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This thesis presents microstructural investigations of rock salt from the central part of the Gorleben salt dome (Northern Germany). The main emphasis was to characterize the rock salt microfabrics, to identify operating deformation mechanisms in halite and anhydrite and to decipher the macro- and microstructural distribution of hydrocarbons, which have been encountered during the underground exploration of the salt dome. The microfabrics of the Knäuel- and the Streifensalz formation indicate that strain-induced grain boundary migration has been active during deformation of halite. Crystal plastic deformation of halite is further documented by lattice bending, subgrain formation and minor subgrain rotation. Evidence for pressure solution of halite has not been found, but cannot be excluded because of the small grain size, the lack of LPO and the low differential stress (1.1 - 1.3 MPa) as deduced from subgrain-size piezometry. Solution precipitation creep was proven for intercalated anhydrite layers and clusters, which have been deformed in the brittle-ductile regime. Brittle deformation of anhydrite in terms of boudinage and fracturing was counteracted by viscous creep of halite which caused a re-sealing of fractures and a reestablishing of the characteristic sealing capacity of rock salt. Hydrocarbons are mainly located along cross cut 1 West of the Gorleben exploration mine and are heterogeneously distributed in the rock salt. They are incorporated in the rock salt foliation in the form of streaks, dispersed clouds, clusters and isolated patches. On the micro-scale, hydrocarbons are trapped along grain boundaries of halite and/or anhydrite, in micro-capillary tubes of anhydrite and in pore space of the rare rock salt with elevated porosity (< 1.26 vol.-%). Such elevated porosities correlate with elevated hydrocarbon concentrations of several hundred ppm. The overall concentrations of hydrocarbons, however, are very low (< 0.05 wt.-%). Elevated porosity is depicted to be a remnant originating from an early stage of salt uplift when fluid and hydrocarbons have migrated and spread from the Staßfurt Karbonat (z2SK) into the superjacent Gorleben Hauptsalz. During halokinesis and the strong reworking of the salt body hydrocarbons have been redistributed and dismembered resulting in the isolated present-day occurrences. The distribution of hydrocarbons shows no relation to local variations in the rock salt fabric. The microstructures of hydrocarbon-bearing and hydrocarbon-free Gorleben rock salt are not distinguishable from each other. Likewise, the presence of hydrocarbons should not have influenced the mechanical behavior or the rock salt as indicated by the microfabrics studied and by geomechanical data. The pure amounts of hydrocarbons are too low for any detectable impact on the barrier properties of this part of rock salt. Although hydrocarbons have migrated into the Gorleben Hauptsalz during an early stage of salt uplift when the sealing capacity of rock salt was diminished, the major implication of their isolated distribution patterns is that the Gorleben rock salt was able to regain its sealing capacity during subsequent deformation and re-equilibration. Former migration pathways for fluid and hydrocarbons have been healed and do not exist anymore. The application of X-ray computed tomography (CT) allows the 3D visualization and quantification of anhydrite, pore space and fluid phases located along grain-boundaries or trapped as intracrystalline inclusions. The 3D reconstruction of anhydrite clusters and pore space for the same sample reveals different spatial distribution patterns. This fact implies that anhydrite is not responsible for such elevated pore space in the rock salt studied, which has been largely closed during the polyphase deformation history of the Gorleben salt dome. High-resolution nanoCT scans (≤ 1 μm voxel size) of single intra- and intercrystalline fluid inclusions in rock salt enable a characterization of gaseous, solid and liquid phases inside single fluid inclusions and give exact information on morphology and shape. The 3D reconstruction of grain boundary fluid inclusions allows the amount, volumes, surface areas or diameters of various types to be determined. Non-destructive X-ray CT imaging is presented as very useful tool to characterize the structural inventory of rock salt. This non-destructive technique offers new perspectives for microstructural studies and for a wide range of research in structural geology, in general.
The stable isotope geochemistry of pedogenic and lacustrine carbonate and fossil herbivore tooth enamel is a powerful tool to study the evolution of terrestrial paleoenvironments. This thesis aims to reconstruct Neogene ecosystems in the Karonga Basin in the southern part the East African Rift (EAR) and the Central Anatolian Plateau (CAP).
