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In politics and economics, and thus in the official statistics, the precise estimation of indicators for small regions or parts of populations, the so-called Small Areas or domains, is discussed intensively. The design-based estimation methods currently used are mainly based on asymptotic properties and are thus reliable for large sample sizes. With small sample sizes, however, this design based considerations often do not apply, which is why special model-based estimation methods have been developed for this case - the Small Area methods. While these may be biased, they often have a smaller mean squared error (MSE) as the unbiased design based estimators. In this work both classic design-based estimation methods and model-based estimation methods are presented and compared. The focus lies on the suitability of the various methods for their use in official statistics. First theory and algorithms suitable for the required statistical models are presented, which are the basis for the subsequent model-based estimators. Sampling designs are then presented apt for Small Area applications. Based on these fundamentals, both design-based estimators and as well model-based estimation methods are developed. Particular consideration is given in this case to the area-level empirical best predictor for binomial variables. Numerical and Monte Carlo estimation methods are proposed and compared for this analytically unsolvable estimator. Furthermore, MSE estimation methods are proposed and compared. A very popular and flexible resampling method that is widely used in the field of Small Area Statistics, is the parametric bootstrap. One major drawback of this method is its high computational intensity. To mitigate this disadvantage, a variance reduction method for parametric bootstrap is proposed. On the basis of theoretical considerations the enormous potential of this proposal is proved. A Monte Carlo simulation study shows the immense variance reduction that can be achieved with this method in realistic scenarios. This can be up to 90%. This actually enables the use of parametric bootstrap in applications in official statistics. Finally, the presented estimation methods in a large Monte Carlo simulation study in a specific application for the Swiss structural survey are examined. Here problems are discussed, which are of high relevance for official statistics. These are in particular: (a) How small can the areas be without leading to inappropriate or to high precision estimates? (b) Are the accuracy specifications for the Small Area estimators reliable enough to use it for publication? (c) Do very small areas infer in the modeling of the variables of interest? Could they cause thus a deterioration of the estimates of larger and therefore more important areas? (d) How can covariates, which are in different levels of aggregation be used in an appropriate way to improve the estimates. The data basis is the Swiss census of 2001. The main results are that in the author- view, the use of small area estimators for the production of estimates for areas with very small sample sizes is advisable in spite of the modeling effort. The MSE estimates provide a useful measure of precision, but do not reach in all Small Areas the level of reliability of the variance estimates for design-based estimators.
The startle response in psychophysiological research: modulating effects of contextual parameters
(2013)
Startle reactions are fast, reflexive, and defensive responses which protect the body from injury in the face of imminent danger. The underlying reflex is basic and can be found in many species. Even though it consists of only a few synapses located in the brain stem, the startle reflex offers a valuable research method for human affective, cognitive, and psychological research. This is because of moderating effects of higher mental processes such as attention and emotion on the response magnitude: affective foreground stimulation and directed attention are validated paradigms in startle-related research. This work presents findings from three independent research studies that deal with (1) the application of the established "affective modulation of startle"-paradigm to the novel setting of attractiveness and human mating preferences, (2) the question of how different components of the startle response are affected by a physiological stressor and (3) how startle stimuli affect visual attention towards emotional stimuli. While the first two studies treat the startle response as a dependent variable by measuring its response magnitude, the third study uses startle stimuli as an experimental manipulation and investigates its potential effects on a behavioural measure. The first chapter of this thesis describes the basic mechanisms of the startle response as well as the body of research that sets the foundation of startle research in psychophysiology. It provides the rationale for the presented studies, and offers a short summary of the obtained results. Chapter two to four represent primary research articles that are published or in press. At the beginning of each chapter the contribution of all authors is explained. The references for all chapters are listed at the end of this thesis. The overall scope of this thesis is to show how the human startle response is modulated by a variety of factors, such as the attractiveness of a potential mating partner or the exposure to a stressor. In conclusion, the magnitude of the startle response can serve as a measure for such psychological states and processes. Beyond the involuntary, physiological startle reflex, startle stimuli also affect intentional behavioural responses, which we could demonstrate for eye movements in a visual attention paradigm.
