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Topoklimatische Steuerung und nicht-lineare Dynamik der Klimawandelresonanz von Gletschern in Hochasien (TopoCliF)

Die Gletscher Hochasiens, existentielle Ressource der Wasserversorgung von über einer Milliarde Menschen, reagieren ausgesprochen heterogen auf den Klimawandel. Die zugrunde liegenden Wirkmuster, Steuerungsfaktoren und Sensitivitäten sind jedoch bisher nur lückenhaft verstanden. Jüngste Studien zeigen die besondere Bedeutung topoklimatischer Effekte auf der Skale einzelner Täler und Höhenzüge, die auch ein großes Potential zu nicht-linearer Abschmelzdynamik implizieren. Zur Analyse dieser mesoskaligen Phänomene fehlen aber bislang adäquate Werkzeuge, die die big-data-kritische Datenlücke zwischen großräumigen Fernerkundungs- und feldbasierten Detailstudien schließen können. Die Höhe der Gletschergleichgewichtslinie (ELA) integriert alle am Gletscher wirkenden topographischen und klimatischen Faktoren und ist daher als Indikator eben dieser topoklimatischen Phänomene bestens geeignet. Im beantragten Projekt soll ein neuartiges Fernerkundungsverfahren für ganz Hochasien angewendet werden, das eigens entwickelt wurde, um für ganze Orogene Datensätze der ELA und multitemporaler ELA-Änderungen in präzedenzlos hoher Auflösung zu generieren. Durch ein künstliches neurales Netz werden dann die räumlichen Muster und ihnen zugrunde liegende Beziehungen im regional heterogenen Zusammenwirken klimatischer (Globalstrahlung, Temperatur, Niederschlag, Wind, etc.; aus Daten der High Asia Refined analysis, HAR) und topographischer (Exposition, Hangneigung, Gipfelhöhe, etc.; aus digitalen Geländemodellen, DGM) Faktoren zur Steuerung der ELAs in Hochasien aufgeschlüsselt. An für Teilräume repräsentativen Benchmark-Settings mit besonders guter Datensituation werden die steuernden Prozesse am Gletscher durch numerische Modellierung der Energie- und Massenbilanzen (MB) im Detail untersucht. Auf Basis der resultierenden MB-Daten wird zusätzlich die Sensitivität der MBs zu monatlichen Anomalien in Temperatur und Niederschlag (aus HAR) modelliert. Vorstudien zeigen, dass Verebnungsflächen in den Akkumulationsgebieten der Gletscher großes Potential zu nicht-linearer Abschmelzdynamik bei weiterem ELA-Anstieg bergen. Größe und Topographie dieser Verebnungen werden durch DGM-basierte GIS-Analysen für Gletscher ganz Hochasiens quantifiziert. Zur Identifizierung der zugehörigen Kipppunkte (ELA, ab der eine spezifische Verebnungsfläche zu Ablationsgebiet wird) werden jeweils aus Hochflächentopographie und ELA-Daten die verbleibenden Pufferhöhen berechnet. Die diesen Pufferhöhen entsprechenden Temperaturzu- oder Niederschlagsabnahmen werden auf Basis der zuvor erhobenen Sensitivitätsdaten abgeschätzt und die verbleibende Zeit zur Überschreitung der Kipppunkte für verschiedene Szenarien anthropogenen Klimawandels ermittelt. Die Resultate dieses interdisziplinär-polymethodischen Ansatzes werden erstmals eine Entschlüsselung der topoklimatischen Steuerung der Klimawandelresonanz von Gletschern in Hochasien und ihrer Potentiale zu nicht-linearer Abschmelzdynamik ermöglichen.

Verbesserung der agro-hydrologischen Simulation der Bewässerung in Flussgebieten unter extremen klimatischen Bedingungen mit Ensembles

Die landwirtschaftliche Bewässerung gehört zu den größten Wasserverbrauchern weltweit. Bei hydrologischen und wasserwirtschaftlichen Studien, z.B. Klimafolgenabschätzungen, spielt die Bewässerung aufgrund ihres Einflusses auf die Wasserbilanz eine wesentliche Rolle. Der Bewässerungsbedarf kann durch höheren Bedarf an Nahrungsmitteln sowie Klimaänderungen regional stark ansteigen. Geringe Wasserverfügbarkeit kann die weitere Entwicklung der bewässerten Landwirtschaft limitieren. Daher ist eine zuverlässige Prognose des künftigen Bewässerungsbedarfs eine wesentliche Planungs- und Entscheidungsgrundlage für Landwirtschaft und Wasserwirtschaft. Die Bewässerung auf der regionalen Maßstabsebene (Flusseinzugsgebiete oder Bewässerungsprojekte von mehreren 100 km2 bis zu größer als 100.000 km2) kann in agrar-hydrologischen Flussgebietsmodellen wie SWAT simuliert werden. Vorhergehende Arbeiten zeigten sowohl das Potential, aber auch Defizite dieser Modelle im Vergleich zu Modellen auf der Feldskala. Der Modellunsicherheit in der Simulation der Bewässerungsmengen wurde auf beiden Skalen bisher wenig Beachtung geschenkt. Dies mag an vielen Faktoren liegen, u.a. auch der schlechten Verfügbarkeit von langjährigen Aufzeichnungen über die tatsächlich erfolgte Bewässerung und deren Steuerung. In diesem Vorhaben sollen sowohl die Parameterunsicherheit als auch die strukturelle Unsicherheit von agrar-hydrologischen Modellen für die Feldskala als auch die regionale Skala untersucht werden. Dazu werden Daten von langjährig betriebenen Versuchsfeldern zur Bewässerung in drei Ländern unterschiedlicher Klimazonen verwendet: Deutschland (Versuchsfelder Hamerstorf in Niedersachsen, humid), Indien (Versuchsfelder des IIT Kharagpur, Monsun) und USA (Versuchsfelder des USDA in Texas, semi-arid). Für das Modell SWAT werden Untersuchungen zur Parameterunsicherheit zu Bodenfeuchte, Bewässerung und Ertrag durchgeführt. Auf der Feldskala werden mehrere agrar-hydrologische Modelle gerechnet. Aus den Erkenntnissen der Feldskala sollen die Bewässerungsroutinen in SWAT verbessert werden, wobei auch Bodenfeuchte und Pflanzenwachstum als relevante Prozesse für die Triggerung der automatischen Bewässerung betrachtet werden. Mit dem Ziel, Prognosen des Bewässerungsbedarfs zu verbessern und mit Unsicherheitsinformationen zu versehen, wird für die Untersuchungsflächen ein Ensemble aus mehreren Modellen und mehreren Parametersätzen (Super-Ensemble) generiert. Dieses wird kalibriert und dadurch auf die besten Mitglieder reduziert (Sub-Ensemble). Anwendungen des Ensembles sind auf der langfristigen strategischen Ebene Klimafolgenschätzungen, auf der kurz- bis mittelfristigen operationellen Ebene die Bewässerungsberatung. Für letztere soll untersucht werden, ob die seit kurzem verfügbaren sub-saisonalen (S2S) Ensemblevorhersagen des ECMWF eine Verlängerung des Vorhersagezeitraums des Bewässerungsbedarfs auf bis zu einen Monat erlauben.

Risiken des Computerbooms in Indien; das Beispiel Elektronikschrott

Das Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit den sozialen und ökologischen Folgen der nicht-nachhaltigen Verwertung von Elektronikschrott in Indien

Mikroendemische Tausendfüßer der Western Ghats, Indien

Die Western Ghats in Südwest Indien sind ein Brennpunkt der Biodiversität und gehören zu den artenreichsten Regionen unseres Planeted. Besonders einzigartig sind die sogenannten 'Sholas', isolierte Nebelwälder der Hügelketten auf bis zu 2200 Metern Höhe. In diesem Projekt soll die Tausendfüßerfauna von verschiedenen Wäldern und Sholas der Western Ghats erfaßt und miteinander verglichen werden. Generell sind die Tasuendfüßer Indiens sehr wenig bekannt, obwohl diese als Bodentiere aufgrund ihrer fehlender Flugfähigkeit hervorragende INdikatoren für die biogeographische Geschichte ihrer Lebensräume sind. So haben einige Gattungen der Tasuendfüßer Südindiens ihre nächsten Verwandten auf Madagaskar, obwohl diese Insel 5.000 km entfernt ist, aber bis vor 80 Millionen Jahren noch mit Indien verbunden war. Diese Studie wird im Rahmen der Masterarbeit von Frau Pooja Anilkumar in unserem internationalem Masterprogramme OEP in zusammenarbeit mit der Universität Bonn durchgeführt.

Morphogenese und Morphodynamik im Westraum Indiens

Im Untersuchungsgebiet zwischen Dehli und der Suedspitze Indiens variiert die thermisch/hygrische Ausstattung zwischen Vollariditaet in der Tharr und Vollhumiditaet in den suedindischen Gebirgen. Diese lueckenlose Ariditaets- bzw. Humiditaetskette bietet optimale Vorraussetzungen zum Studium des Einflusses von Trockenheit bzw. Feuchte auf die Reliefentwicklung in Vergangenheit und Gegenwart. Sie gestattet zugleich die modifizierende Wirkung von Lithologie und Struktur des Untergrundes, der Vegetation und des Vorformenschatzes zu analysieren. Der grossraeumige Ueberblick steht dabei im Vordergrund.

Die genetische Kontrolle morphologischer und ionimscher Anpassung während der Kolonisation Indiens durch Körneramarant

Der Klimawandel und das rapide Bevölkerungswachstum stellen die Nahrungsmittelproduktion vor eine große Herausforderung. Kulturpflanzen mit hoher Nährstoffqualität, wie zum Beispiel Körneramarant, haben ein hohes Potential zur Ernährungssicherung der Zukunft beizutragen. Um zu verstehen wie Pflanzen sich an veränderte Umwelten anpassen können, ist detailliertes Wissen über die genetische Vielfalt und anpassungsrelevante Merkmale notwendig. Anpassungsmerkmale beinhalten nicht nur morphologische, sondern auch physiologische und intrinsische Merkmale, wie das Pflanzenionom. Die weltweite Ausbreitung von Kulturpflanzen ist ideal, um die Anpassung an neue Umwelten zu untersuchen. Auch vernachlässigte Kulturpflanzen haben sich im letzten Jahrtausend über ihr Donestikationszentrum hinaus ausgebreitet. Bevor Körneramarant sich ausbreitete, wurden drei Arten unabhängig voneinander vom gleichen Vorfahren domestiziert. Später kolonisierte Amarant auch Indien, wo sich in den letzten 400 Jahren lokale Landrassen, die gut an ihre neue Umwelt angepasst sind, entwickelten. Unsere Vorarbeiten deuten darauf hin, dass alle drei domestizierten Arten zu heutigen indischen Landrassen beitrugen. Darüber hinaus ist zu vermuten, dass lokale angepasste wilde Amarantarten adaptive genetische Variation zur Anpassung der Kulturpflanze an die neue Umwelt beisteuerten. In diesem Projekt verbinden wir Populations-, quantitative und molekulare Genetik, um die Anpassung während der Ausbreitung von Kulturpflanzen zu verstehen. Mit der Einführung von Amarant nach Indien, werden wir die morphologischen, ionomischen und genomischen Veränderungen untersuchen, um die Herkunft adaptiver genetischer Variation zu verstehen. Darüber hinaus werden wir die molekulare Basis agronomischer und qualitätsrelevanter Merkmale beleuchten. Wir haben vor, die Funktion von Schlüsselkandidatengenen mit Hilfe von Expressionsanalysen und Genomeditierung in Amarant zu validieren. Diese deutsch-indische Kollaboration bringt die Pflanzenzüchtungsforschung und ionomische Expertise des indischen Partners mit der evolutionsgenomischen Expertise des deutschen Partners zusammen, um Synergien dieser Felder zu nutzen. Im speziellen, werden wir 300 Körneramarantakzessionen an drei unterschiedlichen Standorten in Indian morphologisch und ionomisch vergleichen. Diese Daten werden wir mit genomweiten genetischen Markerdaten verbinden, um adaptive Variation zu detektieren und Gene, die für die Anpassung relevant sind, funktionell validieren. Der Vergleich mit genetischer Variation von lokalen Wildarten wird es erlauben, deren Beitrag zur Anpassung von Körneramarant zu verstehen. Durch dieses gemeinschaftliche Projekt werden wir zum Verständnis, wie Kulturpflanzen sich an neue Umwelten anpassen und welche Quellen adaptiver Variation vorhanden sind, beitragen. Wir planen Gene zu identifizieren, die den Nährstoffgehalt regulieren und deshalb zur Verbesserung der Amarantqualität und zu Ertragssteigerungen beitragen können.

Nachhaltige Integrierte Farmsysteme für die Mitigation und Anpassung an den Klimawandel mit Kleinbauern in Indien, Teilprojekt 1

Nachhaltige Verkehrswege aus Beton durch den substitutiven Einsatz großer Mengen von Bau-, Abbruch- und Industrieabfällen, Teilvorhaben: Mischungsentwurf für Betone mit einem hohen Gehalt an Bau-, Abbruch- und Industrieabfällen

Nachhaltige Integrierte Farmsysteme für die Mitigation und Anpassung an den Klimawandel mit Kleinbauern in Indien, Teilprojekt 2

Nachhaltige Integrierte Farmsysteme für die Mitigation und Anpassung an den Klimawandel mit Kleinbauern in Indien

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