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.

Hitzestress beeinflusst nicht nur das Wohlbefinden, sondern vor allem auch die menschliche Gesundheit. Während Hitzestress im Außenraum bereits detailliert untersucht wurde, gibt es nur wenige Studien, welche sich mit thermischen Belastungen im Innenraum befassen. Dabei hält sich die Bevölkerung der Industriestaaten im Durchschnitt durchschnittlich 90 % des Tages im Innenraum auf. Analysen der klimatischen Bedingungen im Innenraum sind essenziell, um zugrundeliegende Prozesse zu verstehen, die Auswirkungen auf den Menschen zu erfassen und passende Anpassungsstrategien entwickeln zu können. Ziel der Arbeit ist es daher, verschiedene Innenraumklimata zu untersuchen und zu bewerten. Zur Untersuchung ihrer Charakteristika wurden Räume ohne Nutzerverhalten innerhalb eines Gebäudes bemessen und analysiert. Die Ergebnisse wurden dann verwendet, um ein detailliertes Innenraummesssystem zu entwickelt und an verschiedenen Standorten in Berlin aufzubauen. Die erhobenen Daten wurden dann verwendet, um die Variabilität von Hitzestress im Innenraum zeitlich und räumlich anhand des UTCI (Universal Thermal Climate Index) zu untersuchen. Den Abschluss bilden umfangreiche Analysen zu den Einflüssen von Innenraum- und Außenraumtemperaturen auf die Mortalität mittels Generalisierter Additiver Modelle (GAM). Die Ergebnisse zeigen, dass Hitzestress im Innenraum eine ernstzunehmende Gefahr darstellt. Alle Untersuchungsräume weisen hohe thermische Belastungen auf. UTCI Werte im Innenraum schwanken innerhalb eines Gebäudes und weisen im Vergleich zum Außenraum sehr hohe Belastungswerte während der Nacht auf. Die höchsten Werte wurden in modernen Gebäuden mit großen Fensterflächen ermittelt. Bezüglich der unterschiedlichen Einflussfaktoren auf das Innenraumklima konnte das Außenklima als wichtigste Einflussgröße bestätigt werden. Des Weiteren zeigt sich, dass die Innenraumtemperatur im Vergleich zur Außenraumtemperatur ein ebenso guter Prädiktor für Mortalität ist. / Heat stress influences not only the comfort of humans but also human health. Heat stress in outdoor environments has been investigated extensively, whereas only a few studies have focused on indoor environments. People in industrialized countries spend approximately 90 % of their day in confined spaces. Analyses of indoor climatic conditions are essential to understanding the underlying processes, determining the impacts on humans and developing appropriate adaptation measures. The aim of this work is to investigate and assess different indoor climates and provide a valuable contribution to future research questions. To analyze indoor climate characteristics or, rather, the influence of different meteorological parameters, the indoor climate in four rooms in one building without user behavior was measured and examined. The results were used to establish a detailed indoor measurement system at different study sites distributed over Berlin. The gathered data were then used to assess indoor heat stress variability on a temporal and spatial scale using the UTCI (Universal Thermal Climate Index). Finally, an extensive analysis of the influence of indoor climate and outdoor climate on mortality was conducted by applying generalized additive models (GAM). The results indicate that indoor heat stress is a severe threat. All study rooms experienced high thermal loads, regardless of the building type they were located in or their location within the building. Indoor UTCI values varied within buildings and further exhibited very high heat stress levels during night compared to outdoors. The highest values were measured in modern buildings with a high percentage of windows. Among the different driving factors of indoor climate, outdoor climate was confirmed to have the highest impact. Moreover, this thesis shows that indoor air temperature is an equally good predictor of mortality compared to outdoor climate.