Im Leistungssport ist ein gesunder Körper die Hauptvoraussetzung für das Erbringen sportlicher Höchstleistungen. Allerdings müssen Leistungssportler tagtäglich in Training und Wettkampf gesundheitliche Risiken eingehen. Aus diesem Dilemma wird ein Trilemma, sobald es sich um jugendliche Leistungssportler handelt, da das Jugendalter mit all den Veränderungen auf psychischer, physischer und sozialer Ebene, die es mit sich bringt, häufig das Einstiegsalter für gesundheitsrelevante Risikoverhaltensweisen wie den Konsum von Alkohol, Tabak und Marihuana bildet. Diese können zusätzlich Auswirkungen auf die Gesundheit und damit das Erbringen sportlicher Leistung haben. Aus diesem Grund war es das Ziel dieser Dissertation, das gesundheitsrelevante Risikoverhalten und die subjektive Gesundheit in der speziellen Gruppe jugendlicher Leistungssportler zu untersuchen, mit einer jugendlicher Referenzstichprobe bestehend aus Nicht-Leistungssportlern zu vergleichen und assoziierte Determinanten - sowohl individueller als auch kontextueller Natur - zu identifizieren. Dazu wurden im Rahmen der GOAL Study (German Young Olympic Athletes" Lifestyle and Health Management Study) 1.138 jugendliche Leistungssportler aller olympischer Disziplinen schriftlich befragt. Ausgewertet wurden neben der subjektiven Gesundheit der Konsum von Alkohol, Tabak und Marihuana, das Ernährungsverhalten und die Nutzung von Nahrungsergänzungsmitteln. Als Vergleichspopulation wurde der KiGGS (Kinder- und Jugendgesundheitssurvey) des Robert Koch-Instituts herangezogen. Es zeigte sich, dass jugendliche Leistungssportler zwar selten rauchten (3%) oder Marihuana konsumierten (3%), aber dass sie durchaus Alkohol zu sich nahmen (86%) und insbesondere Binge Drinking betrieben (24%). Bezüglich des Rauchverhaltens, des Konsums von Marihuana und des Jemalskonsums von Alkohol zeigten sie jedoch niedrigere Prävalenzen als jugendliche Nicht-Leistungssportler. Bei der Ernährung der Athleten ergaben sich teilweise Defizite. Lediglich 52% der Athleten nahmen täglich eine Auswahl an vitamin- und ballaststoffreichen Nahrungsmitteln zu sich, jedoch waren dies mehr als in der Referenzpopulation. Neun von zehn Athleten nutzten Nahrungsergänzungsmittel, davon konsumierten rund 30% täglich Supplemente. Die Mehrheit der Athleten bezeichnete ihre Gesundheit als gut oder sehr gut (89%), was einem größeren Anteil entspricht als in der Referenzgruppe (86%). Es fanden sich eine Vielzahl an individuellen und kontextuellen Determinanten mit den einzelnen Risikoverhaltensweisen und der subjektiven Gesundheit verknüpft. Insgesamt lässt sich festhalten, dass Beratung und Aufklärung bezüglich der einzelnen Risikoverhaltensweisen immens wichtig erscheinen. Beispiele für bestehenden Aufklärungsbedarf sind der übermäßige Alkoholkonsum, welcher Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit haben kann, die Einnahme von Nahrungsergänzungsmitteln wie Kreatin, welche für Jugendliche nicht unbedenklich ist, und der häufig vorliegende nicht-tägliche Konsum von vitamin- und ballaststoffreichen Lebensmitteln, welcher wichtig für eine adäquate Ernährung ist. Daher sollten bereits Athleten in niedrigeren Kaderstufen Experten (z. B. Ernährungsberater) zur Seite gestellt werden. Aber nicht nur die Athleten sollten besser geschult werden sondern auch deren Trainer, Betreuer und Eltern, die allesamt wichtige Bezugspersonen darstellen.
