Institut für Geographie und Geologie
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Mapping buried paleogeographical features of the Nile Delta (Egypt) using the Landsat archive
(2020)
The contribution highlights the use of Landsat spectral-temporal metrics (STMs) for the detection of surface anomalies that are potentially related to buried near-surface paleogeomorphological deposits in the Nile Delta (Egypt), in particular for a buried river branch close to Buto. The processing was completed in the Google Earth Engine (GEE) for the entire Nile Delta and for selected seasons of the year (summer/winter) using Landsat data from 1985 to 2019. We derived the STMs of the tasseled cap transformation (TC), the Normalized Difference Wetness Index (NDWI), and the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). These features were compared to historical topographic maps of the Survey of Egypt, CORONA imagery, the digital elevation model of the TanDEM-X mission, and modern high-resolution satellite imagery. The results suggest that the extent of channels is best revealed when differencing the median NDWI between summer (July/August) and winter (January/February) seasons (ΔNDWI). The observed difference is likely due to lower soil/plant moisture during summer, which is potentially caused by coarser-grained deposits and the morphology of the former levee. Similar anomalies were found in the immediate surroundings of several Pleistocene sand hills (“geziras”) and settlement mounds (“tells”) of the eastern delta, which allowed some mapping of the potential near-surface continuation. Such anomalies were not observed for the surroundings of tells of the western Nile Delta. Additional linear and meandering ΔNDWI anomalies were found in the eastern Nile Delta in the immediate surroundings of the ancient site of Bubastis (Tell Basta), as well as several kilometers north of Zagazig. These anomalies might indicate former courses of Nile river branches. However, the ΔNDWI does not provide an unambiguous delineation.
Visualizing movement data is challenging: While traditional spatial data can be sufficiently displayed as two‐dimensional plots or maps, movement trajectories require the representation of time in a third dimension. To address this, we present moveVis, an R package, which provides tools to animate movement trajectories, overlaying simultaneous uni‐ or multi‐temporal raster imagery or vector data.
moveVis automates the processing of movement and environmental data to turn such into an animation. This includes (a) the regularization of movement trajectories enforcing uniform time instances and intervals across all trajectories, (b) the frame‐wise mapping of movement trajectories onto temporally static or dynamic environmental layers, (c) the addition of customizations, for example, map elements or colour scales and (d) the rendering of frames into an animation encoded as GIF or video file.
moveVis is designed to display interactions and concurrencies of animal movement and environmental data. We present examples and use cases, ranging from data exploration to visualizing scientific findings.
Static spatial plots of movement data disregard the temporal dimension that distinguishes movement from other spatial data. In contrast, animations allow to display relocation in both time and space. We deem animations a powerful way to visually explore movement data, frame analytical findings and display potential interactions with spatially continuous and temporally dynamic environmental covariates.
Städte sehen sich in der Entwicklung ihres Einzelhandelsangebots zunehmend Konkurrenzsituationen zwischen traditionellen Innenstadt- und neu entstehenden Stadtrandlagen ausgesetzt, die einerseits die gestiegenen Flächen- und Produktivitätsansprüche der Unternehmen eher erfüllen, während andererseits Bürger, Politik und etablierter Handel ein ‚Aussterben’ der Innenstädte befürchten. Die Konsequenzen planerischer Entscheidungen in dieser Hinsicht abzuschätzen, wird zunehmend komplexer. Dafür sind ebenso eine stärkere Individualisierung des Konsumverhaltens verantwortlich, wie eine gestiegene Sensibilität gegenüber Verkehrs- und Emissionsbelastungen. Modellierungen und Simulationen können einen Beitrag zu fundierter Entscheidungsfindung leisten, indem sie durch Prognosen von Szenarien mit unterschiedlichen Rahmenbedingungen solche Auswirkungen aufzeigen.
In der Vergangenheit wurden Kaufkraftströme durch Modelle abgebildet, die auf aggregierten Ausgangsdaten und Analogieschlüssen zu Naturgesetzen (Gravitations-, Potenzialansatz) oder nutzentheoretischen Annahmen (Diskreter Entscheidungsansatz) beruhten. In dieser Arbeit wird dafür erstmals ein agentenbasierter Ansatz angewendet, da sich so individuelle Ausdifferenzierungen des Konsumentenhandelns wesentlich leichter integrieren und Ergebnisse anschaulicher präsentieren lassen. Ursprünglich entstammt die Idee zur Agententechnologie einem Forschungsfeld der Informatik, der Künstlichen Intelligenz. Ziel war hier, Algorithmen zu entwickeln, die aus einer Menge von kleinen Softwarebausteinen bestehen, die zur Lösung eines Problems miteinander in Kommunikation treten und sich selbst zielbezogen anordnen. Somit schreibt sich der Algorithmus im Grunde selbst. Dieses Konzept kann in den Sozialwissenschaften als Modellierungsparadigma genutzt werden, insofern als dass sie der Idee der Selbstorganisation von Gesellschaften recht nahe kommt. Insbesondere zeichnen sich Multiagentensysteme durch eine dezentrale Kontrolle und Datenvorhaltung aus, die es darüber hinaus ermöglichen, auch komplexe Systeme von Entscheidungsprozessen mit wenigen Spezifikationen darzustellen. Damit begegnet der Agentenansatz vielen Einwänden gegen Analogie- und Entscheidungsmodelle. Durch die konsequente Einnahme einer individuenbezogenen Sichtweise ist die individuelle Ausdifferenzierung von Entscheidungsprozessen viel eher abbildbar.
