Equivalent temperature is an atmospheric variable that combines both dry static energy (associated with temperature) and moist static energy (associated with moisture). Changes in equivalent temperature therefore reflect changes in total surface energy content. This research is concerned with quantifying trends in equivalent temperature and its subcomponents at 8 National Weather Service (NWS) 1st Order stations in the central USA. Data quality control was conducted and time series and time-varying percentile trends of maximum and minimum equivalent temperature and its subcomponents were developed for each of the stations on the daily scale; along with a heat wave trend analysis. It was found that there is an overall positive trend in lower tropospheric heat content over the last 60 years--driven primarily by increases in low-level moisture. The largest changes in equivalent temperature occurred during spring and fall, with some of these trends as large as 5 deg. Celsius/50 years. Furthermore, it was found that there is an increase in the number of high humidity heat wave events and that these types of events are more frequent than low humidity events; which saw a slight decrease in frequency. Interestingly, one station (Nashville, TN) exhibited a slight negative trend in equivalent temperature maxima, which may be due to synoptic-scale influence such as the Great Plains low-level jet. The results demonstrate that equivalent temperature provides a different perspective than temperature for assessing regional climate change.

Radiationmanagement (RM), as an option to engineer the climate, is highly controversial and suffers from a number of ethical and regulatory concerns, usually studied in the context of the objective to mitigate the global mean temperature. In this article, we discuss the idea that RM can be differentiated and scaled in several dimensions with potential objectives being to influence a certain climate parameter in a specific region. Some short-lived climate forcers (e.g., tropospheric aerosols) exhibit strong geographical and temporal variability, potentially leading to limited-area climate responses. Marine cloud brightening and thinning or dissolution of cirrus clouds could be operated at a rather local scale. It is therefore conceivable that such schemes could be applied with the objective to influence the climate at a regional scale. From a governance perspective, it is desirable to avoid any substantial climate effects of regional RM outside the target region. This, however, could prove impossible for a sustained, long-term RM. In turn, regional RM during limited time periods could prove more feasible without effects beyond the target area. It may be attractive as it potentially provides the opportunity to target the suppression of some extreme events such as heat waves. Research is needed on the traceability of regional RM, for example, using detection and attribution methods. Incentives and implications of regional RM need to be examined, and new governance options have to be conceived.

abstract: The implications of a changing climate have a profound impact on human life, society, and policy making. The need for accurate climate prediction becomes increasingly important as we better understand these implications. Currently, the most widely used climate prediction relies on the synthesis of climate model simulations organized by the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP); these simulations are ensemble-averaged to construct projections for the 21st century climate. However, a significant degree of bias and variability in the model simulations for the 20th century climate is well-known at both global and regional scales. Based on that insight, this study provides an alternative approach for constructing climate projections that incorporates knowledge of model bias. This approach is demonstrated to be a viable alternative which can be easily implemented by water resource managers for potentially more accurate projections. Tests of the new approach are provided on a global scale with an emphasis on semiarid regional studies for their particular vulnerability to water resource changes, using both the former CMIP Phase 3 (CMIP3) and current Phase 5 (CMIP5) model archives. This investigation is accompanied by a detailed analysis of the dynamical processes and water budget to understand the behaviors and sources of model biases. Sensitivity studies of selected CMIP5 models are also performed with an atmospheric component model by testing the relationship between climate change forcings and model simulated response. The information derived from each study is used to determine the progressive quality of coupled climate models in simulating the global water cycle by rigorously investigating sources of model bias related to the moisture budget. As such, the conclusions of this project are highly relevant to model development and potentially may be used to further improve climate projections. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Mechanical Engineering 2013

Radiationmanagement (RM), as an option to engineer the climate, is highly controversial and suffers from a number of ethical and regulatory concerns, usually studied in the context of the objective to mitigate the global mean temperature. In this article, we discuss the idea that RM can be differentiated and scaled in several dimensions with potential objectives being to influence a certain climate parameter in a specific region. Some short-lived climate forcers (e.g., tropospheric aerosols) exhibit strong geographical and temporal variability, potentially leading to limited-area climate responses. Marine cloud brightening and thinning or dissolution of cirrus clouds could be operated at a rather local scale. It is therefore conceivable that such schemes could be applied with the objective to influence the climate at a regional scale. From a governance perspective, it is desirable to avoid any substantial climate effects of regional RM outside the target region. This, however, could prove impossible for a sustained, long-term RM. In turn, regional RM during limited time periods could prove more feasible without effects beyond the target area. It may be attractive as it potentially provides the opportunity to target the suppression of some extreme events such as heat waves. Research is needed on the traceability of regional RM, for example, using detection and attribution methods. Incentives and implications of regional RM need to be examined, and new governance options have to be conceived.

