Cascading climate effects and related ecological consequences during past centuries

The interface between climate and ecosystem structure and function is incompletely understood, partly because few ecological records start before the recent warming phase. Here, we analyse an exceptional 100-yr long record of the great tit (Parus major) population in Switzerland in relation to climate and habitat phenology. Using structural equation analysis, we demonstrate an uninterrupted cascade of significant influences of the large-scale atmospheric circulation (North-Atlantic Oscillation, NAO, and North-sea – Caspian Pattern, NCP) on habitat and breeding phenology, and further on fitness-relevant life history traits within great tit populations. We then apply the relationships of this analysis to reconstruct the circulation-driven component of fluctuations in great tit breeding phenology and productivity on the basis of new seasonal NAO and NCP indices back to 1500 AD. According to the structural equation model, the multi-decadal oscillation of the atmospheric circulation likely led to substantial variation in habitat phenology, productivity and consequently, tit population fluctuations with minima during the "Maunder Minimum" (∼ 1650–1720) and the Little Ice Age Type Event I (1810–1850). The warming since 1975 was not only related with a quick shift towards earlier breeding, but also with the highest productivity since 1500, and thus, the impact of the NAO and NCP has contributed to an unprecedented increase of the population. A verification of the structural equation model against two independent data series (1970–2000 and 1750–1900) corroborates that the retrospective model reliably depicts the major long-term NAO/NCP impact on ecosystem parameters. The results suggest a complex cascade of climate effects beginning at a global scale and ending at the level of individual life histories. This sheds light on how large-scale climate conditions substantially affect major life history parameters within a population, and thus influence key ecosystem parameters at the scale of centuries.

Exposure dating of Late Glacial and pre-LGM moraines in the Cordon de Doña Rosa, Northern/Central Chile (~ 31°S)

Despite the important role of the Central Andes (15–30° S) for climate reconstruction, knowledge about the Quaternary glaciation is very limited due to the scarcity of organic material for radiocarbon dating. We applied 10Be surface exposure dating (SED) on 22 boulders from moraines in the Cordon de Doña Rosa, Northern/Central Chile (~31° S). The results show that several glacial advances in the southern Central Andes occurred during the Late Glacial between ~14.7±1.5 and 11.6±1.2 ka. A much more extensive glaciation is dated to ~32±3 ka, predating the temperature minimum of the global LGM (Last Glacial Maximum: ~20 ka). Reviewing these results in the paleoclimatic context, we conclude that the Late Glacial advances were most likely caused by an intensification of the tropical circulation and a corresponding increase in summer precipitation. High-latitude temperatures minima, e.g. the Younger Dryas (YD) and the Antarctic Cold Reversal (ACR) may have triggered individual advances, but current systematic exposure age uncertainties limit precise correlations. The absence of LGM moraines indicates that moisture advection was too limited to allow significant glacial advances at ~20 ka. The tropical circulation was less intensive despite the maximum in austral summer insolation. Winter precipitation was apparently also insufficient, although pollen and marine studies indicate a northward shift of the westerlies at that time. The dominant pre-LGM glacial advances in Northern/Central Chile at ~32 ka required lower temperatures and increased precipitation than today. We conclude that the westerlies were more intense and/or shifted equatorward, possibly due to increased snow and ice cover at higher southern latitudes coinciding with a minimum of insolation.

Molecular interaction between perthiolated [beta]-cyclodextrin (CD) and the guests molecules adamantaneacetic acid (AD) and ferroceneacetic acid (FC); and the effect of the interaction on the electron transition of CD anchored particles

The molecular interactions between the host molecule, perthiolated beta-cyclodextrin (CD), and the guest molecules, adamantaneacetic acid (AD) and ferroceneacetic acid (FC), have been inestigated theoretically in both the gas and aqueous phases. The major computations have been carried out at the theoretical levels, RHF/6-31G and B3LYP/6- 31G. MP2 electronic energies were also computed based at the geometries optimized by both the RHF and B3LYP methods in the gas phase to establish a better estimate of the correlation effect. The solvent phase computations were completed at the RHF/6-31G and B3LYP/6-31G levels using the PCM model. The most stable structures optimized in gas phase by both the RHF and B3LYP methods were used for the computations in solution. A method to systematically manipulate the relative position and orientation between the interacting molecules is proposed. In the gas phase, six trials with different host-guest relative positions and orientations were completed successfully with the B3LYP method for both the CD-AD and CD-FC complexes. Only four trials were completed with RHF method. In the gas phase, the best results from the RHF method gives for the association Gibbs free energy (ΔG°) values equal to -32.21kj/mol for CD-AD and -25.73kj/mol for CD-FC. And the best results from the B3LYP method have ΔG° equal to -47.57kj/mol for CD-AD and -41.09kj/mol for CD-FC. The MP2 correction significantly lowers ΔG° based on the geometries from both methods. For the RHF structure, the MP2 computations lowered ΔG° to -60.64kj/mol for CD-AD and -54.10 for CD-FC. For the structure from the B3LYP method, it was reduced to -59.87 kj/mol for CD-AD and -54.84 kj/mol for CDFC. The RHF solvent phase calculations yielded following results: ΔG°(aq) equals 107.2kj/mol for CD-AD and 111.4kj/mol for CD-FC. Compared with the results from the RHF method, the B3LYP method provided clearly better solvent phase results with ΔG° (aq) equal to 38.64kj/mol for CD-AD and 39.61kj/mol for CD-FC. These results qualitatively explain the experimental observations. However quantitatively they are in poor agreement with the experimental values available in the literature and those recently published by Liu et al. And the reason is believed to be omission of hydrophobic contribution to the association. Determining the global geometrical minima for these very large systems was very difficult and computationally time consuming, but after a very thorough search, these were identified. A relevant result of this search is that when the complexes, CD-AD and CD-FC, are formed, the AD and FC molecules are only partially embedded inside the CD cavity. The totally embedded complexes were found to have significantly higher energies. The semiempirical method, ZINDO, was employed to investigate the effect of complexation on the first electronic excitation of CD anchored to a metal nano-particle. The computational results revealed that after complexation to FC, the transition intensity declines to about 25% of the original value, and after complexation with AD, the intensity drops almost 50%. The tighter binding and transition intensity of CD-AD qualitatively agrees with the experimental result that the addition of AD to a solution of CD and FC restores the fluorescence of CD that was quenched by the addition of FC. A method to evaluate the “hydrophobic force” effect is proposed for future work.

Proteins in silico-modeling and sampling

Proteins are linear chain molecules made out of amino acids. Only when they fold to their native states, they become functional. This dissertation aims to model the solvent (environment) effect and to develop & implement enhanced sampling methods that enable a reliable study of the protein folding problem in silico. We have developed an enhanced solvation model based on the solution to the Poisson-Boltzmann equation in order to describe the solvent effect. Following the quantum mechanical Polarizable Continuum Model (PCM), we decomposed net solvation free energy into three physical terms– Polarization, Dispersion and Cavitation. All the terms were implemented, analyzed and parametrized individually to obtain a high level of accuracy. In order to describe the thermodynamics of proteins, their conformational space needs to be sampled thoroughly. Simulations of proteins are hampered by slow relaxation due to their rugged free-energy landscape, with the barriers between minima being higher than the thermal energy at physiological temperatures. In order to overcome this problem a number of approaches have been proposed of which replica exchange method (REM) is the most popular. In this dissertation we describe a new variant of canonical replica exchange method in the context of molecular dynamic simulation. The advantage of this new method is the easily tunable high acceptance rate for the replica exchange. We call our method Microcanonical Replica Exchange Molecular Dynamic (MREMD). We have described the theoretical frame work, comment on its actual implementation, and its application to Trp-cage mini-protein in implicit solvent. We have been able to correctly predict the folding thermodynamics of this protein using our approach.