Für das Forschungsprojekt konnten für einenm ntersuchungsraum in Nordschweden (Funktionalregion Umeå, ca. 140.000 Einwohner) individuenbezogene Einwohnerdaten verfügbar gemacht werden. Diese enthielten u.a. Lagekoordinaten des Wohn- und Arbeitsorts, Alter, Geschlecht, verfügbares Einkommen und Angaben zur Haushaltsstruktur. Verbunden mit Erkenntnissen aus empirischen Untersuchungen (Konsumentenbefragung, Geschäftskartierung) stellten sie die Eingabegrößen für ein agentenbasiertes Modell der Einkaufsstättenwahl bei der Lebensmittelversorgung dar. Die Konsumentenbefragung stellte regressionsanalytische Abhängigkeiten zwischen sozioökonomischen Daten und Konsumpräferenzen bezüglich einzelner Geschäftsattribute (Preisniveau, Produktqualität, Sortimentsbreite, Service etc.) her, die gleichen Attribute wurden für die Geschäfte erhoben. Somit können Kaufkraftströme zwischen Einzelelementen der Nachfrage (individuelle Konsumenten) und des Angebots (einzelne Geschäftsstandorte) als individuell variierende Bewertung der Geschäfte durch die Agenten dargestellt werden, gemäß derer die Agenten ihre lebensmittelrelevante Kaufkraft auf die Geschäfte verteilen.
Für die Geschäfte der gesamten Region konnten Gütemaßwerte bis 0,7 erreicht werden, für einzelne Betriebsformate auch über 0,9. Dies zeigt, dass auch bei der Verwendung individuenbezogener Modelle, die mit einer deutlich höheren Anzahl Freiheitsgraden behaftet sind als ihre aggregierten Gegenstücke, hohe Prognosequalitäten für Umsatzschätzungen von Standorten erreicht werden können. Gleichzeitig bietet der Agentenansatz die Möglichkeit, einzelne Simulationsobjekte bei ihrer Entscheidungsfindung und ihren Aktivitäten zu verfolgen. Dabei konnten ebenfalls plausible Einkaufsmuster abgebildet werden.
Da die Distanz vom Wohn- bzw. Arbeitsort zum Geschäft Bestandteil des Modells ist, können auch die von den Einwohnern zum Zweck der Grundversorgung zu leistenden Distanzaufwände in verschiedenen Angebotssituationen analysiert werden. Als Fallstudie wurde ein Vergleich von zwei Situationen 1997 und 2004 vorgenommen. Während dieses Zeitraums haben im Untersuchungsgebiet grundlegende Veränderungen der Einzelhandelsstruktur stattgefunden, die zu einem weitgehenden Rückzug des Angebots aus den peripheren ländlichen Gebieten geführt haben. Die Ergebnisse zeigteneine hohe Übereinstimmung mit den auf nationaler Ebene erhobenen Mobilitätsdaten, ließen aber auch einen differenzierten Blick auf die unterschiedliche Betroffenheit der Einwohner der Region zu.
An agentenbasierte Simulationen werden in den Sozialwissenschaften große Erwartungen geknüpft, da sie erstmals ermöglichen, gesellschaftliche Phänomene auf der Ebene ihres Zustandekommens, dem Individuum, zu erfassen, sowie komplexe mentale Vorgänge des Handelns, Lernens und Kommunizierens auf einfache Weise in ein Modell zu integrieren. Mit der vorliegenden Arbeit wurde im Bereich der Konsumentenforschung erstmals ein solcher Ansatz auf regionaler Ebene angewendet, um zu planungsrelevanten Aussagen zu gelangen. In Kombination mit anderen Anwendungen im Bereich der Bevölkerungsprognose, des Verkehrs und der innerstädtischen Migration haben Agentensimulationen alle Voraussetzungen zu einem zukunftsweisenden Paradigma für die Raum- und Fachplanung.
Das Erbe der deutschen Kolonialzeit in Namibia im Fokus des "Tourist Gaze" deutscher Touristen
(2009)
Die Studie beschäftigt sich mit der Wahrnehmung des deutschen Kolonialerbes in Namibia aus Sicht deutscher Touristen. Namibia ist das Land in Afrika welches die stärkste Durchdringung mit Elementen der deutschen Kolonialzeit aufweist. Darüber hinaus zeichnet sich dieses Land durch eine sehr hohe touristische Bedeutung des deutschen Quellmarktes aus. Weiterhin ist die gemeinsame koloniale Vergangenheit weder bilateral noch innerhalb Namibias aufgearbeitet, was der Thematik eine gesellschaftspolitische Komponente verleiht.