Die vorliegende Arbeit 'Abflu&szlig;entwicklung in Teileinzugsgebieten des Rheins - Simulationen f&uuml;r den Ist-Zustand und f&uuml;r Klimaszenarien' untersucht Auswirkungen m&ouml;glicher zuk&uuml;nftiger Klima&auml;nderungen auf das Abflu&szlig;geschehen in ausgew&auml;hlten, durch Mittelgebirge gepr&auml;gten Teileinzugsgebieten des Rheins: Mosel (bis Pegel Cochem); Sieg (bis Pegel Menden 1) und Main (bis Pegel Kemmern).<br><br>In einem ersten Schritt werden unter Verwendung des hydrologischen Modells HBV-D wichtige Modellprozesse entsprechend der Einzugsgebietscharakteristik parametrisiert und ein Abbild der Gebietshydrologie erzeugt, das mit Zeitreihen gemessener Tageswerte (Temperatur, Niederschlag) eine Zeitreihe der Pegeldurchfl&uuml;sse simulieren kann. Die G&uuml;te der Simulation des Ist-Zustandes (Standard-Me&szlig;zeitraum 1.1.1961-31.12.1999) ist f&uuml;r die Kalibrierungs- und Validierungszeitr&auml;ume in allen Untersuchungsgebieten gut bis sehr gut.<br>Zur Erleichterung der umfangreichen, zeitaufwendigen einzugsgebietsbezogenen Datenaufbereitung f&uuml;r das hydrologische Modell HBV-D wurde eine Arbeitsumgebung auf Basis von Programmerweiterungen des Geoinformationssystems ArcView und zus&auml;tzlichen Hilfsprogrammen entwickelt. Die Arbeitsumgebung HBV-Params enth&auml;lt eine graphische Benutzeroberfl&auml;che und r&auml;umt sowohl erfahrenen Hydrologen als auch hydrologisch geschulten Anwendern, z.B. Studenten der Vertiefungsrichtung Hydrologie, Flexibilit&auml;t und vollst&auml;ndige Kontrolle bei der Ableitung von Parameterwerten und der Editierung von Parameter- und Steuerdateien ein. Somit ist HBV-D im Gegensatz zu Vorl&auml;uferversionen mit rudiment&auml;ren Arbeitsumgebungen auch au&szlig;erhalb der Forschung f&uuml;r Lehr- und &Uuml;bungszwecke einsetzbar.<br><br>In einem zweiten Schritt werden Gebietsniederschlagssummen, Gebietstemperaturen und simulierte Mittelwerte des Durchflusses (MQ) des Ist-Zustandes mit den Zust&auml;nden zweier Klimaszenarien f&uuml;r den Szenarienzeitraum 100 Jahre sp&auml;ter (2061-2099) verglichen. Die Klimaszenarien beruhen auf simulierten Zirkulationsmustern je eines Modellaufes zweier Globaler Zirkulationsmodelle (GCM), die mit einem statistischen Regionalisierungsverfahren in Tageswertszenarien (Temperatur, Niederschlag) an Me&szlig;stationen in den Untersuchungsgebieten &uuml;berf&uuml;hrt wurden und als Eingangsdaten des hydrologischen Modells verwendet werden.<br>F&uuml;r die zweite H&auml;lfte des 21. Jahrhunderts weisen beide regionalisierten Klimaszenarien eine Zunahme der Jahresmittel der Gebietstemperatur sowie eine Zunahme der Jahressummen der Gebietsniederschl&auml;ge auf, die mit einer hohen Variabilit&auml;t einhergeht. Eine Betrachtung der saisonalen (monatlichen) &Auml;nderungsbetr&auml;ge von Temperatur, Niederschlag und mittlerem Durchflu&szlig; zwischen Szenarienzeitraum (2061-2099) und Ist-Zustand ergibt in allen Untersuchungsgebieten eine Temperaturzunahme (h&ouml;her im Sommer als im Winter) und eine generelle Zunahme der Niederschlagssummen (mit starken Schwankungen zwischen den Einzelmonaten), die bei der hydrologischen Simulation zu deutlich h&ouml;heren mittleren Durchfl&uuml;ssen von November bis M&auml;rz und leicht erh&ouml;hten mittleren Durchfl&uuml;ssen in den restlichen Monaten f&uuml;hren. Die St&auml;rke der Durchflu&szlig;erh&ouml;hung ist nach den individuellen Klimaszenarien unterschiedlich und im Sommer- bzw. Winterhalbjahr gegenl&auml;ufig ausgepr&auml;gt. Hauptursache f&uuml;r die simulierte starke Zunahme der mittleren Durchfl&uuml;sse im Winterhalbjahr ist die trotz Temperaturerh&ouml;hung der Klimaszenarien winterlich niedrige Evapotranspiration, so da&szlig; erh&ouml;hte Niederschl&auml;ge direkt in erh&ouml;hten Durchflu&szlig; transformiert werden k&ouml;nnen.