@phdthesis{Abel2023,
  author    = {Abel, Daniel Karl-Joseph},
  title     = {Weiterentwicklung der Bodenhydrologie des regionalen Klimamodells REMO},
  doi       = {10.25972/OPUS-31146},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-311468},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Die Bodenfeuchte stellt eine essenzielle Variable f{\"u}r den Energie-, Feuchte- und Stoffaustausch zwischen Landoberfl{\"a}che und Atmosph{\"a}re dar. Ihre Auswirkungen auf Temperatur und Niederschlag sind vielf{\"a}ltig und komplex. Die in Klimamodellen verwendeten Schemata zur Simulation der Bodenfeuchte, auch bodenhydrologische Schemata genannt, sind aufgrund des Ursprungs der Klimamodelle aus Wettermodellen jedoch h{\"a}ufig sehr stark vereinfacht dargestellt. Bei Klimamodellen, die Simulationen mit einer groben Aufl{\"o}sung von mehreren Zehner- oder Hunderterkilometern rechnen, k{\"o}nnen viele Prozesse vernachl{\"a}ssigt werden. Da die Aufl{\"o}sung der Klimamodelle jedoch stetig steigt und mittlerweile beim koordinierten Projekt regionaler Klimamodelle CORDEX-CORE standardm{\"a}ßig bei 0.22° Kantenl{\"a}nge liegt, m{\"u}ssen auch h{\"o}her aufgel{\"o}ste Daten und mehr Prozesse simuliert werden. Dies gilt erst recht mit Blick auf konvektionsaufl{\"o}sende Simulationen mit wenigen Kilometern Kantenl{\"a}nge. Mit steigenden Modellaufl{\"o}sungen steigt zugleich die Komplexit{\"a}t und Differenziertheit der Fragestellungen, die mit Hilfe von Klimamodellen beantwortet werden sollen. An diesem Punkt setzt auch das Projekt BigData@Geo an, in dessen Rahmen die vorliegende Arbeit entstand. Ziel dieses Projektes ist es, hochaufgel{\"o}ste Klimainformationen f{\"u}r den bayerischen Regierungsbezirk Unterfranken f{\"u}r Akteure aus der Land- und Forstwirtschaft sowie dem Weinbau zur Verf{\"u}gung zu stellen. Auf diesen angewandten und grundlegenden Anforderungen und Zielsetzungen basierend, bedarf auch das in dieser Arbeit verwendete regionale Klimamodell REMO (Version 2015) der weiteren Entwicklung. So ist das Hauptziel der Arbeit das bestehende einschichtige bodenhydrologische Schema durch ein mehrschichtiges zu ersetzen. Der Vorteil mehrerer simulierter Bodenschichten besteht darin, dass nun die vertikale Bewegung des Wassers in Form von Versickerung und kapillarem Aufstieg simuliert werden kann. Dies geschieht auf der Basis bodenhydrologischer Parameter, deren Wert in Abh{\"a}ngigkeit vom Boden und der Bodenfeuchte {\"u}ber die Wasserr{\"u}ckhaltekurve bestimmt wird. F{\"u}r diese Kurve existieren verschiedene Parametrisierungen, von denen die Ans{\"a}tze von Clapp-Hornberger und van Genuchten verwendet wurden. Außerdem kann die Bodenfeuchte nun bis zu einer Tiefe von circa 10 m beziehungsweise der Tiefe des anstehenden Gesteins simuliert werden. Damit besteht im Gegensatz zum vorherigen Schema, dessen Tiefe auf die Wurzeltiefe beschr{\"a}nkt ist, die M{\"o}glichkeit, dass Wasser auch unterhalb der Wurzeln zur Verf{\"u}gung stehen kann und somit die absolute im Boden verf{\"u}gbare Wassermenge zunimmt. Die Schichtung erlaubt dar{\"u}ber hinaus die Verdunstung aus unbewachsenem Boden lediglich auf Basis des in der obersten Schicht verf{\"u}gbaren Wassers. Ein weiterer Prozess, der dank der Schichtung und der weiter unten erl{\"a}uterten Datens{\"a}tze neu parametrisiert werden kann, ist die Infiltration. F{\"u}r die Verwendung des Schemas sind Informationen {\"u}ber bodenhydrologische Parameter, die Wurzeltiefe und die Tiefe bis zum anstehenden Gestein erforderlich. Entsprechende Datens{\"a}tze m{\"u}ssen hierf{\"u}r aufbereitet