Drought impacts in the European Alpine region

Hochschulschrift

Abstract: Droughts are natural hazards that can cause widespread and severe impacts on the environment and societies. However, most scientific research has focused on droughts as a hazard, while only a limited number of studies have investigated their impacts. In particular mountain regions, such as the European Alps, have received little consideration with regard to drought impacts, due to their water-rich characteristics. Nonetheless, the number of reported drought impacts has been increasing, e.g. through reports about drought hampering pasture farming or restricting water supply at higher elevations. Consequently, there is evidence that the European Alps have been affected by drought, but to an unknown extent.
Therefore, this thesis addresses where, when and what kind of drought impacts occurred across the European Alpine region. Second, it questions how region-specific the vulnerability characteristics to drought are, because they may shape substantially the occurrence and severity of impacts. Third, the thesis evaluates how well drought impacts can be predicted. Accordingly, the first part of this work analyses the spatio-temporal distribution patterns of a drought-impact based database called the ‘Alpine Drought impact report Inventory EDIIALPS’ developed for this purpose (study 1 and 2). Therefore, the EDIIALPS is implemented with the spatial extent of the so-called ‘Alpine Space’ covering the European Alps and their foothills. The second part assesses vulnerability in two pre-Alpine case study regions combining information from expert interviews with data mapping (study 3). The third part investigates the performance of two statistical model types to predict
drought impacts that potentially could inform integrated early warning systems (study 4).
Study 1 analyses potential spatio-temporal distribution patterns across the Alpine Space. Therefore, the geo-referenced and classified text-reports from the EDIIALPS are used. More than 3200 reported impacts reveal the European Alpine region as affected by drought with major events in 1976, 2003, 2015, and 2018. Although these years are known throughout Europe as severe drought years, this could be confirmed here for the first time for the Alpine region. In addition, the compiled reports show a variety of impact types, and thus also confirm the multifaceted character of drought in the Alpine Space. The most common reported impacts mainly affect agriculture and livestock farming, followed by public water supply. The EDIIALPS data shows a strong seasonality with most impacts occurring during summer and early autumn. The delayed onset of impacts on water supply, especially in the higher-elevation region may reflect the water-rich character of the Alps, as snow accumulation in winter mitigates water shortages through snowmelt in spring and early summer.
Drought does not only cause impacts in the mountain region itself, because drought impacts can propagate from headwater source regions until the river flows into the sea. Therefore, study 2 analyses impact occurrences upstream and downstream in the Rhine, Po, Rhone and Danube basin within the borders of the Alpine Space. Because there is no scientific consensus on how to define up- and downstream, this study develops two approaches by which the impact distribution patterns of the EDIIALPS data are analysed. The distance-approach is based on the geographic distance to the main sink of the river, while the human-footprint approach uses an indicator of human influence. Both approaches support the hypothesis that drought impacts accumulate downstream. In almost all cases, the number and in particular the density of impacts is higher downstream. Furthermore, the study identifies basin-specific drought years from an impact-perspective, which, for the most part, confirm other studies, highlighting the significance of the EDIIALPS data.
Study 3 assesses drought vulnerability characteristics on a regional scale, because they may explain impact patterns as well. To understand which and how regional conditions increase or decrease vulnerability to drought, study 3 applies a mixed-method approach in the pre-Alpine regions ‘Thurgau’ (Switzerland) and ‘Prodravska’ (Slovenia). The approach combines expert knowledge from semi-structured interviews with quantitative data mapping resulting in two vulnerability scenarios tailored to agriculture. Most of the identified factors contributing to vulnerability are relevant for only one of the two regions, which underlines the region-specific characteristic of vulnerability. The two scenarios show that the vulnerability maps are sensitive to different aggregation methods, but both were able to identify local hotspot regions. These regions at risk, in addition to the most relevant vulnerability factors, indicate adaptation strategies to better cope with drought. Throughout, study 3 benefits from the participatory approach. The frequent exchange with the experts enables a comprehensive understanding of the region-specific features that might otherwise have been missed. Moreover, the experts’ interest in the results shows that such an approach can increase the acceptance of scientific results and thus close the gap between science and the practitioners.
