Seasonal variations in the ecological impacts of compound climate events
| dc.contributor.advisor | Paton, Eva | |
| dc.contributor.author | Vogel, Johannes Joscha | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Paton, Eva | |
| dc.contributor.referee | Hinz, Christoph | |
| dc.contributor.referee | Thieken, Annegret | |
| dc.date.accepted | 2022-02-22 | |
| dc.date.accessioned | 2022-03-31T10:05:13Z | |
| dc.date.available | 2022-03-31T10:05:13Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.description.abstract | Climate change alters the relationship between climate regimes and ecosystems in manifold ways. The interplay of multiple climatic drivers as well as the seasonal timing of extreme weather events is essential in determining the magnitude of detrimental impacts on ecosystems. Thus, this thesis analyses changes in compound hot and dry conditions in the face of climate change and investigates which combinations of temperature and water availability lead to adverse effects on ecosystems at certain stages during the course of the year. For this purpose, low states of ecosystem productivity in the Mediterranean Basin as well as crop failure in the Northern Hemisphere are attributed to their meteorological drivers. The Mediterranean Basin is a climate change hot spot with strong land-atmosphere feedbacks, where temperature increases at a faster rate than the global average, which leads to substantial changes in ecosystem composition, productivity and phenology in this region. Therefore, one focus is put on changes in the frequency of compound warm spells and droughts and the impact of temperature and soil moisture anomalies on ecosystem productivity in the Mediterranean Basin. Changes in compound warm spells and droughts over the last four decades are analysed, considering events that are extreme in both their absolute value as well as respective to the time of their seasonal occurrence. Furthermore, seasonal ecosystem vulnerability in the Mediterranean Basin is analysed. Low states of ecosystem productivity – indicated by the fraction of absorbed photosynthetically active radiation – are attributed to temperature and soil moisture anomalies during the course of the year. The results show that the number of compound warm spells and droughts in the Mediterranean has significantly increased over the last four decades. This increase is primarily driven by rising temperatures, rather than lack of precipitation. Especially the compound events with high duration and magnitude are strongly increasing, indicating the emergence of novel climatic conditions, which are exceeding the previous climatic variability. Compound events, which are extreme relative to their seasonal time of occurrence, are increasing in particular in spring and early summer. This is concerning, since this is the main growing season in the Mediterranean Basin and thus potentially harmful for agricultural and natural ecosystems. Moreover, three main vulnerability regimes of Mediterranean ecosystems are identified: a) vulnerability to hot and dry conditions in late spring to midsummer, b) vulnerability to cold and dry conditions from the end of summer to mid-autumn and c) vulnerability during cold and wet conditions from the end of autumn to mid-spring. However, there are also prominent regional differences within the Mediterranean Basin. The period of vulnerability to hot and dry conditions is particularly long in Turkey, ranging from spring to autumn. On the other hand, the Balkans are mostly energy-limited throughout the course of the year and ecosystems rarely show vulnerability to hot anomalies. A further aspect of this work addresses the drivers of declines in wheat yield in the Northern Hemisphere. Winter wheat is one of the most cultivated crops in the world and plays an essential role in human diet and food security, which highlights the importance of gaining a better understanding of environmental conditions leading to crop failure. Therefore, an automated variable selection approach to detect the most relevant meteorological drivers leading to crop failure of winter wheat in the Northern Hemisphere using 1600 years of simulated weather and crop yield data is presented. Crop failure of winter wheat in the Northern Hemisphere is often related to vapour pressure deficit during the reproductive phase. In addition, diurnal temperature