Erupted magma volume estimates at Santiaguito and Pacaya Volcanoes, Guatemala using digital elevation models

High resolution digital elevation models (DEMs) of Santiaguito and Pacaya volcanoes, Guatemala, were used to estimate volume changes and eruption rates between 1954 and 2001. The DEMs were generated from contour maps and aerial photography, which were analyzed in ArcGIS 9.0®. Because both volcanoes were growing substantially over the five decade period, they provide a good data set for exploring effective methodology for estimating volume changes. The analysis shows that the Santiaguito dome complex grew by 0.78 ± 0.07 km3 (0.52 ± 0.05 m3 s-1) over the 1954-2001 period with nearly all the growth occurring on the El Brujo (1958-75) and Caliente domes (1971-2001). Adding information from field data prior to 1954, the total volume extruded from Santiaguito since 1922 is estimated at 1.48 ± 0.19 km3. Santiaguito’s growth rate is lower than most other volcanic domes, but it has been sustained over a much longer period and has undergone a change toward more exogenous and progressively slower extrusion with time. At Santiaguito some of the material being added at the dome is subsequently transported downstream by block and ash flows, mudflows and floods, creating channel shifting and areas of aggradation and erosion. At Pacaya volcano a total volume of 0.21 ± 0.05 km3 was erupted between 1961 and 2001 for an average extrusion rate of 0.17 ± 0.04 m3 s-1. Both the Santiaguito and Pacaya eruption rate estimates reported here are minima, because they do not include estimates of materials which are transported downslope after eruption and data on ashfall which may result in significant volumes of material spread over broad areas. Regular analysis of high resolution DEMs using the methods outlined here, would help quantify the effects of fluvial changes to downstream populated areas, as well as assist in tracking hazards related to dome collapse and eruption.

Movement control of manipulative tasks in patients with Gilles de la Tourette syndrome

When a hand-held object is moved, grip and load force are accurately coordinated for establishing grasp stability. In the present work, the question was raised whether patients with Gilles de la Tourette syndrome (TS), who show tic-like movements, are impaired in grip-load force control when executing a manipulative task. To this end, we assessed force regulation during action patterns that required rhythmical unimanual or bimanual (iso-directional/anti-directional) movements. Results showed that the profile of grip-load force ratio was characterized by maxima and minima that were realized at upward and downward hand positions, respectively. TS patients showed increased force ratios during unimanual and bimanual movements, compared with control subjects, indicative of an inaccurate specification of the precision grip. Functional imaging data complemented the behavioural results and revealed that secondary motor areas showed no (or greatly reduced) activation in TS patients when executing the movement tasks as compared with baseline conditions. This indicates that the metabolic level in the secondary motor areas was equal during rest and task performance. At the neuronal level, this observation suggests that these cortical areas were continuously involved in movement preparation. Based on these data, we conclude that the ongoing activation of secondary motor areas may be explained by the TS patients' involuntary urges to move. Accordingly, interference will prevent an accurate planning of voluntary behaviour. Together, these findings reveal modulations in movement organization in patients with TS and exemplify degrading consequences for manual function.

Offenes Baukastensystem zur effizienten Dimensionierung von Materialflusssystemen