<br>Der Vergleich der Untersuchungsgebiete zeigt in Einzelmonaten von West nach Ost abnehmende &Auml;nderungsbetr&auml;ge der Niederschlagssummen, die als Hinweis auf die Bedeutung der Kontinentalit&auml;tseinfl&uuml;sse auch unter ge&auml;nderten klimatischen Bedingungen in S&uuml;dwestdeutschland aufgefa&szlig;t werden k&ouml;nnten.<br>Aus den regionalisierten Klimaszenarien werden &Auml;nderungsbetr&auml;ge f&uuml;r die Modulation gemessener Zeitreihen mittels synthetischer Szenarien abgeleitet, die mit einem geringen Rechenaufwand in hydrologische Modellantworten &uuml;berf&uuml;hrt werden k&ouml;nnen. Die direkte Ableitung synthetischer Szenarien aus GCM-Ergebniswerten (bodennahe Temperatur und Gesamtniederschlag) an einzelnen GCM-Gitterpunkten erbrachte unbefriedigende Ergebnisse.<br>Ob, in welcher H&ouml;he und zeitlichen Verteilung die in den (synthetischen) Szenarien verwendeten Niederschlags- und Temperatur&auml;nderungen eintreten werden, kann nur die Zukunft zeigen. Eine Absch&auml;tzung, wie sich die Abflu&szlig;verh&auml;ltnisse und insbesondere die mittleren Durchfl&uuml;sse der Untersuchungsgebiete bei m&ouml;glichen &Auml;nderungen entwickeln w&uuml;rden, kann jedoch heute schon vorgenommen werden. <br><br>Simulationen auf Szenariogrundlagen sind ein Weg, unbekannte zuk&uuml;nftige Randbedingungen sowie regionale Auswirkungen m&ouml;glicher &Auml;nderungen des Klimasystems ausschnittsweise abzusch&auml;tzen und entsprechende Risikominderungsstrategien zu entwickeln. Jegliche Modellierung und Simulation nat&uuml;rlicher Systeme ist jedoch mit betr&auml;chtlichen Unsicherheiten verkn&uuml;pft. Vergleichsweise gro&szlig;e Unsicherheiten sind mit der zuk&uuml;nftigen Entwicklung des sozio&ouml;konomischen Systems und der Komplexit&auml;t des Klimasystems verbunden. Weiterhin haben Unsicherheiten der einzelnen Modellbausteine der Modellkette Emissionsszenarien/Gaszyklusmodelle - Globale Zirkulationsmodelle/Regionalisierung - hydrologisches Modell, die eine Kaskade der Unsicherheiten ergeben, neben Datenunsicherheiten bei der Erfassung hydrometeorologischer Me&szlig;gr&ouml;&szlig;en einen erheblichen Einflu&szlig; auf die Vertrauensw&uuml;rdigkeit der Simulationsergebnisse, die als ein dargestellter Wert eines Ergebnisbandes zu interpretieren sind.<br><br>Der Einsatz <br>(1) robuster hydrologischer Modelle, die insbesondere temperaturbeeinflu&szlig;te Prozesse ad&auml;quat beschreiben,<br>(2) die Verwendung langer Zeitreihen (wenigsten 30 Jahre) von Me&szlig;werten und<br>(3) die gleichzeitige vergleichende Betrachtung von Klimaszenarien, die auf unterschiedlichen GCMs beruhen (und wenn m&ouml;glich, verschiedene Emissionsszenarien ber&uuml;cksichtigen),<br>sollte aus Gr&uuml;nden der wissenschaftlichen Sorgfalt, aber auch der besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse von Regionalstudien im