Die Bodenfeuchte stellt eine essenzielle Variable für den Energie-, Feuchte- und Stoffaustausch zwischen Landoberfläche und Atmosphäre dar. Ihre Auswirkungen auf Temperatur und Niederschlag sind vielfältig und komplex. Die in Klimamodellen verwendeten Schemata zur Simulation der Bodenfeuchte, auch bodenhydrologische Schemata genannt, sind aufgrund des Ursprungs der Klimamodelle aus Wettermodellen jedoch häufig sehr stark vereinfacht dargestellt. Bei Klimamodellen, die Simulationen mit einer groben Auflösung von mehreren Zehner- oder Hunderterkilometern rechnen, können viele Prozesse vernachlässigt werden. Da die Auflösung der Klimamodelle jedoch stetig steigt und mittlerweile beim koordinierten Projekt regionaler Klimamodelle CORDEX-CORE standardmäßig bei 0.22° Kantenlänge liegt, müssen auch höher aufgelöste Daten und mehr Prozesse simuliert werden. Dies gilt erst recht mit Blick auf konvektionsauflösende Simulationen mit wenigen Kilometern Kantenlänge. Mit steigenden Modellauflösungen steigt zugleich die Komplexität 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, hochaufgelöste Klimainformationen für den bayerischen Regierungsbezirk Unterfranken für Akteure aus der Land- und Forstwirtschaft sowie dem Weinbau zur Verfügung 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 Abhängigkeit vom Boden und der Bodenfeuchte über die Wasserrückhaltekurve bestimmt wird. Für diese Kurve existieren verschiedene Parametrisierungen, von denen die Ansätze 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 beschränkt ist, die Möglichkeit, dass Wasser auch unterhalb der Wurzeln zur Verfügung stehen kann und somit die absolute im Boden verfügbare Wassermenge zunimmt. Die Schichtung erlaubt darüber hinaus die Verdunstung aus unbewachsenem Boden lediglich auf Basis des in der obersten Schicht verfügbaren Wassers. Ein weiterer Prozess, der dank der Schichtung und der weiter unten erläuterten Datensätze neu parametrisiert werden kann, ist die Infiltration. Für die Verwendung des Schemas sind Informationen über bodenhydrologische Parameter, die Wurzeltiefe und die Tiefe bis zum anstehenden Gestein erforderlich. Entsprechende Datensätze müssen hierfür aufbereitet und in das Modell eingebaut werden. Bezüglich der Wurzeltiefe wurden drei sich bezüglich der Tiefe, der Definition und der verfügbaren Auflösung stark voneinander unterscheidende Datensätze verglichen. Letztendlich wird die Wurzeltiefe aus dem mit einer anderen REMO-Version gekoppelten Vegetationsmodul iMOVE verwendet, da zukünftig eine Kopplung dieses Moduls mit dem mehrschichtigen Boden geplant ist und die Wurzeltiefen damit konsistent sind. Zudem ist die zugrundeliegende Auflösung der Daten hoch und es werden maximale Wurzeltiefen berücksichtigt, die besonders wichtig für die Simulation von Landoberfläche-Atmosphäre-Interaktionen sind. Diese Vorteile brachten die anderen Datensätze nicht mit. In der finalen Modellversion werden für die Tiefe bis zum anstehenden Gestein und die Korngrößenverteilungen die Daten von SoilGrids verwendet. Ein Vergleich mit anderen Bodendatensätzen fand in einer parallel laufenden Dissertation statt (Ziegler 2022). Bei SoilGrids ist hervorzuheben, dass die Korngrößenverteilungen in einer hohen räumlichen Auflösung (1 km^2 oder höher) und mit mehreren vertikalen Schichten vorliegen. Gegenüber dem ursprünglich in REMO verwendeten Datensatz mit einer Kantenlänge von 0.5° und ohne vertikale Differenzierung ist dies eine starke Verbesserung der Eingangsdaten. Dazu kommt, dass die Korngrößenverteilungen die Verwendung kontinuierlicher Pedotransferfunktionen statt fünf diskreter Texturklassen, denen für die bodenhydrologischen Parameter fixe Tabellenwerte zugewiesen werden, ermöglichen. Dies führt zu einer deutlich besseren Differenzierung des heterogenen Bodens. Im Rahmen der Arbeit wurden insgesamt 19 Simulationen für Europa und ein