Facing the urgency of taking actions to guarantee the water supply to Brazil's Capital, the project called IWAS/ÁguaDF aims to provide scientific knowledge for the development of an Integrated Water Resources Management (IWRM) concept. The project is organized in multiple working groups wherein climate is considered as one of the main drivers. The water supply system of Distrito Federal (DF) is mainly dependent on three major complexes: river basins, waste water and drinking water. Anthropogenic climate change has the potential to affect these water complexes in a number of ways such as by losing storage capacity due to erosion and sedimentation, through altered persistency of dry events and due to increasing water demand. As a contribution to the IWAS/ÁguaDF project, this study focuses on the development of climate change projections for hydrological impact assessments at local/regional scale. The development of proper climate information is a challenging task. The level of complexity corresponds directly to the issues that concern impact modellers as well as technical aspects such as available observational data, human and computational resources. The identification of the needs for water-related issues gives the foundation for deriving proper climate projections. Before making projections, it is necessary to assess the current climate conditions, or baseline climate. Despite a better understanding of the regional aspects of the climate and the ongoing changes, the baseline climate provides the foundation for calibrating and validating climate models and downscaling methods. The General Circulation Models (GCMs) are the most preferred tools in simulating the response of the climate system to anthropogenic activities, like increasing greenhouse gases and aerosol emissions. However, the climate information required for regional impact studies, such as water resources management in DF, is of a spatial scale much finer than that provided by GCMs and therefore often demands a downscaling procedure. Hydrological models are usually sensitive to the temporal variability of precipitation at scales that are not well represented by GCMs. Statistical downscaling methods have the potential to bridge the mismatch between GCMs and impact models by adding local variability that is consistent with both the large-scale signal and local observations. The tool used (i.e., Statistical DownScaling Model - SDSM) is described as a hybrid of regression-based and stochastic weather generator. The systematic calibration adopted provides the appropriated predictors and model parameterization. The validation procedure takes into account the metrics relevant to the requirements of hydrological studies. Moreover, the downscaling approach considers several climate models (i.e., 18 GCMs) and emission scenarios (i.e., SRES A1B, A2, B1) in order to sample the widest sources of uncertainties available. In spite of the elevated level of uncertainties in the magnitude of change, most of the downscaled projections agree with positive changes in temperature and precipitation for the period of 2046-2065 when compared to the reference period (i.e., 1980-1999). Large ensembles are preferable but are often associated with massive amount of data which have limited application in hydrological impact studies. An alternative is to identify subsets of projections that are most likely and projections that have lower likelihood but higher impact. A set of representative climate projections is suggested for hydrological impact assessments. Although high resolution information is preferable, it relies on limited assumptions inherent to observations and coarse-resolution projections and, therefore, its use alone is not recommended. The combination of the baseline climate with large- and local-scale projections achieved in this study provides a wide envelope of climate information for assessing the sensitivity of hydrological systems in DF. A better understanding of the vulnerability of hydrological systems through the application of multiple sources of climate information and appropriate sampling of known uncertainties is perhaps the best way to contribute to the development of robust adaptation strategies. / Starkes Bevölkerungswachstum sowie Landnutzungs- und Klimawandel gefährden die Wasserversorgung der Metropolregion Brasília. Vor diesem Hintergrund soll das Projekt IWAS/ÁguaDF die wissenschaftlichen Grundlagen für ein Integriertes Wasserressourcen-Management (IWRM) im Distrito Federal (DF) erarbeiten. Das Projekt gliedert sich in drei klimasensitive Bereiche: Einzugsgebietsmanagement, Abwasseraufbereitung und Trinkwasserversorgung. Klimaänderungen können die Wasserversorgung im DF vielfältig beeinflussen, durch Veränderung der speicherbaren Wassermenge (Wasserdargebot, Speicherkapazität von Talsperren durch Sedimentation), der Dauer von Dürreperioden und des Wasserbedarfs (z.B. für Bewässerung). Klimaprojektionen für regionale hydrologische Impaktstudien stellen jedoch eine große Heraus-forderung dar. Ihre Komplexität richtet sich nach dem Bedarf des Impaktmodellierers und hängt zudem von technischen Voraussetzungen ab, wie der Verfügbarkeit von Beobachtungsdaten sowie von Personal- und Rechenressourcen. Die Ableitung geeigneter Maßnahmen für ein nachhaltiges Wasserressourcenmanagement im DF stellt hohe Ansprüche an die Qualität der zu entwickelnden Klimaprojektionen. Noch vor der Projektion müssen die gegenwärtigen klimatischen Bedingungen (Referenzklima) analysiert und bewertet werden. Die Analyse des Referenzklimas ermöglicht ein besseres Verständnis regionaler Unterschiede und aktueller Tendenzen und bildet die Grundlage für die Kalibrierung und Validierung von Klimamodellen und Downscaling-Methoden. Globale Klimamodelle (GCM) simulieren die Reaktion des Klimasystems auf anthropogene Treibhausgas- und Aerosolemissionen. Ihre räumliche Auflösung ist jedoch meist zu grob für regionale Klimaimpaktstudien. Zudem reagieren hydrologische Modelle meist sehr sensitiv auf zeitlich variable Niederschläge, welche in hoher zeitlicher Auflösung (Tagesschritte) ebenfalls nur unzureichend in GCM abgebildet werden. Statistische Downscaling-Verfahren können diese Inkohärenz zwischen GCM und Impaktmodellen reduzieren, indem sie das projizierte Klimasignal um lokale Variabilität (konsistent gegenüber den Beobachtungen) erweitern. Das in der vorliegenden