A global warming of 1.4 to 5.8 °C has been forecasted for the end of this century – attributed mainly to the anthropogenic reinforcement of greenhouse gases. Mankind is thus influencing its living conditions through its own activities. This self-engendered risk will also concern and change the landscapes and people of Saxony, Saxony-Anhalt and Thuringia, e.g. through an increase in dry periods, heavy rainfall and summer heat exposure. This paper deals with these risks on the basis of current studies of the university department of meteorology, including the results of flood research and a regional climate analysis covering the past 50 years for the above-mentioned federal states of Germany. Additionally, the outcome of a regional climate prognosis is inte

The future consequences of climate change are highly uncertain and estimates of economic damages differ widely. Governments try to cope with these risks by investing in mitigation and adaptation measures. In contrast to most of the existing literature, we explicitly model the decision of risk averse governments on mitigation and adaptation policies. We also consider the interaction of the two strategies in presence of uncertainty. Mitigation efforts of a single country trigger crowding out as other countries will reduce their mitigation efforts. This may even lead to lower mitigation on the global scale. In contrast, a unilateral commitment to large adaptation efforts benefits the single country and can reduce the global risk from climate change at the expense of other countries.

No description available.

This study addresses the regulation of large river phytoplankton by climate-related drivers with the help of three different approaches, i.e. analyses of long-term data and spatial dynamics (longitudinal samplings) as well as mathematical modeling. The central hypothesis is that discharge has a dominant role among climate-related variables which strongly alters phytoplankton biomass development. A multi-factorial statistical analysis on the basis of long-term data (1990 – 2009; 1994 – 2009) from two measuring stations of the rivers Rhine and Elbe revealed that discharge conditions and light availability were the main driving forces regulating phytoplankton spring bloom dynamics. For the Rhine, a trend towards an earlier occurrence of the spring bloom event and a decrease in seasonal mean phytoplankton biomass could be detected, whereas for the Elbe no shift in the timing of the spring bloom and a tendency towards increasing seasonal mean phytoplankton biomass was found. Longitudinal sampling campaigns served to analyze the spatial plankton development on a short-term scale. River-internal growth and loss processes, as well as import mediated by tributaries were examined. Four longitudinal profiles were realized at different seasons in recent years (2009 – 2011) and it was revealed that tributaries mainly had a diluting impact on plankton densities in the Elbe and provided an additional import of phyto- and zooplankton densities in the Rhine. In the present study, high bivalve abundances were detected in the Rhine, probably leading to river-internal losses of phytoplankton which could compensate phytoplankton production resulting in low phytoplankton concentrations. In the Elbe, low abundances of bivalves and a low benthic grazing pressure prevailed. On the other hand, an unusually low discharge event in spring 2011 in the Rhine demonstrated that loss processes can at times be superimposed by strong phytoplankton production leading to extremely high phytoplankton biomasses and chlorophyll a values. Hence, despite the observed long-term trend of decreasing chlorophyll values in the last two decades, extreme environmental conditions can provoke regime shifts with exceptional phytoplankton mass developments. To assess the potential impacts of future climate change on water quality, the water quality simulation model QSim was used to establish a model for the free-flowing part of the Rhine. The modeling approach was implemented by changing the hydrological and climatologic input data according to different climate projections for the near (2021 – 2050) and the far future (2071 – 2100). The model results indicated a weak response of phytoplankton biomass in the Rhine towards altered climatic conditions, including discharge reductions and water temperature increases. The study suggests that changes in discharge rather than water temperature mediate climate change effects on large river phytoplankton. However, the effects are river specific as a consequence of system specific differences in main control mechanisms (e.g. ‘bottom-up’ versus ‘top-down’). / Anhand von drei verschiedenen Ansätzen analysiert die vorliegende Arbeit die Regulierung von Phytoplankton in großen Flüssen durch klimabedingte Faktoren: Auswertung von Langzeitdaten, räumliche Dynamik (fließzeitkonforme, longitudinale Beprobungen) und mathematische Modellierung. Die zentrale Hypothese ist, dass Abfluss eine dominante Rolle unter den klimabedingten Faktoren spielt und die Phytoplanktonbiomasse stark beeinflusst. Eine multifaktorielle statistische Analyse basierend auf Langzeitdaten (1990 – 2009; 1994 –2009) von zwei Stationen der Flüsse Rhein und Elbe zeigten, dass hauptsächlich Abflussbedingungen und Lichtverfügbarkeit die Antriebskräfte bei der Regulierung der Phytoplanktonfrühjahrsblüte darstellten. Während sich am Rhein ein Trend hin zu einem