Study 4 examines the performance of different models predicting drought impacts. In drought research, impact prediction has rarely been attempted due to the lack of impact data. Therefore, study 4 uses the EDIIALPS data as proxy and compares the predictive performance of the logistic regression with the random forest algorithm. The model experiments predict drought impacts (1) in the next month to attempt an impact-forecast, and (2) in other regions to get estimates, in case a considered region lack impact data. All predictions are based on selected drought indices and geographic variables. Even though the conversion of text-data into quantitative data might be a disputable task, the evaluation metric AUC reveals good performance for both implemented model types. The logistic regression performs better when the region to be predicted is characterized by very different conditions. This can be attributed to the better ability to extrapolate. The models presented here could be used as starting point to move towards impact-based early warning of drought.
In summary, this work contributes to drought research in mountain regions, which has been under-represented so far. The large number and wide range of reported drought impacts in the European Alps and their foothills underlines the vulnerability of this mountain region to drought. The analysis of the developed database EDIIALPS reveals strong spatio-temporal impact patterns with more impacts downstream and mostly on agriculture. This complements previous drought research from the impact perspective and could help inform drought management strategies. This is particularly relevant for downstream regions that rely on water provision from upstream. Moreover, the thesis underlines the region-specific characteristics of drought vulnerability that need to be considered for tailored adaptation strategies in order to enhance future resilience. As drought impact data is limited, the impact-based drought prediction models developed here could serve as tool to estimate impacts in data-sparse regions with similar conditions, and could be the first step for impact-based early warning in order to move from emergency action to protective drought response and improved preparedness
Abstract: Dürren sind Naturgefahren, die weitreichende und schwerwiegende Auswirkungen auf unsere Umwelt und Gesellschaft haben können. Die meisten wissenschaftlichen Studien analysieren Dürre als Gefahr und nur wenige deren Folgen. Insbesondere Bergregionen, wie die europäischen Alpen, fanden aufgrund ihrer wasserreichen Eigenschaften bisher wenig Beachtung in der Wissenschaft. Dennoch stieg die Anzahl an gemeldeter Dürrefolgen in den letzten Jahren, z.B mit Berichten, dass Dürre die Weidewirtschaft einschränkte, die Wasserversorgung in höheren Lagen limitierte und die Beschneiung für den Skitourismus beeinträchtigte. Folglich waren die europäischen Alpen von Dürre betroffen, jedoch mit einem unbekannten Ausmaß. So stellt sich diese Dissertation der Fragen, wo, wann und welche Auswirkungen von Dürren im europäischen Alpenraum auftraten. Außerdem wird untersucht, wie regionalspezifisch Vulnerabilität gegen über Dürre ist, da Vulnerabilitäts-Charakteristika das Vorkommen und den Schweregrad von Dürrefolgen maßgeblich beeinflussen können. Zuletzt evaluiert diese Arbeit, wie gut die Dürreauswirkungen vorhergesagt werden können. Somit analysiert der erste Teil dieser Arbeit die räumlich-zeitlichen Verteilungsmuster von Dürrefolgen mit Hilfe der dafür entwickelten Datenbank ”Alpine Drought Impact Report Inventory EDIIALPS”(Studie 1 und 2). Dazu wird die Datenbank mit der räumlichen Ausdehnung des sogenannten ”Alpine Space“ entwickelt, welcher die europäischen Alpen und deren Ausläufer umfasst. Der zweite Teil untersucht die Vulnerabilität in zwei voralpinen Fallstudienregionen, indem Informationen aus Experteninterviews mit räumlicher Datenanalyse kombiniert werden (Studie 3). Der dritte Teil erfasst die Modellleistung von zwei Modelltypen zur Vorhersage von Dürreauswirkungen, welche für integrierte Frühwarnsysteme nützlich sein könnten (Studie 4).
