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s/time-series analysis/time series analysis/gi

Neue Algorithmen zur Datierung von Zeitreihen

Jahrringe in Bäume spiegeln die vergangenen Wachstumsbedingungen wider, die Bäume zeit ihres Lebens ausgesetzt waren. Im vorliegenden Projekt wird ein Rechenalgorithmus entwickelt, der bislang undatierte Jahrringsequenzen mit Angabe einer Trefferwahrscheinlichkeit datiert. Damit kann erstmals eine Datierungsmethode vorgestellt werden, mit der Datierungsvorschläge nicht nur lediglich automatisch erfolgen, sondern zusätzlich auch quantitative Maßzahlen über der die Richtigkeit dieser Datierung zur Verfügung gestellt werden. Das im Zuge des Projektes entwickelte Programmsystem wird in die interaktive Mess- und Datierungssoftware des Instituts für Waldwachstum integriert.

Polit-ökonomische Analyse des Einflusses politischer Institutionen auf die Agrarpolitik in Industrie- und Entwickungsländern

In jüngster Zeit wird in der polit-ökonomischen Literatur verstärkt auf die Bedeutung politischer Institutionen für die Ausgestaltung der Wirtschaftspolitik hingewiesen. Insbesondere wenn sich Politikergebnisse nach normativen Kriterien ordnen lassen, kann eine ökonomisch fundierte Vergleichende Regierungslehre zu einer verbesserten Auswahl an politischen Institutionen und somit zu einer Erhöhung der gesellschaftlichen Wohlfahrt beitragen. Daher setzt sich dieses Projekt zur Aufgabe, die Wirkungen verschiedener Wahl- und Regierungssysteme auf die Agrarpolitik zu untersuchen. Die Agrarpolitik als endogene Größe bietet sich an, da im internationalen Vergleich Politiken zu beobachten sind, die nicht allein aufgrund ökonomischer und demographischer Länderunterschiede zu erklären sind. Es soll ein fundiertes theoretisches Modell der agrarpolitischen Entscheidung abgeleitet werden, das sowohl die separaten Effekte des Wahl- und Regierungssystems als auch entsprechende Interaktionseffekte abbildet. Das Modell soll anhand eines internationalen Zeitreihen- Länderquerschnittsdatensatzes auch empirisch validiert werden. Bestehende ökonometrische Probleme bei der Verwendung von Zeitreihen-Querschnittsdaten wie auch hinsichtlich der Endogenität von politischen Institutionen sollen dabei durch innovative Schätzverfahren gelöst werden.

Korrektur des Temperaturtrends meteorologischer Landstationen nach bereits erfolgter Homogenisierung

Verlegungen von Klimastationen und Änderungen in der Beobachtungstechnik rufen Inhomogenitäten in den Temperaturzeitreihen hervor. Es gibt Hinweise darauf, dass solche Sprünge im Mittel negativ sind und somit einen negativen künstlichen Trend in die Daten einfügen. Darum werden standardmäßig Homogenisierungsverfahren angewendet, die diese künstlichen Anteile des Trends beseitigen sollen. Eine vollständige Korrektur ist allerdings aus prinzipiellen Gründen unmöglich, genau wie bei Regressionsverfahren, durch die auch nur ein bestimmter Anteil der Varianz erklärt werden kann. Vor allem bei niedrigen Signal-Rausch-Verhältnissen (SRV), wenn das Rauschen groß gegenüber der durch die Inhomogenitäten erzeugten Varianz ist, wird die tatsächlich notwendige Trendkorrektur bei weitem nicht erreicht. Niedrige SRV herrschen insbesondere in stationsarmen Gebieten der Welt, wo Vergleichsstationen weit entfernt sind. Bei der Berechnung globaler Mittelwerte erhalten aber gerade solche Stationen ein großes Gewicht, da sie weite Gebiete repräsentieren müssen. Wir nehmen daher an, dass der globale Temperaturtrend, auch wenn er aus homogenisierten Daten berechnet wird, deutlich unterkorrigiert ist. Mithilfe künstlicher Daten werden wir zunächst die beiden hauptsächlich verwendeten Korrekturmethoden untersuchen. Der Zusammenhang zwischen der erreichten und der eigentlich notwendigen Trendkorrektur wird für verschiedene realistische SRV bestimmt. Da auch die vorangegangene Identifizierung der Bruchpositionen eine indirekte Rolle spielen kann, werden insgesamt acht Prototypen gängiger Homogenisierungsverfahren getestet. Diese Information wird schließlich verwendet, um die Temperaturtrends eines realen, weitverbreiteten und bereits homogenisierten Datensatzes zu korrigieren und ihre Genauigkeit abzuschätzen.

