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.

Thermoaktive Bauteilsysteme - Ein neuer simulationstechnischer Berechnungsansatz

Thermoaktive Bauteilsysteme sind Bauteile, die als Teil der Raumumschließungsflächen über ein integriertes Rohrsystem mit einem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagt werden können und so die Beheizung oder Kühlung des Raumes ermöglichen. Die Konstruktionenvielfalt reicht nach diesem Verständnis von Heiz, bzw. Kühldecken über Geschoßtrenndecken mit kern-integrierten Rohren bis hin zu den Fußbodenheizungen. Die darin enthaltenen extrem trägen Systeme werden bewußt eingesetzt, um Energieangebot und Raumenergiebedarf unter dem Aspekt der rationellen Energieanwendung zeitlich zu entkoppeln, z. B. aktive Bauteilkühlung in der Nacht, passive Raumkühlung über das kühle Bauteil am Tage. Gebäude- und Anlagenkonzepte, die träge reagierende thermoaktive Bauteilsysteme vorsehen, setzen im kompetenten und verantwortungsvollen Planungsprozeß den Einsatz moderner Gebäudesimulationswerkzeuge voraus, um fundierte Aussagen über Behaglichkeit und Energiebedarf treffen zu können. Die thermoaktiven Bauteilsysteme werden innerhalb dieser Werkzeuge durch Berechnungskomponenten repräsentiert, die auf mathematisch-physikalischen Modellen basieren und zur Lösung des bauteilimmanenten mehrdimensionalen instationären Wärmeleitungsproblems dienen. Bisher standen hierfür zwei unterschiedliche prinzipielle Vorgehensweisen zur Lösung zur Verfügung, die der physikalischen Modellbildung entstammen und Grenzen bzgl. abbildbarer Geometrie oder Rechengeschwindigkeit setzen. Die vorliegende Arbeit dokumentiert eine neue Herangehensweise, die als experimentelle Modellbildung bezeichnet wird. Über den Weg der Systemidentifikation können aus experimentell ermittelten Datenreihen die Parameter für ein kompaktes Black-Box-Modell bestimmt werden, das das Eingangs-Ausgangsverhalten des zugehörigen beliebig aufgebauten thermoaktiven Bauteils mit hinreichender Genauigkeit widergibt. Die Meßdatenreihen lassen sich über hochgenaue Berechnungen generieren, die auf Grund ihrer Detailtreue für den unmittelbaren Einsatz in der Gebäudesimulation ungeeignet wären. Die Anwendung der Systemidentifikation auf das zweidimensionale Wärmeleitungsproblem und der Nachweis ihrer Eignung wird an Hand von sechs sehr unterschiedlichen Aufbauten thermoaktiver Bauteilsysteme durchgeführt und bestätigt sehr geringe Temperatur- und Energiebilanzfehler. Vergleiche zwischen via Systemidentifikation ermittelten Black-Box-Modellen und physikalischen Modellen für zwei Fußbodenkonstruktionen zeigen, daß erstgenannte auch als Referenz für Genauigkeitsabschätzungen herangezogen werden können. Die Praktikabilität des neuen Modellierungsansatzes wird an Fallstudien demonstriert, die Ganzjahressimulationen unter Bauteil- und Betriebsvariationen an einem exemplarischen Büroraum betreffen. Dazu erfolgt die Integration des Black-Box-Modells in das kommerzielle Gebäude- und Anlagensimulationsprogramm CARNOT. Die akzeptablen Rechenzeiten für ein Einzonen-Gebäudemodell in Verbindung mit den hohen Genauigkeiten bescheinigen die Eignung der neuen Modellierungsweise.

Effect of management strategies on the performance of ruminant livestock production systems and the safety of plant and animal products in the city of Sikasso, Mali