früheren Auftreten der Frühjahrsblüte und einer Abnahme der mittleren Phytoplankton-biomasse während der Vegetationsperiode zeigte, konnte für die Elbe keine zeitliche Verschiebung der Frühjahrsblüte festgestellt werden und mittlere Phytoplanktonbiomassen zeigten hier eine steigende Tendenz. Longitudinale Fließzeitbeprobungen dienten zur Analyse der kurzfristigen räumlichen Entwicklung des Planktons. Interne Produktions- und Verlustprozesse, sowie der Eintrag durch Zuflüsse wurden untersucht. Vier longitudinale Profile wurden zu unterschiedlichen Jahreszeiten der letzten Jahre (2009 – 2011) realisiert und es wurde gezeigt, dass die Nebenflüsse der Elbe vorwiegend einen Verdünnungseffekt auf die Planktondichten des Hauptstromes hatten, während sie für den Rhein einen wichtigen zusätzlichen Eintrag von Phyto- und Zooplankton darstellten. In der vorliegenden Arbeit wurden hohe Muscheldichten im Rhein gefunden, die möglicherweise zu hohen internen Planktonverlusten durch Fraß beigetragen haben, und somit zu niedrigen Phytoplankton-konzentrationen geführt haben könnten. In der Elbe waren die Muscheldichten dagegen gering und somit war auch der benthische Fraßdruck niedriger. Auf der anderen Seite zeigte ein ungewöhnlich niedriges Abflussereignis im Frühjahr 2011 am Rhein, dass diese Verlustprozesse zeitweise von starker Phytoplanktonproduktion überlagert werden können und dadurch extrem hohe Phytoplanktonbiomassen und Chlorophyllwerte entstehen können. Demzufolge können trotz der Beobachtung eines langfristigen abnehmenden Trends in den Chlorophyllgehalten während der letzen zwei Jahrzehnte extreme Umweltbedingungen einen Regime-shift mit außergewöhnlichen Massenentwicklungen des Phytoplanktons hervorrufen. Um den möglichen Einfluss des zukünftigen Klimawandels auf die Gewässergüte abzuschätzen, wurde mithilfe des Gewässergütesimulationsmodells QSim ein Modell für den frei fließenden Abschnitt des Rheins erstellt. Für den Modellierungsansatz wurden die hydrologischen und klimatologischen Eingangsdaten entsprechend der verschiedenen Klimaprojektionen für die nahe (2021 – 2050) und ferne Zukunft (2071 – 2100) verändert. Die Modellergebnisse zeigten, dass sich Änderungen in den klimatischen Bedingungen, einschließlich Abflussreduktion und Wassertemperaturanstieg, nur geringfügig auf die Phytoplankton¬biomasse des Rheins auswirkten. Die vorliegende Arbeit deutet darauf hin, dass Klimawandeleffekte eher durch Änderungen der Abflussverhältnisse auf das Phytoplankton in großen Flüssen wirken als durch Änderungen der Wassertemperatur. Der Effekt ist jedoch flusssystemspezifisch, da die Auswirkungen von systemspezifischen Unterschieden in den Hauptkontrollmechanismen gesteuert werden (z.B. ‚Bottom-up’ versus ‚Top-down’).

Der Antarktische Krill (Euphausia superba) ist eine Schlüsselart des Ökosystems des Südozeans und möglicherwese die biomassereichste Art der Erde. Klimawandelbedingte Lebensraumänderungen, die Expansion der kommerziellen Krillfischerei, sowie sich erholende Bartenwalpopulationen setzen Krillpopulationen jedoch zunehmend unter Druck. Daher besteht ein großer Bedarf, die Auswirkungen dieser verschiedener Stressoren auf Krillpopulationen zu verstehen und vorherzusagen. Dabei helfen Simulationsmodelle, die das Wachstum und die Entwicklung des Krills vorhersagen. Modelle sind vielseitige Instrumente, mit denen sich die Auswirkungen verschiedener Stressoren auf Krill in unterschiedlichen Szenarien bewerten lässt, was sie für Management- und Projektionsstudien besonders nützlich macht. In dieser Arbeit untersuchen wir Möglichkeiten die Robustheit von Modellen zu verbessern, die das Wachstum von Krillindividuen unter verschiedenen Umweltbedingungen vorhersagen. Zunächst haben wir ein bestehendes Wachstumsmodell erweitert, indem wir es um realistischere physiologische Prozesse ergänzt haben, was zu verbesserten Wachstumsvorhersagen führte. Anschließend haben wir in der Vergangenheit publizierte Wachstumsmodelle verglichen, um zu untersuchen, ob die Mechanismen des Krillwachstums verallgemeinerbar sind, da die Modelle für verschiedene Regionen entwickelt und mit unterschiedlichen Daten kalibriert wurden, regelmäßig aber außerhalb dieser Regionen verwendet werden. Diese Information ist wichtig für künftige Simulationsstudien, da eine regionale Spezifität die Modelle in ihrer großskaligen Anwendbarkeit limitieren würde. Die Wachstumsvorhersagen der verschiedenen Modellen bei identischen Inputdaten zeigte dabei, dass die Mechanismen und Wachstumsvorhersagen zwischen den Modellen erheblich variieren. Durch die Identifizierung der Ursachen dieser Modellspezifität, konnten wir das allgemeine Verständnis der Krill-Wachstumsmechanismen verbessern und zu der Entwicklung robusterer Modellen beitragen. Individuenbasierte Modelle ermöglichen die Einbindung vieler Prozesse, wie z. B. Verhalten, was diese Art von Modellen besonders attraktiv macht. Unser mechanistisches Verständnis des Verhaltens von Krill ist jedoch noch begrenzt, und wir haben versucht, dies durch die Analyse eines achtmonatigen Datensatzes über das vertikale Migrationsverhalten des Krills zu verbessern. Die Analysen zeigten, dass das vertikale Migrationsverhalten von Krillschwärmen sehr flexibel ist und wahrscheinlich von mehreren Faktoren wie dem Stadium, der Jahreszeit, den Nahrungsbedingungen und der Anwesenheit von Krillprädatoren bestimmt wird. Diese Studie dient als Grundlage für die Entwicklung von