Wie wirken sich natürliche Variabilität und anthropogen bedingte Änderungen auf die stratosphärische Brewer-Dobson Zirkulation und den Ozonfluss in die Troposphäre aus?

Die Brewer-Dobson Zirkulation (BDC) spielt eine Schlüsselrolle für das globale Klima, da sie die Konzentrationen von Ozon, Wasserdampf und Aerosol in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) beeinflusst. Diese Spurengase wiederum wirken sich über Strahlungsprozesse auf das Klima aus. Insbesondere bewirken Änderungen in der BDC Änderungen im Ozonfluss aus der Stratosphäre in die Troposphäre und haben darüber einen Einfluss auf Klima und Gesundheit. Das Verständnis der Variabilität der BDC auf saisonalen bis dekadischen Zeitskalen ist Voraussetzung für eine verläßliche Detektion von anthropogen bedingten Langzeit-Änderungen (Trends). Allerdings ist die Variabilität der BDC in den Klimamodellen nur unzureichend repräsentiert, und nicht in Übereinstimmung mit Spurengas-Messungen.Der Projektantrag zielt auf eine Abschätzung der Einflüsse von natürlicher Variabilität und Trends der BDC auf die Spurengaskonzentrationen in der UTLS ab. Insbesondere sollen diejenigen dynamischen Mechanismen untersucht werden, die die Unterschiede zwischen Modellen und Beobachtungen bewirken. Das Projekt verbindet etablierte diagnostische Methoden, neuartige Modell-Simulationen mit einem Lagrangeschen Transportmodell (CLaMS) und mit einem gekoppelten Chemie-Klimamodell (EMAC) mit Beobachtungsdaten, um die BDC Änderungen und dadurch bedingte Klimaeinflüsse zu untersuchen. Der Arbeitsplan gliedert sich in drei Arbeitpakete: (1) Untersuchung von natürlicher Variabilität und anthropogen bedingter Trends der BDC, (2) Untersuchung der involvierten dynamischen Mechanismen, (3) Abschätzung der Einflüsse von BDC Änderungen auf den Ozonfluß aus der Stratosphäre in die Troposphäre.Dazu werden erstens Zeitreihen von Luftalter und Ozon aus Beobachtungen auf Variabilitäten und Trends der BDC untersucht und mit Simulationen des CLaMS und des EMAC Modells verglichen, zur Validierung der Modelle. Mithilfe von Regressions-Methodiken werden dann Variabilitäten und Trends in der BDC und in den UTLS Spurengasverteilungen verschiedenen Variabilitäts-Moden im Klimasystem zugeschrieben. Zweitens, werden die involvierten dynamischen Prozesse anhand von drei Arten von Sensitivitäts-Experimenten mit dem EMAC Modell untersucht. Insbesondere können mit diesen vorgeschlagenen Sensitivitäts-Experimenten die dynamischen Mechanismen der BDC Änderungen durch ENSO und Vulkanaerosol aufgedeckt werden, sowie die Gründe für diesbezügliche Differenzen zwischen Modell und Beobachtung. Schließlich sollen der Effekt von BDC Änderungen auf den Ozonfluß in die Troposphäre und die dadurch bedingten Klimaeffekte angeschätzt werden. Dabei wird der Ozonfluß im Modell anhand eines Budget-Ansatzes für die untere Stratosphäre bestimmt. Regressions-Analyse ermöglicht eine Zuschreibung der Variabilität im Ozonfluß zu den verschiedenen Variabilitäts-Moden im Klimasystem, und somit eine Abschätzung der entsprechenden Effekte auf Klima und Luftqualität.