Die Frage, wie und in welche Richtung sich Wohlfahrtsstaaten entwickeln ist seit gut zwei Jahrzehnten zentraler Gegenstand der wissenschaftlichen Auseinandersetzung. Insbesondere dem konservativen Wohlfahrtsstaat, zu dem u.a. Österreich und Deutschland gezählt werden, wird dabei eine gewisse Reformresistenz nachgesagt. Besonders bei der Bewältigung neuer sozialer Risiken, wie Pflegebedürftigkeit, zeigt sich, dass der Wohlfahrtsstaat an tradierten sozialstaatlichen Leitprinzipien und kulturellen Leitbildern festhält und damit die tatsächlichen Anforderungen und Bedürfnisse sich wandelnder gesellschaftlicher Verhältnisse vernachlässigt. Auf dieses institutionelle Setting ist auch die Entstehung sogenannter Grauer Pflegemärkte in konservativen Wohlfahrtsstaaten zurückzuführen. Auf diesen Grauen Pflegemärkten bieten Migrantinnen Betreuungs- und Pflegedienstleistungen an, die überwiegend unter Umgehung nationaler arbeits- und sozialrechtlicher Standards erbracht und deshalb als irregulär eingestuft werden. Versuche der Regulierung Grauer Pflegemärkte müssen deshalb beim bisherigen sozialstaatlichen institutionellen Setting der Bereitstellung formeller/informeller Betreuungsdienstleistungen in Frage gestellt werden " aus diesem Grund können sie auch Hinweise auf die Entwicklung von Wohlfahrtsstaaten geben. Gerade hier mangelt es den zahlreichen Analysen zu den Ursachen und Folgen der Entstehung Grauer Pflegemärkte die Regulierungsversuche und -diskurse in einen größeren politikübergreifenden Forschungskontext zu setzen und zu analysieren. Dieses Dissertationsprojekt setzt an dieser Forschungslücke an und geht der Frage nach, was der parlamentarische Diskurs um die Legalisierung der 24-Stunden-Betreuung über die Richtung des wohlfahrtsstaatlichen Wandels konservativer Wohlfahrtsstaaten aussagt. Hierbei werden die wohlfahrtsstaatlichen Entwicklungen der vergangenen zwei Jahrzehnte sowie die sozialpolitischen Leitprinzipien des konservativen Wohlfahrtsstaates in die Untersuchung mit einbezogen. In theoretischer Hinsicht knüpft das Vorhaben an Theorieansätze der Wissenspolitologie und Wissenssoziologie an und verbindet sie mit dem Ansatz der Theorie der sozialen Probleme. Wissenspolitologie erlaubt es wohlfahrtsstaatliche Veränderungsprozesse vor dem Hintergrund von Deutungen, Ideen oder Argumenten, also dem, was politische Akteure sagen, zu analysieren und sehen gleichzeitig hierin den Ausgangspunkt eben jener wohlfahrtsstaatlichen Veränderungsprozesse und Entwicklungen. Der wissenssoziologische Zugang in dieser Arbeit begründet sich über die Beobachtung, dass Graue Pflegemärkte rund zwanzig Jahre unbeachtet von Politik und Gesellschaft existieren konnten. Erst die Problematisierung der Grauen Pflegemärkte bzw. der auf ihnen irregulär erbrachten Betreuungsdienstleistungen ermöglichte einen Diskurs um die Frage, wie und in welchem Rahmen Betreuungsdienstleistungen zukünftig erbracht werden sollen. Insofern kann die Problematisierung als Ausgangspunkt für einen sozialpolitischen Veränderungsprozess gesehen werden. Die Analyse stützt sich dabei auf qualitative Methoden und wertet hierzu wichtige Parlamentsdebatten, Gesetzesentwürfe, Parteiendokumente sowie Zeitungsartikel die im Rahmen der Problematisierung und öffentlichen Diskussion zur Legalisierung der 24-Stunden-Betreuung geführt wurden aus. Ziel dieser Arbeit ist es, den Wandel des konservativen Wohlfahrtsstaates (1) durch das bislang wenig beachtete Politikfeld Betreuungsarbeit und Pflege zu ergänzen und (2) die Analyse um die Bedeutung von Deutungen und sozialpolitischen Leitprinzipien für sozialpolitische Reformprozesse zu erweitern.