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

Zahlreiche Studien den Stand der Forschung in Bezug auf die Ökosystemdienstleistungen untersucht. Dennoch wurde die Dimension „Volumen und Höhe“, d.h. die dritte Dimension städtischer Systeme, in den Studien zu Ökosystemdienstleistungen in städtischen Gebieten ignoriert. Die Forschungsziele und Fragestellungen dieser Dissertation lauten: i) Stand der aktuellen Forschung zur dritten Dimension von Ökosystemdienstleistungen im städtischen Raum, ii) Beurteilung des Zusammenhangs von urbanen mehrdimensionalen Indikatoren (zwei- und dreidimensionalen Indikatoren) für die Oberflächentemperatur in der Stadt und iii) Unterschiede zwischen Innen- und Außentemperaturen in urbanen Räumen. Diese Dissertation ist in vier Kapitel gegliedert. Im ersten und zweiten Kapitel werden die Forschungslücken und das Ziel der vorliegenden Untersuchung erläutert. Kapitel 3 enthält die veröffentlichten Artikel. Das letzte Kapitel behandelt die Ergebnisse der veröffentlichten Artikel. Diese Dissertation betont die Bedeutung von dreidimensionalen Studien in urbanen Ökosystemen, um das Konzept der Nachhaltigkeit in Städten voranzutreiben. Deshalb werden kontinentübergreifende Forschungen für weitere Studien empfohlen, die die dreidimensionale Struktur aller städtischen Komponenten und ihre Auswirkungen auf die Außen- und Innentemperatur berücksichtigen. / Among the studies on ecosystem services undertaken in urban areas, a ‎dimension ‘volume and height’, i.e., the third-dimension of urban environment is largely ignored. More specific, three-dimensional spatial models will increase the knowledge of how complex environment ‎shape the micro-climate in urban ‎environment. The research objectives and questions of this dissertation is: i) the status of the current research addressing the third-dimension of ‎ecosystem services in urban area, ii) assessing the association of urban multi-dimensional (two- and three- ‎dimensional) indicators on urban surface temperature and iii) variation of indoor and outdoor urban temperature pattern. This dissertation is organized into four chapters. The ‎first and second chapter explain the gaps in literature and the aim of this research. Chapter 3 holds the published articles. The last chapter discusses the results of the published articles. This dissertation emphasizes the importance of three-dimensional studies in urban ecosystems to advance the concept of sustainability in cities. Therefore, cross-continental studies that consider the three-dimensional structure of all the urban components and its impact on outdoor and indoor temperature is recommended for future research. / به جرات می توان گفت که در مطالعات خدمات اکوسیستم، بخصوص خدمات اکوسیستم شهری ، بعد سوم که شامل "ارتفاع و حجم" می باشد اصلا مورد توجه قرار نگرفته است. هدف از این پایان نامه، تلفیق مفهوم بعد سوم در خدمات اکوسیستم شهری و استفاده از فواید آن می باشد. مطالعه بعد سوم دانش ما را در نحوه شکل گیری اقلیم خُرد شهری افزایش می دهد. هدف این پروژه دکتری پاسخ به سوالات ذیل می باشد: 1) سطح آگاهی تحقیقات از بعد سوم خدمات اکوسیستم شهری، 2) ارزیابی ارتباط شاخص های چندبعدی (دو و سه بعدی) با دمای سطح و 3) ارزیابی الگوی دمای درونی و بیرونی در شهر. جهت پاسخ دادن به سوال های مطرح شده، این پژوهش به چهار فصل تقسیم شده است. فصل اول و دوم، که جایگاه خدمات اکوسیستم را در مطالعات شهری بررسی و جای خالی مفهوم بعد سوم در مطالعات خدمات اکوسیستم شهری را جستجو می کند. فصل سوم، شامل سه مقاله چاپ شده در راستای این پروژه دکتری می باشد. فصل چهارم، که نتایج بدست آمده را تجزیه و تحلیل می کند. نتایج بدست آمده نشان می دهد که مطالعات خدمات اکوسیستم شهری از معنی کلی و بنیادی به سمت سازش پذیری شهرها با پدیده تغییر اقلیم در حال تغییر است. همچنین نتایج نشان می دهد که ساختار متفاوت شهری بر شکل گیری الگوی دمای بیرون و داخل ساختمان ها موثر می باشد. استنتاج نتایج بدست آمده از این پایان نامه دو مورد را پیشنهاد می کند. اول، بررسی نقش ساختار های دو بعدی و سه بعدی بر روی دیگر شهر ها و تاثیر آن بر شکل گیری دمای بیرون و درونی ساختمان ها.

