Die Vielfalt des Lebens stellt vielleicht den größten Schatz des Planten Erde dar und ist Lebensgrundlage der Menschheit. Der beispiellose weltweite Rückgang von Biodiversität ist daher eines der drängendsten Probleme unserer Zeit. In Europa sind der großflächige Verlust nährstoffarmer artenreicher Grasland- und Moorökosysteme im Zuge der Industrialisierung der Landwirtschaft und in zunehmendem Maße der Klimawandel Haupttreiber des dramatischen Rückgangs von Biodiversität. Die schnellen und umgreifenden Prozesse des globalen Wandels erfordern eine zügige Verbesserung des wissenschaftlichen Kenntnisstandes zu den interagierenden Auswirkungen von Landnutzungs- und Klimawandel um die dringend erforderlichen Maßnahmen zum Schutz der Biodiversität gewachsener Kulturlandschaften möglichst effektiv gestalten zu können. Im vorliegenden Promotionsvorhaben werden Zusammenhänge zwischen Biodiversitätsmustern auf der einen sowie Landnutzung und Klima auf der anderen Seite in einem nationalen Biodiversitätshotspot untersucht. Das Untersuchungsgebiet, der Südschwarzwald, ist ein typisches Mittelgebirge welches sich durch einen hohen Anteil artenreichen Magergrünlands sowie durch ein bedeutsames Netz von verschieden ausgeprägten Mooren auszeichnet. Von herausragender Bedeutung für das Vorkommen einer Vielzahl gefährdeter Arten sind die dort reliktisch erhaltenen Allmendweidesysteme. Die Arbeit verfolgt einen breiten biozönotischen Ansatz, der die Erfassung von drei taxonomischen Gruppen (Vögel, Tagfalter und Heuschrecken) umfasst. Alle drei Gruppen gelten als exzellente Bioindikatoren. Montane Ökosysteme zeichnen sich durch eine außergewöhnliche Artenvielfalt und das Vorkommen kälteliebenden Arten aus und spielen in Bezug auf den Erhalt der biologischen Vielfalt eine herausragende Rolle. Allerdings sind montane Regionen gegenwärtig in besonderem Maße von Nutzungsintensivierung sowie den Folgen fortschreitender Sukzession nach Nutzungsaufgabe betroffen und erfahren im Zuge des Klimawandels eine überproportionale Erwärmung. In diesem Promotionsvorhaben werden vor diesem Hintergrund Änderungen in der Verbreitung von Heuschrecken sowie einer montanen Vogelart, der Ringdrossel, über einen Zeitraum von drei beziehungsweise zwei Jahrzehnten anhand historischer Referenzdaten beleuchtet und zur Habitatqualität sowie zu Klimadaten in Bezug gesetzt. Weiterhin wird das Vorkommen von Heuschrecken und gefährdeten Tagfaltern in Zusammenhang mit der Landnutzungsintensität über einen weiten Feuchtegradienten analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass sich der Klimawandel bereits negativ auf das Vorkommen montan verbreiteter Arten auswirkt. Der Verlust von Schlüsselressourcen, zum Beispiel bis weit in den Frühsommer ausapernde Schneefelder, spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Große Extensivweiden waren kaum von Biodiversitätsverlusten betroffen. Dies wird mit der Strukturvielfalt dieser Weiden begründet, welche einerseits die Koexistenz von spezialisierten Arten mit unterschiedlichen Habitatansprüchen ermöglicht und andererseits ein breites mikroklimatisches Spektrum bedingt, welches lokale Anpassungen an veränderte Klimabedingungen ermöglicht. Die Untersuchungen konnten außerdem belegen, dass die Landnutzungsintensität die strukturelle Ausstattung von Habitaten und damit das Vorkommen von Arten über einen weiten hydrologischen Gradienten entscheidend beeinflusst. Sowohl ausbleibende als auch intensive Nutzung führen zu strukturell vereinheitlichten, artenarmen Habitaten. Eine kontinuierliche, extensive Nutzung hingegen fördert heterogene Habitatstrukturen mit vormals charakteristischen Landschaftselementen (z.B. kurzrasige und lückige Vegetationsstrukturen mit hohen Offenbodenanteilen) und die damit assoziierten, artenreichen und anspruchsvollen Artengemeinschaften. In gewachsenen Kulturlandschaften, wie sie den überwiegenden Teil Europas einnehmen, sollten Maßnahmen zum Erhalt von Biodiversität in Grasland- und Moorökosystemen folglich extensive Nutzungsformen fördern. Eine konsequente, großflächige Umsetzung dieser Strategie könnte den Rückgang von heterogenen Habitatstrukturen und der daran gebundenen Arten aufhalten und umkehren. Hierbei kommt großflächigen Standweiden mit selbstorganisierten Rinderherden, idealerweise unter Nutzung lokaltypischer, robuster Rinderrassen, eine besondere Bedeutung zu. Nachgeordnet ist auch eine ein- oder zweischürige Mahd in räumlich-zeitlichen Mosaikmustern und mit rotierenden Altgrasstreifen zu empfehlen. In Anpassung an den Klimawandel sollten sich Maßnahmen in montanen Regionen vermehrt auf mikroklimatisch kühlere Bereiche konzentrieren.

Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2009

Die automatisierte Objektidentifikation stellt ein modernes Werkzeug in den Geoinformationswissenschaften dar (BLASCHKE et al., 2012). Um bei thematischen Kartierungen untereinander vergleichbare Ergebnisse zu erzielen, sollen aus Sicht der Geoinformatik Mittel für die Objektidentifikation eingesetzt werden. Anstelle von Feldarbeit werden deshalb in der vorliegenden Arbeit multispektrale Fernerkundungsdaten als Primärdaten verwendet. Konkrete natürliche Objekte werden GIS-gestützt und automatisiert über große Flächen und Objektdichten aus Primärdaten identifiziert und charakterisiert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine automatisierte Prozesskette zur Objektidentifikation konzipiert. Es werden neue Ansätze und Konzepte der objektbasierten Identifikation von natürlichen isolierten terrestrischen Oberflächenformen entwickelt und implementiert. Die Prozesskette basiert auf einem Konzept, das auf einem generischen Ansatz für automatisierte Objektidentifikation aufgebaut ist. Die Prozesskette kann anhand charakteristischer quantitativer Parameter angepasst und so umgesetzt werden, womit das Konzept der Objektidentifikation modular und skalierbar wird. Die modulbasierte Architektur ermöglicht den Einsatz sowohl einzelner Module als auch ihrer Kombination und möglicher Erweiterungen. Die eingesetzte Methodik der Objektidentifikation und die daran anschließende Charakteristik der (geo)morphometrischen und morphologischen Parameter wird durch statistische Verfahren gestützt. Diese ermöglichen die Vergleichbarkeit von Objektparametern aus unterschiedlichen Stichproben. Mit Hilfe der Regressionsund Varianzanalyse werden Verhältnisse zwischen Objektparametern untersucht. Es werden funktionale Abhängigkeiten der Parameter analysiert, um die Objekte qualitativ zu beschreiben. Damit ist es möglich, automatisiert berechnete Maße und Indizes der Objekte als quantitative Daten und Informationen zu erfassen und unterschiedliche Stichproben anzuwenden. Im Rahmen dieser Arbeit bilden Thermokarstseen die Grundlage für die Entwicklungen und als Beispiel sowie Datengrundlage für den Aufbau des Algorithmus und die Analyse. Die Geovisualisierung der multivariaten natürlichen Objekte wird für die Entwicklung eines besseren Verständnisses der räumlichen Relationen der Objekte eingesetzt. Kern der Geovisualisierung ist das Verknüpfen von Visualisierungsmethoden mit kartenähnlichen Darstellungen. / The automated object identification represents a modern tool in geoinformatics (BLASCHKE et al., 2012). In order to achieve results in thematic mapping comparable among one another, considering geoinformatics, means of object identification should be applied. Therefore, instead of fieldwork, multispectral remote-sensing data have been used as a primary data source in this work. Specific natural objects have been GIS-based and automatically identified and characterised from the primary data over large areas and object densities. Within this work, an automated process chain for the object identification has been developed. New approaches and concepts of object-based identification of natural isolated terrestrial landforms have been developed and implemented. The process chain is based on a concept that develops a generic approach to the automated object identification. This process chain can be customised for and applied to specific objects by settings of characteristic quantitative parameters, by which the concept of object identification becomes modular and scalable. The modul-based architecture enables use of individual moduls as well as their combinations and possible expansions. The introduced methodology of object identification and the connected characteristics of (geo)morphometric and morphologic parameters has been supported by a static procedures. These enable the comparability of object parameters from different samples. With the help of regression and variance analysis, relations between object parameters have been explored. Functional dependencies of parameters have been analysed in order to qualitatively describe the objects. As a result, automatically computed dimensions and indices of the objects can be captured as quantitative data and informations an applied to varied samples. Within this work the thermokarst lakes represent the basis for the process development and an example and a data basis for the design of the algorithm and analysis. The goevisualisation of multivariant natural objects has been applied to develop better understanding of their spatial relations. The essence of the geovisualisation is to link the methods of visualisation to map-like presentation.