Global change, i.e. climate and land use changes, severely impact natural ecosystems at different scales. Poikilothermic animals as butterflies, amphibians and reptiles have proven to be useful indicators for global change impacts as their phenology, spatial distribution, individual fitness and survival strongly depend on external environmental factors. In this aspect, phenological changes in terms of advanced flight or breeding periods, immigrations of foreign species, range shifts concomitant with temperature increases and even local population declines have been observed in both species groups. However, to date much attention has been paid to global change impacts on the species or population level and analyses concerning entire ecosystems are scarce. Applying a novel statistical modelling algorithm we assessed future changes in the extent and composition of terrestrial ecoregions as classified by the World Wide Fund for Nature (WWF). They are defined as coarse-scale conservation units containing exceptional assemblages of species and ecological dynamics. Our results demonstrate dramatic geographical changes in the extent and location of these ecoregions across all continents and even imply a repriorisation of conservation efforts to cope with future climate change impacts on biodiversity. On the local scale, climate change impacts become unequivocal. Comparing historical to contemporary butterfly assemblages on vineyard fallows of the Trier Region, a significant decline in butterfly richness, but also a severe depletion in trait diversity was observed. Comparisons of community temperature indices reveal a striking shift in community composition leading to a replacement of sedentary and monophagous habitat specialists by ubiquitous species. Similar changes have been observed in nature reserves in the Saar-Mosel-area. Monitoring data reveal strong losses of species diversity and remarkable shifts of community compositions at the expense of habitat specialists. Besides climatic variability, these findings are largely attributed to changes in habitat structures, mostly due to eutrophication and monotonisation. Management activities are unlikely to counterbalance these effects, thus severely questioning current conservation strategies. Most dramatic global change impacts are suspected on closely associated species and disruptions of biotic interactions are often hold responsible for species declines. A strong host-parasite association has developed in Myrmica ants and Maculinea butterflies, the later crucially depending on specific host ants for their larval survival. Applying environmental niche models we determined considerable niche dynamics in the observed parasite-host relation with a pronounced niche plasticity in the butterfly species adapting to previous evasive niche shifts in their host ants. Moreover, the new emergence of species continuously expanding their northernmost range borders concomitant with global warming like the Short-tailed blue (Cupido argiades) is attributed to climate change. However, species distribution models predict a severe habitat loss and shifts of potentially suitable habitats of this species towards north-eastern Europe and higher altitudes under several IPCC scenarios making the presence of this species in the Trier region a contemporary phenomenon. Species distribution models have emerged as powerful tools to predict species distributions over spatial and temporal scales. However, not only the presence of a species, but also its abundance have significant implications for species conservation. The ability to deduce spatial abundance patterns from environmental suitability might more efficiently guide field surveys or monitoring programs over large geographical areas saving time and money. Although the application of species distribution models to deduce vertebrate abundances is well recognized, our results indicate that this method is not an adequate approach to predict invertebrate abundances. Structural and ecological factors as well as climatic patterns acting at the microscale are key drivers of invertebrate occurrence and abundances limiting conclusions drawn from modeling approaches. Population declines should be interpreted with care as in butterflies and amphibians various reasons are debated. Both species groups are acknowledged to be highly susceptible to land use changes and variations in landscape structure. Moreover, climate and land use are not independently operating factors. The combined impact of both is demonstrated in our study linking climate-driven changes in amphibian phenologies to temporal advanced applications of pesticides and fertilizers. Both environmental factors already represent severe threats to amphibians when standing alone, but linking their combined impacts may result in an potentiated risk for amphibian populations. As all amphibians and numerous butterfly species are legally protected under the Federal Nature Conservation Act, intensifications of agricultural land use in large parts of Germany as well as new agrarian practices (including genetically manipulated plants accompanied by new herbicide technologies) might severely challenge regional conservation activities in the future.