noch jungen Forschungsfeld der Klimafolgenforschung beachtet werden. / This thesis 'Development of runoff in subcatchments of the River Rhine - simulations of the current state and for climate change scenarios' investigates the impacts of possible future climate changes on runoff and runoff regime in selected subcatchments of the River Rhine. The regional climate in the selected subcatchments Mosel (up to gauge Cochem), Sieg (gauge Menden 1) and Main (gauge Kemmern) is affected by the middle mountain ranges.<br><br>In a first step, important model processes are parameterized according to catchment characteristics. A representation of the regional hydrology is then produced by using the hydrological model HBV-D. Based on time series of daily measurements (temperature, precipitation) at stations within the catchment, this representation can be used to realistically simulate time series of runoff and discharge. <br>In all examined areas, the quality of simulations of the calibration and validation periods for the current state (standard period of measurements 01/01/1961-12/31/1999) can be regarded as good to excellent. <br>To aid the catchment-specific, extensive and time-consuming data processing, a working environment for the hydrological model HBV-D has been developed. It is based on program extensions of the geographical information system ArcView and further programs. The working environment HBV-Params contains a graphical interface that gives both experienced hydrologists and students full control and enables them to flexibly derive parameter values and edit parameter and control files. In contrast to previous versions with only rudimentary working environments, HBV-D can therefore be utilized for research as well as for educational purposes. <br><br>In a second step, the current states of areal precipitation, areal temperature and simulated mean discharge (MQ) are compared to the corresponding states for two scenarios of future climate changes (100 years later, 2061-2099). These scenarios are based on simulated global circulations of one model run for each of two global circulation models (GCM). These global circulations are regionalized (downscaled) using a statistical approach into scenario time series of daily values (temperature, precipitation - input for the hydrological model) at control stations within the individual catchments. <br>For the second half of the 21st century, both regionalized climate change scenarios indicate increases in the mean annual areal temperature and mean annual sum of precipitation, along with a high variability of the latter. The seasonal (monthly) changes in temperature, precipitation and mean discharge between scenario state (2061-2099) and current state indicate increases in temperature (higher in summer than in winter) as well as a general increase in precipitation sums (strong fluctuations between individual months). In the hydrological simulations for all investigated catchments, this results in considerably higher mean discharges from November to March and small increases in mean discharge for the other months. The magnitude of the increases in discharge depends on the individual climate change scenario, one showing higher increases than the other during the summer half-year and vice versa for the winter half-year. The main reason for the simulated