In north-western Germany, inland dunes and natural floodplains were widespread in the past. Due to the regulation of the natural course, large rivers have experienced serious anthropogenic influences resulting in a decline of adjacent natural floodplains. The realization of a restoration project in north-western Germany had the aim to restore a floodplain composed of inland dunes and seasonally flooded grasslands. Within this project, the response of wild bee communities to such restoration measures was evaluated. Therefore, an analysis of the succession and distribution patterns of wild bee communities in restored and target habitats was conducted. In chapter 1 and 2 the success of the restoration measures was evaluated by a comparative analysis of wild bee communities at restoration and target sites. The results show a rapid colonization of a species-rich wild bee community reflecting a community composition which is composed of generalists, specialists and parasitic species. The quantity of entomophilous plant species and the proportion of bare ground had a strong influence on wild bee species composition. To gain insight into the connectivity of wild bee populations, the population genetic structure of two wild bee species, Andrena vaga and Andrena fuscipes was analysed in chapter 3 and 4. Additionally, general intrinsic factors that maintain the genetic diversity and influence the degree of inbreeding were evaluated in chapter 5 on the basis of an extensive literature survey. These results reflect a high dispersal ability and inter-population movement of wild bees. For both species a high genetic diversity within populations and a low genetic differentiation among populations was found. In conclusion, wild bees proved to be useful indicators for monitoring the effects of restoration projects. The combination of population genetic analyses and community monitoring provides the opportunity to evaluate different aspects of restoration success.

Terrestrial environments are highly complex and dynamic. It consists of various types of soils which are constantly exposed to fluctuating conditions affecting their physical and biological properties. Moreover, soils are delivering several ecosystem services with high relevance for the human well-being such as water purification, nutrient cycling, or biodegradation. For many of those ecosystem services, microorganisms are the main drivers. In consequence, it is important to understand the functional response of microbial ecosystems to disturbances. Thus, identifying key factors for the functional stability of microbial ecosystems in terrestrial environments is of high interest. A powerful tool for analysing dynamics and underlying mechanisms of ecosystems are computational simulation models. Within this doctoral thesis, a spatiotemporally explicit bacterial simulation model was developed for assessing dynamics of biodegradation as a typical microbial ecosystem function under the influence of disturbances. Disturbances were introduced as lethal events for the bacteria within a certain, randomly picked disturbance area. The disturbance characteristics vary in the spatial configuration and frequency of the disturbance events. Functional stability was analysed in terms of the ability to recover the function after a single disturbance event, i.e. functional resilience, and the ability to maintain the function during recurrent disturbance events, i.e. functional resistance. Key factors for functional stability were assessed by systematically varying properties and processes of the microbial ecosystem and characteristics of the disturbance regime. Simulation results show a high influence of the disturbance characteristics, especially its spatial distribution pattern, on the stability of biodegradation. Functional resistance and resilience increase with fragmentation of the spatial pattern of the disturbances. The frequency of recurrent disturbance events proved also essential for the functional resistance: if the disturbances occur too often, the emergence of a functional collapse may not be preventable. However, if the fragmentation of the applied disturbance patterns increases, the function is also maintained under more frequent disturbances without a functional collapse. Ecological processes such as bacterial dispersal and growth are shown to enhance the biodegradation performance, but only under specific disturbance regimes, again depending on frequency and fragmentation of the disturbances. Dispersal networks are shown to increase the functional stability in many scenarios and, thus, may serve as a buffer mechanism against disturbances. Therefore, strategies facilitating these ecological processes, for instance stimulating fungi that act as dispersal networks for bacteria, or modulating the physical soil structure to alter the spatial configuration of disturbances are proposed to increase the functional stability of microbial ecosystems.

