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Sozialunternehmen haben mindestens zwei Ziele: die Erfüllung ihrer sozialen bzw. ökologischen Mission und finanzielle Ziele. Zwischen diesen Zielen können Spannungen entstehen. Wenn sie sich in diesem Spannungsfeld wiederholt zugunsten der finanziellen Ziele entscheiden, kommt es zum Mission Drift. Die Priorisierung der finanziellen Ziele überlagert dabei die soziale Mission. Auch wenn das Phänomen in der Praxis mehrfach beobachtet und in Einzelfallanalysen beschrieben wurde, gibt es bislang wenig Forschung zu Mission Drift. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt darauf, diese Forschungslücke zu schließen und eigene Erkenntnisse für die Auslöser und Treiber des Mission Drifts von Sozialunternehmen zu ermitteln. Ein Augenmerk liegt auf den verhaltensökonomischen Theorien und der Mixed-Gamble-Logik. Dieser Logik zufolge liegt bei Entscheidungen immer eine Gleichzeitigkeit von Gewinnen und Verlusten vor, sodass Entscheidungsträger die Furcht vor Verlusten gegenüber der Aussicht auf Gewinne abwägen müssen. Das Modell wird genutzt, um eine neue theoretische Betrachtungsweise auf die Abwägung zwischen sozialen und finanziellen Zielen bzw. Mission Drift zu erhalten. Mit einem Conjoint Experiment werden Daten über das Entscheidungsverhalten von Sozialunternehmern generiert. Im Zentrum steht die Abwägung zwischen sozialen und finanziellen Zielen in verschiedenen Szenarien (Krisen- und Wachstumssituationen). Mithilfe einer eigens erstellten Stichprobe von 1.222 Sozialunternehmen aus Deutschland, Österreich und der Schweiz wurden 187 Teilnehmende für die Studie gewonnen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass eine Krisensituation Auslöser für Mission Drift von Sozialunternehmen sein kann, weil in diesem Szenario den finanziellen Zielen die größte Bedeutung zugemessen wird. Für eine Wachstumssituation konnten hingegen keine solche Belege gefunden werden. Hinzu kommen weitere Einflussfaktoren, welche die finanzielle Orientierung verstärken können, nämlich die Gründeridentitäten der Sozialunternehmer, eine hohe Innovativität der Unternehmen und bestimmte Stakeholder. Die Arbeit schließt mit einer ausführlichen Diskussion der Ergebnisse. Es werden Empfehlungen gegeben, wie Sozialunternehmen ihren Zielen bestmöglich treu bleiben können. Außerdem werden die Limitationen der Studie und Wege für zukünftige Forschung im Bereich Mission Drift aufgezeigt.
Physically-based distributed rainfall-runoff models as the standard analysis tools for hydro-logical processes have been used to simulate the water system in detail, which includes spa-tial patterns and temporal dynamics of hydrological variables and processes (Davison et al., 2015; Ek and Holtslag, 2004). In general, catchment models are parameterized with spatial information on soil, vegetation and topography. However, traditional approaches for eval-uation of the hydrological model performance are usually motivated with respect to dis-charge data alone. This may thus cloud model realism and hamper understanding of the catchment behavior. It is necessary to evaluate the model performance with respect to in-ternal hydrological processes within the catchment area as well as other components of wa-ter balance rather than runoff discharge at the catchment outlet only. In particular, a consid-erable amount of dynamics in a catchment occurs in the processes related to interactions of the water, soil and vegetation. Evapotranspiration process, for instance, is one of those key interactive elements, and the parameterization of soil and vegetation in water balance mod-eling strongly influences the simulation of evapotranspiration. Specifically, to parameterize the water flow in unsaturated soil zone, the functional relationships that describe the soil water retention and hydraulic conductivity characteristics are important. To define these functional relationships, Pedo-Transfer Functions (PTFs) are common to use in hydrologi-cal modeling. Opting the appropriate PTFs for the region under investigation is a crucial task in estimating the soil hydraulic parameters, but this choice in a hydrological model is often made arbitrary and without evaluating the spatial and temporal patterns of evapotran-spiration, soil moisture, and distribution and intensity of runoff processes. This may ulti-mately lead to implausible modeling results and possibly to incorrect decisions in regional water management. Therefore, the use of reliable evaluation approaches is continually re-quired to analyze the dynamics of the current interactive hydrological processes and predict the future changes in the water cycle, which eventually contributes to sustainable environ-mental planning and decisions in water management.
