The eminent importance of snow cover for climatic, hydrologic, anthropogenic, and economic reasons has been widely discussed in scientific literature. Up to 50% of the Northern Hemisphere is covered by snow at least temporarily, turning snow to the most prevalent land cover types at all. Depending on regular precipitation and temperatures below freezing point it is obvious that a changing climate effects snow cover characteristics fundamentally. Such changes can have severe impacts on local, national, and even global scale. The region of Central Asia is not an exception from this general rule, but are the consequences accompanying past, present, and possible future changes in snow cover parameters of particular importance. Being characterized by continental climate with hot and dry summers most precipitation accumulates during winter and spring months in the form of snow. The population in this 4,000,000 km² vast area is strongly depending on irrigation to facilitate agriculture. Additionally, electricity is often generated by hydroelectric power stations. A large proportion of the employed water originates from snow melt during spring months, implying that changes in snow cover characteristics will automatically affect both the total amount of obtainable water and the time when this water becomes available. The presented thesis explores the question how the spatial extent of snow covered surface has evolved since the year 1986. This investigation is based on the processing of medium resolution remote sensing data originating from daily MODIS and AVHRR sensors, thus forming a unique approach of snow cover analysis in terms of temporal and spatial resolution. Not only duration but also onset and melt of snow coverage are tracked over time, analyzing for systematic changes within this 26 years lasting time span. AVHRR data are processed from raw Level 1B orbit data to Level 3 thematic snow cover products. Both, AVHRR and MODIS snow maps undergo a further post-processing, producing daily full-area mosaics while completely eliminating inherent cloud cover. Snow cover parameters are derived based on these daily and cloud-free time series, allowing for a detailed analysis of current status and changes. The results confirm the predictions made by coarse resolution predictions from climate models: Central Asian snow cover is changing, posing new challenges for the ecosystem and future water supply. The changes, however, are not aimed at only one direction. Regions with decreasing snow cover exist as well as those where the duration of snow cover increases. A shift towards earlier snow cover start and melt can be observed, posing a serious challenge to water management authorities due to a changed runoff regime. / Die Bedeutung von Schneebedeckung hinsichtlich klimatischer, hydrologischer, anthropogener und ökonomischer Gesichtspunkte wurde in der wissenschaftlichen Literatur bereits umfassend diskutiert. Bis zu 50% der Nördlichen Hemisphäre sind zeitweise schneebedeckt. Abhängig von Niederschlag und Temperaturen unter dem Gefrierpunkt beeinflussen Veränderungen des Klimas zwangsläufig die Charakteristik der Schneeverteilung. Solche Veränderungen können weitreichende Folgen auf lokalem, nationalem und sogar globalem Maßstab haben. Zentralasien stellt in diesem Zusammenhang keine Ausnahme dar, denn die Konsequenzen vergangener, aktueller und möglicher zukünftiger Schneebedeckungsveränderungen sind hier besonders gravierend: Wegen des kontinentalen Klimas und den damit verbundenen trocken-heißen Sommern fällt der Hauptteil des verfügbaren Niederschlages in den Winter- und Frühlingsmonaten in Form von Schnee. Die Bevölkerung in der etwa 4.000.000 km² großen Region ist in besonderem Maße von Bewässerungslandwirtschaft abhängig. Darüber hinaus wird ein Großteil der Elektrizität durch Wasserkraftwerke erzeugt. Das für diese Zwecke verwendete Wasser generiert sich hauptsächlich durch Schneeschmelze im Frühling. Veränderungen im Schneehaushalt haben unmittelbare Auswirkungen auf die Menge des zur Verfügung stehenden Wassers sowie den Zeitpunkt, zu dem dieses frei wird. Die vorgestellte Arbeit wird der Frage nachgehen, wie sich die räumliche Ausdehnung schneebedeckter Flächen seit dem Jahr 1986 entwickelt hat. Diese Untersuchung basiert auf der Analyse mittelaufgelöster Fernerkundungsdaten der Sensoren MODIS und AVHRR, die mit der verbundenen zeitlichen und räumlichen Auflösung einen einmaligen Ansatz darstellen. Nicht nur die Schneebedeckungsdauer, sondern auch Beginn und Ende der Schneesaison werden über die Zeit hinweg verfolgt, um systematische Veränderungen innerhalb der 26 Jahre andauernden Zeitreihe analysieren zu können. Rohe AVHRR Daten werden in thematische Produkte überführt, die dann zusammen mit den MODIS Schneeprodukten prozessiert werden um tägliche, wolkenfreie Mosaike der kompletten Region zu erzeugen. Die Ergebnisse bestätigen Vorhersagen grob aufgelöster Klimamodelle: Die Schneebedeckung in Zentralasien verändert sich und stellt damit die Ökosysteme und Wasserplanungsbehörden vor neue Herausforderungen. Die Änderungen sind jedoch nicht ausschließlich negativ: Regionen mit reduzierte verringerter Schneebedeckung existieren neben solchen, in denen die Bedeckung zunimmt. Eine generelle Verschiebung der Schneebedeckung hin zu früherem Beginn und früherem Ende der Saison kann ebenfalls beobachtet werden. Gerade diese Verschiebung stellt die Behörden und Wasserplaner vor deutliche Herausforderungen, da mit diesen Verschiebungen auch eine Änderung des zugrundeliegenden Abflussregimes einhergeht. / Значение снежного покрова с климатической, гидрологической, антропогенной и экономической точки зрения в научной литературе широко обсуждалось. До 50% северное полушарие временами покрытa снегом. Поэтому снег являетса, по крайней мере временно самым распространенным покрытием земли. В замисимости от осадков и температур ниже градуса звмерзения, изменения климата воздействуют на характеристику распределения снега. Такие изменения могут иметь далеко идущие последствия местного, регионального и дaже глобального масштаба. Центральная Азия в данном моменте не являетса исключенная, потому что последствия прошлых, настояших, и возможных будушщих изменений покрова снега значительны серьезные: из-за континентального климата и связанного с этим сухого жаркого лета, основная часть осадков падает на зимние и весенние месяцы в виде снега. Жители этого примерно 4.000.000 км² региона, в большой степени зависят от оросительной системы. Кроме того, большая часть электричества производится с помощью электростанций. Использумая для этого вода образуется от тайния снега весной. Изменение количества снега оказывает непосредственное влияние на каличество готовой для использования воды и на время её образования. Представленная работа рассматривает вопрос как развивалось пространственное расширение снежного покрова площадей с 1986 года. Эти иследования базироваться на процессиворании данных сеисоров MODIS и AVHRR которые представляют связанные временем и пространством показыват беспримерную методику. Не только время снежного покрова, но и начало и конец снежного сезана наблюдались в течение продолжительного времене, чтобы анализировать систематические изменения произошедшие в течение 26 лет. Результаты подтверждают предсказание модель климата с низким разрешением: снежный покров Центральной Азии изменяетса и ставит экологическую систему и управление водных планирования перед новыми задачами. Однако изменения направленн не только в одну сторону: регионы с уменьшением снежного покрова существовать рядом с такими, в которых величена снежного покрова увеличивается. Всеобщим сдвиг снежного покрова в сторону раннего начала и раннего окончания сезона так же наблюдается. Как раз эти сдвиги ставят а власти и хозяйства вода планирования перед сложные задачи, так как с этими сдвигами связаны и изменения в системе сточных вод.

