Applying Least Absolute Shrinkage Selection Operator and Akaike Information Criterion Analysis to Find the Best Multiple Linear Regression Models between Climate Indices and Components of Cow’s Milk

This study focuses on multiple linear regression models relating six climate indices (temperature humidity THI, environmental stress ESI, equivalent temperature index ETI, heat load HLI, modified HLI (HLI new), and respiratory rate predictor RRP) with three main components of cow’s milk (yield, fat, and protein) for cows in Iran. The least absolute shrinkage selection operator (LASSO) and the Akaike information criterion (AIC) techniques are applied to select the best model for milk predictands with the smallest number of climate predictors. Uncertainty estimation is employed by applying bootstrapping through resampling. Cross validation is used to avoid over-fitting. Climatic parameters are calculated from the NASA-MERRA global atmospheric reanalysis. Milk data for the months from April to September, 2002 to 2010 are used. The best linear regression models are found in spring between milk yield as the predictand and THI, ESI, ETI, HLI, and RRP as predictors with p-value < 0.001 and R2 (0.50, 0.49) respectively. In summer, milk yield with independent variables of THI, ETI, and ESI show the highest relation (p-value < 0.001) with R2 (0.69). For fat and protein the results are only marginal. This method is suggested for the impact studies of climate variability/change on agriculture and food science fields when short-time series or data with large uncertainty are available.

A Survey of the Relationship between Climatic Heat Stress Indices and Fundamental Milk Components Considering Uncertainty

The main purpose of this study is to assess the relationship between four bioclimatic indices for cattle (environmental stress, heat load, modified heat load, and respiratory rate predictor indices) and three main milk components (fat, protein, and milk yield) considering uncertainty. The climate parameters used to calculate the climate indices were taken from the NASA-Modern Era Retrospective-Analysis for Research and Applications (NASA-MERRA) reanalysis from 2002 to 2010. Cow milk data were considered for the same period from April to September when the cows use the natural pasture. The study is based on a linear regression analysis using correlations as a summarizing diagnostic. Bootstrapping is used to represent uncertainty information in the confidence intervals. The main results identify an interesting relationship between the milk compounds and climate indices under all climate conditions. During spring, there are reasonably high correlations between the fat and protein concentrations vs. the climate indices, whereas there are insignificant dependencies between the milk yield and climate indices. During summer, the correlation between the fat and protein concentrations with the climate indices decreased in comparison with the spring results, whereas the correlation for the milk yield increased. This methodology is suggested for studies investigating the impacts of climate variability/change on food and agriculture using short term data considering uncertainty.

Untersuchungen zu kumulativen psychischen und physiologischen Effekten des fliegenden Personals auf der Kurzstrecke

