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Simulation of global temperature variations and signal detection studies using neural networks
(1998)
The concept of neural network models (NNM) is a statistical strategy which can be used if a superposition of any forcing mechanisms leads to any effects and if a sufficient related observational data base is available. In comparison to multiple regression analysis (MRA), the main advantages are that NNM is an appropriate tool also in the case of non-linear cause-effect relations and that interactions of the forcing mechanisms are allowed. In comparison to more sophisticated methods like general circulation models (GCM), the main advantage is that details of the physical background like feedbacks can be unknown. Neural networks learn from observations which reflect feedbacks implicitly. The disadvantage, of course, is that the physical background is neglected. In addition, the results prove to be sensitively dependent from the network architecture like the number of hidden neurons or the initialisation of learning parameters. We used a supervised backpropagation network (BPN) with three neuron layers, an unsupervised Kohonen network (KHN) and a combination of both called counterpropagation network (CPN). These concepts are tested in respect to their ability to simulate the observed global as well as hemispheric mean surface air temperature annual variations 1874 - 1993 if parameter time series of the following forcing mechanisms are incorporated : equivalent CO2 concentrations, tropospheric sulfate aerosol concentrations (both anthropogenic), volcanism, solar activity, and ENSO (all natural). It arises that in this way up to 83% of the observed temperature variance can be explained, significantly more than by MRA. The implication of the North Atlantic Oscillation does not improve these results. On a global average, the greenhouse gas (GHG) signal so far is assessed to be 0.9 - 1.3 K (warming), the sulfate signal 0.2 - 0.4 K (cooling), results which are in close similarity to the GCM findings published in the recent IPCC Report. The related signals of the natural forcing mechanisms considered cover amplitudes of 0.1 - 0.3 K. Our best NNM estimate of the GHG doubling signal amounts to 2.1K, equilibrium, or 1.7 K, transient, respectively.
The climate system can be regarded as a dynamic nonlinear system. Thus, traditional linear statistical methods fail to model the nonlinearities of such a system. These nonlinearities render it necessary to find alternative statistical techniques. Since artificial neural network models (NNM) represent such a nonlinear statistical method their use in analyzing the climate system has been studied for a couple of years now. Most authors use the standard Backpropagation Network (BPN) for their investigations, although this specific model architecture carries a certain risk of over-/underfitting. Here we use the so called Cauchy Machine (CM) with an implemented Fast Simulated Annealing schedule (FSA) (Szu, 1986) for the purpose of attributing and detecting anthropogenic climate change instead. Under certain conditions the CM-FSA guarantees to find the global minimum of a yet undefined cost function (Geman and Geman, 1986). In addition to potential anthropogenic influences on climate (greenhouse gases (GHG), sulphur dioxide (SO2)) natural influences on near surface air temperature (variations of solar activity, explosive volcanism and the El Nino = Southern Oscillation phenomenon) serve as model inputs. The simulations are carried out on different spatial scales: global and area weighted averages. In addition, a multiple linear regression analysis serves as a linear reference. It is shown that the adaptive nonlinear CM-FSA algorithm captures the dynamics of the climate system to a great extent. However, free parameters of this specific network architecture have to be optimized subjectively. The quality of the simulations obtained by the CM-FSA algorithm exceeds the results of a multiple linear regression model; the simulation quality on the global scale amounts up to 81% explained variance. Furthermore the combined anthropogenic effect corresponds to the observed increase in temperature Jones et al. (1994), updated by Jones (1999a), for the examined period 1856–1998 on all investigated scales. In accordance to recent findings of physical climate models, the CM-FSA succeeds with the detection of anthropogenic induced climate change on a high significance level. Thus, the CMFSA algorithm can be regarded as a suitable nonlinear statistical tool for modeling and diagnosing the climate system.
