Für die zukünftige klimatische Entwicklung in Mitteldeutschland wurden die Ergebnisse von zwölf globalen Klimamodellen ausgewertet. Im Laufe des 21. Jahrhunderts ergeben sich aus den untersuchten Simulationen für alle Jahreszeiten Temperaturzunahmen. Die Zunahmen der Jahresmitteltemperaturen bewegen sich je nach Modell und Emissionsszenario zwischen 0,5 K und 4,8 K. Während die Zunahmen im Frühjahr vergleichsweise moderat ausfallen, unterliegen die (Spät)sommer und Wintermonate einem besonders starken Erwärmungstrend. Hinsichtlich der Niederschlagsentwicklung ergeben sich insbesondere in den Sommermonaten signifikante Abnahmetrends. Besonders betroffen sind hierbei die Monate Juli und August. Deutlich zunehmende Winterniederschläge führen zu nur vergleichsweise unauffälligen Veränderungen der Jahresniederschlagssummen (Niederschlagsumverteilung). Insbesondere die kombinierte Wirkung von erhöhten Temperaturen und deutlich abnehmenden Niederschlägen sowie der damit einhergehende erhöhte Verdunstungsanspruch während der Sommermonate birgt die Gefahr angespannter Wasserhaushaltssituationen.

Um statistische Zusammenhänge zwischen Lufttemperatur und Wassertemperatur zu analysieren, wurden zunächst in einer Vorstudie alle kurzfristig verfügbaren Temperaturmessungen in Oberflächengewässern sowie im Boden-, Sicker- und Grundwasser gesammelt, fehlerbereinigt und in Datenbanken zusammengeführt. Die erzeugten 600.000 Datensätze können direkt mit Daten zu Lufttemperatur, Sonnenscheindauer oder globaler Strahlung aus naheliegenden Wetterstationen verknüpft und somit für künftige Auswertungen genutzt werden. Die Prüfung unterschiedlicher Wassertemperaturmodelle hat gezeigt, dass sich für eine sachsenweite Analyse zur Abschätzung der Auswirkung des Klimawandels auf Wassertemperaturen die einfacheren statistischen Methoden aufgrund ihrer Datenverfügbarkeit eher eignen als die fachlich genauer erscheinenden komplexen Modelle mit Berechnungen zu Energiehaushalt und Wärmeaustausch von Gewässern. In Heft 40/2011 der Schriftenreihe werden die Zusammenhänge der klimawandelbedingten Lufttemperaturänderungen auf die Wassertemperaturen analysiert und detailliert dargestellt.

Die Auswertung der statistischen Zusammenhänge zwischen Lufttemperatur und den Temperaturen der Fließgewässer lässt zukünftig einen signifikanten Anstieg der Wassertemperaturen aufgrund des projizierten Klimawandels erwarten. In den Unterläufen der Flüsse zeigt die statistische Auswertung eine 1:1-Beziehung der Temperaturen an. Die Veränderung der mittleren Lufttemperatur um 1 Kelvin hat eine Veränderung der Wassertemperatur um 1 Kelvin zur Folge. Die Oberläufe der Bäche in Quellnähe oder in höheren Lagen werden aufgrund des größeren Grundwassereinflusses voraussichtlich eine geringere Temperaturveränderung in Relation zur Lufttemperaturveränderung erfahren. Alle übrigen Fließgewässerabschnitte liegen hinsichtlich der Temperaturdynamik und Temperaturveränderung zwischen den beiden genannten Grenzfällen ohne auffällige regionale Unterschiede.