The glaciers in Norway exert a strong influence on Norwegian economy and society. Unlike many glaciers elsewhere and despite ongoing climate change and warming, many of them showed renewed advances and positive net mass changes in the 1980's and 1990's, followed by rapid retreats and mass losses since 2000. This difference in behaviour may be attributed to differences and shifts in the glaciological regime - the differences in the magnitude of impacts of climatic and non-climatic geographical factors on the glacier mass. This study investigates the influence of various atmospheric variables on mass balance changes of a selection of glaciers in Norway by means of Pearson correlation analyses and cross-validated stepwise multiple regression analyses. The analyses are carried out for three time periods (1949-2008, 1949-1988, 1989-2008) separately in order to take into consideration the possible shift in the glaciological regime in the 1980's. The atmospheric variables are constructed from ERA40 and NCEP/NCAR re-analysis datasets and include regional means of seasonal air temperature and precipitation rates and atmospheric circulation indices. The multiple regression models trained in these time periods are then applied to predictors reconstructed from the CMIP3 climate model dataset to generate an estimate for mass changes from the year 1950 to 2100. The temporal overlap of estimates and observations is used for calibration. Finally, observed atmospheric states in seasons that are characterised by a particularly positive or negative mass balance are categorised into time periods of modelled climate by the application of a Bayesian classification procedure. The strongest influence on winter mass balance is exerted by different indices of the North Atlantic Oscillation (NAO), Northern Annular Mode (NAM) and precipitation. The correlation coefficients and explained variances determined from the multiple regression analyses reveal an East-West gradient, suggesting a weaker influence of the NAO and NAM on glaciers underlying a more continental regime. The highest correlation coefficients and explained variances were obtained for the 1989-2008 time period, which might be due to a strong and predominantly positive phase of the NAO. Multi-model ensemble means of the estimates show a mass loss for all three eastern glaciers, while the estimates for the more maritime glaciers are ambivalent. In general, the estimates show a greater sensitivity to the training time period than to the greenhouse gas emission scenarios according to which the climates were simulated. The average net mass change by the end of 2100 is negative for all glaciers except for the northern Engabreen. For many glaciers, the Bayesian classification of observed atmospheric states into time periods of modelled climate reveals a decrease in probability of atmospheric states favouring extremes in winter, and an increase in probability of atmospheric states favouring extreme mass loss in summer for the distant future (2071-2100). This pattern of probabilities for the ablation season is most pronounced for glaciers underlying a continental and intermediate regime. / Gletscher in Norwegen stellen einen starken Einflussfaktor auf Wirtschaft und Gesellschaft dar. Trotz des Klimawandels und Erwärmung kam es zu einem Vorstoß der Gletscher in den späten 1980er und 1990ern, welcher erst ab dem Jahr 2000 durch einen starken Massenverlust abgelöst wurde. Dieses Verhalten lässt sich möglicherweise durch Unterschiede und Veränderungen im glaziologischen Regime erklären, d.h. Unterschiede in der Stärke der Einflüsse von klimatisch und nicht-klimatischen Faktoren auf die Gletschermassenbilanzen. Diese Arbeit untersucht den Einfluss verschiedener atmosphärischer Variablen auf die Massenveränderungen einiger Gletscher in Norwegen mit Hilfe von Korrelationsanalysen und kreuzvalidierten schrittweise multiple Regressionsanalysen. Diese werden für die Zeitabschnitte 1949-2008, 1949-1988 und 1989-2008 separat durchgeführt um den möglichen Regimewechsel in the 1980ern zu berücksichtigen. Die atmosphärischen Variablen werden aus ERA40 und NCEP/NCAR Re-analysen erstellt und beinhalten unter anderem atmosphärische Zirkulationsindizes und regionale Mittel von saisonalem Niederschlag und Temperatur. Die Regressionmodelle werden dann auf die aus den Daten des CMIP3 Klimamodelldatenarchiv rekonstruierten Prädiktoren angewandt um eine Abschätzung der Gletschermassenveränderung für den Zeitraum von 1950 bis 2100 zu erstellen. Die zeitliche Überschneidung von Abschätzungen und Beobachtungen wird zur Eichung genutzt. Zuletzt wird durch einen Bayesischen Klassifizierungsansatz beobachtete atmosphärische Zustände in Jahren, die durch besonders negative oder positive Massenbilanzen geprägt sind, in Zeitabschnitte von modelliertem Klima eingeordnet. Der größte Einfluss auf Wintermassenbilanzen stellt die Nordatlantische Oszillation, Arktische Oszillation und Niederschlagsmittel dar. Die Höhe der Korrelationskoeffizienten und der durch diese Prädiktoren erklärte Varianz der Wintermassenbilanz nimmt für die östlich gelegenen, kontinental geprägteren Gletscher ab. Die stärksten stochastischen Zusammenhänge und höchsten erklärten Varianzen werden aus dem 1989-2008 Zeitabschnitt gewonnen und lassen sich möglicherweise durch eine meist starke und positive Phase der Winter-NAO in diesem Zeitraum erklären. Multi-model Ensemble Means der Abschätzungen der Gletschermassenveränderungen zeigen den größten Massenverlust für die östlich gelegenen, kontinentaleren Gletscher auf. Die Abschätzungen für die eher maritim geprägten Gletscher sind weniger eindeutig. Im Allgemeinen reagieren die Abschätzungen empfindlicher auf die Wahl des Trainingszeitraums für die Regressionsmodelle als auf die Emissionsszenarien der Klimamodellläufe. Im Durchschnitt ist die kumulative Massenbilanz im Jahr 2100 jedoch für fast alle Gletscher negativ. Der nördlich gelegene Engabreen stellt die einzige Ausnahme dar. Die Resultate des Bayesischen Klassifikationsansatzes zeigen eine Abnahme in der Wahrscheinlichkeit für atmospphärischen Zustände, die Minima und Maxima winterlicher Akkumulation begünstigen. Des Weiteren zeigen die Resultate eine Zunahme in der Wahrscheinlichkeit der atmosphärischen Zustände, die starken Massenverlust im Sommer begünstigen. Dies ist besonders bei den Gletschern der Fall, die einem kontinentalen oder Übergangsregime unterliegen.

Der anthropogene Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Eine Hauptschwierigkeit liegt dabei in der Unsicherheit bezüglich der regionalen Änderung von Niederschlag und Temperatur. Hierdurch wird die Entwicklung geeigneter Anpassungsstrategien deutlich erschwert. In der vorliegenden Arbeit werden vier Evaluationsansätze mit insgesamt 13 Metriken für aktuelle globale (zwei Generationen) und regionale Klimamodelle entwickelt und verglichen, um anschließend eine Analyse der Projektionsunsicherheit vorzunehmen. Basierend auf den erstellten Modellbewertungen werden durch Gewichtung Aussagen über den Unsicherheitsbereich des zukünftigen Klimas getroffen. Die Evaluation der Modelle wird im Mittelmeerraum sowie in acht Unterregionen durchgeführt. Dabei wird der saisonale Trend von Temperatur und Niederschlag im Evaluationszeitraum 1960–2009 ausgewertet. Zusätzlich wird für bestimmte Metriken jeweils das klimatologische Mittel oder die harmonischen Zeitreiheneigenschaften evaluiert. Abschließend werden zum Test der Übertragbarkeit der Ergebnisse neben den Hauptuntersuchungsgebieten sechs global verteilte Regionen untersucht. Außerdem wird die zeitliche Konsistenz durch Analyse eines zweiten, leicht versetzten Evaluationszeitraums behandelt, sowie die Abhängigkeit der Modellbewertungen von verschiedenen Referenzdaten mit Hilfe von insgesamt drei Referenzdatensätzen untersucht. Die Ergebnisse legen nahe, dass nahezu alle Metriken zur Modellevaluierung geeignet sind. Die Auswertung unterschiedlicher Variablen und Regionen erzeugt Modellbewertungen, die sich in den Kontext aktueller Forschungsergebnisse einfügen. So wurde die Leistung der globalen Klimamodelle der neusten Generation (2013) im Vergleich zur Vorgängergeneration (2007) im Schnitt ähnlich hoch bzw. in vielen Situationen auch stärker eingeordnet. Ein durchweg bestes Modell konnte nicht festgestellt werden. Der Großteil der entwickelten Metriken zeigt für ähnliche Situationen übereinstimmende Modellbewertungen. Bei der Gewichtung hat sich der Niederschlag als besonders geeignet herausgestellt. Grund hierfür sind die im Schnitt deutlichen Unterschiede der Modellleistungen in Zusammenhang mit einer geringeren Simulationsgüte. Umgekehrt zeigen die Metriken für die Modelle der Temperatur allgemein überwiegend hohe Evaluationsergebnisse, wodurch nur wenig Informationsgewinn durch Gewichtung erreicht werden kann. Während die Metriken gut für unterschiedliche Regionen und Skalenniveaus verwendet werden Evaluationszeiträume nicht grundsätzlich gegeben. Zusätzlich zeigen die Modellranglisten unterschiedlicher Regionen und Jahreszeiten häufig nur geringe Korrelationen. Dies gilt besonders für den Niederschlag. Bei der Temperatur sind hingegen leichte Übereinstimmungen auszumachen. Beim Vergleich der mittleren Ranglisten über alle Modellbewertungen und Situationen der Hauptregionen des Mittelmeerraums mit den Globalregionen besteht eine signifikante Korrelation von 0,39 für Temperatur, während sie für Niederschlag um null liegt. Dieses Ergebnis ist für alle drei verwendeten Referenzdatensätze im Mittelmeerraum