Interannual and interdecadal oscillations in hydrological variables: Sources and modeling of the persistence in the Elbe River Basin

Wenn man die Existenz von physikalischen Mechanismen ignoriert, die für die Struktur hydrologischer Zeitreihen verantwortlich sind, kann das zu falschen Schlussfolgerungen bzgl. des Vorhandenseins möglicher Gedächtnis (memory) -Effekte, d.h. von Persistenz, führen. Die hier vorgelegte Doktorarbeit spürt der niedrigfrequenten klimatischen Variabilität innerhalb den hydrologischen Zyklus nach und bietet auf dieser "Reise" neue Einsichten in die Transformation der charakteristischen Eigenschaften von Zeitreihen mit einem Langzeitgedächtnis. Diese Studie vereint statistische Methoden der Zeitreihenanalyse mit empirisch-basierten Modelltechniken, um operative Modelle zu entwickeln, die in der Lage sind (1) die Dynamik des Abflusses zu modellieren, (2) sein zukünftiges Verhalten zu prognostizieren und (3) die Abflusszeitreihen an unbeobachteten Stellen abzuschätzen. Als solches präsentiert die hier vorgelegte Dissertation eine ausführliche Untersuchung zu den Ursachen der niedrigfrequenten Variabilität von hydrologischen Zeitreihen im deutschen Teil des Elbe-Einzugsgebietes, den Folgen dieser Variabilität und den physikalisch basierten Reaktionen von Oberflächen- und Grundwassermodellen auf die niedrigfrequenten Niederschlags-Eingangsganglinien. Die Doktorarbeit gliedert sich wie folgt: In Kapitel 1 wird als Hintergrundinformation das Hurst Phänomen beschrieben und ein kurzer Rückblick auf diesbezügliche Studien gegeben. Das Kapitel 2 diskutiert den Einfluss der Präsenz von niedrigfrequenten periodischen Zeitreihen auf die Zuverlässigkeit verschiedener Hurst-Parameter-Schätztechniken. Kapitel 3 korreliert die niedrigfrequente Niederschlagsvariabilität mit dem Index der Nord-Atlantischen Ozillations (NAO). Kapitel 4-6 sind auf den deutschen Teil des Elbe-Einzugsgebietes fokussiert. So werden in Kapitel 4 die niedrigfrequenten Variabilitäten der unterschiedlichen hydro-meteorologischen Parameter untersucht und es werden Modelle beschrieben, die die Dynamik dieser Niedrigfrequenzen und deren zukünftiges Verhalten simulieren. Kapitel 5 diskutiert die mögliche Anwendung der Ergebnisse für die charakteristische Skalen und die Verfahren der Analyse der zeitlichen Variabilität auf praktische Fragestellungen im Wasserbau sowie auf die zeitliche Bestimmung des Gebiets-Abflusses an unbeobachteten Stellen. Kapitel 6 verfolgt die Spur der Niedrigfrequenzzyklen im Niederschlag durch die einzelnen Komponenten des hydrologischen Zyklus, nämlich dem Direktabfluss, dem Basisabfluss, der Grundwasserströmung und dem Gebiets-Abfluss durch empirische Modellierung. Die Schlussfolgerungen werden im Kapitel 7 präsentiert. In einem Anhang werden technische Einzelheiten zu den verwendeten statistischen Methoden und die entwickelten Software-Tools beschrieben.

Smart electricity networks based on large integration of renewable sources and distributed generation

