The prediction of seasonal and inter-annual climate variations and their impacts on the water resources in the eastern seaboard of Thailand

The research of this thesis dissertation covers developments and applications of short-and long-term climate predictions. The short-term prediction emphasizes monthly and seasonal climate, i.e. forecasting from up to the next month over a season to up to a year or so. The long-term predictions pertain to the analysis of inter-annual- and decadal climate variations over the whole 21st century. These two climate prediction methods are validated and applied in the study area, namely, Khlong Yai (KY) water basin located in the eastern seaboard of Thailand which is a major industrial zone of the country and which has been suffering from severe drought and water shortage in recent years. Since water resources are essential for the further industrial development in this region, a thorough analysis of the potential climate change with its subsequent impact on the water supply in the area is at the heart of this thesis research. The short-term forecast of the next-season climate, such as temperatures and rainfall, offers a potential general guideline for water management and reservoir operation. To that avail, statistical models based on autoregressive techniques, i.e., AR-, ARIMA- and ARIMAex-, which includes additional external regressors, and multiple linear regression- (MLR) models, are developed and applied in the study region. Teleconnections between ocean states and the local climate are investigated and used as extra external predictors in the ARIMAex- and the MLR-model and shown to enhance the accuracy of the short-term predictions significantly. However, as the ocean state – local climate teleconnective relationships provide only a one- to four-month ahead lead time, the ocean state indices can support only a one-season-ahead forecast. Hence, GCM- climate predictors are also suggested as an additional predictor-set for a more reliable and somewhat longer short-term forecast. For the preparation of “pre-warning” information for up-coming possible future climate change with potential adverse hydrological impacts in the study region, the long-term climate prediction methodology is applied. The latter is based on the downscaling of climate predictions from several single- and multi-domain GCMs, using the two well-known downscaling methods SDSM and LARS-WG and a newly developed MLR-downscaling technique that allows the incorporation of a multitude of monthly or daily climate predictors from one- or several (multi-domain) parent GCMs. The numerous downscaling experiments indicate that the MLR- method is more accurate than SDSM and LARS-WG in predicting the recent past 20th-century (1971-2000) long-term monthly climate in the region. The MLR-model is, consequently, then employed to downscale 21st-century GCM- climate predictions under SRES-scenarios A1B, A2 and B1. However, since the hydrological watershed model requires daily-scale climate input data, a new stochastic daily climate generator is developed to rescale monthly observed or predicted climate series to daily series, while adhering to the statistical and geospatial distributional attributes of observed (past) daily climate series in the calibration phase. Employing this daily climate generator, 30 realizations of future daily climate series from downscaled monthly GCM-climate predictor sets are produced and used as input in the SWAT- distributed watershed model, to simulate future streamflow and other hydrological water budget components in the study region in a multi-realization manner. In addition to a general examination of the future changes of the hydrological regime in the KY-basin, potential future changes of the water budgets of three main reservoirs in the basin are analysed, as these are a major source of water supply in the study region. The results of the long-term 21st-century downscaled climate predictions provide evidence that, compared with the past 20th-reference period, the future climate in the study area will be more extreme, particularly, for SRES A1B. Thus, the temperatures will be higher and exhibit larger fluctuations. Although the future intensity of the rainfall is nearly constant, its spatial distribution across the region is partially changing. There is further evidence that the sequential rainfall occurrence will be decreased, so that short periods of high intensities will be followed by longer dry spells. This change in the sequential rainfall pattern will also lead to seasonal reductions of the streamflow and seasonal changes (decreases) of the water storage in the reservoirs. In any case, these predicted future climate changes with their hydrological impacts should encourage water planner and policy makers to develop adaptation strategies to properly handle the future water supply in this area, following the guidelines suggested in this study.

Interferometrisch messender faseroptischer Sensor mit mechanisch oszillierender Sonde