Arbeit verwendete Tool, Statistical DownScaling Model - SDSM, vereint regressionsbasierte und stochastische Methoden der Wettergenerierung. Geeignete Prädiktoren und Modelparameter wurden durch systematische Kalibrierung bestimmt und anschließend validiert, wobei unter anderem auch hydrologisch relevante Gütekriterien verwendet wurden. Der gewählte Downscaling-Ansatz berücksichtigt zudem eine Vielzahl verschiedener Globalmodelle (18 GCM) und Emissionsszenarien (SRES A1B, A2 und B1) um die mit Klimaprojektionen verbundene hohe Unsicherheit möglichst breit abzudecken. Die Mehrheit der regionalen Projektionen weist auf eine Zunahme von Temperatur und Niederschlag hin (Zeitraum 2046 bis 2065 gegenüber Referenz-zeitraum, 1980 bis 1999), wenngleich die Stärke des Änderungssignals stark über das Ensemble variiert. Große Modellensemble sind zwar von Vorteil, sie sind jedoch auch mit einer erheblichen Datenmenge verbunden, welche für hydrologische Impaktstudien nur begrenzt nutzbar ist. Alternativ können einzelne „wahrscheinliche“ Projektionen verwendet werden sowie Projektionen, die weniger wahrscheinlich, aber mit einem starken Impakt verbunden sind. Ein solcher Satz repräsentativer Klimaprojektionen wurde für weitergehende Impaktstudien ausgewählt. Auch wenn in der Regel hochaufgelöste Klimaprojektionen angestrebt werden, ihr alleiniger Einsatz in Impaktstudien ist nicht zu empfehlen, aufgrund der vereinfachten Annahmen über die statistische Beziehung zwischen Beobachtungsdaten und den Modellergebnissen grob aufgelöster Globalmodelle. Der Vergleich des Referenzklimas mit großräumigen und lokalen Projektionen, wie er in dieser Arbeit durchgeführt wurde, liefert ein breites Spektrum an Klimainformationen zur Bewertung der Vulnerabilität hydrologischer Systeme im DF. Die Einbeziehung einer Vielzahl vorhandener Klimamodelle und die gezielte, den ermittelten Unsicherheitsbereich vollständig abdeckende Auswahl an Projektionen sollte die Entwicklung robuster Anpassungsstrategien bestmöglich unterstützen. / Diante do desafio de garantir o abastecimento de água potável da capital federal do Brasil, o projeto denominado IWAS/ÁguaDF tem como objetivo prover conhecimento científico para o desenvolvimento de um conceito de Gestão Integrada dos Recursos Hídricos (PGIRH). Afim de atingir esta proposta, o projeto é organizado em multiplos grupos de trabalho entre os quais o clima é considerado um dos principais fatores de influência. O sistema de abastecimento de água do Distrito Federal (DF) depende praticamente de três complexos: bacias hidrográficas, águas residuais e água potável. Mudanças climáticas causadas por ações antropogênicas apresentam um enorme potencial de impacto a estes complexos, por exemplo através de alterações no regime de chuvas, perda de volume dos reservatórios por assoriamento e aumento na demanda de água. Como contribuição ao projeto IWAS/ÁguaDF, este estudo tem como foco o desenvolvimento de projeções de mudanças climáticas para estudo de impacto nos recursos hídricos na escala local/regional. O nível de complexidade corresponde diretamente às questões levantadas pelos modeladores de impacto, bem como aspecto técnicos como a disponibilidade de dados observados e recursos humanos e computacionais. A identificação das necessidades de questões relacionadas à água no DF dão a base para derivar projeções climáticas adequadas. Antes de qualquer projeção futura, é indispensável avaliar as condições atuais do clima, também chamado de linha de base do clima. Além de fornecer a compreenção dos aspectos regionais do clima e mudaças em curso, a linha de base provê dados para a calibração e validação de modelos globais de clima e técnicas de regionalização (downscaling). Os Modelos de Circulação Geral (GCM) são as ferramentas mais adotadas na simulação da resposta do sistema climático às atividades antropogênicas, tais como aumento de emissões de gases do efeito estufa e aerosóis. No entanto, a informação necessária para estudos regionais de impacto, tais como gestão de recursos hídricos, é de escala espacial mais refinada do que a resolução espacial fornecida pelos GCMs e, dessa forma, técnicas de regionalização são frequentemente demandadas. Modelos hidrológicos são geralmente sensitivos à variabilidade temporal de precipitação em escalas não representadas pelos modelos globais. Métodos estatísticos de ‘downscaling’ apresentam um potencial para auxiliar no descompasso entre GCMs e modelos de impacto através da adição de variabilidade local consistente com o sinal de larga escala e as observações locais. A ferramenta utilizada (Statistical DownScaling Model - SDSM) é descrita como um híbrido entre regressão linear e gerador de tempo estocástico. A calibração sistemática adotada fornece apropriados preditores e uma parameterização consistente. O procedimento de validação do modelo leva em conta as métricas relevantes aos requerimentos dos estudos hidrológicos. Ainda, a abordagem aqui utilizada considera diversos modelos globais (isto é, 18 GCMs) e cenários de emissões (isto é, SRES A1B, A2 e B1) afim de contemplar as mais abrangentes fontes de incertezas disponíveis. Embora o elevado nível de incertezas na magnitude das mudançãs de clima, a grande maioria das projeções regionalizadas concordam com o aumento de temperatura e precipiatação para o período de 2046-2065 quando comparado com o período de referência (isto é, 1980-1999). Grandes conjuntos de projeções são preferíveis, mas são frequentement associados com uma quantidade exorbitante de dados os quais são de aplicação limiatada nos estudos de impacto. Uma alternativa é identificar sub-conjuntos de projeções que são as mais prováveis e projeções que são menos prováveis, porém apresentam maior impacto. Embora altas resoluções são preferíveis, estas baseiam-se em hipóteses inerentes às observações e projeções de larga escala e, dessa forma, não é recomendável o seu uso sozinho. A combinação do clima de base com projeções de resoluções baixas e altas fornece um amplo envelope de imformações climáticas para avaliar a sensitividade dos sistemas hidrológicos no DF. Um compreendimento mais apurado da vunerabilidade dos sistemas hidrológicos através da aplicação de multiplas fontes de informação e apropriada abordagem das incertezas conhecidas é talvez a melhor maneira para contribuir para o desenvolvimento de estratégias robustas de adaptação.