The regional population growth in West Africa, and especially its urban centers, will bring about new and critical challenges for urban development policy, especially in terms of ensuring food security and providing employment for the growing population. (Peri-) urban livestock and vegetable production systems, which can contribute significantly to these endeavours, are limited by various constraints, amongst them limited access to expensive production factors and their (in)efficient use. To achieve sustainable production systems with low consumer health risks, that can meet the urban increased demand, this doctoral thesis determined nutrient use efficiencies in representative (peri-) urban livestock production systems in three West African cities, and investigated potential health risks for consumers ensuing from there. The field study, which was conducted during July 2007 to December 2009, undertook a comparative analysis of (peri-) urban livestock production strategies across 210 livestock keeping households (HH) in the three West African cities of Kano/Nigeria (84 HH), Bobo Dioulasso/Burkina Faso (63 HH) and Sikasso/Mali (63 HH). These livestock enterprises were belonging to the following three farm types: commercial gardening plus field crops and livestock (cGCL; 88 HH), commercial livestock plus subsistence field cropping (cLsC; 109 HH) and commercial gardening plus semi-commercial livestock (cGscL; 13 HH) which had been classified in a preceding study; they represented the diversity of (peri-) urban livestock production systems in West Africa. In the study on the efficiency of ruminant livestock production, lactating cowsand sheep herd units were differentiated based on whether feed supplements were offered to the animals at the homestead (Go: grazing only; Gsf: mainly grazing plus some supplement feeding). Inflows and outflows of nutrients were quantified in these herds during 18 months, and the effects of seasonal variations in nutrient availability on animals’ productivity and reproductive performance was determined in Sikasso. To assess the safety of animal products and vegetables, contamination sources of irrigated lettuce and milk with microbiological contaminants, and of tomato and cabbage with pesticide residues in (peri-) urban agriculture systems of Bobo Dioulasso and Sikasso were characterized at three occasions in 2009. Samples of irrigation water, organic fertilizer and ix lettuce were collected in 6 gardens, and samples of cabbage and tomato in 12 gardens; raw and curdled milk were sampled in 6 dairy herds. Information on health risks for consumers of such foodstuffs was obtained from 11 health centers in Sikasso. In (peri-) urban livestock production systems, sheep and goats dominated (P<0.001) in Kano compared to Bobo Dioulasso and Sikasso, while cattle and poultry were more frequent (P<0.001) in Bobo Dioulasso and Sikasso than in Kano. Across cities, ruminant feeding relied on grazing and homestead supplementation with fresh grasses, crop residues, cereal brans and cotton seed cake; cereal grains and brans were the major ingredients of poultry feeds. There was little association of gardens and livestock; likewise field cropping and livestock were rarely integrated. No relation existed between the education of the HH head and the adoption of improved management practices (P>0.05), but the proportion of HH heads with a long-term experience in (peri-) urban agriculture was higher in Kano and in Bobo Dioulasso than in Sikasso (P<0.001). Cattle and sheep fetched highest market prices in Kano; unit prices for goats and chicken were highest in Sikasso. Animal inflow, outflow and dairy herd growth rates were significantly higher (P<0.05) in the Gsf than in the Go cattle herds. Maize bran and cottonseed expeller were the main feeds offered to Gsf cows as dry-season supplement, while Gsf sheep received maize bran, fresh grasses and cowpea pods. The short periodic transhumance of Go dairy cows help them maintaining their live weight, whereas Gsf cows lost weight during the dry season despite supplement feeding at a rate of 1506 g dry matter per cow and day, resulting in low productivity and reproductive performance. The daily live weight gains of calves and lambs, respectively, were low and not significantly different between the Go and the Gsf system. However, the average live weight gains of lambs were significantly higher in the dry season (P<0.05) than in the rainy season because of the high pressure of gastrointestinal parasites and of Trypanosoma sp. In consequence, 47% of the sheep leaving the Go and Gsf herds died due to diseases during the study period. Thermo-tolerant coliforms and Escherichia coli contamination levels of irrigation water significantly exceeded WHO recommendations for the unrestricted irrigation of vegetables consumed raw. Microbial contamination levels of lettuce at the farm gate and the market place in Bobo Dioulasso and at the farm gate in Sikasso were higher than at the market place in Sikasso (P<0.05). Pesticide residues were detected in only one cabbage and one tomato sample and were below the maximum residue limit for consumption. Counts of thermo-tolerant coliforms and Escherichia coli were higher in curdled than in raw milk (P<0.05). From 2006 to x 2009, cases of diarrhea/vomiting and typhoid fever had increased by 11% and 48%, respectively, in Sikasso. For ensuring economically successful and ecologically viable (peri-) urban livestock husbandry and food safety of (peri-) urban foodstuffs of animal and plant origin, the dissemination and adoption of improved feeding practices, livestock healthcare and dung management are key. In addition, measures fostering the safety of animal products and vegetables including the appropriate use of wastewater in (peri-) urban agriculture, restriction to approve vegetable pesticides and the respect of their latency periods, and passing and enforcement of safety laws is required. Finally, the incorporation of environmentally sound (peri-) urban agriculture in urban planning by policy makers, public and private extension agencies and the urban farmers themselves is of utmost importance. To enable an efficient (peri-) urban livestock production in the future, research should concentrate on cost-effective feeding systems that allow meeting the animals’ requirement for production and reproduction. Thereby focus should be laid on the use of crop-residues and leguminous forages. The improvement of the milk production potential through crossbreeding of local cattle breeds with exotic breeds known for their high milk yield might be an accompanying option, but it needs careful supervision to prevent the loss of the local trypanotolerant purebreds.