Skalenübergreifende Charakterisierung von polaren Permafrost-Landschaften mittels Flugzeug- und Satellitengestützen Daten und geophysikalischen in-situ Messungen

Im Lauf der letzten Dekaden wurde für große Teile der Arktis eine signifikante Erwärmung der Erdoberfläche und des oberflächennahen Untergrunds beobachtet. Deren Folgen zeigen sich bereits heute - beispielsweise in einer Ausbreitung der Buschvegetation und einer Vertiefung der saisonalen Auftauschicht. In Anbetracht der Bedeutung von Änderungen in Permafrostregionen für Umwelt, Infrastruktur und Klimasystem besteht ein dringender Bedarf, Parameter dieses Raumes großflächig zu bestimmen und kontinuierlich zu überwachen. Durch die Weite und spärlichen Besiedelung der Arktis sind diese Umweltdaten jedoch nur unzureichend verfügbar und ihre Erhebung ist kostenintensiv. In diesem Kontext können fernerkundliche Daten einen wichtigen Beitrag leisten; Flugzeug- und Satellitengestützte Systeme ermöglichen eine effiziente und flächendeckende Aufnahme von Oberflächeneigenschaften. Ziel des Projekts ist die Identifizierung und Quantifizierung von Zusammenhängen zwischen Eigenschaften der Erdoberfläche, welche durch Fernerkundung abgeleitet werden können, und Eigenschaften des Untergrunds, die den Zustand von Permafrostgebieten charakterisieren. Basierend auf diesen Ergebnissen ist ein weiteres Ziel die Erstellung von konzeptionellen Modellen, welche die Verschränkung und Verbindung von Umwelt-Parameter zeigen. Die Arbeiten werden in einem skalenübergreifenden Multi-Sensor-Ansatz durchgeführt. Der Fokus wird dabei auf die Identifizierung der Kopplungen zwischen Oberfläche und Untergrund, sowie auf den Einfluss des Betrachtungsmaßstabs gelegt. Als fernerkundliche Daten stehen zur Verfügung: (1) grob aufgelöste optische und thermische Satellitendaten, (2) mittel-aufgelöste Radar- und Multi-Spektraldaten und (3) hoch-aufgelöste Thermal-, Hyperspektral- und Laserscanner-Daten von regionalen Befliegungen. Die Charakterisierung des Untergrunds erfolgt mittels (1) geomorphologischer Kartierung, (2) Zeitreihen-Analyse der Temperatur und Bodenfeuchte aus abgeteuften Sensoren, (3) Ground Penetrating Radar (GPR) und (4) elektrischen Widerstandsmessungen. Fernerkundliche Daten der Erdoberfläche und geophysikalische Daten zum Untergrund werden mit multivariaten statistischen Methoden analysiert - mit dem Ziel Zusammenhängen zwischen Oberflächen- und Untergrund-Parametern des periglazialen Systems zu identifizieren und zu quantifizieren. Als Untersuchungsgebiete wurden die Mackenzie Delta Region und das Peel Plateau identifiziert. Beide Regionen liegen in Nord Kanada und zeigen innerhalb geringer Distanzen verschiedenartige, durch Permafrost geprägte Ökosysteme. Zudem stehen durch Vorstudien Daten zur Verfügung; zum einen Referenzdaten von Feld-Kampagnen und zum anderen Satellitenbilder verschiedener Sensoren. Darüber hinaus wird vom Alfred Wegener Institut eine Befliegung dieser Gebiete geplant und finanziert. Das Flugzeug wird mit einer vielfältigen Instrumentenauswahl bestückt; u. a. ein flugzeuggetragenes GPR, ein Laserscanner und eine hyperspektral Kamera.

Schwefeldynamik in Sumpfreisböden

Kenntnisse über S-Bindungsformen und deren Flüsse in terrestrischen Ackerböden können nicht auf Sumpfreisböden übertragen werden, da nach deren Überflutung anaerobe Verhältnisse vorherrschen. Ergebnisse über die Bedeutung der einzelnen S-Fraktionen für die S-Nachlieferung in Sumpfreisböden und somit der S-Versorgung von Reis liegen kaum vor bzw. sind aufgrund des Trocknens der Bodenproben vor der Analyse nicht aussagefähig. Weiterhin wurde seither nicht berücksichtigt, dass in unmittelbarer Wurzelnähe von Reispflanzen im Gegensatz zum Restboden aerobe Verhältnisse vorherrschen. Aus diesem Grund soll in zwei typischen chinesischen Sumpfreisböden nach Dotierung mit 35S der Einbau des zugeführten Schwefels in definierte S-Fraktionen (SO42- in der Bodenlösung, adsorbiertes SO42-, FeS, FeS2, Sulfatester, Kohlenstoff gebundener S, Biomasse S) erfasst und in einer Zeitreihenuntersuchung Flüsse zwischen ihnen abgebildet werden. Dabei gilt es, zwischen der oberflächennahen aeroben Zone und der darunter liegenden anaeroben Zone bzw. dem wurzelnahen und wurzelfernen Boden zu differenzieren. Da Reisstroh häufig nach der Ernte in den Boden eingearbeitet wird, soll dessen Mineralisierungsverhalten mittels Einsatz von 35S markiertem Reisstroh untersucht werden. Des weiteren soll in speziellen Versuchsgefäßen, die das Gewinnen von Bodenproben in definierten Abständen von der Wurzeloberfläche erlauben, die Dynamik anorganischer und organischer S-Fraktionen in der Rhizosphäre erfasst werden.