Die Analyse der touristischen Wahrnehmung basiert auf 103 qualitativen Interviews mit deutschen Touristen in Namibia. Neben der Perspektive der Reisenden werden Akteure untersucht, welche den ‚Blick‘ der Touristen lenken und beeinflussen. Dabei kommen eine Inhaltsanalyse von deutschsprachiger Reiseliteratur sowie teilnehmende Beobachtungen bei Stadtführungen mit lokalen Reiseleitern in der Stadt zum Einsatz.
Die Resultate zeigen, dass die Touristen das Erbe der deutschen Kolonialzeit als sehr heterogenes Phänomen interpretieren. Durch das Aufsummieren der vielfältigen Erfahrungen mit gelebtem und gebautem Kolonialerbe wird die Wahrnehmung geographisch wirksam, da die Eindrücke auf Räume und Menschen übertragen werden und nicht auf punktuellen Elementen verharren. Aufgrund von Unterdrückung und Verbrechen in der Kolonialzeit sehen die befragten Touristen das deutsche Erbe in Namibia als ein ‚schwieriges’ an, das kaum nostalgische Gefühle auslöst, sondern eher zu einer kritischen Auseinandersetzung mit der Geschichte anregt. Der Grad dieser Dissonanz ist stark davon abhängig, in wie weit die koloniale Thematik nach Ansicht der Touristen in aktuellem Bezug steht oder aber als nicht mehr relevante Vergangenheit interpretiert wird.
Neben der ‚Dissonanz’ können die Touristen anhand der beiden weiteren Indikatoren ‚Interesse’ – im Sinne einer Auseinandersetzung und Informiertheit – sowie ‚Attraktion‘ – als touristische Bedeutung – typologisiert werden. Die entscheidende Determinante für die Charakterisierung der Befragten stellt das Maß der empfundenen Dissonanz dar. Weiterhin lässt sich eine Differenzierung in Touristen mit einer vorbereiteten und organisierten und solche mit einer unvorbereiteten und spontanen Konfrontation mit dem deutschen Erbe vornehmen. Insgesamt können fünf Typen – ‚klassische Heritage-Touristen’, ‚spontane Heritage-Touristen, ‚Kritiker’, ‚historische motivierte Touristen’ und ‚Sightseeing-Touristen’ – identifiziert werden, wobei den drei erstgenannten eine Wahrnehmung als ‚schwieriges’, dissonantes Erbe immanent ist.
Mit der vorliegenden Arbeit werden konventionelle thermische Kraftwerke an deutschen Flüssen identifiziert, bei denen aufgrund hoher Flusswassertemperaturen im Zusammenhang mit wasserrechtlichen Grenzwerten Leistungseinschränkungen auftraten. Weiterhin wird aufgezeigt, wie sich die Wassertemperaturen der Flüsse in der Vergangenheit (rezent) entwickelt haben und wie sie sich zukünftig im Kontext des Klimawandels entwickeln könnten.
Mittels Literaturrecherche, Medienanalyse und schriftlicher Befragung wurden konventionelle thermische Kraftwerke identifiziert, welche wassertemperaturbedingte Leistungseinschränkungen verzeichneten. Die meisten dieser Leistungseinschränkungen zwischen 1976 und 2007 zeigen sich bei großen Kraftwerken mit einer elektrischen Bruttoleistung über 300 Megawatt, bei Steinkohle- und Kernkraftwerken, bei Kraftwerken mit Durchlaufkühlung und bei solchen, die zwischen 1960 und 1990 in Betrieb gingen.
Trendanalysen interpolierter und homogenisierter, rezenter Wassertemperaturzeitreihen deutscher Flüsse ergeben positive Trends v. a. im Frühjahr und Sommer. Die Zählstatistik zeigt in den Jahren 1994, 2003 und 2006 die meisten Tage mit sehr hohen und extrem hohen Wassertemperaturen in den Sommermonaten. In diesen Jahren traten gleichzeitig 63 % aller identifizierter wassertemperaturbedingter Leistungseinschränkungen bei Kraftwerken, meist zwischen Juni und August, auf.
Für die Trendanalysen und den Mittelwertvergleich simulierter zukünftiger Wassertemperaturzeitreihen wurden drei Szenarien – B1, A1B und A2 sowie drei Zukunftsperioden 2011-2040, 2011/2041-2070, 2011/2071-2100 betrachtet. Es ergeben sich für die Zukunftsperiode 2011-2040 des A1B- oder A2-Szenarios in mindestens einem der Sommermonate eine Erwärmung und für das B1-Szenario negative oder keine Trends. Die mittleren Wassertemperaturen der Zukunftsperiode 2011-2040 zeigen in allen drei Szenarien gegenüber denen der Klimanormalperiode 1961-1990 positive Unterschiede in mindestens einem der Sommermonate. Für die beiden späteren Zukunftsperioden bis 2070 bzw. bis 2100 liegen in allen Wassertemperaturzeitreihen der drei Szenarien im Sommer positive Trends bzw. Differenzen gegenüber den mittleren Wassertemperaturen der Klimanormalperiode vor.