strong increase in mean discharge during winter half-year is, in spite of higher temperatures, the still relatively low evapotranspiration which allows higher precipitation to be directly transformed into higher discharges. <br>The comparison of the investigated catchments shows decreasing amounts of changes in the sum of precipitation from West to East in individual months. This indicates the importance of continentality under changed climatic conditions in Southwest Germany. <br>For the modification of measured time series (temperature, precipitation), which can be easily converted as synthetic scenarios into simulated hydrological results, amounts of change are derived from regionalized (downscaled) climate change scenarios. The derivation of synthetic scenarios directly from GCM output at individual GCM gridpoints yielded unsatisfactory results. <br>Only the future itself can show whether the timing and amount of changes in temperature and precipitation used in (synthetic) climate change scenarios come close to reality. An assessment of possible developments in runoff regime and specifically mean discharge under possible changed climatic conditions in the investigated catchments is already feasible today. <br><br>Simulations based on scenarios are one way to establish unknown future boundary conditions for the estimation of regional impacts of possible changes of the climate system. Nevertheless, all types of modeling and simulation of natural systems are linked with uncertainties. Rather large uncertainties persist regarding the future development of the socio-economic system and the complexity of the climate system and earth system. Furthermore, besides data uncertainties associated with the measurement of hydro-meteorological values, uncertainties associated with individual components of the model chain emission scenarios/gas cycle model - GCM/regionalization - hydrological model, which form a cascade of uncertainty, have a great influence on the trustworthiness of the simulation results (which are understood as one shown value within a range of results). <br><br>In the young field of climate impact research the use of <br>(1) robust hydrological models that adequately describe temperature-dependent processes,<br>(2) long time series (at least 30 years long) of measurements, <br>(3) concurrent comparisons of climate change scenarios, based on different GCMs (and, if possible, different emission scenarios)<br>should be considered for reasons of scientific thoroughness and to improve comparability of regional impact studies.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Betrachtung der regionalen Klimawandelfolgen auf die landwirtschaftlichen Erträge des agrarintensiven Landes Niedersachsen. Zu diesem Zweck wurde das neuentwickelte robuste Pflanzenmodell BioStar herangezogen um mittels hochaufgelösten (100 × 100 m) Wettreg Klimadaten des 21. Jahrhunderts die Entwicklung der Biomasseerträge von vier Wintergetreiden (Weizen, Gerste, Roggen & Triticale), drei Maissorten (differenziert nach Reifezeitpunkt) und drei weiterer Feldfrüchte (Sonnenblume, Sorghum & Sommerweizen) zu modellieren. Bei dem Pflanzenmodell BioStar handelt es sich um ein kohlenstoffbasiertes Pflanzenmodell, mit dem anhand von Eingangsklimadaten (Niederschlagshöhe, Temperatur, Globalstrahlung, Luftfeuchte und