erweitertes Deutschlandgebiet mit Auflösungen von 0.44° beziehungsweise 0.11° für den Zeitraum 2000 bis 2018 gerechnet. Dabei zeigte sich, dass die Einführung des mehrschichtigen Bodenschemas gegenüber dem einschichtigen Schema zu einer Verringerung der Bodenfeuchte in der Wurzeltiefe führt. Nichtsdestotrotz nimmt die absolute Wassermenge des Bodens durch die Berücksichtigung des Bodens unterhalb der Wurzelzone zu. Bezogen auf die einzelnen Schichten wird die Bodenfeuchte damit zwar unterschätzt, im Laufe der Modellentwicklung kann jedoch eine Verbesserung im Vergleich zu ERA5 erzielt werden. Das neue Schema führt zu einer Verringerung der Evapotranspiration, die über alle Schritte der Modellentwicklung und besonders während der Sommermonate auftritt. Im Vergleich zu Validationsdaten von ERA5 und GLEAM zeigt sich, dass dies eine Verbesserung dieser Größe bedeutet, die sowohl in der Fläche als auch beim Fehler und in der Verteilung auftritt. Gleiches lässt sich für den Oberflächenabfluss sagen. Hierfür implementierte Schemata (Philip, Green-Ampt), die anders als das standardmäßig verwendete Improved-Arno-Schema bodenhydrologische Parameter berücksichtigen, konnten eine weitere Verbesserung im Flachland zeigen. In Gebirgsregionen nahm der Fehler durch die nicht enthaltene Berücksichtigung der Hangneigung jedoch zu, sodass in der finalen Modellversion auf das Improved-Arno-Schema zurückgegriffen wurde. Die Temperatur steigt durch die ursprüngliche Version des mehrschichtigen Schemas zunächst an, was zu einer Über- statt der vorherigen Unterschätzung gegenüber E-OBS führt. Die Modellentwicklung resultiert zwar in einer Reduzierung der Temperatur, jedoch fällt diese zu stark aus, sodass der Temperaturfehler letztendlich größer als in der einschichtigen Modellversion ist. Da die Evapotranspiration jedoch maßgeblich verbessert wurde, kann dieser Fehler eventuell auf ein übermäßiges Tuning der Temperatur zurückgeführt werden. Die Betrachtung von Hitzeereignissen am Beispiel der Sommer 2003 und 2018 hat gezeigt, dass die Modellentwicklung dazu beiträgt, diese Ereignisse besser als das einschichtige Schema zu simulieren. Zwar trifft dies nicht auf das räumliche Verhalten der mittleren Temperatur zu, jedoch auf deren zeitlichen Verlauf. Hinzu kommt die bessere Simulation der täglichen Extrem- und besonders der Minimaltemperatur, was zu einer Erhöhung der täglichen Temperaturspanne führt. Diese wird von Klimamodellen in der Regel zu stark unterschätzt. Durch die Berücksichtigung der vertikalen Wasserflüsse hat sich jedoch auch gezeigt, dass noch enormes Entwicklungspotenzial mit Blick auf (boden)hydrologische Prozesse besteht. Dies gilt in besonderem Maße für zukünftige Simulationen mit konvektionserlaubender Auflösung. So sollten subskalige Informationen des Bodens und der Orographie berücksichtigt werden. Dies dient einerseits der Repräsentation vorliegender Heterogenitäten 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 Oberflächenabfluss abnimmt und das Wasser dem Modell in der Folge nicht weiter zur Verfügung steht, sollte zukünftig auch Grundwasser im Modell berücksichtigt 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 hochauflösenden Simulationen relevanten Prozesse angemessen repräsentieren zu können. Hierfür 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 Oberflächenabfluss deutlich besser modelliert werden können als mit dem einschichtigen Schema. Dies gilt auch für die Extremtemperaturen. Beides ist klar auf die Schichtung des Bodens und damit einhergehender Prozesse zurückzuführen. Bezüglich der Daten zeigt sich, dass die Wurzeltiefe, die Berücksichtigung von SoilGrids und die vertikale Bodeninformation für die weitere Optimierung verantwortlich sind. Darüber hinaus ist der höhere Informationsgehalt, der anhand der geschichteten Bodenfeuchte zur Verfügung steht, ebenfalls als Mehrwert einzustufen.