Die im Industriezeitalter und im globalen Mittel beobachtete Erwärmung der unteren Atmosphäre zeigt ausgeprägte regional-jahreszeitliche Besonderheiten (IPCC 2001, SCHÖNWIESE 2003, 2004). Dies gilt in noch höherem Maß für den Niederschlag (vgl. Kap. 3.1.2 und 3.1.8). Die Vermutung, dass eine solche Erwärmung zu einer Intensivierung des hydrologischen Zyklus führt, was im Prinzip zunächst richtig ist (vgl. Kap. 3.1.2), erweist sich jedoch als viel zu simpel, wenn daraus einfach auf eine generelle Niederschlagszunahme geschlossen wird. Dies gilt sogar innerhalb einer so kleinen Region wie Deutschland. Denn obwohl Deutschland im Mittel überproportional an der »globalen« Erwärmung teilnimmt (SCHÖNWIESE 2003, 2004), zeigen die Langzeitänderungen des Niederschlages im Detail ganz unterschiedliche Charakteristika. Dabei kann die hier vorgestellte Beschreibung der in Deutschland beobachteten Niederschlagtrends subregional noch wesentlich verfeinert werden, vgl. z.B. Analyse für Sachsen (FRANKE et al. 2004), da der Niederschlag eine nur geringe räumliche Repräsentanz aufweist (SCHÖNWIESE & RAPP 1997). Zeitliche Änderungen von Klimaelementen lassen sich nun in ganz unterschiedlicher Weise betrachten. Am meisten verbreitet sind lineare Trendberechnungen, wie sie auch einem Teil der hier vorliegenden Studie zugrunde liegen. Es können aber auch Trends anderer statistischer Kenngrößen als des Mittelwertes von Interesse sein, z.B. der Varianz. Häufigkeitsverteilungen, die in normierter Form Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen heißen, erlauben die Bestimmung solcher Kenngrößen in Form der Verteilungsparameter. Wird unter Nutzung geeigneter Verteilungen (z.B. Normal- oder Gumbelverteilung, vgl. unten Abb. 3.1.6-4) eine statistische Modellierung der jeweils betrachteten klimatologischen Zeitreihe vorgenommen, werden Aussagen über die Unter- bzw. Überschreitungswahrscheinlichkeiten bestimmter Schwellenwerte möglich, in verallgemeinerter Form für beliebige Schwellen und Zeiten (TRÖMEL 2004). Da dieser extremwertorientierte Aspekt von großer Wichtigkeit ist, soll auch ihm hier nachgegangen werden (vgl. alternativ Kap. 3.1.7 und 3.1.10). Die im Folgenden verwendeten Daten sind jeweils Monatssummen des Niederschlages 1901–2000 an 132 Stationen in Deutschland (teilweise unter Einbezug einiger Stationen in den angrenzenden Ländern), einschließlich der daraus abgeleiteten Flächenmittelwerte (sog. Rasterdaten; Quelle: Deutscher Wetterdienst, siehe u.a. MÜLLER-WESTERMEIER 2002; vgl. weiterhin RAPP & SCHÖNWIESE 1996, dort auch Hinweise zur Homogenitätsprüfung, sowie RAPP 2000).
Observed global and European spatiotemporal related fields of surface air temperature, mean-sea-level pressure and precipitation are analyzed statistically with respect to their response to external forcing factors such as anthropogenic greenhouse gases, anthropogenic sulfate aerosol, solar variations and explosive volcanism, and known internal climate mechanisms such as the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and the North Atlantic Oscillation (NAO). As a first step, a principal component analysis (PCA) is applied to the observed spatiotemporal related fields to obtain spatial patterns with linear independent temporal structure. In a second step, the time series of each of the spatial patterns is subject to a stepwise regression analysis in order to separate it into signals of the external forcing factors and internal climate mechanisms as listed above as well as the residuals. Finally a back-transformation leads to the spatiotemporally related patterns of all these signals being intercompared. Two kinds of significance tests are applied to the anthropogenic signals. First, it is tested whether the anthropogenic signal is significant compared with the complete residual variance including natural variability. This test answers the question whether a significant anthropogenic climate change is visible in the observed data. As a second test the anthropogenic signal is tested with respect to the climate noise component only. This test answers the question whether the anthropogenic signal is significant among others in the observed data. Using both tests, regions can be specified where the anthropogenic influence is visible (second test) and regions where the anthropogenic influence has already significantly changed climate (first test).
Zur Aktualität von Wagenscheins Schulkritik heute : das Wirklichkeits-Defizit im schulischen Lernen
(2005)
Der Magnetstein - Wozu braucht es Materialien zum Sachunterricht : Ein Gespräch mit Horst Rumpf
(2003)
Der Sachunterricht beschäftigt sich mit Sachzusammenhängen. Seine grundsätzliche didaktische Zielsetzung besteht deshalb darin, mit Sachzusammenhängen umzugehen und nicht mit Bildern oder Texten über Sachen. Mit Sachen umgehen kann entweder heißen, sie in der Realität, also außerhalb der Schule aufzusuchen oder sie in die Schule hereinzuholen. Drei Gründe legen es dennoch nahe, auch Materialien im Sachunterricht einzusetzen: 1. Es gibt Sachzusammenhänge, die nicht aufgesucht und untersucht werden können. Etwa: Einen Ameisenhaufen darf man nicht zerstören und eine Schulklasse kann man nicht bei einer Geburt zuschauen lassen. 2. Materialien können die Auseinandersetzung mit Sachzusammenhängen vorbereiten oder begleiten. Es lassen sich aus Büchern und Bildern Anregungen entnehmen, ebenso Fragen oder Aufgaben. Die Dokumentation der Sachbegegnung kann ebenfalls durch Materialien unterstützt werden. 3. Sachzusammenhänge sind komplex. Materialien können eine Reduktion der Komplexität vornehmen, indem sie das Wesentliche eines Zusammenhanges enthalten. Hier geht es vor allem um Dinge, um Geräte oder einfache Abläufe. Diese Gegenstände können - im Unterschied zur Realität - Kindern die Möglichkeit bieten, selbst handelnd mit ihnen umzugehen. Diese Ausgangsthesen beinhalten eine bestimmte Grundposition zum Sachunterricht. Die Diskussion der Materialien zum Sachunterricht kann nicht von der Didaktik des Sachunterrichts getrennt werden, denn die Art des Zuganges zu einem Sachverhalt ist entscheidend dafür, was eigentlich von der Sache gelernt wird. Deshalb soll in einem ersten Schritt an einigen Beispielen eine Kritik eines Sachunterrichts vorgenommen werden, wie er in manchen Grundschulklassen anzutreffen ist.