Karonga Basin: Understanding the development of East African savanna biomes is crucial for reconstructing the evolution, migration and dietary behaviors of early hominins. These rift ecosystems range from closed woodland to open grassland savanna and vary widely in fraction of woody cover. Here I present Plio-Pleistocene carbon (δ13C) and oxygen (δ18O) records from pedogenic carbonate and fossil herbivore tooth enamel collected from the Malawi Rift. This is the first southern hemisphere long-term record in the East African Rift.
The studied ca. 4.3 Ma to 0.6 Ma deposits of the Chiwondo Beds (Karonga Basin) are home to two hominin fossil finds, a maxillary fragment of Paranthropus boisei and a mandible of Homo rudolfensis, both dated to ca. 2.4 Ma. The study site is situated between the well-known hominin-bearing localities of eastern and southern Africa and hence fills an important geographical gap for early hominin research.
The δ13C values of pedogenic carbonate (n = 321) and of enamel from 14 different large-bodied herbivorous mammal taxa (suid, equid, bovid, elephant an hippopotamus; n = 122) permit assessment of the evolutionary history of C3 and C4 biomass, which is closely linked to climate patterns. The reconstruction of C4-grassland development offers insights into the retreat of tree cover and the distribution and seasonality of precipitation. δ18O values reflect hydrological patterns, and we supplement the data of fossil proxy material with analyses of modern meteoric water to evaluate influences of seasonality and evaporation.
Consistent δ13C values around -9‰ and δ18O values of ca. 24‰ of the pedogenic carbonate from 14 sections spanning the last 4.3 Ma indicate a relatively mesic and persistent climate with C3-dominated woodland savannas in the Karonga Basin. The data from tooth enamel of suid, elephant, and hippo taxa complement these findings with constantly low δ13C and δ18O values, demonstrating intake of mainly C3 biomass and water from sources which are only very limited affected by evaporation.
In contrast, Karonga Basin equid and bovid taxa reflect much more complex dietary patterns, ranging from mixed C3/C4-feeders to strongly C4-influenced diets. Intra-tooth δ18O values also show large variations, indicating water intake from resources that differ in their isotopic composition and therefore experienced different hydrological settings.
Overall, the stable isotope data reflect a mostly C3-dominated mesic paleoecosystem, which comprises patches of more open C4-grasslands within the range of migrating mammals. Supplementary analyses of δ18O values of modern meteoric water (precipitation, lake, river and groundwater; n = 111) show a similar magnitude to the fossil herbivore oxygen isotopic values. Expected 18O values of the drinking water calculated from herbivore enamel of animals with a mixed- or C3-diet indicate water intake from barely evaporated sources. Specialized feeders with a high C4-consumtion, however, reflect s|||||||||||||||||||||values of 16O-depleted reservoirs, similar in δ18O |||||||||||| to modern evaporated lakes.
The absence of long-term trends towards more positive δ13C and δ18O values in the Karonga Basin contrasts the increasing role of C4-grasslands since ca. 2.5 Ma in the Eastern Rift. Our data hence point to regional differences in climate and vegetation dynamics during the Plio-Pleistocene. Therefore, regions that are home to early hominins such as H. rudolfensis and P. boisei may have had a different environmental history when compared to the Eastern Rift. This suggests that hominin adaptation is not necessarily directly linked to the emergence of open landscapes.
Central Anatolian Plateau: The development of relief and climate patterns in the Central Anatolian Plateau is long-standing debate in modern paleoecological studies. This thesis presents long-term δ13C and δ18O records on five lacustrine successions, which are widely distributed across the CAP. Also, new 40Ar/39Ar geochronological data from volcanic ashes are established in addition to existing biostratigraphic and paleomagnetic data.
Field relationships combined with stable isotope data of 230 lacustrine carbonates indicate a Late Oligocene environment that was characterized by large, temporally open freshwater lakes in a relatively humid subtropic climate. In the middle Aquitanian, an increase in lake δ18O values reflects more arid settings and an overall increasing dominance of closed saline lakes. This time was probably characterized by frequent climatic fluctuations, recording the influence of seasonality, topography and the waxing and waning of aridity.