Das Grünbuch 2006 der Europäischen Kommission "Eine Europäische Strategie für nachhaltige, wettbewerbsfähige und sichere Energie" unterstreicht, dass Europa in ein neues Energie-Zeitalter eingetreten ist. Die vorrangigen Ziele europäischer Energiepolitik müssen Nachhaltigkeit, Wettbewerbsfähigkeit und Versorgungssicherheit sein, wobei sie eine zusammenhängende und logische Menge von Taktiken und Maßnahmen benötigt, um diese Ziele zu erreichen. Die Strommärkte und Verbundnetze Europas bilden das Kernstück unseres Energiesystems und müssen sich weiterentwickeln, um den neuen Anforderungen zu entsprechen. Die europäischen Stromnetze haben die lebenswichtigen Verbindungen zwischen Stromproduzenten und Verbrauchern mit großem Erfolg seit vielen Jahrzehnten gesichert. Die grundlegende Struktur dieser Netze ist entwickelt worden, um die Bedürfnisse großer, überwiegend auf Kohle aufgebauten Herstellungstechnologien zu befriedigen, die sich entfernt von den Verbraucherzentren befinden. Die Energieprobleme, denen Europa jetzt gegenübersteht, ändern die Stromerzeugungslandschaft in zwei Gesichtspunkten: die Notwendigkeit für saubere Kraftwerkstechnologien verbunden mit erheblich verbesserten Wirkungsgraden auf der Verbraucherseite wird es Kunden ermöglichen, mit den Netzen viel interaktiver zu arbeiten; andererseits müssen die zukünftigen europaweiten Stromnetze allen Verbrauchern eine höchst zuverlässige, preiswerte Energiezufuhr bereitstellen, wobei sowohl die Nutzung von großen zentralisierten Kraftwerken als auch kleineren lokalen Energiequellen überall in Europa ausgeschöpft werden müssen. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Informationen, die in dieser Arbeit dargestellt werden, auf aktuellen Fragen mit großem Einfluss auf die gegenwärtigen technischen und wirtschaftspolitischen Diskussionen basieren. Der Autor hat während der letzten Jahre viele der hier vorgestellten Schlussfolgerungen und Empfehlungen mit Vertretern der Kraftwerksindustrie, Betreibern von Stromnetzen und Versorgungsbetrieben, Forschungsgremien und den Regulierungsstellen diskutiert. Die folgenden Absätze fassen die Hauptergebnisse zusammen: Diese Arbeit definiert das neue Konzept, das auf mehr verbraucherorientierten Netzen basiert, und untersucht die Notwendigkeiten sowie die Vorteile und die Hindernisse für den Übergang auf ein mögliches neues Modell für Europa: die intelligenten Stromnetze basierend auf starker Integration erneuerbarer Quellen und lokalen Kleinkraftwerken. Das neue Modell wird als eine grundlegende Änderung dargestellt, die sich deutlich auf Netzentwurf und -steuerung auswirken wird. Sie fordert ein europäisches Stromnetz mit den folgenden Merkmalen: – Flexibel: es erfüllt die Bedürfnisse der Kunden, indem es auf Änderungen und neue Forderungen eingehen kann – Zugänglich: es gestattet den Verbindungszugang aller Netzbenutzer besonders für erneuerbare Energiequellen und lokale Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad sowie ohne oder mit niedrigen Kohlendioxidemissionen – Zuverlässig: es verbessert und garantiert die Sicherheit und Qualität der Versorgung mit den Forderungen des digitalen Zeitalters mit Reaktionsmöglichkeiten gegen Gefahren und Unsicherheiten – Wirtschaftlich: es garantiert höchste Wirtschaftlichkeit durch Innovation, effizientes Energiemanagement und liefert „gleiche Ausgangsbedingungen“ für Wettbewerb und Regulierung. Es beinhaltet die neuesten Technologien, um Erfolg zu gewährleisten, während es die Flexibilität behält, sich an weitere Entwicklungen anzupassen und fordert daher ein zuversichtliches Programm für Forschung, Entwicklung und Demonstration, das einen Kurs im Hinblick auf ein Stromversorgungsnetz entwirft, welches die Bedürfnisse der Zukunft Europas befriedigt: – Netztechnologien, die die Stromübertragung verbessern und Energieverluste verringern, werden die Effizienz der Versorgung erhöhen, während neue Leistungselektronik die Versorgungsqualität verbessern wird. Es wird ein Werkzeugkasten erprobter technischer Lösungen geschaffen werden, der schnell und wirtschaftlich eingesetzt werden kann, so dass bestehende Netze Stromeinleitungen von allen Energieressourcen aufnehmen können. – Fortschritte bei Simulationsprogrammen wird die Einführung innovativer Technologien in die praktische Anwendung zum Vorteil sowohl der Kunden als auch der Versorger stark unterstützen. Sie werden das erfolgreiche Anpassen neuer und alter Ausführungen der Netzkomponenten gewährleisten, um die Funktion von Automatisierungs- und Regelungsanordnungen zu garantieren. – Harmonisierung der ordnungspolitischen und kommerziellen Rahmen in Europa, um grenzüberschreitenden Handel von sowohl Energie als auch Netzdienstleistungen zu erleichtern; damit muss eine Vielzahl von Einsatzsituationen gewährleistet werden. Gemeinsame technische Normen und Protokolle müssen eingeführt werden, um offenen Zugang zu gewährleisten und den Einsatz der Ausrüstung eines jeden Herstellers zu ermöglichen. – Entwicklungen in Nachrichtentechnik, Mess- und Handelssystemen werden auf allen Ebenen neue Möglichkeiten eröffnen, auf Grund von Signalen des Marktes frühzeitig technische und kommerzielle Wirkungsgrade zu verbessern. Es wird Unternehmen ermöglichen, innovative Dienstvereinbarungen zu benutzen, um ihre Effizienz zu verbessern und ihre Angebote an Kunden zu vergrößern. Schließlich muss betont werden, dass für einen erfolgreichen Übergang zu einem zukünftigen nachhaltigen Energiesystem alle relevanten Beteiligten involviert werden müssen.