In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines Gebäudeenergiemodells (BEM) und eines Schemas für die mittlere Strahlungstemperatur ($T_mrt$) vorgestellt, das in das Doppel-Canyon basierte städtische Bestandsschichtsschema (DCEP) integriert ist. Das erweiterte DCEP-BEM Modell zielt darauf ab, eine Verbindung zwischen anthropogener Wärme und dem Stadtklima herzustellen, indem Gebäude in Straßenschluchten einbezogen werden, um die Energieflüsse auf städtischen Oberflächen, die Auswirkungen der anthropogenen Wärme auf die Atmosphäre, die Innenraumlufttemperatur und die Abwärme von Klimaanlagen zu untersuchen. Das DCEP-BEM wird mit dem mesoskaligen Klimamodell COSMO-CLM (COnsortium for Small-scale MOdelling in CLimate Mode, im Folgenden CCLM) gekoppelt und zur Simulation des Winters und Sommers 2018 in Berlin. Die Auswertung der Wintersimulationen zeigt, dass CCLM/DCEP-BEM den mittleren Tagesverlauf der gemessenen turbulenten Wärmeströme gut reproduziert und die simulierte 2-m-Lufttemperatur und den städtischen Wärmeinseleffekt (UHI) verbessert. Im Sommer bildet das CCLM/DCEP-BEM die Innenraumlufttemperatur richtig ab und verbessert die Ergebnisse für die 2-m-Lufttemperatur und die UHI leicht. Außerdem wird das CCLM/DCEP-BEM angewendet, um die Abwärmeemissionen von Klimaanlagen im Sommer zu untersuchen. Die Abwärmeemissionen der Klimaanlagen erhöhen die Lufttemperatur in Oberflächennähe erheblich. Der Anstieg ist in der Nacht und in hochurbanisierten Gebieten stärker ausgeprägt. Es werden zwei Standorte für die AC-Außengeräte betrachtet: entweder an der Wand eines Gebäudes (VerAC) oder auf dem Dach eines Gebäudes (HorAC). Die Auswirkung von HorAC ist im Vergleich zu VerAC insgesamt geringer, was darauf hindeutet, dass HorAC einen kleineren Einfluss auf die oberflächennahe Lufttemperatur und den UHI hat. Ein Schema für $T_mrt$ wird für das CCLM/DCEP-BEM entwickelt und umfassend validiert. Es wird gezeigt, dass dieses Schema eine zuverlässige Darstellung von $T_mrt$ bietet. / This work presents the development of a building energy model (BEM) and a mean radiant temperature ($T_mrt$) scheme integrated in the urban canopy scheme Double Canyon Effect Parametrization (DCEP). The extended DCEP-BEM model aims to establish a link between anthropogenic heat emissions and urban climate by including the interior of buildings in urban street canyons to investigate the energy fluxes on urban surfaces, the effects of anthropogenic heat on the atmosphere, the evolution of indoor air temperature, and waste heat from air conditioning (AC) systems. DCEP-BEM is coupled with the mesoscale climate model COSMO-CLM (COnsortium for Small-scale MOdelling in CLimate Mode, hereafter CCLM) and applied to simulate the winter and summer 2018 of Berlin. The evaluation for winter simulations indicates that CCLM/DCEP-BEM reproduces well the average diurnal characteristics of the measured turbulent heat fluxes and considerably improves the simulated 2-m air temperature and urban heat island (UHI). In summer, CCLM/DCEP-BEM accurately reproduces the indoor air temperature, and slightly improves the performance of the 2-m air temperature and the UHI effect. Furthermore, CCLM/DCEP-BEM is applied to explore the waste heat emissions from AC systems in summer. AC waste heat emissions considerably increase the near-surface sensible heat flux and air temperature. The increase is more pronounced during the night and in highly urbanised areas. Two locations for the AC outdoor units are considered: either on the wall of a building (VerAC) or on the rooftop of a building (HorAC). The effect of HorAC is overall smaller compared to VerAC, indicating that HorAC has a smaller impact on the near-surface air temperature and the UHI effect. A $T_mrt$ scheme is developed for CCLM/DCEP-BEM and extensively evaluated. It is shown that this scheme provides a reliable representation of $T_mrt$.