Suivi des changements des utilisations/occupations du sol en milieu urbain par imagerie satellitale de résolution spatiale moyenne : le cas de la région métropolitaine de Montréal

De nos jours les cartes d’utilisation/occupation du sol (USOS) à une échelle régionale sont habituellement générées à partir d’images satellitales de résolution modérée (entre 10 m et 30 m). Le National Land Cover Database aux États-Unis et le programme CORINE (Coordination of information on the environment) Land Cover en Europe, tous deux fondés sur les images LANDSAT, en sont des exemples représentatifs. Cependant ces cartes deviennent rapidement obsolètes, spécialement en environnement dynamique comme les megacités et les territoires métropolitains. Pour nombre d’applications, une mise à jour de ces cartes sur une base annuelle est requise. Depuis 2007, le USGS donne accès gratuitement à des images LANDSAT ortho-rectifiées. Des images archivées (depuis 1984) et des images acquises récemment sont disponibles. Sans aucun doute, une telle disponibilité d’images stimulera la recherche sur des méthodes et techniques rapides et efficaces pour un monitoring continue des changements des USOS à partir d’images à résolution moyenne. Cette recherche visait à évaluer le potentiel de telles images satellitales de résolution moyenne pour obtenir de l’information sur les changements des USOS à une échelle régionale dans le cas de la Communauté Métropolitaine de Montréal (CMM), une métropole nord-américaine typique. Les études précédentes ont démontré que les résultats de détection automatique des changements dépendent de plusieurs facteurs tels : 1) les caractéristiques des images (résolution spatiale, bandes spectrales, etc.); 2) la méthode même utilisée pour la détection automatique des changements; et 3) la complexité du milieu étudié. Dans le cas du milieu étudié, à l’exception du centre-ville et des artères commerciales, les utilisations du sol (industriel, commercial, résidentiel, etc.) sont bien délimitées. Ainsi cette étude s’est concentrée aux autres facteurs pouvant affecter les résultats, nommément, les caractéristiques des images et les méthodes de détection des changements. Nous avons utilisé des images TM/ETM+ de LANDSAT à 30 m de résolution spatiale et avec six bandes spectrales ainsi que des images VNIR-ASTER à 15 m de résolution spatiale et avec trois bandes spectrales afin d’évaluer l’impact des caractéristiques des images sur les résultats de détection des changements. En ce qui a trait à la méthode de détection des changements, nous avons décidé de comparer deux types de techniques automatiques : (1) techniques fournissant des informations principalement sur la localisation des changements et (2)techniques fournissant des informations à la fois sur la localisation des changements et sur les types de changement (classes « de-à »). Les principales conclusions de cette recherche sont les suivantes : Les techniques de détection de changement telles les différences d’image ou l’analyse des vecteurs de changements appliqués aux images multi-temporelles LANDSAT fournissent une image exacte des lieux où un changement est survenu d’une façon rapide et efficace. Elles peuvent donc être intégrées dans un système de monitoring continu à des fins d’évaluation rapide du volume des changements. Les cartes des changements peuvent aussi servir de guide pour l’acquisition d’images de haute résolution spatiale si l’identification détaillée du type de changement est nécessaire. Les techniques de détection de changement telles l’analyse en composantes principales et la comparaison post-classification appliquées aux images multi-temporelles LANDSAT fournissent une image relativement exacte de classes “de-à” mais à un niveau thématique très général (par exemple, bâti à espace vert et vice-versa, boisés à sol nu et vice-versa, etc.). Les images ASTER-VNIR avec une meilleure résolution spatiale mais avec moins de bandes spectrales que LANDSAT n’offrent pas un niveau thématique plus détaillé (par exemple, boisés à espace commercial ou industriel). Les résultats indiquent que la recherche future sur la détection des changements en milieu urbain devrait se concentrer aux changements du couvert végétal puisque les images à résolution moyenne sont très sensibles aux changements de ce type de couvert. Les cartes indiquant la localisation et le type des changements du couvert végétal sont en soi très utiles pour des applications comme le monitoring environnemental ou l’hydrologie urbaine. Elles peuvent aussi servir comme des indicateurs des changements de l’utilisation du sol. De techniques telles l’analyse des vecteurs de changement ou les indices de végétation son employées à cette fin.