gültig. So schwankt die Korrelation der Modellbewertungen des Niederschlags für unterschiedliche Referenzdatensätze immer um Null und die der Temperaturranglisten zwischen 0,36 und 0,44. Generell werden die Metriken als geeignete Evaluationswerkzeuge für Klimamodelle eingestuft. Daher können sie einen Beitrag zur Änderung des Unsicherheitsbereichs und damit zur Stärkung des Vertrauens in Klimaprojektionen leisten. Die Abhängigkeit der Modellbewertungen von Region und Untersuchungszeitraum muss dabei jedoch berücksichtigt werden. So besitzt die Analyse der Konsistenz von Modellbewertungen sowie der Stärken und Schwächen der Klimamodelle großes Potential für folgende Studien, um das Vertrauen in Modellprojektionen weiter zu steigern. / Climate change is one of the major tasks of the 21st century. The uncertainty of precipitation and temperature change is considered as a main challenge in this context. Thus, the development of appropriate adaptation strategies is very difficult. In this study, four climate model evaluation approaches with 13 metrics in total are developed and compared. Current global (two generations) and regional climate models are evaluated to assess projection uncertainty. Based on model performances, weighting is applied to future climate projections to estimate simulation uncertainty. The evaluations are performed in the Mediterranean and eight sub-regions. Seasonal trend of temperature and precipitation are evaluated for the period 1960–2009. For some metrics, the climatological mean and the spectra of the time series are evaluated as well. In addition, six globally distributed study areas are evaluated to test the metrics’ transferability. Further, temporal consistency is assessed by the evaluation of a second slightly shifted timeframe. Finally, three reference datasets are considered in order to analyse the dependence of the evaluation results between each other. Results indicate that most metrics are suitable to evaluate climate models. Their application to different variables and regions generates reasonable model assessments which fit in the context of current publications in this field of research. In many situations, the results of the current model generation (2013) are similar or better compared to those of the last generation (2007). One single model with superior performance for all variables and situations cannot be found. Most metrics show similar estimations of performances for the same situations. Precipitation turned out to be more suitable for model weighting. Here, the differences between model weights are larger because of overall higher spread and lower model performances. Against this, there are mostly high performances on an equal level for simulations of temperature which lead to a minor added value of weighting. While metrics can easily be transferred and applied to different regions and scales, some evaluation results depend on the evaluated timeframe. Further, the model rankings for different regions and seasons show only minor correlations for most situations. This is particularly true for precipitation. However, for temperature there are some significant positive correlations. Comparing the mean ranking over all evaluation results of the main study areas of the Mediterranean with that of the globally distributed regions, there is a significant correlation of 0.39 for temperature and a correlation around zero for precipitation. The choice of reference dataset for the Mediterranean areas is subordinated in this context. For different reference datasets, the overall rankings show correlations around zero for precipitation while those for temperature are between 0.36 and 0.44. Overall, the metrics are suitable for the evaluation of climate models. Thus, they offer promising contributions to improve the range of uncertainty and therefore to enhance the general confidence in climate projections. However, dependence of model assessments on the analysed region and evaluation timeframe has to be considered. Consequently, the analyses of consistency of model evaluations and of climate model strengths and weaknesses have great potential for future studies, to further enhance confidence in climate projections.

Klimawandelbedingte bzw. potenziell klimawandelbedingte Umweltmigration ist ein sehr komplexes und breites Feld. Es existiert eine Fülle von Studien, die sich in ihrer Herangehensweise unterscheiden, weshalb hier ein Systematisierungsvorschlag aufgezeigt wird. Mittels einer an den Richtlinien der Grounded Theory orientierten Analyse wurden Studien auf zentrale gemeinsame Kategorien hin untersucht und als Modell präsentiert. Dieses stellt jedoch kein abgeschlossenes System dar, sondern dient durch seine Offenheit als Gerüst, das mit Ergebnissen aus weiteren Fallstudien gefestigt werden kann. / (Potentially) climate change-induced migration constitutes a complex and broad field of research. A multitude of studies exists with different approaches to the topic. Within this range of approaches, it is the aim of this research to make a proposal for a systematisation of the topic. By carrying out a Grounded Theory-oriented analysis, we screened case studies for common categories to provide a conceptual model. The result of the investigation is a framework which can be extended by findings of other case studies.

This study aims at reconstructing landscape evolution in the Quebrada de Purmamarca, NW-Argentina. Thorough mapping of the existing landforms and present morphodynamic situation was conducted on the base of intensive field work and the interpretation of remote sensing imagery. Aside from geomorphological mapping, field work focused on the description of numerous sedimentological and pedological profiles. The analysis of these profiles was supported by laboratory data from field samples (granulometry, CaCO3 content) but also by a 14C age date. With particular regard to pedological questions, several samples from soil crust were micromorphologically analysed and interpreted. The resulting data allowed the reconstruction of several phases of landscape evolution in the Quebrada de Purmamarca back to the Miocene. During this phase, the Andes were still a landscape of relatively low relief being subject to processes of planation under conditions markedly more humid than today. Highly faulted and deformed fanglomerates are the first evidence of a progressing uplift coupled under an increasingly arid climate. As a consequence of continued uplift and alternating phases of erosion and aggradation, large terrace systems have formed. Particularly the youngest terrace level shows good preservation. Against the background of the intense climatic changes characteristic for the Pleistocene, these terraces have been the major focus of this study. They are built up almost entirely from coarse debris-flow sediments which are thought to be the result of a significant drop of the periglacial belt of more than 1,000 meters. This interpretation is confirmed by a variety of relict periglacial landforms like “glatthang” morphology (smooth topography), sheets of frost debris and asymmetric valleys. As sediment supply from periglacial debris production exceeded the transport capacity of the drainage system leading to the dominance of depositional processes. Aggradation has been interrupted or at least weakened several times as reflected by two lacustrine to fluvial intervals within the terrace deposits. In this context, particularly the younger interval might announce a shift in morphodynamics around 49 ka BP (14C age), when the phase of terrace aggradation grades into a phase of dominant alluvial fan activity. On the terrace surfaces a well-developed reddish soil has developed. It is interpreted to indicate a phase of increased humidity possibly in relation with the “Minchin” wet phase between 40 ka BP and 25 ka BP. At many places, this reddish soil is overlain by a markedly cemented sand crust. Based on the good sorting of medium and fine sand, this sand crust could be interpreted as fluvio-eolian sediment. Its deposition under very arid and cold climatic conditions may be attributed to the Late Glacial Maximum (LGM). However, the sand crust shows signs of erosion at many places and has not been observed anywhere below the level of the terrace surface. Therefore the onset of severe erosion and incision resulting in the evacuation of enormous quantities of sediment from the study area is assumed to postdate the LGM, possibly due to increased discharge rates during a wetter Lateglacial. Regardless of its timing, the intense incision is likely to have cut down to below the present floodplain evidently causing several mass wasting events in the study area. Since the early Holocene a number of short-term changes seem to have been responsible for the landscape evolution of the Quebrada de Purmamarca. More humid phases of pronounced slope smoothing have alternated with semi-arid phases of longer duration. The well-developed, polycyclic calcretes on top of the inactive terraces and alluvial fans give evidence for these changes. At present, the marked desert pavement on top of most terraces and alluvial fan surfaces prevent soil. The concentration of runoff on these pavements amplifies badland formation and alluvial fan activity along the terrace slopes. The presently observed floodplain aggradation may be attributed to these processes but considering the severe gullying reaching far into the upper study area, the aggradation may as well reflect a more general and regional trend.