Modellkomponenten, die es erlauben das Krillverhalten in individualbasierte Modelle zu integrieren. Anschließend haben wir das vorhandene Wissen über das Krillverhalten in einem Reviewartikel zusammengefasst und dabei die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf Krillverteilung und das Schwarmverhalten analysiert. Zuletzt haben wir einen Systematic Literature Review durchgeführt, um eine Übersicht von Daten zu erstellen, die für die Modellentwicklung und -parametrisierung genutzt werden können. Auf diese Weise konnten wir Aspekte der Krillökologie identifizieren, für die aktuell besonders wenige Daten existieren, was wertvoll für zukünftige empirische Forschung sein wird. Da die Schließung dieser Datenlücken Zeit brauchen wird, diskutieren wir zudem auch Möglichkeiten zur Modellierung des Krillwachstums trotz bestehender Unsicherheiten. Mit dieser Arbeit leisten wir einen Beitrag zur Entwicklung realistischerer und robusterer individuenbasierter Krill-Wachstumsmodelle.:1. Introduction 2. Article I - The impact of seasonal regulation of metabolism on the life history of Antarctic krill (Euphausia superba) 3. Article II - An intercomparison of models predicting growth of Antarctic krill (Euphausia superba): the importance of recognizing model specificity 4. Article III - An open and lightweight method to analyze the vertical distribution of pelagic organisms using echogram screenshots 5. Article IV - Plasticity and seasonality of the vertical migratory behaviour of Antarctic krill using acoustic data from fishing vessels 6. Article V - Impacts of climate change on krill behaviour and population dynamics 7. Article VI - Mapping the data landscape for developing and parameterizing Antarctic krill models 8. Supervised Research Projects 9. Discussion 10. Literature cited in Introduction and Discussion 11. Appendices

Der hydrologische Kreislauf versorgt die Menschheit mit Wasserressourcen, die für ihr Wohlergehen unabdingbar sind. Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis über klimabedingte Veränderungen des hydrologischen Kreislaufs zu verbessern, wie diese die Verfügbarkeit von Wasserressourcen in der Zukunft beeinflussen und welche Möglichkeiten bestehen, den Druck auf die verfügbaren Wasserressourcen durch Verringerung des anthropogenen Wasserverbrauchs zu reduzieren. Diese Dissertation zeigt, dass der Klimawandel eine große Bedrohung für die Wasserversorgung der zukünftigen Bevölkerung darstellt. Durch Begrenzung des Anstiegs der globalen Mitteltemperatur auf 2 K oder sogar 1,5 K über das vorindustrielle Niveau können gravierende negative Auswirkungen auf die Wasserverfügbarkeit jedoch weitgehend vermieden werden. Dennoch wären einige Regionen wie der Mittelmeerraum "eher wahrscheinlich" von schwerwiegenden hydrologischen Veränderungen betroffen, und in großen Teilen der Welt könnten negative Auswirkungen auf die Wasserverfügbarkeit aufgrund der großen Unsicherheiten in den Projektionen nicht ausgeschlossen werden. Bei der Untersuchung der Nachfrageseite liegt der Schwerpunkt auf der Wassernutzung in der Tierproduktion. Diese Dissertation schätzt den gegenwärtigen Wasserverbrauch für die Produktion von Tierfutter auf 4666 km3/yr (44 % des gesamten landwirtschaftlichen Wasserverbrauchs). Große Verbesserungen der Wasserproduktivität können bei Schweinen und Geflügel durch Verbesserungen sowohl in der Futtermittelproduktion als auch in der Tierhaltung erzielt werden. Bei Wiederkäuern liegt das größte Potenzial in der Verbesserung der Tierhaltung. Allerdings geht eine effizientere Futterverwertung bei Wiederkäuern, die durch erhöhte Beigabe von Kraftfutter erzielt wird, mit einem erhöhten Wasserbedarf für die Produktion des Futters einher. Dadurch ist die Verbesserung der Wasserproduktivität bei Wiederkäuern begrenzt. / The hydrological cycle provides humanity with water resources that are essential for its well-being. The aim of this thesis is to advance the understanding of climate-related changes in the hydrological cycle, how they will affect the availability of water resources in the future, and what opportunities exist to reduce anthropogenic water use to lower the pressure on water resources. This thesis demonstrates that climate change is a large threat to freshwater supply for future populations. Limiting the increase in global mean temperature to 2 K or even 1.5 K above pre-industrial levels can mitigate most of the severe negative impacts on water resources. However, some regions such as the Mediterranean would still ‘more likely than not’ be affected by severe hydrological change, and in large parts of the world, negative impacts on water availability could not be ruled out due to the large uncertainties in the projections. On the demand side, the focus is on water use in the livestock sector. This thesis estimates that about 4666 km3/yr (44 % of total agricultural water use) are currently used for feed production for the livestock sector. Large improvements in livestock water productivity can be achieved for pigs and poultry by improvements in feed production and livestock rearing alike. For ruminants, the largest potential lies in improving livestock management. However, improving the feed use efficiency of ruminants through increased supplementation with forage crops comes at the cost of increased water requirements to produce the feed. This limits the potential for improving livestock water productivity in ruminant production.