Die vorliegende Arbeit wurde auf der Grundlage begutachteter Publikationen als kumulative Dissertation verfasst. Ziel war hier, das zeitliche Spektrum des Niederschlages unter sich bereits geänderten und zukünftig möglichen Klimabedingungen zu untersuchen, um daraus risikobehaftete Auswirkungen auf den Wasserhaushalt ableiten zu können. Ausgehend von den für Sachsen bzw. Mitteldeutschland jahreszeitlich berechneten Trends für den Niederschlag im Zeitraum 1951-2000 wurde hier der Schwerpunkt auf das Verhalten des Starkniederschlages im Einzugsgebiet der Weißeritz (Osterzgebirge) während der Vegetationsperiode gesetzt. Unter Verwendung von Extremwertverteilungen wurde das lokale Starkniederschlagsgeschehen im Referenzzeitraum 1961-2000 für Ereignisandauern von 1-24 Stunden und deren Wiederkehrzeiten von 5-100 Jahren aus statistischer Sicht beschrieben. Mittels eines wetterlagenbasierten statistischen Downscaling wurden mögliche Änderungen im Niveau des zeitlich höher aufgelösten Niederschlagspektrums gegenüber dem Referenzspektrum auf die Zeitscheiben um 2025 (2011-2040) und 2050 (2036-2065) projiziert. Hierfür wurden die zu erwartenden Klimabedingungen für das IPCC-Emissionsszenario A1B angenommen. Mittels eines problemangepassten Regionalisierungsalgorithmus´ konnte eine Transformation der Punktinformationen in eine stetige Flächeninformation erreicht werden. Dabei wurden verteilungsrelevante Orografieeffekte auf den Niederschlag maßstabsgerecht berücksichtigt. Die signifikanten Niederschlagsabnahmen im Sommer bzw. in der Vegetationsperiode sind in Sachsen mit einer Zunahme und Intensivierung von Starkniederschlägen kombiniert. Hieraus entsteht ein Konfliktpotenzial zwischen Hochwasserschutz auf der einen und (Trink-) Wasserversorgung auf der anderen Seite. Für die zu erwartenden Klimabedingungen der Zeitscheiben um 2025 und 2050 wurden für das Einzugsgebiet der Weißeritz zunehmend positive, nicht-lineare Niveauverschiebungen im zeitlich höher aufgelösten Spektrum des Starkniederschlages berechnet. Für gleich bleibende Wiederkehrzeiten ergaben sich größere Regenhöhen bzw. für konstant gehaltene Regenhöhen kleinere Wiederkehrzeiten. Aus dem erhaltenen Änderungssignal kann gefolgert werden, dass der sich fortsetzende allgemeine Erwärmungstrend mit einer Intensivierung des primär thermisch induzierten, konvektiven Starkniederschlagsgeschehens einhergeht, was in Sachsen mit einem zunehmend häufigeren Auftreten von Starkregenereignissen kürzerer Andauer sowie mit einer zusätzlichen orografischen Verstärkung von Ereignissen längerer Andauer verbunden ist. Anhand des Klimaquotienten nach Ellenberg wurden Effekte des rezenten Klimatrends auf die Verteilung der potenziellen natürlichen Vegetation in Mitteldeutschland beispielhaft untersucht. Über eine Korrektur der Berechnungsvorschrift konnte eine Berücksichtigung der trendbehafteten klimatologischen Rahmenbedingungen, insbesondere dem negativen Niederschlagstrend im Sommer, erreicht werden. Insgesamt konnte festgestellt werden, dass die regionalen Auswirkungen des globalen Klimawandels massive Änderungen in der raum-zeitlichen Struktur des Niederschlages in Sachsen zur Folge haben, was unvermeidlich eine komplexe Wirkungskette auf den regionalen Wasserhaushalt zur Folge hat und mit Risiken verbunden ist. / This paper was written as a cumulative doctoral thesis based on appraised publications. Its objective was to study the temporal spectrum of precipitation under already changed or possible future climate conditions in order to derive effects on the water budget which are fraught with risks. Based on seasonal trends as established for Saxony and Central Germany for precipitation in the period of 1951-2000, the focus was on the behaviour of heavy precipitation in the catchment area of the Weißeritz (eastern Ore Mountains) during the growing season. Using distributions of extreme values, the local heavy precipitation behaviour in the reference period of 1961-2000 was described from a statistical point of view for event durations of 1-24 hours and their return periods of 5-100 years. Statistical downscaling based on weather patterns was used to project possible changes in the level of the high temporal resolution spectrum of precipitation, compared with the reference spectrum, to the time slices around 2025 (2011-2040) and 2050 (2036-2065). The IPCC A1B emission scenario was assumed for expected climate conditions for this purpose. Using a regionalisation algorithm adapted to the problem made it possible to achieve a transformation of local information into areal information. In doing so, distribution-relevant orographic effects on precipitation were taken into consideration in a manner true to scale. Significant decreases in precipitation in summer and during the growing season are combined with an increase and intensification of heavy precipitation in Saxony. This gives rise to a potential for conflict between the need for flood protection, on the one hand, and the supply of (drinking) water, on the other hand. For the expected climate conditions of the time slices around 2025 and 2050, increasingly positive, non-linear shifts in the level of the high temporal resolution spectrum of heavy precipitation were calculated for the catchment of the Weißeritz. Higher amounts of rain were found if the return periods were kept constant, and shorter return periods were found if the rain amounts were kept constant. It may be concluded from the change signal obtained that the continuing general warming trend is accompanied by an intensification of the primarily thermally induced convective behaviour of heavy precipitation. In Saxony, this is associated with an increasingly frequent occurrence of heavy precipitation events of short duration and with an additional orographic intensification of events of long duration. Using the Ellenberg climate quotient, effects of the recent climate trend on the distribution of potential natural vegetation in Central Germany were studied by way of example. Underlying climatological conditions subject to a trend, in particular the negative trend of precipitation in summer, were taken into consideration by a modification of the calculation rule. All in all, it was found that regional effects of global climate change bring about massive changes in the spatiotemporal structure of precipitation in Saxony, which inevitably leads to a complex chain of impact on the regional water budget and is fraught with risks.