Die optimale Gestaltung logistischer Systeme und Prozesse bekommt eine immer größere Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen. Für Einzelkomponenten von Materi-alflusssystemen sind neben exakten analytischen Verfahren auch Näherungslösungen und Ersatzmodelle in Form von Polynomen, neuronalen Netzen oder zeitdiskreten Verfahren vorhanden, mit denen eine gute Nachbildung des Verhaltens dieser Komponenten möglich ist. Ziel des Baukastensystems ist es, für diese Vielzahl von Methoden mit ihren spezifischen Ein- und Aus-gangsgrößen eine übergeordnete, einheitliche Kommunikations- und Datenschnittstelle zu definieren. In einem grafischen Editor kann ein Modell eines Materialflusssystems aus solchen Bausteinen gebildet und parametriert werden. Durch Verbindungen zwischen den Bausteinen werden Informationen ausge-tauscht. Die Berechnungen der Bausteine liefern Aussagen zu Auslastungen, Warteschlangen bzw. Warte-zeiten vor den Bausteinen sowie Flussgrößen zur Beschreibung der Abgangströme. The optimal arrangement of logistical systems and operations gets an increased importance for the economicalness and competitiveness of enterprises. For individual components of material flow systems there are also existing approximate solutions and substitute models besides exact analytical calculations in the form of polynomials, neural nets or time-discrete analysis which allows a good analytical description of the behaviour of these components. It is aim of the module system to define a superordinate and unified communication and data interface for all of these variety of methods with her specific input and output quantities. By using a graphic editor, the material flow system can be modelled of such components with specified functions and parameters. Connections between the components allows exchange of information. The calculations of the components provide statements concerning utilization, queue size or waiting time ahead of the components as well as parameters for the description of the departure process. Materialflusssysteme sind Träger innerbetrieblicher Transportprozesse und elementarer Bestandteil logistischer Systeme. Die optimale Gestaltung logistischer Systeme und Prozesse bekommt eine immer größere Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen. Die effiziente Dimensionierung von Materialflusssystemen ist für Planer, Hersteller und Betreiber solcher Anlagen von grundsätzlicher Bedeutung. Für viele bei der Planung materialflusstechnischer Anlagen auftretende Fragestellungen steht noch immer kein Berechnungsverfahren oder -werkzeug zur Verfügung, welches allen drei folgenden Anforderungen gleicherma-ßen gerecht wird: Die Handhabung soll einfach, unkompliziert und schnell sein. Die Berechnungsergebnisse sollen eine hohe Genauigkeit haben. Die Berechnung soll allgemein gültige Ergebnisse liefern. Dabei handelt es sich um Fragestellungen, die durchaus grundlegender Natur sind. Beispielsweise nach den (statistisch) zu erwartenden minimalen und maximalen Auftragsdurchlaufzeiten, nach dem Einfluss von Belas-tungsschwankungen auf die Anlagenleistung, nach vorzusehenden Puffern (Stauplätze) und Leistungsreserven (Auslastung). Für die oben genannten Aufgaben der Materialflussplanung stehen heute hauptsächlich drei Verfahren zur Verfügung (Abb. 1): Faustformeln (gekennzeichnet mit f) sind einfach aber ungenau. Das Systemverhalten von Materialfluss-komponenten beschreiben sie selten über den gesamten Bereich möglicher Betriebsbedingungen und Konfi-gurationen. Das Verhalten von gesamten Materialflusssystemen ist zu komplex, als dass es mit Faustformeln adäquat beschreibbar wäre. Bedienungstheoretische Ansätze erlauben die Beschreibung von Materialflusskomponenten (kleines b) sehr genau und sehr umfassend, soweit Standardmethoden und -modelle der Bedienungstheorie anwendbar sind. Ist diese Voraussetzung nicht gegeben, kann der Aufwand zur Modellbildung schnell erheblich werden. Die Beschreibung von Materialflusssystemen (großes B) als Bedienungsnetzwerke ist nur unter (zum Teil stark) vereinfachenden Annahmen möglich. Solche Vereinfachungen gehen zu Lasten von Genauigkeit und All-gemeingültigkeit der Aussagen. Die Methoden sind häufig sehr komplex, ihre Anwendung erfordert vertief-te Kenntnisse in der Statistik und Stochastik. Simulationsuntersuchungen liefern für Materialflusskomponenten (kleines s) und für Materialflusssysteme (großes S) gleichermaßen genaue Aussagen. Der für die Untersuchungen erforderliche Aufwand hängt dabei weit weniger von den Eigenschaften und der Größe des Systems ab, als es bei bedienungstheoretischen An-sätzen der Fall ist. Die Aussagen der Simulation sind nie universell. Sie betreffen immer nur ein System in einer bestimmten Konfiguration. Die Anwendung der Simulation erfordert Spezialsoftware und vertiefte Kenntnisse in der Modellierung und Programmierung. Verfahren, die genaue und allgemein gültige Aussagen über das Verhalten komplexer Materialflusssysteme liefern können, sind insbesondere in der Phase der Angebotserstellung bzw. in der Phase der Grobplanung von besonderer Wichtigkeit. Andererseits sind heute verfügbare Verfahren aber zu kompliziert und damit unwirt-schaftlich. Gerade in der Phase der Systemgrobplanung werden häufig Änderungen in der Struktur des Systems notwendig, welche z.B. beim Einsatz der Simulation zu erheblichem Änderungsaufwand am Modell führt. Oftmals können solche Änderungen nicht schnell genug ausgeführt werden. Damit bleiben in der Praxis oft erhebliche Planungsunsicherheiten bestehen. Der Grundgedanke des Baukastensystems besteht in der Modularisierung von Materialflusssystemen in einzelne Bausteine und Berechnungen zum Verhalten dieser Komponenten. Die betrachteten Module sind Materialfluss-komponenten, die eine bestimmte logistische Funktion in einer konstruktiv bzw. steuerungstechnisch bedingten, definierten Weise ausführen. Das Verhalten einer Komponente wird durch Belastungen (Durchsatz) und techni-sche Parameter (Geschwindigkeit, Schaltzeit o.ä.) beeinflusst und kann durch ein adäquates mathematisches Modell quantifiziert werden. Das offene Baukastensystem soll dabei vor allem einen konzeptionellen Rahmen für die Integration derartiger Modellbausteine bilden. Es umfasst neben der Bausteinmodularisierung die Problematik der Kommunikation zwischen den Bausteinen (Schnittstellen) sowie Möglichkeiten zur Visualisierung von Ergebnissen. Das daraus abgeleitete softwaretechnische Konzept berücksichtigt neben der einheitlichen Integration der zum Teil stark unterschiedlichen Berechnungsverfahren für einzelne Materialflusskomponenten auch einheitliche Definitionen zur Beschreibung von benötigten Eingangsparametern einschließlich der Randbedingungen (Defini-tionsbereich) und Plausibilitätskontrollen sowie zur Ergebnisbereitstellung. Äußerst wichtig war die Zielstellung, das System offen und erweiterbar zu gestalten: Prototypisch wurden zwar einzelne vorliegende Bausteine integ-riert, es ist aber jederzeit möglich, weitere Verfahren in Form eines Bausteines zu implementieren und in das Baukastensystem einzubringen. Die Ergebnisse der Berechnungen für ein einzelnes Element (Output) fließen zugleich als Input in das nachfol-gende Element ein: Genau wie im realen Materialflusssystem durch Aneinanderreihung einzelner fördertechni-scher Elemente der Materialfluss realisiert wird, kommt es im Baukasten durch Verknüpfung der Bausteine zur Übertragung der relevanten Informationen, mit denen der Fluss beschrieben werden kann. Durch die Weitergabe der Ergebnisse kann trotz Modularisierung in einzelne Bausteine das Verhalten eines gesamten Materialflusssys-tems bestimmt werden. Daher sind auch hier einheitliche Festlegungen zu Art und Umfang der Übergabeparame-ter zwischen den Bausteinen erforderlich. Unter einem Baustein soll ein Modell einer Materialflusskomponente verstanden werden, welches das Verhalten dieser Komponente beim Vorliegen bestimmter Belastungen beschreibt. Dieses Verhalten ist insbesondere gekennzeichnet durch Warteschlangen und Wartezeiten, die vor der Komponente entstehen, durch Auslastung (Besetztanteil) der Komponente selbst und durch die Verteilung des zeitlichen Abstand (Variabilität) des die Komponente verlassenden Stroms an Transporteinheiten. Maßgeblich bestimmt wird dieses Verhalten durch Intensität und Variabilität des ankommenden Stroms an Transporteinheiten, durch die Arbeitsweise (z.B. stetig / unstetig, stochastisch / deterministisch) und zeitliche Inanspruchnahme der Komponente sowie durch Steuerungsregeln, mit denen die Reihenfolge (Priorisierung / Vorfahrt) und/oder Dauer der Abarbeitung (z.B. Regalbediengerät mit Strategie „Minimierung des Leerfahrtan-teils“) verändert werden. Im Grunde genommen beinhaltet ein Baustein damit ein mathematisches Modell, das einen oder mehrere an-kommende Ströme von Transporteinheiten in einen oder mehrere abgehende Ströme transformiert (Abb. 2). Derartige Modelle gibt es beispielsweise in Form von Bedienmodellen ([Gnedenko1984], [Fischer1990 u.a.]), zeitdiskreten Modellen ([Arnold2005], [Furmans1992]), künstlichen neuronalen Netzen ([Schulze2000], [Markwardt2003]), Polynomen ([Schulze1998]). Die zu Grunde liegenden Verfahren (analytisch, simulativ, numerisch) unterscheiden sich zwar erheblich, genü-gen aber prinzipiell den genannten Anforderungen. Die Fixierung auf ein mathematisches Modell ist aber nicht hinreichend, vielmehr bedarf es für einen Baustein auch definierter Schnittstellen, mit denen der Informationsaustausch erfolgen kann (Abb. 3). Dazu zählen neben der einheitlichen Bereitstellung von Informationen über die ankommenden und abgehenden Materialströme auch die Berücksichtigung einer individuellen Parametrierung der Bausteine sowie die Möglichkeit zur Interaktion mit dem Bediener (Anordnung, Parametrierung und Visualisierung). Das offene Konzept erlaubt das eigenständige Entwickeln und Aufnehmen neuer Bausteine in den Baukasten. Dazu ergibt sich als weitere Anforderung die einfache Konfigurierbarkeit eines Bausteins hinsichtlich Identifika-tion, Aussehen und Leistungsbeschreibung. An einen Baustein innerhalb des Baukastensystems werden weiter-hin die folgenden Anforderungen gestellt: Jeder Baustein ist eine in sich abgeschlossene Einheit und kann nur über die Ein- und Ausgänge mit seiner Umgebung kommunizieren. Damit ist ausgeschlossen, dass ein Baustein den Zustand eines ande-ren Bausteins beeinflussen kann. Das führt zu den beiden Lokalitätsbedingungen: Es gibt keine �����bergeordnete Steuerung, die in Abhängigkeit vom aktuellen Systemzustand dispositive Entscheidungen (z.B. zur Routenplanung) trifft. Blockierungen in Folge von Warteschlangen haben keine Auswirkungen auf die Funktion an-derer Bausteine. Bausteine beinhalten in sich abgeschlossene Verfahren zur Dimensionierung einer Komponente (Klas-se) des Materialflusssystems (z.B. Einschleusung auf einen Sorter, Drehtisch als Verzweigungselement oder als Eckumsetzer). Dabei werden auf Grund von technischen Parametern, Steuerungsstrategien und Belastungsannahmen (Durchsatz, Zeitverteilungen) Ergebnisse ermittelt. Ergebnisse im Sinne dieses Bausteinkonzepts sind Auslastungen, Warteschlangen bzw. Wartezeiten vor dem Baustein sowie Flussgrößen zur Beschreibung des Abgangstroms. Als Beschreibung eignen sich sowohl einzelne Kennwerte (Mittelwert, Varianz, Quantile) als auch statische Verteilungsfunktionen. Die Lokalitätsbedingungen stellen Einschränkungen in der Anwendbarkeit des Baukastensystems dar: Systeme mit übergeordneten Steuerungsebenen wie Routenplanung oder Leerfahrzeugsteuerung, die Entscheidungen auf Grund der vorhandenen Transportaufträge und des aktuellen Systemzustands treffen (Fahrerlose Transportsys-teme, Elektrohängebahn), können mit dem Baukasten nicht bearbeitet werden. Diese auf Unstetigförderern basierenden Systeme unterscheiden sich aber auch in ihren Einsatzmerkmalen grundlegend von den hier betrach-teten Stetigförderersystemen. Das Problem der Blockierungen vorgelagerter Bereiche durch zu große Warteschlangen kann dagegen bereits mit dem Baukasten betrachtet und zumindest visualisiert werden. Dazu ist den Verbindungen zwischen den Bausteinen eine Kapazität zugeordnet, so dass durch Vergleich mit den berechneten Warteschlangenlängen eine generelle Einschätzung zur Blockierungsgefahr möglich wird: Ist die Streckenkapazität kleiner als die mittlere Warteschlange, muss von einer permanenten Blockierung ausgegangen werden. In diesem Fall kann der vorhergehende Baustein seine gerade in Bearbeitung befindli-che Transporteinheit nach dem Ende der „Bedienung“ nicht sofort abgeben und behindert damit auch seine weiteren ankommenden Transporteinheiten. Für die Transporteinheiten bedeutet das eine Verlustzeit, die auch nicht wieder aufgeholt werden kann, für das gesamte Transportsystem ist von einer Leistungsminde-rung (geringerer Durchsatz, größere Transport- / Durchlaufzeit) auszugehen. Da bei der Berechnung der Bausteine von einer Blockierfreiheit ausgegangen wird, sind die Berechnungser-gebnisse in aller Regel falsch. Ist die Streckenkapazität zwar größer als die mittlere Warteschlange, aber kleiner als beispielsweise das 90%-Quantil der Warteschlange, ist mit teilweisen Blockierungen (in dem Fall mit mehr als 10% Wahr-scheinlichkeit) zu rechnen. Dann tritt der o.g. Effekt nur zeitweise auf. Die Ergebnisse der Berechungen sind dann zumindest für einzelne Bausteine ungenau. In beiden Fällen wird das Problem erkannt und dem Anwender signalisiert. Es wird davon ausgegangen, dass die geplante Funktionalität und Leistungsfähigkeit des Materialflusssystems nur dann gewährleistet ist, wenn keine Blockierungen auftreten. Durch Änderung der Parameter des kritischen Bausteins, aber auch durch Änderung der Materialströme muss daher eine Anpassung vorgenommen werden. Erst bei Vorliegen der Blockierfreiheit ist die Voraussetzung der Lokalität der Berechnungen erfüllt. Die Berechnungsverfahren in den Bausteinen selbst können wegen der Modularisierung (Lokalität) sehr unter-schiedlicher Art sein. Dabei ist es prinzipiell möglich, die einzelnen Ergebnisse eines Bausteins mit verschiede-nen Verfahren zu ermitteln, insbesondere dann, wenn auf Grund eines eingeschränkten Definitionsbereichs der Eingangsparameter die Anwendung eines bestimmten Verfahrens nicht zulässig ist. Bausteine, die einen Materialfluss auf Grund äußerer, nicht aus dem Verhalten des Bausteins resultierende Einflüsse generieren (Quelle) oder verändern (Service-Station), sind durch eine Flussgröße  parametriert. Die Flussgröße ist eine statistische Verteilungsfunktion zur Beschreibung der Ankunfts- und Abgangsströme (Zwi-schenankunftszeiten). In der Praxis, insbesondere in der Planungsphase, ist aber eine solche Verteilungsfunktion meist nicht bekannt. Zudem erweist sich das Rechnen mit Verteilungsfunktionen als numerisch aufwändig. Untersuchungen in [Markwardt2003] haben gezeigt, dass eine Parametrisierung als Abstraktion über statistische Verteilungsfunktionen mit gleichen Erwartungswerten, Minima und Streuungen ausreichend genaue Ergebnisse liefert. Daher wird die Flussgröße beschrieben durch die Parameter Ankunftsrate (=Durchsatz), Mindestzeitabstand tmind und Variationskoeffizient c (als Maß für die Variabilität des Stroms). Zur Visualisierung der Ergebnisse kann die dreiparametrige Gammaverteilung zu Grunde gelegt werden, die eine gute Anpassung an reale Prozessverläufe bietet und durch die genannten Parameter eindeutig beschrieben ist: Weitere leistungsbestimmende Größen wie technische Parameter, Zeitbedarfe u.ä. werden als Parametertupel (k) der jeweiligen Klasse zugeordnet. So ist z.B. bei einer Einschleusung auf einen Sorter zu garantieren, dass der Strom auf der Hauptstrecke nicht angehalten wird. Das erfordert bei einer Einschleusung von der Nebenstrecke eine Lücke im Gutstrom auf der Hauptstrecke mit der Länge Mindestabstand und Fördergeschwindigkeit sind Parameter der ankommenden Förderstrecken, demnach ist lediglich die Größe ttr als Transferzeit ein leistungsbestimmender Parameter der Einschleusung. Förderstrecken stellen die Verbindungen zwischen den Bausteinen her und realisieren den eigentlichen Material-fluss durch das System. Die technische Realisierung kann dabei prinzipiell durch verschiedenartige Bauformen von Stetig- und Unstetigförderern erfolgen. Systeme, die aber vollständig auf der Basis von Unstetigförderern arbeiten wie fahrerlose Transportsysteme (FTS) oder Elektrohängebahn (EHB), werden im Rahmen des Baukas-tens nicht betrachtet, weil die Lokalitätsbedingungen nicht gelten und beispielsweise eine übergeordnete Sys-temsteuerung (Fahrzeugdisposition, Leerfahrtoptimierung) einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems hat. Förderstrecken im hier verwendeten Sinne sind Rollen-, Ketten-, Bandförderer oder ähnliches, deren maximaler Durchsatz im Wesentlichen durch zwei Parameter bestimmt wird: Fördergeschwindigkeit (vF) und Mindestab-stand zwischen den Transporteinheiten (smind). Der Mindestabstand ergibt sich aus der Länge der Transportein-heit in Transportrichtung (sx) und einem Sicherheitsabstand (s0), der für ein sicheres und gefahrloses Transportie-ren erforderlich ist. Die Mindestzeit tmind,S zwischen zwei Fördereinheiten auf einer Förderstrecke bestimmt sich demnach zu Ist das verbindende Förderelement nicht staufähig (nicht akkumulierend, z.B. Gurtbandförderer), so kann sich der Abstand zwischen den Fördergütern während des Förder- oder Transportvorgangs nicht verändern: Muss das Band angehalten werden, weil eine Abgabe an das nachfolgende Förderelement nicht möglich ist, bleiben alle Einheiten stehen. In diesem Fall ist es also nicht möglich, die Lücken im Transportstrom zu schließen, die bereits bei der Aufgabe auf das Förderelement entstehen. Für die Berechnung der Mindestzeit tmind,S bedeutet das, dass dann auch die Mindestzeit tmind,B des vorhergehenden Bausteins berücksichtigt werden muss. Die Mindestzeit des Streckenelements nach (6) bzw. (7) wird als einer der Parameter der Flussgröße zur Be-schreibung des am nachfolgenden Baustein ankommenden Stroms verwendet. Als Parameter der Förderstrecke werden neben der Fördergeschwindigkeit daher auch Angaben zum Transportgut (Abmessungen, Sicherheitsab-stand, Transportrichtung) benötigt. Es bot sich ferner an, eine