Im Zuge der Aufbereitung von Kalirohsalzen fallen weltweit feste Rückstände an, die auf Großhalden entsorgt werden. Die Aufhaldung und die von den Rückstandshalden ausgehenden Umweltauswirkungen unterliegen in Deutschland der Kontrolle durch die zuständigen Bergbehörden. Um die Emissionen besser quantifizieren zu können und die Eignung technischer Minderungsmaßnahmen zu beurteilen, erfolgte im Rahmen der Genehmigungsverfahren zur Erweiterung der Rückstandshalden an den Standorten Hattorf und Wintershall die Erkundung des Haldenkörpers durch Bohrungen mit Fokus auf die darin ablaufenden Strömungsprozesse. Eine Modellvorstellung zur Zonierung der Halde im Hinblick auf Strömungsprozesse war zunächst anhand von Haldenbohrungen am Standort Hattorf entwickelt worden. Das Ziel dieser Arbeit war, mittels der Bohrergebnisse einer weiteren Haldenbohrung am Standort Wintershall die Übertragbarkeit der zuvor in Hattorf gefundenen Gegebenheiten zu überprüfen und den Kenntnisstand zu Strömungs- 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 Haldenlösungen wurde ein umfangreiches Laboruntersuchungsprogramm ausgeführt, das chemische und mineralogische Analysen sowie Untersuchungen der physikalischen und hydraulischen Eigenschaften des Rückstands umfasste. Zusätzlich wurden ergänzende Gefügeuntersuchungen (Dünnschliffuntersuchungen am Rasterelektronen-Mikroskop und exemplarische CT-Untersuchungen) an Probenmaterial der Halde Hattorf durchgeführt, um mittels visueller Untersuchungen insbesondere die Rolle überschütteter ehemaliger Haldenoberflächen für das Strömungsgeschehen im Haldenkörper zu erkunden. Unter Berücksichtigung aller Ergebnisse wurden die Strömungs- und Alterationsprozesse im Rückstand beschrieben. Die maßgebliche Erkenntnis im Hinblick auf das Strömungsgeschehen im Haldenkörper ist, dass in dessen Porenraum keine Sättigung besteht und dieser in allen Bereichen mit einem Gemisch aus Lösung und Luft gefüllt ist, so dass die Gesetzmäßigkeiten der Zweiphasenströmung maßgeblich sind. Die bislang zur Bewertung von Strömungsprozessen üblichen Durchlässigkeitsbeiwerte sind damit ungeeignet, da sie für gesättigte Bereiche gelten. Übereinstimmend wurde mit einer Reihe von Ergebnissen belegt, dass die Strömungsprozesse im Haldenkörper an bevorzugte Wegsamkeiten gebunden sind, bei denen es sich ausweislich der Gefügeuntersuchungen um ein System miteinander verbundenen Sekundärporen handelt. Der Rückstand 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 für die Strömungsprozesse maßgebliche Haldenmantelzone, eine gering durchlässige Kernzone und eine dazwischen befindliche Übergangszone mit gradueller Änderung der Eigenschaften unterteilt, grundsätzlich auch auf den Standort Wintershall übertragbar ist. Das Modell des Haldenkörpers wurde weiter detailliert und zusätzliche Kriterien zur Verortung der einzelnen Zonen im Haldenkörper abgeleitet. Insbesondere wurde im Haldenmantelbereich eine charakteristische Randzone ausgehalten, welche im Ergebnis einer intensiven Durchströmung mit un- bzw. teilgesättigten Lösungen selektiv an Wertstoff-Restgehalten abgereichert ist. Sie 2 wird von den unterlagernden reaktiven Zonen durch die Lösungsfronten für Kalium und Magnesium abgegrenzt. Aufbauend auf der erweiterten Modellvorstellung wurde die Zonierung für die Haldenbohrung am Standort Wintershall abgeleitet. Besonderes Augenmerk galt im Rahmen aller Untersuchungen der Wirkung von überschütteten ehemaligen Haldenoberflächen, die als Schüttflächen bezeichnet werden. Es zeigte sich anhand der Untersuchungen, dass die Relevanz von Schüttflächen für das Strömungsgeschehen abhängig von der Schütthistorie ist, und dass diese, selbst wenn sie aktiv am Strömungsgeschehen teilnehmen, die Gegebenheiten im Haldenkörper nur lokal überprägen. Das Ziel der Aufstellung eines Modells zu Strömungsprozessen im Haldenkörper besteht in der Beurteilung der von diesen Halden ausgehenden Umweltauswirkungen. Darüber hinaus dienen die Erkenntnisse der Einschätzung der Wirksamkeit der bereits ergriffenen bzw. noch zu ergreifenden Schutz- und Emissionsminderungsmaßnahmen sowie der Planung zukünftiger Maßnahmen zur Wiedernutzbarmachung der Tagesoberfläche und zur Erstellung von Prognosen. In diesem Sinne wurden aus den Ergebnissen der Arbeit abschließend Empfehlungen für technische Konzepte und den Haldenbetrieb abgeleitet.

