The prediction of seasonal and inter-annual climate variations and their impacts on the water resources in the eastern seaboard of Thailand

The research of this thesis dissertation covers developments and applications of short-and long-term climate predictions. The short-term prediction emphasizes monthly and seasonal climate, i.e. forecasting from up to the next month over a season to up to a year or so. The long-term predictions pertain to the analysis of inter-annual- and decadal climate variations over the whole 21st century. These two climate prediction methods are validated and applied in the study area, namely, Khlong Yai (KY) water basin located in the eastern seaboard of Thailand which is a major industrial zone of the country and which has been suffering from severe drought and water shortage in recent years. Since water resources are essential for the further industrial development in this region, a thorough analysis of the potential climate change with its subsequent impact on the water supply in the area is at the heart of this thesis research. The short-term forecast of the next-season climate, such as temperatures and rainfall, offers a potential general guideline for water management and reservoir operation. To that avail, statistical models based on autoregressive techniques, i.e., AR-, ARIMA- and ARIMAex-, which includes additional external regressors, and multiple linear regression- (MLR) models, are developed and applied in the study region. Teleconnections between ocean states and the local climate are investigated and used as extra external predictors in the ARIMAex- and the MLR-model and shown to enhance the accuracy of the short-term predictions significantly. However, as the ocean state – local climate teleconnective relationships provide only a one- to four-month ahead lead time, the ocean state indices can support only a one-season-ahead forecast. Hence, GCM- climate predictors are also suggested as an additional predictor-set for a more reliable and somewhat longer short-term forecast. For the preparation of “pre-warning” information for up-coming possible future climate change with potential adverse hydrological impacts in the study region, the long-term climate prediction methodology is applied. The latter is based on the downscaling of climate predictions from several single- and multi-domain GCMs, using the two well-known downscaling methods SDSM and LARS-WG and a newly developed MLR-downscaling technique that allows the incorporation of a multitude of monthly or daily climate predictors from one- or several (multi-domain) parent GCMs. The numerous downscaling experiments indicate that the MLR- method is more accurate than SDSM and LARS-WG in predicting the recent past 20th-century (1971-2000) long-term monthly climate in the region. The MLR-model is, consequently, then employed to downscale 21st-century GCM- climate predictions under SRES-scenarios A1B, A2 and B1. However, since the hydrological watershed model requires daily-scale climate input data, a new stochastic daily climate generator is developed to rescale monthly observed or predicted climate series to daily series, while adhering to the statistical and geospatial distributional attributes of observed (past) daily climate series in the calibration phase. Employing this daily climate generator, 30 realizations of future daily climate series from downscaled monthly GCM-climate predictor sets are produced and used as input in the SWAT- distributed watershed model, to simulate future streamflow and other hydrological water budget components in the study region in a multi-realization manner. In addition to a general examination of the future changes of the hydrological regime in the KY-basin, potential future changes of the water budgets of three main reservoirs in the basin are analysed, as these are a major source of water supply in the study region. The results of the long-term 21st-century downscaled climate predictions provide evidence that, compared with the past 20th-reference period, the future climate in the study area will be more extreme, particularly, for SRES A1B. Thus, the temperatures will be higher and exhibit larger fluctuations. Although the future intensity of the rainfall is nearly constant, its spatial distribution across the region is partially changing. There is further evidence that the sequential rainfall occurrence will be decreased, so that short periods of high intensities will be followed by longer dry spells. This change in the sequential rainfall pattern will also lead to seasonal reductions of the streamflow and seasonal changes (decreases) of the water storage in the reservoirs. In any case, these predicted future climate changes with their hydrological impacts should encourage water planner and policy makers to develop adaptation strategies to properly handle the future water supply in this area, following the guidelines suggested in this study.

Comprehensive evaluation of the WaterGAP3 model across climatic, physiographic, and anthropogenic gradients