und in das Modell eingebaut werden. Bez{\"u}glich der Wurzeltiefe wurden drei sich bez{\"u}glich der Tiefe, der Definition und der verf{\"u}gbaren Aufl{\"o}sung stark voneinander unterscheidende Datens{\"a}tze verglichen. Letztendlich wird die Wurzeltiefe aus dem mit einer anderen REMO-Version gekoppelten Vegetationsmodul iMOVE verwendet, da zuk{\"u}nftig eine Kopplung dieses Moduls mit dem mehrschichtigen Boden geplant ist und die Wurzeltiefen damit konsistent sind. Zudem ist die zugrundeliegende Aufl{\"o}sung der Daten hoch und es werden maximale Wurzeltiefen ber{\"u}cksichtigt, die besonders wichtig f{\"u}r die Simulation von Landoberfl{\"a}che-Atmosph{\"a}re-Interaktionen sind. Diese Vorteile brachten die anderen Datens{\"a}tze nicht mit. In der finalen Modellversion werden f{\"u}r die Tiefe bis zum anstehenden Gestein und die Korngr{\"o}ßenverteilungen die Daten von SoilGrids verwendet. Ein Vergleich mit anderen Bodendatens{\"a}tzen fand in einer parallel laufenden Dissertation statt (Ziegler 2022). Bei SoilGrids ist hervorzuheben, dass die Korngr{\"o}ßenverteilungen in einer hohen r{\"a}umlichen Aufl{\"o}sung (1 km^2 oder h{\"o}her) und mit mehreren vertikalen Schichten vorliegen. Gegen{\"u}ber dem urspr{\"u}nglich in REMO verwendeten Datensatz mit einer Kantenl{\"a}nge von 0.5° und ohne vertikale Differenzierung ist dies eine starke Verbesserung der Eingangsdaten. Dazu kommt, dass die Korngr{\"o}ßenverteilungen die Verwendung kontinuierlicher Pedotransferfunktionen statt f{\"u}nf diskreter Texturklassen, denen f{\"u}r die bodenhydrologischen Parameter fixe Tabellenwerte zugewiesen werden, erm{\"o}glichen. Dies f{\"u}hrt zu einer deutlich besseren Differenzierung des heterogenen Bodens. Im Rahmen der Arbeit wurden insgesamt 19 Simulationen f{\"u}r Europa und ein erweitertes Deutschlandgebiet mit Aufl{\"o}sungen von 0.44° beziehungsweise 0.11° f{\"u}r den Zeitraum 2000 bis 2018 gerechnet. Dabei zeigte sich, dass die Einf{\"u}hrung des mehrschichtigen Bodenschemas gegen{\"u}ber dem einschichtigen Schema zu einer Verringerung der Bodenfeuchte in der Wurzeltiefe f{\"u}hrt. Nichtsdestotrotz nimmt die absolute Wassermenge des Bodens durch die Ber{\"u}cksichtigung des Bodens unterhalb der Wurzelzone zu. Bezogen auf die einzelnen Schichten wird die Bodenfeuchte damit zwar untersch{\"a}tzt, im Laufe der Modellentwicklung kann jedoch eine Verbesserung im Vergleich zu ERA5 erzielt werden. Das neue Schema f{\"u}hrt zu einer Verringerung der Evapotranspiration, die {\"u}ber alle Schritte der Modellentwicklung und besonders w{\"a}hrend der Sommermonate auftritt. Im Vergleich zu Validationsdaten von ERA5 und GLEAM zeigt sich, dass dies eine Verbesserung dieser Gr{\"o}ße bedeutet, die sowohl in der Fl{\"a}che als auch beim Fehler und in der Verteilung auftritt. Gleiches l{\"a}sst sich f{\"u}r den Oberfl{\"a}chenabfluss sagen. Hierf{\"u}r implementierte Schemata (Philip, Green-Ampt), die anders als das standardm{\"a}ßig verwendete Improved-Arno-Schema bodenhydrologische Parameter ber{\"u}cksichtigen, konnten eine weitere Verbesserung im Flachland zeigen. In Gebirgsregionen nahm der Fehler durch die nicht enthaltene Ber{\"u}cksichtigung der Hangneigung jedoch zu, sodass in der finalen Modellversion auf das Improved-Arno-Schema zur{\"u}ckgegriffen wurde. Die Temperatur steigt durch die urspr{\"u}ngliche Version des mehrschichtigen Schemas zun{\"a}chst an, was zu einer {\"U}ber- statt der vorherigen Untersch{\"a}tzung gegen{\"u}ber E-OBS f{\"u}hrt. Die Modellentwicklung resultiert zwar in einer Reduzierung der Temperatur, jedoch