Preisvergleiche zwischen verschiedenen Regionen spielen in zahlreichen wirtschaftlichen und politischen Zusammenhängen eine wichtige Rolle. Unabhängig davon, ob es darum geht, die Wirtschaftskraft von Regionen oder Ländern gegenüber zu stellen, die Lebensverhältnisse innerhalb eines Landes zu vergleichen, oder aber die Wirkungsweise sozial- und lohnpolitischer Entscheidungen einzuschätzen: Interregionale Preisvergleiche dienen in erster Linie als Instrument, um gesamtwirtschaftliche und ökonomische Größen zwischen verschiedenen Regionen oder Ländern real vergleichbar zu machen. Interregionale Preisvergleiche sind allgemeinhin besser bekannt als sogenannte Kaufkraftparitäten. Die enorme Bedeutung von Kaufkraftparitäten wurde in der Vergangenheit lange unterschätzt. Insbesondere bei Preisvergleichen innerhalb eines Landes mangelt es oftmals an einer soliden Datenbasis, sodass verlässliche Schätzungen regionaler Preisniveauunterschiede häufig nicht möglich sind. Die vorliegende Arbeit zeigt allerdings, dass ein breites Angebot verschiedener multilateraler Aggregationsmethoden bereit. Im Mittelpunkt des ersten Teils Arbeit steht die methodische Ausarbeitung verschiedener Aggregationsverfahren, mit deren Hilfe sich erhobene Daten zu verlässlichen und aussagekräftigen Preisvergleichskennzahlen aggregieren lassen. Im Unterschied zu intertemporalen Vergleichen sind gewöhnliche bilaterale Preisindizes für diesen Zweck nur begrenzt einsetzbar. Vielmehr sind spezielle multilaterale methodische Instrumente nötig, die den speziellen Anforderungen regionaler Preisvergleiche gerecht zu werden. Im Rahmen der Arbeit werden die verschiedenen multilateralen Aggregationsverfahren unterschiedlichen Berechnungsansätzen zugeordnet, wobei jeder dieser Ansätze durch bestimmte Eigenschaften charakterisiert ist. Neben den Mitgliedern der Klasse des Gini-Eltetö-Köves-Szulc (GEKS) und Minimum Spannning Tree (MST) Ansatzes sowie des Regressionsansatzes, widmet sich diese Arbeit schwerpunktmäßig den unterschiedlichen Verfahren des sogenannten Standardisierungsansatzes. Es stellt sich heraus, dass der Standardisierungsansatz grundsätzlich sehr dem Konstruktionsprinzip bilateraler Durchschnittswertindizes (GUV-Indizes) ähnelt, weshalb sich die Mitglieder dieser Klasse auch als multilaterale GUV-Indizes auffassen lassen. Darüber hinaus wird eine neue Unterklasse des Standardisierungsansatzes definiert, deren Mitglieder die breite Palette bereits existierender Verfahren ergänzen. Allerdings wird den Aggregationsverfahren des Standardisierungsansatzes nachgesagt, unter den Auswirkungen des sogenannten Gerschenkron-Effekts zu leiden und im Gegensatz zu anderen Aggregationsverfahren häufig verzerrte Preisvergleiche hervorzubringen. Der zweite Teil der Arbeit ist einem empirischen Vergleich der zuvor erörterten Aggregationsverfahren vorbehalten. Grundlage für die Berechnungen (auf und unterhalb der elementaren Güterebene) sind Daten des Europäischen Vergleichsprogramms (EVP). Eine wichtige Erkenntnis des empirischen Teils der Arbeit ist, dass viele der unterschiedlichen Aggregationsmethoden für die Berechnungen auf der Elementarebene sehr ähnliche Ergebnisse für die Preisvergleiche zwischen den Ländern im EVP generieren. Die Sorge verzerrter Preisvergleiche infolge der Auswirkungen des Gerschenkron-Effektes lässt sich auf Grundlage der empirischen Untersuchungen nicht (zweifelsfrei) bestätigen. Ferner zeigen die empirischen Untersuchungen, dass weitaus größere Schwierigkeiten bei der Berechnung von Preisvergleichen unterhalb der Elementarebene bestehen. Die Berechnungen offenbaren, dass die häufig in der Praxis eingesetzten Verfahren der GEKS-Methode in Situationen, in denen nur wenige Daten vorhanden sind, keine plausiblen Ergebnisse liefern. Es stellt sich heraus, dass in diesen Fällen die Verfahren des Regressionsansatzes eine unkompliziertere und verlässlichere Berechnung von Preisvergleichen erlauben. Nichtsdestotrotz decken die Ergebnisse schonungslos die Probleme und Schwächen interregionaler Preisvergleiche auf. Trotz intensiver Anstrengungen der internationalen statistischen Organisationen, eine vergleichbare und fundierte Datenbasis zu schaffen, sind die Dateninformationen einiger Regionen bzw. Länder nach wie vor sehr lückenhaft. Da verlässliche und aussagekräftige Preisvergleiche im Wesentlichen von der Verfügbarkeit und der Qualität der Daten abhängig sind, sollte der Forschungsschwerpunkt zukünftig daher mehr an der Bereitstellung eines soliden Datenfundaments ausgerichtet werden.
