The development and deployment of FOTOS: a fast observation of trace organics system

Flüchtige organische Bestandteile (engl.: VOC) sind in der Atmosphäre in Spuren vorhanden, spielen aber trotzdem eine wichtige Rolle in der Luftchemie: sie beeinflussen das Ozon der Troposphäre, städtischen Smog, Oxidationskapazität und haben direkte und indirekte Auswirkungen auf die globale Klimaveränderung. Eine wichtige Klasse der VOC sind die Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (engl.: NMHC), die überwiegend von anthropogenen Quellen kommen. Aus diesem Grund ist für Luftchemiker ein Messinstrument nötig, das die VOC, die NMHC eingeschlossen, mit einer höheren Zeitauflösung misst, besonders für Echtzeitmessungen an Bord eines Forschungsflugzeuges. Dafür wurde das System zur schnellen Beobachtung von organischen Spuren (engl.: FOTOS) entworfen, gebaut für den Einsatz in einem neuen Wissenschaftlichen Flugzeug, das in großen Höhen und über weite Strecken fliegt, genannt HALO. In der Folge wurde FOTOS in zwei Messkampagnen am Boden getestet. FOTOS wurde entworfen und gebaut mit einem speziell angefertigten, automatisierten, kryogenen Probensystem mit drei Fallen und einem angepassten, erworbenen schnellen GC-MS. Ziel dieses Aufbaus war es, die Vielseitigkeit zu vergrößern und das Störungspotential zu verringern, deshalb wurden keine chemischen Trocknungsmittel oder adsorbierenden Stoffe verwendet. FOTOS erreichte eine Probenfrequenz von 5.5 Minuten, während es mindestens 13 verschiedene C2- bis C5-NMHC maß. Die Drei-Sigma-Detektionsgrenze für n- und iso-Pentan wurde als 2.6 und 2.0 pptv ermittelt, in dieser Reihenfolge. Labortests bestätigten, dass FOTOS ein vielseitiges, robustes, hochautomatisiertes, präzises, genaues, empfindliches Instrument ist, geeignet für Echtzeitmessungen von VOC in Probenfrequenzen, die angemessen sind für ein Forschungsflugzeug wie HALO. Um die Leistung von FOTOS zu bestätigen, wurde vom 26. Januar bis 4. Februar 2010 ein Zwischenvergleich gemacht mit dem GC-FID-System am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg, einer WMO-GAW-globalen Station. Dreizehn verschiedene NMHC wurden innerhalb des Rahmens der GWA Data Quality Objectives (DQO) analysiert und verglichen. Mehr als 80% der Messungen von sechs C3- bis C5-NMHC erfüllten diese DQO. Diese erste Messkampagne im Feld hob die Robustheit und Messgenauigkeit von FOTOS hervor, zusätzlich zu dem Vorteil der höheren Probenfrequenz, sogar in einer Messung am Boden. Um die Möglichkeiten dieses Instrumentes im Feld zu zeigen, maß FOTOS ausgewählte leichte NMHC während einer Messkampagne im Borealen Waldgebiet, HUMPPA-COPEC 2010. Vom 12. Juli bis zum 12. August 2010 beteiligte sich eine internationale Gruppe von Instituten und Instrumenten an Messungen physikalischer und chemischer Größen der Gas- und Partikelphasen der Luft über dem Borealen Wald an der SMEAR II-Station nahe Hyyttiälä, Finnland. Es wurden mehrere Hauptpunkte von Interesse im Mischungsverhältnis der Alkane und im Isomerenverhätnis von Pentan identifiziert, insbesondere sehr unterschiedliche Perioden niedriger und hoher Variabilität, drei Rauchschwaden von Biomassen-Verbrennung von russischen Waldbränden und zwei Tage mit extrem sauberer Luft aus der Polarregion. Vergleiche der NMHC mit anderen anthropogenen Indikatoren zeigten mehrere Quellen anthropogener Einflüsse am Ort auf und erlaubten eine Unterscheidung zwischen lokalen und weiter entfernten Quellen. Auf einen minimalen natürlichen Beitrag zum 24h-Kreislauf von NOx wurde geschlussfolgert aus der Korrelation von NOx mit Alkanen. Altersschätzungen der Luftmassen durch das Isomerenverhältnis von Pentan wurden erschwert durch sich verändernde Verhältnisse der Quellen und durch Besonderheiten der Photochemie während des Sommers im hohen Norden. Diese Messungen zeigten den Wert des Messens leichter NMHC, selbst in abgelegenen Regionen, als einen zusätzlichen spezifischen Marker von anthropogenem Einfluss.