<p>At present, carbon sequestration in terrestrial ecosystems slows the growth rate of atmospheric CO₂ concentrations, and thereby reduces the impact of anthropogenic fossil fuel emissions on the climate system. Changes in climate and land use affect terrestrial biosphere structure and functioning at present, and will likely impact on the terrestrial carbon balance during the coming decades - potentially providing a positive feedback to the climate system due to soil carbon releases under a warmer climate. Quantifying changes, and the associated uncertainties, in regional terrestrial carbon budgets resulting from these effects is relevant for the scientific understanding of the Earth system and for long-term climate mitigation strategies.</p> <p>A model describing the relevant processes that govern the terrestrial carbon cycle is a necessary tool to project regional carbon budgets into the future. This study (1) provides an extensive evaluation of the parameter-based uncertainty in model results of a leading terrestrial biosphere model, the Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model (LPJ-DGVM), against a range of observations and under climate change, thereby complementing existing studies on other aspects of model uncertainty; (2) evaluates different hypotheses to explain the age-related decline in forest growth, both from theoretical and experimental evidence, and introduces the most promising hypothesis into the model; (3) demonstrates how forest statistics can be successfully integrated with process-based modelling to provide long-term constraints on regional-scale forest carbon budget estimates for a European forest case-study; and (4) elucidates the combined effects of land-use and climate changes on the present-day and future terrestrial carbon balance over Europe for four illustrative scenarios - implemented by four general circulation models - using a comprehensive description of different land-use types within the framework of LPJ-DGVM.</p> <p>This study presents a way to assess and reduce uncertainty in process-based terrestrial carbon estimates on a regional scale. The results of this study demonstrate that simulated present-day land-atmosphere carbon fluxes are relatively well constrained, despite considerable uncertainty in modelled net primary production. Process-based terrestrial modelling and forest statistics are successfully combined to improve model-based estimates of vegetation carbon stocks and their change over time. Application of the advanced model for 77 European provinces shows that model-based estimates of biomass development with stand age compare favourably with forest inventory-based estimates for different tree species. Driven by historic changes in climate, atmospheric CO₂ concentration, forest area and wood demand between 1948 and 2000, the model predicts European-scale, present-day age structure of forests, ratio of biomass removals to increment, and vegetation carbon sequestration rates that are consistent with inventory-based estimates. Alternative scenarios of climate and land-use change in the 21^st century suggest carbon sequestration in the European terrestrial biosphere during the coming decades will likely be on magnitudes relevant to climate mitigation strategies. However, the uptake rates are small in comparison to the European emissions from fossil fuel combustion, and will likely decline towards the end of the century. Uncertainty in climate change projections is a key driver for uncertainty in simulated land-atmosphere carbon fluxes and needs to be accounted for in mitigation studies of the terrestrial biosphere.</p> / <p>Kohlenstoffspeicherung in terrestrischen Ökosystemen reduziert derzeit die Wirkung anthropogener CO₂-Emissionen auf das Klimasystem, indem sie die Wachstumsrate der atmosphärischer CO₂-Konzentration verlangsamt. Die heutige terrestrische Kohlenstoffbilanz wird wesentlich von Klima- und Landnutzungsänderungen beeinflusst. Diese Einflussfaktoren werden sich auch in den kommenden Dekaden auf die terrestrische Biosphäre auswirken, und dabei möglicherweise zu einer positiven Rückkopplung zwischen Biosphäre und Klimasystem aufgrund von starken Bodenkohlenstoffverlusten in einem wärmeren Klima führen. Quantitative Abschätzungen der Wirkung dieser Einflussfaktoren - sowie der mit ihnen verbundenen Unsicherheit - auf die terrestrische Kohlenstoffbilanz sind daher sowohl für das Verständnis des Erdsystems, als auch für eine langfristig angelegte Klimaschutzpolitik relevant.