Human societies are reliant on the functioning of the hydrologic cycle. The atmospheric branch of this cycle, often referred to as moisture recycling in the context of land-to-land exchange, refers to water evaporating, traveling through the atmosphere, and falling out as precipitation. Similar to the surface water cycle that uses the watershed as the unit of analysis, it is also possible to consider a ‘watershed of the sky’ for the atmospheric water cycle. Thus, I explore the precipitationshed - defined as the upwind surface of the Earth that provides evaporation that later falls as precipitation in a specific place. The primary contributions of this dissertation are to (a) introduce the precipitationshed concept, (b) provide a quantitative basis for the study of the precipitationshed, and (c) demonstrate its use in the fields of hydrometeorology, land-use change, social-ecological systems, ecosystem services, and environmental governance. In Paper I, the concept of the precipitationshed is introduced and explored for the first time. The quantification of precipitationshed variability is described in Paper II, and the key finding is that the precipitationsheds for multiple regions are persistent in time and space. Moisture recycling is further described as an ecosystem service in Paper III, to integrate the concept into the existing language of environmental sustainability and management. That is, I identify regions where vegetation more strongly regulates the provision of atmospheric water, as well as the regions that more strongly benefit from this regulation. In Paper IV, the precipitationshed is further explored through the lens of urban reliance on moisture recycling. Using a novel method, I quantify the vulnerability of urban areas to social-ecological changes within their precipitationsheds. In Paper V, I argue that successful moisture recycling governance will require flexible, transboundary institutions that are capable of operating within complex social-ecological systems. I conclude that, in the future, the precipitationshed can be a key tool in addressing the complexity of social-ecological systems. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 4: Manuscript. Paper 5: Manuscript.</p><p> </p>

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Aerial Rivers („luftgetragenen Flüssen“), den bevorzugten Wegen des Flusses von Feuchte in der Atmosphäre. Ziel ist es, die Voraussetzung für deren Integration in aktuelle Paradigmen der Wasserwirtschaft zu schaffen. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen Amazonien und die angrenzenden Gebiete, also Regionen der Erde, in denen sich derzeit der Landnutzungswandel mit am schnellsten vollzieht. Aus theoretischer Sicht wird das Wissen über die Verbindung zwischen Aerial Rivers und Oberflächenflüssen erweitert. Mit Hilfe eines Algorithmus zur Verfolgung des atmosphärischen Feuchtigkeitstransports werden die Auswirkungen von entferntem Landnutzungswandel in Windrichtung auf die Niederschlagsmenge einer Zielregion quantifiziert. Die räumliche Heterogenität des Einflusses der gesamten Quellevapotranspirationsfläche (precipitationsehed) auf die/den empfangene/n Niederschlagsmenge/Oberflächenabfluss der Zielregion wird untersucht und führt zur Identifizierung der „Most Influential Precipitationshed“ (MIP), der für Managementzwecke relevantesten Teilfläche. Ein Aerial River-Managementbeispiel für Santa Cruz (Bolivien) zeigt, dass die strategische Wiederaufforstung im MIP sowohl die Niederschlagsmenge als auch den empfangenen Oberflächenabfluss erhöht und 22%-59% des zukünftigen Wasserbedarfszuwachses einer schnell wachsenden Stadt decken kann. Weiterhin werden sozio-technische Regime entlang von Aerial Rivers, die zu Extremereignissen wie Megadürren beitragen können, mit Hilfe der sozialwissenschaftlichen Methode der Multi-Level-Perspektive (MLP) untersucht. Ursachen wie Bodenpolitik und Marktinterventionen in Brasilien und Bolivien steuern weit entfernte kolumbianische Energieregime und deren Wandel. Aerial Rivers sind also zentral für zukünftiges Gewässermangement einschließlich Wasserkraft; ihr Management erfordert jedoch eine ganzheitliche Betrachtung der gesellschaftlichen Schnittstellen über administrative Grenzen und Sektoren hinweg. / Aerial rivers are the preferential pathways of moisture flows in the atmosphere. They connect the atmosphere, the water system, and the land system. This thesis aims to provide knowledge for integration of aerial rivers into management of these systems. It focuses on Amazonia and adjacent areas, which collectively experience some of the most rapid land use change on the planet. This thesis further develops three key aspects (theoretical, technical, and societal) of knowledge concerning aerial rivers. From a theoretical aspect, it advances the knowledge of connection between aerial rivers and surface rivers. Using a moisture tracking algorithm, the impact from upwind land use change via aerial rivers on target regions’ runoff reception is quantified. Spatial heterogeneity in the influence of the precipitationshed on runoff reception of the target region is found, implying a need to determine the most influential precipitationshed (MIP) for management purposes. From a technical aspect, the work demonstrates an aerial river management example for a rapidly growing city. It is shown that strategic reforestation in the MIP can increase both rainfall and runoff reception and secure 22%-59% of a rapidly growing city’s future water needs. Finally, the work explores the societal aspect of aerial river management. Socio-technical regimes along aerial rivers contributing to extreme events of mega-drought were traced through the social scientific method of multi-level perspective. It reveals that the source regimes such as land policy and market interventions in Brazil and Bolivia govern remote Colombian energy regimes and their transitions through aerial rivers. These findings show that aerial rivers are relevant and viable options for the development of future water resources - including hydropower - but their management will require a holistic consideration of the various societal interfaces as they cross jurisdictional boundaries and sectors.