f{\"a}llt diese zu stark aus, sodass der Temperaturfehler letztendlich gr{\"o}ßer als in der einschichtigen Modellversion ist. Da die Evapotranspiration jedoch maßgeblich verbessert wurde, kann dieser Fehler eventuell auf ein {\"u}berm{\"a}ßiges Tuning der Temperatur zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Die Betrachtung von Hitzeereignissen am Beispiel der Sommer 2003 und 2018 hat gezeigt, dass die Modellentwicklung dazu beitr{\"a}gt, diese Ereignisse besser als das einschichtige Schema zu simulieren. Zwar trifft dies nicht auf das r{\"a}umliche Verhalten der mittleren Temperatur zu, jedoch auf deren zeitlichen Verlauf. Hinzu kommt die bessere Simulation der t{\"a}glichen Extrem- und besonders der Minimaltemperatur, was zu einer Erh{\"o}hung der t{\"a}glichen Temperaturspanne f{\"u}hrt. Diese wird von Klimamodellen in der Regel zu stark untersch{\"a}tzt. Durch die Ber{\"u}cksichtigung der vertikalen Wasserfl{\"u}sse hat sich jedoch auch gezeigt, dass noch enormes Entwicklungspotenzial mit Blick auf (boden)hydrologische Prozesse besteht. Dies gilt in besonderem Maße f{\"u}r zuk{\"u}nftige Simulationen mit konvektionserlaubender Aufl{\"o}sung. So sollten subskalige Informationen des Bodens und der Orographie ber{\"u}cksichtigt werden. Dies dient einerseits der Repr{\"a}sentation vorliegender Heterogenit{\"a}ten und kann andererseits, wie am Beispiel der Infiltrationsschemata dargelegt, zur Verbesserung bestehender Prozesse beitragen. Da die simulierte Drainage durch das mehrschichtige Bodenschema im gleichen Maße zu- wie der Oberfl{\"a}chenabfluss abnimmt und das Wasser dem Modell in der Folge nicht weiter zur Verf{\"u}gung steht, sollte zuk{\"u}nftig auch Grundwasser im Modell ber{\"u}cksichtigt werden. Eine Vielzahl von Studien konnte einen Mehrwert durch die Implementierung dieser Variable und damit verbundener Prozesse feststellen. Mittelfristig ist jedoch insgesamt die Kopplung an ein hydrologisches Modell zu empfehlen, um die bei hochaufl{\"o}senden Simulationen relevanten Prozesse angemessen repr{\"a}sentieren zu k{\"o}nnen. Hierf{\"u}r bieten sich beispielsweise ParFlow oder mHM an. Insgesamt ist festzuhalten, dass das mehrschichtige Bodenschema einen Mehrwert liefert, da schwer zu simulierende und in der Postprozessierung zu korrigierende Variablen wie die Evapotranspiration und der Oberfl{\"a}chenabfluss deutlich besser modelliert werden k{\"o}nnen als mit dem einschichtigen Schema. Dies gilt auch f{\"u}r die Extremtemperaturen. Beides ist klar auf die Schichtung des Bodens und damit einhergehender Prozesse zur{\"u}ckzuf{\"u}hren. Bez{\"u}glich der Daten zeigt sich, dass die Wurzeltiefe, die Ber{\"u}cksichtigung von SoilGrids und die vertikale Bodeninformation f{\"u}r die weitere Optimierung verantwortlich sind. Dar{\"u}ber hinaus ist der h{\"o}here Informationsgehalt, der anhand der geschichteten Bodenfeuchte zur Verf{\"u}gung steht, ebenfalls als Mehrwert einzustufen.},
  subject      = {Klima},
  language  = {de}
}
@article{SteiningerAbelZiegleretal.2023,
  author    = {Steininger, Michael and Abel, Daniel and Ziegler, Katrin and Krause, Anna and Paeth, Heiko and Hotho, Andreas},
  title     = {ConvMOS: climate model output statistics with deep learning},
  series = {Data Mining and Knowledge Discovery},
  volume    = {37},
  journal   = {Data Mining and Knowledge Discovery},
  number    = {1},
  issn      = {1384-5810},
  doi       = {10.1007/s10618-022-00877-6},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-324213},
  pages     = {136-166},
  year      = {2023},