Continuation and discontinuation of local institution in community based natural resource management

Currently the push toward frontier areas, which until twenty years ago were still largely untouched by commercial agriculture, is taking place on a massive scale. This push is being driven not the least by global economic developments, such as the price increase of agriculture commodities like coffee and cocoa. In most cases the indigenous communities become trapped between the state monopoly in natural resource management and the competition for resources by external actors. In this processes the indigenous communities start to lose their access to resources. Another victim in this process is the environment where the natural resources are imbedded. International and national organizations working to conserve environment have became conscious of the important role that indigenous people could fulfill as partners in this endeavour. This partnership in struggle has produced a new discourse on the relationship between indigenous people and their environment. As a further consequence, programs were set up to develop what became known as Community Based Natural Resource Management (CBNRM) with its numerous variations. Based on a case study in a village on the eastern border of the Lore Lindu National Park in Central Sulawesi, this study questioned the basic assumption behind the concept of Community Based Natural Resource Management (CBNRM). Namely the assumption that communities living at the margin of forest are socially and culturally homogenous, still more or less egalitarian, and basically living in harmony with their natural environment. This study was inspired by the persistent critique – although still a minority – on the basic assumption the CBNRM from academicians and practitioners working through the Entitlement perspective. Another inspiration was the mounting critique toward the participatory approach. In its effort the study explore further the usefulness of certain approaches. One of the approach much relied on in this study was the local history of the community studied, through exerting oral and local written documents on local history, legends and local stories. These sources proofed quite capable in bringing the local history into the light. Another was the actor oriented approach, which later came to be supported by the concept of Social Pool Resources. The latter concept proofed to be useful as analytical instrument to integrate social institutions and the common pool resources, as a field of action for the different actors as human agencies.

Local food security and principle of organic farming (from farm to fork) in context of food culture in Indonesia: Minangkabau's case study