Ziel dieser Arbeit, die im Rahmen der Ice Nuclei Research Unit (INUIT) Forschergruppe erstellt wurde, war ursprünglich die saisonale und geographische Variabilität von bodennahen Eiskeimen zu untersuchen. Die Konzentrationen, Quellen und Zusammensetzung der Eisnuklei (ice nuclei, IN) sollte als Basis für Parametrisierungen dienen. Das Verständnis von Eiskeimen und deren Einfluss auf Wetter und Klima sind nur zum Teil bekannt und bedürfen daher noch weitgehender Forschung. Auch die Änderung der Eiskeimkonzentration mit der Zeit kann von Bedeutung sein, diese sollte durch die Fortführung einer Langzeitmessreihe untersucht werden. Durch Hinzuziehen von lokalen Parametern und Trajektorien sollten Proxies für die IN Konzentration ermittelt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit taten sich jedoch Probleme am Messverfahren auf, weshalb die ursprünglichen Ziele in den Hintergrund gerieten und die Verbesserung und Neuaufnahme des Messverfahrens in den Vordergrund trat. Anhand von zielgerichteten Experimenten wurde ein Messfehler ermittelt, der durch die vorherige Fehlinterpretation von deliqueszierenden Partikeln und von Tröpfchen als vermeintliche Eiskristalle entstand. Dieser Fehler wurde charakterisiert und durch optische Analysen dessen Ursprung ermittelt. Datensätze, die durch diese hygroskopischen Partikel fehlerbehaftet waren, wurden korrigiert und reanalysiert. Ein in früheren Arbeiten am Taunus Observatorium/Kleiner Feldberg ermittelter Jahresgang in der Eiskeimkonzentration mit einem Maximum im Sommer und einem Minimum im Winter konnte bestätigt werden, die Absolutzahlen sind jedoch deutlich geringer als bisher angenommen. Lokale Parameter sowie Trajektorien wurden zur weiteren Analyse hinzugezogen.
Die Reevaluierung der Datensätze vom Taunus Observatorium führte zu keinem abschließenden Ergebnis. Ein allgemein gültiger Zusammenhang zwischen Eiskeimkonzentration und Parametern, welche das Staubvorkommen in der Atmosphäre quantifizieren (PM10 und Aerosol Optische Dicke), konnte nicht festgestellt werden. Da die Messungen bei relativ warmen Bedingungen (≥-18°C) durchgeführt wurden, Staub aber erst bei kälteren Temperaturen als effektiver Eiskeim gilt, ist dieses Ergebnis jedoch zu erwarten gewesen.
Auch die Luftmassenherkunft scheint keinen eindeutigen Einfluss zu haben. Betrachtungen der Bodenfeuchte lieferten signifikante Korrelationen, welche jedoch monatsabhängig positiv oder negativ ausfallen können. Im Frühling ist eine hohe Bodenfeuchte mit einer erhöhten Konzentration von IN in Verbindung zu bringen, im Sommer liegt bei niedriger Bodenfeuchte eine tendenziell höhere Eiskeimkonzentration vor. Die Windrichtung hat für die Eiskeimkonzentration einen Einfluss, wenn der Wind aus Südost zum Taunus Observatorium strömt. Anthropogenes Aerosol aus Frankfurt am Main hemmt hier vermutlich die Eisbildung, was zu einer signifikant niedrigeren mittleren Konzentration aus dieser Richtung führt.
Da das Messverfahren noch nicht in seinem vollen Potential genutzt wurde, wurde es um eine Analysemethode erweitert. Mittels Tröpfchengefrierexperimenten konnte ein weiterer Gefriermodus betrachtet werden. Nun deckt das hier genutzte Messverfahren drei der vier bekannten Gefriermoden ab. Anhand von Testsubstanzen wurde die Zuverlässigkeit der neu eingeführten Methode überprüft und nachgewiesen.
Erste Parallelproben der korrigierten Depositions- und Kondensationsgefriermessmethode und der neu eingeführten Immersionsgefriermessung wurden am Taunus Observatorium/Kleiner Feldberg genommen. Dabei wurde auch ein Staubereignis beprobt und detailliert ausgewertet. Zwischen lokalen Parametern und Eiskeimkonzentration fanden sich Zusammenhänge. Bei Messbedingungen <-20°C konnte ein signifikanter Zusammenhang zwischen PM10 und Eiskeimkonzentration im Immersions- und Kondensationsmodus gefunden werden. Der Depositionsgefriermodus blieb unauffällig. Zwischen Bodenfeuchte und IN-Konzentration konnten ebenfalls wie bei der Reevaluierung der alten Messdaten Signifikanzen festgestellt werden.
Die neu eingeführte Immersionsmessmethode und die korrigierte Methode zur Bestimmung von Depositions- und Kondensationsgefrierkernen liefern Messdaten, welche im Bereich anderer Eiskeimzähler liegen. Vergleiche mit Parametrisierungen zeigen, dass die Messwerte dem aktuellen Stand der Forschung entsprechen und davon ausgegangen werden kann, dass sie vertrauenswürdig und belastbar sind.
The timing and duration of leaf deployment strongly regulate earth-atmosphere interactions and biotic processes. Leaf dynamics therefore have major implications for life on earth, including the global energy balance, carbon and water cycles, feedbacks to climate, species extinction risk and agriculture. Evidence of shifts in the timing of leaf deployment and senescence (leaf phenology) as a result of climate change has been accumulating over the past decades, particularly in relation to spring phenology in the northern hemisphere. However, leaf phenological change in other parts of the world has received less attention. This thesis quantifies global phenological change over the past three decades using remotely sensed data. Phenological change was found to be widespread and severe, also in the southern hemisphere. While the detected change testifies of the phenological plasticity of many plant species, it is not clear if the duration of leaf deployment (leaf habit) is equally sensitive to environmental change. Since evergreen and deciduous leaf habits are often distinctly sorted along environmental gradients, ecologists have hypothesised that these patterns result from natural selection for an optimal leaf habit, under a given environmental regime. Such evolutionary convergence can be examined by testing if the physiological niche that is occupied by a particular leaf habit (evergreen or deciduous) is similar among regions with distinct evolutionary histories. Using a process-based model of plant growth and a constructed map of evergreen and deciduous vegetation, the physiological niche of leaf habits was quantified in four global biogeographic realms. Substantial niche overlap was found between the same leaf habit in different realms, suggesting evolutionary convergence of the physiological niche. This implies a sensitivity of leaf habit to environmental change, as environmental variables determine the geographic space where the physiological niche allows a positive carbon balance, and therefore occurrence of the leaf habit. Since the physiological niche consists of the integrated effects of physiological traits and trade-offs, environmental dependencies and leaf habit and phenology, an understanding of the carbon economy of individual plants requires decomposing the physiological niche into its components. Using empirical data on leaf phenology, leaf habit and physiological processes from woody species in a seasonally dry African savanna, a simple carbon balance model was parametrised. Carbon gain varied considerably between species as a result of substantial variation in leaf habit, leaf phenology and physiological traits. The multiple lines of evidence in this thesis therefore suggest that, while convergent selective forces may determine the dominant leaf habit in a particular environment, inter-specific variation is substantial, potentially as a consequence of historical contingencies or competitive interactions.
Ein Finite-Volumen-Modell des differentiell geheizten rotierenden Annulus wird verwendet, um die spontane Schwerewellenabstrahlung durch die großskalige, von baroklinen Wellen beherrschte Strömung zu untersuchen. Bei diesem Vorgang bilden barokline Wellen und der durch sie abgelenkte und verzerrte Strahlstrom, die sich näherungsweise im hydrostatischen und geostrophischen Gleichgewicht befinden, durch ihre Dynamik Ungleichgewichte aus, die sich als Schwerewellen ausbreiten. Neben der Anregung von Schwerewellen durch Prozesse wie Gebirgsüberströmung, Konvektion und Frontogenese, bildet dieser Vorgang vermutlich eine weitere wichtige Quelle von Schwerewellen in der Atmosphäre. Anders als für orographisch und konvektiv angeregte Schwerewellen gibt es für die spontane Schwerewellenabstrahlung bislang keine befriedigende Parametrisierung in Wettervorhersage- und Klimamodellen, die diesen Prozess nicht auflösen können. Die Durchführung von Messungen zur spontanen Schwerewellenabstrahlung in der Atmosphäre ist üblicherweise sehr aufwendig, sodass die Untersuchung dieses Vorganges in einem wiederholbaren und steuerbaren Laborexperiment reizvoll erscheint. Ob dafür möglicherweise das Experiment des differentiell geheizten rotierenden Annulus infrage kommt, untersuchen wir mit einem eigens dafür entwickelten numerischen Modell, dessen Tauglichkeit wir zunächst im Rahmen einer Validierung durch den Vergleich mit Labormessungen überprüfen. Damit die Ergebnisse zur Schwerewellendynamik im Annulus auf die Atmosphäre übertragbar sind, verwenden wir eine neue, atmosphärenähnliche Annuluskonfiguration. Im Gegensatz zu den klassischen Annuluskonfigurationen ist in der neuen Konfiguration die Brunt-Väisälä-Frequenz größer als der Coriolis-Parameter, sodass die Schwerewellen ein ähnliches Ausbreitungsverhalten zeigen sollten wie in der Atmosphäre. Deutliche Hinweise auf eine Schwerewellenaktivität in der atmosphärenähnlichen Konfiguration geben die horizontale Geschwindigkeitsdivergenz und eine Normalmodenzerlegung der kleinräumigen Strukturen der simulierten Strömung. Um der Herkunft der beobachteten Schwerewellen auf den Grund zu gehen, zerlegen wir die Strömung in den schwerewellenfreien quasigeostrophischen Anteil und den schwerewellenenthaltenden ageostrophischen Anteil. Bereiche innerhalb der baroklinen Welle, in denen ein erhöhter spontaner Antrieb des ageostrophischen Anteils durch die quasigeostrophische Strömung beobachtet wird, fallen mit Bereichen erhöhter Schwerewellenaktivität zusammen. Dies deutet darauf hin, dass die spontane Schwerewellenabstrahlung auch im Annulus zum Schwerewellenfeld beiträgt, sodass dieses Experiment als Labormodell dieser Schwerewellenquelle für deren weitere Erforschung geeignet erscheint.
Die Seismizität des nördlichen Oberrheingrabens (ORG) ist aufgrund seines Potentials für die geothermische Nutzung und der damit möglicherweise verbundenen seismischen Risiken von allgemeinem Interesse. Detaillierte Kenntnisse der natürlichen Seismizität erlauben Rückschlüsse auf aktive Störungszonen und Spannungsverhältnisse im Untergrund. Sie liefert außerdem wichtige Hintergrundinformationen für die Abschätzung einer möglichen induzierten Seismizität. Untersuchungen zur Charakterisierung der natürlichen Seismizität, des Spannungsfeldes und der seismischen Gefährdung des nördlichen ORG sind Hauptbestandteil dieser Arbeit, die innerhalb des BMU/BMWi-Projektes SiMoN (Seismisches Monitoring im Zusammenhang mit der geothermischen Nutzung des Nördlichen Oberrheingrabens) entstanden ist. Aufzeichnungen eines Netzwerkes aus 13 seismischen Stationen dienen als Datengrundlage zur Charakterisierung der Seismizität innerhalb eines etwa 50 x 60 km2 großen Areals im dichtbesiedelten Rhein-Main Gebiet. Untersuchungen der Rauschbedingungen zur Bewertung der Eignung der Stationsorte für das Aufzeichnen der natürlichen Seismizität lieferten bei den Stationen auf felsigem Untergrund sehr gute spektrale Eigenschaften, während alle Stationen im Sediment des ORG deutlich höhere Rauschanteile aufzeigten. Anhand systematischer Messungen in flachen Bohrlöchern konnten laterale und vertikale Variationen des seismischen Rauschens beschrieben werden und dadurch eine Verbesserung der Detektionsschwelle beobachtet werden.