Klimawandel und Bodendegradation üben Druck auf die Nahrungsmittelproduktion sowie auf die Fähigkeit des Bodens zur Minderung des Klimawandels beizutragen aus. Bodendegradation hat negative Auswirkungen auf die Bodenqualität. Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Effekte von landwirtschaftlich getriebener Bodendegradation, vor allem durch Pflügen und dem Umgang mit Ernterückständen. Es wird ein Überblick über das Thema Bodendegradation gegeben, gefolgt von Erweiterung des globalen Ökosystemmodells Lund-Potsdam-Jena-managed-Land (LPJmL) um eine detaillierte Prozessabbildung von Pflugpraktiken und Effekten von Ernterückständen. Diese ermöglicht die Analyse der Effekten von landwirtschaftlichen Managements auf die Anpassung und Minderung des Klimawandel. Das Modell kann die Effekte von naturerhaltender landwirtschaftlicher Bewirtschaftung (im Englischen bekannt als Conservation Agriculture) auf Kohlenstoffvorräte im Boden und CO2 Emissionen simulieren. Im letzten Teil wird die historische Dynamik der Entwicklung von Bodenkohlenstoff (engl.: Soil Organic Carbon – SOC) und die Effekte von Annahmen zum zukünftigen Management unter unterschiedlichen Klimaszenarien gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die historische Umwandlung von natürlicher Vegetation zu landwirtschaftlicher Fläche bis zu 215 Pg SOC im Boden verloren gegangen sind. Bis zum Ende des Jahrhunderts könnten weitere 38 Pg SOC zusätzlich verloren gehen, wird die heutige landwirtschaftliche Fläche nicht nachhaltig bewirtschaften. Die Bewirtschaftung mit dem Pflug zeigt einen geringen Einfluss auf die Kohlenstoffvorräte des Bodens, während die Wahl der Behandlung von Ernterückständen erheblich Einfluss hat. Die Rückführung von Ernterückständen hat positive Einflüsse auf Bodenwassergehalt und Ernteproduktivität, mit regionalen Unterschieden. Insgesamt zeigen 46% der heute Landwirtschaftsfläche das Potenzial zur Steigerung des Bodenkohlenstoff, während mindestens 52% Kohlenstoff im Boden verlieren könnten. / Climate change and increasing soil degradation put pressure on the global food production systems and the ability of land for climate change mitigation. Additionally, soil degradation has negative implications on soil quality. This thesis analyzes the effects of agricultural-driven global soil degradation, in particular tillage and residue management. At first, a review the state of knowledge on global soil degradation is provided. Soil organic carbon (SOC) decline is one of the major forms of soil degradation on cropland and a useful indicator of the status of soil degradation. Secondly, to study the effects of different pathways of agricultural management on biophysical and biogeochemical flows, the global ecosystem model Lund-Potsdam-Jena managed Land (LPJmL) is extended by a detailed representation of tillage practices and residue management. This improvement of LPJmL allows for the analysis of management-related effects on agricultural mitigation of climate change adaption and the reduction of environmental impacts. The model can simulate the effects of conservation practices on SOC stocks and CO2 emissions. And third, SOC development and the effects of different management assumptions under climate change is analyzed. This shows that approximately 215 Pg SOC was lost due to the historical conversion of natural land to cropland and up to 38 Pg SOC could be additionally lost on already existing cropland until the end of the century if cropland is not managed sustainably. The type of tillage system has small effects on the SOC stocks, while the choice of crop residue treatment is shown to be the main driver governing SOC development. Returning residues to the soil slows the decline of SOC, and positively affects soil moisture and crop productivity, with regional differences. In total, up to 46% of todays’ cropland shows the potential for SOC increase, while at least 52% of cropland today will undergo further SOC loss as a form of soil degradation.

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.

Over the past decades, climate change and urbanization have altered the regional hydro-environments, causing a series of stormwater management problems including urban flood and non-point pollution. Low impact development (LID) has been identified as a sustainable strategy for stormwater management. However, given the complex impacts of climate change and urbanization on hydro-environments, the performance of LID strategy under future changes remains largely unexplored. Accordingly, this research characterized the LID performance under changes in climate and urbanization. To provide an additional reference to sustainable stormwater management, the following specific topics were addressed: (1) Through hydraulic and water quality modeling, the LID performances of flood mitigation and pollution removal were systematically evaluated at the city scale. (2) Through uncertainty analysis, the impact of model parameter uncertainty on the LID performance was taken into account. (3) Through sensitivity analysis, the impact of LID technical parameters (e.g., surface features, soil textures) on the LID performance was quantified. (4) Through scenario analysis, the LID performances under different hydrological patterns were compared. (5) Through spatial analysis, the distribution of LID performance on different land-cover types was determined. (6) Through adopting general circulation model (GCM) projections, the LID performance under future climate scenarios