range and the number of frost days in the growing season are identified as further relevant predictors. Both monthly means of common climate variables as well as climate extreme indicators play an important role in the prediction of crop failure. The methodology used in this thesis is flexible and can easily be transferred to other ecoclimatological settings with a focus on seasonality. Both satellite-derived data sets as well as data from model observations are considered in this work. The increasing maturity and long-term availability of remote sensing time series make satellite products a valuable asset for assessing the interplay of ecosystems and meteorological drivers at large spatial scales. In addition, model simulations allow to examine a large range of environmental conditions, which is crucial for the investigation of the impacts of climatic extremes and thus model data is used to complement satellite observations. The work presented here can facilitate monitoring of changes in environmental drivers and detect corresponding detrimental impacts on ecosystems, which can be useful to take measures to adapt crop choice, cropping calendars and irrigation management. | en |
| dc.description.abstract | Der Klimawandel verändert die Wechselwirkungen zwischen klimatischen Bedingungen und Ökosystemen auf vielfältigeWeise. Das Zusammenspiel mehrerer klimatischer Einflussfaktoren sowie das jahreszeitliche Auftreten von Extremwetterereignissen spielt eine wesentliche Rolle für das Ausmaß negativer Auswirkungen auf Ökosysteme. Daher untersucht diese Arbeit klimawandelbedingte Änderungen zeitgleich auftretender heißer und trockener Bedingungen und erforscht, welche Kombinationen von Temperatur und Wasserverfügbarkeit im Jahresverlauf zu nachteiligen Auswirkungen auf Ökosysteme führen. Zu diesem Zweck werden niedrige Ökosystemproduktivität im Mittelmeerraum und Ernteausfälle in der nördlichen Hemisphäre ihren meteorologischen Einflussfaktoren zugeordnet. Der Mittelmeerraum ist ein klimatischer Brennpunkt und gekennzeichnet durch starke Rückkopplungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre. Die Temperatur steigt schneller an als im globalen Durchschnitt, was grundlegende Änderungen in der Phänologie, Zusammensetzung und Produktivität der dortigen Ökosysteme zur Folge hat. Aus diesem Grund liegt ein Schwerpunkt dieses Werks auf der Untersuchung von Veränderungen in der Häufigkeit zeitgleichen Auftretens von Hitze- und Trockenphasen sowie den Auswirkungen von Temperatur- und Bodenfeuchteanomalien auf die Ökosystemproduktivität im Mittelmeergebiet. Veränderungen in der Koinzidenz von Hitze- und Trockenphasen in den letzten vier Jahrzehnten werden untersucht. Hierbei werden sowohl solche Ereignisse betrachtet, die absolut gesehen als extrem eingestuft werden, als auch Ereignisse, die relativ zu ihrem saisonalen Erscheinen im Jahresgang als extrem gelten. Darüber hinaus wird die saisonale Vulnerabilität von Ökosystemen im Mittelmeergebiet untersucht. Der Anteil der absorbierten photosynthetisch aktiven Strahlung wird als Indikator für niedrige Ökosystemproduktivität verwendet und Temperatur- und Bodenfeuchteanomalien im Jahresverlauf zugeordnet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahl der zeitgleich auftretenden Hitze- und Trockenphasen im Mittelmeerraum in den letzten vier Jahrzehnten signifikant angestiegen ist. Diese Zunahme ist in erster Linie auf steigende Temperaturen zurückzuführen und nicht auf mangelnden Niederschlag. Insbesondere bei Ereignissen mit langer Dauer und hoher Magnitude ist ein starker Anstieg zu verzeichnen. Dies deutet auf das Vorkommen neuartiger klimatische Bedingungen außerhalb der bisherigen klimatischen Variabilität hin. Ereignisse, die im Bezug zu ihrem zeitlichen Auftreten als extrem anzusehen sind, nehmen vor allem im Frühling und zu Beginn des Sommers zu, der Hauptvegetationsperiode im Mittelmeergebiet. Ein Anstieg zu dieser Jahreszeit ist daher besorgniserregend, da er ungünstige Auswirkungen auf landwirtschaftliche und natürliche Ökosysteme zur Folge haben könnte. Der Jahresgang der ökologischen Vulnerabilität ist durch drei Phasen charakterisiert: a) Vulnerabilität während heißer und trockener Bedingungen im späten Frühling bis zum Hochsommer, b) Vulnerabilität während kalter und trockener Bedingungen von Ende Sommer bis Mitte Herbst und c) Vulnerabilität während kalter