Characterization of the molecular clockwork in the cockroach Rhyparobia maderae

Der Wechsel von Tag und Nacht erzeugt einen regelmäßigen Rhythmus von verschiedenen Umweltreizen, allen voran Licht und Temperatur. Fast jedes bis zum heutigen Tage untersuchte Lebewesen besitzt einen endogenen Mechanismus zur Zeitwahrnehmung, und diese "innere Uhr" befähigt Lebewesen dazu, sich vorausschauend an rhythmische Umwelt-Änderungen anzupassen. Circadiane Rhythmen bestehen auch ohne jegliche äußere Reize und basieren auf einem molekularen Rückkopplungs-Mechanismus, der Rhythmen in Genexpression und Proteinkonzentration von etwa 24 Stunden erzeugt. Obwohl sich die grundsätzlichen Mechanismen und Komponenten dieses molekularen Uhrwerks in allen Insekten ähneln, zeigte sich jedoch immer mehr, dass es im Detail doch wesentliche Unterschiede zwischen verschiedenen Insektengruppen gibt. Während das molekulare Uhrwerk der Fruchtfliege Drosophila melanogaster inzwischen sehr gut untersucht ist, fehlen bei den meisten Insektengruppen immernoch eingehende Untersuchungen. Fast nichts ist über die molekulare Basis von circadianen Rhythmen bei der Schabe Rhyparobia maderae bekannt, obwohl diese Art bereits seit Langem als Modellorganismus in der Chronobiologie dient. Um mit der Forschung am molekularen, circadianen System von R. maderae zu beginnen, wurde die Struktur und das Expressionsprofil der core feedback loop Gene per, tim1 und cry2 analysiert. Mittels degenerierten Primern und RACE konnte das vollständige offene Leseraster (OLR) von rmPer und rmCry2, und ein Teil des rmTim1 OLR kloniert werden. Eine phylogenetische Analyse gruppierte rmPER und rmCRY2 gemeinsam mit den Orthologa hemimetaboler Insekten. Viele bei D. melanogaster funktionell charakterisierte Domänen sind bei diesen Proteinen konserviert, was auf eine ähnliche Funktion in der inneren Uhr von R. maderae hinweist. Mittels quantitativer PCR konnte gezeigt werden, dass die mRNA von rmPer, rmTim1 und rmCry2 in verschiedenen Lichtregimen in der gleichen Phasenlage Tageszeit-abhängig schwankt. Die Phasenlage stellte sich bei unterschiedlichen Photoperioden jeweils relativ zum Beginn der Skotophase ein, mit Maxima in der ersten Hälfte der Nacht. Auch im Dauerdunkel zeigen sich Rhythmen in der rmTim1 und rmCry2 Expression. Die Amplitude der rmPer Expressionsrhythmen war jedoch so gering, dass keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Zeitgeberzeiten (ZT) festgestellt werden konnten. Mittels Laufrad-Assays wurde untersucht wie Kurz- und Langtag Lichtregime die Verhaltensrhythmen beeinflussen. Es konnten nur Unterschiede in der Periodenlänge unter freilaufenden Bedingungen festgestellt werden, wenn höhere Lichtintensitäten (1000lx) zur Synchronisation (entrainment) genutzt wurden. Die Periode des freilaufenden Rhythmus war bei Tieren aus dem Kurztag länger. Die photoperiodische Plastizität zeigte sich also auch auf Verhaltensebene, obwohl höhere Lichtintensitäten notwendig waren um einen Effekt zu beobachten. Basierend auf den Sequenzen der zuvor klonierten OLR wurden gegen rmPER, rmTIM1 und rmCRY2 gerichtete Antikörper hergestellt. Die Antikörper gegen rmPER und rmTIM1 erkannten in western blots sehr wahrscheinlich spezifisch das jeweilige Protein. Zeitreihen von Gehirngewebe-Homogenisaten zeigten keinen offensichtlichen circadianen Rhythmus in der Proteinkonzentration, wahrscheinlich auf Grund einer Oszillation mit niedriger Amplitude. In Immunhistochemischen Färbungen konnte nur mit dem gegen rmPER gerichteten Antikörper aus Kaninchen ein Signal beobachtet werden. Beinahe jede Zelle des Zentralnervensystems war rmPER-immunreaktiv im Zellkern. Es konnten keine Unterschiede zwischen den untersuchten ZTs festgestellt werden, ähnlich wie bei den western blot Zeitreihen. In dieser Studie konnten erstmals molekulare Daten der circadianen Uhr von R. maderae erfasst und dargestellt werden. Die Uhrgene per, tim1 und cry2 werden in dieser Schabenart exprimiert und ihre Domänenstruktur sowie das circadiane Expressionsmuster ähneln dem hypothetischen ursprünglichen Insektenuhrwerk, welches der circadianen Uhr von Vertebraten nahesteht. Das molekulare Uhrwerk von R. maderae kann sich an unterschiedliche Photoperioden anpassen, und diese Anpassungen manifestieren sich im Expressionsprofil der untersuchten Uhrgene ebenso wie im Verhalten.