with different representative concentration pathways (RCPs) was investigated. (7) Through adopting integrated assessment model (IAM) projections, the LID performance under future urbanization scenarios with different shared socioeconomic pathways (SSPs) was explored. (8) By coupling climate and urbanization projections with land-cover distribution, the spatiotemporal trends of LID performance in the future were characterized.:Table of Contents List of Abbreviations VII List of Peer-Reviewed Publications on the Ph.D. Topic IX List of Co-authored Peer-Reviewed Publications on the Ph.D. Topic X 1 General Introduction 1 1.1 Background 1 1.2 Objectives 3 1.3 Innovation and Contribution to the Knowledge 3 1.4 Outline of the Dissertation 4 1.5 References 5 2 Literature Review 9 2.1 Hydraulic and Water Quality Modeling 9 2.1.1 Hydraulic Model 9 2.1.2 Water Quality Model 10 2.2 Low Impact Development (LID) 10 2.2.1 LID Practice 10 2.2.2 LID Performance 11 2.3 Performance Evaluation 13 2.3.1 Scenario Analysis 13 2.3.2 Spatial Analysis 13 2.3.3 Uncertainty Analysis 14 2.3.4 Sensitivity Analysis 14 2.4 Future Changes in Climate and Urbanization 15 2.4.1 Climate Change 15 2.4.2 Future Urbanization 16 2.5 References 17 3 Impact of Technical Factors on LID Performance 27 3.1 Introduction 28 3.2 Methods 30 3.2.1 Study Area 30 3.2.2 Model Description 31 3.2.2.1 Model Theory 31 3.2.2.2 Model Construction 31 3.2.2.3 Model Calibration and Validation 32 3.2.2.4 Model Uncertainty Analysis by GLUE Method 34 3.2.3 Hydrological Pattern Design 35 3.2.4 LID Strategy Design 35 3.2.4.1 Implementation of LID Practices 35 3.2.4.2 Sensitivity Analysis by Sobol’s Method 36 3.2.5 Correlation Analysis Using a Self-Organizing Map 37 3.2.6 Description of the RDS Load Components 37 3.3 Results 38 3.3.1 RDS Migration and Distribution in Baseline Strategy 38 3.3.1.1 RDS Migration under Hydrological Scenarios 38 3.3.1.2 RDS Distribution on Land-Cover Types 39 3.3.2 RDS Removal in LID Strategies 40 3.3.2.1 RDS Removal by LID Strategies 40 3.3.2.2 Spatial Distribution of the RDS Removal 42 3.3.2.3 LID Parameter Sensitivity Analysis Result 43 3.4 Discussion 45 3.4.1 Factors Influencing RDS Migration in the Baseline Strategy 45 3.4.2 RDS Removal Performance by LID Strategy 46 3.5 Conclusions 47 3.6 References 47 4 Impact of Hydro-Environmental Factors on LID Performance 53 4.1 Introduction 54 4.2 Methods 56 4.2.1 Study Area 56 4.2.2 Modeling Approach 56 4.2.2.1 Model Theory 56 4.2.2.2 Model Construction 56 4.2.2.3 Model Calibration and Validation 57 4.2.2.4 Model Uncertainty Analysis 57 4.2.3 LID Performance Analysis 58 4.2.3.1 LID Practice Implementation 58 4.2.3.2 LID Performance Evaluation 58 4.2.4 Hydrological Pattern Analysis 59 4.2.4.1 Scenario of ADP Length 59 4.2.4.2 Scenario of Rainfall Magnitude 59 4.2.4.3 Scenario of Long-Term pre-Simulation 60 4.2.5 Sensitivity Analysis of Hydrological Scenarios 60 4.3 Results 61 4.3.1 LID Performance under Different ADP Lengths 61 4.3.2 LID Performance under Different Rainfall Magnitudes 62 4.3.3 Spatial Distribution of LID Performance 63 4.3.4 Sensitivities of LID Performance to ADP Length and Rainfall Magnitude 66 4.4 Discussion 68 4.4.1 Impact of ADP Length and Rainfall Magnitude on LID Performance 68 4.4.2 Spatial Heterogeneity of LID Performance 68 4.4.3 Research Implications 69 4.5 Conclusions 70 4.6 References 71 5 Impact of Future Climate Patterns on LID Performance 77 5.1 Introduction 78 5.2 Methods 80 5.2.1 Study Area 80 5.2.2 Hydraulic and Water Quality Model 80 5.2.2.1 Model Development 80 5.2.2.2 Model Calibration and Validation 81 5.2.3 Climate Change Scenario Analysis 81 5.2.3.1 GCM Evaluation 81 5.2.3.2 Greenhouse Gas (GHG) Concentration Scenario 82 5.2.3.3 GCM Downscaling 83 5.2.4 LID Performance Analysis 83 5.2.4.1 Implementation of LID Practices 83 5.2.4.2 Evaluation of LID Performance 84 5.2.4.3 Sensitivity Analysis on LID Performance 86 5.3 Results 86 5.3.1 Hydrological Characteristics under Future Climate Scenarios 86 5.3.2 LID Performance under Future Climate Scenarios 87 5.3.2.1 LID Short-Term Performance 87 5.3.2.2 LID Long-Term Performance 90 5.3.3 Impact of ADP Length and Rainfall Magnitude on LID Performance 92 5.3.3.1 LID Performance Uncertainty 92 5.3.3.2 Spatial Distribution of LID Performance 93 5.3.3.3 Sensitivity of LID Performance to Climate Change 95 5.4 Discussion 97 5.4.1 LID Performance in Short-Term Extremes and Long-Term Events 97 5.4.2 Impact of Climate Change on LID Performance 97 5.4.3 Research Implications 99 5.5 Conclusions 100 5.6 References 100 6 Impact of Climate and Urbanization Changes on LID Perfor-mance 109 6.1 Introduction 110 6.2 Methods 112 6.2.1 Study Area 112 6.2.2 Modeling Approach 112 6.2.2.1 Model Development 112 6.2.2.2 Model Calibration and Validation 113 6.2.3 Future Scenario Derivation 113 6.2.3.1 Climate Change Scenario 113 6.2.3.2 Urbanization Scenario 115 6.2.4 Flood Exposure Assessment 115 6.2.5 Implementation and Evaluation of LID Strategy 117 6.2.5.1 Implementation Scheme of LID Strategy 117 6.2.5.2 Performance Evaluation of LID Strategy 117 6.3 Results 118 6.3.1 Flood Exposure in Baseline and Future Scenarios 118 6.3.1.1 Hydrological Change in Future Climate Scenarios 118 6.3.1.2 Catchment Change in Future Urbanization Scenarios 118 6.3.1.3 Population and GDP Exposures to Flood in Future 121 6.3.2 Flood Exposure with Consideration of LID Strategy 123 6.3.2.1 Runoff Mitigation Performance of LID Strategy 123 6.3.2.2 Peak Mitigation Performance of LID