Punktförmig messende optische Sensoren zum Erfassen von Oberflächentopografien im Nanometerbereich werden in der Forschung und Industrie benötigt. Dennoch ist die Auswahl unterschiedlicher Technologien und kommerziell verfügbarer Sensoren gering. In dieser Dissertationsschrift werden die wesentlichen Aspekte eines Messsystems untersucht das über das Potenzial verfügt, zu den künftigen Standardmessmethoden zu gehören. Das Messprinzip beruht auf einem Common-Path-Interferometer. In einer mikrooptischen Sonde wird das Laserlicht auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet. Das vom Messobjekt reflektierte Licht interferiert sondenintern mit einem Referenzreflex. Die kompakte Bauweise bewirkt kurze optische Wege und eine gewisse Robustheit gegen Störeinflüsse. Die Abstandsinformation wird durch eine mechanische Oszillation in eine Phasenmodulation überführt. Die Phasenmodulation ermöglicht eine robuste Auswertung des Interferenzsignals, auch wenn eine zusätzliche Amplitudenmodulation vorhanden ist. Dies bietet den Vorteil, unterschiedlich geartete Oberflächen messen zu können, z. B. raue, teilweise transparente und geneigte Oberflächen. Es können wiederholbar Messungen mit einer Standardabweichung unter einem Nanometer erzielt werden. Die beschriebene mechanische Oszillation wird durch ein periodisches elektrisches Signal an einem piezoelektrischen Aktor hervorgerufen, der in einem Biegebalken integriert ist. Die Bauform des Balkens gestattet eine Hybridisierung von optischen und mechanischen Komponenten zu einer Einheit, welche den Weg zur weiteren Miniaturisierung aufzeigt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte so u. a. eine Sonde mit einer Bauhöhe unter 10 mm gefertigt werden. Durch eine zweite optische Wellenlänge lässt sich der eingeschränkte Eindeutigkeitsbereich des Laserinterferometers nachweislich vergrößern. Die hierfür eingesetzte Methode, die Stand der Technik ist, konnte erfolgreich problemspezifisch angepasst werden. Um das volle Potenzial des Sensors nutzen zu können, wurden zudem zahlreiche Algorithmen entworfen und erfolgreich getestet. Anhand von hier dokumentierten Messergebnissen können die Möglichkeiten, als auch die Schwächen des Messsystems abgeschätzt werden.

Urban Grass and Grass-Leaf Litter Mixtures as Source for Bioenergy Recovery

Städtische Biomassen der Grünflächen bilden eine potentielle, bisher weitgehend ungenutzte Ressource für Bioenergie. Kommunen pflegen die Grünflächen, lassen das Material aber verrotten oder führen es Deponien oder Müllverbrennungsanlagen zu. Diese Praxis ist kostenintensiv ohne für die Verwaltungen finanziellen Ausgleich bereitzustellen. Stattdessen könnte das Material energetisch verwertet werden. Zwei mögliche Techniken, um Bioenergie zu gewinnen, wurden mit krautigem Material des städtischen Straßenbegleitgrüns untersucht i) direkte anaerobe Fermentation (4 Schnitte im Jahr) und ii) „Integrierte Festbrennstoff- und Biogasproduktion aus Biomasse“ (IFBB), die Biomasse durch Maischen und mechanisches Entwässern in einen Presssaft und einen Presskuchen trennt (2 Schnitte im Jahr). Als Referenz wurde die aktuelle Pflege ohne Verwertungsoption mitgeführt (8faches Mulchen). Zusätzlich wurde die Eignung von Gras-Laub-Mischungen im IFBB-Verfahren untersucht. Der mittlere Biomasseertrag war 3.24, 3.33 und 5.68 t Trockenmasse ha-1 jeweils für die Pflegeintensitäten Mulchen, 4-Schnitt- und 2-Schnittnutzung. Obwohl die Faserkonzentration in der Biomasse der 2-Schnittnutzung höher war als im Material der 4-Schnittnutzung, unterschieden sich die Methanausbeuten nicht signifikant. Der Presskuchen aus dem krautigen Material des Straßenbegleitgrüns hatte einen Heizwert von 16 MJ kg-1 Trockenmasse, während der Heizwert des Presskuchens der Gras-Laub-Mischung in Abhängigkeit vom Aschegehalt zwischen 15 und 17 MJ kg-1 Trockenmasse lag. Der Aschegehalt der Mischungen war höher als der Grenzwert nach DIN EN 14961-6:2012 (für nicht-holzige Brennstoffe), was auf erhöhte Bodenanhaftung auf Grund der Erntemethoden zurückzuführen sein könnte. Der Aschegehalt des krautigen Materials vom Straßenrand hielt die Norm jedoch ein. Die Elementkonzentration (Ca, Cl, K, Mg, N, Na, P, S, Al, Cd, Cr, Cu, Mn, Pb, Si, Zn) im krautigen Material war generell ähnlich zu Landwirtschafts- oder Naturschutzgrünland. In den Mischungen nahm die Elementkonzentration (Al, Cl, K, N, Na, P, S, Si) mit zunehmendem Laubanteil ab. Die Konzentration von Ca, Mg und der Neutral-Detergenz-Fasern stieg hingegen an. Die IFBB-Technik reduzierte die Konzentrationen der in der Verbrennung besonders schädlichen Elemente Cl, K und N zuverlässig. Außer den potentiell hohen Aschegehalten, wurde während der Untersuchungen kein technischer Grund entdeckt, der einer energetischen Verwertung des getesteten urbanen Materials entgegenstehen würde. Ökonomische, soziale und ökologische Auswirkungen einer Umsetzung müssen beachtet werden. Eine oberflächliche Betrachtung auf Basis des bisherigen Wissens lässt hoffen, dass eine bioenergetische Verwertung städtischen Materials auf allen Ebenen nachhaltig sein könnte.