</p> <p>Um regionale Kohlenstoffbilanzen in die Zukunft zu projizieren, sind Modelle erforderlich, die die wesentlichen Prozesse des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufes beschreiben. Die vorliegende Arbeit (1) analysiert die parameterbasierte Unsicherheit in Modellergebnissen eines der führenden globalen terrestrischen Ökosystemmodelle (LPJ-DGVM) im Vergleich mit unterschiedlichen ökosystemaren Messgrößen, sowie unter Klimawandelprojektionen, und erweitert damit bereits vorliegende Studien zu anderen Aspekten der Modelunsicherheit; (2) diskutiert unter theoretischen und experimentellen Aspekten verschiedene Hypothesen über die altersbedingte Abnahme des Waldwachstums, und implementiert die vielversprechenste Hypothese in das Model; (3) zeigt für eine europäische Fallstudie, wie Waldbestandsstatistiken erfolgreich für eine verbesserte Abschätzung von regionalen Kohlenstoffbilanzen in Wäldern durch prozessbasierten Modelle angewandt werden können; (4) untersucht die Auswirkung möglicher zukünftiger Klima- und Landnutzungsänderungen auf die europäische Kohlenstoffbilanz anhand von vier verschiedenen illustrativen Szenarien, jeweils unter Berücksichtigung von Klimawandelprojektionen vier verschiedener Klimamodelle. Eine erweiterte Version von LPJ-DGVM findet hierfür Anwendung, die eine umfassende Beschreibung der Hauptlandnutzungstypen beinhaltet. </p> <p>Die vorliegende Arbeit stellt einen Ansatz vor, um Unsicherheiten in der prozessbasierten Abschätzung von terrestrischen Kohlenstoffbilanzen auf regionaler Skala zu untersuchen und zu reduzieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der Nettokohlenstoffaustausch zwischen terrestrischer Biosphäre und Atmosphäre unter heutigen klimatischen Bedingungen relativ sicher abgeschätzt werden kann, obwohl erhebliche Unsicherheit über die modelbasierte terrestrische Nettoprimärproduktion existiert. Prozessbasierte Modellierung und Waldbestandsstatistiken wurden erfolgreich kombiniert, um verbesserte Abschätzungen von regionalen Kohlenstoffvorräten und ihrer Änderung mit der Zeit zu ermöglichen. Die Anwendung des angepassten Modells in 77 europäischen Regionen zeigt, dass modellbasierte Abschätzungen des Biomasseaufwuchses in Wäldern weitgehend mit inventarbasierten Abschätzungen für verschiede Baumarten übereinstimmen. Unter Berücksichtigung von historischen Änderungen in Klima, atmosphärischem CO₂-Gehalt, Waldfläche und Holzernte (1948-2000) reproduziert das Model auf europäischer Ebene die heutigen, auf Bestandsstatistiken beruhenden, Abschätzungen von Waldaltersstruktur, das Verhältnis von Zuwachs und Entnahme von Biomasse, sowie die Speicherungsraten im Kohlenstoffspeicher der Vegetation. Alternative Szenarien von zukünftigen Landnutzungs- und Klimaänderungen legen nahe, dass die Kohlenstoffaufnahme der europäischen terrestrischen Biosphäre von relevanter Größenordnung für Klimaschutzstrategien sind. Die Speicherungsraten sind jedoch klein im Vergleich zu den absoluten europäischen CO₂-Emissionen, und nehmen zudem sehr wahrscheinlich gegen Ende des 21. Jahrhunderts ab. Unsicherheiten in Klimaprojektionen sind eine Hauptursache für die Unsicherheiten in den modellbasierten Abschätzungen des zukünftigen Nettokohlenstoffaustausches und müssen daher in Klimaschutzanalysen der terrestrischen Biosphäre berücksichtigt werden.</p>

Moderne Koronagraphen beobachten solare Massenauswürfe bis zu 30 Sonnenradien (0,14 AU) Entfernung von der Sonne. Bei größeren Entfernungen können in der Folge interplanetare Plasmawolken beobachtet werden, deren Magnetfeld- und Plasmamerkmale im Sonnenwind gut untersucht sind. Eines der zuverlässigsten Merkmale zur Identifizierung bei Erdabstnad sind gleichzeitig parallel und antiparallel zum Magnetfeld strömende (bidirektionale), suprathermische Elektronen. Mit den Daten der beiden Heliossonden steht ein einzigartiger Datensatz zur Verfügung, um mit derartigen Elektronen-Ereignissen die Struktur von Plasmawolken von 0,3 bis 1 AU Sonnenabstnad zu analysieren. Ausgehend von einer systematischen Untersuchung von suprathermischen Elektronen in dem Helios-Datensatz läßt sich feststellen, daß bidirektionale Elektronen am häufigsten im Zusammenhang mit stoßwellenassoziierten magnetischen ...