Strategy 124 6.3.2.3 Population and GDP Exposures to Flood under LID Strategy 125 6.4 Discussion 126 6.4.1 Climate Change and Urbanization Exacerbated Flood Exposure Risk 126 6.4.2 LID Strategy Mitigated Flood Exposure Risk 126 6.5 Conclusions 127 6.6 References 127 7 Discussion and General Conclusions 133 7.1 Stormwater Management Performance of LID Strategy 133 7.2 Impact of Influencing Factors on LID Performance 134 7.3 LID Performance under Future Changes 135 7.4 Research Implications 136 7.5 References 137 8 Outlook of Future Research 139 8.1 Optimization of LID Performance 139 8.2 Cross-regional Study on Future Changes 139 8.3 Macro-scale Flood Risk Management 140 8.4 References 141 9 Appendices 143 9.1 Appendix for Chapter 3 143 9.1.1 The Determination of the GLUE Criteria 143 9.1.2 Model Uncertainty Analysis 143 9.1.3 The LID Installation Location 144 9.1.4 Figures 145 9.1.5 Tables 147 9.2 Appendix for Chapter 4 153 9.2.1 Scenario of Long-term pre-Simulation 153 9.2.2 Figures 153 9.2.3 Tables 158 9.3 Appendix for Chapter 5 164 9.3.1 Tables 164 9.4 Appendix for Chapter 6 169 9.4.1 Figures 169 9.4.2 Tables 170 9.5 Data Source 177 9.6 References 178

Recent climatic extreme events, such as the 2018-2020 drought period, demonstrate that ongoing climate change has a significant impact on our plant ecosystems, resulting in a variety of consequences such as temporal shifts in the growing season, biodiversity loss, and increased tree mortality. Forest ecosystems are especially endangered because the trees’ long lifecycles and their sessile nature impairs the potential to adapt or evade negative impacts in time. Nonetheless, forests are particularly essential because they accomplish key functions in our economic, ecological, and social lives, such as supplying timber, regulating carbon- and water cycling, or providing recreational benefits. Consequently, we need to investigate and comprehend the climatic impact on forest growth at both temporal and spatial scales. Additionally, we must examine the current state of forest vitality and productivity in order to make predictions about forest growth under changing climate. This thesis adds to our understanding of the climate-growth responses of two economically and ecologically important tree species in Central Europe within their low elevational and central distribution ranges: European beech (Fagus sylvatica L.) and Scots pine (Pinus sylvestris L.). We examine patterns in climate-driven growth responses at different spatiotemporal scales, ranging from regional to site-specific extents, and from retrospective to near real-time monitoring. In addition, we look at the possibility of employing tree-ring width (TRW) and remote-sensing (RS) data to assess forest vitality and productivity. A deeper knowledge of climate-growth responses in European beech and Scots pine will provide a foundation for decision making and forest management, assisting in the development of a resistant and resilient forest of the future. Chapter 1 provides an overview of the research objectives by situating them in the context of the present state of the art, framing the research objectives, introducing the study design, and finally formulating the research questions for this thesis. For that reason, we employ two tree-ring networks with varying spatial scales: the regional-scale Baltic Sea Network and the site-specific BDF-F-Network. The Baltic Sea Network includes TRW data from 119 pine and 55 beech study sites spread throughout the southern Baltic Sea region, which is distinguished by its predominantly medium nutritious soils, low elevation, and transitional climate ranging from maritime to more continental conditions. The BDF-F-Network, situated within the spatial extents of the Baltic Sea Network, spans along a precipitation gradient in northern Germany. It comprises 54 permanent monitoring plots with substantial information on soil and tree status dating back 40 years. During this PhD project, we extended the exhaustive data base of site-specific information by collecting TRW data for the entire network. As a result, the newly established BDF-F-Network acts as the thesis' centering point. In Chapters 2 and 3, we investigate the spatio-temporal growth responses of beech and pine in their low-elevational and central distribution ranges. Both species exhibit species-specific climate-growth responses with similar patterns at different spatial scales, i.e. when comparing the Baltic Sea and BDF-F-Network. While beech growth is predominantly impacted by summer drought conditions, winter temperature has the greatest impact on pine. We show that the main climatic drivers stay stable across spatial scales, whereas secondary climatic drivers, or climatic drivers with weaker correlations, may vary. Further, we investigate temporal instabilities in climate-growth responses for both networks by applying spatial segregation analyses and comparing growth responses for an early and a later period. We show that during the last few decades, both beech and pine have responded instable to their main climatic drivers, with increased sensitivity to summer drought and winter temperature, respectively. These temporal instabilities are visible at both regional and site-specific scales. Furthermore, Chapter 3 addresses how non-climatic and site-specific soil- and stand characteristics may influence tree growth across the BDF-F-Network's precipitation gradient. We use multilinear regression modeling to examine how stand parameters such as