Increasing urbanisation is one of the biggest pressures to vegetation in the City of Cape Town. The growth of the city dramatically reduced the area under indigenous Fynbos vegetation, which remains in isolated fragments. These are subject to a number of threats including atmospheric deposition, atypical fire cycles and invasion by exotic plant and animal species. Especially the Port Jackson willow (Acacia saligna) extensively suppresses the indigenous Fynbos vegetation with its rapid growth. The main objective of this study was to investigate indicators for a quick and early prediction of the health of the remaining Fynbos fragments in the City of Cape Town with help of remote sensing. First, the productivity of the vegetation in response to rainfall was determined. For this purpose, the Enhanced Vegetation Index (EVI), derived from Terra MODIS data with a spatial resolution of 250m, and precipitation data of 19 rainfall stations for the period from 2000 till 2008 were used. Within the scope of a flexible regression between the EVI data and the precipitation data, different lags of the vegetation response to rainfall were analysed. Furthermore, residual trends (RESTREND) were calculated, which result from the difference between observed EVI and the one predicted by precipitation. Negative trends may suggest a degradation of the habitats. In addition, the so-called Rain-use Efficiency (RUE) was tested in this context. It is defined as the ratio between net primary production (NPP) – represented by the annual sum of EVI – and the annual rainfall sum. These indicators were analysed for their suitability to determine the health of the indigenous Fynbos vegetation. Furthermore, the degree of dispersal of invasive species especially the Acacia saligna was investigated. With the specific characteristics of the tested indicators and the spectral signature of Acacia saligna, i.e. its unique reflectance over the course of the year, the dispersal was estimated. Since the growth of invasive species dramatically reduces the biodiversity of the fragments, their presence is an important factor for the condition of ecosystem health. This work focused on 11 test sites with an average size of 200ha, distributed over the whole area of the City of Cape Town. Five of these fragments are under conservation and the others shall be protected in the near future, too, which makes them of special interest. In January 2010, fieldwork was undertaken in order to investigate the state and composition of the local vegetation. The results show promising indicators for the assessment of ecosystem health. The coefficients of determination of the EVI-rainfall regression for Fynbos are minor, because the reaction of this vegetation type to rainfall is considerably lower than the one of the invasive species. Thus, a good distinction between indigenous and alien vegetation is possible on the basis of this regression. On the other hand, the RESTREND method, for which the regression forms the basis, is only of limited use, since the significance of these trends is not given for Fynbos vegetation. Furthermore, the RUE has considerable potential for the assessment of ecosystem health in the study area. The Port Jackson willow has an explicitly higher EVI than the Fynbos vegetation and thus its RUE is more efficient for a similar amount of rainfall. However, it has to be used with caution, because local and temporal variability cannot be extinguished in the study area over the rather short MODIS time series. These results display that the interpretation of the indicators has to be conducted differently from the literature, because the element of invasive species was not considered in most of the previous papers. An increase in productivity is not necessarily equivalent with an improvement in health of the fragment, but can indicate a dispersal of Acacia saligna. This shows the general problem of the term ‘degradation’ which in most publications so far is only measured by productivity and other factors like invasive species are disregarded. On the basis of the EVI-rainfall regression and statistical measures of the EVI, the distribution of invasive species could be delineated. Generally, a strong invasion of the Port Jackson willow was discovered on the test sites. The results display that a reasoned and sustainable management of the fragments is essential in order to prevent the suppression of the indigenous Fynbos vegetation by Acacia saligna. For this purpose, remote sensing can give an indication which areas changed so that specific field surveys can be undertaken and subsequent management measures can be determined. / Zunehmende Urbanisierung stellt eine der größten Bedrohungen für die Vegetation im Großraum Kapstadt dar. Durch das schnelle Wachstum der Stadt bleibt immer weniger der ursprünglichen Vegetation in isolierten Fragmenten zurück. Diese sind in ihrer Funktion als Lebensraum für Flora und Fauna unter Anderem durch Luftverschmutzung, untypische Feuerzyklen und das Eindringen fremder Arten gefährdet. Besonders die Weidenblatt-Akazie (Acacia Saligna) verdrängt die einheimische Fynbos-Vegetation großflächig durch ihr schnelles Wachstum. Hauptziel dieser Arbeit war es, mit Hilfe der Fernerkundung Indikatoren zu finden, um eine schnelle und frühzeitige Aussage über die Gesundheit der verbliebenen natürlichen Vegetationsfragmente im Großraum Kapstadt zu ermöglichen. Zunächst wurde die Produktivität der Vegetation und deren Reaktion auf Niederschlag analysiert. Zu diesem Zweck wurden der Enhanced Vegetation Index (EVI) aus Terra-MODIS-Daten mit einer räumlichen Auflösung von 250m und Niederschlagsdaten von 19 Wetterstationen aus dem Zeitraum 2000 bis 2008 verwendet. Im Rahmen einer flexiblen Regression zwischen EVI und Niederschlagsdaten wurden verschiedene Verzögerungen der Reaktion der Vegetation auf den Niederschlag getestet. Des Weiteren wurden residuale Trends (RESTREND) berechnet, die sich aus der Differenz zwischen beobachtetem EVI und dem aus dem Niederschlag vorhergesagten EVI ergeben. Zusätzlich wurde die sogenannte Rain-use Efficiency (RUE) getestet. Diese ist definiert durch das Verhältnis zwischen Nettoprimärproduktion, repräsentiert durch die Jahressumme des EVI, und der Jahressumme des Niederschlags. Die angewandten Indikatoren wurden darauf untersucht, ob sie eine Aussage über die Gesundheit der einheimischen Fynbos-Vegetation ermöglichen. Des Weiteren wurde der Verbreitungsgrad invasiver Arten, besonders der der Weidenblatt-Akazie bestimmt. Auf Basis der spezifischen Charakteristika der getesteten Indikatoren und der spektralen Signatur von Acacia saligna, also ihrer besonderen Reflexion über den Jahresverlauf, wurde die Verbreitung ermittelt. Da das ungehinderte Wachstum invasiver Arten die Biodiversität der Fragmente stark verringert, ist ihre Anwesenheit ein wichtiger Faktor für die Gesundheit von Ökosystemen. Diese Arbeit konzentrierte sich auf 11 Testflächen mit einer durchschnittlichen Größe von 200ha, die über die gesamte Fläche des Großraums Kapstadt verteilt sind. Fünf dieser Fragmente stehen bereits unter Schutz, während die anderen in absehbarer Zeit folgen sollen; dies macht sie von besonderem Interesse. Im Januar 2010 wurden Geländearbeiten durchgeführt um den Zustand und die Zusammensetzung der Vegetation vor Ort festzustellen. Die Ergebnisse weisen aussichtsreiche Indikatoren zur Abschätzung der Ökosystemgesundheit auf. Die Werte des Bestimmtheitsmaßes der EVI-Niederschlags-Regression sind niedrig für Fynbos, da die Reaktion dieses Vegetationstyps auf Niederschlag wesentlich geringer ist als die der invasiven Arten. Daher ist auf Basis dieser Regression eine gute Unterscheidung zwischen einheimischer und invasiver Vegetation möglich. Auf der anderen Seite ist die RESTREND-Methode, für die diese Regression die Grundlage bildet, nur begrenzt von Nutzen, da die Signifikanzen dieser Trends für Fynbos-Vegetation nicht gegeben sind. Des Weiteren weist die RUE Potential für die Abschätzung von Ökosystemgesundheit im Testgebiet auf. Die Weidenblatt-Akazie hat einen wesentlichen höheren EVI als die Fynbos-Vegetation und daher ist deren RUE bei vergleichbarer Niederschlagsmenge effizienter. Dennoch muss diese mit Vorsicht angewandt werden, da die hohe lokale und temporale Variabilität der RUE im Testgebiet über die relativ kurze MODIS-Zeitserie nicht eliminiert werden kann. Die Ergebnisse verdeutlichen zudem, dass die Interpretation der Indikatoren anders als in der Literatur durchgeführt werden muss, da das Element der invasiven Vegetation in den meisten der vorangegangenen Arbeiten nicht berücksichtigt wurde. Ein Anstieg der Produktivität ist hier nicht gleichzusetzen mit einer Verbesserung der Gesundheit eines Fragments, sondern deutet viel mehr auf eine Verbreitung der Weidenblatt-Akazie hin. Dies verdeutlicht das generelle Problem des Begriffs ‚Degradation‘, welche in den meisten Veröffentlichungen nur über die Produktivität der Vegetation bestimmt wird während andere Faktoren wie zum Beispiel invasive Arten unberücksichtigt bleiben. Auf Basis der EVI-Niederschlags-Regression und der statistischen Messgrößen des EVI konnte die Verbreitung der invasiven Arten abgegrenzt werden. Generell wurde ein starker Befall der Testflächen durch die Weidenblatt-Akazie festgestellt. Die Ergebnisse machen deutlich, dass ein durchdachtes und nachhaltiges Management der Fragmente notwendig ist um die Verdrängung der einheimischen Fynbos-Vegetation durch Acacia saligna zu verhindern. Die Fernerkundung kann zu diesem Zweck Hinweise liefern, welche Flächen sich verändert haben um anschließend gezielte Begehungen vorzunehmen und Maßnahmen einzuleiten.