Remarkable endeavors have been made in development of modelling tools that provide insights into the current and future of hydrological patterns in different scales and their im-pacts on the water resources and climate changes (Doell et al., 2014; Wood et al., 2011). Although, there is a need to consider a proper balance between parameter identifiability and the model's ability to realistically represent the response of the natural system. Neverthe-less, tackling this issue entails investigation of additional information, which usually has to be elaborately assembled, for instance, by mapping the dominant runoff generation pro-cesses in the intended area, or retrieving the spatial patterns of soil moisture and evapotran-spiration by using remote sensing methods, and evaluation at a scale commensurate with hydrological model (Koch et al., 2022; Zink et al., 2018). The present work therefore aims to give insights into the modeling approaches to simulate water balance and to improve the soil and vegetation parameterization scheme in the hydrological model subject to producing more reliable spatial and temporal patterns of evapotranspiration and runoff processes in the catchment.
An important contribution to the overall body of work is a book chapter included among publications. The book chapter provides a comprehensive overview of the topic and valua-ble insights into the understanding the water balance and its estimation methods.
Moreover, the first paper aimed to evaluate the hydrological model behavior with re-spect to contribution of various sources of information. To do so, a multi-criteria evaluation metric including soft and hard data was used to define constraints on outputs of the 1-D hydrological model WaSiM-ETH. Applying this evaluation metric, we could identify the optimal soil and vegetation parameter sets that resulted in a “behavioral” forest stand water balance model. It was found out that even if simulations of transpiration and soil water con-tent are consistent with measured data, but still the dominant runoff generation processes or total water balance might be wrongly calculated. Therefore, only using an evaluation scheme which looks over different sources of data and embraces an understanding of the local controls of water loss through soil and plant, allowed us to exclude the unrealistic modeling outputs. The results suggested that we may need to question the generally accept-ed soil parameterization procedures that apply default parameter sets.
The second paper attempts to tackle the pointed model evaluation hindrance by getting down to the small-scale catchment (in Bavaria). Here, a methodology was introduced to analyze the sensitivity of the catchment water balance model to the choice of the Pedo-Transfer Functions (PTF). By varying the underlying PTFs in a calibrated and validated model, we could determine the resulting effects on the spatial distribution of soil hydraulic properties, total water balance in catchment outlet, and the spatial and temporal variation of the runoff components. Results revealed that the water distribution in the hydrologic system significantly differs amongst various PTFs. Moreover, the simulations of water balance components showed high sensitivity to the spatial distribution of soil hydraulic properties. Therefore, it was suggested that opting the PTFs in hydrological modeling should be care-fully tested by looking over the spatio-temporal distribution of simulated evapotranspira-tion and runoff generation processes, whether they are reasonably represented.
To fulfill the previous studies’ suggestions, the third paper then aims to focus on evalu-ating the hydrological model through improving the spatial representation of dominant run-off processes. It was implemented in a mesoscale catchment in southwestern Germany us-ing the hydrological model WaSiM-ETH. Dealing with the issues of inadequate spatial ob-servations for rigorous spatial model evaluation, we made use of a reference soil hydrologic map available for the study area to discern the expected dominant runoff processes across a wide range of hydrological conditions. The model was parameterized by applying 11 PTFs and run by multiple synthetic rainfall events. To compare the simulated spatial patterns to the patterns derived by digital soil map, a multiple-component spatial performance metric (SPAEF) was applied. The simulated DRPs showed a large variability with regard to land use, topography, applied rainfall rates, and the different PTFs, which highly influence the rapid runoff generation under wet conditions.
