most part of the atmospheric CO2 anomaly. The second part of this thesis addresses the worldwide increasing demand for bioenergy that may become the most important driver of future land use change due to the large area requirements of biomass cultivation. A combination of vegetation modeling and spatial data analyses is used to assess global bioenergy potentials that consider various sustainability requirements for food security, biodiversity protection and the reduction of greenhouse gas emissions and to evaluate the environmental impacts of large-scale energy crop cultivation. The results indicate that bioenergy may provide between 15 and 25% of the global energy demand in 2050. Exploiting these potentials, however, requires the conversion of large amounts of natural vegetation into agricultural land affecting a large number of ecosystems already fragmented and degraded by land use change.

Das Tianshan-Gebirge, als „Wasserturm“ Zentralasiens, hat entscheidenden Einfluss auf die Wasserressourcen der Region. Untersuchungen von 1950 bis 2016 zeigen, dass der Jahresniederschlag in den meisten Teilen des Gebirges zunahm, außer im westlichen Tianshan, wo er abnahm. Es gibt hoch- und niedrigfrequente Schwankungen im Niederschlag mit 3-, 6-, 12- und 27-jährigen Quasiperioden. Auf Dekadenskala gab es zwei Trockenperioden (1950–1962, 1973–1984) und zwei Feuchtperioden (1962–1972, 1985–2016). Seit 2004 ist eine kontinuierliche Feuchtezunahme zu verzeichnen. Zusammenhänge wurden zwischen Zirkulationsmustern und dem Niederschlag identifiziert. Das East Atlantic-West Russia (EATL/WRUS)-Muster korreliert positiv mit dem Winter-Niederschlag. Das Scandinavia (SCAND)-Muster beeinflusst den Sommerniederschlag. Das Silk Road-Muster (SRP) war im Zeitraum 1964-1984 relevant. Die Feuchtigkeitsquellen für den Tianshan-Niederschlag stammen zu 93,2% von kontinentalen Quellen und nur begrenzt aus dem Ozean. Zentralasien ist die Hauptfeuchtequelle für das Gebirge. Im westlichen Tianshan kommt die Feuchtigkeit hauptsächlich von Zentralasien von April bis Oktober und von Westasien von November bis März. Im östlichen Tianshan tragen Ost- und Südasien sowie Sibirien konstant zur Feuchtigkeit im Sommer bei. Der Beitrag der Feuchtigkeit aus dem Nordatlantik zum Sommerniederschlag im nördlichen, zentralen und östlichen Tianshan zeigt einen abnehmenden Trend, obwohl dieser Beitrag ohnehin begrenzt ist. In Monaten mit extremem Winterniederschlag stammt die größte Zunahme der Feuchtigkeit im westlichen Tianshan aus Westasien, während Europa einen wichtigen Beitrag zu den extremen Winterniederschlägen im nördlichen Tianshan leistet. Im östlichen Tianshan ist die Feuchtigkeitszufuhr aus Ost- und Südasien sowie aus Sibirien während der extremen Niederschlagsmonate sowohl im Winter als auch im Sommer erhöht. / The Tianshan Mountains, the "water tower" of Central Asia, are crucial water sources. Precipitation variability and water vapor transport impact water distribution. The study assessed 1950-2016 precipitation using Mann-Kendall tests and EEMD on GPCC data. Multi-timescale precipitation variations were analyzed with NCEP/NCAR reanalysis, and moisture sources during 1979–2017 with ERA–Interim data. Most of Tianshan had increasing annual precipitation, except Western Tianshan, which experienced a downtrend. Precipitation exhibited 3- and 6-year cycles and 12- and 27-year cycles. On the decadal scale, two dry and two wet periods occurred, with continuous humidification since 2004. A significant positive correlation was found between East Atlantic-West Russia EATL/WRUS circulation pattern and winter precipitation. SCAND influenced Tianshan's summer precipitation, with a wet period after 1988 due to enhanced water vapor flux. SCAND and EAP strengthened water vapor fluxes to Tianshan. SRP impacted Tianshan's summer precipitation during 1964–1984. About 93.2% of Tianshan's moisture comes from continental sources. Central Asia dominates moisture supply. Western Tianshan receives moisture mainly from Central Asia (April to October) and Western Asia (November to March). Almost 13.0% of Eastern Tianshan's summer moisture originates from East and South Asia and Siberia, with steady contributions. Moisture from the North Atlantic Ocean to summer precipitation in Northern, Central, and Eastern Tianshan shows a decreasing trend, but limited overall contribution. Extreme winter precipitation in Western Tianshan is linked to moisture from West Asia. Europe significantly contributes to extreme winter precipitation in Northern Tianshan. Eastern Tianshan sees enhanced moisture from East and South Asia and Siberia during extreme precipitation months in winter and summer.