Typisierung der Förderstrecken hinsichtlich ihrer technischen Realisierung (Rollenförderer, Kettenförderer, Bandförderer usw. mit zugeordneten Parametern) vorzunehmen, um den Aufwand für die Beschreibung der Förderstrecken gering zu halten. Weitere Parameter der Förderstrecken dienen der Aufnahme der Berechnungsergebnisse von vor- bzw. nachge-lagerten Bausteinen und beinhalten: die Länge der Warteschlange (einzelne Kenngrößen wie Mittelwert, 90%-, 95% bzw. 99%-Quantil oder - falls ermittelbar - als statistische Verteilung) die Wartezeit (ebenfalls Kenngrößen oder statistische Verteilung) die (Strecken-)Auslastung Variationskoeffizient für den Güterstrom Für die Darstellung des Materialflusses in einem System werden jeweils einzelne Materialfluss-Relationen betrachtet. Dabei wird angenommen, dass jede Relation an einer Quelle beginnt, an einer Senke endet, dabei mehrere Materialfluss-Komponenten (Bausteine) durchläuft und über den gesamten Verlauf in seiner Größe (Transportmenge) konstant bleibt. Einziger leistungsbestimmender Parameter einer Materialfluss-Relation ist die Transportmenge. Sie wird als zeitabhängige Größe angegeben und entspricht damit dem Durchsatz. Mindestabstand und Variationskoeffizient werden vom erzeugenden Baustein (Quelle) bestimmt, von den weiteren durchlaufenen Bausteinen verändert und über die Förderstrecken jeweils an den nachfolgenden Baustein übertragen. Die verbindenden Förderstrecken werden mit dem jeweiligen Durchsatz „belastet“. Bei Verbindungen, die von mehreren Relationen benutzt werden, summieren sich die Durchsätze, so dass sich unterschiedliche Strecken- und Bausteinbelastungen ergeben. Im Kontext des Baukastensystems werden Metadaten1 verwendet, um die in einem Baustein enthaltenen Infor-mationen über Anwendung, Verfahren und Restriktionen transparent zu machen. Ziel des Baukastensystems ist es je gerade, einfache und leicht handhabbare Berechnungsmodule für einen breiteren Anwenderkreis zur Verfü-gung zu stellen. Dazu sind Beschreibungen erforderlich, mit denen das Leistungsspektrum, mögliche Ergebnisse und Anwendungs- bzw. Einsatzkriterien dokumentiert werden. Aufgabe der Baustein-Bibliothek ist die Sammlung, Verwaltung und Bereitstellung von Informationen über die vorhandenen Bausteine. Damit soll dem Nutzer die Möglichkeit gegeben werden, für seine konkret benötigte Materialflusskomponente einen geeigneten Baustein zur Abbildung zu finden. Mit der Entwicklung weiterer Bausteine für ähnliche Funktionen, aber unterschiedliche Realisierungen (z. B. Regalbediengerät: einfach- oder doppeltiefe Lagerung, mit oder ohne Schnellläuferzone usw.) wächst die Notwendigkeit, die Einsatz- und Leis-tungsmerkmale des Bausteins in geeigneter Weise zu präsentieren. Die Baustein-Bibliothek enthält demnach eine formalisierte Beschreibung der vorhandenen und verfügbaren Bausteine. Die Informationen sind im Wesentlichen unter dem Aspekt einer einheitlichen Identifikation, Infor-mation, Visualisierung und Implementierung der unterschiedlichen Bausteine zusammengestellt worden. Einige der in der Baustein-Bibliothek enthaltenen Metadaten lassen sich durchaus mehreren Rubriken zuordnen. Identifikation und Information Ein Baustein wird durch eine eindeutige Ident-Nummer fixiert. Daneben geben Informationen zum Autor (Ent-wicklung und/oder Implementierung des Verfahrens) und eine Funktionsbeschreibung eine verbale Auskunft über den Baustein. Zusätzlich ist jeder Baustein einem bestimmten Typ zugeordnet entsprechend der Baustein-Klassifizierung (Bearbeiten, Verzweigen, Zusammenführen usw.), über den die Baustein-Auswahl eingegrenzt werden kann. Visualisierung Die Parameter für die Visualisierung beschreiben die Darstellung des Bausteins innerhalb des Baukastensystems (Form, Farbe, Lage der Ein- und Ausgänge des Bausteins, Icons). Implementierung Der Klassenname verweist auf die Implementierung des Bausteins. Zusätzlich benötigte Programm-Ressourcen (externe Bibliotheken wie *.dll , *.tcl o.ä.) können angegeben werden. Weiterhin sind Bezeichnungen und Erläuterungen der erforderlichen technischen Parameter für den Eingabedialog enthalten. Für die Förderstrecken wird ebenfalls eine formalisierte Beschreibung verwendet. Sie verweist jedoch nicht wie die Baustein-Bibliothek auf Software-Ressourcen, sondern enthält nur eine Reihe technischer Parameter, die für das Übertragungsverhalten der Förderstrecke eine Rolle spielen (Fördergeschwindigkeit, Arbeitsweise akkumu-lierend, Ausrichtung des Transportguts). Die Einträge lassen sich als Musterdatensätze (Template) für die Bau-stein-Verbindungen auffassen, um bestimmte, häufig vorkommende fördertechnische Lösungen diesen Verbin-dungen in einfacher Weise zuordnen zu können. Die Angaben sind aber im konkreten Anwendungsfall änderbar. Angaben zum Transportgut beschränken sich auf die Abmessungen der Transporteinheiten (Länge, Breite) und den erforderlichen Sicherheitsabstand (s0). Als Grundform wird von einer Standard-Euro-Palette (1200x800 mm) ausgegangen, es lassen sich aber auch Güter mit anderen Maßen hinzufügen. Die Angaben zum Transportgut werden in Verbindung mit den Parametern der Förderstrecken (Ausrichtung des Gutes längs oder quer) ausgewertet, so dass sich die jeweiligen Mindestabstände (Gleichung 6 bzw. 7) sowie der maximale Durchsatz Qmax als Grundlage für die Berechnung der Streckenauslastung bestimmen lassen. Das Gesamtkonzept des Baukastensystems ist in Abbildung 4 dargestellt. Es besteht im Wesentlichen aus drei Bereichen: Bausteinerstellung Bausteinverwaltung (Bibliotheken) Baukasten (Benutzeroberfläche) Dabei ist der Bereich der Bausteinerstellung nicht unmittelbarer Bestandteil der realisierten Lösung. Sie ist vielmehr die Quelle für die Bausteine, die über die jeweiligen Metadaten in einer Baustein-Bibliothek verwaltet und bereitgestellt werden. Die Verwaltung von Bausteinen und Förderstrecken ist die Umsetzung der Baustein-Bibliothek und (im erwei-terten Sinne) der Definitionen für die Förderstrecken. Der Modellbaukasten selbst stellt die Grafische Nutzeroberfläche dar (Abb. 11) und enthält den interaktiven, grafischen Modelleditor, die Auswahlelemente (Werkzeugkoffer bzw. -filter) für Bausteine und Förderstrecken, tabellarische Übersichten für alle Bausteine, Förderstrecken und Materialflussrelationen sowie Eingabedialoge für Bausteine, Förderstrecken und Materialflussrelationen. Die Entwicklung eines Modells mit dem Baukastensystem erfolgt prinzipiell in drei Schritten: Schritt eins umfasst die Anordnung und Definition der Bausteine. Der Modellbaukasten bietet die Möglich-keit, einen bestimmten Baustein direkt (z.B. Ausschleusung) oder unter Nutzung eines Bausteinfilters (z.B. alle Verzweigungselemente) auszuwählen und im grafischen Editor mittels Mausklick zu platzieren . An-schließend erfolgt im Dialog die notwendige Parametrierung des Bausteins. Dies beinhaltet sowohl die An-gaben zur Visualisierung (Drehung, Spiegelung) als auch die für die Dimensionierung erforderlichen techni-schen Parameter. Die für jeden Baustein benötigten Leistungsanforderungen (Durchsatz, lokale Transport-matrix) werden allerdings nicht direkt angegeben, sondern aus den Beziehungen zu den vor- und nachgela-gerten Bausteinen automatisch ermittelt (Übertragungsfunktion der Förderstrecken). Danach erfolgt in einem zweiten Schritt die Definition von Verbindung zwischen den Bausteinen (Förder-strecken): Das Erzeugen der Bausteinverbindungen ist ebenfalls ganz einfach zu realisieren. Nach Auswahl der zu Grunde liegenden Fördertechnik (z.B. Rollenförderer) wird durch Ziehen des Mauszeigers von einem nicht belegten Ausgang zu einem nicht belegten Eingang eines Bausteins die entsprechende Förderstrecke erzeugt. In einem abschließenden Dialog können die gewählten Voreinstellungen zum Transportgut, zum Förderertyp usw. bestätigt oder gegebenenfalls korrigiert werden. Außerdem kann die Kapazität der Förder-strecke definiert werden. Dabei geht es weniger um die Länge des Förderers als viel mehr um die Anzahl der vorgesehenen Puffer- oder Stauplätze im Zusammenhang mit den zu berechnenden Warteschlangenlän-gen. Abschließend wird im dritten Schritt der Materialfluss definiert: Ein Materialstrom ist jeweils eine Relation, die an einer Quelle beginnt, an einer Senke endet und dabei mehrere Bausteine durchläuft. Da die Förder-strecken zu diesem Zeitpunkt bereits definiert sein müssen, kann automatisch ein möglicher Weg zwischen Quelle und Senke gefunden werden. Ähnlich wie bei Routenplanungssystemen kann dabei durch zusätzliche Angabe von Zwischenpunkten (via) der automatisch vorgeschlagene Transportweg verändert und angepasst werden (Abb. 5). Nach Bestätigung des Transportweges und damit der unterwegs zu passierenden Bausteine erfolgt in einem Dialog die Parametrierung (Transportmenge pro Stunde) für diese Relation. Die Elemente des Transportweges (die benutzten Förderstrecken) werden mit dem entsprechenden Durchsatz „belastet“. Nach Abschluss der Modellierung kann die Berechnung ausgeführt werden. Im Ergebnis werden Kennzahlen bestimmt und im Baukasten in verschiedener Form visualisiert, um eine Bewertung der Ergebnisse vornehmen zu