Die in einem Einzugsgebiet herrschende räumliche Inhomogenität wird im Wasserhaushaltsmodell LARSIM (Large Area Runoff Simulation Modell) in den einzelnen Modellkomponenten unterschiedlich stark berücksichtigt. Insbesondere die räumliche Verteilung der Abflussprozesse wurde bisher nicht berücksichtigt, weil keine flächenhaft verfügbare Information über eben diese Verteilung vorlag. Für das Einzugsgebiet der Nahe liegt nun seit dem Jahr 2007 eine Bodenhydrologische Karte vor, die flächenhaft den bei ausreichenden Niederschlägen zu erwartenden Abflussprozess ausweist. In der vorliegenden Dissertation wird die Nutzung dieser Prozessinformation bei der Parametrisierung des Bodenmoduls von LARSIM beschrieben: Für drei Prozessgruppen " gesättigter Oberflächenabfluss, Abfluss im Boden, Tiefenversickerung " werden mittels zweier neuer Parameter P_Bilanz und P_Dämpfung inhomogene Parametersätze aus empirisch ermittelten Kennfeldern gewählt, um die Prozessinformation bei der Abflussbildung im Modell zu berücksichtigen. Für die Abbildung der Prozessintensitäten in den Gebietsspeichern werden zwei unterschiedliche Ansätze vorgestellt, die sich in ihrer Komplexität unterscheiden. In der ersten Variante werden fünf Oberflächenabflussspeicher für unterschiedlich schnell reagierende Prozessgruppen eingeführt, in der zweiten Variante wird der erste Ansatz mit dem ursprünglichen Schwellenwert zur Aufteilung in schnelle und langsame Oberflächenabflusskomponenten kombiniert. Es wird gezeigt, dass die Parametrisierung mit den beiden neuen Parametern P_Bilanz und P_Dämpfung einfacher, effektiver und effizienter ist, da beide Parameter minimale Interaktionen aufweisen und in ihrer Wirkungsweise leicht verständlich sind, was auf die ursprünglichen Bodenparameter nicht zutrifft. Es wird ein Arbeitsfluss vorgestellt, in dem die neuen Parameter in Kombination mit Signature Measures und unterschiedlichen Darstellungen der Abflussdauerlinie gemeinsam genutzt werden können, um in wenigen Arbeitsschritten eine Anpassung des Modells in neuen Einzugsgebieten vorzunehmen. Die Methode wurde durch Anwendung in drei Gebieten validiert. In den drei Gebieten konnte in wenigen Kalibrierungsschritten die Simulationsgüte der ursprünglichen Version erreicht und " je nach Zielsetzung " übertroffen werden. Hinsichtlich der Gütemaße zeigte sich bei der Variante, in der die Gebietsspeicher nicht modifiziert wurden, aber kein eindeutiges Bild, ob die ursprüngliche Parametrisierung oder die neue grundsätzlich überlegen ist. Neben der Auswertung der Validierungszeiträume wurden dabei auch die simulierten Ganglinien in geschachtelten Gebieten betrachtet. Die Version, in der die Gebietsspeicher modifiziert wurden, zeigt hingegen vor allem im Validierungszeitraum tendenziell bessere Simulationsergebnisse. Hinsichtlich der Abbildung der Abflussprozesse ist das neue Verfahren dem alten deutlich überlegen: Es resultiert in plausiblen Anteilen von Abflusskomponenten, deren Verteilung und Abhängigkeit von Speicherkapazitäten, Landnutzungen und Eingangsdaten systematisch ausgewertet wurden. Es zeigte sich, dass vor allem die Speicherkapazität des Bodens einen signifikanten Einfluss hat, der aber im hydrologischen Sinn richtig und hinsichtlich der Modellannahmen plausibel ist. Es wird deutlich gemacht, dass die Einschränkungen, die sich ergeben haben, aufgrund der Modellannahmen zustande kommen, und dass ohne die Änderung dieser Annahmen keine bessere Abbildung möglich ist. Für die Zukunft werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Annahmen modifiziert werden können, um eine bessere Abbildung zu erzielen, indem der bereits bestehende Infiltrationsansatz in die Methode integriert wird.