average tree height, diameter at breast height, and TRW differ across the gradient, and if they are impacted by soil water availability or soil type. However, our findings indicate no significant differences in site-specific soil- and stand-characteristics, with the exception of a minor effect on average tree height of European beech. In Chapter 4, we estimate the potential of TRW to assess long-term trends in beech vitality. At 9 sites, we compare the growth trends, climate sensitivities, and drought resistance of 10-20 pairs of vital and non-vital trees that are visually classified by crown condition. Moreover, we use individual heterozygozity as a proxy to determine if differences in growth behavior are caused by genetic predisposition. Surprisingly, growth responses and individual heterozygozity are similar in non-/vital trees. At several study sites, some as vital classified trees exhibit an even greater reduction in TRW than non-vital trees. In summary, we show that TRW is a better proxy for assessing long-term trends in tree vitality, compared to crown condition assessments that are defined by a high year-to-year dynamic. Similarly, Chapter 5 seeks to study the potential of satellite-derived leaf area index (LAI) series to monitor and evaluate forest productivity using European beech as an example. We employ an interdisciplinary approach by combining medium resolution LAI time series derived from two separate satellite sensors (SPOT-VGT/PROBA-V and MODIS), as well as long-term masting monitoring and TRW data from BDF-F-Network sites. By applying site-specific and across-network correlation analysis, we analyze the link between these three target parameters and identify common climatic drivers. While SPOT-VGT/PROBA-V LAI is negatively correlated with masting and positively correlated with TRW, finer resolved MODIS data does not show any significant relationships. We show that RS data from the SPOT-VGT/PROBA-V sensor could be a useful tool for assessing forest vitality and productivity if the LAI time series are sufficiently long. Furthermore, our findings indicate that masting and TRW are both influenced by summer climate conditions, whereas RS LAI appears to be climatically de-coupled. Our findings suggest that RS data has the potential to explore masting and hence forest productivity, but it should always be evaluated in light of the restrictions of different RS products. Finally, Chapter 6 summarizes the preceding chapters' findings and discusses them in the context of the research questions provided at the beginning of the thesis. / Die jüngsten klimatischen Extremereignisse, wie die Dürreperiode 2018-2020, zeigen, dass sich der anhaltende Klimawandel erheblich auf unsere Pflanzenökosysteme auswirkt. Dies führt zu einer Vielzahl weitreichender Folgen, wie der zeitlichen Verschiebung von Wachstumsperioden, Verlusten in der Biodiversität oder einer erhöhten Waldsterblichkeit. Besonders gefährdet sind hierbei Waldökosysteme, da die langen Lebenszyklen von Bäumen eine schnelle Anpassung an sich ändernde Klimabedingungen stark beeinträchtigen. Jedoch erfüllen vor allem Wälder wichtige Funktionen in unserem wirtschaftlichen, ökologischen und sozialen Leben, z. B. als Holzlieferanten, Regulatoren des Kohlenstoff- und Wasserkreislaufs oder auch als Erholungsraum für die Menschen. Dementsprechend ist es unerlässlich die klimatischen Auswirkungen auf das Waldwachstum sowohl auf zeitlicher als auch auf räumlicher Ebene zu untersuchen und zu verstehen. Zudem müssen wir auch den aktuellen Zustand der Vitalität und Produktivität der Wälder überprüfen, um aussagekräftige Prognosen zum Waldwachstum unter dem Einfluss des Klimawandels treffen zu können. Diese Dissertation trägt zu unserem Verständnis der Klimawachstumsreaktionen zweier wirtschaftlich und ökologisch relevanter Baumarten in ihrem ökologisch optimalen Verbreitungsgebiet in Mitteleuropa bei: der Rotbuche (Fagus sylvatica L.) und der Waldkiefer (Pinus sylvestris L.). Hierbei werden die klimabedingten Wachstumsreaktionen auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen untersucht, welchen von regionalen bis standortsspezifischen Ausmaßen und von retrospektiven Analysen bis nahezu Echtzeit-Monitoring reichen. Darüber hinaus erörtert diese Arbeit das Potenzial Jahrringdaten (TRW) als auch Fernerkundungsdaten (RS) zur Bewertung der Vitalität und Produktivität von Wäldern beispielhaft an der Rotbuche zu verwenden. Ein tiefreichendes Verständnis der Klima- Wachstumsreaktionen der Rotbuche und der Waldkiefer bietet somit eine gute Basis um bei Fragen zur zukünftigen Waldbewirtschaftung und der Entscheidungsfindung zu unterstützen, sodass wir einen widerstandsfähigen Wald der Zukunft aufbauen können. Kapitel 1 gibt einen Überblick über diese Dissertation, indem es Forschungsfragen in den Kontext des aktuellen Stands der Wissenschaft einordnet, die Forschungsziele erläutert, das Studiendesign vorstellt und schließlich die Forschungsfragen formuliert. Hierbei verwenden wir zwei Jahrringnetzwerke mit unterschiedlichen räumlichen Ausmaßen: das regionale Baltic Sea Netzwerk und das standortspezifische BDF-F-Netzwerk. Das Baltic Sea Netzwerk umfasst TRW-Daten von 119 Kiefern- und 55 Buchen-Standorten, welche sich über die gesamte südliche Ostseeregion erstrecken. Diese Standorte sind durch überwiegend mittelnährstoffreiche Böden, niedrige Höhenprofile und einem Übergangsklima von maritimen zu kontinentalen Bedingungen charakterisiert. Das BDF-F-Netz erstreckt sich entlang eines