Windgeschwindigkeit) und dem verfügbaren Bodenwasser (Feldkapazität) der Ertragszuwachs im Verlauf der Vegetationsperiode simuliert wird. Das Modell eignet sich für die Thematik insbesondere auch deshalb, da es an der Universität Göttingen entwickelt und auf Niedersächsischen Standorten validiert wurde. Die zur Modellierung benötigten Bodenparameter wurden der Niedersächsischen BÜK50n entnommen. Dabei kamen nur Flächen zur Anwendung, die nach der Corine Landbedeckungserhebung von 2005 zu den landwirtschaftlich genutzten Flächen in Niedersachsen zählen. Die mittlere Größe dieser gut 90.000 Flächen liegt damit um 33 ha. Die Entwicklung wird unter Berücksichtigung des IPCC Szenarios A1B sowie des CO2-Düngeeffekts bis zum Ende des Jahrhunderts pflanzenabhängig stagnierend bis deutlich positiv verlaufen, wovon allerdings nicht alle Regionen in gleicher Weise profitieren können. Insgesamt verschieben sich die landwirtschaftlichen Gunstgebiete weiter nach Westen — was aber durch die bessere Entwicklung des Westens und nicht in einer negativen Entwicklung der östlichen Flächen begründet ist. Das Ostbraunschweigische Hügelland ist meist unter den Regionen mit der besten Entwicklung, kann im absoluten Vergleich aber nie zu den guten landwirtschaftlichen Standorten aufschließen. Größter Verlierer wird den Ergebnissen nach das südliche Hügelland sein, das über die kommenden Jahrzehnte zusehends schlechtere Voraussetzungen für den Pflanzenanbau bietet. Die gesamte Entwicklung wird dabei aber erst ab etwa der Jahrhunderthälfte einsetzen, vorher lassen sich für den Großteil der Pflanzen kaum Veränderungen konstatieren. In den kommenden 20 Jahren zeigt nur die Gerste deutliche Anzeichen eines Ertragszuwachses und mittelreifender Mais eines Ertragsrückgangs. Bis 2099 kehrt sich dieser Trend dann wieder um. Eigentlich alle Feldfrüchte zeigen spätestens zum Jahrhundertende eine positive Entwicklungstendenz, wenn Winterweizen, Winterroggen und Wintertriticale auch nur vergleichsweise schwach. Die beiden hauptausschlaggebenden Entwicklungsfaktoren werden in Zukunft zum einen die atmosphärische CO2-Konzentration sein, über deren Düngeeffekt die Erträge positiv beeinfluss werden. Ihr stehen die abnehmenden Sommerniederschläge gegenüber, die sich deutlich negativ auf die Erträge auswirken. Vieles wird in Zukunft davon abhängen, inwieweit diese Niederschläge tatsächlich zurückgehen werden und wie stark der CO2-Düngeeffekt tatsächlich ausfallen wird. Ungeachtet dessen werden sich aber die Wintergerste und der Sommerweizen dennoch tendenziell positiv entwickeln können, da beider Entwicklung relativ unabhängig von den CO2- Konzentrationen verläuft, wobei die Gerste zusätzlich weniger anfällig auf sinkende Sommerniederschläge reagiert. Interessant wird auch die Entwicklung des Maises werden. Im Gegensatz zu anderen Studien die nur mit „Mais“ modellieren, wurde hier auf früh-, mittel- und spätreifende Sorten zurückgegriffen. Die unterschiedlichen Sorten besitzen über das Jahrhundert deutlich größere Unterschiede als etwa die Arten Weizen, Roggen und Triticale. Während mittelreifender Mais die schlechtesten Aussichten, eigentlich unter allen behandelten Pflanzen, besitzt, wird spätreifender Mais mit den deutlichsten Ertragszuwächsen im kommenden Jahrhundert rechnen können.

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.

