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Die Hochwasserkatastrophe im Juli 2021 in Westdeutschland erfordert eine kritische Diskussion über die Abschätzung der Hoch- wassergefährdung, Aktualisierung von Hochwassergefahrenkarten und Kommunikation von extremen Hochwasserszenarien. In der vor- liegenden Arbeit wurde die Extremwertstatistik für die jährlichen maximalen Spitzenabflüsse am Pegel Altenahr im Ahrtal mit und ohne Berücksichtigung historischer Hochwasser berechnet und verglichen. Die Schätzung der Wiederkehrperiode für das aktuelle Hoch- wasser mittels Generalisierter Extremwertverteilung (GEV) unter Berücksichtigung historischer Hochwasser schwankt zwischen etwa 2.600 und über 58.700 Jahren (90%-Konfidenzintervall) mit einem Median bei etwa 8.600 Jahren, wogegen die Schätzung, die nur auf der systematisch gemessenen Abflusszeitreihe von 74 Jahren basiert, theoretisch eine Wiederkehrperiode von über 100 Millionen Jahren ergeben würde. Die Berücksichtigung der historischen Hochwasser führt zu einer dramatischen Änderung der Hochwasserquan- tile, die für eine Gefahrenkartierung zugrunde gelegt werden. Die Anpassung der GEV an die Zeitreihe mit historischen Hochwassern zeigt dennoch, dass das GEV-Modell möglicherweise die Grundgesamtheit der Hochwasser im Ahrtal nicht adäquat abbilden kann. Es könnte sich im vorliegenden Fall um eine gemischte Stichprobe handeln, in der die extremen Hochwasser im Vergleich zu kleineren Ereignissen durch besondere Prozesse hervorgerufen werden. Somit könnten die Wahrscheinlichkeiten von extremen Hochwassern deutlich größer sein, als aus dem GEV-Modell hervorgeht. Hier sollte in Zukunft die Anwendung einer prozessbasierten Mischverteilung untersucht werden. Der Vergleich von amtlichen Gefahrenkarten zu Extremhochwassern (HQextrem) im Ahrtal mit den Überflutungsflächen vom Juli 2021 zeigt eine deutliche Diskrepanz in den betroffenen Gebieten und die Notwendigkeit, die Grundlagen zur Erstellung der Extremszena- rien zu überdenken. Die hydrodynamisch-numerischen Simulationen von 1.000-jährlichen Hochwassern (HQ1000) unter Berücksich- tigung historischer Ereignisse und des größten historischen Hochwassers 1804 können die Gefährdung des Juli-Hochwassers 2021 deutlich besser widerspiegeln, wenngleich auch diese beiden Szenarien die Überflutungsflächen unterschätzen. Besondere Effekte wie die Verklausung von Brücken und die geomorphologischen Änderungen im Flussschlauch führten zu noch größeren Überflutungs- flächen im Juli 2021, als die Simulationsergebnisse zeigten. Basierend auf dieser Analyse wird eine einheitliche Festlegung von HQextrem bei Hochwassergefahrenkartierungen in Deutschland vorgeschlagen, die sich an höheren Hochwasserquantilen im Bereich von HQ1000 orientiert. Zusätzlich sollen simulationsbasierte Rekonstruktionen von den größten verlässlich dokumentierten historischen Hoch- wassern und/oder synthetische Worst-Case-Szenarien in den Hochwassergefahrenkarten gesondert dargestellt werden. Damit wird ein wichtiger Beitrag geleistet, um die potenziell betroffene Bevölkerung und das Katastrophenmanagement vor Überraschungen durch sehr seltene und extreme Hochwasser in Zukunft besser zu schützen.