Im Zusammenhang mit dem globalen Klimawandel ist die Vegetation besonders wichtig, da sie die anthropogenen CO2-Emissionen aufnehmen und den Wasser- und Energiekreislauf regulieren kann. Während frühere Forschungsarbeiten wertvolle Einblicke in langfristige Veränderungen des Grüns der Vegetation und in Bezug auf die Reaktion der Vegetation auf steigende Temperaturen und atmosphärisches CO2 lieferten, sind die Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Wasser noch immer nicht vollständig verstanden. Tatsächlich hat die Dynamik der Bodenfeuchte in der Wurzelzone einen grundlegenden Einfluss auf die Veränderung des Grüns und die Produktivität der Vegetation. Dennoch sind weder die die Empfindlichkeit der Vegetationsproduktivität gegenüber der Bodenwasserversorgung noch die funktionelle Reaktion der Vegetation (d. h. Photosynthese und Transpiration) auf Bodentrockenheitsepisoden auf globaler Ebene vollständig geklärt worden. Forschungsengpässe sind fehlende globale Beobachtungen von Vegetationsfunktion und Bodenwasservariabilität. Außerdem werden die statistischen Instrumente für die Analyse umfangreicher und vielschichtiger Daten nur unzureichend genutzt, was ein besseres Verständnis der globalen Reaktion der Vegetation auf Wasser verhindert. Gleichzeitig trägt eine bessere Kenntnis der Reaktion der Vegetation auf die Wasserversorgung zu einem besseren Verständnis des terrestrischen Wasserkreislaufs bei. Hydrologische Extremereignisse schädigen die Infrastruktur, können das menschliche Wohlergehen beeinträchtigen und treten Berichten zufolge in vielen Regionen der Welt immer häufiger und intensiver auf. Während ein Konsens über die Bedeutung meteorologischer Faktoren für die Regulierung des Wasserkreislaufs und der damit verbundenen Extremereignisse besteht, ist die Rolle der Vegetationsdynamik und -eigenschaften noch nicht ausreichend erforscht. Ihre stärkere Berücksichtigung in hydrologischen Studien bietet das Potenzial, die Prozesse, die hydrologische Extreme antreiben, genauer zu verstehen. Dadurch kann ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Wasser im Hinblick auf die Wasserempfindlichkeit der Vegetation und die Rückkopplung der Vegetation auf Klimaextreme die Genauigkeit der Landoberflächenmodellierung verbessern, was für die Verbesserung der Klimaprojektionen unerlässlich ist. Dank der jüngsten Entwicklungen im Bereich der Erdbeobachtung und der Anwendbarkeit leistungsfähiger statistischer Analysewerkzeuge ist es nun möglich, globale Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Wasser mit noch nie dagewesener Genauigkeit zu untersuchen. In diesem Zusammenhang stützt sich diese Arbeit insbesondere auf (i) neuartige Datenprodukte wie sonneninduzierte Chlorophyllfluoreszenz oder globale Bodenfeuchte und Evapotranspiration, die aus der Hochskalierung von Stationsmessungen mit Algorithmen des maschinellen Lernens gewonnen wurden, (ii) längere Aufzeichnungen und aktualisierte Aufbereitungen etablierter Datenprodukte wie Blattflächenindex und terrestrische Wasserspeicherung und (iii) die Entwicklung erklärbarer Methoden des maschinellen Lernens, mit denen Informationen effizient aus multivariaten Datenströmen abgeleitet werden können und die darüber hinaus leicht implementier- und in ökohydrologischen Studien anwendbar sind. Basierend auf diesen Datensätzen und Werkzeugen, wird in dieser Arbeit die Empfindlichkeit der globalen Vegetation gegenüber der Bodenwasserversorgung über Raum und Zeit hinweg neu untersucht.:Summary 7 Zusammenfassung 11 1 Introduction 15 1.1 Motivation 16 1.2 Terrestrial vegetation and its relationship with water supply 18 1.2.1 Vegetation functioning 18 1.2.2 Hydro-meteorological drivers of evaporation and vegetation productivity 19 1.2.3 Vegetation structure and physiology 21 1.3 Terrestrial water cycle and its relationship with vegetation 24 1.3.1 Water balance 24 1.3.2 Vegetation regulating the water cycle 26 1.3.3 The relevance of vegetation on hydrological extremes 27 1.4 Advances in observations and models 30 1.4.1 Spaceborne remote sensing 30 1.4.2 Data-driven and physical-based models 34 1.5 Research questions and thesis outline 37 1.5.1 What is the relationship between vegetation productivity and water supply? 