The three published manuscripts proceeded towards the model evaluation viewpoints that ultimately attain the behavioral model outputs. It was performed through obtaining information about internal hydrological processes that lead to certain model behaviors, and also about the function and sensitivity of some of the soil and vegetation parameters that may primarily influence those internal processes in a catchment. Accordingly, using this understanding on model reactions, and by setting multiple evaluation criteria, it was possi-ble to identify which parameterization could lead to behavioral model realization. This work, in fact, will contribute to solving some of the issues (e.g., spatial variability and modeling methods) identified as the 23 unsolved problems in hydrology in the 21st century (Blöschl et al., 2019). The results obtained in the present work encourage the further inves-tigations toward a comprehensive model calibration procedure considering multiple data sources simultaneously. This will enable developing the new perspectives to the current parameter estimation methods, which in essence, focus on reproducing the plausible dy-namics (spatio-temporal) of the other hydrological processes within the watershed.
Allocating scarce resources efficiently is a major task in mechanism design. One of the most fundamental problems in mechanism design theory is the problem of selling a single indivisible item to bidders with private valuations for the item. In this setting, the classic Vickrey auction of~\citet{vickrey1961} describes a simple mechanism to implement a social welfare maximizing allocation.
The Vickrey auction for a single item asks every buyer to report its valuation and allocates the item to the highest bidder for a price of the second highest bid. This auction features some desirable properties, e.g., buyers cannot benefit from misreporting their true value for the item (incentive compatibility) and the auction can be executed in polynomial time.
However, when there is more than one item for sale and buyers' valuations for sets of items are not additive or the set of feasible allocations is constrained, then constructing mechanisms that implement efficient allocations and have polynomial runtime might be very challenging. Consider a single seller selling $n\in \N$ heterogeneous indivisible items to several bidders. The Vickrey-Clarke-Groves auction generalizes the idea of the Vickrey auction to this multi-item setting. Naturally, every bidder has an intrinsic value for every subset of items. As in in the Vickrey auction, bidders report their valuations (Now, for every subset of items!). Then, the auctioneer computes a social welfare maximizing allocation according to the submitted bids and charges buyers the social cost of their winning that is incurred by the rest of the buyers. (This is the analogue to charging the second highest bid to the winning bidder in the single item Vickrey auction.) It turns out that the Vickrey-Clarke-Groves auction is also incentive compatible but it poses some problems: In fact, say for $n=40$, bidders would have to submit $2^{40}-1$ values (one value for each nonempty subset of the ground set) in total. Thus, asking every bidder for its valuation might be impossible due to time complexity issues. Therefore, even though the Vickrey-Clarke-Groves auction implements a social welfare maximizing allocation in this multi-item setting it might be impractical and there is need for alternative approaches to implement social welfare maximizing allocations.
This dissertation represents the results of three independent research papers all of them tackling the problem of implementing efficient allocations in different combinatorial settings.
Das Ziel dynamischer Mikrosimulationen ist es, die Entwicklung von Systemen über das Verhalten der einzelnen enthaltenen Bestandteile zu simulieren, um umfassende szenariobasierte Analysen zu ermöglichen. Im Bereich der Wirtschafts- und Sozialwissenschaften wird der Fokus üblicherweise auf Populationen bestehend aus Personen und Haushalten gelegt. Da politische und wirtschaftliche Entscheidungsprozesse meist auf lokaler Ebene getroffen werden, bedarf es zudem kleinräumiger Informationen, um gezielte Handlungsempfehlungen ableiten zu können. Das stellt Forschende wiederum vor große Herausforderungen im Erstellungsprozess regionalisierter Simulationsmodelle. Dieser Prozess reicht von der Generierung geeigneter Ausgangsdatensätze über die Erfassung und Umsetzung der dynamischen Komponenten bis hin zur Auswertung der Ergebnisse und Quantifizierung von Unsicherheiten. Im Rahmen dieser Arbeit werden ausgewählte Komponenten, die für regionalisierte Mikrosimulationen von besonderer Relevanz sind, beschrieben und systematisch analysiert.
Zunächst werden in Kapitel 2 theoretische und methodische Aspekte von Mikrosimulationen vorgestellt, um einen umfassenden Überblick über verschiedene Arten und Möglichkeiten der Umsetzung dynamischer Modellierungen zu geben. Im Fokus stehen dabei die Grundlagen der Erfassung und Simulation von Zuständen und Zustandsänderungen sowie die damit verbundenen strukturellen Aspekte im Simulationsprozess.