River floods are among the most devastating natural hazards worldwide. As their generation is highly dependent on climatic conditions, their magnitude and frequency are projected to be affected by future climate change. Therefore, it is crucial to study the ways in which a changing climate will, and already has, influenced flood generation, and thereby flood hazard. Additionally, it is important to understand how other human influences - specifically altered land cover - affect flood hazard at the catchment scale. The ways in which flood generation is influenced by climatic and land cover conditions differ substantially in different regions. The spatial variability of these effects needs to be taken into account by using consistent datasets across large scales as well as applying methods that can reflect this heterogeneity. Therefore, in the first study of this cumulative thesis a complex network approach is used to find 10 clusters of similar flood behavior among 4390 catchments in the conterminous United States. By using a consistent set of 31 hydro-climatological and land cover variables, and training a separate Random Forest model for each of the clusters, the regional controls on flood magnitude trends between 1960-2010 are detected. It is shown that changes in rainfall are the most important drivers of these trends, while they are regionally controlled by land cover conditions. While climate change is most commonly associated with flood magnitude trends, it has been shown to also influence flood timing. This can lead to trends in the size of the area across which floods occur simultaneously, the flood synchrony scale. The second study is an analysis of data from 3872 European streamflow gauges and shows that flood synchrony scales have increased in Western Europe and decreased in Eastern Europe. These changes are attributed to changes in flood generation, especially a decreasing relevance of snowmelt. Additionally, the analysis shows that both the absolute values and the trends of flood magnitudes and flood synchrony scales are positively correlated. If these trends persist in the future and are not accounted for, the combined increases of flood magnitudes and flood synchrony scales can exceed the capacities of disaster relief organizations and insurers. Hazard cascades are an additional way through which climate change can influence different aspects of flood hazard. The 2019/2020 wildfires in Australia, which were preceded by an unprecedented drought and extinguished by extreme rainfall that led to local flooding, present an opportunity to study the effects of multiple preceding hazards on flood hazard. All these hazards are individually affected by climate change, additionally complicating the interactions within the cascade. By estimating and analyzing the burn severity, rainfall magnitude, soil erosion and stream turbidity in differently affected tributaries of the Manning River catchment, the third study shows that even low magnitude floods can pose a substantial hazard within a cascade. This thesis shows that humanity is affecting flood hazard in multiple ways with spatially and temporarily varying consequences, many of which were previously neglected (e.g. flood synchrony scale, hazard cascades). To allow for informed decision making in risk management and climate change adaptation, it will be crucial to study these aspects across the globe and to project their trajectories into the future. The presented methods can depict the complex interactions of different flood drivers and their spatial variability, providing a basis for the assessment of future flood hazard changes. The role of land cover should be considered more in future flood risk modelling and management studies, while holistic, transferable frameworks for hazard cascade assessment will need to be designed., Flusshochwasser gehören zu den verheerendsten Naturkatastrophen weltweit. Ihre Entstehung hängt von klimatischen Bedingungen ab, weshalb vorhergesagt wird, dass sich ihre Magnituden und Häufigkeit durch den Klimawandel ändern werden. Daher ist es notwendig zu untersuchen, auf welche Art sich ein verändertes Klima - auch im Vergleich mit Effekten durch Landbedeckungsänderungen - auf Hochwasserentstehung und -gefahr auswirken könnte und das bereits getan hat. Diese kumulative Arbeit beleuchtet drei Teilaspekte dieses Themas. In der ersten Studie werden mittels maschinellen Lernens die wichtigsten Variablen entdeckt und untersucht, die die Änderungen von Hochwassermagnituden in 4390 Einzugsgebieten in den USA von 1960-2010 kontrolliert haben. Es wird gezeigt, dass Änderungen der Regenmengen der entscheidende Faktor waren, während Landnutzung regional von großer Bedeutung war. Die zweite Studie untersucht von 1960-2010 Änderungen in der Distanz innerhalb welcher Hochwasser in verschiedenen Flüssen gleichzeitig auftreten. Daten von 3872 europäischen Flusspegeln zeigen, dass sich die Fläche der gleichzeitigen Überflutung in Westeuropa vergrößert und in Osteuropa verkleinert hat, was auf abnehmende Relevanz der Schneeschmelze bei der Hochwasserentstehung zurückzuführen ist. Die dritte Studie behandelt die Auswirkungen kaskadierender Naturkatastrophen auf Hochwasser am Beispiel der australischen Waldbrände 2019/2020. Die Untersuchung der verschieden stark betroffenen Nebenflüsse des Manning River zeigt, dass in einer Naturgefahrenkaskade selbst gewöhnliche Hochwasser substantielle Auswirkungen haben können. Diese Arbeit zeigt, dass die Menschheit Hochwassergefahren auf verschiedene Arten und mit räumlich sowie zeitlich variablen Resultaten beeinflusst. Diese Aspekte müssen zukünftig global näher untersucht und ihre Entwicklung für die Zukunft modelliert werden, um fundierte Entscheidungen in Hochwasserschutz treffen zu können. Für Hochwassermagnituden und die Fläche gleichzeitiger Überflutung können hierfür die präsentierten Methoden adaptiert werden.

The Atacama Fault System (AFS) is an active trench-parallel fault system, located in the forearc of N-Chile directly above the subduction zone interface. Due to its well-exposed position in the hyper arid forearc of N-Chile it is the perfect target to investigate the interaction between the deformation cycle in the overriding forearc and the subduction zone seismic cycle of the underlying megathrust. Although the AFS and large parts of the upper crust are devoid of any noteworthy seismicity or historically documented earthquakes, at least three M=7 earthquakes in the past 10 ky have been documented in the paleoseismological record, demonstrating the potential of large events in the future. We apply a two-fold approach to explore fault activation and reactivation patterns through time and to investigate the triggering potential of upper crustal faults. 1) A new methodology using high-resolution topographic data allows us to investigate the number of past earthquakes for any given segment of the fault system as well as the amount of vertical displacement of the last increment. This provides us with a detailed dataset of past earthquake rupture of upper plate faults which is potentially linked to large subduction zone earthquakes. 2) The IPOC Creepmeter array provides us with high-resolution time series of fault displacement accumulation for eleven stations along the four most active branches of the AFS.