37 1.5.2 Can vegetation regulate hydrological extremes? 38 1.5.3 Can land surface models capture vegetation-water interplay? 40 1.5.4 Thesis outline 40 2 Global vegetation controls using multi-layer soil moisture 41 2.1 Introduction 42 2.2 Data and methods 43 2.3 Results and discussion 45 2.4 Conclusions 53 2.A Appendix 54 3 Widespread increasing vegetation sensitivity to soil moisture 70 3.1 Introduction 71 3.2 Data and methods 72 3.3 Results and discussion 78 3.4 Conclusions 85 3.A Appendix 86 4 The drought effect on vegetation physiology inferred from space 101 4.1 Introduction 102 4.2 Data and methods 104 4.3 Results and discussion 111 4.4 Conclusions 122 4.A Appendix 123 5 Drought propagation into the terrestrial water cycle 136 5.1 Introduction 137 5.2 Data and methods 139 5.3 Results and discussion 145 5.4 Conclusions 155 5.A Appendix 157 6 Drivers of high river flows in European near-natural catchments 171 6.1 Introduction 172 6.2 Data and methods 173 6.3 Results and discussion 179 6.4 Conclusion 184 6.A Appendix 186 7 Synthesis 193 7.1 What is the relationship between vegetation productivity and water supply? 194 7.2 Can vegetation regulate hydrological extremes? 197 7.3 Can land surface models capture the observed vegetation-water interplay? 199 7.4 Limitations 200 7.4.1 Difficulties in predicting SIF in tropical regions 200 7.4.2 Observing terrestrial photosynthesis and evaporation 201 7.4.3 Methods related to variable importance quantification 202 7.5 Outlook 202 7.5.1 Vegetation sensitivity to soil moisture and its implications 203 7.5.2 Vegetation functioning and related structure and physiology 203 7.5.3 Extreme events: floods and drought 204 References 206 Statement of authorship contributions 238 Acknowledgements 239 Curriculum Vitae 241 Scientific publications 242 IMPRS certificate 244 / In the context of global climate change, vegetation is particularly relevant as it can take up anthropogenic CO2 emissions and regulate water and energy cycling. While previous research provided valuable insights into long-term changes in vegetation greenness and in terms of the vegetation response to increasing temperature and atmospheric CO2, vegetation-water interactions are still not fully understood. In fact, root-zone soil moisture dynamics have a fundamental influence on modulating vegetation greenness and productivity. Nevertheless, neither the sensitivity of vegetation productivity to soil water supply nor the vegetation functional response (i.e., photosynthesis and transpiration) to soil drought episodes have been fully resolved at the global scale. Missing global observations of vegetation functioning and terrestrial water variability are bottlenecks, and statistical tools for analyzing large and multi-stream data are poorly exploited, preventing a better understanding of global vegetation water response. At the same time, a better knowledge of the vegetation response to the water supply in turn advances the understanding of the terrestrial water cycle. Hydrological extremes are damaging infrastructure and can affect human well-being, and have been reported to become more frequent and intense in many regions around the world. While a consensus exists regarding the importance of meteorological drivers for regulating the water cycle and related extreme events, the role of vegetation dynamics and characteristics is understudied. Its greater consideration in hydrological studies offers the potential to more accurately understand the processes driving hydrological extremes. Thereby, a better understanding on vegetation-water interactions in terms of vegetation water sensitivity and vegetation feedbacks on climate extremes can advance the accuracy of land surface modelling which is essential to improve climate projections. Thanks to recent developments in Earth observations and in the applicability of powerful statistical analyses tools, investigating global vegetation-water interactions is now possible with unprecedented accuracy. In this context, this thesis builds particularly on (i) novel data products such as Sun-induced chlorophyll fluorescence or global gridded soil