Large Numerical Models in Continuous Hybrid Simulation

Hybrid simulation is a technique that combines experimental and numerical testing and has been used for the last decades in the fields of aerospace, civil and mechanical engineering. During this time, most of the research has focused on developing algorithms and the necessary technology, including but not limited to, error minimisation techniques, phase lag compensation and faster hydraulic cylinders. However, one of the main shortcomings in hybrid simulation that has pre- vented its widespread use is the size of the numerical models and the effect that higher frequencies may have on the stability and accuracy of the simulation. The first chapter in this document provides an overview of the hybrid simulation method and the different hybrid simulation schemes, and the corresponding time integration algorithms, that are more commonly used in this field. The scope of this thesis is presented in more detail in chapter 2: a substructure algorithm, the Substep Force Feedback (Subfeed), is adapted in order to fulfil the necessary requirements in terms of speed. The effects of more complex models on the Subfeed are also studied in detail, and the improvements made are validated experimentally. Chapters 3 and 4 detail the methodologies that have been used in order to accomplish the objectives mentioned in the previous lines, listing the different cases of study and detailing the hardware and software used to experimentally validate them. The third chapter contains a brief introduction to a project, the DFG Subshake, whose data have been used as a starting point for the developments that are shown later in this thesis. The results obtained are presented in chapters 5 and 6, with the first of them focusing on purely numerical simulations while the second of them is more oriented towards a more practical application including experimental real-time hybrid simulation tests with large numerical models. Following the discussion of the developments in this thesis is a list of hardware and software requirements that have to be met in order to apply the methods described in this document, and they can be found in chapter 7. The last chapter, chapter 8, of this thesis focuses on conclusions and achievements extracted from the results, namely: the adaptation of the hybrid simulation algorithm Subfeed to be used in conjunction with large numerical models, the study of the effect of high frequencies on the substructure algorithm and experimental real-time hybrid simulation tests with vibrating subsystems using large numerical models and shake tables. A brief discussion of possible future research activities can be found in the concluding chapter.

Der Einfluss von Lego Mindstorms Experimenten auf das Interesse von Lernenden und deren Vorstellung zum Energiebegriff

Studien zufolge ist das Schulfach Physik eines der unbeliebtesten Schulfächer. Die Beweggründe für diese Einstellungen sind vielfältig: Kaum ein Schulfach verwendet eine so künstliche Sprache und begibt sich in eine derart abstrakte und nüchterne Gedanken- und Zahlenwelt. Um die Defizite des Physikunterrichts zu überwinden, gab es in den vergangenen Jahren immer wieder Versuche von Lehrmittelherstellern, aktuelle Forschungsergebnisse der Physik-Fachdidaktik in die Entwicklung von Lehrmitteln für den Physikunterricht einfließen zu lassen. Auch der dänische Spielzeughersteller Lego bietet seit 1998 mit seinem Lego Mindstorms System ein Lehrmittel an, das neben dem Einsatz im Informatik- und Mathematikunterricht auch Möglichkeiten zur Anwendung im Physikunterricht zulässt. Die aktuellste Version der Lego Mindstorms bietet zahlreiche Versuche zu verschiedenen Bereichen der Physik an. Lego Mindstorms Experimente ermöglichen so einen spielerischen und positiv belegten Zugang zu Physikexperimenten. Allerdings stellt sich die Frage, inwiefern die Lego Mindstorms Experimente geeignet sind, die eingangs benannten Defizite des Physikunterrichts zu verringern. Kann der Einsatz von Lego Mindstorms Physikexperimenten also dazu beitragen, Lernbarrieren und Hemmnisse abzubauen, das Selbstkonzept der Lernenden sowie deren Interesse am Physikunterricht zu verbessern und gleichzeitig einen kontextorientierten und fachwissenschaftlich fundierten Unterricht zu ermöglichen?