Modulation de l'activité de structures cérébrales sous-corticales par optogénétique

L’optogénétique est une technique prometteuse pour la modulation de l’activité neuronale. Par l’insertion d’une opsine microbienne dans la membrane plasmique de neurones et par son activation photonique, il devient possible de réguler l’activité neuronale avec une grande résolution temporelle et spatiale. Beaucoup de travaux ont été faits pour caractériser et synthétiser de nouvelles opsines. Ainsi, plusieurs variétés d’opsines sont désormais disponibles, chacune présentant des cinétiques et sensibilités à des longueurs d’onde différentes. En effet, il existe des constructions optogénétiques permettant de moduler à la hausse ou à la baisse l’activité neuronale, telles la channelrhodopsine-2 (ChR2) ou la halorhodopsine (NpHR), respectivement. Les promesses de cette technologie incluent le potentiel de stimuler une région restreinte du cerveau, et ce, de façon réversible. Toutefois, peu d’applications en ce sens ont été réalisées, cette technique étant limitée par l’absorption et la diffusion de la lumière dans les tissus. Ce mémoire présente la conception d’une fibre optique illuminant à un angle de 90° à sa sortie, capable de guider la lumière à des structures bien précises dans le système nerveux central. Nous avons conduit des tests in vivo dans le système visuel de souris transgéniques exprimant la ChR2 dans l’ensemble du système nerveux central. Dans le système visuel, les signaux rétiniens sont conduits au corps genouillé latéral (CGL) avant d’être relayés au cortex visuel primaire (V1). Pour valider la capacité de mon montage optogénétique à stimuler spécifiquement une sous-population de neurones, nous avons tiré profit de l’organisation rétinotopique existant dans le système visuel. En stimulant optogénétiquement le CGL et en tournant la fibre optique sur elle-même à l’aide d’un moteur, il devient possible de stimuler séquentiellement différentes portions de cette structure thalamique et conséquemment, différentes représentations du champ visuel. L’activation des projections thalamiques sera enregistrée au niveau de l’aire V1 à l’aide de l’imagerie optique intrinsèque, une technique qui permet d’imager les variations de la concentration d’oxygène et du volume sanguin dans le tissu neuronal, sur une grande surface corticale. Comme l’organisation rétinotopique est maintenue au niveau de l’aire V1, l’espace activé au niveau du cortex révèlera l’étendue spatiale de notre stimulation optogénétique du CGL. Les expériences in vivo démontrèrent qu’en déplaçant la fibre optique dans le CGL, il nous était possible de stimuler différents sous- ensembles de neurones dans cette structure thalamique. En conclusion, cette étude montre notre capacité à développer un système à base de fibre optique capable de stimuler optogénétiquement une population de neurone avec une grande précision spatiale.

Télédétection du carbone organique des lacs boréaux

Une estimation des quantités de carbone organique dissous dans les millions de lacs boréaux est nécessaire pour améliorer notre connaissance du cycle global du carbone. Les teneurs en carbone organique dissous sont corrélées avec les quantités de matière organique dissoute colorée qui est visible depuis l’espace. Cependant, les capteurs actuels offrent une radiométrie et une résolution spatiale qui sont limitées par rapport à la taille et l’opacité des lacs boréaux. Landsat 8, lancé en février 2013, offrira une radiométrie et une résolution spatiale améliorées, et produira une couverture à grande échelle des régions boréales. Les limnologistes ont accumulé des années de campagnes de terrain dans les régions boréales pour lesquelles une image Landsat 8 sera disponible. Pourtant, la possibilité de combiner des données de terrain existantes avec une image satellite récente n'a pas encore été évaluée. En outre, les différentes stratégies envisageables pour sélectionner et combiner des mesures répétées au cours du temps, sur le terrain et depuis le satellite, n'ont pas été évaluées. Cette étude présente les possibilités et les limites d’utiliser des données de terrain existantes avec des images satellites récentes pour développer des modèles de prédiction du carbone organique dissous. Les méthodes se basent sur des données de terrain recueillies au Québec dans 53 lacs boréaux et 10 images satellites acquises par le capteur prototype de Landsat 8. Les délais entre les campagnes de terrain et les images satellites varient de 1 mois à 6 ans. Le modèle de prédiction obtenu se compare favorablement avec un modèle basé sur des campagnes de terrain synchronisées avec les images satellite. L’ajout de mesures répétées sur le terrain, sur le satellite, et les corrections atmosphériques des images, n’améliorent pas la qualité du modèle de prédiction. Deux images d’application montrent des distributions différentes de teneurs en carbone organique dissous et de volumes, mais les quantités de carbone organique dissous par surface de paysage restent de même ordre pour les deux sites. Des travaux additionnels pour intégrer les sédiments dans l’estimation sont nécessaires pour améliorer le bilan du carbone des régions boréales.