Die vorliegende Arbeit wurde auf der Grundlage begutachteter Publikationen als kumulative Dissertation verfasst. Ziel war hier, das zeitliche Spektrum des Niederschlages unter sich bereits geänderten und zukünftig möglichen Klimabedingungen zu untersuchen, um daraus risikobehaftete Auswirkungen auf den Wasserhaushalt ableiten zu können. Ausgehend von den für Sachsen bzw. Mitteldeutschland jahreszeitlich berechneten Trends für den Niederschlag im Zeitraum 1951-2000 wurde hier der Schwerpunkt auf das Verhalten des Starkniederschlages im Einzugsgebiet der Weißeritz (Osterzgebirge) während der Vegetationsperiode gesetzt. Unter Verwendung von Extremwertverteilungen wurde das lokale Starkniederschlagsgeschehen im Referenzzeitraum 1961-2000 für Ereignisandauern von 1-24 Stunden und deren Wiederkehrzeiten von 5-100 Jahren aus statistischer Sicht beschrieben. Mittels eines wetterlagenbasierten statistischen Downscaling wurden mögliche Änderungen im Niveau des zeitlich höher aufgelösten Niederschlagspektrums gegenüber dem Referenzspektrum auf die Zeitscheiben um 2025 (2011-2040) und 2050 (2036-2065) projiziert. Hierfür wurden die zu erwartenden Klimabedingungen für das IPCC-Emissionsszenario A1B angenommen. Mittels eines problemangepassten Regionalisierungsalgorithmus´ konnte eine Transformation der Punktinformationen in eine stetige Flächeninformation erreicht werden. Dabei wurden verteilungsrelevante Orografieeffekte auf den Niederschlag maßstabsgerecht berücksichtigt. Die signifikanten Niederschlagsabnahmen im Sommer bzw. in der Vegetationsperiode sind in Sachsen mit einer Zunahme und Intensivierung von Starkniederschlägen kombiniert. Hieraus entsteht ein Konfliktpotenzial zwischen Hochwasserschutz auf der einen und (Trink-) Wasserversorgung auf der anderen Seite. Für die zu erwartenden Klimabedingungen der Zeitscheiben um 2025 und 2050 wurden für das Einzugsgebiet der Weißeritz zunehmend positive, nicht-lineare Niveauverschiebungen im zeitlich höher aufgelösten Spektrum des Starkniederschlages berechnet. Für gleich bleibende Wiederkehrzeiten ergaben sich größere Regenhöhen bzw. für konstant gehaltene Regenhöhen kleinere Wiederkehrzeiten. Aus dem erhaltenen Änderungssignal kann gefolgert werden, dass der sich fortsetzende allgemeine Erwärmungstrend mit einer Intensivierung des primär thermisch induzierten, konvektiven Starkniederschlagsgeschehens einhergeht, was in Sachsen mit einem zunehmend häufigeren Auftreten von Starkregenereignissen kürzerer Andauer sowie mit einer zusätzlichen orografischen Verstärkung von Ereignissen längerer Andauer verbunden ist. Anhand des Klimaquotienten nach Ellenberg wurden Effekte des rezenten Klimatrends auf die Verteilung der potenziellen natürlichen Vegetation in Mitteldeutschland beispielhaft untersucht. Über eine Korrektur der Berechnungsvorschrift konnte eine Berücksichtigung der trendbehafteten klimatologischen Rahmenbedingungen, insbesondere dem negativen Niederschlagstrend im Sommer, erreicht werden. Insgesamt konnte festgestellt werden, dass die regionalen Auswirkungen des globalen Klimawandels massive Änderungen in der raum-zeitlichen Struktur des Niederschlages in Sachsen zur Folge haben, was unvermeidlich eine komplexe Wirkungskette auf den regionalen Wasserhaushalt zur Folge hat und mit Risiken verbunden ist. / This paper was written as a cumulative doctoral thesis based on appraised publications. Its objective was to study the temporal spectrum of precipitation under already changed or possible future climate conditions in order to derive effects on the water budget which are fraught with risks. Based on seasonal trends as established for Saxony and Central Germany for precipitation in the period of 1951-2000, the focus was on the behaviour of heavy precipitation in the catchment area of the Weißeritz (eastern Ore Mountains) during the growing season. Using distributions of extreme values, the local heavy precipitation behaviour in the reference period of 1961-2000 was described from a statistical point of view for event durations of 1-24 hours and their return periods of 5-100 years. Statistical downscaling based on weather patterns was used to project possible changes in the level of the high temporal resolution spectrum of precipitation, compared with the reference spectrum, to the time slices around 2025 (2011-2040) and 2050 (2036-2065). The IPCC A1B emission scenario was assumed for expected climate conditions for this purpose. Using a regionalisation algorithm adapted to the problem made it possible to achieve a transformation of local information into areal information. In doing so, distribution-relevant orographic effects on precipitation were taken into consideration in a manner true to scale. Significant decreases in precipitation in summer and during the growing season are combined with an increase and intensification of heavy precipitation in Saxony. This gives rise to a potential for conflict between the need for flood protection, on the one hand, and the supply of (drinking) water, on the other hand. For the expected climate conditions of the time slices around 2025 and 2050, increasingly positive, non-linear shifts in the level of the high temporal resolution spectrum of heavy precipitation were calculated for the catchment of the Weißeritz. Higher amounts of rain were found if the return periods were kept constant, and shorter return periods were found if the rain amounts were kept constant. It may be concluded from the change signal obtained that the continuing general warming trend is accompanied by an intensification of the primarily thermally induced convective behaviour of heavy precipitation. In Saxony, this is associated with an increasingly frequent occurrence of heavy precipitation events of short duration and with an additional orographic intensification of events of long duration. Using the Ellenberg climate quotient, effects of the recent climate trend on the distribution of potential natural vegetation in Central Germany were studied by way of example. Underlying climatological conditions subject to a trend, in particular the negative trend of precipitation in summer, were taken into consideration by a modification of the calculation rule. All in all, it was found that regional effects of global climate change bring about massive changes in the spatiotemporal structure of precipitation in Saxony, which inevitably leads to a complex chain of impact on the regional water budget and is fraught with risks.