Sowohl für die Simulation von Zustandsänderungen als auch für die Erweiterung der Datenbasis werden primär logistische Regressionsmodelle zur Erfassung und anschließenden wahrscheinlichkeitsbasierten Vorhersage der Bevölkerungsstrukturen auf Mikroebene herangezogen. Die Schätzung beruht insbesondere auf Stichprobendaten, die in der Regel neben einem eingeschränktem Stichprobenumfang keine oder nur unzureichende regionale Differenzierungen zulassen. Daher können bei der Vorhersage von Wahrscheinlichkeiten erhebliche Differenzen zu bekannten Totalwerten entstehen. Um eine Harmonisierung mit den Totalwerten zu erhalten, lassen sich Methoden zur Anpassung von Wahrscheinlichkeiten – sogenannte Alignmentmethoden – anwenden. In der Literatur werden zwar unterschiedliche Möglichkeiten beschrieben, über die Auswirkungen dieser Verfahren auf die Güte der Modelle ist jedoch kaum etwas bekannt. Zur Beurteilung verschiedener Techniken werden diese im Rahmen von Kapitel 3 in umfassenden Simulationsstudien unter verschiedenen Szenarien umgesetzt. Hierbei kann gezeigt werden, dass durch die Einbindung zusätzlicher Informationen im Modellierungsprozess deutliche Verbesserungen sowohl bei der Schätzung der Parameter als auch bei der Vorhersage der Wahrscheinlichkeiten erzielt werden können. Zudem lassen sich dadurch auch bei fehlenden regionalen Identifikatoren in den Modellierungsdaten kleinräumige Wahrscheinlichkeiten erzeugen. Insbesondere die Maximierung der Likelihood des zugrundeliegenden Regressionsmodells unter der Nebenbedingung, dass die bekannten Totalwerte eingehalten werden, weist in allen Simulationsstudien überaus gute Ergebnisse auf.
Als eine der einflussreichsten Komponenten in regionalisierten Mikrosimulationen erweist sich die Umsetzung regionaler Mobilität. Gleichzeitig finden Wanderungen in vielen Mikrosimulationsmodellen keine oder nur unzureichende Beachtung. Durch den unmittelbaren Einfluss auf die gesamte Bevölkerungsstruktur führt ein Ignorieren jedoch bereits bei einem kurzen Simulationshorizont zu starken Verzerrungen. Während für globale Modelle die Integration von Wanderungsbewegungen über Landesgrenzen ausreicht, müssen in regionalisierten Modellen auch Binnenwanderungsbewegungen möglichst umfassend nachgebildet werden. Zu diesem Zweck werden in Kapitel 4 Konzepte für Wanderungsmodule erstellt, die zum einen eine unabhängige Simulation auf regionalen Subpopulationen und zum anderen eine umfassende Nachbildung von Wanderungsbewegungen innerhalb der gesamten Population zulassen. Um eine Berücksichtigung von Haushaltsstrukturen zu ermöglichen und die Plausibilität der Daten zu gewährleisten, wird ein Algorithmus zur Kalibrierung von Haushaltswahrscheinlichkeiten vorgeschlagen, der die Einhaltung von Benchmarks auf Individualebene ermöglicht. Über die retrospektive Evaluation der simulierten Migrationsbewegungen wird die Funktionalität der Wanderdungskonzepte verdeutlicht. Darüber hinaus werden über die Fortschreibung der Population in zukünftige Perioden divergente Entwicklungen der Einwohnerzahlen durch verschiedene Konzepte der Wanderungen analysiert.
Eine besondere Herausforderung in dynamischen Mikrosimulationen stellt die Erfassung von Unsicherheiten dar. Durch die Komplexität der gesamten Struktur und die Heterogenität der Komponenten ist die Anwendung klassischer Methoden zur Messung von Unsicherheiten oft nicht mehr möglich. Zur Quantifizierung verschiedener Einflussfaktoren werden in Kapitel 5 varianzbasierte Sensitivitätsanalysen vorgeschlagen, die aufgrund ihrer enormen Flexibilität auch direkte Vergleiche zwischen unterschiedlichsten Komponenten ermöglichen. Dabei erweisen sich Sensitivitätsanalysen nicht nur für die Erfassung von Unsicherheiten, sondern auch für die direkte Analyse verschiedener Szenarien, insbesondere zur Evaluation gemeinsamer Effekte, als überaus geeignet. In Simulationsstudien wird die Anwendung im konkreten Kontext dynamischer Modelle veranschaulicht. Dadurch wird deutlich, dass zum einen große Unterschiede hinsichtlich verschiedener Zielwerte und Simulationsperioden auftreten, zum anderen aber auch immer der Grad an regionaler Differenzierung berücksichtigt werden muss.