Software tools and efficient algorithms for the feature detection, feature tracking, event localization, and visualization of large sets of atmospheric data

Data sets describing the state of the earth's atmosphere are of great importance in the atmospheric sciences. Over the last decades, the quality and sheer amount of the available data increased significantly, resulting in a rising demand for new tools capable of handling and analysing these large, multidimensional sets of atmospheric data. The interdisciplinary work presented in this thesis covers the development and the application of practical software tools and efficient algorithms from the field of computer science, aiming at the goal of enabling atmospheric scientists to analyse and to gain new insights from these large data sets. For this purpose, our tools combine novel techniques with well-established methods from different areas such as scientific visualization and data segmentation. In this thesis, three practical tools are presented. Two of these tools are software systems (Insight and IWAL) for different types of processing and interactive visualization of data, the third tool is an efficient algorithm for data segmentation implemented as part of Insight.Insight is a toolkit for the interactive, three-dimensional visualization and processing of large sets of atmospheric data, originally developed as a testing environment for the novel segmentation algorithm. It provides a dynamic system for combining at runtime data from different sources, a variety of different data processing algorithms, and several visualization techniques. Its modular architecture and flexible scripting support led to additional applications of the software, from which two examples are presented: the usage of Insight as a WMS (web map service) server, and the automatic production of a sequence of images for the visualization of cyclone simulations. The core application of Insight is the provision of the novel segmentation algorithm for the efficient detection and tracking of 3D features in large sets of atmospheric data, as well as for the precise localization of the occurring genesis, lysis, merging and splitting events. Data segmentation usually leads to a significant reduction of the size of the considered data. This enables a practical visualization of the data, statistical analyses of the features and their events, and the manual or automatic detection of interesting situations for subsequent detailed investigation. The concepts of the novel algorithm, its technical realization, and several extensions for avoiding under- and over-segmentation are discussed. As example applications, this thesis covers the setup and the results of the segmentation of upper-tropospheric jet streams and cyclones as full 3D objects. Finally, IWAL is presented, which is a web application for providing an easy interactive access to meteorological data visualizations, primarily aimed at students. As a web application, the needs to retrieve all input data sets and to install and handle complex visualization tools on a local machine are avoided. The main challenge in the provision of customizable visualizations to large numbers of simultaneous users was to find an acceptable trade-off between the available visualization options and the performance of the application. Besides the implementational details, benchmarks and the results of a user survey are presented.

Organisationale Selbststeuerung in deutschen Universitäten : Bedingungen, Prozesse und Wirkungen

Die Regulierung und Steuerung von Hochschulen unterliegt spätestens seit der Liberalisierung des Hochschulrahmengesetzes im Jahr 1998 einer erheblichen Reformdynamik. Hochschulautonomie, New Public Management, Profilbildung, Exzellenz und Wettbewerb sind zentrale Stichworte im Rahmen der durchgeführten politischen Reformen und Programme.rnDer politisch intendierte Ausbau einer organisationalen Selbststeuerung von Universitäten stellt die Hochschulen vor beachtliche Herausforderungen und kann als Paradigmenwechsel im Bereich der Hochschul-Governance betrachtet werden. In der Fachdiskussion wird der entsprechende Wandel auch als Stärkung der „managerial governance“ (bspw. de Boer et al. 2007) oder als Wandel von Universitäten hin zu „more complete organizations“ (Brunsson/ Sahlin-Andersson 2000) bzw. „organisational actors“ (Krücken/Meier 2006) beschrieben. rnGleichzeitig liegt bislang eher fragmentarisches Wissen darüber vor, wie der veränderte Re-gulierungskontext von den Steuerungsakteuren in deutschen Hochschulen aufgegriffen wird, d.h. ob auf Organisationsebene tatsächlich ein Ausbau der organisationalen Selbststeuerung stattfindet, welche Steuerungsinitiativen und -instrumente sich bewähren und warum dies der Fall ist. Die vorliegende Arbeit geht diesen Fragen im Rahmen einer vergleichenden Fallstudie an sechs Universitäten nach. rnIm Zentrum der empirischen Erhebung stehen 60 qualitative sozialwissenschaftliche Interviews mit Leitungsakteuren auf Hochschul- und Fachbereichsebene. Diese Daten werden ergänzt durch umfangreiche Dokumentenanalysen, insbesondere von Jahresberichten, Grundordnungen, Strategie- und Planungsdokumenten sowie durch Daten der amtlichen Hochschul-statistik. Das Untersuchungsdesign erlaubt überdies eine Gegenüberstellung von großen und kleinen Universitäten sowie von Hochschulen mit einer technisch-naturwissenschaftlichen Ausrichtung gegenüber solchen mit einem kultur- und sozialwissenschaftlichen Schwerpunkt. Die Untersuchung zeigt, dass an fünf der sechs untersuchten Hochschulen ein zum Teil deutlicher Ausbau der organisationalen Selbststeuerung festzustellen ist, wenngleich der spezifische organisationale Charakter von Universitäten, d.h. eine weitgehend lose Kopplung mit autonomen Professionals, im Wesentlichen erhalten bleibt. Die Zusammenschau der Veränderungen ergibt ein idealtypisches Modell des Wandels von Strategie, Struktur und Kultur der Hochschulen. Auf Basis der empirischen Ergebnisse werden weiterhin zentrale externe und interne Einflussfaktoren auf den spezifischen organisationalen Wandel analysiert. Schließlich werden Kosten und Nutzen sowie Risiken und Chancen der Governance-Reformen im Hoch-schulbereich gegenübergestellt.