Der bereits stattfindende Klimawandel mit ansteigenden Temperaturen, einer Zunahme von Trockenperioden und Hitzewellen während der Vegetationsperiode wird das Risiko von Trockenstress für Bäume und Sträucher erheblich erhöhen. Eine der Herausforderungen ist daher die erfolgreiche Etablierung von gesunden, langlebigen und an die spezifischen urbanen Standorte adaptierten Bäume, um die ökologischen und ökonomischen Wohlfahrtswirkungen städtischen Grüns auch in Zukunft zu gewährleisten. Das Ziel dieser Arbeit war es deshalb, sowohl die Eignung einiger häufig verwendeter Straßenbaumarten für stark versiegelte Straßenbaumstandorte als auch deren Toleranz gegenüber Trockenstress am Beispiel von Dresden zu identifizieren. Die Arbeit verfolgt einen dendrochronologischen und einen physiologischen Ansatz. Im dendrochronologischen Teil der Arbeit wurden die Jahrringzeitreihen von 16 Straßenbaum-Chronologien, 3 Einzelbaum-Chronologien im Stadtgebiet von Dresden und 4 Chronologien eines trockenen Waldstandortes in einem Naturschutzgebiet sowie 2 Chronologien frischer Waldstandorte analysiert. Auf Basis der trendbereinigten Zuwachszeitreihen wurden Klima-Zuwachs-Relationen, moving correlations, Weiserjahranalysen und superposed epoch analyses (SEA) durchgeführt. Im physiologischen Teil der Arbeit wurde in den Sommermonaten der Jahre 2009 und 2010 auf vier urbanen Straßenbaumstandorten der lichtgesättigte Gasaustausch von sechs Baumarten und das Blattwasserpotential von vier Baumarten ermittelt. Für die Messperioden und in ausgewählten Trockenperioden wurde die Wassernutzungseffizienz der Baumarten verglichen. Auf urbanen Straßenbaumstandorten reagieren die Arten Acer platanoides, Acer pseudoplatanus und Fagus sylvatica stark sensitiv auf Trockenheit. Im Gegensatz dazu können die Arten Platanus x hispanica, Quercus robur subsp. sessiliflora und Quercus rubra als weniger trockenheitsempfindlich betrachtet werden. Die dendrochronologischen und physiologischen Ergebnisse erlauben für Tilia cordata Mill., Tilia platyphyllos und Pyrus communis eine Einordnung in eine mittlere Eignung für versiegelte Flächen. Aus den dendrochronologischen und physiologischen Ergebnissen dieser Untersuchung lässt sich schließen, dass sich die höheren Temperaturen und die zunehmenden Trockenperioden für alle untersuchten Arten negativ auswirken können. Dennoch zeigen die Baumarten Platanus x hispanica, Quercus robur subsp. sessiliflora und Quercus rubra, dass sie den sich verändernden Klimabedingungen auf stark versiegelten urbanen Standorten gut widerstehen können und auch in Zukunft eine hohe Vitalität beibehalten werden.

Climate change has created potential major threats to global biodiversity. The multiple components of climate change are projected to affect all pillars of biodiversity, from genes over species to biome level. Of particular concerns are "tipping points" where the exceedance of ecosystem thresholds will possibly lead to irreversible shifts of ecosystems and their functioning. As biodiversity underlies all goods and services provided by ecosystems that are crucial for human survival and wellbeing, this paper presents potential effects of climate change on biodiversity, its plausible impacts on human society as well as the setting in addressing a global crisis. Species affected by climate change may respond in three ways: change, move or die. Local species extinctions or a rapidly affected ecosystem as a whole respectively might move toward its particular "tipping point", thereby probably depriving its services to human society and ending up in a global crisis. Urgent and appropriate actions within various scenarios of climate change impacts on biodiversity, especially in tropical regions, are needed to be considered. Foremost a multisectoral approach on biodiversity issues with broader policies, stringent strategies and programs at international, national and local levels is essential to meet the challenges of climate change impacts on biodiversity.

The agricultural sector of Andean countries like Peru and Bolivia perceives the consequences of climate change in increasing water stress due to melting glaciers and changing precipitation patterns. Therefore mainly subsistence agricultural systems are increasingly vulnerable. Traditional inhabitants of the tropical Andean region are aware of the recurrent diversity of climate related impacts and its consequences, thus livelihood strategies are based on principles of risk management. Andean farmers are nowadays applying traditional strategies in a combination of homegrown experimentation and scientific know-how to cope with and adapt to a changing climate. Understanding these adaptations has become one of the most important aspects of research into climate change impacts and vulnerability. It provides essential knowledge for developing and transferring strategies towards a sustainable management in agriculture and agroforestry systems. But there still is a lack of a comparative assessment, especially in regions with high impact of extreme climate conditions. The endogenously determined strategies, which are based on the experience of the farmers, are to be complemented by knowledge and experiences coming from outside farm-household systems and communities. In a collaborative way, this exogenous knowledge is to be placed at the disposal of local actors. The necessary network approach leads to a comprehensive involvement of local stakeholders. Therefore a participative network on climate change may work as a tool to bridge the gap between the global discourse on climate change and local action.

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

This publication summarizes the main results of the INCAProject during 2011/2012 and the contributions to the according INCA-Summer-School, which took place from September 19th – September 27th 2012 at the Technische Universität Dresden, Faculty of Environmental Sciences, Institute of International Forestry and Forest Products, Professorship of Tropical Forestry in Tharandt, Germany.

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.