In der Forschung zur aktuellen Prozessdynamik der Bodenerosion sind Niederschlagssimulationen mit kleinen mobilen Beregnungsanlagen (KBA) ein unverzichtbarer Bestandteil. Weltweit werden sehr viele KBA unterschiedlicher Bauart, Plotgrößen, Tropfenerzeugung, Niederschlagsintensitäten, und -spektren eingesetzt. Eine Standardisierung der Anlagen ist aufgrund der Verschiedenheit der Forschungsfelder und -fragen nicht in Sicht. Darüber hinaus sind die erzeugten Niederschläge (Nd) der Anlagen unzureichend genau charakterisiert und es liegt keine einheitliche Datenbasis aller relevanten Parameter vor. Zudem werden mit KBA bisher ausschließlich Starkregen unter windstillen Bedingungen simuliert, obwohl Wind einen deutlichen Einfluss auf fallende Regentropfen ausübt. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei Teile: (1) Weiterentwicklung und Anwendung von KBA: Wie lässt sich die Performance der Trierer KBA optimieren und eine einheitliche Mess- und Kalibrierungsmethode für den simulierten Niederschlag definieren? Welche Anforderungen, Möglichkeiten, Grenzen und Anwendungsbereiche gibt es? (2) Vergleich verschiedener Typen von KBA im Gelände: Inwieweit sind Nd-Charakteristika, Oberflächen-¬abflussgenerierungen und Bodenabträge europäischer KBA vergleichbar? (3) Implemen-¬tierung von windbeschleunigtem Regen in KBA mit dem neuen mobilen Trierer Windregenkanal (WiReKa): Wie kann Wind in ein KBA-Setting integriert werden? Wie sind Unterschiede von Erosionsraten mit und ohne Windeinfluss in-situ zu quantifizieren und wie hoch fallen sie aus? Im ersten Teil der Arbeit wurde zunächst die Nd-Charakteristik der langjährig von der Physischen Geographie eingesetzten KBA mit unterschiedlichen, weltweit angewandten Messmethoden untersucht. Dabei zeigten sich einige Schwächen der KBA bezüglich ihrer Funktionalität. Der Einsatz verschiedener Mess-¬methoden zur Charakterisierung des künstlich erzeugten Nd führte zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen. Mittels Laser-Niederschlags-Monitor (LNM) und Nd-Sammlern wurde daher ein einheitliches Testverfahren entwickelt, das eine detaillierte Aufnahme, Auswertung und Darstellung der relevanten Nd-Parameter nahezu aller KBA-Designs ermöglicht. Mit Hilfe dieses Testverfahrens wurden Nd-Charakteristik, Funktionalität und Mobilität der Trierer KBA durch technische Veränderungen deutlich verbessert. Alle Parameter dieser Anlage sind nun bekannt und lassen sich zuverlässig reproduzieren. Die Anforderungen, Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes von KBA wurden detailliert erarbeitet und beschrieben. Auf dem "International Rainfall Simulator Workshop" in Trier konnte mit 40 Wissenschaftlern aus 11 Nationen Einigkeit über grundlegende Aspekte beim Bau und Einsatz von KBA erzielt werden. Der zweite Teil der Arbeit stellt die Arbeitsmethoden und Ergebnisse eines in internationaler Kooperation durchgeführten Projektes zu Messmethoden und Vergleichbarkeit von Simulatordesigns und Nd-Charakteristika unterschiedlicher europäischer KBA vor. An 13 Instituten in Deutschland, den Niederlanden, der Schweiz und Spanien wurde mit dem Trierer Testverfahren eine einheitliche Datenbasis aller wesentlichen Nd-Parameter erstellt. Im praktischen Teil des Rainfall Simulator Workshop in Trier wurden dann vergleichende Versuche mit sieben KBA auf einer universitätsnahen Versuchsfläche zur Oberflächenabflussgenerierung und zum Bodenabtrag durchgeführt. Vor allem die (maximale) Sedimentkonzentration einer Simulation hat sich dabei als gute Vergleichsgröße herausgestellt. Differenzen in den gemessenen Oberflachenabfluss- und Sedimentmengen sind ganz klar unterschiedlichen Nd zuzuordnen. Der zeitliche Ablauf des Oberflächenabfluss- und Erosionsverhalten differiert dagegen nur bei zunehmender Plotgröße. Im dritten Teil der Arbeit wird analysiert, wie windbeschleunigter Regen in einer KBA simuliert werden kann. Darüber hinaus wurde eine spezielle Testreihenfolge für die Erosionsmessungen entwickelt, deren Praktikabilität sich in der Anwendung bewährt hat. Es konnten stark erhöhte Abtragsraten aufgrund der Zuschaltung von Wind zu der Regensimulation auf kohäsionslosem sandigen Substrat quantifiziert werden. Das Dissertationsprojekt kann auf mehreren Ebenen als erfolgreich angesehen werden: Die Arbeit mit den Trierer KBA konnte qualitativ verbessert werden insofern, als die Anlagenparameter optimiert und die Güte der produzierten Daten gewährleistet werden konnte. Darüber hinaus konnten die gewonnenen Erkenntnisse durch eine gezielte internationale Vernetzung in Wert gesetzt und die Zusammenarbeit auf der operationalen Ebene gestärkt werden.