In den letzten Jahrzehnten haben sich makroskalige hydrologische Modelle als wichtige Werkzeuge etabliert um den Zustand der globalen erneuerbaren Süßwasserressourcen flächendeckend bewerten können. Sie werden heutzutage eingesetzt um eine große Bandbreite wissenschaftlicher Fragestellungen zu beantworten, insbesondere hinsichtlich der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf das natürliche Abflussregime oder der Auswirkungen des globalen Wandels und Klimawandels auf die Ressource Wasser. Diese Auswirkungen lassen sich durch verschiedenste wasserbezogene Kenngrößen abschätzen, wie z.B. erneuerbare (Grund-)Wasserressourcen, Hochwasserrisiko, Dürren, Wasserstress und Wasserknappheit. Die Weiterentwicklung makroskaliger hydrologischer Modelle wurde insbesondere durch stetig steigende Rechenkapazitäten begünstigt, aber auch durch die zunehmende Verfügbarkeit von Fernerkundungsdaten und abgeleiteten Datenprodukten, die genutzt werden können, um die Modelle anzutreiben und zu verbessern. Wie alle makro- bis globalskaligen Modellierungsansätze unterliegen makroskalige hydrologische Simulationen erheblichen Unsicherheiten, die (i) auf räumliche Eingabedatensätze, wie z.B. meteorologische Größen oder Landoberflächenparameter, und (ii) im Besonderen auf die (oftmals) vereinfachte Abbildung physikalischer Prozesse im Modell zurückzuführen sind. Angesichts dieser Unsicherheiten ist es unabdingbar, die tatsächliche Anwendbarkeit und Prognosefähigkeit der Modelle unter diversen klimatischen und physiographischen Bedingungen zu überprüfen. Bisher wurden die meisten Evaluierungsstudien jedoch lediglich in wenigen, großen Flusseinzugsgebieten durchgeführt oder fokussierten auf kontinentalen Wasserflüssen. Dies steht im Kontrast zu vielen Anwendungsstudien, deren Analysen und Aussagen auf simulierten Zustandsgrößen und Flüssen in deutlich feinerer räumlicher Auflösung (Gridzelle) basieren. Den Kern der Dissertation bildet eine umfangreiche Evaluierung der generellen Anwendbarkeit des globalen hydrologischen Modells WaterGAP3 für die Simulation von monatlichen Abflussregimen und Niedrig- und Hochwasserabflüssen auf Basis von mehr als 2400 Durchflussmessreihen für den Zeitraum 1958-2010. Die betrachteten Flusseinzugsgebiete repräsentieren ein breites Spektrum klimatischer und physiographischer Bedingungen, die Einzugsgebietsgröße reicht von 3000 bis zu mehreren Millionen Quadratkilometern. Die Modellevaluierung hat dabei zwei Zielsetzungen: Erstens soll die erzielte Modellgüte als Bezugswert dienen gegen den jegliche weiteren Modellverbesserungen verglichen werden können. Zweitens soll eine Methode zur diagnostischen Modellevaluierung entwickelt und getestet werden, die eindeutige Ansatzpunkte zur Modellverbesserung aufzeigen soll, falls die Modellgüte unzureichend ist. Hierzu werden komplementäre Modellgütemaße mit neun Gebietsparametern verknüpft, welche die klimatischen und physiographischen Bedingungen sowie den Grad anthropogener Beeinflussung in den einzelnen Einzugsgebieten quantifizieren. WaterGAP3 erzielt eine mittlere bis hohe Modellgüte für die Simulation von sowohl monatlichen Abflussregimen als auch Niedrig- und Hochwasserabflüssen, jedoch sind für alle betrachteten Modellgütemaße deutliche räumliche Muster erkennbar. Von den neun betrachteten Gebietseigenschaften weisen insbesondere der Ariditätsgrad und die mittlere Gebietsneigung einen starken Einfluss auf die Modellgüte auf. Das Modell tendiert zur Überschätzung des jährlichen Abflussvolumens mit steigender Aridität. Dieses Verhalten ist charakteristisch für makroskalige hydrologische Modelle und ist auf die unzureichende Abbildung von Prozessen der Abflussbildung und –konzentration in wasserlimitierten Gebieten zurückzuführen. In steilen Einzugsgebieten wird eine geringe Modellgüte hinsichtlich der Abbildung von monatlicher Abflussvariabilität und zeitlicher Dynamik festgestellt, die sich auch in der Güte der Niedrig- und Hochwassersimulation widerspiegelt. Diese Beobachtung weist auf notwendige Modellverbesserungen in Bezug auf (i) die Aufteilung des Gesamtabflusses in schnelle und verzögerte Abflusskomponente und (ii) die Berechnung der Fließgeschwindigkeit im Gerinne hin. Die im Rahmen der Dissertation entwickelte Methode zur diagnostischen Modellevaluierung durch Verknüpfung von komplementären Modellgütemaßen und Einzugsgebietseigenschaften wurde exemplarisch am Beispiel des WaterGAP3 Modells erprobt. Die Methode hat sich als effizientes Werkzeug erwiesen, um räumliche Muster in der Modellgüte zu erklären und Defizite in der Modellstruktur zu identifizieren. Die entwickelte Methode ist generell für jedes hydrologische Modell anwendbar. Sie ist jedoch insbesondere für makroskalige Modelle und multi-basin Studien relevant, da sie das Fehlen von feldspezifischen Kenntnissen und gezielten Messkampagnen, auf die üblicherweise in der Einzugsgebietsmodellierung zurückgegriffen wird, teilweise ausgleichen kann.