Es werden die Ergebnisse des seismischen Monitorings für den Zeitraum November 2010 bis Dezember 2014 dargestellt. Die Detektionsschwelle für das Netzwerk liegt bei einer Lokalmagnitude von etwa 0,5, die Vollständigkeitsmagnitude beträgt Mc = 1,2. Seit Beginn der Datenaufzeichnung konnten 243 Erdbeben im unmittelbaren Bereich des Stations-netzwerkes mit Magnituden im Bereich zwischen ML = -0,5 und ML = 4,2 lokalisiert werden. Die Epizentren liegen hauptsächlich entlang der östlichen Grabenschulter und im Graben; entlang der westlichen Grabenschulter ist die seismische Aktivität deutlich geringer. Eine weitere aktive Region konnte entlang der südlichen Ausläufer des Taunus im Nordwesten des Untersuchungsgebietes identifiziert werden. Die Seismizität erstreckt sich bis in eine Tiefe von 24 km mit einem Maximum der hypozentralen Tiefenverteilung im Bereich von 12-18 km. Im Graben ist die Seismizität dabei auf die tiefere Kruste im Bereich von 9-24 km beschränkt. Das Fehlen von seismischer Aktivität in der oberen Kruste bis ca. 9 km Tiefe im Graben könnte auf eine aseismische Deformation in diesem Tiefenbereich hindeuten. Seit Mai 2014 konnte südöstlich von Darmstadt bei der Ortschaft Ober-Ramstadt zum ersten Mal seit fast 150 Jahren eine Schwarmbebenaktivität im Bereich des nördlichen ORG registriert werden. Die Hypozentren sind in zwei Cluster unterteilt, die räumlich voneinander getrennt sind und unterschiedliche Aktivitätsraten aufweisen. Die Herdtiefen liegen im Bereich von 1-8 km.
Zusätzlich zu den Daten des SiMoN Netzwerkes wurden Aufzeichnungen der regionalen Erdbebendienste in Herdflächenanalysen für insgesamt 58 Erdbeben einbezogen. Die Herdflächenlösungen weisen überwiegend Blattverschiebungen (Strike-slip-Mechanismen) auf. Auf- und Abschiebungen spielen nur eine untergeordnete Rolle. Die berechneten Herdmechanismen bestätigen, dass sich das Spannungsfeld des nördlichen ORG transtensional verhält, im Vergleich zu früheren Studien konnte jedoch eine deutlich ausgeprägte Blattverschiebungskomponente identifiziert werden. Zur Bestimmung der Hauptspannungsachsen wurde eine Inversion der Herdflächenlösungen durchgeführt und die Richtung der maximalen horizontalen Spannung, welche hauptsächlich in N135°E orientiert ist, bestimmt.
Aufbauend auf den neu gewonnen Erkenntnissen zur natürlichen Seismizität und zum Spannungsfeld des nördlichen ORG wurde eine probabilistische seismische Gefährdungsanalyse durchgeführt. Um Unsicherheiten in den seismischen Quellregion-modellen zu berücksichtigen, wurden sechs unterschiedliche Modelle entwickelt. Für jede Quellregion wurden spezifische Parameter bestimmt. Ihre Unsicherheiten werden in einem logischen Baum behandelt. Auf der Grundlage eines neu zusammengestellten Momentmagnituden-basierten Erdbebenkatalogs wurden die Magnitudenhäufigkeits-parameter bestimmt. Unter Berücksichtigung des tektonischen Regimes in jeder Quelle wurden unterschiedliche Dämpfungsrelationen der Bodenbeschleunigung verwendet. Zur Quantifizierung der maximal zu erwartenden Magnitude in jeder Quelle wurden Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen berechnet. Die Resultate der Gefährdungsanalyse werden in Form von Karten der Spektralbodenbeschleunigungen und Spitzenboden-beschleunigungen für Wiederkehrperioden von 475 und 2475 Jahren und Antwortbeschleunigungsspektren dargestellt. Im Vergleich zu früheren Studien konnte eine erhöhte seismische Gefährdung für den nördlichen ORG festgestellt werden.