und feuchter Bedingungen von Ende Herbst bis Mitte Frühling. Es gibt jedoch regionale Abweichungen von diesem Muster. Der Zeitraum der Vulnerabilität bei heißen und trockenen Bedingungen in der Türkei ist besonders lang und erstreckt sich vom Frühling bis in den Herbst. Die Balkanhalbinsel ist hingegen fast ganzjährig energielimitiert und Vulnerabilität unter heißen Bedingungen tritt kaum auf. Ein weiterer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung von Einflussfaktoren, die Ertragsminderungen der Weizenernte in der nördlichen Hemisphäre verursachen können. Winterweizen ist eine der meistangebauten Feldfrüchte weltweit und von grundlegender Bedeutsamkeit für die menschliche Ernährungssicherheit. Aus diesem Grund ist es essenziell, ein besseres Verständnis der Umweltbedingungen zu erlangen, die Ernteausfälle verursachen können. Zur Identifikation der wichtigsten meteorologischen Einflussfaktoren, die zu Missernten von Winterweizen in der nördlichen Hemisphäre führen können, wird ein automatisiertes Verfahren zur Variablenselektion auf simulierte Wetter- und Ernteertragsdaten über einen Zeitraum von 1600 Jahren angewandt. Ernteausfälle von Winterweizen in der nördlichen Hemisphäre stehen oftmals im Zusammenhang mit einem Wasserdampfsättigungsdefizit in der Luft während der generativen Wachstumsphase. Weiterhin stellen die tägliche Temperaturspanne und die Anzahl an Frosttagen innerhalb der Vegetationsperiode wichtige Prädiktoren dar. Sowohl monatliche Mittelwerte üblicher Klimavariablen als auch Indikatoren für Klimaextrema spielen eine bedeutsame Rolle für die Prognose von Missernten. Die in dieser Arbeit verwendete Methodik ist flexibel und leicht auf andere ökoklimatologische Forschungsfragen mit einem Fokus auf Saisonalität anwendbar. Es fanden sowohl satellitenbasierte als auch modellgestützte Datensätze Verwendung. Fernerkundungsdaten sind zunehmend ausgereift und mittlerweile über lange Zeiträume verfügbar, was ihren herausragenden Wert für die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Ökosystemen und meteorologischen Einflussfaktoren auf großen räumlichen Skalen unterstreicht. Modellsimulationen sind darüber hinaus von großem Nutzen, um Fernerkundungsdaten zu komplementieren. Sie ermöglichen es, eine große Spannweite von Umweltbedingungen zu untersuchen, was von hoher Bedeutung für die Beobachtung der Auswirkungen von klimatischen Extrema ist. Das hier vorgelegte Werk kann dazu beitragen, Änderungen von Umweltbedingungen und damit verbundene negative Auswirkungen auf Ökosysteme zu überwachen. Auf dieser Basis können Maßnahmen ergriffen werden, um die Auswahl geeigneter Feldfrüchte, den Zeitpunkt des Anbaus und das Bewässerungsmanagement zu optimieren. | de |
| dc.description.sponsorship | DFG, 251036843, GRK 2043: Natural Hazards and Risks in a Changing World (NatRisk-Change) | en |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/16474 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-15250 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.relation.haspart | 10.14279/depositonce-15478 | en |
| dc.relation.haspart | 10.14279/depositonce-15479 | en |
| dc.relation.haspart | 10.14279/depositonce-15480 | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 550 Geowissenschaften, Geologie | de |
| dc.subject.ddc | 577 Ökologie | de |
| dc.subject.other | compound events | en |
| dc.subject.other | mediterranean basin | en |
| dc.subject.other | seasonality | en |
| dc.subject.other | ecosystem vulnerability | en |
| dc.subject.other | crop failure | en |
| dc.subject.other | kombinierte Wetterereignisse | de |
| dc.subject.other | Mittelmeerraum | de |
| dc.subject.other | Saisonalität | de |
| dc.subject.other | ökologische Vulnerabilität | de |
| dc.subject.other | Ernteausfall | de |
| dc.title | Seasonal variations in the ecological impacts of compound climate events | en |
| dc.title.translated | Saisonale Variationen der ökologischen Auswirkungen von kombinierten Wetterereignissen | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 6 Planen Bauen Umwelt::Inst. Ökologie::FG Ökohydrologie & Landschaftsbewertung | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 6 Planen Bauen Umwelt | de |
| tub.affiliation.group | FG Ökohydrologie & Landschaftsbewertung | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Ökologie | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |