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Seismische Merkmale natürlicher und anthropogener Prozesse auf der Erdoberfläche
No full textTerrestrial landscape dynamics are dominated by the production, mobilisation, transfer and deposition of sediment. Numerous chemical elements are carried by sediments, making them a key component for ecological processes, as soil constitution and thus plants and animal ecosystems depends on them, and by extension the human species. They are also essential for climate evolution and regulation as marine sedimentation acts as a carbon sink. However, the processes at the origin of their production, mobilisation, transfer can occur suddenly with high-energy content – such as volcanic eruption, mass wasting or flooding events and wildfires – shaking ecosystems and shaping landforms. Besides, in the last era, the human species has shown its ability to disturb landscape dynamics and change sediments cycles. Thus, there is a need for predictive understanding of the processes involved. This relies on un-derstanding of the mechanisms of key processes and their controls, and knowledge of the state and evolution of the Earth’s surface. Classic approaches to these challenges include empirical observations and numerical modeling of geochemical fluxes and surface processes, as well as the study of terrestrial sedimentary archives to better understand the parameters at stake in landscape dynamics and climate changes and the different actions and retroactions between the production, mobilisation, transfer and deposition of sediments which ultimately shape landscapes. Environmental seismology complements these approaches.
Environmental seismology is the science topic investigating the source functions and propagation properties of seismic vibrations triggered by processes happening at or near the Earth’s surface, below and above it - cryosphere, hydrosphere, atmosphere, human habitat, biosphere, etc., to obtain insight into all these physical processes. Indeed, from mass wasting event to rivers, from wild species to hu-man, all these processes are generating seismic waves. Environmental seismology is a rather recent field, with new branches rapidly expanding and at various stages of scientific progress. This thesis is motivated by the goal of learning more on two major natural process hazards (river bedload transport and mass wasting) as well as on human-generated acoustic hazard, while covering the axis of funda-mental research progression, from data exploration and method and theory development to proof of concept, with the twin aims of developing a better understanding of the operation of these specific processes, and of advancing the methods we have at our disposal to study them.
First, I provide a benchmark for assessment of the reliability of existing seismic bedload model inver-sion to retrieve bedload flux from seismic data. Bedload flux measurements are essential to better understand river dynamics, and this can be achieved with environmental seismology. However, due to a lack of well-constrained validation data, the accuracy of the resulting inversions is unknown. I address this gap in Chapter 2.2, reporting a seismic field experiment, and comparing the results to high-quality independent bedload measurements to constrain a seismic bedload model. The study shows that the quality of bedload flux estimates from seismic data strongly depends on the quality of the input data for the model. Direct measurements of relevant parameters, chiefly seismic ground proper-ties needed for the Green's function and the grain size distribution of the moving bedload, considerably improve the model quality over generic approaches using empirical or theoretical functions. I also pro-vide a numerical tool to facilitate the use of water turbulence and bedload seismic inversion models: seismic models for bedload flux and water turbulence require painstaking work to constrain parame-ters describing the ground properties by active seismic study or analysis of passive seismic data, and the grain size distribution via independent measurements. Reasonable predictions can be achieved by using a Monte Carlo approach to optimize the free parameters with respect to the target parameters. The validation of the tool, in Chapter 2.3, with independent measurements of water depth and bedload flux at a study site on the Eshtemoa river in Israël makes it available for reliable use at other sites. The work reported in this chapter has been published in Lagarde et al. 2021 and Dietze et al. 2019b.
In a second study, reported in Chapter 3, I investigate the formation of a failure plane prior to a rock-slide. A better understanding of the dynamics of the preparation phase is essential to determine the timing, volume and mobilization mechanism of a rock slope failure, and this can be achieved with envi-ronmental seismology. I take advantage of a network of seismic stations close to an instable slope recording cracking signals prior to the slope failure, and use a machine learning technique based on hidden Markov models to isolate these signals from the seismic data, retrieving the cumulative number of cracking events in a period of 20 days prior to a large rockslide and 10 days after. The trajectory of the cumulative number of cracks shifts from a rather linear shape in the two weeks prior to the rock-slide to an S-shaped development in the last 27 h before failure. I interpret this change as a switch from initial distributed cracking to localised damage accumulation in the hours prior to the failure. I develop a simple physical model to explain the temporal evolution of crack activity during the S-shape phase, revealing the importance of an internal parameter, the total crack boundary length as the dominant control parameter of failure plane evolution. This study has been published as Lagarde et al. 2023.
Third, I develop a model converting acoustic signals to seismic signals. A part of the acoustic vibrations generated on the Earth’s surface is converted to seismic signals at the ground interface. Consequently, noise pollution may be translated to slope fatigue and rock micro (or macro) fracturing resulting in a degrading effect on landforms. Moreover, this pollution can have negative impacts, such as physical, physiological as well as psychological effects on animal species. At present, the impact of seismic pol-lution generated by acoustic sources is difficult to evaluate. In Chapter 4, I improve and implement a model converting the acoustic pressure generated by a source in the atmosphere to the corresponding seismic signal for a receiver within the ground. The ground is considered to be a porous elastic medium in which wave behaviour can be approximated by the Biot-Stoll model. The model is extended for use of a temporal pressure pulse as an input, and to produce output on a plan 2D map, where the wind effect on the acoustic to seismic coupling can be reproduced. I invest extensive effort in making the model user-friendly, as the project aims at reaching a large audience, comprising, for example, geo-morphologists, biologists and sociologists. Finally, the model is subjected to synthetic testing as well as a qualitative comparison of the predicted ground particle velocity and the seismic signal of a real heli-copter flight as a source of acoustic input.
These studies advance understanding of the operation of specific natural processes in channels and on hillslopes, and bring us closer to designing functioning early warning systems for mass-wasting and flood events. This thesis also raises questions that have not been considered before, such as the con-tribution of human acoustic pollution to the seismic hum and its impact on the natural environment, or the importance of cracks in the self-development of the failure plane prior to slope. Together, these studies question general assumptions usually made regarding the triggering of mass wasting or the hillslope-channel connectivity. Beyond this, the thesis covers the axis of fundamental research progres-sion, from data exploration and method and theory development to proof of concept, and shows how in the rapidly developing field of environmental seismology, an active awareness of progress can help strengthen and accelerate general advances.Die Dynamik terrestrischer Landschaften wird von der Produktion, Mobilisierung, Übertragung und Ablagerung von Sedimenten dominiert. In Sedimenten sind zahlreiche chemische Elemente enthalten, die sie zu einer Schlüsselkomponente für ökologische Prozesse machen, da von ihnen die Bodenbe-schaffenheit und damit die Ökosysteme von Pflanzen und Tieren und damit auch das menschliche Wohlergehen abhängen. Sie sind auch für die Entwicklung und Regulierung des Klimas von wesentlicher Bedeutung, da Sedimentation im Meer als Kohlenstoffsenke fungieren kann. Allerdings können die Pro-zesse, die ihrer Produktion, Mobilisierung und Übertragung zugrunde liegen, bei hohem Energiegehalt plötzlich auftreten – wie Vulkanausbrüche, gravitative Massenbewegungen, Überschwemmungen und Waldbrände – und Ökosysteme erschüttern und Landschaften formen. Darüber hinaus hat die mensch-liche Spezies immer wieder gezeigt, dass sie die Landschaftsdynamik stören und Sedimentzyklen verän-dern kann. Daher besteht Bedarf, die beteiligten Prozesse auf eine Weise zu verstehen, die quantitative Vorhersagen erlaubt. Dies erfordert ein Verständnis der Physik wichtiger Prozesse, der Parameter, die sie bedingen, sowie Kenntnisse über den Zustand und die Entwicklung der Erdoberfläche. Zu den klassi-schen Ansätzen zur Bewältigung dieser Herausforderungen gehören empirische Beobachtungen und numerische Modellierung geochemischer Stoffflüsse und Oberflächenprozesse sowie die Untersuchung terrestrischer Sedimentarchive, um die Parameter, die bei Landschaftsdynamik und Klimaveränderun-gen eine Rolle spielen, sowie die unterschiedlichen Aktionen und Rückwirkungen zwischen Produktion, Mobilisierung, Transfer und Ablagerung von Sedimenten, die letztendlich Landschaften formen. Die Umweltseismologie ergänzt diese Ansätze.
Umweltseismologie ist das wissenschaftliche Fachgebiet, das die Quellfunktionen und Ausbreitungsei-genschaften seismischer Schwingungen untersucht, die durch Prozesse an oder in der Nähe der Erd-oberfläche, darunter und darüber ausgelöst werden – zum Beispiel in der Kryosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre, dem menschlichen Lebensraum, der Biosphäre usw. –, um Einblicke in deren physikalische Prozesse zu gewinnen. All diese Prozesse erzeugen seismische Wellen, von Massenbewegungen bis hin zu Flüssen, von wild lebenden Tierarten bis hin zum Menschen. Die Umweltseismologie ist ein recht junges, schnell wachsendes Fachgebiet, mit Zweigen, die sich in unterschiedlichen Stadien des wissen-schaftlichen Fortschritts befinden. Ziel dieser Arbeit ist es, zwei große Naturgefahrenprozesse, Ge-schiebetransport in Flüssen und gravitative Massenbewegung, sowie über vom Menschen verursachte akustische Gefahren zu untersuchen. Gleichzeitig soll die Achse des grundlegenden Forschungsfort-schritts von der Datenexploration bis zur Methode und von der Theorieentwicklung bis zum Proof of Concept abgedeckt werden, mit dem doppelten Ziel ein besseres Verständnis für die Funktionsweise dieser spezifischen Prozesse zu entwickeln und die uns zur Verfügung stehenden Methoden zu ihrer Untersuchung weiterzuentwickeln.
Zunächst stelle ich einen Maßstab für die Bewertung der Zuverlässigkeit der bestehenden seismischen Geschiebemodellinversion vor, um den Geschiebetrieb aus seismischen Daten abzuleiten. Messungen des Geschiebetriebs sind für ein besseres Verständnis der Flussdynamik unerlässlich, und dies kann mit der Umweltseismologie erreicht werden. Aufgrund des Mangels an streng eingeschränkten Validie-rungsdaten ist die Genauigkeit der resultierenden Inversionen jedoch unbekannt. Auf diese Lücke gehe ich in Kapitel 2.2 ein, wo ich über ein seismisches Feldexperiment berichte und die Ergebnisse mit hochwertigen unabhängigen Geschiebemessungen vergleiche, um ein seismisches Geschiebemodell einzugrenzen. Die Studie zeigt, dass die Qualität der Berechnungen der Geschiebetransportraten aus seismischen Daten stark von der Qualität der Eingabedaten für das Modell abhängt. Direkte Messungen relevanter Parameter, vor allem seismischer Bodeneigenschaften, die für die Green-Funktion benötigt werden, und der Korngrößenverteilung des bewegten Geschiebes, verbessern die Modellqualität erheb-lich gegenüber generischen Ansätzen, die empirische oder theoretische Funktionen verwenden. Ich stelle auch ein numerisches Werkzeug zur Verfügung, um die Verwendung von Modellen für Was-serturbulenzen und seismische Geschiebeinversion zu erleichtern: Seismische Modelle für Geschiebe-fluss und Wasserturbulenzen erfordern Sorgfalt, um Parameter, die die Bodeneigenschaften beschrei-ben, durch aktive seismische Untersuchungen oder passive seismische Analysen einzuschränken Daten und die Korngrößenverteilung über unabhängige Messungen. Vernünftige Vorhersagen können durch die Verwendung eines Monte-Carlo-Ansatzes zur Optimierung der freien Parameter im Hinblick auf die Zielparameter erzielt werden. Die Validierung des Werkzeugs in Kapitel 2.3 mit unabhängigen Messun-gen der Wassertiefe und des Geschiebeflusses an einem Untersuchungsstandort am Eshtemoa in Israel macht es für den zuverlässigen Einsatz an anderen Standorten verfügbar. Die in diesem Kapitel be-schriebene Arbeit wurde in Lagarde et al. 2021 und Dietze et al. 2019b veröffentlicht.
In einer zweiten Studie, über die in Kapitel 3 berichtet wird, untersuche ich die Bildung einer Bruchflä-che vor einem Steinschlag. Ein besseres Verständnis der Dynamik der Vorbereitungsphase ist für die Bestimmung des Zeitpunkts, des Volumens und des Mobilisierungsmechanismus eines Felshangbruchs von entscheidender Bedeutung. Dies kann mit der Umweltseismologie erreicht werden. Ich nutze ein Netzwerk von seismischen Stationen in der Nähe eines instabilen Hangs, um die Signale von Rissen im Gestein vor dem Hangversagen aufzeichnen. Mittels einer auf Hidden-Markov-Modellen basierenden Technik des maschinellen Lernens werden diese Signale aus den seismischen Daten isoliert und so die kumulative Anzahl der Rissereignisse in den 20 Tagen vor einem großen Felssturz und den 10 Tagen danach aufgezeichnet. Der Verlauf der kumulierten Anzahl von Rissen verschiebt sich von einer eher linearen Form in den zwei Wochen vor dem Felssturz zu einer S-förmigen Entwicklung in den letzten 27 Stunden vor dem Versagen. Ich interpretiere diese Veränderung als einen Wechsel von anfänglicher verteilter Rissbildung zu lokalisierter Schadensakkumulation in den Stunden vor dem Ausfall. Ich ent-wickle ein einfaches physikalisches Modell, um die zeitliche Entwicklung der Rissaktivität während der S-Form-Phase zu erklären und die Bedeutung eines internen Parameters, der gesamten Rissgrenzenlän-ge, als dominanten Kontrollparameter für die Entwicklung der Versagensebene aufzuzeigen. Diese Stu-die wurde als Lagarde et al. 2023 veröffentlicht.
Drittens entwickle ich ein Modell, das akustische Signale in seismische Signale umwandelt. Ein Teil der auf der Erdoberfläche erzeugten akustischen Schwingungen wird an der Erdoberfläche in seismische Signale umgewandelt. Infolgedessen kann die Lärmbelästigung zu Hangermüdung und Mikro- (oder Makro-)Brüchen des Gesteins führen, was zu Schäden an Landschaftsformen führen kann. Darüber hinaus kann diese Verschmutzung negative Auswirkungen haben, beispielsweise physische, physiologi-sche und psychologische Auswirkungen auf Tierarten. Derzeit ist es schwierig, die Auswirkungen seismi-scher Verschmutzung durch akustische Quellen abzuschätzen. In Kapitel 4 implementierte und verbes-sere ich ein Modell, das den von einer Quelle in der Atmosphäre erzeugten Schalldruck in das entspre-chende seismische Signal für einen Empfänger im Boden umwandelt. Der Boden gilt als poröses elasti-sches Medium, in dem das Wellenverhalten durch das Biot-Stoll-Modell angenähert werden kann. Das Modell wird erweitert, um einen zeitlichen Druckimpuls als Eingabe zu verwenden und eine Ausgabe auf einer planaren 2D-Karte zu erzeugen, auf der der Windeffekt auf die akustische und seismische Kopp-lung reproduziert werden kann. Ich investiere große Anstrengungen, um das Modell benutzerfreundlich zu gestalten, da das Projekt darauf abzielt, ein großes Publikum zu erreichen, das beispielsweise aus Geomorphologen, Biologen und Soziologen besteht. Abschließend wird das Modell einer synthetischen Prüfung sowie einem qualitativen Vergleich der vorhergesagten Bodenpartikelgeschwindigkeit und dem seismischen Signal eines realen Hubschrauberfluges als Quelle akustischer Eingaben unterzogen.
Diese Studien verbessern das Verständnis der Funktionsweise spezifischer natürlicher Prozesse in
Gerinnen und an Berghängen und bringen uns der Entwicklung funktionierender Frühwarnsysteme für Massenbewegungen und Überschwemmungen näher. Diese Arbeit wirft auch Fragen auf, die bisher nicht berücksichtigt wurden, wie zum Beispiel den Beitrag menschlicher Schallverschmutzung zum seismischen Brummen und seine Auswirkungen auf die natürliche Umwelt oder die Bedeutung von Ris-sen bei der Selbstentwicklung einer Versagensebene. Zusammengenommen stellen diese Studien all-gemeine Annahmen in Frage, die üblicherweise hinsichtlich der Auslösung von Massenverschwenbewe-gungen oder der Verbindung zwischen Hang und Gerinne gemacht werden. Darüber hinaus deckt die Dissertation die Achse des Fortschritts der Grundlagenforschung ab, von der Datenexploration über die Methoden- und Theorieentwicklung bis hin zum Proof of Concept, und zeigt, wie im sich schnell entwi-ckelnden Bereich der Umweltseismologie ein aktives Bewusstsein für den Fortschritt dazu beitragen kann, diesen zu stärken und den Fortschritt zu beschleunigen
Article 39 1951 Convention/Article V 1967 Protocol
No full textThis chapter looks into the 1951 Convention's Article 39 and the 1967 Protocol's Article V. In 2000, the Secretary-General identified the 1951 Convention as belonging to a core group of 25 multilateral treaties representative of the key objectives of the UN and the spirit of its Charter. Additionally, the rules found in the Vienna Convention on the Law of Treaties (VCLT) apply to the 1951 Convention as a matter of customary international law. On the other hand, the 1967 Protocol does not amend the 1951 Convention but binds its parties to observe the substantive provisions. The chapter cites that the 1967 Protocol constitutes an independent and complete international instrument that is open not only to the States parties to the 1951 Convention
Institutional designs and dynamics of crisis governance at the local level
No full textThis article analyses the institutional design variants of local crisis governance responses to the COVID-19 pandemic and their entanglement with other locally impactful crises from a cross-country comparative perspective (France, Germany, Poland, Sweden, and the UK/England). The pandemic offers an excellent empirical lens for scrutinizing the phenomenon of polycrises governance because it occurred while European countries were struggling with the impacts of several prior, ongoing, or newly arrived crises. Our major focus is on institutional design variants of crisis governance (dependent variable) and the influence of different administrative cultures on it (independent variable). Furthermore, we analyze the entanglement and interaction of institutional responses to other (previous or parallel) crises (polycrisis dynamics). Our findings reveal a huge variance of institutional designs, largely evoked by country-specific administrative cultures and profiles. The degree of de-/centralization and the intensity of coordination or decoupling across levels of government differs significantly by country. Simultaneously, all countries were affected by interrelated and entangled crises, resulting in various patterns of polycrisis dynamics. While policy failures and “fatal remedies” from previous crises have partially impaired the resilience and crisis preparedness of local governments, we have also found some learning effects from previous crises
“Domestic Foreigners”
No full textThis paper examines the relationship between the Sephardic Jewish community of Vienna and the Ottoman and Habsburg Empires in the latter half of the 19th century. The community’s legal status was transformed following the emancipation of Austrian Jews, but very few first-hand accounts of these changes exist today. The primary sources analyzed in this paper are Judezmo-language newspapers published in Vienna at that time. The paper emphasizes the historical and political contexts surrounding these sources, particularly the community’s close ties to the Ottoman and Habsburg regimes
Aggregation und Disaggregation in Hochwasserrisikomodellen
No full textFloods continue to be the leading cause of economic damages and fatalities among natural disasters worldwide. As future climate and exposure changes are projected to intensify these damages, the need for more accurate and scalable flood risk models is rising. Over the past decade, macro-scale flood risk models have evolved from initial proof-of-concepts to indispensable tools for decision-making at global-, nationaland, increasingly, the local-level. This progress has been propelled by the advent of high-performance computing and the availability of global, space-based datasets. However, despite such advancements, these models are rarely validated and consistently fall short of the accuracy achieved by high-resolution local models. While capabilities have improved, significant gaps persist in understanding the behaviours of such macro-scale models, particularly their tendency to overestimate risk. This dissertation aims to address such gaps by examining the scale transfers inherent in the construction and application of coarse macroscale models. To achieve this, four studies are presented that, collectively, address exposure, hazard, and vulnerability components of risk affected by upscaling or downscaling.
The first study focuses on a type of downscaling where coarse flood hazard inundation grids are enhanced to a finer resolution. While such inundation downscaling has been employed in numerous global model chains, ours is the first study to focus specifically on this component, providing an evaluation of the state of the art and a novel algorithm. Findings demonstrate that our novel algorithm is eight times faster than existing methods, offers a slight improvement in accuracy, and generates more physically coherent flood maps in hydraulically challenging regions. When applied to a case study, the algorithm generated a 4m resolution inundation map from 30m hydrodynamic model outputs in 33 s, a 60-fold improvement in runtime with a 25% increase in RMSE compared with direct hydrodynamic modelling. All evaluated downscaling algorithms yielded better accuracy than the coarse hydrodynamic model when compared to observations, demonstrating similar limits of coarse hydrodynamic models reported by others. The substitution of downscaling into flood risk model chains, in place of high-resolution modelling, can drastically improve the lead time of impactbased forecasts and the efficiency of hazard map production. With downscaling, local regions could obtain high resolution local inundation maps by post-processing a global model without the need for expensive modelling or expertise.
The second study focuses on hazard aggregation and its implications for exposure, investigating implicit aggregations commonly used to intersect hazard grids with coarse exposure models. This research introduces a novel spatial classification framework to understand the effects of rescaling flood hazard grids to a coarser resolution. The study derives closed-form analytical solutions for the location and direction of bias from flood grid aggregation, showing that bias will always be present in regions near the edge of inundation. For example, inundation area will be positively biased when water depth grids are aggregated, while volume will be negatively biased when water elevation grids are aggregated. Extending the analysis to effects of hazard aggregation on building exposure, this study shows that exposure in regions at the edge of inundation are an order of magnitude more sensitive to aggregation errors than hazard alone. Among the two aggregation routines considered, averaging water surface elevation grids better preserved flood depths at buildings than averaging of water depth grids. The study provides the first mathematical proof and generalizeable treatment of flood hazard grid aggregation, demonstrating important mechanisms to help flood risk modellers understand and control model behaviour.
The final two studies focus on the aggregation of vulnerability models or flood damage functions, investigating the practice of applying per-asset functions to aggregate exposure models. Both studies extend Jensen’s inequality, a well-known 1906 mathematical proof, to demonstrate how the aggregation of flood damage functions leads to bias. Applying Jensen’s proof in this new context, results show that typically concave flood damage functions will introduce a positive bias (overestimation) when aggregated. This behaviour was further investigated with a simulation experiment including 2 million buildings in Germany, four global flood hazard simulations and three aggregation scenarios. The results show that positive aggregation bias is not distributed evenly in space, meaning some regions identified as “hot spots of risk” in assessments may in fact just be hot spots of aggregation bias. This study provides the first application of Jensen’s inequality to explain the overestimates reported elsewhere and advice for modellers to minimize such artifacts.
In total, this dissertation investigates the complex ways aggregation and disaggregation influence the behaviour of risk models, focusing on the scale-transfers underpinning macro-scale flood risk assessments. Extending a key finding of the flood hazard literature to the broader context of flood risk, this dissertation concludes that all else equal, coarse models overestimate risk. This dissertation goes beyond previous studies by providing mathematical proofs for how and where such bias emerges in aggregation routines, offering a mechanistic explanation for coarse model overestimates. It shows that this bias is spatially heterogeneous, necessitating a deep understanding of how rescaling may bias models to effectively reduce or communicate uncertainties. Further, the dissertation offers specific recommendations to help modellers minimize scale transfers in problematic regions. In conclusion, I argue that such aggregation errors are epistemic, stemming from choices in model structure, and therefore hold greater potential and impetus for study and mitigation. This deeper understanding of uncertainties is essential for improving macro-scale flood risk models and their effectiveness in equitable, holistic, and sustainable flood management.Hochwasser sind weiterhin die größte Ursache für wirtschaftliche Schäden undTodesopfer durch Naturkatastrophen weltweit. Da prognostiziert wird, dass künftige Klima- und Expositionsänderungen diese Schäden noch verstärken werden, steigt der Bedarf an genaueren und skalierbaren Hochwasserrisikomodellen. In den letzten zehn Jahren haben sich makroskalige Hochwasserrisikomodelle von ersten Machbarkeitsversuchen zu unverzichtbaren Instrumenten für Entscheidungsträger auf globaler, nationaler und zunehmend auch lokaler Ebene entwickelt. Dieser Fortschritt wurde weitgehend durch das Aufkommen von Hochleistungsrechnern und dieVerfügbarkeit globaler,weltraumgestützter Datensätze vorangetrieben. Trotz dieser Fortschrittewerden diese Modelle jedoch nur selten validiert und bleiben durchweg hinter der Genauigkeit zurück, die von hochauflösenden lokalen Modellen erreicht wird. Obwohl sich die Möglichkeiten verbessert haben, gibt es immer noch erhebliche Lücken im Verständnis der Skalenübertragungen, die typischerweise in großskaligen Modellen verwendet werden, insbesondere zu deren Tendenz zur Überschätzung von Risiken. Diese Dissertation zielt darauf ab, diese Lücken zu schließen, indem sie diese Skalentransfers untersucht, die mit der Konstruktion und Anwendung solcher groben makroskaligen Modelle einhergehen. Zu diesem Zweck werden vier Studien vorgestellt, die gemeinsam die Expositions- , Gefährdungs- und Vulnerabilitätskomponenten des Risikos betrachten, welche durch Upscaling oder Downscaling beeinflusst werden.
Die erste Studie konzentriert sich auf eine Art von Downscaling, bei dem grobe Überschwemmungsraster auf eine feinere Auflösung umskaliert werden. Eine solche Herabskalierung von Überschwemmungsdaten wurde zwar bereits in zahlreichen globalen Modellketten eingesetzt, doch ist unsere Studie die erste, die sich speziell auf diese Komponente konzentriert und eine Bewertung des Standes der Technik sowie einen neuartigen Algorithmus liefert. Die Ergebnisse zeigen, dass unser neuartiger Algorithmus achtmal schneller ist als bestehende Methoden, eine leichte Verbesserung der Genauigkeit bietet und physikalisch kohärentere Überschwemmungskarten in hydraulisch anspruchsvollen Regionen erzeugt. Bei der Anwendung in einer Fallstudie erzeugte der Algorithmus eine Überschwemmungskarte mit einer Auflösung von 4 Metern aus den Ergebnissen eines 30-metrigen hydrodynamischen Modells in 33 Sekunden, was eine 60-fache Verbesserung der Laufzeit bei einem 25-prozentigen Anstieg des RMSE im Vergleich zur direkten hydrodynamischen Modellierung darstellt. Alle bewerteten Downscaling-Algorithmen erbrachten – im Vergleich zu Messergebnissen – eine bessere Genauigkeit als das grobe hydrodynamische Modell, was die Grenzen der groben hydrodynamischen Modelle aus früheren Studien bestätigt. Der Einsatz von Downscaling in Hochwasserrisikomodellketten anstelle von hochauflösender Modellierung kann die Vorlaufzeit von auswirkungsbasierten Vorhersagen und die Effizienz der Erstellung von Gefahrenkarten drastisch verbessern. Downscaling könnte es regional erlauben, hochauflösende lokale Überschwemmungskarten aus einem globalen Modell zu generieren, ohne dass teure Modellierung oder Fachwissen erforderlich sind.
Die zweite Studie befasst sich mit der Aggregation von Gefahren und deren Auswirkungen auf die Exposition, wobei implizite Aggregationen untersucht werden, die üblicherweise Verwendung finden, wenn Gefahrenraster mit groben Expositionsmodellen verknüpft werden. In dieser Studie wird ein neuartiges räumliches Klassifizierungsframework eingeführt, um die Auswirkungen der Umskalierung von Hochwassergefahrenrastern auf eine gröbere Auflösung zu verstehen. Die Studie leitet analytische Lösungen in geschlossener Form für die räumliche Ausprägung und die Richtung des systematischen Fehlers durch die Aggregation von Überschwemmungsrastern ab und zeigt, dass dieser Fehler in Regionen nahe der Überschwemmungsgrenze immer auftritt. So wird beispielsweise die Überschwemmungsfläche positiv beeinflusst, wenn Einstautiefenraster aggregiert werden, während das Hochwasservolumen negativ beeinflusst wird, wenn Wasserhöhenraster aggregiert werden. Bei der Ausweitung der Analyse auf die Auswirkungen der Gefahrenaggregation auf die Gebäudeexposition zeigt diese Studie, dass die Exposition in Regionen am Rande der Überschwemmung um eine Größenordnung empfindlicher auf Aggregationsfehler reagiert als die Hochwassergefahr allein. Von den beiden betrachteten Aggregationsroutinen bewahrte die Mittelung von Wasseroberflächen-Höhenrastern die Überschwemmungstiefen an Gebäuden besser als die Mittelung von Einstautiefenrastern. Die Studie liefert den ersten mathematischen Beweis und eine verallgemeinerungsfähige Aggregationsmethode für Hochwassergefahrenraster und zeigt wichtige Mechanismen auf, die Hochwasserrisikomodellierern helfen können, das Modellverhalten zu verstehen und zu kontrollieren.
Die letzten beiden Studien konzentrieren sich auf die Aggregation von Vulnerabilitätsmodellen oder Hochwasserschadensfunktionen und untersuchen die Praxis der Anwendung von gebäudespezifischen Funktionen auf aggregierte Expositionsmodelle. Beide Studien erweitern die Jensen’sche Ungleichung, einen bekannten mathematischen Beweis, um zu zeigen, wie die Aggregation von Flutschadensfunktionen zu systematischen Fehlern führt. Die Anwendung von Jensens Beweis aus dem Jahr 1906 in diesem neuen Kontext zeigt, dass typischerweise konkave Hochwasserschadensfunktionen zu einer systematischen Überschätzung führen, wenn sie aggregiert werden. Dieses Verhalten wurde anhand eines Simulationsexperiments mit 2 Millionen Gebäuden in Deutschland, vier globalen Hochwasserrisikosimulationen und drei Aggregationsszenarien weiter untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die positive Aggregationsverzerrung nicht gleichmäßig im Raum verteilt ist, was bedeutet, dass einige Regionen, die in den Bewertungen als „Hochrisikogebiete“ identifiziert wurden, in Wirklichkeit bloß „Hochfehlergebiet“ seien könnten. Dies ist die erste Anwendung der Jensen’schen Ungleichung zur Erklärung der Überschätzungen, die in anderen Studien für grobskalige Hochwasserrisikomodelle berichtet wurden.
Diese Dissertation untersucht die komplexe Art und Weise, wie Aggregation und Disaggregation das Verhalten von Risikomodellen beeinflussen, und konzentriert sich dabei auf die Skalentransfers, die den makroskaligen Hochwasserrisikobewertungen zugrunde liegen. Indem sie eine wichtige Erkenntnis aus der Literatur zur Hochwassergefahr auf den breiteren Kontext des Hochwasserrisikos ausweitet, zeigt diese Dissertation, dass grobe Modelle das Risiko überschätzen, wenn alle anderen Faktoren gleich sind. Diese Dissertation geht über frühere Studien hinaus, indem sie mathematische Beweise dafür liefert, wie und wo systematische Fehler in Aggregationsroutinen entstehen, und bietet eine mechanistische Erklärung für die Überschätzung in groben Modellen. Es wird gezeigt, dass diese Verzerrung räumlich heterogen ist, was ein tiefes Verständnis der Art und Weise erfordert, wie die Umskalierung Modelle verzerren kann, um Unsicherheiten effektiv zu reduzieren oder zu kommunizieren. Die Dissertation enthält spezifische Empfehlungen, die Modellierern helfen sollen, Skalenübertragungen in problematischen Regionen zu minimieren. Abschließend argumentiere ich, dass solche Aggregationsfehler epistemischer Natur sind, da sie aus der Wahl der Modellstruktur resultieren, und daher ein größeres Potenzial und einen stärkeren Anstoß zur Verbesserung bieten sollten. Dieses tiefere Verständnis von Unsicherheiten ist unerlässlich, wenn makroskalige Hochwasserrisikomodelle ihr volles Potenzial als Werkzeuge für ein gerechtes, ganzheitliches und nachhaltiges Zusammenleben mit extremen Überschwemmungen entfalten sollen
Begrenztes Cottbus?
No full textIn diesem Band ermöglicht Mario Kaun ausgewählte Einblicke in die Lebenswelt der Cottbuser Exklavengesellschaft des 18. Jahrhunderts. Erstmalig erscheint hiermit für diesen Untersuchungsraum eine grundlegende Studie, die in umfassender Weise die Exklave und das Verhältnis von Militär und Gesellschaft näher erforscht sowie die wirtschaftliche Funktion der Garnison in einer aufstrebenden Stadt kritisch hinterfragt. Der Autor lenkt hierbei das Augenmerk auf etliche, bisher völlig unbekannte Perspektiven, die darüber hinaus einen wichtigen Beitrag zur Stadt- und Regionalgeschichtsforschung von Cottbus und der Niederlausitz leisten. Insbesondere die Befassung mit der brandenburgisch-preußischen Exklave stellt eine wertvolle Ergänzung zur bislang rudimentären Forschungslage dar.In this volume, Mario Kaun provides selected perspectives into the lifeworld of the Cottbus exclave society of the 18th century. This is the first time that a fundamental study has been published for this research area, which comprehensively explores the exclave and the relationship between the military and society in more detail and critically scrutinizes the economic function of the garrison in an up-and-coming town. The author draws attention to a great deal of previously unknown information, which also makes an important contribution to urban and regional history research on Cottbus and Lower Lusatia. In particular, the treatment of the Brandenburg-Prussian exclave represents a valuable addition to the hitherto rudimentary research situation