Derivation and characterization of a new filter for nonlinear high-dimensional data assimilation
(2015)
Data assimilation (DA) combines model forecasts with real-world observations to achieve an optimal estimate of the state of a dynamical system. The quality of predictions in nonlinear and chaotic systems such as atmospheric or oceanic circulation is strongly sensitive to the initial conditions. Therefore, beyond the consistent reconstruction of past states, a primary relevance of advanced DA methods concerns the proper model initialization. The ensemble Kalman filter (EnKF) and its deterministic variants, mostly square root filters such as the ensemble transform Kalman filter (ETKF), represent a popular alternative to variational DA schemes. They are applied in a wide range of research and operations. Their forecast step employs an ensemble integration that fully respects the nonlinear nature of the analyzed system. In the analysis step, they implicitly assume the prior state and observation errors to be Gaussian. Consequently, in nonlinear systems, the mean and covariance of the analysis ensemble are biased and these filters remain suboptimal. In contrast, the fully nonlinear, non-Gaussian particle filter (PF) relies on Bayes' theorem without further assumptions, which guarantees an exact asymptotic behavior. However, it is exposed to weight collapse, particularly in higher-dimensional settings, known as the curse of dimensionality.
This work presents a new method to obtain an analysis ensemble with mean and covariance that exactly match the corresponding Bayesian estimates. This is achieved by a deterministic matrix square root transformation of the forecast ensemble, and subsequently a suitable random rotation that significantly contributes to filter stability while preserving the required second-order statistics. The forecast step remains as in the ETKF. The algorithm, which is fairly easy to implement and computationally efficient, is referred to as the nonlinear ensemble transform filter (NETF). The limitation with respect to fully-nonlinear filtering is that the NETF only considers the mean and covariance of the Bayesian analysis density, neglecting higher-order moments.
The properties and performance of the proposed algorithm are investigated via a set of experiments. The results indicate that such a filter formulation can increase the analysis quality, even for relatively small ensemble sizes, compared to other ensemble filters in nonlinear, non-Gaussian scenarios. They also confirm that localization enhances the applicability of this PF-inspired scheme in larger-dimensional systems. Finally, the novel filter is coupled to a large-scale ocean general circulation model with a realistic observation scenario. The NETF remains stable with a small ensemble size and shows a consistent behavior. Additionally, its analyses exhibit low estimation errors, as revealed by a comparison with a free ensemble integration and the ETKF. The results confirm that, in principle, the filter can be applied successfully and as simple as the ETKF in high-dimensional problems. No further modifications are needed, even though the algorithm is only based on the particle weights. Thus, it is able to overcome the curse of dimensionality, even in deterministic systems. This proves that the NETF constitutes a promising and user-friendly method for nonlinear high-dimensional DA.
Bayesian Networks are computer-based environmental models that are frequently used to support decision-making under uncertainty. Under data scarce conditions, Bayesian Networks can be developed, parameterized, and run based on expert knowledge only. However, the efficiency of expert-based Bayesian Network modeling is limited by the difficulty in deriving model inputs in the time available during expert workshops. This thesis therefore aimed at developing a simple and robust method for deriving conditional probability tables from expert estimates in a time-efficient way. The design and application of this new elicitation and conversion method is demonstrated using a case study in Xinjiang, Northwest China. The key characteristics of this method are its time-efficiency and the approach to use different conversion tables based on varying levels of confidence. Although the method has its limitations, e.g. it can only be applied for variables with one conditioning variable; it provides the opportunity to support the parameterization of Bayesian Networks which would otherwise remain half-finished due to time constraints. In addition, a case study in the Murray-Darling Basin, Australia, is used to compare Bayesian Network types and software to improve the presentation clarity of large Bayesian Networks. Both case studies aimed at gaining insights on how to improve the applicability of Bayesian Networks to support environmental management.