The basic idea behind improving local food security consists of two paths; first, accessibility (price, stock) and second, availability (quantity and biodiversity); both are perquisites to the provision of nutrients and a continuous food supply with locally available resources. The objectives of this thesis are to investigate if indigenous knowledge still plays an important role in traditional farming in the Minangkabau`s culture, thus supporting local food security. If the indigenous knowledge still plays a role in food culture in the Minangkabau`s culture which is linked to the matrilineal role and leads to a sound nutrition. Further, it should be tested if marantau influences traditional farming and food culture in Minangkabau`s, and if the local government plays a role in changing of traditional farming systems and food culture. Furthermore this thesis wants to prove if education and gender are playing a role in changing traditional farming system and food culture, and if the mass media affects traditional farming systems and food culture for the Minangkabau. The study was completed at four locations in West Sumatera; Nagari Ulakan (NU) (coastal area), Nagari Aia Batumbuak (NAB) (hilly area), Nagari Padang Laweh Malalo (NPLM) (lake area), Nagari Pandai Sikek (NPS) (hilly area). The rainfall ranged from 1400- 4800 mm annually with fertile soils. Data was collected by using PRA (Participatory Rural Appraisal) to investigate indigenous knowledge (IK) and its interactions, which is also combining with in depth-interview, life history, a survey using semi-structured-questionnaire, pictures, mapping, and expert interview. The data was collected from June - September 2009 and June 2010. The materials are; map of area, list of names, questionnaires, voices recorder, note book, and digital camera. The sampling method was snowball sampling which resulted in the qualitative and quantitative data taken. For qualitative data, ethnography and life history was used. For quantitative, a statistical survey with a semi-structured questionnaire was used. 50 respondents per each site participated voluntarily. Data was analyzed by performing MAXQDA 10, and F4 audio analysis software (created and developed by Philip-University Marburg). The data is clustered based on causality. The results show that; the role of IK on TFS (traditional farming system) shown on NPLM which has higher food crop biodiversity in comparison to the other three places even though it has relatively similar temperature and rainfall. This high food crop biodiversity is due to the awareness of local people who realized that they lived in unfavourable climate and topography; therefore they are more prepared for any changes that may occur. Carbohydrate intake is 100 % through rice even though they are growing different staple crops. Whereas most of the people said in the interviews that not eating rice is like not really eating for them. In addition to that, mothers still play an important role in kitchen activities. But when the agriculture income is low, mothers have to decide whether to change the meals or to feel insecure about their food supply. Marantau yields positive impact through the remittances it provides to invest on the farm. On the other hand, it results in fewer workers for agriculture, and therefore a negative impact on the transfer of IK. The investigation showed that the local government has a PTS (Padi Tanam Sabatang) programme which still does not guarantee that the farmers are getting sufficient revenue from their land. The low agricultural income leads to situation of potential food insecurity. It is evident that education is equal among men and women, but in some cases women tend to leave school earlier because of arranged marriages or the distances of school from their homes. Men predominantly work in agriculture and fishing, while women work in the kitchen. In NAB, even though women work on farmland they earn less then men. Weaving (NPS) and kitchen activity is recognized as women’s work, which also supports the household income. Mass media is not yielding any changes in TFS and food culture in these days. The traditional farming system has changed because of intensive agricultural extension which has introduced new methods of agriculture for the last three decades (since the 1980’s). There is no evidence that they want to change any of their food habits because of the mass media despite the lapau activity which allows them to get more food choices, instead preparing traditional meal at home. The recommendations of this thesis are: 1) The empowerment of farmers. It is regarding the self sufficient supply of manure, cooperative seed, and sustainable farm management. Farmers should know – where are they in their state of knowledge – so they can use their local wisdom and still collaborate with new sources of knowledge. Farmers should learn the prognosis of supply and demand next prior to harvest. There is a need for farm management guidelines; that can be adopted from both their local wisdom and modern knowledge. 2) Increase of non-agricultural income Increasing the non-agricultural income is strongly recommended. The remittances can be invested on non-agricultural jobs. 3) The empowerment of the mother. The mother plays an important role in farm to fork activities; the mother can be an initiator and promoter of cultivating spices in the backyard. Improvement of nutritional knowledge through information and informal public education can be done through arisan ibu-ibu and lapau activity. The challenges to apply these recommendations are: 1) The gap between institutions and organizations of local governments. There is more than one institution involved in food security policy. 2) Training and facilities for field extension agriculture (FEA) is needed because the rapid change of interaction between local government and farmer’s dependent on this agency.

Effects of Organic and Inorganic Fertilizers on Growth and Yield of Banana (Musa AAA cv. Malindi) in Oman