Niederschlagsgradienten in Norddeutschland und befindet sich somit innerhalb der geographischen Ausdehnungen des Baltic Sea Netzwerkes. Es umfasst 54 permanente Monitoring-Standorte zu denen umfangreichen Informationen zum Boden- und Baumzustand der letzten 40 Jahre vorliegen. Im Rahmen dieses Dissertationsprojektes wurden die umfassenden standortspezifischeren Informationen mit TRW-Daten für das gesamte Netzwerk ergänzt. Das daraus resultierende BDF-F-Netzwerk bildet somit den Dreh- und Angelpunkt der Dissertation. In den Kapiteln 2 und 3 werden die räumlichen und zeitlichen Wachstumsreaktionen von Rotbuche und Waldkiefer in ihren zentralen Verbreitungsgebieten untersucht. Unabhängig von der räumlichen Skala, sprich beim Vergleich von Standorten beider Netzwerke, zeigen beide Baumarten artspezifische Klimawachstumsreaktionen. Während die Rotbuche primär von Sommertrockenheit beeinflusst wird, ist das Wachstum der Waldkiefer maßgeblich von den Temperaturen im Winter geprägt. Zudem zeigt diese Arbeit, dass die primären Klimatreiber über verschiedene räumliche Skalen hinweg stabil bleiben. Sekundäre Klimatreiber, welche durch schwächeren Korrelationen zwischen Klima und Wachstum charakterisiert sind, können jedoch über geographische Ausbreitungen hinweg variieren. Weiterhin wurden zeitliche Instabilitäten in den Klimawachstumsreaktionen für beide Netzwerke mittels räumlicher Segregationsanalysen und dem Vergleich einer frühen und einer späteren zeitlichen Periode untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl Rotbuche als auch Waldkiefer Instabilitäten in ihren Hauptklimatreibern aufweisen. In den letzten Jahrzehnten stieg die Sensitivität der Rotbuche auf Sommertrockenheit signifikant an, während die Waldkiefer immer stärker auf Wintertemperaturen reagiert. Diese zeitlichen Instabilitäten können in beiden Netzwerken, sowohl auf überregionalen als auch auf standortortsspezifischer Skala, nachgewiesen werden. Kapitel 3 beleuchtet den Einfluss nichtklimatischer und standortspezifische Merkmale des Bodens und Bestandes auf das Baumwachstum. Hierbei werden entlang des Niederschlagsgradienten des BDF-F-Netzwerks Unterschiede in der durchschnittlichen Baumhöhe, des Brusthöhendurchmesser und TRW mittels multilinearer Regressionsmodellierung untersucht. Zudem werden die Einflüsse der Bodenwasserverfügbarkeit als auch der Bodenart erörtert. Abgesehen von einem marginalen Einfluss auf die durchschnittliche Baumhöhe der Rotbuche bestehen keine signifikanten Unterschiede in den Bestands- und Bodencharakteristika des Standorts. Die zugrundeliegenden Ursachen werden in Hinblick auf Erkenntnisse der aktuellen wissenschaftlichen Literatur und des Studiendesigns des BDF-F-Netzwerkes besprochen. Kapitel 4 untersucht das Potenzial TRW-Daten zu verwenden, um langfristige Trends in der Vitalität der Rotbuche zu bewerten. Hierbei wurden in 9 Beständen 10-20 Baumpaare, bestehend aus je einem vitalen und einem nicht vitalen Baum, visuell nach Kronenzustand klassifiziert. Somit können Unterschiede in den langfristigen Wachstumstrends, der Klimasensitivität und der Trockenheits-resistenz zwischen nicht-/vitalen Individuen analysiert werden. Zudem wird die individuelle Heterozygotie als Proxy für genetische Vielfalt der Rotbuche herangezogen, um genetisch bedingte Unterschiede im Wachstumsverhalten zu beleuchten. Überraschenderweise unterscheiden sich weder die Wachstumsreaktionen noch die individuelle Heterozygotie bei nicht-/vitalen Rotbuchen. Zudem zeigen einige vitale Bäume eine höhere TRW-Reduktion im Vergleich zu nicht vitalen Bäumen. Dementsprechend zeigen die Ergebnisse, dass TRW ein guter Proxy für die Bewertung langfristiger Trends in der Vitalität von Bäumen zu sein scheint, wohingegen Vitalitätsansprachen mittels visueller Abschätzung des Kronenzustands aufgrund einer hohen Jahr-zu-Jahr-Dynamik eine Momentaufnahme der Baumvitalität darstellen. Kapitel 5 erörtert die Frage, inwieweit wir satellitenbasierte Daten (RS) mit mittlerer Auflösung zur Überwachung und Bewertung der Waldproduktivität verwenden können und untersucht dies am Beispiel der Rotbuche. In diesem interdisziplinären Ansatz werden Fernerkundungsdaten des Blattflächenindex (LAI) von zwei Satellitensensoren (SPOT-VGT/PROBA-V und MODIS) mit Daten zum Mastverhalten und der TRW der Rotbuche innerhalb des BDF-F-Netzwerks kombiniert. Durch standortspezifische und netzwerkweite Korrelationsanalysen wird der Zusammenhang dieser drei Zielparameter analysiert und anhand gemeinsamer klimatischer Treiber diskutiert. Während SPOT-VGT/PROBA-V LAI negativ mit Mast und positiv mit TRW korreliert, gibt es keine signifikanten Korrelationen in höher aufgelösten MODIS-Daten. Die Ergebnisse zeigen, dass bei ausreichend langen Zeitreihen SPOT-VGT/PROBA-V-Daten ein nützliches Werkzeug zur Bewertung der Waldvitalität und -produktivität sein können. Darüber hinaus scheint RS LAI klimatisch entkoppelt zu sein, während sowohl Mastverhalten als auch TRW hauptsächlich vom Sommerklima beeinflusst werden. Die Ergebnisse zeigen, dass satellitenbasierte LAI-Daten das Potential besitzen das Mastverhalten und somit die Waldproduktivität zu erfassen und zu analysieren. Jedoch sollten etwaige Interpretationen und Rückschlüsse immer in Bezug zu technologischen und methodologischen Limitationen verschiedener RS-Produkte bewertet werden. Abschließend fasst Kapitel 6 die Ergebnisse der vorherigen Kapitel zusammen und diskutiert sie im Zusammenhang mit den Forschungsfragen, die zu Beginn der Arbeit gestellt wurden.