Aspekte des Prozesses der N-Freisetzung aus Humus-Vorratsabbau

In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen von Umweltveränderungen in einem N-gesättigten Buchenwaldökosystem über Basalt (Braunerde) untersucht. Unter veränderten Umweltbedingungen sind hier vor allem Bestandesdachauflösung, immissions- oder waldbaulich bedingt, und Klimaveränderung zu verstehen, die eine Erwärmung des Oberbodens zur Folge haben. Die Änderungen der Umweltbedingungen werden in diesem Versuchsansatz durch einen waldbaulichen Eingriff simuliert, durch den eine Bestandeslücke entsteht, die in einer Erwärmung des Bodens resultieren und damit den Wasser- und Elementhaushalt insgesamt beeinflussen. Es wird deutlich, dass die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Flächen als N-gesättigt bezeichnet werden können, da die N-Verluste aus dem System die Größe der Einträge überschreiten. In der Folge ist es zu einer Entkopplung des Stoffhaushalts und damit zu erhöhter N-Mobilisierung gekommen. Diese konnte vor allem im hydrologischen Jahr 1996 dokumentiert werden; der Überschuss-N-Output liegt auf der Auflichtungsfläche bei bis zu 50 kg N/(ha*a)! Die beobachteten hohen N-Austräge erfolgten trotz eines ebenfalls beobachteten Anwachsens des mikrobiellen Stickstoff-Pools und des Aufwachsens einer krautigen und strauchigen Vegetation auf der Auflichtungsfläche. Im Jahresgang konnten auf der Auflichtungsfläche in 0 - 30 cm Bodentiefe maximale Änderungen im Nmic-Vorrat von 130 kg N/(ha*a) beobachtet werden. Das im Frühjahr beginnende quantitative Anwachsen des mikrobiellen Stickstoff-Pools mit dem Jahresgang zeigt vor allem dessen Temperaturabhängigkeit auf. Die am Ende der Vegetationsperiode deutlich ansteigenden Austragsraten zeigen jedoch an, dass der freigesetzte Stickstoff auch von den Mikroorganismen nicht dauerhaft im System gehalten werden kann, da mit fallender Temperatur auch die Mikroorganismen absterben und der in ihrer Biomasse gespeicherte Stickstoff freigesetzt wird. Aufwachsende Vegetation auf der Auflichtungsfläche konnte einen Großteil des Netto-Stickstoff-Jahreseintrages aufnehmen. Da die "Netto-Jahres-Mineralisation" 1996 leicht über der Wurzelaufnahme liegt, verbleibt ein Rest, der nicht von der aufwachsenden krautigen Vegetation der Auflichtungsfläche aufgenommen werden kann. Ergebnis ist damit, dass die auf Lochhieben aufwachsende krautige und strauchige Vegetation eine temperaturbedingte Stickstoffmobilisierung nur teilweise kompensieren kann. Allein aufwachsende verholzende Vegetation kann Stickstoff langfristig im System binden.

Throughfall and soil properties in shaded and unshaded coffee plantations and a secondary forest: a case study from Southern Colombia

In Colombia coffee production is facing risks due to an increase in the variability and amount of rainfall, which may alter hydrological cycles and negatively influence yield quality and quantity. Shade trees in coffee plantations, however, are known to produce ecological benefits, such as intercepting rainfall and lowering its velocity, resulting in a reduced net-rainfall and higher water infiltration. In this case study, we measured throughfall and soil hydrological properties in four land use systems in Cauca, Colombia, that differed in stand structural parameters: shaded coffee, unshaded coffee, secondary forest and pasture. We found that throughfall was rather influenced by stand structural characteristics than by rainfall intensity. Lower throughfall was recorded in the shaded coffee compared to the other systems when rain gauges were placed at a distance of 1.0 m to the shade tree. The variability of throughfall was high in the shaded coffee, which was due to different canopy characteristics and irregular arrangements of shade tree species. Shaded coffee and secondary forest resembled each other in soil structural parameters, with an increase in saturated hydraulic conductivity and microporosity, whereas bulk density and macroporosity decreased, compared to the unshaded coffee and pasture. In this context tree-covered systems indicate a stronger resilience towards changing rainfall patterns, especially in mountainous areas where coffee is cultivated.