Ökologische Grundlagen des Waldwachstums, Auswirkungen extrem warmer und trockener Witterungsbedingungen auf das Wachstum von Fichten und Buchen entlang von Höhengradienten im Südschwarzwald

In dem Vorhaben werden die Auswirkungen extrem trocken-warmer Witterungsverhältnisse auf das Wachstum von Fichten und Buchen unter Berücksichtigung des Baumalters und des Standorts retrospektiv untersucht. Dazu werden im Südschwarzwald Untersuchungsbäume entlang von Höhengradienten jeweils auf einem Sommer- und einem Winterhang ausgewählt. Um Unterschiede in den chemischen und physikalischen Bodeneigenschaften gering zu halten sollen alle Untersuchungsstandorte einen ähnlichen Substratcharakter besitzen. Das jährliche bzw. periodische Höhen- und Dickenwachstum der Untersuchungsbäume wird mittels Stammanalyse retrospektiv erhoben. Die auf diese Weise gewonnenen Radial- und Höhenzuwachsreihen werden zur statistischen Analyse der Wachstumsreaktionen einzeln und in Kombination untersucht. Die zur Analyse der Zusammenhänge zwischen Witterung und Zuwachs notwendigen meteorologischen Messreihen von geeigneten Stationen aus dem amt-lichen Messnetz werden vom Deutschen Wetterdienst bezogen. Der Einfluss des Baumalters bzw. -entwicklungsstandes auf die Sensitivität und das Regenerationsvermögen bezüglich Trockenstress wird anhand des Vergleichs zwischen jüngeren und älteren Untersuchungs-bäumen analysiert. Aus der Kenntnis baumarten- und standortspezifischer Zuwachsreaktionen auf Trockenstress ergeben sich erweiterte Interpretationsmöglichkeiten für die räumliche Differenzierung der Gefährdung von Wäldern. Die Untersuchung der zeitlichen Dynamik des Klima-Zuwachs-Systems auf der Grundlage langfristiger dendrometrischer Messreihen gewinnt angesichts der rasanten Umweltveränderungen zunehmend an Bedeutung.

Mechanisierte Pflanzverfahren mit alternativen Bodenrestaurationstechniken in der Eifel und im Soonwald