Der Beitrag setzt sich zunächst kritisch mit verbreiteten Konzepten zum Thema Wetter und Computer auseinander. Behauptet wird ein Widerspruch zwischen didaktischem Anspruch und didaktischer Umsetzung. Der Anspruch wird in einem handlungs- und erfahrungsorientierten Unterricht gesehen. Die Umsetzung erfolgt, so die Kritik, allerdings als eine für Grundschüler nicht verstehbare Einführung in eine Wissenschaft. Für einen handlungs- und erfahrungsorientierten Sachunterricht wird als Voraussetzung gesehen, dass die Schüler die Möglichkeit erhalten, sich öffentlich und argumentativ mit ihren Konzepten und Deutungsmustern auseinander zu setzen. Für dieses Verständnis von "offenem Unterricht" eignet sich der Computer dann, wenn er nicht als Wissensspeicher und nicht zur Dokumentation von Ergebnissen herangezogen wird, sondern als Medium der Kommunikation und zur Dokumentierung von Prozessen. Konkret wird dies dargestellt an einem Unterrichtskonzept, in dem Schüler mehrerer Schulen Wetterprognosen vornehmen, an der Realität überprüfen und begründen.
Der Titel der vorliegenden Arbeit, „Interkulturelles Lernen im Sachunterricht – Historie und Perspektiven“, verweist knapp und prägnant darauf, dass in historischer Perspektive Konzeptionen eines Lernens an und über Kultur im Sachunterricht nachgezeichnet und eine weiterführende Perspektive aufgezeigt werden soll. Für diese Rekonstruktion werden auch andere Diskurse als der fachdidaktische einbezogen. In der Auseinandersetzung mit den Bearbeitungsmustern, die die Fachdidaktik in Reaktion auf die kulturelle Pluralisierung der Schülerschaft konzipierte, wurde schnell deutlich, dass eine solche Einbeziehung benachbarter Disziplinen nahezu unumgänglich ist, denn der sachunterrichtliche Diskurs um kulturelle Pluralität zeichnet sich aus durch zahlreiche Anleihen, vor allem aus den Allgemeinen Erziehungswissenschaften. Der erste Teil der Arbeit skizziert den Verlauf der Diskussion um Erziehung und Migration in der Allgemeinen Erziehungswissenschaft. Zur Strukturierung der Darstellung werden dabei mit der „Ausländerpädagogik“, der „Kritik an der Ausländerpädagogik“ und der „Interkulturellen Pädagogik“ drei prägnante Phasen der Theoriebildung differenziert. Dieses Kapitel zeigt die Genese zentraler Begriffe und Konzeptionen in der Debatte um Erziehung und Migration auf, die auch von der Fachdidaktik des Sachunterrichts aufgegriffen wurden. Ihm kommt somit im Rahmen der Arbeit vor allem eine Orientierungsfunktion zu. Das dritte Kapitel fokussiert den fachdidaktischen Diskurs des Sachunterrichts zur Thematik und zeigt auf, welche Aspekte aus der Allgemeinen Erziehungswissenschaft in den fachdidaktischen Diskurs transponiert wurden und welche ausgeblendet blieben. Die fachdidaktische Analyse wird anhand prominenter Termini, die den Sachunterrichtsdiskurs der vergangenen Jahre prägten, strukturiert. Unterschieden werden die Phasen „Heimatkunde“, „wissenschaftsorientierter Sachunterricht“, „lebensweltorientierter Sachunterricht“ und „neuere heimatkundliche Ansätze“. Entlang dieser Phasen der Theoriebildung werden unterschiedliche Modi des fachdidaktischen Umgangs mit kultureller Pluralität nachgezeichnet. In dieser Betrachtung stellt sich insbesondere die mangelnde Reflexion, der in Konzepten eines Lernens an und über Kultur zugrunde gelegten Prämissen, insbesondere des Kulturbegriffs, als Defizit der fachdidaktischen Auseinandersetzung dar. Dieses Defizit wird im vierten Kapitel der Arbeit, das eine weiterführende Perspektive für ein Lernen an und über Kulturen für den Sachunterricht aufzeigt, thematisch. Das Kapitel stellt Bezüge zu erkenntnistheoretischen und kulturtheoretischen Diskursen her und diskutiert Kulturbegriffe als wirkmächtige Begriffe. Vor diesem Hintergrund werden Aspekte der im zweiten Teil der Arbeit ermittelten diskursanalytischen Defizite der fachdidaktischen Auseinandersetzung mit kultureller Pluralisierung, nochmals aufgegriffen und kritisch reflektiert. Insbesondere die in didaktischen Entwürfen zu einem Lernen an und über Kulturen zugrunde gelegten Prämissen, wie etwa die der stringenten Polarität von „Eigenem“ und „Fremdem“, erweisen sich in dieser Betrachtung als problematisch. Im Anschluss daran wird unter Bezugnahme auf die Schriften von Wolfgang Welsch ein aktuelles kulturtheoretisches Konzept, das Konzept der Transkulturalität, skizziert und im Hinblick darauf befragt, wie sich die Interaktion differenter Kulturen bzw. kulturelle Differenz im Lichte dieses Konzepts darstellt. Im Zentrum der Betrachtung steht dabei die Frage, welche Perspektiven für ein Lernen an und über Kultur dieses Konzept bietet. Zum Abschluss der Arbeit, wird basierend auf Welschs kulturtheoretischen und erkenntnistheoretischen Überlegungen, das Konzept eines Lernens konturiert, das auf einen kompetenten Umgang mit Pluralität – nicht mehr nur im Hinblick auf die Anwesenheit verschiedener Ethnien in Gesellschaft und Schulklassen – zielt und diskutiert, ob der Sachunterricht aufgrund seiner fachspezifischen Kontur potentiell einen Beitrag zu einem solchen Lernen leisten könnte. Zentrale Bereiche dieser Arbeit bestehen in der Rekonstruktion des fachdidaktischen und des erziehungswissenschaftlichen Diskurses um Erziehung und Migration. Solche Unterfangen stellen immer das Bemühen dar, eine Praxis, die unter bestimmten Bedingungen mehr oder weniger unsystematisch entstand, in Form einer Retrospektive zu systematisieren und zu reflektieren. Insofern handelt es sich stets um einen methodisierten Versuch einer Bilanz, der die tatsächliche Praxis verkürzt und lediglich schematisch erfasst. Die hier gezeichneten Verläufe der erziehungswissenschaftlichen und der fachdidaktischen Auseinandersetzung mit kultureller Pluralität sind folglich kein Abbild der Diskussionsverläufe, sondern lediglich ein möglicher Rekonstruktionsversuch. Ich hoffe, die zentralen Begriffe und Konzeptionen scharf herausgestellt und dennoch einen – im Sinne Serres – „unscharfen“ Text verfasst zu haben, der zur Reflexion über „grobschlächtige“ Begriffe und deren unreflektierte Tradierung anregt und mit dem perspektivischen Ausblick einen Ausschnitt der Freiheit andeutet, die sich ergeben könnte, wenn die Boxhandschuhe einmal abgelegt werden.
A selection of recent data referring to Pb+Pb collisions at the SPS CERN energy of 158 GeV per nucleon is presented which might describe the state of highly excited strongly interacting matter both above and below the deconfinement to hadronization (phase) transition predicted by lattice QCD. A tentative picture emerges in which a partonic state is indeed formed in central Pb+Pb collisions which hadronizes at about T = 185 MeV, and expands its volume more than tenfold, cooling to about 120 MeV before hadronic collisions cease. We suggest further that all SPS collisions, from central S+S onward, reach that partonic phase, the maximum energy density increasing with more massive collision systems.
Die wissenschaftliche Praxis des Sachunterrichts ist von der Praxis des schulischen Sachunterrichts systematisch unterscheidbar. Der wissenschaftliche Sachunterricht und seine Didaktik besteht als ein eigenständiger Diskurs, der sich nicht aus einer Zusammensetzung der verschiedenen Fachwissenschaften und deren Didaktiken begründet. Er hat die Aufgabe den Bildungsauftrag des Sachunterrichts in Schule und Universität zu bestimmten. Der wissenschaftliche Diskurs des Sachunterrichts bewegt sich im Kontext der diskursiven Zusammenhänge über Kind, Sache und Welt. ...