  abstract  = {Climate models are the tool of choice for scientists researching climate change. Like all models they suffer from errors, particularly systematic and location-specific representation errors. One way to reduce these errors is model output statistics (MOS) where the model output is fitted to observational data with machine learning. In this work, we assess the use of convolutional Deep Learning climate MOS approaches and present the ConvMOS architecture which is specifically designed based on the observation that there are systematic and location-specific errors in the precipitation estimates of climate models. We apply ConvMOS models to the simulated precipitation of the regional climate model REMO, showing that a combination of per-location model parameters for reducing location-specific errors and global model parameters for reducing systematic errors is indeed beneficial for MOS performance. We find that ConvMOS models can reduce errors considerably and perform significantly better than three commonly used MOS approaches and plain ResNet and U-Net models in most cases. Our results show that non-linear MOS models underestimate the number of extreme precipitation events, which we alleviate by training models specialized towards extreme precipitation events with the imbalanced regression method DenseLoss. While we consider climate MOS, we argue that aspects of ConvMOS may also be beneficial in other domains with geospatial data, such as air pollution modeling or weather forecasts.},
  subject      = {Klima},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Poppitz2022,
  author    = {Poppitz, Hanka},
  title     = {Untersuchungen zur Alteration von R{\"u}ckstandshalden der Kaliindustrie im Werratal},
  doi       = {10.25972/OPUS-25380},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-253802},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Im Zuge der Aufbereitung von Kalirohsalzen fallen weltweit feste R{\"u}ckst{\"a}nde an, die auf Großhalden entsorgt werden. Die Aufhaldung und die von den R{\"u}ckstandshalden ausgehenden Umweltauswirkungen unterliegen in Deutschland der Kontrolle durch die zust{\"a}ndigen Bergbeh{\"o}rden. Um die Emissionen besser quantifizieren zu k{\"o}nnen und die Eignung technischer Minderungsmaßnahmen zu beurteilen, erfolgte im Rahmen der Genehmigungsverfahren zur Erweiterung der R{\"u}ckstandshalden an den Standorten Hattorf und Wintershall die Erkundung des Haldenk{\"o}rpers durch Bohrungen mit Fokus auf die darin ablaufenden Str{\"o}mungsprozesse. Eine Modellvorstellung zur Zonierung der Halde im Hinblick auf Str{\"o}mungsprozesse war zun{\"a}chst anhand von Haldenbohrungen am Standort Hattorf entwickelt worden. Das Ziel dieser Arbeit war, mittels der Bohrergebnisse einer weiteren Haldenbohrung am Standort Wintershall die {\"U}bertragbarkeit der zuvor in Hattorf gefundenen Gegebenheiten zu {\"u}berpr{\"u}fen und den Kenntnisstand zu Str{\"o}mungs- und Alterationsprozessen innerhalb der Halde zu verbessern. Im Zuge der Haldenbohrungen erfolgten bohrbegleitende Untersuchungen (Abflussmessungen, Kamerabefahrungen, geophysikalische und geohydraulische Untersuchungen), und an dem Bohrkernmaterial und den Haldenl{\"o}sungen wurde ein umfangreiches Laboruntersuchungsprogramm ausgef{\"u}hrt, das chemische und mineralogische Analysen sowie Untersuchungen der physikalischen und hydraulischen Eigenschaften des R{\"u}ckstands umfasste. Zus{\"a}tzlich wurden erg{\"a}nzende Gef{\"u}geuntersuchungen (D{\"u}nnschliffuntersuchungen am Rasterelektronen-Mikroskop und exemplarische CT-Untersuchungen) an