Die Gletscher Hochasiens beeinflussen durch ihr Schmelzwasser die Wasserverfügbarkeit eines der gefährdetsten ‚globalen Wassertürme‘. Des Weiteren stellen diese Gletscher und die Gletscherseen eine Gefahr durch Überschwemmungen, Lawinen und Erdrutsche dar. Die Sensitivität und Variabilität von Gletschermassenbilanzen in Hochasien werden in dieser Dissertation untersucht. Das Energie- und Massenbilanzmodell „COupled Snowpack and Ice surface energy and mass balance model in PYthon (COSIPY)“ ist dabei das Hauptwerkzeug. Neun verschiedene gegitterte Niederschlagsdatensätze wurden verglichen, um Aussagen über deren Anwendungsmöglichkeiten zu treffen. Es wurden Verfahren für die Vorverarbeitung von Reanalyse-Datensätzen entwickelt, um diese als klimatische Antriebsdaten für COSIPY zu verwenden. Dazu standen Daten von drei automatischen Wetterstationen an verschiedenen Gletschern zur Verfügung. Die Modellevaluation auf der Basis von Beobachtungsdaten bildete den Ausgangspunkt, um die klimatische Massenbilanz von 14 Gletschern in allen großen Gebirgszügen Hochasiens mit einem konsistenten Ansatz zu modellieren. Die räumlich aufgelösten klimatischen Massenbilanzen von 2000 bis 2018 wurden mithilfe geodätischer Massenbilanzen aus Fernerkundungsdaten kalibriert. Generell haben mehr südöstlich gelegene Gletscher höhere Massenumsätze und diese sind sensitiver gegenüber Schwankungen von Temperatur und Niederschlag. Alle Gletschermassenbilanzen sind am sensitivsten gegenüber Temperaturänderungen im Sommer und gegenüber Niederschlagsänderungen im Sommer oder Frühling. Die Resultate unterstreichen die Notwendigkeit zukünftiger Forschung zu räumlich aufgelösten Reaktionen von Gletschern auf Klimaantrieb und daraus resultierender Variabilität von Schmelzwasser unter Verwendung interdisziplinärer Methoden in Hochasien. Aufgrund der Heterogenität der Gletscher in Hochasien ist diese Forschung essentiell für die künftige Anpassung an Klimavariabilität und Klimawandel in der Region. / The meltwater from the glaciers of High Mountain Asia (HMA) impacts water availability of one of the most vulnerable ‘water towers’ of the globe. Furthermore, glaciers and glacial lakes represent a danger through floods, avalanches and landslides. The climatic sensitivity and variability of the glacier mass balances are investigated within this thesis. The COupled Snowpack and Ice surface energy and mass balance model in PYthon (COSIPY) is thereby the main tool. Nine gridded precipitation datasets have been compared to evaluate possible applications in HMA. The variability and timing of precipitation between May and September 2017 are consistent between the datasets, whereas great differences in precipitation amount were found. A preprocessing toolbox has been developed to use reanalysis datasets as climate forcing for COSIPY within the thesis. Measurements of three automatic weather stations at different glaciers were available for bias correction. Based on these model validations with observed data, climatic mass balances of 14 glaciers in all major mountain ranges in HMA were simulated using a consistent approach. The distributed climatic mass balances for the period from October 2000 to September 2018 were calibrated with remote-sensing-based geodetic mass balances. In general, glaciers with higher mass turnover are located in the southeast of HMA. They are more sensitive to perturbations of temperature and precipitation. All glaciers are most sensitive to monthly temperature perturbations in summer and to precipitation perturbations in summer, spring or spring and summer. The results emphasise the need for future research on spatially resolved responses of glaciers to climate forcing and resulting variability of meltwater using coherent interdisciplinary methods in HMA. Due to the heterogeneity of glaciers in HMA, such research is essential for adaptation to future climate variability and climate change in the region.