Within the frame work of the International Water Research Alliance Saxony (IWAS), project “Middle East” a complex integrated water management system is developed and tested in the project region of Middle East (Oman and Saudi-Arabia). Hence, new solutions for a sustainable management of the scarce water resources in (semi-) arid regions are explored within IWAS in the sultanate of Oman on which this study work is carried out. Rainfall runoff models are established to estimate the “water yield” of the catchments in the project region. Modeling is a very important tool that enables hydrologists to make more comprehensive use of rainfall time series. Rainfall-runoff modeling is also useful for water resources assessment as these models can generate a long representative time series of stream flow volumes from which water supply schemes can be designed (D.A. Hughes, 1995). Therefore, this study project mainly focuses on the following main tasks such as data analysis, data processing and statistical evaluation; Model selection and model setup; Model adaptation test and verification. As part of the common modeling protocol, sensitivity analysis of a Rainfall-Runoff Modeling Toolbox (RRMT) is carried out in this study with the aim to identify sensitive model parameters. RRMT has been developed in order to produce parsimonious, lumped model structures with a high level of parameter identifiability. Such identifiability is crucial if relationships between the model parameters representing the system and catchment characteristics are to be established. RRMT is a modular framework that allows its user to implement different model structures to find a suitable balance between model performance and parameter identifiability. The study is carried out in the upper catchment part of Wadi Ma’wil (gauge near to Afi’), Batinah Region of the Sultanate of Oman. Arid and semi-arid zones are characterized by rainfall which is highly variable in space, time, quantity and duration (Noy-Meir, 1973). The Sultanate of Oman is characterized by hyper-arid (<100 mm rainfall), through the arid (100–250 mm rainfall) and semi-arid (250–500 mm rainfall) environments that are experienced in different parts of the country. Furthermore, arid areas have distinctive hydrological features substantially different from those of humid areas. The high temporal and spatial distribution of the rainfall, flash floods, absence of base flow, sparsity of plant cover, high transmission losses, high amounts of evaporation and evapotranspiration and the general climatologies are examples of such differences.:Acknowledgments i Abstract ii List of Figures and Photos v List of Tables and Plots v 1. Description of Study Area 1 1.1 General characteristics of arid regions 1 1.2 Study area (Batinah Region and Ma’awil catchment of gauge ‘Afi’) 2 1.2.1 Overview of Study area 2 1.2.2 Wadi Ma’awil and Gauge near to Afi’ 3 2. Data Processing and Evaluation 6 2.1 Rainfall data 6 2.1.1 Monthly and Annual Mean Rainfall Analyses 6 2.1.2 Estimation of Missing Precipitation Data 6 2.1.3 Annual and monthly average rainfall 6 2.2 Runoff data 9 2.2.1Rainfall-Runoff events – Processing and Analysis 9 2.2.2 Wadi Ma’awil Runoff Analysis 9 2.3 Areal Precipitation 11 2.3.1 Area 11 2.3.2 Summary of Calculated Results of Mean Annual Areal Precipitation 12 2.4 Evapotranspiration 13 2.4.1 Evaporation and Potential Evapotranspiration 13 2.4.2 Calculation of Evapotranspiration by FAO Penman-Monteith Equation 13 2.4.3 Sample Calculation for Daily ET using FAO Penman-Monteith Equation 14 2.4.4 Comparisons of Evapotranspiration Calculation Results 16 3. Rainfall-Runoff Modeling 16 3.1 Modeling approach – selection of modules 16 3.1.1 Basic Principle 16 3.1.2 Classification of models 16 3.1.3 Modeling Process 17 3.2 Rainfall-Runoff Modeling Toolbox 19 3.2.1 Introduction 19 3.2.2 Data Needs and Model Structure 20 3.3 Provision of input data 20 3.4 Calibration and Validation 20 3.4.1 Model Calibration and Validation 21 3.5 Sensitivity Analysis 22 3.6 Discussions of Results 23 3.6.1 Optimization Modules 23 3.6.2 Soil Moisture Accounting (SMA) Modules 24 3.6.3 Routing (R) Modules 25 3.6.4 The objective functions 26 3.6.5 Visualization Modules Results 27 3.7 Conclusions and Recommendations 35 3.7.1 Conclusions 35 3.7.2 Limitations and Recommendations 35 References 37 Appendix 38 Appendix A: Daily extraterrestrial radiation (Ra) for different latitudes for the 15th day of the month 38 Appendix B: Mean daylight hours (N) for different latitudes for the 15th of the month 38 Annexes 39 Annex - A: Mean Rainfall for the Gauge Afi’ from 1995 – 2005 39 Annex A-1: Annual Mean Rainfall for Gauge Afi’ for the time period 1995-2005 39 Annex A-2: Monthly Mean Rainfall for Gauge Afi’ for the time period 1995-2005 39 Annex A-3: Monthly Mean Rainfall for each Rain Gauge within the Wadi Ma’awil Catchment area for the time period 1995-2005 40 Annex - B: Rainfall - Runoff events for the Gauge Afi’ 41 Annex B-1: Annual Rainfall Vs Runoff events for the Gauge Afi’ from 1995 – 2005 42 Annex B-2: Monthly Rainfall Vs Runoff events for the Gauge Afi’ from 1995 – 2005 44 Annex B-3: Daily Rainfall Vs Runoff events for the Gauge Afi’ sample graphs with the time period from 1995to 2005 46

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

Diese Dissertation beschäftigt sich mit regionaler Klimamodellierung über Südamerika, der Analyse von Modellsensitivitäten bezüglich Wolkenparametrisierungen und der Entwicklung neuer Methoden zur Modellevaluierung mithilfe von Klimanetzwerken. Im ersten Teil untersuchen wir Simulationen mit dem COnsortium for Small scale MOdeling model in CLimate Mode (COSMO-CLM) und stellen die erste umfassende Evaluierung dieses dynamischen regionalen Klimamodells über Südamerika vor. Dabei untersuchen wir insbesondere die Abhängigkeit simulierter tropischer Niederschläge von Parametrisierungen subgitterskaliger cumuliformer und stratiformer Wolken und finden starke Sensitivitäten bezüglich beider Wolkenparametrisierungen über Land. Durch einen simultanen Austausch der entsprechenden Schemata gelingt uns eine beträchtliche Reduzierung von Fehlern in klimatologischen Niederschlags- und Strahlungsmitteln, die das COSMO-CLM über tropischen Regionen für lange Zeit charakterisierten. Im zweiten Teil führen wir neue Metriken für die Evaluierung von Klimamodellen bezüglich räumlicher Kovariabilitäten ein. Im Kern bestehen diese Metriken aus Unähnlichkeitsmaßen für den Vergleich von simulierten mit beobachteten Klimanetzwerken. Wir entwickeln lokale und globale Unähnlichkeitsmaße zum Zwecke der Darstellung lokaler Unähnlichkeiten in Form von Fehlerkarten sowie der Rangordnung von Modellen durch Zusammenfassung lokaler zu globalen Unähnlichkeiten. Die neuen Maße werden dann für eine vergleichende Evaluierung regionaler Klimasimulationen mit COSMO-CLM und dem Statistical Analogue Resampling Scheme über Südamerika verwendet. Dabei vergleichen wir die sich ergebenden Modellrangfolgen mit solchen basierend auf mittleren quadratischen Abweichungen klimatologischer Mittelwerte und Varianzen und untersuchen die Abhängigkeit dieser Rangfolgen von der betrachteten Jahreszeit, Variable, dem verwendeten Referenzdatensatz und Klimanetzwerktyp. / This dissertation is about regional climate modeling over South America, the analysis of model sensitivities to cloud parameterizations, and the development of novel model evaluation techniques based on climate networks. In the first part we examine simulations with the COnsortium for Small scale MOdeling weather prediction model in CLimate Mode (COSMO-CLM) and provide the first thorough evaluation of this dynamical regional climate model over South America. We focus our analysis on the sensitivity of simulated tropical precipitation to the parameterizations of subgrid-scale cumuliform and stratiform clouds. It is shown that COSMO-CLM is strongly sensitive to both cloud parameterizations over tropical land. Using nondefault cumulus and stratus parameterization schemes we are able to considerably reduce long-standing precipitation and radiation biases that have plagued COSMO-CLM across tropical domains. In the second part we introduce new performance metrics for climate model evaluation with respect to spatial covariabilities. In essence, these metrics consist of dissimilarity measures for climate networks constructed from simulations and observations. We develop both local and global dissimilarity measures to facilitate the depiction of local dissimilarities in the form of bias maps as well as the aggregation of those local to global dissimilarities for the purposes of climate model intercomparison and ranking. The new measures are then applied for a comparative evaluation of regional climate simulations with COSMO-CLM and the STatistical Analogue Resampling Scheme (STARS) over South America. We compare model rankings obtained with our new performance metrics to those obtained with conventional root-mean-square errors of climatological mean values and variances, and analyze how these rankings depend on season, variable, reference data set, and climate network type.