Kapitel 6 fasst die Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungspotentiale.
This cumulative thesis encompass three studies focusing on the Weddell Sea region in the Antarctic. The first study produces and evaluates a high quality data set of wind measurements for this region. The second study produces and evaluates a 15 year regional climate simulation for the Weddell Sea region. And the third study produces and evaluates a climatology of low level jets (LLJs) from the simulation data set. The evaluations were done in the attached three publications and the produced data sets are published online.
In 2015/2016, the RV Polarstern undertook an Antarctic expedition in the Weddell Sea. We operated a Doppler wind lidar on board during that time running different scan patterns. The resulting data was evaluated, corrected, processed and we derived horizontal wind speed and directions for vertical profiles with up to 2 km height. The measurements cover 38 days with a temporal resolution of 10-15 minutes. A comparisons with other radio sounding data showed only minor differences.
The resulting data set was used alongside other measurements to evaluate temperature and wind of simulation data. The simulation data was produced with the regional climate model CCLM for the period of 2002 to 2016 for the Weddell Sea region. Only smaller biases were found except for a strong warm bias during winter near the surface of the Antarctic Plateau. Thus we adapted the model setup and were able to remove the bias in a second simulation.
This new simulation data was then used to derive a climatology of low level jets (LLJs). Statistics of occurrence frequency, height and wind speed of LLJs for the Weddell Sea region are presented along other parameters. Another evaluation with measurements was also performed in the last study.
Official business surveys form the basis for national and regional business statistics and are thus of great importance for analysing the state and performance of the economy. However, both the heterogeneity of business data and their high dynamics pose a particular challenge to the feasibility of sampling and the quality of the resulting estimates. A widely used sampling frame for creating the design of an official business survey is an extract from an official business register. However, if this frame does not accurately represent the target population, frame errors arise. Amplified by the heterogeneity and dynamics of business populations, these errors can significantly affect the estimation quality and lead to inefficiencies and biases. This dissertation therefore deals with design-based methods for optimising business surveys with respect to different types of frame errors.
First, methods for adjusting the sampling design of business surveys are addressed. These approaches integrate auxiliary information about the expected structures of frame errors into the sampling design. The aim is to increase the number of sampled businesses that are subject to frame errors. The element-specific frame error probability is estimated based on auxiliary information about frame errors observed in previous samples. The approaches discussed consider different types of frame errors and can be incorporated into predefined designs with fixed strata.
As the second main pillar of this work, methods for adjusting weights to correct for frame errors during estimation are developed and investigated. As a result of frame errors, the assumptions under which the original design weights were determined based on the sampling design no longer hold. The developed methods correct the design weights taking into account the errors identified for sampled elements. Case-number-based reweighting approaches, on the one hand, attempt to reconstruct the unknown size of the individual strata in the target population. In the context of weight smoothing methods, on the other hand, design weights are modelled and smoothed as a function of target or auxiliary variables. This serves to avoid inefficiencies in the estimation due to highly scattering weights or weak correlations between weights and target variables. In addition, possibilities of correcting frame errors by calibration weighting are elaborated. Especially when the sampling frame shows over- and/or undercoverage, the inclusion of external auxiliary information can provide a significant improvement of the estimation quality. For those methods whose quality cannot be measured using standard procedures, a procedure for estimating the variance based on a rescaling bootstrap is proposed. This enables an assessment of the estimation quality when using the methods in practice.
In the context of two extensive simulation studies, the methods presented in this dissertation are evaluated and compared with each other. First, in the environment of an experimental simulation, it is assessed which approaches are particularly suitable with regard to different data situations. In a second simulation study, which is based on the structural survey in the services sector, the applicability of the methods in practice is evaluated under realistic conditions.