Untersuchungen zum Gesundheitsstatus und zu betrieblichen Maßnahmen der Gesundheitsvorsorge in der ökologischen Schweinehaltung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde mittels einer umfassenden und von einer Projektgruppe begleiteten Literaturanalyse sowie anhand von Praxiserhebungen der Frage nachgegangen, wie es um die Tiergesundheit in der ökologischen Schweinehaltung bestellt ist. Ferner wurde untersucht, ob die ökologischen Rahmenrichtlinien (EWG-VO 2092/91) ein Hemmnis für die Sicherstellung eines hohen Gesundheitsstatus der Nutztiere darstellen. Die Literaturauswertung ergab, dass die Erkrankungsraten sowohl auf ökologisch wie auf konventionell geführten Betrieben ein hohes Niveau aufwiesen. Die Ursachen wurden vorrangig in einem unzureichenden betrieblichen Management gesehen, während den EG-Rahmenrichtlinien in der Regel keine maßgebliche Bedeutung für den Gesundheitsstatus beigemessen wurde. In Praxiserhebungen wurde die Status-quo-Situation zur Tiergesundheit auf sechs ökologisch wirt- schaftenden Schweinemastbetrieben erfasst. Ferner wurde untersucht, inwieweit eine Verbesserung des Gesundheitsstatus auf den Betrieben mit einem Mehraufwand an Arbeitszeit und Investitionen verbunden ist. Hierzu wurden die Bereiche Haltung, Fütterung und Hygienemanagement mittels einer Schwachstellenanalyse (Hazard Analysis Critical Control Points-Konzept) beurteilt. Der Zeit- bedarf für Maßnahmen zur Gesundheitsvorsorge wurde durch Arbeitszeitaufzeichnungen erfasst. Die Untersuchungen zeigten, dass auf den Betrieben zum Teil erhebliche Mängel im Hygiene- management bestanden. Anhand von Schlachtkörperbefunden wurde eine hohe Rate pathologischer Leberveränderungen, verursacht durch Larven des Schweinespulwurms Ascaris suum, diagnosti- ziert. Insgesamt wiesen die Schlachtkörper der Tiere von den sechs Betrieben mit durchschnittlich 48,8 % sowie die Schlachtkörper von ökologischen Vergleichsbetrieben mit 63,9 % signifikant höhere Befundraten auf als die Schlachtkörper konventioneller Vergleichsbetriebe (17,4 %). Der Arbeitszeitbedarf für die Mastschweinehaltung auf den sechs Betrieben variierte zwischen 2,0 und 3,7 Arbeitskraftstunden pro Mastplatz und Jahr und lag damit deutlich höher als vergleichbare Literaturdaten. Zwischen den Betrieben traten hohe Unterschiede hinsichtlich der zeitlichen Aufwendungen für Hygiene- und Tiergesundheitsmaßnahmen auf. Während der Interventionsphase wurden das Entwurmungs- und das Hygieneregime der sechs Betriebe optimiert. Die Buchten wurden ordnungsgemäß gereinigt und desinfiziert und der erforderliche Arbeitszeitaufwand quantifiziert. Dieser lag zusammen mit den zusätzlichen Kosten um ca. 46 % höher als der betrieblich übliche Arbeitszeitaufwand. Betriebe mit neu konzipierten Ställen und glatten Buchtenböden und -wänden konnten diese mit vergleichsweise geringem Arbeitsaufwand reinigen und desinfizieren. In einigen Altgebäuden hingegen war aufgrund rauer und schadhafter Oberflächen eine ordnungsgemäße Reinigung und Desinfektion nur bedingt durchzuführen. Die Rate der Leberveränderungen am Schlachthof konnte von durchschnittlich 48,9 % auf 32,7 % gesenkt werden. Während sich die Befundraten auf einigen Betrieben signifikant verbesserten, trat bei der Nutzung von unrenovierten Ställen in Altgebäuden keine Besserung ein. Es wird geschlussfolgert, dass die Rahmenbedingungen der EG-Verordnung einem hohen Tiergesundheitsstatus nicht entgegen stehen, in der Regel jedoch mit einem erhöhten Aufwand für Hygienemaßnahmen verbunden sind. Voraussetzung für eine geringe Parasitenbelastung sind ein konsequent umgesetztes Hygiene- und Entwurmungsregime sowie gut zu reinigende Buchten. Letzteres ist allerdings bei der Nutzung von Altgebäuden nicht immer gegeben.