Die vorliegende Untersuchung befaßt sich mit den Einsatzmöglichkeiten von Geoinformationssystemen (GIS) bei der Bewertung von Einzelstandorten oder größeren zusammenhängenden Gebieten im Hinblick auf die Eignung zur thermischen Nutzung des flachen Untergrundes bis 200m Tiefe. Untersuchungsregion ist der Regierungsbezirk Unterfranken in Nordbayern (8500km2). Die durchgeführten Arbeiten beinhalten die Ermittlung, Sammlung und Organisation der für die Bewertung notwendigen Basisdaten, die Festlegung geeigneter Bewertungskriterien für die verschiedenen Verfahren der thermischen Nutzung und die Erarbeitung von Bewertungskonzeptionen. Unterschiedliche Bewertungsansätze wurden auf die Untersuchungsregion bzw. auf Ausschnitte angewendet und die Ergebnisse in Form einer qualitativen Aufwand-Nutzen-Analyse verglichen. Besonders eingehend wurden Möglichkeiten zur Erstellung von Übersichtsdarstellungen mittleren Maßstabs sowie ein „Expertensystemansatz" betrachtet, der eine interaktive, individuelle Standortanalyse ermöglicht. Für den Expertensystemansatz wurde eine entsprechende Anwendung in einer GIS-Umgebung (Avenue, ArcView GIS 3.2) programmiert. Wesentlicher Bestandteil beider Konzeptionen ist ein quasi-dreidimensionales geologisch-hydrogeologisches Untergrundmodell, das die Berücksichtigung der dreidimensionalen Verteilung der relevanten Untergrundparameter bei der Standortbewertung erlaubt. Die Arbeit beinhaltet eine Erläuterung der maßgeblichen Verfahren der thermischen Nutzung des Untergrundes unter besonderer Berücksichtigung der geologischen Anforderungen, eine Beschreibung der beteiligten geologischen, hydrogeologischen und physikalischen Parameter und Prozesse, eine Übersichtsdarstellung der geologischen Verhältnisse in Unterfranken sowie eine Einführung in die angewendeten GIS-Konzepte und Methoden. Zur thermischen Nutzung des flachen Untergrundes bis etwa 200m Tiefe bestehen prinzipiell zwei Möglichkeiten: die Gewinnung von Niedrigtemperaturwärme aus Boden und Grundwasser mit Hilfe von Wärmepumpen sowie die saisonale Speicherung von Solar- oder Überschußwärme in Erdwärmespeichern. Beide Verfahren sind auch zu Kühlzwecken einsetzbar. Obwohl entsprechende Techniken seit mehreren Jahrzehnten untersucht werden, sind thermische Nutzungen des flachen Untergrundes in Deutschland, verglichen mit anderen Ländern wie der Schweiz, Schweden oder den USA, bislang wenig verbreitet. Grund hierfür ist auch das Fehlen regionalspezifischer Untersuchungen, die den potentiellen Nutzern schon im Vorfeld ihrer Planungen die Möglichkeiten und Einschränkungen an ihrem Standort aufzeigen. Die Eignung eines Standorts wird durch naturräumliche Faktoren (geologisch-physikalische, klimatische und geomorphologische Bedingungen), infrastrukturelle Faktoren (Besiedlungsstruktur, Erschließung) und durch rechtliche Faktoren (Genehmigungsfragen, Nutzungsbedingungen) bestimmt. Insgesamt ergibt sich aus der Vielzahl von Einflußfaktoren ein komplexes System, das, da es vorrangig durch raumbezogene Parameter bestimmt ist, am sinnvollsten in einem GIS beschrieben und analysiert werden kann. Ein solches GIS muß zum einen die erforderlichen Basisdaten, zum anderen spezielle Analyseverfahren zur Verfügung stellen. Weiterhin müssen Kriterien vorhanden sein, die auf die in der Untersuchungsregion vorliegenden Verhältnisse anwendbar sind und eine aussagekräftige Beurteilung erlauben. Mit diesen drei Komponenten erhält der Benutzer des GIS die Möglichkeit, Bewertungen für eine vom ihm gewünschte Anlagenkonzeption an einem bestimmten Standort zu erstellen. Die Aufstellung angemessener Bewertungskriterien stellt dabei eine der wesentlichen Schwierigkeiten dar. Zusätzlich ist es bereichsweise schwierig oder gar unmöglich, die für die Analyse notwendigen Basisdaten bereitzustellen. Vergleichsweise unproblematisch ist dagegen die Festlegung angemessener Analyseverfahren. Der Schwerpunkt der Untersuchung lag auf der Beantwortung der Frage, inwieweit sich GIS sinnvoll bei der Standortbewertung für die thermische Nutzung des Untergrundes in Unterfranken einsetzen lassen. Dabei konnte festgestellt werden, daß der Einsatz von GIS für die Erstellung von Übersichtskarten mittleren Maßstabs des Potentials bis etwa 1:100.000 möglich und mit nicht allzu hohem Aufwand durchzuführen ist. Die Erstellung solcher Karten erscheint sinnvoll für die Information von Bürgern, planenden Firmen und Genehmigungsbehörden sowie zur Ermittlung des Potentials im Rahmen von überregionalen Planungen. Entsprechende Karten können gedruckt oder in digitalem Format verbreitet werden. Im Fall der digitalen Verbreitung ist eine interaktive Benutzerführung realisierbar. Solche Übersichtskarten bieten aber weder eine echte Hilfestellung für die Planung konkreter Projekte noch kann von ihnen eine rechtliche Sicherheit im Bezug auf Genehmigungsfragen erwartet werden. Ein deutlich höherer Arbeitsaufwand ist zur Erstellung von GIS-Anwendungen erforderlich, die konkret zur Anlagenplanung bei bereits festgelegtem oder noch zu ermittelndem Standort eingesetzt werden sollen. Da hier individuelle lage- und projektspezifische Gegebenheiten zu berücksichtigen und Informationen aus unterschiedlichen Fachgebieten zu verarbeiten sind, bietet es sich an, solche „Planungsinstrumente" in Form sogenannter „Expertensysteme" zu konzipieren. In einem solchen System wird die Eignung eines Standortes entsprechend einer vom Nutzer vorgegebenen Anlagenkonzeption individuell bestimmt. Der Vorteil eines solchen interaktiven Konzepts liegt darin, daß es weitaus flexibler ist als ein Kartenwerk, das im Allgemeinen nicht beliebig oft aktualisiert und an geänderte Anforderungen angepaßt werden kann. In das Expertensystem können Berechnungs- und Auslegungsprogramme, die Daten aus dem GIS beziehen, einbezogen werden. Grundvoraussetzung für eine aussagekräftige Beurteilung der geologisch- hydrogeologischen Situation innerhalb eines solchen Expertensystems ist ein dreidimensionales Untergrundmodell, das es ermöglicht, teufenabhängige Informationen über relevante Parameter am betrachteten Standort abzurufen und diese mit Hilfe von angepaßten Bewertungsalgorithmen zu verarbeiten. Die Detailtreue des Modells ist dabei gleichermaßen bestimmend für die Signifikanz der Bewertungsergebnisse, wie die angemessene Definition der Bewertungskriterien. In der vorliegenden Untersuchung wurde für einen neun Blätter der TK25 umfassenden Ausschnitt im südlichen Unterfranken ein entsprechendes Untergrundmodell erstellt. Die Erstellung eines anwendungstauglichen Expertensystems war im Rahmen dieser Untersuchung nicht möglich. Es wurde allerdings eine GIS-Anwendungen erstellt, die die grundlegenden Elemente eines Expertensystems beinhaltet. Dieses Programm ermöglicht es, Standortbewertungen für Einzelpunkte oder größere zusammenhängende Flächen zu berechnen und zusätzlich alle relevanten Informationen, die in der Datenbasis enthalten sind, abzurufen. Die Ergebnisse können kartenmäßig dargestellt oder in Form eines Ergebnisprotokolls ausgegeben werden. Der Schwerpunkt des Bewertungskonzepts wurde auf die Bewertung von Erdsondenwärmespeichern gelegt, es können aber auch Standortbewertungen für erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen mit Erdsonden erstellt werden. Der Benutzer hat neben der Auswahl des zu bewertenden Verfahrens die Möglichkeit, die Tiefe, für die die Bewertung gültig sein soll, festzulegen. Darüberhinaus kann festgelegt werden, ob die Bewertung beispielsweise unter Einbeziehung rechtlicher Fragestellungen erfolgen soll. Es zeigt sich, daß von einem solchen System ein hoher Nutzen zu erwarten ist. Gleichzeitig ist der Aufwand zur Erstellung sehr hoch. Die Datenerhebung und –aufbereitung stellt dabei den weitaus größten Arbeitsaufwand dar. Ob es lohnend ist, entsprechende Expertensysteme für größere Gebiete zu erstellen, hängt von der zukünftigen Entwicklung der oberflächennahen thermischen Nutzung des Untergrundes ab. Derzeit scheint die Nachfrage, in Anbetracht der zu erwartenden Kosten, noch gering. Neben der grundsätzlichen Betrachtung der Einsatzmöglichkeiten von GIS, wurde das geologische Potential für thermische Nutzungen des flachen Untergrundes in Unterfranken untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß für die Speicherung thermischer Energie im Untergrund mit vertikalen Erdsonden mäßig gute bis gute Voraussetzungen bestehen. Das Potential wird allerdings durch infrastrukturelle und vor allem rechtliche Einschränkungen gemindert. Dagegen sind die geologischen Verhältnisse für die Aquiferspeicherung ungeeignet. Die Gewinnung von Wärmeenergie aus dem Untergrund mit Hilfe von Wärmepumpen ist in Unterfranken aus geologischer Sicht in sehr vielen Bereichen möglich. Besonders geeignet sind vertikale Erdreichwärmetauscher (Erdsonden), die in fast allen Gebieten eingesetzt werden können. Viele Gebiete weisen sogar ausgesprochen günstige Voraussetzungen auf. Die Einsatzmöglichkeiten von grundwassergekoppelten Wärmepumpen beschränken sich dagegen auf die pleistozänen Aquifere der Flußtäler, die zwar aufgrund der hohen Besiedlungsdichte ein gesteigertes Nachfragepotential aufweisen, anderseits aber bereits intensiv für die Vorrang genießende Trinkwasserversorgung genutzt werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchung gelten vorwiegend für den Raum Unterfranken. Sie sind aber weitgehend