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1\. Abstract………………………………………………………………………………........................5 2\. Introduction …………………………………………………………………………......................6 3\. Aim and Methods………………………………………………………………….......................7 4\. Results………………………………………………………………………………..........................9 5\. Discussion…………………………………………………………………………........................14 6\. References………………………………………………………………………….......................18 7\. Declaration of own contribution to the submitted publications…………………25 8\. List of own publications…………………………………………………………….................26 9\. Curriculum Vitae…………………………………………………………………..................….27 10\. Selbstständigkeitserklärung………………………………………………............……….28,Hippocampal network oscillations with distinct frequencies are likely involved in various cognitive functions and in storage of information and memory consolidation in vivo. Gamma oscillations (30-100 Hz) are thought to provide for binding of parallel processed information in the brain, contributing to cognition and formation of memory. We investigated the effects of hypoxia, histamine and ERG channels on hippocampal gamma oscillations (γ) induced by kainate or by acetylcholine in presence of physostigmine. Kainate-induced γ oscillations were reversibly blocked by 3 min hypoxia. The repetition of such hypoxic periods led to accumulative impairment of γ activities. By contrast, 6 min of hypoxia resulted in an almost complete and irreversible loss of γ oscillations. In studies on ACh induced γ I found that the power of γ was significantly increased by the H1 antagonist fexofenadine, and the H2 receptor agonist, dimaprit, and reduced by the H2 receptor antagonist cimetidine. Kainate induced γ was unaffected by H1 and H2 receptor modulation. These effects suggest an interaction between ambient histamine and acetylcholine. Depletion of histamine from their fibers by hypoxia and blockade of histamine uptake resulted in loss of the fexofenadine-mediated and cimetidine-mediated effects on acetylcholine-induced γ. We conclude that acetylcholine can cause histamine release from histaminergic fibers and that histamine then augments γ due to activation of H2 receptors. This compares to findings where application of a H2 agonist has a memory-enhancing effect that mostly concerns storage of information in working memory. Next, we compared neuronal effects of astemizole ,(an H1 and Kv 11 or ERG channel blocker) sertindole ( an ERG channel blocker and dopamine , serotonine blocker) and E4031, a selective blocker of ERG channels, in order to exclude potential side effects by the employed drugs. We found that astemizole and sertindole, but not the selective Kv11 channel blocker E4031, augmented γ oscillations in hippocampal slices induced by acetylcholine. Kainate-induced γ oscillations were only affected by astemizole. Evoked responses induced by stratum radiatum stimulation in area CA1 revealed that only E4031 augmented stimulus-induced synaptic responses and neuronal excitability and, hence, that the effect of astemizole on γ oscillations is related to its action on H1 receptor.,Unter in vivo Bedingungen werden hippokampale Netzwerk Oszillationen bestimmter Frequenzen mit verschiedenen kognitiven Leistungen und insbesondere der transienten Speicherung von Gedächtnisinhalten und deren Konsolidierung in Verbindung gebracht. Derzeit geht man davon aus, dass Gamma Oszillationen (30 – 100 Hz) wichtig für die Kopplung parallel-prozessierter Informationen im Gehirn sind und bei darüber hinaus an Kognition und der Ausbildung von Gedächtnisinhalten beteiligt sind. Wir haben verschiedene Effekte von Hypoxie, Histamin und ERG Kanälen auf Gamma Oszillationen getestet, die durch Applikation von Kainat- oder Azetylcholin, koappliziert mit Physostigmin, induziert wurden. Kainat - induzierte Gamma Oszillationen wurden durch Applikation einer 3 Minuten dauernden Hypoxie reversible geblockt. Die Wiederholung solcher Hypoxieepisoden führte zu kumulativer Effekten bei der Blockade solcher Gamma Aktivität. Im Gegensatz dazu resultierte Applikation von 6 Minuten dauernden Hypoxieepisoden in einer nahezu vollständigen und irreversiblen Unterdrückung von Gamma Oszillatioinen. In Studien, in denen Gamma Aktivität durch Azetylcholin – Applikation induziert wurden, wurde die Gamma - Power signifikant durch den Histamin1 (H1) Rezeptor Anatgonisten Fexofenadine sowie den H2 Rezeptor Agonisten Dimaprit erhöht und durch den H2 Rezeptor Antagonisten Cimetidin reduziert. Kainat - induzierte Gamma Oszillationen wurden durch Modulation von H1 und H2 Rezeptoren nicht unbeeinflusst. Diese Effekte implizieren eine Interaktion zwischen Histamin und Azetylcholin. Erschöpfung Histamin-haltiger Fasern durch Hypoxie und Blockade der Histamin Wiederaufnahme führte zur Aufhebung der Fexofenadin- und Cimetidin übertragenen Effekte auf Azetylcholin-induzierte Gamma Aktivität. Daraus schließen wir, dass Azetylcholin zu einer Freisetzung von Histamin aus histaminergen Fasern führen kann und, dass Histamin über H2 Rezeptoren Gamma Aktivität verstärkt. Diese Resultate passen zu vorherigen Ergebnissen, dass H2 Rezeptoraktivierung vor allem in Hinblick auf Gedächtnisspeicherung und das Arbeitsgedächtnis eine Gedächtnis-fördernde Wirkung hat. Als nächstes haben wir die neuronalen Effekte von Astemizol (H1- und Kv11 oder ERG Kanal Blocker), Sertindol (ERG Kanal-, Dopmain- und Serotonin Blocker) und E4031 (selektiver ERG Kanal Blocker) getestet, um mögliche Seiteneffekte der vorher untersuchten Pharmaka auszuschließen. Wir fanden heraus, dass Astemizol und Sertindol, aber nicht der selektive Kv11 Kanal Blocker E4031 Azetylcholin- induzierte Gamma Oszillationen in hippokampalen Akutschnitten verstärkten. Kainat-induzierte Gamma Oszillationen wurden ausschließlich durch Astemizol verändert. Evozierte Potentiale nach Stratum radiatum Stimulation in Area CA1 zeigten, dass nur Astemizol stimulus-induzierte synaptische Antworten und die neuronale Erregbarkeit verstärkte, so dass deutlich wurde, dass der Effekt von Astemizol auf Gamma Oszillationen durch H1 Rezeptoren vermittelt wird.,
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blood pressure oscillations
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One of the most prominent asymmetric features of the southern hemispheric (SH) circulation is the split jet over Australia and New Zealand in austral winter. Previous studies have developed indices to detect the degree to which the upper-level midlatitude westerlies are split and investigated the relationship between split events and the low-frequency teleconnection patterns, viz. the Antarctic Oscillation (AAO) and the El Niño–Southern Oscillation (ENSO). As the results were inconsistent, the relationship between the wintertime SH split jet and the climate variability indices remains unresolved and is the focus of this study. Until now, all split indices' definitions were based on the specific region where the split jet is recognizable. We consider the split jet as hemispheric rather than a regional feature and propose a new, hemispherical index that is based on the principal components (PCs) of the zonal wind field for the SH winter. A linear combination of PC2 and PC3 of the anomalous monthly (JAS) zonal wind is used to identify split-jet conditions. In a subsequent correlation analysis, our newly defined PC-based split index (PSI) indicates a strong coherence with the AAO. However, this significant relationship is unstable over the analysis period; during the 1980s, the AAO amplitude was higher than the PSI, and vice versa in the 1990s. It is probable that the PSI, as well as the AAO, underlie low-frequency variability on the decadal to centennial timescales, but the analyzed period is too short to draw these conclusions. A regression analysis with the Multivariate ENSO Index points to a nonlinear relationship between PSI and ENSO; i.e., split jets occur during both strong positive and negative phases of ENSO but rarely under "normal" conditions. The Pacific South American (PSA) patterns, defined as the second and third modes of the geopotential height variability at 500 hPa, correlate poorly with the PSI (rPSA − 1 ≈ 0.2 and rPSA − 2 = 0.06), but significantly with the individual components (PCs) of the PSI, revealing an indirect influence on the SH split-jet variability. Our study suggests that the wintertime SH split jet is strongly associated with the AAO, while ENSO is to a lesser extent connected to the PSI. We conclude that a positive AAO phase, as well as both flavors of ENSO and the PSA-1 pattern produce favorable conditions for a SH split event.
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Many problems in computational materials science and chemistry require the evaluation of expensive functions with locally rapid changes, such as the turn-over frequency of first principles kinetic Monte Carlo models for heterogeneous catalysis. Because of the high computational cost, it is often desirable to replace the original with a surrogate model, e.g., for use in coupled multiscale simulations. The construction of surrogates becomes particularly challenging in high-dimensions. Here, we present a novel version of the modified Shepard interpolation method which can overcome the curse of dimensionality for such functions to give faithful reconstructions even from very modest numbers of function evaluations. The introduction of local metrics allows us to take advantage of the fact that, on a local scale, rapid variation often occurs only across a small number of directions. Furthermore, we use local error estimates to weigh different local approximations, which helps avoid artificial oscillations. Finally, we test our approach on a number of challenging analytic functions as well as a realistic kinetic Monte Carlo model. Our method not only outperforms existing isotropic metric Shepard methods but also state-of-the-art Gaussian process regression.