Durch die Synthese der drei Analysen ist erkennbar, dass Isar, Rhein, Neckar, Saar, Elbe und Weser die meisten Kraftwerksstandorte mit wassertemperaturbedingten Leistungseinschränkungen verzeichnen. Es zeigen sich hier positive Trends sowohl in den rezenten als auch zukünftigen Wassertemperaturen für die Zukunftsperiode 2011-2040 des A1B- und A2-Szenarios in jeweils mindestens einem der Sommermonate. Gegenüber den mittleren Wassertemperaturen der Klimanormalperiode liegen für alle drei Szenarien positive Unterschiede der Wassertemperaturen vor.
Bei einer Kraftwerkslaufzeit von 40-50 Jahren und einem Kernenergieausstieg 2022 bzw. 2034, werden 48-64 % bzw. 67-91 % der Kraftwerke mit wassertemperaturbedingten Leistungseinschränkungen bis 2022 bzw. 2034 außer Betrieb gehen. Bei einer Laufzeitverlängerung würden nach 2022 fünf der elf betroffenen Kernkraftwerke weiter am Netz bleiben. Somit kann es wieder zu wassertemperaturbedingten Leistungseinschränkungen kommen. In Deutschland sind nach wie vor große Kraftwerke an Flüssen geplant. Deren Kühlsysteme müssen entsprechend ausgewählt und konstruiert werden, um der zu erwartenden Erhöhung der Flusstemperaturen Rechnung zu tragen.
Detailed information on the land cover types present and the horizontal position of the land–water interface is needed for sensitive coastal ecosystems throughout the Arctic, both to establish baselines against which the impacts of climate change can be assessed and to inform response operations in the event of environmental emergencies such as oil spills. Previous work has demonstrated potential for accurate classification via fusion of optical and SAR data, though what contribution either makes to model accuracy is not well established, nor is it clear what shorelines can be classified using optical or SAR data alone. In this research, we evaluate the relative value of quad pol RADARSAT-2 and Landsat 5 data for shoreline mapping by individually excluding both datasets from Random Forest models used to classify images acquired over Nunavut, Canada. In anticipation of the RADARSAT Constellation Mission (RCM), we also simulate and evaluate dual and compact polarimetric imagery for shoreline mapping. Results show that SAR data is needed for accurate discrimination of substrates as user’s and producer’s accuracies were 5–24% higher for models constructed with quad pol RADARSAT-2 and DEM data than models constructed with Landsat 5 and DEM data. Models based on simulated RCM and DEM data achieved significantly lower overall accuracies (71–77%) than models based on quad pol RADARSAT-2 and DEM data (80%), with Wetland and Tundra being most adversely affected. When classified together with Landsat 5 and DEM data, however, model accuracy was less affected by the SAR data type, with multiple polarizations and modes achieving independent overall accuracies within a range acceptable for operational mapping, at 89–91%. RCM is expected to contribute positively to ongoing efforts to monitor change and improve emergency preparedness throughout the Arctic.
Monitoring the spatio-temporal development of vegetation is a challenging task in heterogeneous and cloud-prone landscapes. No single satellite sensor has thus far been able to provide consistent time series of high temporal and spatial resolution for such areas. In order to overcome this problem, data fusion algorithms such as the Enhanced Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model (ESTARFM) have been established and frequently used in recent years to generate high-resolution time series. In order to make it applicable to larger scales and to increase the input data availability especially in cloud-prone areas, an ESTARFM framework was developed in this study introducing several enhancements. An automatic filling of cloud gaps was included in the framework to make best use of available, even partly cloud-covered Landsat images. Furthermore, the ESTARFM algorithm was enhanced to automatically account for regional differences in the heterogeneity of the study area. The generation of time series was automated and the processing speed was accelerated significantly by parallelization. To test the performance of the developed ESTARFM framework, MODIS and Landsat-8 data were fused for generating an 8-day NDVI time series for a study area of approximately 98,000 km\(^{2}\) in West Africa. The results show that the ESTARFM framework can accurately produce high temporal resolution time series (average MAE (mean absolute error) of 0.02 for the dry season and 0.05 for the vegetative season) while keeping the spatial detail in such a heterogeneous, cloud-prone region. The developments introduced within the ESTARFM framework establish the basis for large-scale research on various geoscientific questions related to land degradation, changes in land surface phenology or agriculture
The internal structures of a moraine complex mostly provide information about the manner in which they develop and thus they can transmit details about several processes long after they have taken place. While the occurrence of glacier–permafrost interactions during the formation of large thrust moraine complexes at polar and subpolar glaciers as well as at marginal positions of former ice sheets has been well understood, their role in the formation of moraines on comparatively small alpine glaciers is still very poorly investigated. Therefore, the question arises as to whether evidence of former glacier–permafrost interactions can still be found in glacier forefields of small alpine glaciers and to what extent these differ from the processes in finer materials at larger polar or subpolar glaciers. To investigate this, electrical resistivity tomography (ERT) and ground-penetrating radar (GPR) surveys were carried out in the area of a presumed alpine thrust moraine complex in order to investigate internal moraine structures. The ERT data confirmed the presence of a massive ice core within the central and proximal parts of the moraine complex. Using GPR, linear internal structures were detected, which were interpreted as internal shear planes due to their extent and orientation. These shear planes lead to the assumption that the moraine complex is of glaciotectonic origin. Based on the detected internal structures and the high electrical resistivity values, it must also be assumed that the massive ice core is of sedimentary or polygenetic origin. The combined approach of the two methods enabled the authors of this study to detect different internal structures and to deduce a conceptual model of the thrust moraine formation.