Evapotranspiration ET is a dominant Earth System process that couples the water and energy cycles at the earth surface. The pressure of global environmental changes foster the broad scientific aim to understand impacts of climate and land-use on evapotranspiration under transient conditions. In this work, the spatial scale of river catchments is addressed through data analysis of hydrological and meteorological archives with ET classically derived through water balance closure. Through a synthesis of various catchments with different climatic forcings and hydrological conditions, the core objectives of this thesis are: - Did environmental changes in the past, such as climatic- or land-use and land cover (LULC) changes, result in detectable non-stationary changes in the hydro-climate time series? - How can the impacts of climatic- from LULC changes on the hydroclimatology of catchments be separated? - What are the factors that control the sensitivity of ET and streamflow to external changes? These research questions are addressed for the climatic scales of long-term annual averages and seasonal conditions which characterise the hydroclimatology of river catchments. Illustrated by a rich hydro-climatic archive condensed for 27 small to medium sized river catchments in Saxony, a method is proposed to analyse the seasonal features of river flow allowing to detect shifting seasons in snow affected river basins in the last 90 years. Observations of snow depth at these same times lead to the conclusion, that changes in the annual cycle of air temperature have a large influence on the timing of the freeze-thaw in late winter and early spring. This causes large changes in storage of water in the snow pack, which leads to profound changes of the river regime, particularly affecting the river flow in the following months. A model-based data analysis, based on the fundamental principles of water and energy conservation for long-term average conditions, is proposed for the prediction of ET and streamflow, as well as the separation of climate related impacts from impacts resulting from changes in basin conditions. The framework was tested on a large data set of river catchments in the continental US and is shown to be consistent with other methods proposed in the literature. The observed past changes highlight that (i) changes in climate, such as precipitation or evaporative demand, result in changes of the partitioning within the water and energy balance, (ii) the aridity of the climate and to a lesser degree basin conditions determine the sensitivity to external changes, (iii) these controlling factors influence the direction of LULC change impacts, which in some cases can be larger than climate impacts. This work provides evidence, that changes in climatic and land cover conditions can lead to transient hydrological behaviours and make stationary assumptions invalid. Hence, past changes present the opportunity for model testing and thereby deriving fundamental laws and concepts at the scale of interest, which are not affected by changes in the boundary conditions. / Die Verdunstung ist ein maßgeblicher Prozess innerhalb des Klimasystems der Erde, welche den Wasserkreislauf mit dem Energiehaushalt der Erde verbindet. Eine zentrale wissenschaftliche Herausforderung ist, zu verstehen, wie die regionale Wasserverfügbarkeit durch Änderungen des Klimas oder der physiographischen Eigenschaften der Landoberfläche beeinflusst wird. Mittels einer integrierten Datenanalyse von vorhandenen langjährigen Archiven hydroklimatischer Zeitreihen werden die folgenden wissenschaftlichen Fragestellungen dieser Dissertation diskutiert: - Haben beobachtete Änderungen der Landoberfläche und des Klimas zu nachweisbaren, instationären hydroklimatischen Änderungen geführt? - Lassen sich die hydroklimatischen Auswirkungen von Klimaänderungen und Änderungen der Landoberfläche voneinander unterscheiden? - Welche Faktoren beeinflussen die Sensitivität von Abfluss und Verdunstung auf Veränderungen der klimatischen und physiographischen Randbedingungen? Hierbei fokussiert sich die Arbeit auf Änderungen im langjährige Mittel und im Jahresgang von hydroklimatischen Variablen auf der räumlichen Skala von Flusseinzugsgebieten. Zur Untersuchung des hydrologischen Regimes wurde ein harmonischer Filter angewandt, der es erlaubt, die Eintrittszeit des Jahresgangs (Phase) zu quantifizieren. Diese klimatologische Kenngröße wurde für eine Vielzahl von Einzugsgebieten in Sachsen untersucht, wobei sich vor allem für die Gebiete in den Kammlagen des Erzgebirges signifikante Veränderungen ergaben. Es konnte gezeigt werden, dass die signifikante Phasenverschiebung der Temperatur seit Ende der 1980er Jahre zu einer verfrühten Schneeschmelze und dadurch zu einem Rückgang des Abflusses bis in die Sommermonate hinein geführt hat. Desweiteren wurde eine modellbasierte Datenanalyse entwickelt, welche auf Massen- und Energieerhalt von Einzugsgebieten im langjährigen Mittel beruht. Das entwickelte Konzept erlaubt es, Auswirkungen von Klimaänderungen von anderen Effekten, welche z.B. durch Landnutzungsänderungen bedingt sind, abzugrenzen und zu quantifizieren. Die Ergebnisse einer Sensitivitätsanalyse dieses Konzeptes sowie die Anwendung auf einen umfangreichen hydroklimatischen Datensatz der USA zeigen: (i) Veränderungen im Wasser- oder Energiedargebot beeinflussen auch die Aufteilung der Wasser- und Energieflüsse. (ii) Die Aridität des Klimas und nachgeordnet die physiographischen Faktoren bestimmen die Sensitivität von Verdunstung und Abfluss. (iii) Beide Faktoren beeinflussen die Stärke und Richtung der Auswirkungen von physiographischen Änderungen. (iv) Anthropogene Veränderungen der Landoberfläche führten zum Teil zu stärkeren Auswirkungen als klimatisch bedingte Änderungen. Zusammenfassend zeigt sich, dass Änderungen von Landnutzung und Klima zu Verschiebungen im Wasserhaushalt führen können und damit auch die Annahme von Stationarität verletzen. Hydroklimatische Veränderungen bieten aber auch eine Gelegenheit zum Testen von Theorien und Modellen, um somit die grundlegenden Zusammenhänge zu erkennen, welche nicht durch Änderungen der Randbedingungen hinfällig werden.