Les algorithmes de haute résolution en tomographie d'émission par positrons : développement et accélération sur les cartes graphiques

La tomographie d’émission par positrons (TEP) est une modalité d’imagerie moléculaire utilisant des radiotraceurs marqués par des isotopes émetteurs de positrons permettant de quantifier et de sonder des processus biologiques et physiologiques. Cette modalité est surtout utilisée actuellement en oncologie, mais elle est aussi utilisée de plus en plus en cardiologie, en neurologie et en pharmacologie. En fait, c’est une modalité qui est intrinsèquement capable d’offrir avec une meilleure sensibilité des informations fonctionnelles sur le métabolisme cellulaire. Les limites de cette modalité sont surtout la faible résolution spatiale et le manque d’exactitude de la quantification. Par ailleurs, afin de dépasser ces limites qui constituent un obstacle pour élargir le champ des applications cliniques de la TEP, les nouveaux systèmes d’acquisition sont équipés d’un grand nombre de petits détecteurs ayant des meilleures performances de détection. La reconstruction de l’image se fait en utilisant les algorithmes stochastiques itératifs mieux adaptés aux acquisitions à faibles statistiques. De ce fait, le temps de reconstruction est devenu trop long pour une utilisation en milieu clinique. Ainsi, pour réduire ce temps, on les données d’acquisition sont compressées et des versions accélérées d’algorithmes stochastiques itératifs qui sont généralement moins exactes sont utilisées. Les performances améliorées par l’augmentation de nombre des détecteurs sont donc limitées par les contraintes de temps de calcul. Afin de sortir de cette boucle et permettre l’utilisation des algorithmes de reconstruction robustes, de nombreux travaux ont été effectués pour accélérer ces algorithmes sur les dispositifs GPU (Graphics Processing Units) de calcul haute performance. Dans ce travail, nous avons rejoint cet effort de la communauté scientifique pour développer et introduire en clinique l’utilisation des algorithmes de reconstruction puissants qui améliorent la résolution spatiale et l’exactitude de la quantification en TEP. Nous avons d’abord travaillé sur le développement des stratégies pour accélérer sur les dispositifs GPU la reconstruction des images TEP à partir des données d’acquisition en mode liste. En fait, le mode liste offre de nombreux avantages par rapport à la reconstruction à partir des sinogrammes, entre autres : il permet d’implanter facilement et avec précision la correction du mouvement et le temps de vol (TOF : Time-Of Flight) pour améliorer l’exactitude de la quantification. Il permet aussi d’utiliser les fonctions de bases spatio-temporelles pour effectuer la reconstruction 4D afin d’estimer les paramètres cinétiques des métabolismes avec exactitude. Cependant, d’une part, l’utilisation de ce mode est très limitée en clinique, et d’autre part, il est surtout utilisé pour estimer la valeur normalisée de captation SUV qui est une grandeur semi-quantitative limitant le caractère fonctionnel de la TEP. Nos contributions sont les suivantes : - Le développement d’une nouvelle stratégie visant à accélérer sur les dispositifs GPU l’algorithme 3D LM-OSEM (List Mode Ordered-Subset Expectation-Maximization), y compris le calcul de la matrice de sensibilité intégrant les facteurs d’atténuation du patient et les coefficients de normalisation des détecteurs. Le temps de calcul obtenu est non seulement compatible avec une utilisation clinique des algorithmes 3D LM-OSEM, mais il permet également d’envisager des reconstructions rapides pour les applications TEP avancées telles que les études dynamiques en temps réel et des reconstructions d’images paramétriques à partir des données d’acquisitions directement. - Le développement et l’implantation sur GPU de l’approche Multigrilles/Multitrames pour accélérer l’algorithme LMEM (List-Mode Expectation-Maximization). L’objectif est de développer une nouvelle stratégie pour accélérer l’algorithme de référence LMEM qui est un algorithme convergent et puissant, mais qui a l’inconvénient de converger très lentement. Les résultats obtenus permettent d’entrevoir des reconstructions en temps quasi-réel que ce soit pour les examens utilisant un grand nombre de données d’acquisition aussi bien que pour les acquisitions dynamiques synchronisées. Par ailleurs, en clinique, la quantification est souvent faite à partir de données d’acquisition en sinogrammes généralement compressés. Mais des travaux antérieurs ont montré que cette approche pour accélérer la reconstruction diminue l’exactitude de la quantification et dégrade la résolution spatiale. Pour cette raison, nous avons parallélisé et implémenté sur GPU l’algorithme AW-LOR-OSEM (Attenuation-Weighted Line-of-Response-OSEM) ; une version de l’algorithme 3D OSEM qui effectue la reconstruction à partir de sinogrammes sans compression de données en intégrant les corrections de l’atténuation et de la normalisation dans les matrices de sensibilité. Nous avons comparé deux approches d’implantation : dans la première, la matrice système (MS) est calculée en temps réel au cours de la reconstruction, tandis que la seconde implantation utilise une MS pré- calculée avec une meilleure exactitude. Les résultats montrent que la première implantation offre une efficacité de calcul environ deux fois meilleure que celle obtenue dans la deuxième implantation. Les temps de reconstruction rapportés sont compatibles avec une utilisation clinique de ces deux stratégies.