auch auf das Süddeutsche Schichtstufenland und andere, von mesozoischen Gesteinen geprägte Bereiche übertragbar. Deutliche Unterschiede bezüglich der geologisch-hydrogeologischen Situation bestehen dagegen z.B. im süddeutschen Molassebecken oder im gesamten Bereich der norddeutschen Tiefebene. Die entwickelten Bewertungskonzeptionen können letztlich an vielfältige geologische Verhältnisse angepaßt werden. Ihre Anwendung beschränkt sich dabei nicht auf die Verfahren der thermischen Nutzung des Untergrundes, sondern ist prinzipiell in allen Bereichen möglich, in denen eine geologisch-hydrogeologische Beurteilung des Untergrundes erforderlich ist. / The objective of this thesis is to show how GIS can be used to assess single sites or larger areas with respect to their suitability for different geothermal applications that can be applied in low depths of up to 200m. The study area of about 8500km2 is located in the north-western region of Bavaria, Germany. The corresponding study included: the collection, input and organization of the relevant data, the definition of the criteria necessary for the suitability analysis and finally the development of several assessment concepts. A variety of approaches have been examined and applied to the study area. The different concepts were evaluated and analyzed regarding the relation between effort and use. The two most promising concepts were developed and studied in greater detail. The first of these concepts is a method to produce simple medium scale overview maps. The second is based on the concept of expert-systems. It provides a means for an interactive, site- and project-specific analysis of the geo- and hydrogeological situation at a location. A GIS application representing a small expert system was developed within ArcView GIS in Avenue. The most important part of this assessment concept is a three-dimensional geological underground model. This model is used to store and analyze the relevant three-dimensional distributed lithological thermal and hydrogeological properties of the subsoil. The thesis gives a brief description of the relevant geothermal techniques, a detailed explanation of the relevant geological, hydrogeological and thermophysical processes involved, a geological overview of Lower Franconia and an introduction to the GIS methods used. There are two ways of using the shallow underground up to a depth of 200m with geothermal techniques: The extraction of heat from rock or groundwater with Ground Source Heat Pumps (GSHP) and the seasonal storage of solar or waste heat in Underground Thermal Energy Storages (UTES). Both techniques can be used for cooling purposes as well. Despite the fact that these techniques have been investigated and applied for several decades now, their use in Germany compared to other countries like Sweden, Switzerland or the US is low. The suitability of a site for thermal use is influenced by a set of different parameters. First there are the criteria of the "natural" domain which include the geological and physical properties of the ground, as well as the geomorphologic and climatic conditions at the earth's surface. Secondly there are criteria of the "cultural" (or man made) domain, such as infrastructural and legal aspects. Due to dependencies and interactions, the resulting system, consisting of a set of many different criteria, turns out to be very complex. Since most of the parameters that influence the suitability and potential are spatially distributed, the idea of analyzing and processing them within a Geo information system is obvious and fitting. A GIS that is capable of analyzing the system described above should, in the first place, contain all the relevant data that affect the thermal use of the underground. Secondly is has to supply specific tools that facilitate the analysis of this data. These tools should be based on meaningful criteria that are defined on the basis of known facts and experiences. Data, tools and criteria are the three components of a GIS that are necessary for a site specific suitability analysis. To make the GIS usable for the public, the three components can be made accessible through customized user applications. The main objective of this thesis is to evaluate the benefit of GIS usage for the site assessment and analysis of the regional potential of the geothermal applications described above. It can be shown, that the application of GIS in producing maps of medium scale (1:100,000) is helpful. Such overview maps can be used to inform people who are involved in planning and designing energy systems, as well as clients or authorities that are concerned with approval and sponsorship. The term "map" used in the context of GIS includes digital maps that can be displayed and explored on screen. Therefore a distribution in digital form and an interactive user friendly application is possible. Printed maps are usually of limited use. GIS's, that are designed to produce overview maps are of little assistance in the planning of individual projects and are not equipped to reliably show legal restrictions. GIS's that can be used to support the planning and designing of individual geothermal applications require a much more detailed database and a more specialized assessment concept. Since the planning of individual projects involves knowledge from different fields, so-called expert systems are the obvious GIS concept. In an expert system, the suitability of a site can be analyzed and assessed individually, based on specific user requirements. Such interactive concepts are far more flexible than the map concept, because maps cannot be updated and adjusted to specific problems as often as might be necessary. Expert systems can include or be connected to specialized design applications. Such applications can be used to determine design parameters based on user input and information retrieved from the GIS. The most important requirement for a meaningful analysis of the geological and hydrogeological situation at a site is a database, that provides information on the relevant three dimensional (3D) distributed properties of the underground. Therefore a 3D underground model was created. The model, which has a horizontal resolution of 50m, covers an area of nine topographical maps (1200km2) in the vicinity of Würzburg. The vertical resolution depends on the individual thickness of the layers that form the model units. The realization of a full scale, "ready to use" expert system was not possible within the framework of this thesis. Instead a smaller application, that includes all the fundamental elements of an expert system, was programmed in ArcView GIS (Avenue). The program facilitates the assessment of single sites as well as the calculation of suitability distribution maps for larger areas. The user can choose between different geothermal applications (GSHP and duct TES) and determine the depth the assessment should be valid for. In addition he can choose whether legal aspects, ground water flow and other aspects should be included in the assessment procedure. The program also explores the GIS database and gathers all information that can be used in the planning process. It can be shown, that even a very basic expert system application can provide useful aid in planning shallow earth geothermal systems. However, the effort to build the database is very high. Data collection and input make up the biggest part of the work. The question, whether the development of ready to use, large scale expert systems makes sense, depends on the future prospects of the geothermal techniques mentioned. To date, the demand for systems like this is still too low. In addition to the theoretical examination of the use of GIS, the potential of geothermal applications in Lower Franconia was investigated. The investigation revealed, that the storage of heat in the underground using vertical heat exchangers (DTES) is viable in most areas of Lower Franconia with medium to good prospects. On the other hand the potential is limited by legal and infrastructural aspects. Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) is not possible in the whole area of Lower Franconia because of the unfavorable hydrogeological conditions. The same applies to groundwater heat pumps, which can only be used in the pleistocene aquifer of the Main River valley. The Main River valley has high user potential because of its high population density. But, the aquifer is used for drinking water supply in most parts. The overall potential is therefor limited by legal restrictions. Extraction of heat with vertical heat exchangers is the most promising technique in Lower Franconia. There are only a few geological settings where they cannot be used. Again, legal aspects can prohibit the approval of projects in a considerable part of the region. The results of this study are at first valid for the conditions in Lower Franconia. They can also be applied to similar geological settings, that is: sedimentary environments with flat-lying fractured sandstones, siltstones, limestones and marls in areas with considerable regional groundwater flow. The use of the GIS concepts that were developed is not limited to geothermal applications though. They can be applied to a wide range of questions that require three dimensional analysis of geological features.