Das erste Ziel dieser Arbeit ist eine umfassende Analyse der Wasserflüsse durchzuführen und Quellen und Senken des kontinentalen Niederschlags zu identifizieren. Als Analysemethode werden komplexe Netzwerke verwendet, ein Ansatz, mit dessen Hilfe das neuartige Konzept des “cascading moisture recycling'''' (CMR) eingeführt wird. CMR wird als vielfache Verdunstung von Niederschlag während des Feuchtigkeitstransports über bewaldeten Gebieten definiert. Dieses Verfahren ermöglicht es, den Anteil von CMR an der Menge des regionalen Niederschlags zu quantifizieren und Schlüsselregionen des CMR zu identifizieren. Die Analyse zeigt, dass der südliche Bereich des Amazonasbeckens nicht nur eine direkte Quelle für Niederschlag im La-Plata Becken ist, sondern auch als ``Brückenregion'''' dient, über die die verdunstete Feuchtigkeit des ganzen Amazonasbeckens auf dem Weg in die Subtropen transportiert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Neubewertung der Vulnerabilität des Amazonasregenwalds unter Umweltveränderungen unabdingbar ist. Dies ist das zweite Ziel der vorliegenden Arbeit. Durch diese Veränderungen könnten große Teile des Regenwaldes in eine Savanne umgewandelt werden. Dies würde wiederum den Niederschlag reduzieren, was sich negativ auf die Stabilität der verbleibenden Waldgebiete auswirken und ein Waldsterben verursachen kann. Für die Analyse dieser Zusammenhänge werden ebenfalls komplexe Netzwerke verwendet, um das Konzept der Ökosystem-Resilienz und CMR basierend auf Beobachtungsdaten zu kombinieren. Es werden die Schlüsselregionen, in denen Entwaldung zu einer Destabilisierung der verbleibenden Wald führt, identifiziert und die Möglichkeit eines großflächigen Absterben des Regenwaldes aufgrund von verlängerter Trockenzeit untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Diversität des Regenwaldes und die durch den Feuchtigkeitstransport gegebene Konnektivität der Waldgebiete eine wichtige Rolle für die Stabilität und ökologische Integrität dieses Ökosystems spielen. / The first aim of this thesis is to improve the understanding of vegetation-atmosphere interactions by means of complex network analysis of water fluxes from the sources to the sinks of rainfall in South America. This novel approach allows to introduce the concept of “cascading moisture recycling” defined as moisture recycling on the continent involving re-evaporation cycles along the way. A methodological framework is developed to quantify the importance of cascading moisture recycling and to identify key regions that sustain this process. It reveals, for instance, that the southern part of the Amazon basin is not only a direct source of rainfall for the La Plata basin as previously thought but also an intermediary region that re-distribute moisture evaporating from the entire Amazon basin towards the subtropics. This new concept lays the foundation for evaluating the vulnerability of the Amazon forest to environmental perturbations, which is the second aim of this thesis. Land-use and rainfall variability are expected to be intensified at the end of the twenty-first century and may push the south-eastern part of the Amazon forest towards a grass-dominated ecosystem. Such a forest loss would reduce local dry-season evapotranspiration and the resulting moisture supply for down-wind rainfall. In turn, this might erode the resilience of the remaining forest and lead to further forest losses. Using a complex network approach, the concepts of forest resilience and cascading moisture recycling are combined in a data-driven modeling framework. Key regions are identified where deforestation would greatly destabilize the remaining forest, as well as tipping points in dry-season intensification for large-scale self-amplified Amazon forest loss. The findings highlight the need to maintain the diversity and connectivity of forest patches in order to sustain the ecological integrity of the largest remaining tropical forest on Earth.