A new metal ion doped panchromatic photopolymer for holographic applications

This thesis has discussed the development of a new metal ion doped panchromatic photopolymer for various holographic applications. High-quality panchromatic holographic recording material with high diffraction efficiency, high photosensitivity and high spatial resolution is one of the key factors for the successful recording of true colour holograms. The capability of the developed material for multicolour holography can be investigated.In the present work, multiplexing studies were carried out using He-Ne laser (632.8 nm). Multiplexing can be done using low wavelength lasers like Ar+ ion (488 nm) and frequency doubled Nd: YAG (532 nm) lasers, so as to increase the storage capacity. The photopolymer film studied had a thickness of only 130 Cm. Films with high thickness (~500 Cm) is highly essential for competitive holographic memories . Hence films with high thickness can be fabricated and efforts can be made to record more holograms or gratings in the material.In the present study, attempts were made to record data page in silver doped MBPVA/AA photopolymer film. Image of a checkerboard pattern was recorded in the film, which could be reconstructed with good image fidelity. Efforts can be made to determine the bit error rate (BER) which provides a quantitative measure of the image quality of the reconstructed image . Multiple holographic data pages can also be recorded in the material making use of different multiplexing techniques.Holographic optical elements (HOEs) are widely used in optical sensors, optical information processing, fibre optics, optical scanners and solar concentrators . The suitability of the developed film for recording holographic optical elements like lenses, beam splitters and filters can be studied.The suitability of a reflection hologram recorded in acrylamide based photopolymer for visual indication of environmental humidity is reported . Studies can be done to optimize the film composition for recording of reflection holograms.An improvement in the spatial resolution of PVA/acrylamide based photopolymer by using a low molecular-weight poly (vinyl alcohol) binder was recently reported . Effect of the molecular weight of the binder matrix on the holographic properties of the developed photopolymer system can be investigated.Incorporation of nanoparticles into photopolymer system is reported to enhance the resolution and improve the dimensional stability of the system . Hence efforts can be made to incorporate silver nanoparticles into the photopolymer and its influence on the holographic properties can be studied.This thesis was a small venture towards the realization of a big goal, a competent holographic recording material with excellent properties for practical holographic applications. As a result of the present research, we could successfully develop an efficient panchromatic photopolymer system and could demonstrate its suitability for recording transmission holograms and holographic data page. The developed photopolymer system is expected to have significant applications in the fields of true-color display holography, wavelength multiplexing holographic storage, and holographic optical elements. Highly concentrated and determined effort has yet to be put forth for this expectation to become a reality.