Diese Dissertation präsentiert Ergebnisse regionaler Niederschlagsabschätzungen für Namibia bei anthropogen verstärktem Treibhauseffekt, die mit der Methode des Statistischen Downscaling erzielt wurden. Über statistische Transferfunktionen werden Beziehungen zwischen großskaliger atmosphärischer Zirkulation und Namibischen Sommerregen aufgestellt. Dazu werden in einer 30-jährigen Kalibrierungsperiode Hauptkomponenten von Geopotentiellen Höhen verschiedener atmosphärischer Niveaus (300, 500, 1000hPa) mit den Niederschlagsmonatssummen (November bis März) von 84 Namibischen Stationen durch multiple Regressionsanalysen verknüpft, die für jede Station oder alternativ für Gitternetzniederschlagsdaten berechnet werden. Nach der Verifikation der statistischen Zusammenhänge in einem unabhängigen Zeitraum werden Regressionsmodelle jener Stationen bzw. Gitterpunkte selektiert, die mit signifikanten Korrelationen von r>0.4 zwischen beobachteten und modellierten Werten ausreichende Qualität garantieren. Diese Modelle werden eingesetzt, um unter Verwendung simulierter ECHAM3-T42 und ECHAM4tr-T42 Geopotentialdaten den lokalen Niederschlag für die jeweiligen Treibhauseffekt-Szenarien abzuschätzen. Als zusätzliche Methode, um die großskalige atmosphärische Zirkulation mit lokalen Stationsdaten zu verknüpfen, werden kanonische Korrelationsanalysen durchgeführt. Unabhängig von der Verfahrensweise resultieren für Klimabedingungen dreifacher bzw. transient ansteigender CO2-Konzentrationen im Vergleich zu einem Referenzzeitraum (1961-90) zunehmende Niederschläge in den nördlichen und östlichen Teilen Namibias von Dezember bis Februar. In den südlichen und südwestlichen Regionen sind von November bis Januar geringe Abnahmen zu verzeichnen. Die Abschätzungen für März zeigen einen deutlichen Rückgang der Niederschläge in ganz Namibia. Diese Ergebnisse weisen auf eine intensivierte, akzentuiertere Regenzeit hin, auch wenn die Gesamtmenge der Niederschläge unter Bedingungen des anthropogen verstärkten Treibhauseffekts mehr oder weniger gleich bleibt. Daher ist es von besonderer Bedeutung, die Abschätzungen der Niederschlagsänderungen auf monatlicher Ebene durchzuführen. Weitere Untersuchungen beinhalten die Trennung thermischer und dynamischer Effekte in den zur Abschätzung herangezogenen ECHAM3 und ECHAM4 Zirkulationsdaten. Durch die globale Erwärmung kommt es zu einer Anhebung der Geopotentiellen Höhen der Treibhauseffekt-Szenarien. Durch die Korrektur des Uplifting-Prozesses werden dynamisch induzierte Auswirkungen auf das Niederschlagsgeschehen erfasst. Áus der Verwendung uplifting-korrigierter Geopotentialdaten als Prädiktoren in der Downscaling-Prozedur resultieren sowohl im positiven als auch negativen Bereich geringere Änderungsraten in den Abschätzungsergebnissen. Ohne Zweifel reagiert das Klimasystem auf den anthropogen verstärkten Treibhauseffekt. In Bezug auf zukünftige Namibische Sommerregen ist es von besonderer Bedeutung die Auswirkungen des Treibhauseffekts regional und temporal zu differenzieren. / This thesis presents results of regional rainfall assessments in Namibia, under conditions of man-made enhanced greenhouse warming. The results are obtained by statistical downscaling procedures. Relations between large-scale atmospheric circulation and Namibian summer rainfall are established by statistical transfer functions. For this purpose, principle components of geopotential heights of different atmospheric levels (300, 500, 1000hPa) and monthly rainfall data of 84 Namibian stations are linked by stepwise multiple regression analyses for every station, or alternatively for gridded rainfall data. The analyses were done on a monthly basis (November – March) during a 30-year calibration period. After verifying these statistical relations in an independent period, stations, or grids, with regression models of sufficient quality (significant correlation r>0.4 between observed and modeled data) are selected and used to assess local rainfall for greenhouse gas-scenarios from simulated ECHAM3-T42 and ECHAM4tr-T42 geopotential height data. As additional method to connect large scale circulation features with local station rainfall data, canonical correlation analyses are applied. Independent of the procedure, results for climate conditions of threefold respectively transient increase in CO2-concentrations, compared to a reference period (1961-90), show an increase of rainfall in northern and eastern parts of Namibia for December to February. Slight decreases in southern and southwestern regions from November to January are seen. Assessments for March indicate a distinct decrease over the whole country. These findings point to an intensified, more accentuated rainy season, however, the amount of rainfall remains more or less the same under conditions of enhanced greenhouse warming. Therefore it is of special importance to assess rainfall changes on a monthly basis. Further investigations consist of the separation of thermal and dynamical effects in ECHAM3 and ECHAM4 circulation data. Global warming produces a thermal uplifting of the geopotential heights used in climate change scenarios. By correction of this uplifting process, dynamical induced effects of rainfall events are captured. The use of uplifting corrected geopotential heights as predictors in the downscaling procedure in general leads to smaller changes of rainfall in the assessment results, both in positive and negative range. There is no doubt that the climate system reacts to man-made enhanced greenhouse warming. With regard to future Namibian summer rainfall, it is important to differentiate the effects of greenhouse warming on a regional and temporal scale.