West African summer monsoon precipitation is characterized by distinct decadal variability. Due to its welldocumented link to oceanic boundary conditions in various ocean basins it represents a paradigm for decadal predictability. In this study, we reappraise this hypothesis for several sub-regions of sub-Saharan West Africa using the new German contribution to the coupled model intercomparison project phase 5 (CMIP5) near-term prediction system.
In addition, we assume that dynamical downscaling of the global decadal predictions leads to an enhanced predictive skill because enhanced resolution improves the atmospheric response to oceanic forcing and landsurface feedbacks. Based on three regional climate models, a heterogeneous picture is drawn: none of the regional climate models outperforms the global decadal predictions or all other regional climate models in every region nor decade. However, for every test case at least one regional climate model was identified which outperforms the global predictions. The highest predictive skill is found in the western and central Sahel Zone with correlation coefficients and mean-square skill scores exceeding 0.9 and 0.8, respectively.
Burkina Faso ranges amongst the fastest growing countries in the world with an annual population growth rate of more than three percent. This trend has consequences for food security since agricultural productivity is still on a comparatively low level in Burkina Faso. In order to compensate for the low productivity, the agricultural areas are expanding quickly. The mapping and monitoring of this expansion is difficult, even on the basis of remote sensing imagery, since the extensive farming practices and frequent cloud coverage in the area make the delineation of cultivated land from other land cover and land use types a challenging task. However, as the rapidly increasing population could have considerable effects on the natural resources and on the regional development of the country, methods for improved mapping of LULCC (land use and land cover change) are needed. For this study, we applied the newly developed ESTARFM (Enhanced Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model) framework to generate high temporal (8-day) and high spatial (30 m) resolution NDVI time series for all of Burkina Faso for the years 2001, 2007, and 2014. For this purpose, more than 500 Landsat scenes and 3000 MODIS scenes were processed with this automated framework. The generated ESTARFM NDVI time series enabled extraction of per-pixel phenological features that all together served as input for the delineation of agricultural areas via random forest classification at 30 m spatial resolution for entire Burkina Faso and the three years. For training and validation, a randomly sampled reference dataset was generated from Google Earth images and based on expert knowledge. The overall accuracies of 92% (2001), 91% (2007), and 91% (2014) indicate the well-functioning of the applied methodology. The results show an expansion of agricultural area of 91% between 2001 and 2014 to a total of 116,900 km\(^2\). While rainfed agricultural areas account for the major part of this trend, irrigated areas and plantations also increased considerably, primarily promoted by specific development projects. This expansion goes in line with the rapid population growth in most provinces of Burkina Faso where land was still available for an expansion of agricultural area. The analysis of agricultural encroachment into protected areas and their surroundings highlights the increased human pressure on these areas and the challenges of environmental protection for the future.
Rice is an important food crop and a large producer of green-house relevant methane. Accurate and timely maps of paddy fields are most important in the context of food security and greenhouse gas emission modelling. During their life-cycle, rice plants undergo a phenological development that influences their interaction with waves in the visible light and infrared spectrum. Rice growth has a distinctive signature in time series of remotely-sensed data. We used time series of MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) products MOD13Q1 and MYD13Q1 and a one-class support vector machine to detect these signatures and classify paddy rice areas in continental China. Based on these classifications, we present a novel product for continental China that shows rice areas for the years 2002, 2005, 2010 and 2014 at 250-m resolution. Our classification has an overall accuracy of 0.90 and a kappa coefficient of 0.77 compared to our own reference dataset for 2014 and correlates highly with rice area statistics from China’s Statistical Yearbooks (R2 of 0.92 for 2010, 0.92 for 2005 and 0.90 for 2002). Moderate resolution time series analysis allows accurate and timely mapping of rice paddies over large areas with diverse cropping schemes.