Die Notwendigkeit einer ökologischen Aufwertung kleiner urbaner Gewässer und damit einer effektiven Siedlungswasserwirtschaft ist in den Fokus gerückt und wurde zum Bestandteil der Wasserrahmenrichtlinie ( 2000/60/EG). Die Zunahme von Regenwassermanagementsystemen und die Renaturierung kanalisierter Gewässerabschnitte führt zu einer Integration von Flüssen und Bächen in das städtische Umfeld. Diese Arbeit fokussiert die zeitlich hochaufgelöste Analyse des Stofftransports während Abflussereignissen in mesoskaligen Einzugsgebieten. Es wird untersucht, ob die Landnutzung und die Entwässerungssysteme von Siedlungsflächen, die Abflusssdynamik und die Stoffkonzentrationen beeinflussen. Beleuchtet wird, inwieweit naturnahe Regenwassermanagementsysteme in Siedlungsgebieten den natürlichen Wasserhaushalt erhalten und eine Gewässerbelastung reduzieren. Untersucht werden die Schadstoffdynamiken und -frachten dreier verschiedener Einzugsgebiete, ähnlich hinsichtlich Einzugsgebietsgröße, Topographie und klimatischen Bedingungen, aber unterschiedlich in Landnutzung und Entwässerungssystemen. Darüber hinaus wird der Einfluss der Ableitungsart des Regenwassers aus den Siedlungsgebieten auf die Abflussdynamik und die Schadstoffverlagerung auf unterschiedlichen Skalen untersucht. Abflussganglinien und Chemographen aller Gewässer zeigen große Schwankungen während und zwischen Hochwasserereignissen. Kurzfristige Konzentrationen sind sehr hoch und können nur mittels zeitlich hochaufgelöster Beprobung bestimmt werden. Frachten und mittlere Ereigniskonzentrationen weisen eine hohe Variabilität in Abhängigkeit von vorangehenden hydro-klimatischen Bedingungen auf. Erhöhte Schadstoffkonzentrationen treten in einem ländlich geprägten Einzugsgebiet in Verbindung mit Regenfällen durch Remobilisierung von Schadstoffen aus der Kanalisation auf. In einem städtisch geprägten Vorfluter sind Schadstoffbelastungen mit dem Basisabfluss aufgrund sanitärer Fehlanschlüsse und Kläranlageneinleitungen das ganze Jahr über bedeutsam. Ein biologischer Test zur Bestimmung östrogener Aktivität zeigt, dass die Toxizität von der Kläranlagentechnologie und deren Elimination östrogener Wirkstoffe abhängt. Saisonale Effekte, durch steigende östrogene Aktivität im Sommer und abnehmende Aktivität im Winter aufgrund der Verdünnung durch Boden- und Grundwasser, konnten beobachtet werden. Dezentrale Regenrückhalte führen zum Erhalt des quasi-natürlichen Wasserhaushaltes und zur Dämpfung von Abflussspitzen im Vorfluter. Die Beprobung der Zuläufe und des Ablaufes einer Retentionsfläche zeigt die Reduktion der Maximalkonzentrationen sowie der jährlichen Frachten von Xenobiotika. Mit zunehmender Einzugsgebietsgröße nimmt die Anzahl und Diversität der Entwässerungssysteme zu. Die Skalenabhängigkeit der Gewässerbelastung ergibt sich aus dem Vorhandensein und Zusammenwirken von Misch- und Trennkanalisationen, sowie Regenwassermanagementsysteme, und Kläranlageneinläufen. Vor allem Mischwasserkanalüberläufe führen zu einer hydraulischen Belastung sowie zu hohen Momentankonzentrationen der Xenobiotika. Regenwassermanagementsysteme tragen zu einer deutlichen Reduktion der chemischen und hydraulischen Belastung des Gewässers bei. Dies führt zu einer Entlastung der Vorfluter und zu einem besseren ökologischen Zustand, wie durch die Wasserrahmenrichtlinie gefordert.
Bei synthetischen Simulationsgesamtheiten handelt es sich um künstlichernDaten, die zur Nachbildung von realen Phänomenen in Simulationen verwendetrnwerden. In der vorliegenden Arbeit werden Anforderungen und Methoden zur Erzeugung dieser Daten vorgestellt. Anhand von drei Beispielen wird gezeigt, wie erzeugte synthetische Daten in einer Simulation zur Anwendung kommen.