The Sultanate of Oman is located on the south-eastern coast of the Arabian Peninsula, which lies on the south-western tip of the Asian continent. The strategic geographical locations of the Sultanate with its many maritime ports distributed on the Indian Ocean have historically made it one of the Arabian Peninsula leaders in the international maritime trade sector. Intensive trading relationships over long time periods have contributed to the high plant diversity seen in Oman where agricultural production depends entirely on irrigation from groundwater sources. As a consequence of the expansion of the irrigated area, groundwater depletion has increased, leading to the intrusion of seawater into freshwater aquifers. This phenomenon has caused water and soil salinity problems in large parts of the Al-Batinah governorate of Oman and threatens cultivated crops, including banana (Musa spp.). According to the Ministry of Agriculture and Fisheries, the majority of South Al-Batinah farms are affected by salinity (ECe > 4 dS m-1). As no alternative farmland is available, the reclamation of salt-affected soils using simple cultural practices is of paramount importance, but in Oman little scientific research has been conducted to develop such methods of reclamation. This doctoral study was initiated to help filling this research gap, particularly for bananas. A literature review of the banana cultivation history revealed that the banana germplasm on the Arabian Peninsula is probably introduced from Indonesia and India via maritime routes across the Indian Ocean and the Red Sea. In a second part of this dissertation, two experiments are described. A laboratory trial conducted at the University of Kassel, in Witzenhausen, Germany from June to July 2010. This incubation experiment was done to explore how C and N mineralization of composted dairy manure and date palm straw differed in alkaline non-saline and saline soils. Each soil was amended with four organic fertilizers: 1) composted dairy manure, 2) manure + 10% date palm straw, 3) manure + 30% date palm straw or 4) date palm straw alone, in addition to un-amended soils as control. The results showed that the saline soil had a lower soil organic C content and microbial biomass C than the non-saline soil. This led to lower mineralization rates of manure and date palm straw in the saline soil. In the non-saline soil, the application of manure and straw resulted in significant increases of CO2 emissions, equivalent to 2.5 and 30% of the added C, respectively. In the non-amended control treatment of the saline soil, the sum of CO2-C reached only 55% of the soil organic C in comparison with the non-saline soil. In which 66% of the added manure and 75% of the added straw were emitted, assuming that no interactions occurred between soil organic C, manure C and straw C during microbial decomposition. The application of straw always led to a net N immobilization compared to the control. Salinity had no specific effect on N mineralization as indicated by the CO2-C to Nmin ratio of soil organic matter and manure. However, N immobilization was markedly stronger in the saline soil. Date palm straw strongly promoted saprotrophic fungi in contrast to manure and the combined application of manure and date palm straw had synergistic positive effects on soil microorganisms. In the last week of incubation, net-N mineralization was observed in nearly all treatments. The strongest increase in microbial biomass C was observed in the manure + straw treatment. In both soils, manure had no effect on the fungi-specific membrane component ergosterol. In contrast, the application of straw resulted in strong increases of the ergosterol content. A field experiment was conducted on two adjacent fields at the Agricultural Research Station, Rumais (23°41’15” N, 57°59’1” E) in the South of Al-Batinah Plain in Oman from October 2007 to July 2009. In this experiment, the effects of 24 soil and fertilizer treatments on the growth and productivity of Musa AAA cv. 'Malindi' were evaluated. The treatments consisted of two soil types (saline and amended non-saline), two fertilizer application methods (mixed and ring applied), six fertilizer amendments (1: fresh dairy manure, 2: composted dairy manure, 3: composted dairy manure and 10% date palm straw, 4: composted dairy manure and 30% date palm straw, 5: only NPK, and 6: NPK and micronutrients). Sandy loam soil was imported from another part of Oman to amended the soil in the planting holes and create non-saline conditions in the root-zone. The results indicate that replacing the saline soil in the root zone by non-saline soil improved plant growth and yield more than fertilizer amendments or application methods. Particularly those plants on amended soil where NPK was applied using the ring method and which received micronutrients grew significantly faster to harvest (339 days), had a higher average bunch weight (9.5 kg/bunch) and were consequently more productive (10.6 tonnes/hectare/cycle) compared to the other treatments.

Development, Evaluation and Optimization of Fabrication Processes for Daylight Guiding Systems Based on Micromirror Arrays

In this work, fabrication processes for daylight guiding systems based on micromirror arrays are developed, evaluated and optimized.Two different approaches are used: At first, nanoimprint lithography is used to fabricate large area micromirrors by means of Substrate Conformal Imprint Lithography (SCIL).Secondly,a new lithography technique is developed using a novel bi-layered photomask to fabricate large area micromirror arrays. The experimental results showing a reproducible stable process, high yield, and is consuming less material, time, cost and effort.