Availability of water and desiccation of important water reservoirs is a vital challenge in semi-arid to arid climates with growing economy and population. Low quantities of precipitation and high evaporation rates leave the water supply vulnerable to human activity and climatic variations. Endorheic basins of Northern Iran were hydrologically landlocked within geological timescales and thus bear evidence of past variations of water resources in generations of water related landforms, like abandoned lake level shorelines, alluvial fans and stream terraces. Understanding the development of these landforms reveals crucial information about past water reservoirs and landscape history.
This study offers a comprehensive approach on understanding the geomorphological development of the landscape throughout Late Pleistocene and Holocene times. It integrates remote sensing and geographic information system analysis, with geomorphological and stratigraphical mapping fieldwork and detailed sedimentological investigations.
The work shows the importance of analytical geomorphological mapping for delineating stratigraphic units of the Iranian Quaternary. Thus, several phases of drying and lake level retreat were identified in parallel geoarchives and could be dated to a time span from today to Late Pleistocene. The findings link the fate of the citizens of the ancient city of "Tepe Hissar" to their access to water and to the power of geomorphological processes, which started changing their environment.
In recent years, the midlatitudes are characterized by more intense heatwaves in summer and sometimes severe cold spells in winter that might emanate from changes in atmospheric circulation, including synoptic‐scale and planetary wave activity in the midlatitudes. In this study, we investigate the heat and momentum exchange between the mean flow and atmospheric waves in the North Atlantic sector and adjacent continents by means of the physically consistent Eliassen–Palm flux diagnostics applied to reanalysis and forced climate model data. In the long‐term mean, momentum is transferred from the mean flow to atmospheric waves in the northwest Atlantic region, where cyclogenesis prevails. Further downstream over Europe, eddy fluxes return momentum to the mean flow, sustaining the jet stream against friction. A global climate model is able to reproduce this pattern with high accuracy. Atmospheric variability related to atmospheric wave activity is much more expressed at the intraseasonal rather than the interannual time‐scale. Over the last 40 years, reanalyses reveal a northward shift of the jet stream and a weakening of intraseasonal weather variability related to synoptic‐scale and planetary wave activity. This pertains to the winter and summer seasons, especially over central Europe, and correlates with changes in the North Atlantic Oscillation as well as regional temperature and precipitation. A very similar phenomenon is found in a climate model simulation with business‐as‐usual scenario, suggesting an anthropogenic trigger in the weakening of intraseasonal weather variability in the midlatitudes.
Nach aktuellem Stand der Forschung ist die Dachbegrünung eine geeignete Klimaanpassungsmaßnahme, mit der die Folgen des rezenten Klimawandels in verdichteten und versiegelten Stadtgebieten abgeschwächt werden können. Vor dem Hintergrund schrumpfender Flächenreserven und wachsender Flächenkonkurrenz können auf Dächern alternative Flächenressourcen zur Expansion urbanen Grüns erschlossen werden. Zudem besitzt diese Begrünungsart vielfältige ökologische und ökonomische Vorteile (Kühlwirkung, Biodiversität, Wasserrückhaltung, Gebäudedämmung und -schutz). Mit Bebauungsplänen und Innenbereichssatzungen sowie Förderprogrammen und indirekter Förderung (gesplittete Abwassergebühren) stehen den Kommunen harte und weiche Instrumente zur Verfügung, um Gebäudeeigentümer für Dachbegrünungsmaßnahmen im Neubau, aber auch im Bestandsbau zu mobilisieren. Für eine Aktivierung bereits bestehender Dachflächen eignet sich besonders die Extensivbegrünung dank ihrer anspruchslosen Vegetation, des minimalen Pflegeaufwands sowie den geringeren statischen und formspezifischen Anforderungen an die Dachkonstruktion gegenüber der Intensivbegrünung. Auf Basis von Untersuchungen mit Fernerkundungsdaten und amtlichen Geodaten konnten für deutsche Groß- und Mittelstädte enorme Flächenpotentiale für die nachträgliche Dachbegrünung festgestellt werden. Zur Stadt Würzburg, in der als Hotspot des Klimawandels eine hohe Dringlichkeit für Klimaanpassungsmaßnahmen besteht, lagen bis dato keine Daten zu diesem Potential vor. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Luftbilder, Höhendaten (LiDAR) und amtliche Gebäudeumriss-Daten in einem Geoinformationssystem (GIS) zu einer dreidimensionalen Dachlandschaft verarbeitet, hinsichtlich relevanter Begrünungskriterien (Neigung, Homogenität, Größe, Funktion) analysiert und in Form von Karten, Bildern und Statistiken ausgegeben. Für das konkrete Untersuchungsgebiet der stadtklimatisch besonders kritischen Stadtbezirke Altstadt und Sanderau konnte eine empirische Grundlage zur Quantifizierung der Potentialfläche geschaffen werden. Rund ein Drittel der über 5.000 untersuchten innerstädtischen Dächer kommen mit einer Fläche von über 300.000 m² für eine nachträgliche Begrünung in Betracht. Zudem wurden Aussagen zur städtebaulichen Qualifizierung (Denkmalschutz) dieser Flächen getroffen und die Aktivierbarkeit mit dem einschlägigen stadtplanerischem Begrünungsinstrumentarium (Förderprogramm, Satzung bzw. Bebauungsplan) bewertet. So konnten die für die Umsetzung der geeigneten Dachflächen nötigen Förderkosten auf Basis der geltenden Förderrichtlinie approximiert werden. Zudem wurde unter Verwendung amtlicher Baustatistik und einschlägiger Bebauungspläne ein zeitlicher Horizont geschätzt, bis zu welchem sich Eigentümer an die Vorgaben einer hypothetischen Dachbegrünungssatzung anpassen würden. Die Arbeit bietet Anreize für die Methodik geoinformatischer Analysen sowie für städteplanerische Analyse- und Handlungsmöglichkeiten. Natürlich kann die fernerkundliche Messung keine bautechnische Begutachtung vor Ort ersetzen, sie kann aber im Vorfeld einen Eindruck der teils versteckten Flächenreserven kostengünstig und flächendeckend verschaffen und zudem die Möglichkeit darauf aufbauender Untersuchungen der ökologischen oder städtebaulichen Wirkung eröffnen.