Die Bodenbearbeitung im Wald - auch zur Kulturvorbereitung - ist heftig umstritten. Daher werden die boden- und pflanzenkundlichen Auswirkungen der nachfolgend genannten Verfahren untersucht: - Lochpflanzung mit Erdbohrer (mit und ohne Pflanzlochkalkung); - modifiziertes ENTENPFUHLER Baggerpflanzverfahren (Bearbeitung im winternassen Zustand); - PEIN-PLANT-Rotavator (Bearbeitung des sommertrockenen Bodens, eine Wintervariante war technisch nicht moeglich); - KROHN'sche Fraese (mehrere Bearbeitungsgaenge des abgetrockneten Bodens) - nur im Forstamt Salmtal. Erste Ergebnisse lassen folgende Einschaetzungen zu: Aus bodenphysikalischer Sicht verschlechtert die Baggerpflanzmethode die Bodenverhaeltnisse durch Verdichtungserscheinungen im Bearbeitungs- und in den Randbereichen. Sowohl die KROHN-Fraese als auch der PEIN-PLANT-Rotavator lockern das Bodenmaterial deutlich auf und erzeugen eine stark poroese Bodenstruktur mit niedriger Lagerungsdichte. Die bodenmechanischen Parameter weisen fuer saemtliche Bearbeitungseingriffe teilweise erhebliche Stabilitaetsverluste des Bodens nach. Anhand der Untersuchung einer falschen Zeitreihe konnte aufgezeigt werden, dass der Meliorationserfolg bei der KROHN'schen-Fraese nicht laenger als sechs Jahre anhaelt. Danach verschlechtert sich die Naehrstoff und Bioverfuegbarkeit der organischen Substanz. Nach dem 6. Jahr laesst die verschlechterte Ernaehrungsituation erwarten, dass auch die Leistungsfaehigkeit der jungen Pflanzen zeitverzoegert abnehmen wird. Durch die Bodenbearbeitung wird die Lagerungsdichte kurzfristig verringert und das Grobporenvolumen erhoeht, gleichzeitig wird aber die fuer ungestoerte Waldboeden typische Bodenstruktur mit einem vernetzten Grobporensystem zerstoert (Verlust der Porenkontinuitaet) mit negativen Folgen fuer Milben, Collembolen und Enchytraeiden). In den bearbeiteten Varianten dominieren die euedaphischen und hemiedaphischen Lebensformen, wobei die epedaphischen Lebensformen in den Tiergruppen der Milben und Collembolen kaum vertreten sind, was wiederum auf den Verlust der Auflage und die Einmischung des organischen Materials zurueckzufuehren ist.

Mathematisch-statistische Analyse der neuartigen Walderkrankung

Untersuchung der zeitlichen und raeumlichen Zusammenhaenge der Erkrankung anhand von Dauerbeobachtungsflaechen und systematischen Probeflaechen der Immissionsoekologischen Waldzustandserfassung mittels statistischen und geostatistischen Verfahren.

Am Puls der Bäume: Hochaufgelöste Messung und Analyse des Dickenwachstums und Wasserhaushalts von Buchen, Fichten, Tannen und Kiefern

Die Baumarten Rotbuche (Fagus sylvatica,) Rot-Fichte (Picea abies), Weiß-Tanne (Abies alba) und Wald-Kiefer (Pinus sylvestris) besitzen für die Wälder Europas und die europäische Forst- und Holzwirtschaft große Bedeutung. Daher ist es von großem Interesse, wie sich Umweltveränderungen und insbesondere klimatische Extremereignisse (z.B. Hitze und Trockenheit) auf deren Wachstum und Produktivität auswirken. Mit Hilfe hochpräziser Messfühler, sogenannter Punkt-Dendrometer, können Dickenänderungen von Baumstämmen registriert und aufgezeichnet werden. Diese werden sowohl durch den Prozess der Jahrringbildung als auch durch den täglichen Wechsel zwischen Quellen und Schwinden der nicht-verholzten Gewebe innerhalb des Stammes verursacht. Mit den Messungen können damit nicht nur Informationen über die jahreszeitliche Dynamik des Dickenwachstums, sondern auch über den Zustand der internen Wasserspeicher der Bäume gewonnen werden. Das Institut für Waldwachstum betreibt bereits seit 1990 Freiland-Messstationen, die mit Punkt-Dendrometern und Sensoren u.a. zur Messung von meteorologischen und bodenkundlichen Parametern ausgestattet sind. Vier Messstationen in der Umgebung von Freiburg sind entlang eines Höhengradienten von der Rheinebene zu den Schwarzwaldhochlagen angeordnet. Die Analyse dieser einzigartig langen Zeitreihen trägt dazu bei, die komplexen Interaktionen verschiedener Standortsfaktoren mit der kurz-, mittel- und langfristigen Wachstumsdynamik der untersuchten Baumarten im Freiland aufzuklären. Die Analyse der Dendrometerdaten wird durch die Untersuchung weiterer Wachstumsparameter wie Jahrringbreite, Zellparameter und hochaufgelöste Dichteprofile von Stammquerschnitten ergänzt. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Analyse der Reaktion der Baumarten auf die trocken-warmen Sommer der Jahre 2003 und 2006 gelegt. Die Ergebnisse erlauben eine bessere Abschätzung der möglichen Auswirkungen des prognostizierten Klimawandels auf den saisonalen Ablauf des Baumwachstums und geben Aufschluss über die Erholungsfähigkeit der Bäume nach Belastungssituationen.

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