Wasserbezogene regulierende und versorgende Ökosystemdienstleistungen (ÖSDL) wurden im Hinblick auf das Abflussregime und die Grundwasserneubildung im Biosphärenreservat Pfälzerwald im Südwesten Deutschlands anhand hydrologischer Modellierung unter Verwendung des Soil and Water Assessment Tool (SWAT+) untersucht. Dabei wurde ein holistischer Ansatz verfolgt, wonach den ÖSDL Indikatoren für funktionale und strukturelle ökologische Prozesse zugeordnet werden. Potenzielle Risikofaktoren für die Verschlechterung von wasserbedingten ÖSDL des Waldes, wie Bodenverdichtung durch Befahren mit schweren Maschinen im Zuge von Holzerntearbeiten, Schadflächen mit Verjüngung, entweder durch waldbauliche Bewirtschaftungspraktiken oder durch Windwurf, Schädlinge und Kalamitäten im Zuge des Klimawandels, sowie der Kli-mawandel selbst als wesentlicher Stressor für Waldökosysteme wurden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf hydrologische Prozesse analysiert. Für jeden dieser Einflussfaktoren wurden separate SWAT+-Modellszenarien erstellt und mit dem kalibrierten Basismodell verglichen, das die aktuellen Wassereinzugsgebietsbedingungen basierend auf Felddaten repräsentierte. Die Simulationen bestätigten günstige Bedingungen für die Grundwasserneubildung im Pfälzerwald. Im Zusammenhang mit der hohen Versickerungskapazität der Bodensubstrate der Buntsandsteinverwitterung, sowie dem verzögernden und puffernden Einfluss der Baumkronen auf das Niederschlagswasser, wurde eine signifikante Minderungswirkung auf die Oberflächenabflussbildung und ein ausgeprägtes räumliches und zeitliches Rückhaltepotential im Einzugsgebiet simuliert. Dabei wurde festgestellt, dass erhöhte Niederschlagsmengen, die die Versickerungskapazität der sandigen Böden übersteigen, zu einer kurz geschlossenen Abflussreaktion mit ausgeprägten Oberflächenabflussspitzen führen. Die Simulationen zeigten Wechselwirkungen zwischen Wald und Wasserkreislauf sowie die hydrologische Wirksamkeit des Klimawandels, verschlechterter Bodenfunktionen und altersbezogener Bestandesstrukturen im Zusammenhang mit Unterschieden in der Baumkronenausprägung. Zukunfts-Klimaprojektionen, die mit BIAS-bereinigten REKLIES- und EURO-CORDEX-Regionalklimamodellen (RCM) simuliert wurden, prognostizierten einen höheren Verdunstungsbedarf und eine Verlängerung der Vegetationsperiode bei gleichzeitig häufiger auftretenden Dürreperioden innerhalb der Vegetationszeit, was eine Verkürzung der Periode für die Grundwasserneubildung induzierte, und folglich zu einem prognostizierten Rückgang der Grundwasserneubildungsrate bis zur Mitte des Jahrhunderts führte. Aufgrund der starken Korrelation mit Niederschlagsintensitäten und der Dauer von Niederschlagsereignissen, bei allen Unsicherheiten in ihrer Vorhersage, wurde für die Oberflächenabflussgenese eine Steigerung bis zum Ende des Jahrhunderts prognostiziert.
Für die Simulation der Bodenverdichtung wurden die Trockenrohdichte des Bodens und die SCS Curve Number in SWAT+ gemäß Daten aus Befahrungsversuchen im Gebiet angepasst. Die günstigen Infiltrationsbedingungen und die relativ geringe Anfälligkeit für Bodenverdichtung der grobkörnigen Buntsandsteinverwitterung dominierten die hydrologischen Auswirkungen auf Wassereinzugsgebietsebene, sodass lediglich moderate Verschlechterungen wasserbezogener ÖSDL angezeigt wurden. Die Simulationen zeigten weiterhin einen deutlichen Einfluss der Bodenart auf die hydrologische Reaktion nach Bodenverdichtung auf Rückegassen und stützen damit die Annahme, dass die Anfälligkeit von Böden gegenüber Verdichtung mit dem Anteil an Schluff- und Tonbodenpartikeln zunimmt. Eine erhöhte Oberflächenabflussgenese ergab sich durch das Wegenetz im Gesamtgebiet.