Studie 1 analysiert potenzielle räumlich-zeitliche Verteilungsmuster im gesamten Alpenraum. Dazu werden die georeferenzierten und klassifizierten Text-Berichte, der EDIIALPS Datenbank verwendet. Mehr als 3200 berichtete Auswirkungen zeigen, dass der europäische Alpenraum von Dürre betroffen war, mit den Großereignissen in den Jahren 2003, 2015 und 2018. Obwohl diese Jahre europaweit als schwere Dürrejahre bekannt sind, wurde dies hiermit erstmals für den Alpenraum bestätigt. Darüber hinaus, zeigen die zusammengestellten Berichte vielfältige Auswirkungstypen, welche somit auch den facettenreiche Charakter von Dürre im Alpenraum bestätigen. Berichte über Dürrefolgen für die Land- und Viehwirtschaft sind am häufigsten gefolgt von Auswirkungen auf die öffentliche Wasserversorgung. Die EDIIALPS-Daten zeigen eine starke Saisonalität mit den meisten Auswirkungen im Sommer und Frühherbst. Der verzögerte Beginn von Dürrefolgen auf die Wasserversorgung, insbesondere in den höher gelegenen Regionen, spiegelt möglicherweise den wasserreichen Charakter der Alpen wider. Dort mildert Schneeakkumulation im Winter die Wasserknappheit mit Schneeschmelze im Frühjahr und Frühsommer. Dürre wirkt sich nicht nur im Bergland selbst aus, da Dürrefolgen propagieren, also sich ausbreiten können - von Quellregionen bis zur Flussmündung ins Meer.
Studie 2 analysiert aufgetretende Auswirkungen flussaufwärts und flussabwärts in den Einzugsgebieten der Flüsse Rhein, Po, Rhone und Donau innerhalb der Grenzen des Alpine Space. Da kein wissenschaftlichen Konsens besteht, wie Regionen flussaufwärts und flussabwärts definiert werden, entwickelt diese Studie zwei Ansätze, mit denen die Verteilungsmuster der EDIIALPS-Daten analysiert werden. Während der Distanz-Ansatz die geografischen Entfernung zur Flussmündung nutzt, verwendet der ”Human- FootprintAnsatz einen Indikator für menschlichen Einfluss. Beide Ansätze stützen die Hypothese, dass Dürrefolgen flussabwärts akkumulieren. In fast allen Fällen ist die Anzahl und insbesondere die Dichte der Auswirkungen flussabwärts größer. Des Weiteren identifiziert diese Studie mit Hilfe der EDIIALPS-Daten spezifische Dürrejahre der einzelnen Flusseinzugsbiete, die größtenteils andere Studienergebnisse bestätigen und damit die Bedeutung der EDIIALPS-Daten hervorhebt. Studie 3 erfasst Vulnerabilitäts-Charakteristika gegenüber Dürre auf regionaler Skala, da auch diese Muster von Dürrefolgen erklären könnten. Um die regionalen Bedingungen zu verstehen, welche die Vulnerabilität gegenüber Dürre verstärken oder verringern, wendete Studie 3 einen gemischten Methodenansatz in den voralpinen Regionen ”Thurgau“ (Schweiz) und ”Prodravska“ (Slowenien) an.
Studie 3 spezifiziert sich aufgrund der gehäuften landwirtschaftlichen Berichte in Studie 1 auf diesen Sektor. Der Ansatz kombiniert Expertenwissen aus halb-strukturierten Interviews mit räumlicher Datenanalyse, was in zwei auf die Landwirtschaft zugeschnittenen Vulnerabilitätsszenarien resuliert. Die meisten relevanten Faktoren, die zur Vulnerabilität beitragen, werden nur für eine der beiden Regionen identifiziert, was den region-spezifischen Charakter von Vulnerabilität hervorhebt. Die beiden Szenarien zeigen die Vulnerabilitätskarten als sensitiv gegenüber unterschiedlichen Aggregationsmethoden. Darüber hinaus können damit Hotspot- Regionen und Faktoren mit dem höchsten Potenzial zur Verringerung der Vulnerabilität identifiziert werden und folglich potenzielle Anpassungsstrategien aufgezeigt werden. Study 3 profitiert durchgehend von den Vorteilen des partizipativen Ansatzes: Der kontinuierliche Austausch mit den Experten ermöglicht ein umfassendes Verständnis der regionen-spezifischen Besonderheiten, die sonst möglicherweise nicht berücksichtigt worden wären. Zuletzt zeigt das Interesse der Experten an den Ergebnissen, dass solche Ansätze die Akzeptanz wissenschaftlicher Ergebnisse erhöhen und damit die Lücke zwischen Wissenschaft und Praxis schließen können.