Application of ocean colour data to study the oceanographic and atmospheric features off the southwest coast of India with special reference to upwelling

Satellite remote sensing is being effectively used in monitoring the ocean surface and its overlying atmosphere. Technical growth in the field of satellite sensors has made satellite measurement an inevitable part of oceanographic and atmospheric research. Among the ocean observing sensors, ocean colour sensors make use of visible band of electromagnetic spectrum (shorter wavelength). The use of shorter wavelength ensures fine spatial resolution of these parameters to depict oceanographic and atmospheric characteristics of any region having significant spaio-temporal variability. Off the southwest coast of India is such an area showing very significant spatio-temporal oceanographic and atmospheric variability due to the seasonally reversing surface winds and currents. Consequently, the region is enriched with features like upwelling, sinking, eddies, fronts, etc. Among them, upwelling brings nutrient-rich waters from subsurface layers to surface layers. During this process primary production enhances, which is measured in ocean colour sensors as high values of Chl a. Vertical attenuation depth of incident solar radiation (Kd) and Aerosol Optical Depth (AOD) are another two parameters provided by ocean colour sensors. Kd is also susceptible to undergo significant seasonal variability due to the changes in the content of Chl a in the water column. Moreover, Kd is affected by sediment transport in the upper layers as the region experiences land drainage resulting from copious rainfall. The wide range of variability of wind speed and direction may also influence the aerosol source / transport and consequently AOD. The present doctoral thesis concentrates on the utility of Chl a, Kd and AODprovided by satellite ocean colour sensors to understand oceanographic and atmospheric variability off the southwest coast of India. The thesis is divided into six Chapters with further subdivisions

Long term trends of seasonal and monthly rainfall in different intensity ranges over Indian subcontinent

In general Indian summer monsoon rainfall did not show any significant trend in all Indian summer monsoon rainfall series, however, it was reported that the ISMR is subjected to spatial trends. This paper made an attempt to bring out long term trends of different intensity classes of summer monsoon rainfall in different regions of Indian subcontinent. The long term trend of seasonal and monthly rainfall were also made using the India Meteorological Department gridded daily rainfall data with a spatial resolution of 1° × 1° latitude-longitude grid for the period from 1st January, 1901 to 31st December, 2003. The summer monsoon rainfall shows an increasing trend in southeast, northwest and northeast regions, whereas decreasing trend in the central and west coastal regions. In monthly scale, July rainfall shows decreasing trend over west coastal and central Indian regions and significant increasing trend over northeast region at 0.1% significant level. During the month August, decreasing trend is observed in the west coastal stations at 10% significant level. In most of the stations, mean daily rainfall shows an increasing trend for low and very high intense rainfall. For the moderate rainfall, the trend is different for different regions. In the central and southern regions the trend of moderate and moderately high classes show increasing trend. And for the high and very high intensity classes, the trend is decreasing significantly. In the northeastern regions, above 10 mm/day rainfall shows significantly increasing trend with 0.1% significant level.

Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien

Sowohl die Ressourcenproblematik als auch die drohenden Ausmaße der Klimaänderung lassen einen Umstieg auf andere Energiequellen langfristig unausweichlich erscheinen und mittelfristig als dringend geboten. Unabhängig von der Frage, auf welchem Niveau sich der Energiebedarf stabilisieren lässt, bleibt dabei zu klären, welche Möglichkeiten sich aus technischer und wirtschaftlicher Sicht in Zukunft zur Deckung unseres Energiebedarfs anbieten. Eine aussichtsreiche Option besteht in der Nutzung regenerativer Energien in ihrer ganzen Vielfalt. Die Arbeit "Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien" konzentriert sich mit der Stromversorgung auf einen Teilaspekt der Energieversorgung, der zunehmend an Wichtigkeit gewinnt und als ein Schlüssel zur nachhaltigen Energieversorgung interpretiert werden kann. Die Stromversorgung ist heute weltweit für etwa die Hälfte des anthropogenen CO2-Ausstoßes verantwortlich. In dieser Arbeit wurden anhand verschiedener Szenarien Möglichkeiten einer weitgehend CO2–neutralen Stromversorgung für Europa und seine nähere Umgebung untersucht, wobei das Szenariogebiet etwa 1,1 Mrd. Einwohner und einen Stromverbrauch von knapp 4000 TWh/a umfasst. Dabei wurde untersucht, wie die Stromversorgung aufgebaut sein sollte, damit sie möglichst kostengünstig verwirklicht werden kann. Diese Frage wurde beispielsweise für Szenarien untersucht, in denen ausschließlich heute marktverfügbare Techniken berücksichtigt wurden. Auch der Einfluss der Nutzung einiger neuer Technologien, die bisher noch in Entwicklung sind, auf die optimale Gestaltung der Stromversorgung, wurde anhand einiger Beispiele untersucht. Die Konzeption der zukünftigen Stromversorgung sollte dabei nach Möglichkeit objektiven Kriterien gehorchen, die auch die Vergleichbarkeit verschiedener Versorgungsansätze gewährleisten. Dafür wurde ein Optimierungsansatz gewählt, mit dessen Hilfe sowohl bei der Konfiguration als auch beim rechnerischen Betrieb des Stromversorgungssystems weitgehend auf subjektive Entscheidungsprozesse verzichtet werden kann. Die Optimierung hatte zum Ziel, für die definierte möglichst realitätsnahe Versorgungsaufgabe den idealen Kraftwerks- und Leitungspark zu bestimmen, der eine kostenoptimale Stromversorgung gewährleistet. Als Erzeugungsoptionen werden dabei u.a. die Nutzung Regenerativer Energien durch Wasserkraftwerke, Windenergiekonverter, Fallwindkraftwerke, Biomassekraftwerke sowie solare und geothermische Kraftwerke berücksichtigt. Abhängig von den gewählten Randbedingungen ergaben sich dabei unterschiedliche Szenarien. Das Ziel der Arbeit war, mit Hilfe unterschiedlicher Szenarien eine breite Basis als Entscheidungsgrundlage für zukünftige politische Weichenstellungen zu schaffen. Die Szenarien zeigen Optionen für eine zukünftige Gestaltung der Stromversorgung auf, machen Auswirkungen verschiedener – auch politischer – Rahmenbedingungen deutlich und stellen so die geforderte Entscheidungsgrundlage bereit. Als Grundlage für die Erstellung der Szenarien mussten die verschiedenen Potentiale erneuerbarer Energien in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermittelt werden, mit denen es erstmals möglich war, die Fragen einer großräumigen regenerativen Stromversorgung ohne ungesicherte Annahmen anhand einer verlässlichen Datengrundlage anzugehen. Auch die Charakteristika der verschiedensten Energiewandlungs- und Transportsysteme mussten studiert werden und sind wie deren Kosten und die verschiedenen Potentiale in der vorliegenden Arbeit ausführlich diskutiert. Als Ausgangsszenario und Bezugspunkt dient ein konservatives Grundszenario. Hierbei handelt es sich um ein Szenario für eine Stromversorgung unter ausschließlicher Nutzung erneuerbarer Energien, die wiederum ausschließlich auf heute bereits entwickelte Technologien zurückgreift und dabei für alle Komponenten die heutigen Kosten zugrundelegt. Dieses Grundszenario ist dementsprechend auch als eine Art konservative Worst-Case-Abschätzung für unsere Zukunftsoptionen bei der regenerativen Stromversorgung zu verstehen. Als Ergebnis der Optimierung basiert die Stromversorgung beim Grundszenario zum größten Teil auf der Stromproduktion aus Windkraft. Biomasse und schon heute bestehende Wasserkraft übernehmen den überwiegenden Teil der Backup-Aufgaben innerhalb des – mit leistungsstarker HGÜ (Hochspannungs–Gleichstrom–Übertragung) verknüpften – Stromversorgungsgebiets. Die Stromgestehungskosten liegen mit 4,65 €ct / kWh sehr nahe am heute Üblichen. Sie liegen niedriger als die heutigen Preisen an der Strombörse. In allen Szenarien – außer relativ teuren, restriktiv ”dezentralen” unter Ausschluss großräumig länderübergreifenden Stromtransports – spielt der Stromtransport eine wichtige Rolle. Er wird genutzt, um Ausgleichseffekte bei der dargebotsabhängigen Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen zu realisieren, gute kostengünstige Potentiale nutzbar zu machen und um die Speicherwasserkraft sowie die dezentral genutzte Biomasse mit ihrer Speicherfähigkeit für großräumige Backup-Aufgaben zu erschließen. Damit erweist sich der Stromtransport als einer der Schlüssel zu einer kostengünstigen Stromversorgung. Dies wiederum kann als Handlungsempfehlung bei politischen Weichenstellungen interpretiert werden, die demnach gezielt auf internationale Kooperation im Bereich der Nutzung erneuerbarer Energien setzen und insbesondere den großräumigen Stromtransport mit einbeziehen sollten. Die Szenarien stellen detaillierte und verlässliche Grundlagen für wichtige politische und technologische Zukunftsentscheidungen zur Verfügung. Sie zeigen, dass bei internationaler Kooperation selbst bei konservativen Annahmen eine rein regenerative Stromversorgung möglich ist, die wirtschaftlich ohne Probleme zu realisieren wäre und verweisen den Handlungsbedarf in den Bereich der Politik. Eine wesentliche Aufgabe der Politik läge darin, die internationale Kooperation zu organisieren und Instrumente für eine Umgestaltung der Stromversorgung zu entwickeln. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass nicht nur ein sinnvoller Weg zu einer CO2–neutralen Stromversorgung beschritten würde, sondern sich darüber hinaus ausgezeichnete Entwicklungsperspektiven für die ärmeren Nachbarstaaten der EU und Europas eröffnen.