Schadflächen mit Bestandesverjüngung wurden anhand eines artifiziellen Modells innerhalb eines Teileinzugsgebiets unter der Annahme von 3-jährigen Baumsetzlingen in einem Entwicklungszeitraum von 10 Jahren simuliert und hinsichtlich spezifischer Was-serhaushaltskomponenten mit Altbeständen (30 bis 80 Jahre) verglichen. Die Simulation ließ darauf schließen, dass bei fehlender Kronenüberschirmung die hydrologisch verzögernde Wirkung der Bestände beeinträchtigt wird, was die Entstehung von Oberflächenabfluss begünstigt und eine quantitativ geringfügig höhere Tiefensickerung fördert. Hydrologische Unterschiede zwischen dem geschlossenem Kronendach der Altbestände und Jungbeständen mit annähernden Freilandniederschlagsbedingungen wurden durch die dominierenden Faktoren atmosphärischer Verdunstungsanstoß, Niederschlagsmengen und Kronenüberschirmungsgrad bestimmt. Je weniger entwickelt das Kronendach von verjüngten Waldbeständen im Vergleich zu Altbeständen, je höher der atmosphärische Verdunstungsanstoß und je geringer die eingetragenen Niederschlagsmengen, desto größer war der hydrologische Unterschied zwischen den Bestandestypen.
Verbesserungsmaßnahmen für den dezentralen Hochwasserschutz sollten folglich kritische Bereiche für die Abflussbildung im Wald (CSA) berücksichtigen. Die hohe Sensibilität und Anfälligkeit der Wälder gegenüber Verschlechterungen der Ökosystembedingungen legen nahe, dass die Erhaltung des komplexen Gefüges und von intakten Wechselbeziehungen, insbesondere unter der gegebenen Herausforderung des Klimawandels, sorgfältig angepasste Schutzmaßnahmen, Anstrengungen bei der Identifizierung von CSA sowie die Erhaltung und Wiederherstellung der hydrologischen Kontinuität in Waldbeständen erfordern.
Traditional workflow management systems support process participants in fulfilling business tasks through guidance along a predefined workflow model.
Flexibility has gained a lot of attention in recent decades through a shift from mass production to customization. Various approaches to workflow flexibility exist that either require extensive knowledge acquisition and modelling effort or an active intervention during execution and re-modelling of deviating behaviour. The pursuit of flexibility by deviation is to compensate both of these disadvantages through allowing alternative unforeseen execution paths at run time without demanding the process participant to adapt the workflow model. However, the implementation of this approach has been little researched so far.
This work proposes a novel approach to flexibility by deviation. The approach aims at supporting process participants during the execution of a workflow through suggesting work items based on predefined strategies or experiential knowledge even in case of deviations. The developed concepts combine two renowned methods from the field of artificial intelligence - constraint satisfaction problem solving with process-oriented case-based reasoning. This mainly consists of a constraint-based workflow engine in combination with a case-based deviation management. The declarative representation of workflows through constraints allows for implicit flexibility and a simple possibility to restore consistency in case of deviations. Furthermore, the combined model, integrating procedural with declarative structures through a transformation function, increases the capabilities for flexibility. For an adequate handling of deviations the methodology of case-based reasoning fits perfectly, through its approach that similar problems have similar solutions. Thus, previous made experiences are transferred to currently regarded problems, under the assumption that a similar deviation has been handled successfully in the past.
Necessary foundations from the field of workflow management with a focus on flexibility are presented first.
As formal foundation, a constraint-based workflow model was developed that allows for a declarative specification of foremost sequential dependencies of tasks. Procedural and declarative models can be combined in the approach, as a transformation function was specified that converts procedural workflow models to declarative constraints.
One main component of the approach is the constraint-based workflow engine that utilizes this declarative model as input for a constraint solving algorithm. This algorithm computes the worklist, which is proposed to the process participant during workflow execution. With predefined deviation handling strategies that determine how the constraint model is modified in order to restore consistency, the support is continuous even in case of deviations.