The process based soil erosion simulation model EROSION 3D is applied on regional scale for the federal state of Saxony/Germany. This survey is aimed on modeling soil loss, sediment transport, deposition resp. the input of particle attached nutrient and pollutant input into surface water bodies for 10years storm event and three land use scenarios. The available region-wide geo-data were preprocessed to be used in the parameterization interface DPROC. This software has been extended to parameterize large areas as well as small catchments. The basis of parameterization is a relational data base consisting of measured or estimated specific model soil parameters. These values have been derived by heavy rainfall simulation experiments below field conditions. The data base has been extended by the new results, which cover different soil tillage practices. The new experiments were conducted with a newly developed methodology. The experimental results show a significant relation of soil loss from the mechanical impact due to soil tillage. Only the non-tillage practice is able to protect soils efficiently from erosional soil losses. In order to describe particle attached nutrient and pollutant transport, soil samples were analyzed determining the element content of different particle fractions. The regional scale simulations identify the Saxonian Loess Belt as hotspot of soil erosion. However considerable amounts can also be expected in certain areas of the low mountain range. Particle attached element inputs into surface water bodies correspond to main sediment delivery areas. The amounts of erosional soil losses could be reduced to 90 % in case of consequently and area-wide transformation to conservation tillage practices. The calculated phosphorous inputs into surface waters on catchment scale are proofed to be valid. Compared to empirical based phosphorous and heavy metal yields the results in this study exceed this findings by a wide range. The differences are caused by lacking an event based consideration, which disregards system maximal impacts. Since erosion is an exclusive non continuous process, those maximal impacts are highly relevant and have to be considered in case of planning and execution of erosion and water protection concepts. / In der vorliegenden Arbeit wird das prozessbasierte Erosionsprognosemodell EROSION 3D flächendeckend auf regionaler Ebene für den Freistaat Sachsen angewendet. Ziel der Untersuchungen ist es, Bodenabtrag, Sedimenttransport und -deposition bzw. den Eintrag partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe in Oberflächengewässer für ein 10jähriges Starkniederschlagsereignis und drei verschiedene Landnutzungsszenarien zu beschreiben. Dazu wurden im Vorfeld verfügbare Geo-Basisdaten so aufbereitet, dass sie für die semiautomatische Parametrisierung mit der Software DPROC verwendet werden können. Diese Software wurde so erweitert, dass sowohl größere Einzugsgebiete als auch einzelne Teileinzugsgebiete parametrisiert werden können. Grundlage der Parametrisierung bildet eine relationale Datenbank, die auf Messwerten bzw. davon abgeleiteten Schätzwerten aus Starkregenexperimenten unter Feldbedingungen basiert. Der vorhandene Datenfundus wurde durch neue Ergebnisse zu verschiedenen Verfahren der ackerbaulichen Bodenbearbeitung mittels neu entwickelter Methodik korrigiert und erweitert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Feststoffaustrages von der Eingriffsintensität bei der Bodenbearbeitung. Dabei ist die Direktsaat die einzige Bewirtschaftungsform, die den Boden effektiv vor Erosion schützt. Um den selektiven partikelgebundenen Nähr- und Schadstofftransport prozessbasiert abzuschätzen, wurden die Stoffgehalte für die Partikelfraktionen Sand, Schluff und Ton an Bodenproben bestimmt. Die regionalskalierten Simulationen identifizieren die sächsische Lössregion als Schwerpunkt der Bodenerosion in Sachsen. Beträchtliche Bodenabträge sind darüber hinaus in den sächsischen Mittelgebirgen zu erwarten. Partikelgebundene Stoffeinträge in Oberflächengewässer verteilen sich in Abhängigkeit von den Sedimentliefergebieten. Die Bodenumlagerungsprozesse einschließlich der damit verbundenen partikelgebundenen Stoffeinträge lassen sich bei konsequenter Umstellung auf konservierende Bewirtschaftungsmethoden entsprechend den Modellergebnissen um mehr als 90 % reduzieren. Im Rahmen der Modellvalidierung konnte die Zuverlässigkeit der berechneten Phosphorausträge auf Einzugsgebietsebene belegt werden. Verglichen mit empirisch basierten mittleren jährlichen Abschätzungen sind die in dieser Arbeit berechneten ereignisbezogenen Phosphor- und Schwermetallausträge um ein Vielfaches höher. Zurückzuführen sind diese Unterschiede vor allem darauf, dass bei den rein empirischen Ansätzen, die maximale Belastungsspitzen unberücksichtigt bleiben. Da Erosion stets ein diskontinuierlicher Prozess ist, sind diese Belastungsspitzen im höchsten Maße relevant und bei der Planung und Durchführung von Erosions- und Gewässerschutzkonzepten unbedingt zu berücksichtigen.

