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Temporal changes in the occurrence of extreme events in time series of observed precipitation are investigated. The analysis is based on a European gridded data set and a German station-based data set of recent monthly totals (1896=1899–1995=1998). Two approaches are used. First, values above certain defined thresholds are counted for the first and second halves of the observation period. In the second step time series components, such as trends, are removed to obtain a deeper insight into the causes of the observed changes. As an example, this technique is applied to the time series of the German station Eppenrod. It arises that most of the events concern extreme wet months whose frequency has significantly increased in winter. Whereas on the European scale the other seasons also show this increase, especially in autumn, in Germany an insignificant decrease in the summer and autumn seasons is found. Moreover it is demonstrated that the increase of extreme wet months is reflected in a systematic increase in the variance and the Weibull probability density function parameters, respectively.
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.
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.
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. ...
Dem Leser einer Reihe von Veröffentlichungen zur Didaktik des Sachunterrichts fällt auf, dass es bei aller Vielzahl von Differenzen und Differenzierungen zu didaktischen und pädagogischen Fragen so etwas wie eine - mehr implizite als explizite - Übereinstimmung in der Konstitution des Gegenstandes "Sache" zu geben scheint. Die "Sache" ist danach das zu Erkennende; der Sachunterricht soll entsprechend den Schüler in die Lage versetzen, zu erkennen, was gegeben ist. Aus einer jüngeren erkenntnistheoretischen Sicht lässt sich die Haltbarkeit dieser Grundannahme bezweifeln. Im Durchgang durch einige Konzepte zur Didaktik des Sachunterrichts soll dieser Zweifel begründet werden.
DCD – a novel plant specific domain in proteins involved in development and programmed cell death
(2005)
Background: Recognition of microbial pathogens by plants triggers the hypersensitive reaction, a common form of programmed cell death in plants. These dying cells generate signals that activate the plant immune system and alarm the neighboring cells as well as the whole plant to activate defense responses to limit the spread of the pathogen. The molecular mechanisms behind the hypersensitive reaction are largely unknown except for the recognition process of pathogens. We delineate the NRP-gene in soybean, which is specifically induced during this programmed cell death and contains a novel protein domain, which is commonly found in different plant proteins.
Results: The sequence analysis of the protein, encoded by the NRP-gene from soybean, led to the identification of a novel domain, which we named DCD, because it is found in plant proteins involved in d evelopment and c ell d eath. The domain is shared by several proteins in the Arabidopsis and the rice genomes, which otherwise show a different protein architecture. Biological studies indicate a role of these proteins in phytohormone response, embryo development and programmed cell by pathogens or ozone.
Conclusion: It is tempting to speculate, that the DCD domain mediates signaling in plant development and programmed cell death and could thus be used to identify interacting proteins to gain further molecular insights into these processes.
Background: Osteoarthritis (OA) has a high prevalence in primary care. Conservative, guideline orientated approaches aiming at improving pain treatment and increasing physical activity, have been proven to be effective in several contexts outside the primary care setting, as for instance the Arthritis Self management Programs (ASMPs). But it remains unclear if these comprehensive evidence based approaches can improve patients' quality of life if they are provided in a primary care setting. Methods/Design: PraxArt is a cluster randomised controlled trial with GPs as the unit of randomisation. The aim of the study is to evaluate the impact of a comprehensive evidence based medical education of GPs on individual care and patients' quality of life. 75 GPs were randomised either to intervention group I or II or to a control group. Each GP will include 15 patients suffering from osteoarthritis according to the criteria of ACR. In intervention group I GPs will receive medical education and patient education leaflets including a physical exercise program. In intervention group II the same is provided, but in addition a practice nurse will be trained to monitor via monthly telephone calls adherence to GPs prescriptions and advices and ask about increasing pain and possible side effects of medication. In the control group no intervention will be applied at all. Main outcome measurement for patients' QoL is the GERMAN-AIMS2-SF questionnaire. In addition data about patients' satisfaction (using a modified EUROPEP-tool), medication, health care utilization, comorbidity, physical activity and depression (using PHQ-9) will be retrieved. Measurements (pre data collection) will take place in months I-III, starting in June 2005. Post data collection will be performed after 6 months. Discussion: Despite the high prevalence and increasing incidence, comprehensive and evidence based treatment approaches for OA in a primary care setting are neither established nor evaluated in Germany. If the evaluation of the presented approach reveals a clear benefit it is planned to provide this GP-centred interventions on a much larger scale.
A systematic analysis of data on strangeness and pion production in nucleon–nucleon and central nucleus–nucleus collisions is presented. It is shown that at all collision energies the pion/baryon and strangeness/pion ratios indicate saturation with the size of the colliding nuclei. The energy dependence of the saturation level suggests that the transition to the Quark Gluon Plasma occurs between 15 A·GeV/c (BNL AGS) and 160 A·GeV/c (CERN SPS) collision energies. The experimental results interpreted in the framework of a statistical approach show that the effective number of degrees of freedom increases in the course of the phase transition and that the plasma created at CERN SPS energies may have a temperature of about 280 MeV (energy density ~ 10 GeV/fm exp-3). The presence of the phase transition can lead to the non–monotonic collision energy dependence of the strangeness/pion ratio. After an initial increase the ratio should drop to the characteristic value for the QGP. Above the transition region the ratio is expected to be collision energy independent. Experimental studies of central Pb+Pb collisions in the energy range 20–160 A·GeV/c are urgently needed in order to localize the threshold energy, and study the properties of the QCD phase transition.