können. Eine Übersicht Fehlermeldungen listet die Problemelemente auf. Dabei wird die Schwere eines Problems farb-lich hervorgehoben: fataler Fehler (rot): entsteht z.B. bei Überlastung eines Bausteins – die geforderte Leistung für einen Bau-stein (und damit die des Gesamtsystems) kann nicht erbracht werden. lokaler Fehler (orange): entsteht z.B. bei permanenter Blockierung – die mittlere Warteschlange vor einem Baustein ist größer als dessen vorgesehene Kapazität. Warnung (hellgelb): bei teilweiser Blockierung – das 90%-Quantil der Warteschlange ist größer als die Ka-pazität der Förderstrecke, es ist daher zeitweise mit Blockierungen (und damit Behinderungen des vorherge-henden Bausteins) zu rechnen. Information (weiß): wird immer dann erzeugt, wenn Erwartungswerte für die Wartezeit oder Warteschlange mit einem G/G/1-Bedienmodell berechnet werden. Die Lösungen dieser Näherungsgleichungen sind im All-gemeinen nicht sehr genau, dienen aber als Abschätzung für die sonst fehlenden Kennwerte. Entsprechend der berechneten Auslastung werden die Bausteine im Modelleditor mit einer Farbabstufung von Grün nach Rot markiert, Bausteine und Förderstrecken leuchten rot bei Überlastung. Die dargestellten Ergebnisse im Modelleditor zu Bausteinen und Förderstrecken sind umschaltbar durch den Nutzer (Abb. 6). Je nach den in den Bausteinen hinterlegten Berechnungen sind jedoch nicht immer alle Kenn-größen verfügbar. Die Implementierung des Baukastensystems wurde mit Java (Release 1.5) vorgenommen. Für das Kernsystem wird dabei das in Abbildung 7 dargestellte Klassen-Konzept umgesetzt. Ausgehend von einer allgemeinen Klasse (Object3D) für Visualisierung von und Interaktionen mit grafischen Objekten wurden für Bausteine (AbstractNode) und Förderstrecken (Connection) die jeweiligen Klassen abgelei-tet. Für die Förderstecken ergibt sich dabei eine weitgehend einheitliche Beschreibungsform, die lediglich durch die Parametrierung (Vorlagen in der Förderstrecken-Bibliothek als XML-Datei) auf den konkreten Einsatz im Modell des Materialflusssystems angepasst werden muss. Anders verhält es sich mit den Bausteinen: Durch die mögliche Vielfalt von Bausteinen und den ihnen zu Grunde liegenden Berechnungsverfahren muss es auch eine Vielzahl von Klassen geben. Um jedoch für jeden belie-bigen Baustein den Zugriff (Bereitstellung von Eingangsdaten, Berechnung und Bereitstellung der Ergebnisse) in einer identischen Weise zu gewährleisten, muss es dafür eine nach außen einheitliche Schnittstelle geben. Die Java zu Grunde liegende objektorientierte Programmierung bietet mit dem Konzept der „abstrakten Klasse“ eine Möglichkeit, dies in einfacher Weise zu realisieren. Dazu wird mit AbstractNode quasi eine Vorlage entwi-ckelt, von der alle implementierten Baustein-Klassen abgeleitet sind. AbstractNode selbst enthält alle Methoden, mit denen Baustein-Daten übernommen oder übergeben, die jeweiligen Visualisierungen vorgenommen, die baustein-internen Verbindungen (lokale Transportmatrix) verwaltet und Ein- und Ausgänge mit den zugehörigen Förderstrecken verbunden werden. Die für den Aufruf der eigentlichen Berechnungen in den Bausteinen ver-wendeten Methoden sind deklariert, aber nicht implementiert (sogenannte abstrakte Methoden). Ein Baustein wird von AbstractNode abgeleitet und erbt damit die implementierten Methoden, lediglich die abstrakten Methoden, die die Spezifik des Bausteins ausmachen, sind noch zu implementieren. Um neue Bausteine zu erzeugen, wird Unterstützung in Form eines Bildschirmdialogs angeboten (Abb. 8). Danach sind die entsprechenden Angaben zu den Metadaten, zur Struktur und zur Visualisierung des Bausteins, die Eingangsparameter (Name und Erläuterung) sowie die berechenbaren Ergebnisse (z.B. Auslastung, Quantile der Warteschlangenlänge, aber keine Aussage zu Wartezeiten usw.) anzugeben. Nach Bestätigung der Daten und diversen Syntax- bzw. Semantik-Kontrollen wird der Baustein in der Bibliothek registriert, ein Sourcecode für den neuen Baustein generiert und kompiliert. Der Baustein selbst ist damit formal korrekt und kann sofort verwendet werden, liefert aber noch keine verwertbaren Ergebnisse, weil natürlich die Implementierung des Berechnungsverfahrens selbst noch aussteht. Das muss in einem zweiten Schritt im Rah-men der üblichen Software-Entwicklung nachgeholt werden. Dazu sind die Berechnungsverfahren zu implemen-tieren und die Bausteinschnittstellen zu bedienen. Der generierte Java-Code enthält in den Kommentaren eine Reihe von Hinweisen für den Programmierer, so dass sich problemlos die Schnittstellen des Bausteins program-mieren lassen (Abb. 9). In einem Beispiel werden ein Hochregallager (3 Regalbediengeräte) und zwei Kommissionierplätze durch ein Transportsystem verbunden. Mit der Einlastung von Kommissionieraufträgen werden im Simulationsmodell die entsprechenden Transportaufträge generiert und abgearbeitet (Abb. 10). Dabei können Systemzustände (z.B. Warteschlangen) protokolliert und statistisch ausgewertet werden. Ein entsprechendes Modell für den Baukasten ist in Abbildung 11 dargestellt. Der Vorteil des Baukastensystems liegt selbst bei diesem recht einfachen Beispiel im Zeitvorteil: Für Erstellung und Test des Simulationsmodells und anschließende Simulationsläufe und Auswertungen wird ein Zeitaufwand von ca. 4-5 Stunden benötigt, das Baukastenmodell braucht für Erstellung und korrekte Parametrierung weniger als 0,5 Stunden, die Rechenzeit selbst ist vernachlässigbar gering. Sollte im Ergebnis der Untersuchungen eine Änderung des Materialflusssystems notwendig werden, so führt das im Simulationsmodell teilweise zu erheblichen Änderungen (Abläufe, Steuerungsstrategien, Auswertungen) mit entsprechendem Zeitaufwand. Im Baukasten können dagegen in einfacher Weise zusätzliche Bausteine eingefügt oder vorhandene ersetzt werden durch Bausteine mit geänderter Funktion oder Steuerung. Strukturelle Änderungen am Materialflusssys-tem sind also mit deutlich geringerem Aufwand realisierbar. In [Markwardt2003] werden für mehrere Strukturen von Materialflusskomponenten Fehlerbetrachtungen über die Genauigkeit der mittels neuronaler Netze untersuchten Systeme gegenüber den Simulationsergebnissen vorge-nommen. Danach ergibt sich beispielsweise für das 90%-Quantil der Warteschlange eine Abweichung, die mit 90% Sicherheit kleiner als 0,3 Warteplätze ist. Bei den Variationskoeffizienten des Abgangsstroms betragen die absoluten Abweichungen mit 90% Sicherheit nicht mehr als 0,02 bis 0,05 (in Abhängigkeit vom betrachteten Baustein). Daraus wird die Schlussfolgerung abgeleitet, dass die durch Verknüpfung neuronaler Netze gewonne-nen Aussagen sehr gut mit statistischen Ergebnissen diskreter Simulation übereinstimmen und eine Planungssi-cherheit ermöglichen, die für einen Grobentwurf von Materialflusssystemen weit über die heute gebräuchlichen statischen Berechnungsverfahren hinausgehen. Im konkreten Beispiel wurde die Zahl der Pufferplätze vor den Kommissionierern (Work1 bzw. Work2) zu-nächst auf 3 begrenzt. Die Berechnung im Baukasten ergab dabei in beiden Fällen Fehlermeldungen mit dem Hinweis auf Blockierungen (Abb. 12, links). Diese bestätigten sich auch im Simulationsmodell (Abb. 12, rechts). Nach Vergr��ßerung der Pufferstrecken auf 7 Plätze ist die Blockierungsgefahr auf ein vertretbares Minimum reduziert, und die mit dem Baukasten berechneten Kenngrößen können durch die Simulation prinzipiell bestätigt werden. it dem offenen Baukastensystem ist eine schnelle, einfache, sichere und damit wirtschaftlichere Dimensionie-rung von Materialflusssystemen möglich. Für den Anwender sind sofort statistisch abgesicherte und ausreichend genaue Ergebnisse ohne aufwändige Berechnungen verfügbar, womit sich die Planungsqualität erhöht. Besonde-re Anforderungen an Hard- und Software sind dabei nicht erforderlich. Für die Dimensionierung der einzelnen Bausteine stehen Informationen aus der Bedienungstheorie, Simulati-onswissen und numerische Verfahren direkt und anwendungsbereit zur Verfügung. Es erlaubt eine deutlich vereinfachte Berechnung von statistischen Kenngrößen wie Quantile (statistische Obergrenzen) der Pufferbelegung, Auslastung von Einzelelementen und mittlere Auftragsdurchlaufzeit bei gleichzeitig erhöhter Genauigkeit. Ferner ist das Baukastensystem offen für eine Erweiterung um neue Bausteine, die neue oder spezielle fördertechnische Elemente abbilden oder zusätzliche Informationen liefern können. Da auch komplexe Materialflusssysteme immer wieder aus einer begrenzten Anzahl unterschiedlicher Kompo-nenten bestehen, können durch die Verknüpfung der Einzelbausteine auch Gesamtsysteme abgebildet werden. Die Verknüpfung der Bausteine über eine einheitliche Schnittstelle erlaubt Aussagen über das Verhalten der Gesamtanlage. Bei Einsatz des Baukastensystems sind in einer solchen Verknüpfung jederzeit Parameterände-rungen möglich, deren Folgen sofort sichtbar werden. Die Zeit bis zum Vorliegen gesicherter, ausreichend genauer Ergebnisse wird dadurch drastisch verkürzt. Damit erwächst Variantenuntersuchungen bereits in frühen Planungsphasen neues Potential und kann zum entscheidenden Wettbewerbsvorteil werden.

North-south palaeohydrological contrasts in the central Mediterranean during the Holocene: tentative synthesis and working hypotheses

On the basis of a multi-proxy approach and a strategy combining lacustrine and marine records along a north–south transect, data collected in the central Mediterranean within the framework of a collaborative project have led to reconstruction of high-resolution and well-dated palaeohydrological records and to assessment of their spatial and temporal coherency. Contrasting patterns of palaeohydrological changes have been evidenced in the central Mediterranean: south (north) of around 40° N of latitude, the middle part of the Holocene was characterised by lake-level maxima (minima), during an interval dated to ca. 10 300–4500 cal BP to the south and 9000–4500 cal BP to the north. Available data suggest that these contrasting palaeohydrological patterns operated throughout the Holocene, both on millennial and centennial scales. Regarding precipitation seasonality, maximum humidity in the central Mediterranean during the middle part of the Holocene was characterised by humid winters and dry summers north of ca. 40° N, and humid winters and summers south of ca. 40° N. This may explain an apparent conflict between palaeoclimatic records depending on the proxies used for reconstruction as well as the synchronous expansion of tree species taxa with contrasting climatic requirements. In addition, south of ca. 40° N, the first millennium of the Holocene was characterised by very dry climatic conditions not only in the eastern, but also in the central- and the western Mediterranean zones as reflected by low lake levels and delayed reforestation. These results suggest that, in addition to the influence of the Nile discharge reinforced by the African monsoon, the deposition of Sapropel 1 has been favoured (1) by an increase in winter precipitation in the northern Mediterranean borderlands, and (2) by an increase in winter and summer precipitation in the southern Mediterranean area. The climate reversal following the Holocene climate optimum appears to have been punctuated by two major climate changes around 7500 and 4500 cal BP. In the central Mediterranean, the Holocene palaeohydrological changes developed in response to a combination of orbital, ice-sheet and solar forcing factors. The maximum humidity interval in the south-central Mediterranean started ca. 10 300 cal BP, in correlation with the decline (1) of the possible blocking effects of the North Atlantic anticyclone linked to maximum insolation, and/or (2) of the influence of the remnant ice sheets and fresh water forcing in the North Atlantic Ocean. In the north-central Mediterranean, the lake-level minimum interval began only around 9000 cal BP when the Fennoscandian ice sheet disappeared and a prevailing positive NAO-(North Atlantic Oscillation) type circulation developed in the North Atlantic area. The major palaeohydrological oscillation around 4500–4000 cal BP may be a non-linear response to the gradual decrease in insolation, with additional key seasonal and interhemispheric changes. On a centennial scale, the successive climatic events which punctuated the entire Holocene in the central Mediterranean coincided with cooling events associated with deglacial outbursts in the North Atlantic area and decreases in solar activity during the interval 11 700–7000 cal BP, and to a possible combination of NAO-type circulation and solar forcing since ca. 7000 cal BP onwards. Thus, regarding the centennial-scale climatic oscillations, the Mediterranean Basin appears to have been strongly linked to the North Atlantic area and affected by solar activity over the entire Holocene. In addition to model experiments, a better understanding of forcing factors and past atmospheric circulation patterns behind the Holocene palaeohydrological changes in the Mediterranean area will require further investigation to establish additional high-resolution and well-dated records in selected locations around the Mediterranean Basin and in adjacent regions. Special attention should be paid to greater precision in the reconstruction, on millennial and centennial timescales, of changes in the latitudinal location of the limit between the northern and southern palaeohydrological Mediterranean sectors, depending on (1) the intensity and/or characteristics of climatic periods/oscillations (e.g. Holocene thermal maximum versus Neoglacial, as well as, for instance, the 8.2 ka event versus the 4 ka event or the Little Ice Age); and (2) on varying geographical conditions from the western to the eastern Mediterranean areas (longitudinal gradients). Finally, on the basis of projects using strategically located study sites, there is a need to explore possible influences of other general atmospheric circulation patterns than NAO, such as the East Atlantic–West Russian or North Sea–Caspian patterns, in explaining the apparent complexity of palaeoclimatic (palaeohydrological) Holocene records from the Mediterranean area.