Studie 4 untersucht die Fähigkeit unterschiedlicher Modellen Dürreauswirkungen vorherzusagen. In der Dürreforschung wurde die Vorhersage von Auswirkungen aufgrund des Datenmangels über Dürrefolgen bislang selten versucht. Studie 4 verwendet die EDIIALPS-Daten als Ersatz und vergleicht die Vorhersageleistung der logistischen Regression mit dem Random-Forest- Algorithmus. Mit der Vorhersage des nächsten Monats wird versucht, eine Auswirkungsprognose zu erstellen, während die Vorhersage in anderen Regionen die Möglichkeit evaluiert, Schätzungen für Auswirkungen zu erhalten, wenn keine Daten verfügbar sind. Alle Vorhersagen basieren auf ausgewählten Dürre-Indizes und geografischen Variablen. Auch wenn die Umwandlung von Textdaten in quantitative Daten strittig ist, zeigt die Bewertungsmetrik AUC eine gute Leistung für beide implementierten Modelltypen. Die logistische Regression ist besser, wenn die vorherzusagende Region durch sehr unterschiedliche Bedingungen gekennzeichnet ist. Das lässt sich auf die bessere Fähigkeit zu Extrapolation zurückführen. Die hier vorgestellten Modelle könnten als Ausgangspunkt für den Übergang zu einer wirkungsbasierten Frühwarnung vor Dürren dienen. Zusammenfassend trägt diese Arbeit zur Dürreforschung in Bergregionen bei, die nach wie vor unterrepräsentiert ist. Die große Anzahl und das breite Spektrum der berichteten Folgen von Dürre in den Alpen und deren Ausläufern unterstreicht die Vulnerabilität dieser Bergregion. Die Analyse der hier entwickelten Datenbank EDIIALPS zeigt starke räumlich-zeitliche Muster, mit gehäuften Dürrefolgen flussabwärts und in der Landwirtschaft. Dies ergänzt die bisherige Dürreforschung aus der Auswirkungsperspektive und könnte dazu beitragen, Dürre-Managementstrategien zu entwickeln. Dies ist besonders relevant für flussabwärts gelegene Regionen, die auf die Wasserversorgung von Regionen flussaufwärts angewiesen sind. Darüber hinaus unterstreicht die Arbeit den regionen-spezifischen Charakter von Vulnerabilität gegenüber Dürre. Dieser muss für maßgeschneiderte Anpassungsstrategien berücksichtigt werden, um die Resilienz in Zukunft zu verbessern. Da die Auswirkungsdaten generell limitiert sind, könnten die hier entwickelten Vorhersagemodelle als Werkzeug zur Abschätzung von Dürreauswirkungen in Regionen mit ähnlichen Bedingungen dienen. Außerdem könnten die Modelle ein erster Schritt für eine auswirkungsbasierte Frühwarnung sein, um Vorbereitungen zu treffen, die Notfallmaßnahmen vorweg nehmen könnten

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2023

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Wasserreserve ; Dürreresistenz ; Dürre ; Trockenheit ; Dürre ; Alpen ; Europa ; Alpen

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2023
• Urheber: Stephan, Ruth
• Beteiligte Personen und Organisationen: Stahl, Kerstin ; Stahl, Kerstin ; Schröer, Katharina ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/236965
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2369651
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:43 MEZ