This study investigates circulation types (CTs) in Africa, south of the equator, that are related to wet and dry conditions in the Western Cape, the statistical relationship between the selected CTs and the Southern Annular Mode (SAM), and changes in the frequency of occurrence of the CTs related to the SAM under the ssp585 scenario. Obliquely rotated principal component analysis applied to sea level pressure (SLP) was used to classify CTs in Africa, south of the equator. Three CTs were found to have a high probability of being associated with wet days in the Western Cape, and four CTs were equally found to have a high probability of being associated with dry days in the Western Cape. Generally, the dry/wet CTs feature the southward/northward track of the mid-latitude cyclone, adjacent to South Africa; anti-cyclonic/cyclonic relative vorticity, and poleward/equatorward track of westerlies, south of South Africa. One of the selected wet CTs was significantly related to variations of the SAM. Years with an above-average SAM index correlated with the below-average frequency of occurrences of the wet CT. The results suggest that through the dynamics of the CT, the SAM might control the rainfall variability of the Western Cape. Under the ssp585 scenario, the analyzed climate models indicated a possible decrease in the frequency of occurrence of the aforementioned wet CT associated with cyclonic activity in the mid-latitudes, and an increase in the frequency of the occurrence of CT associated with enhanced SLP at mid-latitudes.

Climate change and associated Arctic amplification cause a degradation of permafrost which in turn has major implications for the environment. The potential turnover of frozen ground from a carbon sink to a carbon source, eroding coastlines, landslides, amplified surface deformation and endangerment of human infrastructure are some of the consequences connected with thawing permafrost. Satellite remote sensing is hereby a powerful tool to identify and monitor these features and processes on a spatially explicit, cheap, operational, long-term basis and up to circum-Arctic scale. By filtering after a selection of relevant keywords, a total of 325 articles from 30 international journals published during the last two decades were analyzed based on study location, spatio- temporal resolution of applied remote sensing data, platform, sensor combination and studied environmental focus for a comprehensive overview of past achievements, current efforts, together with future challenges and opportunities. The temporal development of publication frequency, utilized platforms/sensors and the addressed environmental topic is thereby highlighted. The total number of publications more than doubled since 2015. Distinct geographical study hot spots were revealed, while at the same time large portions of the continuous permafrost zone are still only sparsely covered by satellite remote sensing investigations. Moreover, studies related to Arctic greenhouse gas emissions in the context of permafrost degradation appear heavily underrepresented. New tools (e.g., Google Earth Engine (GEE)), methodologies (e.g., deep learning or data fusion etc.)and satellite data (e.g., the Methane Remote Sensing LiDAR Mission (Merlin) and the Sentinel-fleet)will thereby enable future studies to further investigate the distribution of permafrost, its thermal state and its implications on the environment such as thermokarst features and greenhouse gas emission rates on increasingly larger spatial and temporal scales.

Inadequate land management and agricultural activities have largely resulted in land degradation in Burkina Faso. The nationwide governmental and institutional driven implementation and adoption of soil and water conservation measures (SWCM) since the early 1960s, however, is expected to successively slow down the degradation process and to increase the agricultural output. Even though relevant measures have been taken, only a few studies have been conducted to quantify their effect, for instance, on soil erosion and environmental restoration. In addition, a comprehensive summary of initiatives, implementation strategies, and eventually region-specific requirements for adopting different SWCM is missing. The present study therefore aims to review the different SWCM in Burkina Faso and implementation programs, as well as to provide information on their effects on environmental restoration and agricultural productivity. This was achieved by considering over 143 studies focusing on Burkina Faso’s experience and research progress in areas of SWCM and soil erosion. SWCM in Burkina Faso have largely resulted in an increase in agricultural productivity and improvement in food security. Finally, this study aims at supporting the country’s informed decision-making for extending already existing SWCM and for deriving further implementation strategies.