There are ample sand dune and sand sheets in the Texas Rolling Plains, U.S.A. Their varied location, morphology and paleosol content pointed to differnces in their historical develpment throughout the Holocene. Younger dunes, so called fence line dunes have been identified as remnants of unsound agricultural practices which just recently formed at the beginning of this century. Correspondingly soils were eroded, in parts, down to the C-horizon in some of these areas. More mature sand were dated with the radiocarbon method and identified having formed during the Altithermal warming period. This study identifies major eolian anthropogenic and climatic reactivation and stabilisation phases in the Rolling Plains of Texas during the Holocene, but also ties them into the existing Southern High Plains and Great Plains climatic record. This study also researched the reasons for the regional and local sand reactivation phases and contributes to the eolian history in the Great Plains region. The outline of this dissertation is oriented towards a comprehensive regional approach in cultural and physical geography. Chapter 1 covers the physiographic setting of the Rolling Plains region including geology, geomorphology, climate and vegetation. Here the prerequisites for eolian activity in the area are explained, followed by the criteria for the selection of the individual study sites. In chapter 2 selected dune fields and sand sheets are introduced. Chapter 3 outlines the methodology as a combination of field research, laboratory analysis and remote sensing techniques, along with a brief interpretation of their application and success rate. Chapter 4 investigates interactive processes between the cultural development and the physical landscape of the region. The next 4 chapters are focusing on research results and interpretation. Chapter 5 interprets the youngest eolian episodes resulting from the cultural de-velopment of the area, including a description and definition of so called "fenceline dunes" and "shinnery motts". Other dunes with very young buried horizons are also described in this chapter, and a comparison with outcrops in the Nebraska Sand Hills is performed. Chapter 6 interprets short-term, cyclic, drought related sand reactivations several hundred years ago by means of a Post Oak (Quercus stellata) tree ring record as established by STAHLE and CLEAVELAND (1988). In chapter 7 older Holocene reactivation cycles are introduced, investigating the idea of the existence of a warmer period, previously named the Altithermal, which so far has only been identified in the Southern High Plains. The last chapter (8) includes a brief statement of the study’s purpose along with the summary and discussion of results presented. This chapter will end with further implications of this research. / In den Rolling Plains von Nordtexas, U.S.A. existieren zahlreiche Dünen und Flugsandvorkommen, die aufgrund unterschiedlicher Lage und Morphologie, sowie durch zwischengeschaltete Paläoböden ihre unterschiedliche Genese erkennen lassen. Anthropogene und klimatisch ausgelöste Desertifikation spielten dabei eine wichtige Rolle. Die für das nordtexanische Klima typischen trockenen Winter und hohen Windgeschwindigkeiten im Frühjahr waren und sind dafür ideale Vorraussetzungen. C14-Datierungen der Paläoböden erlauben die Rekonstruktion einer zeitliche Abfolge der Sandtransportphasen bei diesem Geschehen. Die jüngsten eolischen Reaktivierungen wurde durch die kulturlandschaftliche Entwicklung des Gebietes zum Beginn dieses Jahrhunderts verstärkt. Zeugen dieser Reakivierungen sind sogennante Zaun- und Pseudodünen in der Nähe der Stadt Post. Sie sind Zeugen einer verstärkten anthropogenen Desertifikation. Diese Arbeit identifiziert aber auch ältere Bodenbildungsphasen während des Mittel-Holozäns, die zeitlich ins “Altithermal” fallen. Das Altithermal, nachgewiesen von HOLLIDAY (1995) in den Southern High Plains, wies im Vergleich zu heute größere jährliche Klimaschwankungen und wahrscheinlich auch zahlreichere und ausgeprägtere Dürren auf. Radiocarbondaten von zwei Lokalitäten, die für diese Arbeit untersucht wurden, fallen in den zeitlichen Rahmen des Altithermals. Die verschiedenen Profile des Studiengebietes zeigen, daß die rezenten Böden im allgemeinen auch im Grad des Stadiums der Bodenbildung variieren. Dies könnte darauf hinweisen, das Dürrezeiten immer mit Sandreaktivierungen verbunden sind, jedoch nicht all Gebiete gleichzeitig von derselben Reaktivierungphase beeinflußt werden. Unangepaßte Viehzucht und Ackerbau Techniken, die große Teile der Vegetationsdecke zerstören, tragen dazu bei Sand- reaktivierungen auszulösen. Die in dieser Arbeit erarbeiteten eolischen Reaktivierungs- und Stabilisierungsphasen in den Rolling Plains of Texas können mit eolischen Studien in der Great Plains und High Plains Regionen verglichen werden. Bis zu diesem Zeitpunkt gibt es noch keine umfassende Arbeit, die diese eolischen Reaktivierungsphasen der einzelnen Gebiete im Midwesten der U.S.A. vergleicht. Diese Arbeit ist die erste und einzige Studie dieser Art, die Sandreaktivierungs- und Stabilisierungphasen in den Rolling Plains in Texas erarbeitet hat. Diese Studie ergründet ebenfalls die Ursachen fur eine Reaktivierung auf regionaler als auch auf lokaler Ebene während des Holozäns. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen Vergleiche mit anderen Reaktivierungphasen in Gebieten der gesammten Great Plain Region zu, was zur Holozänen Klimaforschung in diesem Gebiet beitragen kann.

Das Ruhlaer Kristallin (RK) ist Teil der NE-streichenden, variszisch angelegten Mitteldeutschen Kristallinzone. Das RK liegt am Nordwestrand des Thüringer Wald Horstes und wird von der NW-streichenden, variszisch bis rezent aktiven Fränkischen Linie durchschnitten. Die vier strukturell-metamorphen Einheiten (Truse Formation, Ruhla Formation, Brotterode Formation und Zentrales Kristallin) werden von Graniten, Dioriten und subvulkanischen Gängen intrudiert. Zirkondatierungen ergaben, daß das RK vom Silur bis zum Perm von mindestens fünf magmatischen Ereignissen betroffen war. Das älteste magmatische Ereignis um 425 Ma zeigen Zirkone zweier Orthogneise aus der Ruhlaer Formation. Geochemisch ähneln diese Orthogneise Granitoiden, die im Bereich vulkanischer Inselbögen (VAG) intrudieren. Dagegen zeigen die Orthogneise aus dem Zentralen Kristallin ein zweites, deutlich jüngeres magmatisches Ereignis um 405 Ma an. Die spätsilurischen Orthogneise sind I-Typ Granitoide mit Ähnlichkeiten zu VAG, der frühdevonische Orthogneis ist ein A-types Gestein mit Intraplatten-Granit (WPG) Signatur. Nahezu alle Orthogneise haben Zirkone mit deutlich höheren, proterozoischen Alterswerten, die Orthogneis-Protolithe haben demnach bei der Platznahme älteres Krustenmaterial assimiliert und/oder wurden daraus erschmolzen. Das dritte magmatische Ereignis wird mit der kompressiven Phase der Variszischen Gebirgsbildung in Verbindung gebracht und ist durch die Intrusion des Thüringer Hauptgranits um 350 Ma angezeigt. Es handelt sich um einen I-Typ Granit ähnlich denen die an kontinentalen Inselbögen intrudieren. Während der extensionalen Phase der Gebirgsbildung kam es im späten Karbon/ frühen Perm (um 295 Ma) zur Intrusion von zahlreichen Magmatiten. Geochemisch handelt es sich bei den Granitoiden des vierten magmatischen Ereignisses um post-kollisionale A-Typ Granite. Diese werden von Gängen rhyolithischer Zusammensetzung durchschnitten. Die Gänge können dem Spätkarbon/Rotliegend Vulkanismus im Thüringer Wald zugeordnet werden und repräsentieren das fünfte magmatische Ereignis (um 280 Ma) im RK. Die NNE-SSW-streichenden Gänge sind dabei älter als die NW-SE-streichenden Gänge. Eine geochemisch bearbeitete Probe besitzt alkaligranitische Zusammensetzung und zeigt Ähnlichkeit mit WPG. / The Ruhla Crystalline Complex (RCC) is part of the NE-trending Mid-German Crystalline Rise formed during the Variscan Orogeny. It is situated at the northwestern margin of the Thuringian forest horst block and is transected by a late Variscan to recently active NW-trending transcurrent fault system, the Franconian line. The RCC can be subdivided into four structural-metamorphic units (Truse Formation, Ruhla Formation, Brotterode Formation and Central Gneiss Unit) intruded by granitic, dioritic and subvolcanic magmatism. Age determinations on zircons indicate that the RCC was affected by at least five magmatic events between the Silurian and Permian. The first and oldest magmatic event is recorded by zircons from orthogneisses of the Ruhla Formation at about 425 Ma. They belong to the calc-alkaline series and show similarities to volcanic arc granites (VAG). Orthogneisses from the Central Gneiss Unit point to a second, significantly younger magmatic event at about 405 Ma. While late Silurian orthogneisses are I-type granitoides comparable to VAG the early Devonian orthogneiss is an A-type granitoid showing Within-Plate-Granite (WPG) signature. Nearly all orthogneisses contain zircons which yield significantly older, proterozoic ages, indicating assimilation and/or derivation by partial melting of Proterozoic crust. A third magmatic event at about 350 Ma, assumed to be related to the compressive phase of the Variscan Orogeny, is represented by the intrusion of the Thuringian Hauptgranite, an I-type granite similar to continental island arc granites. During the Late Carboniferous to Early Permian at about 295 Ma the RCC was again affected by voluminous magmatism, related to extensional tectonism. The granites are A-type granites and their geochemical pattern display similarities to post-collision granites. Plutonic rocks of the fourth magmatic event are transected by dykes of rhyolitic composition, related to Late Carboniferous and the Rotliegend volcanism in the Thuringian Forest horst block (fifth magmatic event at about 280 Ma). The NNE-SSW-trending dykes are older than the NW-SE-trending dykes. One sample investigated geochemically is alkaligranitic and shows affinities to WPG.