Sea level rise contribution from the Antarctic ice sheet is influenced by changes in glacier and ice shelf front position. Still, little is known about seasonal glacier and ice shelf front fluctuations as the manual delineation of calving fronts from remote sensing imagery is very time-consuming. The major challenge of automatic calving front extraction is the low contrast between floating glacier and ice shelf fronts and the surrounding sea ice. Additionally, in previous decades, remote sensing imagery over the often cloud-covered Antarctic coastline was limited. Nowadays, an abundance of Sentinel-1 imagery over the Antarctic coastline exists and could be used for tracking glacier and ice shelf front movement. To exploit the available Sentinel-1 data, we developed a processing chain allowing automatic extraction of the Antarctic coastline from Seninel-1 imagery and the creation of dense time series to assess calving front change. The core of the proposed workflow is a modified version of the deep learning architecture U-Net. This convolutional neural network (CNN) performs a semantic segmentation on dual-pol Sentinel-1 data and the Antarctic TanDEM-X digital elevation model (DEM). The proposed method is tested for four training and test areas along the Antarctic coastline. The automatically extracted fronts deviate on average 78 m in training and 108 m test areas. Spatial and temporal transferability is demonstrated on an automatically extracted 15-month time series along the Getz Ice Shelf. Between May 2017 and July 2018, the fronts along the Getz Ice Shelf show mostly an advancing tendency with the fastest moving front of DeVicq Glacier with 726 ± 20 m/yr.
This study investigates synthetic aperture radar (SAR) time series of the Sentinel-1 mission acquired over the Atacama Desert, Chile, between March 2015 and December 2018. The contribution analyzes temporal and spatial variations of Sentinel-1 interferometric SAR (InSAR) coherence and exemplarily illustrates factors that are responsible for observed signal differences. The analyses are based on long temporal baselines (365–1090 days) and temporally dense time series constructed with short temporal baselines (12–24 days). Results are compared to multispectral data of Sentinel-2, morphometric features of the digital elevation model (DEM) TanDEM-X WorldDEM™, and to a detailed governmental geographic information system (GIS) dataset of the local hydrography. Sentinel-1 datasets are suited for generating extensive, nearly seamless InSAR coherence mosaics covering the entire Atacama Desert (>450 × 1100 km) at a spatial resolution of 20 × 20 meter per pixel. Temporal baselines over several years lead only to very minor decorrelation, indicating a very high signal stability of C-Band in this region, especially in the hyperarid uplands between the Coastal Cordillera and the Central Depression. Signal decorrelation was associated with certain types of surface cover (e.g., water or aeolian deposits) or with actual surface dynamics (e.g., anthropogenic disturbance (mining) or fluvial activity and overland flow). Strong rainfall events and fluvial activity in the periods 2015 to 2016 and 2017 to 2018 caused spatial patterns with significant signal decorrelation; observed linear coherence anomalies matched the reference channel network and indicated actual episodic and sporadic discharge events. In the period 2015–2016, area-wide loss of coherence appeared as strip-like patterns of more than 80 km length that matched the prevailing wind direction. These anomalies, and others observed in that period and in the period 2017–2018, were interpreted to be caused by overland flow of high magnitude, as their spatial location matched well with documented heavy rainfall events that showed cumulative precipitation amounts of more than 20 mm.