Femtosecond imaging-mode laser-induced breakdown spectroscopy

Many nonlinear optical microscopy techniques based on the high-intensity nonlinear phenomena were developed recent years. A new technique based on the minimal-invasive in-situ analysis of the specific bound elements in biological samples is described in the present work. The imaging-mode Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is proposed as a combination of LIBS, femtosecond laser material processing and microscopy. The Calcium distribution in the peripheral cell wall of the sunflower seedling (Helianthus Annuus L.) stem is studied as a first application of the imaging-mode LIBS. At first, several nonlinear optical microscopy techniques are overviewed. The spatial resolution of the imaging-mode LIBS microscope is discussed basing on the Point-Spread Function (PSF) concept. The primary processes of the Laser-Induced Breakdown (LIB) are overviewed. We consider ionization, breakdown, plasma formation and ablation processes. Water with defined Calcium salt concentration is used as a model of the biological object in the preliminary experiments. The transient LIB spectra are measured and analysed for both nanosecond and femtosecond laser excitation. The experiment on the local Calcium concentration measurements in the peripheral cell wall of the sunflower seedling stem employing nanosecond LIBS shows, that nanosecond laser is not a suitable excitation source for the biological applications. In case of the nanosecond laser the ablation craters have random shape and depth over 20 µm. The analysis of the femtosecond laser ablation craters shows the reproducible circle form. At 3.5 µJ laser pulse energy the diameter of the crater is 4 µm and depth 140 nm for single laser pulse, which results in 1 femtoliter analytical volume. The experimental result of the 2 dimensional and surface sectioning of the bound Calcium concentrations is presented in the work.

Precision mapping

The nondestructive determination of plant total dry matter (TDM) in the field is greatly preferable to the harvest of entire plots in areas such as the Sahel where small differences in soil properties may cause large differences in crop growth within short distances. Existing equipment to nondestructively determine TDM is either expensive or unreliable. Therefore, two radiometers for measuring reflected red and near-infrared light were designed, mounted on a single wheeled hand cart and attached to a differential Global Positioning System (GPS) to measure georeferenced variations in normalized difference vegetation index (NDVI) in pearl millet fields [Pennisetum glaucum (L.) R. Br.]. The NDVI measurements were then used to determine the distribution of crop TDM. The two versions of the radiometer could (i) send single NDVI measurements to the GPS data logger at distance intervals of 0.03 to 8.53 m set by the user, and (ii) collect NDVI values averaged across 0.5, 1, or 2 m. The average correlation between TDM of pearl millet plants in planting hills and their NDVI values was high (r^2 = 0.850) but varied slightly depending on solar irradiance when the instrument was calibrated. There also was a good correlation between NDVI, fractional vegetation cover derived from aerial photographs and millet TDM at harvest. Both versions of the rugged instrument appear to provide a rapid and reliable way of mapping plant growth at the field scale with a high spatial resolution and should therefore be widely tested with different crops and soil types.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