Probenmaterial der Halde Hattorf durchgef{\"u}hrt, um mittels visueller Untersuchungen insbesondere die Rolle {\"u}bersch{\"u}tteter ehemaliger Haldenoberfl{\"a}chen f{\"u}r das Str{\"o}mungsgeschehen im Haldenk{\"o}rper zu erkunden. Unter Ber{\"u}cksichtigung aller Ergebnisse wurden die Str{\"o}mungs- und Alterationsprozesse im R{\"u}ckstand beschrieben. Die maßgebliche Erkenntnis im Hinblick auf das Str{\"o}mungsgeschehen im Haldenk{\"o}rper ist, dass in dessen Porenraum keine S{\"a}ttigung besteht und dieser in allen Bereichen mit einem Gemisch aus L{\"o}sung und Luft gef{\"u}llt ist, so dass die Gesetzm{\"a}ßigkeiten der Zweiphasenstr{\"o}mung maßgeblich sind. Die bislang zur Bewertung von Str{\"o}mungsprozessen {\"u}blichen Durchl{\"a}ssigkeitsbeiwerte sind damit ungeeignet, da sie f{\"u}r ges{\"a}ttigte Bereiche gelten. {\"U}bereinstimmend wurde mit einer Reihe von Ergebnissen belegt, dass die Str{\"o}mungsprozesse im Haldenk{\"o}rper an bevorzugte Wegsamkeiten gebunden sind, bei denen es sich ausweislich der Gef{\"u}geuntersuchungen um ein System miteinander verbundenen Sekund{\"a}rporen handelt. Der R{\"u}ckstand ist zu charakterisieren als ein Nebeneinander aus diesen Wegsamkeiten und unbeeinflussten, aggregierten Bereichen. Des Weiteren wurde gezeigt, dass der Niederschlagseinfluss zur Teufe hin abnimmt, und es wurden Kriterien zum Nachweis von Niederschlagsunbeeinflussten Bereichen formuliert. Die Arbeit hat damit auch gezeigt, dass die Modellvorstellung, welche die Halde in eine f{\"u}r die Str{\"o}mungsprozesse maßgebliche Haldenmantelzone, eine gering durchl{\"a}ssige Kernzone und eine dazwischen befindliche {\"U}bergangszone mit gradueller {\"A}nderung der Eigenschaften unterteilt, grunds{\"a}tzlich auch auf den Standort Wintershall {\"u}bertragbar ist. Das Modell des Haldenk{\"o}rpers wurde weiter detailliert und zus{\"a}tzliche Kriterien zur Verortung der einzelnen Zonen im Haldenk{\"o}rper abgeleitet. Insbesondere wurde im Haldenmantelbereich eine charakteristische Randzone ausgehalten, welche im Ergebnis einer intensiven Durchstr{\"o}mung mit un- bzw. teilges{\"a}ttigten L{\"o}sungen selektiv an Wertstoff-Restgehalten abgereichert ist. Sie 2 wird von den unterlagernden reaktiven Zonen durch die L{\"o}sungsfronten f{\"u}r Kalium und Magnesium abgegrenzt. Aufbauend auf der erweiterten Modellvorstellung wurde die Zonierung f{\"u}r die Haldenbohrung am Standort Wintershall abgeleitet. Besonderes Augenmerk galt im Rahmen aller Untersuchungen der Wirkung von {\"u}bersch{\"u}tteten ehemaligen Haldenoberfl{\"a}chen, die als Sch{\"u}ttfl{\"a}chen bezeichnet werden. Es zeigte sich anhand der Untersuchungen, dass die Relevanz von Sch{\"u}ttfl{\"a}chen f{\"u}r das Str{\"o}mungsgeschehen abh{\"a}ngig von der Sch{\"u}tthistorie ist, und dass diese, selbst wenn sie aktiv am Str{\"o}mungsgeschehen teilnehmen, die Gegebenheiten im Haldenk{\"o}rper nur lokal {\"u}berpr{\"a}gen. Das Ziel der Aufstellung eines Modells zu Str{\"o}mungsprozessen im Haldenk{\"o}rper besteht in der Beurteilung der von diesen Halden ausgehenden Umweltauswirkungen. Dar{\"u}ber hinaus dienen die Erkenntnisse der Einsch{\"a}tzung der Wirksamkeit der bereits ergriffenen bzw. noch zu ergreifenden Schutz- und Emissionsminderungsmaßnahmen sowie der Planung zuk{\"u}nftiger Maßnahmen zur Wiedernutzbarmachung der Tagesoberfl{\"a}che und zur Erstellung von Prognosen. In diesem Sinne wurden aus den Ergebnissen der Arbeit abschließend Empfehlungen f{\"u}r technische Konzepte und den Haldenbetrieb abgeleitet.},
  subject      = {Kaliindustrie},
  language  = {de}
}