Die fliegerische Tätigkeit auf der Kurzstrecke in der zivilen Luftfahrt unterliegt arbeitsspezifischen Belastungsfaktoren, die sich in wesentlichen Punkten von denen auf der Langstrecke unterscheiden. Eine hohe Arbeitsbelastung auf der Kurzstrecke ist mit vielen Starts und Landungen am Tag verbunden. Neben der Anzahl der Flugabschnitte können auch lange Flugdienstzeiten und/oder unregelmäßige Arbeitszeiten sowie der Zeitdruck während der Einsätze auf der Kurzstrecke zur Belastung für Cockpitbesatzungsmitglieder werden und zu Ermüdungserscheinungen führen. Bisher wurden flugmedizinische und -psychologische Daten hauptsächlich auf der Langstrecke in Bezug auf die Auswirkungen der Jet-Leg Symptomatik und kaum auf der Kurzstrecke erhoben. Deshalb wurde im Rahmen des DLR- Projekts „Untersuchungen zu kumulativen psychischen und physiologischen Effekten des fliegenden Personals auf der Kurzstrecke“ eine Langzeituntersuchung zur Belastung/Beanspruchung, Ermüdung sowie Erholung des Cockpitpersonals auf der Kurzstrecke über jeweils 56 Tage durchgeführt. In Zusammenarbeit mit der Deutschen Lufthansa AG dauerte die Untersuchung zu den Auswirkungen arbeitsspezifischer Belastungsfaktoren auf die Cockpitbesatzungsmitglieder der Boeing 737-Flotte von 2003 bis 2006. ZIEL: Unter Berücksichtigung theoretisch fundierter arbeitspsychologischer Konzepte war das Ziel der Studie, kumulative und akute Effekte auf das Schlaf-Wach-Verhalten, auf die Belastung/Beanspruchung sowie auf die Müdigkeit zu identifizieren, die durch aufeinander folgende Einsätze auf der Kurzstrecke innerhalb eines Zeitraums von acht Wochen auftreten können. Hierfür wurden Daten von 29 Piloten (N=13 Kapitäne; N=16 Erste Offiziere) aufgezeichnet. Das Durchschnittsalter lag bei 33,8 ± 7,9 Jahren (Kapitäne: 42,0 ± 3,8 Jahre; Erste Offiziere: 27,4 ± 2,2 Jahre). METHODEN: Über ein Handheld PC konnten effizient Fragebögen bearbeitet und das Sleep Log sowie das Flight Log geführt werden. Die subjektive Ermüdung und Arbeitsbeanspruchung wurden durch standardisierte Fragebögen (z.B. Ermüdungsskala von Samn & Perelli (1982), NASA-TLX) operationalisiert. Im Sleep Log und im Flight Log wurden das Schlaf-Wach-Verhalten sowie flugspezifische Daten dokumentiert (z.B. Dienstbeginn, Dienstende, Flugabschnitte, Zielorte, etc.). Der Schlaf-Wach-Zyklus wurde mittels der Aktimetrie während des gesamten Messverlaufs aufgezeichnet. Die objektive Leistungsfähigkeit wurde täglich morgens und abends mit Hilfe einer computergestützten Psychomotor Vigilance Task (PVT) nach Dinges & Powell (1985) erfasst. Die Leistung in der PVT diente als Indikator für die Ermüdung eines Piloten. Zusätzliche Befragungen mit Paper-Pencil-Fragebögen sollten Aufschluss über relevante, psychosoziale Randbedingungen geben, die bei den täglichen Erhebungen nicht berücksichtigt wurden (z.B. Arbeitszufriedenheit; Essgewohnheiten; Kollegenbeziehungen). ERGEBNISSE: Unter Beachtung kumulativer Effekte wurde über die Studiendauer keine Veränderung in der Schlafqualität und im Schlafbedürfnis festgestellt. Die Müdigkeit nahm dagegen während der achtwöchigen Untersuchung zu. Die Reaktionszeit in der PVT zeigte an Flugdiensttagen eine Verschlechterung über die Zeit. Insgesamt wurden keine kritischen längerfristigen Effekte analysiert. Akute signifikante Effekte wurden bei der Ermüdung, der Gesamtbelastung und der Leistungsfähigkeit an Flugdiensttagen gefunden. Die Ermüdung als auch die Gesamtbelastung stiegen bei zunehmender Flugdienstdauer und Leganzahl und die Leistung nahm in der PVT ab. Der „time on task“ Effekt zeigte sich besonders in der Ermüdung durch die fliegerische Tätigkeit ab einer Flugdienstzeit von > 10 Stunden und > 4 Legs pro Tag. SCHLUSSFOLGERUNG: Mit diesen Ergebnissen konnte eine wissenschaftliche Datenbasis geschaffen werden aus der Empfehlungen resultieren, wie die Einsatzplanung für das Cockpitpersonal auf der Kurzstrecke unter flugmedizinischen und flugpsychologischen Gesichtspunkten optimiert werden kann. Zudem kann ein sachgerechter Beitrag im Rahmen der Diskussion zur Flugdienst- und Ruhezeitenregelung auf europäischer Ebene geleistet werden.

Entwicklung und Anwendung einer Kraftwerks- und Speichereinsatzoptimierung für die Untersuchung von Energieversorgungsszenarien mit hohem Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland

In dieser Arbeit wurde ein gemischt-ganzzahliges lineares Einsatzoptimierungsmodell für Kraftwerke und Speicher aufgebaut und für die Untersuchung der Energieversorgung Deutschlands im Jahre 2050 gemäß den Leitstudie-Szenarien 2050 A und 2050 C ([Nitsch und Andere, 2012]) verwendet, in denen erneuerbare Energien einen Anteil von über 85 % an der Stromerzeugung haben und die Wind- und Solarenergie starke Schwankungen der durch steuerbare Kraftwerke und Speicher zu deckenden residualen Stromnachfrage (Residuallast) verursachen. In Szenario 2050 A sind 67 TWh Wasserstoff, die elektrolytisch aus erneuerbarem Strom zu erzeugen sind, für den Verkehr vorgesehen. In Szenario 2050 C ist kein Wasserstoff für den Verkehr vorgesehen und die effizientere Elektromobilität hat einen Anteil von 100% am Individualverkehr. Daher wird weniger erneuerbarer Strom zur Erreichung desselben erneuerbaren Anteils im Verkehrssektor benötigt. Da desweiteren Elektrofahrzeuge Lastmanagementpotentiale bieten, weisen die Residuallasten der Szenarien eine unterschiedliche zeitliche Charakteristik und Jahressumme auf. Der Schwerpunkt der Betrachtung lag auf der Ermittlung der Auslastung und Fahrweise des in den Szenarien unterstellten ’Kraftwerks’-parks bestehend aus Kraftwerken zur reinen Stromerzeugung, Kraft-Wärme-Kopplungskraftwerken, die mit Wärmespeichern, elektrischen Heizstäben und Gas-Backupkesseln ausgestattet sind, Stromspeichern und Wärmepumpen, die durch Wärmespeicher zum Lastmanagment eingesetzt werden können. Der Fahrplan dieser Komponenten wurde auf minimale variable Gesamtkosten der Strom- und Wärmeerzeugung über einen Planungshorizont von jeweils vier Tagen hin optimiert. Das Optimierungsproblem wurde mit dem linearen Branch-and-Cut-Solver der software CPLEX gelöst. Mittels sogenannter rollierender Planung wurde durch Zusammensetzen der Planungsergebnisse für überlappende Planungsperioden der Kraftwerks- und Speichereinsatz für die kompletten Szenariojahre erhalten. Es wurde gezeigt, dass der KWK-Anteil an der Wärmelastdeckung gering ist. Dies wurde begründet durch die zeitliche Struktur der Stromresiduallast, die wärmeseitige Dimensionierung der Anlagen und die Tatsache, dass nur eine kurzfristige Speicherung von Wärme vorgesehen war. Die wärmeseitige Dimensionierung der KWK stellte eine Begrenzung des Deckungsanteils dar, da im Winter bei hoher Stromresiduallast nur wenig freie Leistung zur Beladung der Speicher zur Verfügung stand. In den Berechnungen für das Szenario 2050 A und C lag der mittlere Deckungsanteil der KWK an der Wärmenachfrage von ca. 100 TWh_th bei 40 bzw. 60 %, obwohl die Auslegung der KWK einen theoretischen Anteil von über 97 % an der Wärmelastdeckung erlaubt hätte, gäbe es die Beschränkungen durch die Stromseite nicht. Desweiteren wurde die CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher und des Lastmanagements mit Wärmepumpen untersucht. In Szenario 2050 A ergab sich keine signifikante CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher, in Szenario 2050 C hingegen ergab sich eine geringe aber signifikante CO2-Einsparung in Höhe von 1,6 % der Gesamtemissionen der Stromerzeugung und KWK-gebundenen Wärmeversorgung. Das Lastmanagement mit Wärmepumpen vermied Emissionen von 110 Tausend Tonnen CO2 (0,4 % der Gesamtemissionen) in Szenario A und 213 Tausend Tonnen in Szenario C (0,8 % der Gesamtemissionen). Es wurden darüber hinaus Betrachtungen zur Konkurrenz zwischen solarthermischer Nahwärme und KWK bei Einspeisung in dieselben Wärmenetze vorgenommen. Eine weitere Einschränkung der KWK-Erzeugung durch den Einspeisevorrang der Solarthermie wurde festgestellt. Ferner wurde eine untere Grenze von 6,5 bzw. 8,8 TWh_th für die in den Szenarien mindestens benötigte Wasserstoff-Speicherkapazität ermittelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, das technisch-ökonomische Potential von Langzeitwärmespeichern für eine bessere Integration von KWK ins System zu ermitteln bzw. generell nach geeigneteren Wärmesektorszenarien zu suchen, da deutlich wurde, dass für die öffentliche Wärmeversorgung die KWK in Kombination mit Kurzzeitwärmespeicherung, Gaskesseln und elektrischen Heizern keine sehr effektive CO2 -Reduktion in den Szenarien erreicht. Es sollte dabei z.B. untersucht werden, ob ein multivalentes System aus KWK, Wärmespeichern und Wärmepumpen eine ökonomisch darstellbare Alternative sein könnte und im Anschluss eine Betrachtung der optimalen Anteile von KWK, Wärmepumpen und Solarthermie im Wärmemarkt vorgenommen werden.