Air temperatures in the Arctic have increased substantially over the last decades, which has extensively altered the properties of the land surface. Capturing the state and dynamics of Land Surface Temperatures (LSTs) at high spatial detail is of high interest as LST is dependent on a variety of surficial properties and characterizes the land–atmosphere exchange of energy. Accordingly, this study analyses the influence of different physical surface properties on the long-term mean of the summer LST in the Arctic Mackenzie Delta Region (MDR) using Landsat 30 m-resolution imagery between 1985 and 2018 by taking advantage of the cloud computing capabilities of the Google Earth Engine. Multispectral indices, including the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Normalized Difference Water Index (NDWI) and Tasseled Cap greenness (TCG), brightness (TCB), and wetness (TCW) as well as topographic features derived from the TanDEM-X digital elevation model are used in correlation and multiple linear regression analyses to reveal their influence on the LST. Furthermore, surface alteration trends of the LST, NDVI, and NDWI are revealed using the Theil-Sen (T-S) regression method. The results indicate that the mean summer LST appears to be mostly influenced by the topographic exposition as well as the prevalent moisture regime where higher evapotranspiration rates increase the latent heat flux and cause a cooling of the surface, as the variance is best explained by the TCW and northness of the terrain. However, fairly diverse model outcomes for different regions of the MDR (R2 from 0.31 to 0.74 and RMSE from 0.51 °C to 1.73 °C) highlight the heterogeneity of the landscape in terms of influential factors and suggests accounting for a broad spectrum of different factors when modeling mean LSTs. The T-S analysis revealed large-scale wetting and greening trends with a mean decadal increase of the NDVI/NDWI of approximately +0.03 between 1985 and 2018, which was mostly accompanied by a cooling of the land surface given the inverse relationship between mean LSTs and vegetation and moisture conditions. Disturbance through wildfires intensifies the surface alterations locally and lead to significantly cooler LSTs in the long-term compared to the undisturbed surroundings.
Periglacial environments are facing dramatic changes. Warming air temperatures and strong snow cover variations fundamentally affect landforming processes in this hotspot region of Climate Change. But before we can assess the response of landform development to a changing climate, we need to enhance our understanding of the internal structure of those landforms. Within this study, a broad scope of landform types from alpine and subarctic regions is investigated: rock glaciers, solifluction lobes, palsas and patterned ground. By using the geophysical methods 2-D and 3-D ERI, as well as GPR surveying, structural differences and similarities between landform units of different or the same landform types are highlighted. This enables a reconstruction of their past and a projection of their future development.
We analyze the processing of cereals and its role at Early Neolithic Göbekli Tepe, southeastern Anatolia (10th / 9th millennium BC), a site that has aroused much debate in archaeological discourse. To date, only zooarchaeological evidence has been discussed in regard to the subsistence of its builders. Göbekli Tepe consists of monumental round to oval buildings, erected in an earlier phase, and smaller rectangular buildings, built around them in a partially contemporaneous and later phase. The monumental buildings are best known as they were in the focus of research. They are around 20 m in diameter and have stone pillars that are up to 5.5 m high and often richly decorated. The rectangular buildings are smaller and–in some cases–have up to 2 m high, mostly undecorated, pillars. Especially striking is the number of tools related to food processing, including grinding slabs/bowls, handstones, pestles, and mortars, which have not been studied before. We analyzed more than 7000 artifacts for the present contribution. The high frequency of artifacts is unusual for contemporary sites in the region. Using an integrated approach of formal, experimental, and macro- / microscopical use-wear analyses we show that Neolithic people at Göbekli Tepe have produced standardized and efficient grinding tools, most of which have been used for the processing of cereals. Additional phytolith analysis confirms the massive presence of cereals at the site, filling the gap left by the weakly preserved charred macro-rests. The organization of work and food supply has always been a central question of research into Göbekli Tepe, as the construction and maintenance of the monumental architecture would have necessitated a considerable work force. Contextual analyses of the distribution of the elements of the grinding kit on site highlight a clear link between plant food preparation and the rectangular buildings and indicate clear delimitations of working areas for food production on the terraces the structures lie on, surrounding the circular buildings. There is evidence for extensive plant food processing and archaeozoological data hint at large-scale hunting of gazelle between midsummer and autumn. As no large storage facilities have been identified, we argue for a production of food for immediate use and interpret these seasonal peaks in activity at the site as evidence for the organization of large work feasts.
The heavily debris-covered Inylchek glaciers in the central Tian Shan are the largest glacier system in the Tarim catchment. It is assumed that almost 50% of the discharge of Tarim River are provided by glaciers. For this reason, climatic changes, and thus changes in glacier mass balance and glacier discharge are of high impact for the whole region. In this study, a conceptual hydrological model able to incorporate discharge from debris-covered glacier areas is presented. To simulate glacier melt and subsequent runoff in the past (1970/1971–1999/2000) and future (2070/2071–2099/2100), meteorological input data were generated based on ECHAM5/MPI-OM1 global climate model projections. The hydrological model HBV-LMU was calibrated by an automatic calibration algorithm using runoff and snow cover information as objective functions. Manual fine-tuning was performed to avoid unrealistic results for glacier mass balance. The simulations show that annual runoff sums will increase significantly under future climate conditions. A sensitivity analysis revealed that total runoff does not decrease until the glacier area is reduced by 43%. Ice melt is the major runoff source in the recent past, and its contribution will even increase in the coming decades. Seasonal changes reveal a trend towards enhanced melt in spring, but a change from a glacial-nival to a nival-pluvial runoff regime will not be reached until the end of this century.