Influence of the sunspot cycle on the Northern Hemisphere wintertime circulation from long upper-air data sets

Here we present a study of the 11 yr sunspot cycle's imprint on the Northern Hemisphere atmospheric circulation, using three recently developed gridded upper-air data sets that extend back to the early twentieth century. We find a robust response of the tropospheric late-wintertime circulation to the sunspot cycle, independent from the data set. This response is particularly significant over Europe, although results show that it is not directly related to a North Atlantic Oscillation (NAO) modulation; instead, it reveals a significant connection to the more meridional Eurasian pattern (EU). The magnitude of mean seasonal temperature changes over the European land areas locally exceeds 1 K in the lower troposphere over a sunspot cycle. We also analyse surface data to address the question whether the solar signal over Europe is temporally stable for a longer 250 yr period. The results increase our confidence in the existence of an influence of the 11 yr cycle on the European climate, but the signal is much weaker in the first half of the period compared to the second half. The last solar minimum (2005 to 2010), which was not included in our analysis, shows anomalies that are consistent with our statistical results for earlier solar minima.

A 2000 year long seasonal record of floods in the southern European Alps

Knowledge of past natural flood variability and controlling climate factors is of high value since it can be useful to refine projections of the future flood behavior under climate warming. In this context, we present a seasonally resolved 2000 year long flood frequency and intensity reconstruction from the southern Alpine slope (North Italy) using annually laminated (varved) lake sediments. Floods occurred predominantly during summer and autumn, whereas winter and spring events were rare. The all-season flood frequency and, particularly, the occurrence of summer events increased during solar minima, suggesting solar-induced circulation changes resembling negative conditions of the North Atlantic Oscillation as controlling atmospheric mechanism. Furthermore, the most extreme autumn events occurred during a period of warm Mediterranean sea surface temperature. Interpreting these results in regard to present climate change, our data set proposes for a warming scenario, a decrease in summer floods, but an increase in the intensity of autumn floods at the South-Alpine slope.

Evidence for distinct modes of solar activity

The Sun shows strong variability in its magnetic activity, from Grand minima to Grand maxima, but the nature of the variability is not fully understood, mostly because of the insufficient length of the directly observed solar activity records and of uncertainties related to long-term reconstructions. Here we present a new adjustment-free reconstruction of solar activity over three millennia and study its different modes. Methods. We present a new adjustment-free, physical reconstruction of solar activity over the past three millennia, using the latest verified carbon cycle, 14C production, and archeomagnetic field models. This great improvement allowed us to study different modes of solar activity at an unprecedented level of details. Results. The distribution of solar activity is clearly bi-modal, implying the existence of distinct modes of activity. The main regular activity mode corresponds to moderate activity that varies in a relatively narrow band between sunspot numbers 20 and 67. The existence of a separate Grand minimum mode with reduced solar activity, which cannot be explained by random fluctuations of the regular mode, is confirmed at a high confidence level. The possible existence of a separate Grand maximum mode is also suggested, but the statistics is too low to reach a confident conclusion. Conclusions. The Sun is shown to operate in distinct modes – a main general mode, a Grand minimum mode corresponding to an inactive Sun, and a possible Grand maximum mode corresponding to an unusually active Sun. These results provide important constraints for both dynamo models of Sun-like stars and investigations of possible solar influence on Earth’s climate.

Stratigraphic Variation Within Polar Firn Caused by Differential Accumulation and Ice Flow: Interpretation of a 400 Mhz Short-Pulse Radar Profile from West Antarctica

We investigate causes of the stratigraphic variation revealed in a 177 km, 400 MHz short-pulse radar profile of firn from West Antarctica. The profile covers 56 m depth, and its direction was close to those of the ice flow and mean wind. The average, near-surface accumulation rates calculated from the time delays of one radar horizon consistently show minima on leeward slopes and maxima on windward slopes, confirming an earlier study based on stake observations. The stratigraphic variation includes up to 30 m depth variation in individual horizons over tens of km, fold limbs that become progressively steeper with depth, and fold-hinge loci that change direction or propagate down-ice with depth over distances far less than predicted by the ice speeds. We use an accumulation rate model to show how local rate anomalies and the effect of ice speed upon a periodic variation in accumulation rate cause these phenomena, and we reproduce two key features seen in the stratigraphic variations. We conclude that the model provides an explanation of changes in spatial stratigraphy and local measures of accumulation history given the constraints of surface topography, ice and wind velocities, and a general accumulation rate for an area.

Seasonal Deuterium Excess in a Tien Shan Ice Core: Influence of Moisture Transport and Recycling in Central Asia

Stable water isotope (delta(18)O, deltaD) data from a high elevation (5100 masl) ice core recovered from the Tien Shan Mountains, Kyrgyzstan, display a seasonal cycle in deuterium excess (d = deltaD - 8* delta(18)O) related to changes in the regional hydrologic cycle during 1994 - 2000. While there is a strong correlation (r(2) = 0.98) between delta(18)O and dD in the ice core samples, the regression slope (6.9) and mean d value (23.0) are significantly different than the global meteoric water line values. The resulting time-series ice core d profile contains distinct winter maxima and summer minima, with a yearly d amplitude of similar to 15 - 20parts per thousand. Local-scale processes that may affect d values preserved in the ice core are not consistent with the observed seasonal variability. Data from Central Asian monitoring sites in the Global Network of Isotopes in Precipitation (GNIP) have similar seasonal d changes. We suggest that regional-scale hydrological conditions, including seasonal changes in moisture source, transport, and recycling in the Caspian/ Aral Sea region, are responsible for the observed spatial and temporal d variability.

Surface "Waves" on Byrd Glacier, Antarctica

Byrd Glacier has one of the largest ice catchment areas in Antarctica, delivers more ice to the Ross Ice Shelf than any other ice stream, and is the fastest of these ice streams. A force balance, combined with a mass balance, demonstrates that stream flow in Byrd Glacier is transitional from sheet flow in East Antarctica to shelf flow in the Ross Ice Shelf. The longitudinal pulling stress, calculated along an ice flowband from the force balance, is linked to variations of ice thickness, to the ratio of the basal water pressure to the ice overburden pressure where Byrd Glacier is grounded, and is reduced by an ice-shelf buttressing stress where Byrd Glacier is floating. Longitudinal tension peaks at pressure-ratio maxima in grounded ice and close to minima in the ratio of the pulling stress to the buttressing stress in floating ice. The longitudinal spacing of these tension peaks is rather uniform and, for grounded ice, the peaks occur at maxima in surface slope that have no clear relation to the bed slope. This implies that the maxima in surface slope constitute a "wave train" that is related to regular variations in ice-bed coupling, not primarily to bed topography. It is unclear whether these surface "waves" are "standing waves" or are migrating either upslope or downslope, possibly causing the grounding line to either retreat or advance. Deciding which is the case will require obtaining bed topography in the map plane, a new map of surface topography, and more sophisticated modeling that includes ice flow linked to subglacial hydrology in the map plane.

Spatial Patterns in Seasonal and Interannual Variability of Chlorophyll and Sea Surface Temperature in the California Current

Physical forcing and biological response within the California Current System (CCS) are highly variable over a wide range of scales. Satellite remote sensing offers the only feasible means of quantifying this variability over the full extent of the CCS. Using six years (1997-2003) of daily SST and chlorophyll imagery, we map the spatial dependence of dominant temporal variability at resolutions sufficient to identify recurrent mesoscale circulation and local pattern associated with coastal topography. Here we describe mean seasonal cycles and interannual variation; intraseasonal variability is left to a companion paper ( K. R. Legaard and A. C. Thomas, manuscript in preparation, 2006). Coastal upwelling dictates seasonality along north-central California, where weak cycles of SST fluctuate between spring minima and late summer maxima and chlorophyll peaks in early summer. Off northern California, chlorophyll maxima are bounded offshore by the seasonally recurrent upwelling jet. Seasonal cycles differ across higher latitudes and in the midlatitude Southern California Bight, where upwelling winds are less vigorous and/or persistent. Seasonality along south-central Baja is strongly affected by processes other than upwelling, despite year-round upwelling-favorable winds. Interannual variation is generally dominated by El Nino and La Nina conditions. Interannual SST variance is greatest along south-central Baja, although interannual variability constitutes a greater fraction of total variance inshore along southern Oregon and much of California. Patterns of interannual chlorophyll variance are consistent with dominant forcing through the widespread depression and elevation of the nutricline during El Nino and La Nina, respectively. Interannual variability constitutes a greater fraction of total chlorophyll variance offshore.