Climate change could aggravate periodic and chronic shortfalls of water, particularly in arid and semi-arid areas of the world (IPCC, 2001). Climate change is likely to accelerate the global hydrological cycle, with increase in temperature, changes in precipitation patterns, and evapotranspiration affecting the water quantity and quality, water availability and demands. The various components of a surface water resources system affected by climate change may include the water availability, irrigation demands, water quality, hydropower generation, ground water recharge, soil moisture etc. It is prudent to examine the anticipated impacts of climate change on these different components individually or combinedly with a view to developing responses to minimize the climate change induced risk in water resources systems. Assessment of climate change impacts on water resources essentially involves downscaling the projections of climatic variables (e.g., temperature, humidity, mean sea level pressure etc.) to hydrologic variables (e.g., precipitation and streamflow), at regional scale. Statistical downscaling methods are generally used in the hydrological impact assessment studies for downscaling climate projections provided by the General Circulation Models (GCMs). GCMs are climate models designed to simulate time series of climate variables globally, accounting for the greenhouse gases in the atmosphere. The statistical techniques used to bridge the spatial and temporal resolution gaps between what GCMs are currently able to provide and what impact assessment studies require are called as statistical downscaling methods. Generally, these methods involve deriving empirical relationships that transform large-scale simulations of climate variables (referred as the predictors) provided by a GCM to regional scale hydrologic variables (referred as the predictands). This general methodology is characterized by various uncertainties such as GCM and scenario uncertainty, uncertainty due to initial conditions of the GCMs, uncertainty due to downscaling methods, uncertainty due to hydrological model used for impact assessment and uncertainty resulting from multiple stake holders in a water resources system. The research reported in this thesis contributes towards (i) development of methodologies for climate change impact assessment of various components of a water resources system, such as water quality, water availability, irrigation and reservoir operation, and (ii) quantification of GCM and scenario uncertainties in hydrologic impacts of climate change. Further, an integrated reservoir operation model is developed to derive optimal operating policies under the projected scenarios of water availability, irrigation water demands, and water quality due to climate change accounting for various sources of uncertainties. Hydropower generation is also one of the objectives in the reservoir operation. The possible climate change impact on river water quality is initially analyzed with respect to hypothetical scenarios of temperature and streamflow, which are affected by changes in precipitation and air temperature respectively. These possible hypothetical scenarios are constructed for the streamflow and river water temperature based on recent changes in the observed data. The water quality response is simulated, both for the present conditions and for conditions resulting from the hypothetical scenarios, using the water quality simulation model, QUAL2K. A Fuzzy Waste Load Allocation Model (FWLAM) is used as a river water quality management model to derive optimal treatment levels for the dischargers in response to the hypothetical scenarios of streamflow and water temperature. The scenarios considered for possible changes in air temperature (+1 oC and +2 oC) and streamflow (-0%, -10%, -20%) resulted in a substantial decrease in the Dissolved Oxygen (DO) levels, increase in Biochemical Oxygen Demand (BOD) and river water temperature for the case study of the Tunga-Bhadra River, India. The river water quality indicators are analyzed for the hypothetical scenarios when the BOD of the effluent discharges is at safe permissible level set by Pollution Control Boards (PCBs). A significant impairment in the water quality is observed for the case study, under the hypothetical scenarios considered. A multi-variable statistical downscaling model based on Canonical Correlation Analysis (CCA) is then developed to downscale future projections of hydro¬meteorological variables to be used in the impact assessment study of river water quality. The CCA downscaling model is used to relate the surface-based observations and atmospheric variables to obtain the simultaneous projection of hydrometeorological variables. Statistical relationships in terms of canonical regression equations are obtained for each of the hydro-meteorological predictands using the reanalysis data and surface observations. The reanalysis data provided by National Center for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research (NCEP/NCAR) are used for the purpose. The regression equations are applied to the simulated GCM output to model future projections of hydro-meteorological predictands. An advantage of the CCA methodology in the context of downscaling is that the relationships between climate variables and the surface hydrologic variables are simultaneously expressed, by retaining the explained variance between the two sets. The CCA method is used to model the monthly hydro-meteorological variables in the Tunga-Bhadra river basin for water quality impact assessment study. A modeling framework of risk assessment is developed to integrate the hydro¬meteorological projections downscaled from CCA model with a river water quality management model to quantify the future expected risk of low water quality under climate change. A Multiple