moisture and evapotranspiration products obtained from upscaling station measurements with machine learning algorithms, (ii) longer records and updated processing of established data products such as leaf area index and terrestrial water storage, and (iii) the development of explainable machine learning methods which can efficiently derived information from multivariate data streams, and are furthermore implemented and readily applicable in ecohydrological studies. With these datasets and tools, this thesis revisits the sensitivity of global vegetation to soil water supply across space and time.:Summary 7 Zusammenfassung 11 1 Introduction 15 1.1 Motivation 16 1.2 Terrestrial vegetation and its relationship with water supply 18 1.2.1 Vegetation functioning 18 1.2.2 Hydro-meteorological drivers of evaporation and vegetation productivity 19 1.2.3 Vegetation structure and physiology 21 1.3 Terrestrial water cycle and its relationship with vegetation 24 1.3.1 Water balance 24 1.3.2 Vegetation regulating the water cycle 26 1.3.3 The relevance of vegetation on hydrological extremes 27 1.4 Advances in observations and models 30 1.4.1 Spaceborne remote sensing 30 1.4.2 Data-driven and physical-based models 34 1.5 Research questions and thesis outline 37 1.5.1 What is the relationship between vegetation productivity and water supply? 37 1.5.2 Can vegetation regulate hydrological extremes? 38 1.5.3 Can land surface models capture vegetation-water interplay? 40 1.5.4 Thesis outline 40 2 Global vegetation controls using multi-layer soil moisture 41 2.1 Introduction 42 2.2 Data and methods 43 2.3 Results and discussion 45 2.4 Conclusions 53 2.A Appendix 54 3 Widespread increasing vegetation sensitivity to soil moisture 70 3.1 Introduction 71 3.2 Data and methods 72 3.3 Results and discussion 78 3.4 Conclusions 85 3.A Appendix 86 4 The drought effect on vegetation physiology inferred from space 101 4.1 Introduction 102 4.2 Data and methods 104 4.3 Results and discussion 111 4.4 Conclusions 122 4.A Appendix 123 5 Drought propagation into the terrestrial water cycle 136 5.1 Introduction 137 5.2 Data and methods 139 5.3 Results and discussion 145 5.4 Conclusions 155 5.A Appendix 157 6 Drivers of high river flows in European near-natural catchments 171 6.1 Introduction 172 6.2 Data and methods 173 6.3 Results and discussion 179 6.4 Conclusion 184 6.A Appendix 186 7 Synthesis 193 7.1 What is the relationship between vegetation productivity and water supply? 194 7.2 Can vegetation regulate hydrological extremes? 197 7.3 Can land surface models capture the observed vegetation-water interplay? 199 7.4 Limitations 200 7.4.1 Difficulties in predicting SIF in tropical regions 200 7.4.2 Observing terrestrial photosynthesis and evaporation 201 7.4.3 Methods related to variable importance quantification 202 7.5 Outlook 202 7.5.1 Vegetation sensitivity to soil moisture and its implications 203 7.5.2 Vegetation functioning and related structure and physiology 203 7.5.3 Extreme events: floods and drought 204 References 206 Statement of authorship contributions 238 Acknowledgements 239 Curriculum Vitae 241 Scientific publications 242 IMPRS certificate 244

Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit Untersuchungen zur Entfernungsmessung terrestrischer Long-Range Laserscanner. Für diese Studie wurden dem Institut für Markscheidewesen und Geodäsie dankenswerter Weise von der Firma RIEGL ein Laserscanner VZ-4000 zur Verfügung gestellt. In diesem Beitrag werden der Versuchsaufbau erläutert und erste Ergebnisse des Soll-Ist-Vergleiches gezeigt. Die unterschiedlichen Einflussgrößen, wie Temperatur und Luftdruck, die bei Messungen auf große Entfernungen eine Rolle spielen, werden angesprochen. / This paper deals with actual researches for measuring distances of terrestrial long-range Laser scanners. The Institute for Mine Surveying and Geodesy had a laser scanner VZ-4000 by the company RIEGL easy and unconventional provided. The paper presents the experimental setup and the results of the target-actual comparison. Several influences, for example temperature and atmospheric pressure, are considered for long-range measurements.

No description available.