The Effect of Climate Variability on Main Components of Cow Milk in Iran

The main purpose of this study is to assess the relationship between six bioclimatic indices for cattle (temperature humidity (THI), environmental stress (ESI), equivalent temperature (ESI), heat load (HLI), modified heat load (HLInew) and respiratory rate predictor(RRP)) and fundamental milk components (fat, protein, and milk yield) considering uncertainty. The climate parameters used to calculate the climate indices were taken from the NASA-Modern Era Retrospective-Analysis for Research and Applications (NASA-MERRA) reanalysis from 2002 to 2010. Cow milk data were considered for the same period from April to September when cows use natural pasture, with possibility for cows to choose to stay in the barn or to graze on the pasture in the pasturing system. The study is based on a linear regression analysis using correlations as a summarizing diagnostic. Bootstrapping is used to represent uncertainty estimation through resampling in the confidence intervals. To find the relationships between climate indices (THI, ETI, HLI, HLInew, ESI and RRP) and main components of cow milk (fat, protein and yield), multiple liner regression is applied. The least absolute shrinkage selection operator (LASSO) and the Akaike information criterion (AIC) techniques are applied to select the best model for milk predictands with the smallest number of climate predictors. Cross validation is used to avoid over-fitting. Based on results of investigation the effect of heat stress indices on milk compounds separately, we suggest the use of ESI and RRP in the summer and ESI in the spring. THI and HLInew are suggested for fat content and HLInew also is suggested for protein content in the spring season. The best linear models are found in spring between milk yield as predictands and THI, ESI,HLI, ETI and RRP as predictors with p-value < 0.001 and R2 0.50, 0.49. In summer, milk yield with independent variables of THI, ETI and ESI show the highest relation (p-value < 0.001) with R2 (0.69). For fat and protein the results are only marginal. It is strongly suggested that new and significant indices are needed to control critical heat stress conditions that consider more predictors of the effect of climate variability on animal products, such as sunshine duration, quality of pasture, the number of days of stress (NDS), the color of skin with attention to large black spots, and categorical predictors such as breed, welfare facility, and management system. This methodology is suggested for studies investigating the impacts of climate variability/change on food quality/security, animal science and agriculture using short term data considering uncertainty or data collection is expensive, difficult, or data with gaps.

Heat stress response for physiological traits in dairy and dual purpose cattle populations on phenotypic and genetic scales

The main objective of this thesis was to determine the potential impact of heat stress (HS) on physiological traits of lactating cows and semen quality of bulls kept in a temperate climate. The thesis is comprised of three studies. An innovative statistical modeling aspect common to all three studies was the application of random regression methodology (RRM) to study the phenotypic and genetic trajectory of traits in dependency of a continuous temperature humidity index (THI). In the first study, semen quality and quantity traits of 562 Holstein sires kept on an AI station in northwestern Germany were analyzed in the course of THI calculated from data obtained from the nearest weather station. Heat stress was identified based on a decline in semen quality and quantity parameters. The identified general HS threshold (THI = 60) and the thermoneutal zone (THI in the range from 50 to 60) for semen production were lower than detected in studies conducted in tropical and subtropical climates. Even though adult bulls were characterized by higher semen productivity compared to younger bulls, they responded with a stronger semen production loss during harsh environments. Heritabilities (low to moderate range) and additive genetic variances of semen characteristics varied with different levels of THI. Also, based on genetic correlations genotype, by environment interactions were detected. Taken together, these findings suggest the application of specific selection strategies for specific climate conditions. In the second study, the effect of the continuous environmental descriptor THI as measured inside the barns on rectal temperatures (RT), skin temperatures (ST), vaginal temperatures (VT), respiration rates (RR), and pulse rate (PR) of lactating Holstein Friesian (HF) and dual-purpose German black pied cattle (DSN) was analyzed. Increasing HS from THI 65 (threshold) to THI 86 (maximal THI) resulted in an increase of RT by 0.6 °C (DSN) and 1 °C (HF), ST by 3.5 °C (HF) and 8 °C (DSN), VT by 0.3 °C (DSN), and RR by 47 breaths / minute (DSN), and decreased PR by 7 beats / minute (DSN). The undesired effects of rising THI on physiological traits were most pronounced for cows with high levels of milk yield and milk constituents, cows in early days in milk and later parities, and during summer seasons in the year 2014. In the third study of this dissertation, the genetic components of the cow’s physiological responses to HS were investigated. Heat stress was deduced from indoor THI measurements, and physiological traits were recorded on native DSN cows and their genetically upgraded crosses with Holstein Friesian sires in two experimental herds from pasture-based production systems reflecting a harsh environment of the northern part of Germany. Although heritabilities were in a low range (from 0.018 to 0.072), alterations of heritabilities, repeatabilities, and genetic components in the course of THI justify the implementation of genetic evaluations including heat stress components. However, low repeatabilities indicate the necessity of using repeated records for measuring physiological traits in German cattle. Moderate EBV correlations between different trait combinations indicate the potential of selection for one trait to simultaneously improve the other physiological attributes. In conclusion, bulls of AI centers and lactating cows suffer from HS during more extreme weather conditions also in the temperate climate of Northern Germany. Monitoring physiological traits during warm and humid conditions could provide precious information for detection of appropriate times for implementation of cooling systems and changes in feeding and management strategies. Subsequently, the inclusion of these physiological traits with THI specific breeding values into overall breeding goals could contribute to improving cattle adaptability by selecting the optimal animal for extreme hot and humid conditions. Furthermore, the recording of meteorological data in close distance to the cow and visualizing the surface body temperature by infrared thermography techniques might be helpful for recognizing heat tolerance and adaptability in cattle.