Logistic Regression (MLR) is used to quantify the risk of Low Water Quality (LWQ) corresponding to a threshold DO level, by considering the streamflow and water temperature as explanatory variables. An Imprecise Fuzzy Waste Load Allocation Model (IFWLAM) is adopted to evaluate the future fractional removal policies for each of the dischargers by including the predicted future risk levels. The hydro-meteorological projections of streamflow, air temperature, relative humidity and wind speed are modeled using MIROC 3.2 GCM simulations with A1B scenario. The river water temperature is modeled by using an analytical temperature model that includes the downscaled hydro-meteorological variables. The river water temperature is projected to increase under climate change, for the scenario considered. The IFWLAM uses the downscaled projections of streamflow, simulated river water temperature and the predicted lower and upper future risk levels to determine the fraction removal policies for each of the dischargers. The results indicate that the optimal fractional removal levels required for the future scenarios will be higher compared to the present levels, even if the effluent loadings remain unchanged. Climate change is likely to impact the agricultural sector directly with changes in rainfall and evapotranspiration. The regional climate change impacts on irrigation water demands are studied by quantifying the crop water demands for the possible changes of rainfall and evapotranspiration. The future projections of various meteorological variables affecting the irrigation demand are downscaled using CCA downscaling model with MIROC 3.2 GCM output for the A1B scenario. The future evapotranspiration is obtained using the Penman-Monteith evapotranspiration model accounting for the projected changes in temperature, relative humidity, solar radiation and wind speed. The monthly irrigation water demands of paddy, sugarcane, permanent garden and semidry crops quantified at nine downscaling locations covering the entire command area of the Bhadra river basin, used as a case study, are projected to increase for the future scenarios of 2020-2044, 2045-2069 and 2070-2095 under the climate change scenario considered. The GCM and scenario uncertainty is modeled combinedly by deriving a multimodel weighted mean by assigning weights to each GCM and scenario. An entropy objective weighting scheme is proposed which exploits the information contained in various GCMs and scenarios in simulating the current and future climatology. Three GCMs, viz., CGCM2 (Meteorological Research Institute, Japan), MIROC3.2 medium resolution (Center for Climate System Research, Japan), and GISS model E20/Russell (NASA Goddard Institute for Space Studies, USA) with three scenarios A1B, A2 and B1 are used for obtaining the hydro-meteorological projections for the Bhadra river basin. Entropy weights are assigned to each GCM and scenario based on the performance of the GCM and scenario in reproducing the present climatology and deviation of each from the projected ensemble average. The proposed entropy weighting method is applied to projections of the hydro-meteorological variables obtained based on CCA downscaling method from outputs of the three GCMs and the three scenarios. The multimodel weighted mean projections are obtained for the future time slice of 2020-2060. Such weighted mean hydro-meteorological projections may be further used into the impact assessment model to address the climate model uncertainty in the water resources systems. An integrated reservoir operation model is developed considering the objectives of irrigation, hydropower and downstream water quality under uncertainty due to climate change, uncertainty introduced by fuzziness in the goals of stakeholders and uncertainty due to the random nature of streamflow. The climate model uncertainty originating from the mismatch between projections from various GCMs under different scenarios is considered as first level of uncertainty, which is modeled by using the weighted mean hydro-meteorological projections. The second level of uncertainty considered is due to the imprecision and conflicting goals of the reservoir users, which is modeled by using fuzzy set theory. A Water Quantity Control Model (WQCM) is developed with fuzzy goals of the reservoir users to obtain water allocations among the different users of the reservoir corresponding to the projected demands. The water allocation model is updated to account for the projected demands in terms of revised fuzzy membership functions under climate change to develop optimal policies of the reservoir for future scenarios. The third level of uncertainty arises from the inherent variability of the reservoir inflow leading to uncertainty due to randomness, which is modeled by considering the reservoir inflow as a stochastic variable. The optimal monthly operating polices are derived using Stochastic Dynamic Programming (SDP), separately for the current and for the future periods of 2020-2040 and 2040-2060 The performance measures for Bhadra reservoir in terms of reliability and deficit ratios for each reservoir user (irrigation, hydropower and downstream water quality) are estimated with optimal SDP policy derived for current and future periods. The reliability with respect to irrigation, downstream water quality and hydropower show a decrease for 2020-2040 and 2040-2060, while deficit ratio increases for these periods. The results reveal that climate change is likely to affect the reservoir performance significantly and changes in the reservoir operation for the future scenarios is unable to restore the past performance levels. Hence, development of adaptive responses to mitigate the effects of climate change is vital to improve the overall reservoir performance.

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.