The diabatic contour advective semi-Lagrangian model

This article describes a novel algorithmic development extending the contour advective semi-Lagrangian model to include nonconservative effects. The Lagrangian contour representation of finescale tracer fields, such as potential vorticity, allows for conservative, nondiffusive treatment of sharp gradients allowing very high numerical Reynolds numbers. It has been widely employed in accurate geostrophic turbulence and tracer advection simulations. In the present, diabatic version of the model the constraint of conservative dynamics is overcome by including a parallel Eulerian field that absorbs the nonconservative ( diabatic) tendencies. The diabatic buildup in this Eulerian field is limited through regular, controlled transfers of this field to the contour representation. This transfer is done with a fast newly developed contouring algorithm. This model has been implemented for several idealized geometries. In this paper a single-layer doubly periodic geometry is used to demonstrate the validity of the model. The present model converges faster than the analogous semi-Lagrangian models at increased resolutions. At the same nominal spatial resolution the new model is 40 times faster than the analogous semi-Lagrangian model. Results of an orographically forced idealized storm track show nontrivial dependency of storm-track statistics on resolution and on the numerical model employed. If this result is more generally applicable, this may have important consequences for future high-resolution climate modeling.

Use of fused airborne scanning laser altimetry and digital map data for urban flood modelling

Flood modelling of urban areas is still at an early stage, partly because until recently topographic data of sufficiently high resolution and accuracy have been lacking in urban areas. However, Digital Surface Models (DSMs) generated from airborne scanning laser altimetry (LiDAR) having sub-metre spatial resolution have now become available, and these are able to represent the complexities of urban topography. The paper describes the development of a LiDAR post-processor for urban flood modelling based on the fusion of LiDAR and digital map data. The map data are used in conjunction with LiDAR data to identify different object types in urban areas, though pattern recognition techniques are also employed. Post-processing produces a Digital Terrain Model (DTM) for use as model bathymetry, and also a friction parameter map for use in estimating spatially-distributed friction coefficients. In vegetated areas, friction is estimated from LiDAR-derived vegetation height, and (unlike most vegetation removal software) the method copes with short vegetation less than ~1m high, which may occupy a substantial fraction of even an urban floodplain. The DTM and friction parameter map may also be used to help to generate an unstructured mesh of a vegetated urban floodplain for use by a 2D finite element model. The mesh is decomposed to reflect floodplain features having different frictional properties to their surroundings, including urban features such as buildings and roads as well as taller vegetation features such as trees and hedges. This allows a more accurate estimation of local friction. The method produces a substantial node density due to the small dimensions of many urban features.

Introduction. Stochastic physics and climate modelling

Finite computing resources limit the spatial resolution of state-of-the-art global climate simulations to hundreds of kilometres. In neither the atmosphere nor the ocean are small-scale processes such as convection, clouds and ocean eddies properly represented. Climate simulations are known to depend, sometimes quite strongly, on the resulting bulk-formula representation of unresolved processes. Stochastic physics schemes within weather and climate models have the potential to represent the dynamical effects of unresolved scales in ways which conventional bulk-formula representations are incapable of so doing. The application of stochastic physics to climate modelling is a rapidly advancing, important and innovative topic. The latest research findings are gathered together in the Theme Issue for which this paper serves as the introduction.

Influence of south Atlantic sea surface temperatures on rainfall variability and extremes over southern Africa

It is generally agreed that changing climate variability, and the associated change in climate extremes, may have a greater impact on environmentally vulnerable regions than a changing mean. This research investigates rainfall variability, rainfall extremes, and their associations with atmospheric and oceanic circulations over southern Africa, a region that is considered particularly vulnerable to extreme events because of numerous environmental, social, and economic pressures. Because rainfall variability is a function of scale, high-resolution data are needed to identify extreme events. Thus, this research uses remotely sensed rainfall data and climate model experiments at high spatial and temporal resolution, with the overall aim being to investigate the ways in which sea surface temperature (SST) anomalies influence rainfall extremes over southern Africa. Extreme rainfall identification is achieved by the high-resolution microwave/infrared rainfall algorithm dataset. This comprises satellite-derived daily rainfall from 1993 to 2002 and covers southern Africa at a spatial resolution of 0.1° latitude–longitude. Extremes are extracted and used with reanalysis data to study possible circulation anomalies associated with extreme rainfall. Anomalously cold SSTs in the central South Atlantic and warm SSTs off the coast of southwestern Africa seem to be statistically related to rainfall extremes. Further, through a number of idealized climate model experiments, it would appear that both decreasing SSTs in the central South Atlantic and increasing SSTs off the coast of southwestern Africa lead to a demonstrable increase in daily rainfall and rainfall extremes over southern Africa, via local effects such as increased convection and remote effects such as an adjustment of the Walker-type circulation.