Diese Arbeit ist die erste systematische Analyse des globalen Bewässerungsbedarfs für die Bioenergieproduktion des 21. Jahrhundert. In der aktuellen Literatur finden sich diesbezüglich Prognosen von 128,4–9000 km3 yr−1. Die Zahlen hängen stark von den gewählten Parametern und Annahmen sowie den angewandten Methoden und Modellen ab. In systematischen Simulationen für die wichtigsten Parameter mit dem globalen Vegetationsmodell LPJmL, ergeben sich zwei mögliche Pfade um die Erwärmung auf 1.5°C zu begrenzen. Entweder müssten hocheffiziente Bioenergiesysteme entwickelt werden oder es müsste eine unbegrenzte Plantagenfläche bewässert werden dürfen, ohne dabei den Wasserbedarf der Ökosysteme zu berücksichtigen. Letzteres führt zu einem Interessenkonflikt, bei dem die Biomasseproduktion zur Klimarettung auf der einen Seite und der Schutz von Ökosystemen auf der anderen Seite stehen. Ein weiteres Dilemma wird sichtbar, wenn man den Wasserstress, der sich aus der zusätzlichen Bewässerung ergäbe, mit dem in einer durch ungebremsten Klimawandel um 3°C erwärmten Welt ohne Bioenergie vergleicht: In beiden Szenarien könnte (im Vergleich zu heute) der Wasserstress bis zum Ende des 21. Jahrhunderts stark steigen. Tatsächlich ergäbe sich im Bioenergie-Szenario aber sogar potenziell mehr Wasserstress als im Klimawandel-Szenario. Nachhaltiges Wassermanagement als Kombination aus Wasserentnahmebeschränkungen gemäß den Anforderungen von Flussökosystemen und verbessertem Wassermanagement auf agrarischen Nutzflächen hätte das Potenzial, diesen zusätzlichen Wasserstress zu begrenzen, wäre jedoch auf globaler Ebene schwierig zu etablieren. Diese Arbeit bestätigt, dass Bioenergieplantagen neben den Negativemissionen, die sie liefern sollen, auch zu unerwünschten Nebenwirkungen in anderen Dimensionen des Erdsystems führen könnten. / This thesis provides a first systematic assessment of 21st century global irrigation water demands for bioenergy production, for which the current body of literature projects a range of 128.4–9000 km3 yr−1. The numbers strongly depend on the parameters and assumptions chosen as well as methodologies and models applied. Systematic simulations for the identified key parameters in the dynamic global vegetation model LPJmL yield that even with optimal bioenergy plantation locations, 1.5°C can only be reached in scenarios with highly efficient bioenergy systems or strong irrigation expansion without withdrawal limitations. As a result of the large irrigation requirements, a conflict of interest arises between producing sufficient biomass and protecting environmental flows. A further dilemma is delineated by a comparison of the water stress resulting from the additional irrigation needed to limit climate change and the water stress in a 3°C warmer world without bioenergy. In both scenarios, the global area and the number of people experiencing water stress would increase severely by the end of the 21st century. The bioenergy scenario shows even higher water stress than the case of unmitigated climate change. Sustainable water management, as a combination of water withdrawal restrictions according to environmental flow requirements and improved on-field water management, has the potential to limit this additional water stress. But it would be a challenge to establish such strategies on a global scale. This work confirms that in order to provide large amounts of negative emissions, BECCS might lead to undesired deterioration of our environment and impacts for humanity. It further highlights the dilemma of rising water stress regardless whether climate change or climate change mitigation via irrigated bioenergy become a reality.