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.

Analyzing Gene Centres with the Help of the Checklist Method – the Case of Syria

The present survey of species diversity of cultivated plants is the first for Syria. Some cultivated species will be added in the future, because due to the civil war in Syria, it was not possible to visit the country in the frame of the present work, as initially planned. Checklists proved to be a useful tool for overviewing the cultivated plants of selected areas and allow a characterization of the state of plant genetic resources of Syria. Syria has experienced several civilizations. Man settled in this productive land since ancient times and used its resources. However, such use has led to changes in vegetation and decline of wildlife through the country, in seashore areas, interior, mountains, and grassland. Plant domestication and growing started more than 10,000 years ago in West Asia. Since then, plentiful of economic plant species were present and used by man and his domesticated animals. Forming a part of the Fertile Crescent, where many of the world’s agricultural plants have evolved, Syria is extremely rich in agrobiodiversity. Wild progenitors of wheat and barley and wild relatives of many fruit trees such as almonds and pistachio as well as forage species are still found in marginal lands and less disturbed areas. These are threatened by a wide range of human activities, notably modern, extensive agriculture, overgrazing, overcutting and urban expansion. Syria is also considered as part of one of the main centres of origin, according to Vavilov, who had collected in Syria in 1926. The first expeditions to crop fields showed the exclusive nature of cultivated plants in Syria with a high number of endemic forms. Furthermore, Syria is a part of a biodiversity hotspot. Several studies have been performed to study agrobiodiversity in different parts of Syria, but usually on wild species. Many collections have been carried out; however, they focussed preferably on cereals and pulses, and particularly on wheat, like Vavilov’s expedition. Only 30 crops make up the major part of the conserved Syrian crop plant material in the genebank, indicating that most of the remaining 7,000 species of cultivated plants and many other valuable genetic resources species have only been included on a limited scale in the genebank collections. Although a small country (185,180 km2), Syria accommodates numerous ecosystems that allow for a large diversity of plant genetic resources for agriculture ranging from cold-requiring to subtropical crops to live and thrive. Only few references are available in this respect. The aim of the present study was to complete a checklist of Syria’s cultivated plants of agriculture and horticulture excluding plants only grown as ornamental or for forestry. Furthermore, plants taken for reforestation have not been included, if they do not have also agricultural or horticultural uses. Therefore, the inclusion of plants into the checklist follows the same principles as “Mansfeld’s Encyclopedia”. Main sources of information were published literature, floras of Syria, Lebanon and the Mediterranean, as well as Syrian printed sources in Arabic and/or English, reports from FAO on agricultural statistics in Syria, and data from ICARDA and Bioversity International. In addition, personal observations gathered during professional work in the General Commission for Scientific Agricultural Research (GCSAR) in Syria (since 1989) and participation in projects were taken into account. These were: (1) A project on “Conservation and Sustainable Use of Dry Land Agrobiodiversity in the Near East” with participation of Jordan, Lebanon, Syria, and the Palestinian Authority, focussing on landraces and wild relatives of barley, wheat, lentil, alliums, feed legumes, and fruit trees (1999–2005). (2) A project for vegetable landraces (1993–1995) in collaboration with the former International Plant Genetic Resources Institute and the UN Development Programme, in which 380 local vegetable accessions were evaluated. For medicinal plants and fruit trees I was in personal contact with departments of GCSAR and the Ministry of Agriculture and Agrarian Reform, as well as with private organizations. The resulting checklist was compared with the catalogues of crop plants of Italy and a checklist of cultivated plants of Iraq. The cultivated plant species are presented in alphabetical order according to their accepted scientific names. Each entry consists of a nomenclatural part, folk names, details of plant uses, the distribution in Syria (by provinces), a textual description, and references to literature. In total, 262 species belonging to 146 genera and 57 families were identified. Within-species (intraspecific) diversity is a significant measure of the biodiversity. Intraspecific diversity for wild plants has been and remains to be well studied, but for crop plants there are only few results. Mansfeld’s method is an actual logical contribution to such studies. Among the families, the following have the highest number of crop species: Leguminosae (34 spp.), Rosaceae (24), Gramineae (18), Labiatae (18), Compositae (14), Cruciferae (14), Cucurbitaceae (11), Rutaceae (10), Malvaceae (9), Alliaceae (7), and Anacardiaceae (7). The establishment of an effective programme for the maintenance of plant genetic resources in Syria started in the mid-1970s. This programme considered ex situ and in situ collection of the genetic resources of various field crops, fruit trees and vegetables. From a plant genetic resources viewpoint, it is clear that the homegarden is an important location for the cultivation of so-called neglected and underutilized species (neglected from a research side and underutilized from a larger economic side). Such species have so far not received much care from ecologists, botanists and agronomists, and they are considerably under-represented in genebanks.