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The process based soil erosion simulation model EROSION 3D is applied on regional scale for the federal state of Saxony/Germany. This survey is aimed on modeling soil loss, sediment transport, deposition resp. the input of particle attached nutrient and pollutant input into surface water bodies for 10years storm event and three land use scenarios. The available region-wide geo-data were preprocessed to be used in the parameterization interface DPROC. This software has been extended to parameterize large areas as well as small catchments. The basis of parameterization is a relational data base consisting of measured or estimated specific model soil parameters. These values have been derived by heavy rainfall simulation experiments below field conditions. The data base has been extended by the new results, which cover different soil tillage practices. The new experiments were conducted with a newly developed methodology. The experimental results show a significant relation of soil loss from the mechanical impact due to soil tillage. Only the non-tillage practice is able to protect soils efficiently from erosional soil losses. In order to describe particle attached nutrient and pollutant transport, soil samples were analyzed determining the element content of different particle fractions. The regional scale simulations identify the Saxonian Loess Belt as hotspot of soil erosion. However considerable amounts can also be expected in certain areas of the low mountain range. Particle attached element inputs into surface water bodies correspond to main sediment delivery areas. The amounts of erosional soil losses could be reduced to 90 % in case of consequently and area-wide transformation to conservation tillage practices. The calculated phosphorous inputs into surface waters on catchment scale are proofed to be valid. Compared to empirical based phosphorous and heavy metal yields the results in this study exceed this findings by a wide range. The differences are caused by lacking an event based consideration, which disregards system maximal impacts. Since erosion is an exclusive non continuous process, those maximal impacts are highly relevant and have to be considered in case of planning and execution of erosion and water protection concepts.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI Symbole und Einheiten XIII Zusammenfassung XV Abstract XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 1.3 Stand der Forschung 6 1.3.1 Prozesse und Skalen der Bodenerosion 6 1.3.2 Einflussgrößen der Bodenerosion 8 1.3.3 Erosionsschäden 13 1.3.4 Gesetzliche Regelungen zum Erosionsschutz 15 1.3.5 Erosionsmodellierung 16 1.3.6 Niederschlagssimulationen zur Parametererfassung 25 1.3.7 Kornfraktionsspezifische Verteilung partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe 27 2 Material und Methoden 30 2.1 Untersuchungsgebiet 30 2.1.1 Allgemeine Charakteristik 30 2.1.2 Flächennutzung 31 2.1.3 Boden und Relief 31 2.1.4 Gewässer 33 2.1.5 Klima 34 2.1.6 Planungsebenen 34 2.2 Simulationsmodell EROSION 3D 36 2.2.1 Modellgrundlagen 36 2.2.2 Modellalgorithmen 39 2.2.3 Modellparameter 48 2.3 Parametrisierungsinterface DPROC 50 2.3.1 Programmgrundlagen 50 2.3.2 Datenbank 51 2.3.3 Flächenauswahl und Datenzuschnitt 53 2.4 Experimentelle Untersuchungen 56 2.4.1 Untersuchungsstandorte 56 2.4.2 Durchführung von Erosionsexperimenten mit Starkregensimulation 59 2.4.3 Parameterableitung 62 2.4.4 Korrektur- und Erweiterung der DPROC-Datenbank 65 2.5 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer 68 2.5.1 Regionalisierung und Validierung amtlicher Datenquellen 68 2.5.2 Probenahmen und Laboranalysen 68 2.5.3 Bestimmung der kornfraktionsspezifischen Phosphor- und Schwermetallgehalte 70 2.5.4 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer unter Verwendung der Simulationsergebnisse 71 2.6 Statistische Auswertung der experimentellen Daten 73 2.7 GIS-Daten und Datenaufbereitung 74 2.7.1 Reliefdaten 74 2.7.2 Bodendaten 75 2.7.3 Landnutzung und Bodenbearbeitung 75 2.7.4 Niederschlagsdaten 77 2.7.5 Andere Flächendaten 78 2.8 Simulationsrechnungen 79 2.8.1 Aufteilung in Untereinheiten 79 2.8.2 Szenarien 79 2.9 Risikoabschätzung 81 2.9.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 81 2.9.2 Oberflächengewässer 82 2.10 Modellvalidierung 84 2.10.1 Gebietsauswahl und Gebietscharakteristik 84 2.10.2 Datengrundlagen der Modellvalidierung 85 2.10.3 Modellparametrisierung 86 3 Ergebnisse 90 3.1 Experimentelle Ergebnisse 90 3.1.1 Starkregensimulationen 90 3.1.2 Ableitung sachsenweiter kornfraktionsspezifischer Stoffgehalte 91 3.2 Ergebnisse aus GIS-Operationen 98 3.2.1 Reliefdaten 98 3.2.2 Landnutzungsdaten 98 3.2.3 Andere GIS-Daten 99 3.3 Ergebnisse aus Simulationsrechnungen 105 3.3.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 105 3.3.2 Oberflächengewässer 112 3.4 Ergebnisse zur Modellvalidierung 126 3.4.1 Aus Messdaten abgeleitete Ergebnisse 126 3.4.2 Simulationsrechnungen zur Modellvalidierung 130 4 Diskussion 132 4.1 Experimentelle Ergebnisse 132 4.1.1 Messdaten 132 4.1.2 Abgeleitete Daten 135 4.1.3 Zusammenfassende Bewertung der experimentellen Daten 141 4.1.4 Kornfraktionsspezifische Stoffgehalte und -verteilungen 142 4.2 GIS-Daten 145 4.2.1 Reliefdaten 145 4.2.2 Bodendaten 145 4.2.3 Landnutzungsdaten 146 4.2.4 Regionalisierte Stoffgehalte 147 4.3 Weiterentwicklung und Korrektur der DPROC-Datenbank 149 4.4 Modellvalidierung 153 4.5 Simulationsrechnungen 156 4.5.1 Bodenabtrag und Deposition 156 4.5.2 Sediment- und partikelgebundener Stofftransport 163 5 Schlussfolgerung 170 6 Literatur 176 Anhang II A I Erosionsmodelle i A II DPROC-Übersetzungstabellen ii A III GIS-Daten viii A IV Interpolierte Oberboden-Schwermetallgehalte xii A V Daten der Starkregensimulationen xix A VI Elementgehalte der Bodenproben lxi A VII Simulationsrechnungen lxxi / In der vorliegenden Arbeit wird das prozessbasierte Erosionsprognosemodell EROSION 3D flächendeckend auf regionaler Ebene für den Freistaat Sachsen angewendet. Ziel der Untersuchungen ist es, Bodenabtrag, Sedimenttransport und -deposition bzw. den Eintrag partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe in Oberflächengewässer für ein 10jähriges Starkniederschlagsereignis und drei verschiedene Landnutzungsszenarien zu beschreiben. Dazu wurden im Vorfeld verfügbare Geo-Basisdaten so aufbereitet, dass sie für die semiautomatische Parametrisierung mit der Software DPROC verwendet werden können. Diese Software wurde so erweitert, dass sowohl größere Einzugsgebiete als auch einzelne Teileinzugsgebiete parametrisiert werden können. Grundlage der Parametrisierung bildet eine relationale Datenbank, die auf Messwerten bzw. davon abgeleiteten Schätzwerten aus Starkregenexperimenten unter Feldbedingungen basiert. Der vorhandene Datenfundus wurde durch neue Ergebnisse zu verschiedenen Verfahren der ackerbaulichen Bodenbearbeitung mittels neu entwickelter Methodik korrigiert und erweitert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Feststoffaustrages von der Eingriffsintensität bei der Bodenbearbeitung. Dabei ist die Direktsaat die einzige Bewirtschaftungsform, die den Boden effektiv vor Erosion schützt. Um den selektiven partikelgebundenen Nähr- und Schadstofftransport prozessbasiert abzuschätzen, wurden die Stoffgehalte für die Partikelfraktionen Sand, Schluff und Ton an Bodenproben bestimmt. Die regionalskalierten Simulationen identifizieren die sächsische Lössregion als Schwerpunkt der Bodenerosion in Sachsen. Beträchtliche Bodenabträge sind darüber hinaus in den sächsischen Mittelgebirgen zu erwarten. Partikelgebundene Stoffeinträge in Oberflächengewässer verteilen sich in Abhängigkeit von den Sedimentliefergebieten. Die Bodenumlagerungsprozesse einschließlich der damit verbundenen partikelgebundenen Stoffeinträge lassen sich bei konsequenter Umstellung auf konservierende Bewirtschaftungsmethoden entsprechend den Modellergebnissen um mehr als 90 % reduzieren. Im Rahmen der Modellvalidierung konnte die Zuverlässigkeit der berechneten Phosphorausträge auf Einzugsgebietsebene belegt werden. Verglichen mit empirisch basierten mittleren jährlichen Abschätzungen sind die in dieser Arbeit berechneten ereignisbezogenen Phosphor- und Schwermetallausträge um ein Vielfaches höher. Zurückzuführen sind diese Unterschiede vor allem darauf, dass bei den rein empirischen Ansätzen, die maximale Belastungsspitzen unberücksichtigt bleiben. Da Erosion stets ein diskontinuierlicher Prozess ist, sind diese Belastungsspitzen im höchsten Maße relevant und bei der Planung und Durchführung von Erosions- und Gewässerschutzkonzepten unbedingt zu berücksichtigen.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI Symbole und Einheiten XIII Zusammenfassung XV Abstract XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 1.3 Stand der Forschung 6 1.3.1 Prozesse und Skalen der Bodenerosion 6 1.3.2 Einflussgrößen der Bodenerosion 8 1.3.3 Erosionsschäden 13 1.3.4 Gesetzliche Regelungen zum Erosionsschutz 15 1.3.5 Erosionsmodellierung 16 1.3.6 Niederschlagssimulationen zur Parametererfassung 25 1.3.7 Kornfraktionsspezifische Verteilung partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe 27 2 Material und Methoden 30 2.1 Untersuchungsgebiet 30 2.1.1 Allgemeine Charakteristik 30 2.1.2 Flächennutzung 31 2.1.3 Boden und Relief 31 2.1.4 Gewässer 33 2.1.5 Klima 34 2.1.6 Planungsebenen 34 2.2 Simulationsmodell EROSION 3D 36 2.2.1 Modellgrundlagen 36 2.2.2 Modellalgorithmen 39 2.2.3 Modellparameter 48 2.3 Parametrisierungsinterface DPROC 50 2.3.1 Programmgrundlagen 50 2.3.2 Datenbank 51 2.3.3 Flächenauswahl und Datenzuschnitt 53 2.4 Experimentelle Untersuchungen 56 2.4.1 Untersuchungsstandorte 56 2.4.2 Durchführung von Erosionsexperimenten mit Starkregensimulation 59 2.4.3 Parameterableitung 62 2.4.4 Korrektur- und Erweiterung der DPROC-Datenbank 65 2.5 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer 68 2.5.1 Regionalisierung und Validierung amtlicher Datenquellen 68 2.5.2 Probenahmen und Laboranalysen 68 2.5.3 Bestimmung der kornfraktionsspezifischen Phosphor- und Schwermetallgehalte 70 2.5.4 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer unter Verwendung der Simulationsergebnisse 71 2.6 Statistische Auswertung der experimentellen Daten 73 2.7 GIS-Daten und Datenaufbereitung 74 2.7.1 Reliefdaten 74 2.7.2 Bodendaten 75 2.7.3 Landnutzung und Bodenbearbeitung 75 2.7.4 Niederschlagsdaten 77 2.7.5 Andere Flächendaten 78 2.8 Simulationsrechnungen 79 2.8.1 Aufteilung in Untereinheiten 79 2.8.2 Szenarien 79 2.9 Risikoabschätzung 81 2.9.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 81 2.9.2 Oberflächengewässer 82 2.10 Modellvalidierung 84 2.10.1 Gebietsauswahl und Gebietscharakteristik 84 2.10.2 Datengrundlagen der Modellvalidierung 85 2.10.3 Modellparametrisierung 86 3 Ergebnisse 90 3.1 Experimentelle Ergebnisse 90 3.1.1 Starkregensimulationen 90 3.1.2 Ableitung sachsenweiter kornfraktionsspezifischer Stoffgehalte 91 3.2 Ergebnisse aus GIS-Operationen 98 3.2.1 Reliefdaten 98 3.2.2 Landnutzungsdaten 98 3.2.3 Andere GIS-Daten 99 3.3 Ergebnisse aus Simulationsrechnungen 105 3.3.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 105 3.3.2 Oberflächengewässer 112 3.4 Ergebnisse zur Modellvalidierung 126 3.4.1 Aus Messdaten abgeleitete Ergebnisse 126 3.4.2 Simulationsrechnungen zur Modellvalidierung 130 4 Diskussion 132 4.1 Experimentelle Ergebnisse 132 4.1.1 Messdaten 132 4.1.2 Abgeleitete Daten 135 4.1.3 Zusammenfassende Bewertung der experimentellen Daten 141 4.1.4 Kornfraktionsspezifische Stoffgehalte und -verteilungen 142 4.2 GIS-Daten 145 4.2.1 Reliefdaten 145 4.2.2 Bodendaten 145 4.2.3 Landnutzungsdaten 146 4.2.4 Regionalisierte Stoffgehalte 147 4.3 Weiterentwicklung und Korrektur der DPROC-Datenbank 149 4.4 Modellvalidierung 153 4.5 Simulationsrechnungen 156 4.5.1 Bodenabtrag und Deposition 156 4.5.2 Sediment- und partikelgebundener Stofftransport 163 5 Schlussfolgerung 170 6 Literatur 176 Anhang II A I Erosionsmodelle i A II DPROC-Übersetzungstabellen ii A III GIS-Daten viii A IV Interpolierte Oberboden-Schwermetallgehalte xii A V Daten der Starkregensimulationen xix A VI Elementgehalte der Bodenproben lxi A VII Simulationsrechnungen lxxi