The second major component of the proposed approach constitutes the case-based deviation management, which aims at improving the support of process participants on the basis of experiential knowledge. For the retrieve phase, a sophisticated similarity measure was developed that integrates specific characteristics of deviating workflows and combines several sequence similarity measures. Two alternative methods for the reuse phase were developed, a null adaptation and a generative adaptation. The null adaptation simply proposes tasks from the most similar workflow as work items, whereas the generative adaptation modifies the constraint-based workflow model based on the most similar workflow in order to re-enable the constraint-based workflow engine to suggest work items.
The experimental evaluation of the approach consisted of a simulation of several types of process participants in the exemplary domain of deficiency management in construction. The results showed high utility values and a promising potential for an investigation of the transfer on other domains and the applicability in practice, which is part of future work.
Concluding, the contributions are summarized and research perspectives are pointed out.
Energy transport networks are one of the most important infrastructures for the planned energy transition. They form the interface between energy producers and consumers and their features make them good candidates for the tools that mathematical optimization can offer. Nevertheless, the operation of energy networks comes with two major challenges. First, the nonconvexity of the equations that model the physics in the network render the resulting problems extremely hard to solve for large-scale networks. Second, the uncertainty associated to the behavior of the different agents involved, the production of energy, and the consumption of energy make the resulting problems hard to solve if a representative description of uncertainty is to be considered.
In this cumulative dissertation we study adaptive refinement algorithms designed to cope with the nonconvexity and stochasticity of equations arising in energy networks. Adaptive refinement algorithms approximate the original problem by sequentially refining the model of a simpler optimization problem. More specifically, in this thesis, the focus of the adaptive algorithm is on adapting the discretization and description of a set of constraints.
In the first part of this thesis, we propose a generalization of the different adaptive refinement ideas that we study. We sequentially describe model catalogs, error measures, marking strategies, and switching strategies that are used to set up the adaptive refinement algorithm. Afterward, the effect of the adaptive refinement algorithm on two energy network applications is studied. The first application treats the stationary operation of district heating networks. Here, the strength of adaptive refinement algorithms for approximating the ordinary differential equation that describes the transport of energy is highlighted. We introduce the resulting nonlinear problem, consider network expansion, and obtain realistic controls by applying the adaptive refinement algorithm. The second application concerns quantile-constrained optimization problems and highlights the ability of the adaptive refinement algorithm to cope with large scenario sets via clustering. We introduce the resulting mixed-integer linear problem, discuss generic solution techniques, make the link with the generalized framework, and measure the impact of the proposed solution techniques.
The second part of this thesis assembles the papers that inspired the contents of the first part of this thesis. Hence, they describe in detail the topics that are covered and will be referenced throughout the first part.
THE NONLOCAL NEUMANN PROBLEM
(2023)
Instead of presuming only local interaction, we assume nonlocal interactions. By doing so, mass
at a point in space does not only interact with an arbitrarily small neighborhood surrounding it,
but it can also interact with mass somewhere far, far away. Thus, mass jumping from one point to
another is also a possibility we can consider in our models. So, if we consider a region in space, this
region interacts in a local model at most with its closure. While in a nonlocal model this region may
interact with the whole space. Therefore, in the formulation of nonlocal boundary value problems
the enforcement of boundary conditions on the topological boundary may not suffice. Furthermore,
choosing the complement as nonlocal boundary may work for Dirichlet boundary conditions, but
in the case of Neumann boundary conditions this may lead to an overfitted model.
In this thesis, we introduce a nonlocal boundary and study the well-posedness of a nonlocal Neu-
mann problem. We present sufficient assumptions which guarantee the existence of a weak solution.
As in a local model our weak formulation is derived from an integration by parts formula. However,
we also study a different weak formulation where the nonlocal boundary conditions are incorporated
into the nonlocal diffusion-convection operator.
After studying the well-posedness of our nonlocal Neumann problem, we consider some applications
of this problem. For example, we take a look at a system of coupled Neumann problems and analyze
the difference between a local coupled Neumann problems and a nonlocal one. Furthermore, we let
our Neumann problem be the state equation of an optimal control problem which we then study. We
also add a time component to our Neumann problem and analyze this nonlocal parabolic evolution
equation.
As mentioned before, in a local model mass at a point in space only interacts with an arbitrarily
small neighborhood surrounding it. We analyze what happens if we consider a family of nonlocal
models where the interaction shrinks so that, in limit, mass at a point in space only interacts with
an arbitrarily small neighborhood surrounding it.