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The oscillating concentration of intracellular calcium is one of the most important examples for collective dynamics in cell biology. Localized releases of calcium through clusters of inositol 1,4,5-trisphosphate receptor channels constitute elementary signals called calcium puffs. Coupling by diffusing calcium leads to global releases and waves, but the exact mechanism of inter- cluster coupling and triggering of waves is unknown. To elucidate the relation of puffs and waves, we here model a cluster of IP3R channels using a gating scheme with variable non-equilibrium IP3 binding. Hybrid stochastic and deterministic simulations show that puffs are not stereotyped events of constant duration but are sensitive to stimulation strength and residual calcium. For increasing IP3 concentration, the release events become modulated at a timescale of minutes, with repetitive wave-like releases interspersed with several puffs. This modulation is consistent with experimental observations we present, including refractoriness and increase of puff frequency during the inter-wave interval. Our results suggest that waves are established by a random but time-modulated appearance of sustained release events, which have a high potential to trigger and synchronize activity throughout the cell.
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The hippocampal output structure, the subiculum, expresses two major memory relevant network rhythms, sharp wave ripple and gamma frequency oscillations. To this date, it remains unclear how the two distinct types of subicular principal cells, intrinsically bursting and regular spiking neurons, participate in these two network rhythms. Using concomitant local field potential and intracellular recordings in an in vitro mouse model that allows the investigation of both network rhythms, we found a cell type-specific segregation of principal neurons into participating intrinsically bursting and non-participating regular spiking cells. However, if regular spiking cells were kept at a more depolarized level, they did participate in a specific manner, suggesting a potential bimodal working model dependent on the level of excitation. Furthermore, intrinsically bursting and regular spiking cells exhibited divergent intrinsic membrane and synaptic properties in the active network. Thus, our results suggest a cell-type-specific segregation of principal cells into two separate groups during network activities, supporting the idea of two parallel streams of information processing within the subiculum.
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gamma oscilations
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gamma oscillations
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Hippocampal oscillations and neuronal plasticity are involved in both cognitive functions and pathological processes. In vivo, Sharp wave-ripple (SPW-Rs) consisting of slow field potential transients with superimposed ripples by ca. 200 Hz oscillations are believed to support memory consolidation by generating long term plasticity. In hippocampal slices, repeated trains of high frequency stimulation (HFS, a long term potentiation (LTP)-protocol) induce spontaneous SPW-Rs. As the generation of LTP and SPW-Rs might be linked to each other, studies concerning the cellular mechanisms of these oscillations and their relation to activity-dependent plasticity are required. The first publication included in this doctoral thesis deals with the role of inhibition during stimulus-induced SPW-R-activity. Pharmacological full blockade of inhibition with bicuculline (BMI) transforms stimulus-induced SPW-Rs in prolonged hypersynchronous discharges called recurrent epileptiform discharges (REDs). In order to study the effects of partial reduction of inhibition, SPW-Rs were exposed to increasing concentration of nicotine, BMI and high concentrations of extracellular potassium ([K+]o). We found that nicotine at high concentrations is able to transform SPW-Rs into REDs. This transition is related to a decrease in inhibitory conductance (GIPSP) in pyramidal cells. Similarly, low concentration of BMI transformed SPW-Rs into REDs and reduced GIPSP. Additionally, SPW-Rs were exposed to high concentrations of K+. Under these conditions, SPW-Rs do not transform into typical REDs. The GIPSP was actually increased by high K+, thus preventing the occurrence of REDs. However, treatment with high K+ solution generated seizure like events (SLEs). Interestingly, the occurrence of SLEs could be lowered by previous induction of SPW-Rs. I was further interested in the effects of the neuromodulator norepinephrine (NE) on SPW-Rs. In Ul Haq et al., we show that NE has a dual effect on SPW-Rs. Activation of -1-receptors suppresses SPW-Rs activity, this is related to a decreased presynaptic Ca2+ uptake as indicated by paired pulse ratio (PPR), analysis of coefficient of variance (CV) and measurements of Ca2+ uptake into presynaptic terminals. In contrast, activation of -receptors enhances SPW-Rs activity. Finally, the modulatory effects of C-natriuretic peptide (CNP) in activity-dependent plasticity in area CA1 of the hippocampus were investigated. CNP, a member of the natriuretic peptides family with neuromodulatory properties, has been shown to impair stimulus induced SPW-Rs. To complete these finding, we investigated the effects of CNP in bidirectional plasticity. We show that the application of CNP facilitated LTD-expression, impaired LTP-expression and shifted the stimulus dependence of LTP induction to higher stimulus frequencies. The CNP- mediated diminution of LTP induced by 100 Hz was prevented when BMI was applied. Additionally, CNP reverted LTP into LTD when a 30 Hz stimulus was used. This could be mimicked by application of low concentrations of the NMDA- antagonist DL-APV. These findings suggest that the effect of the neuropeptide results from interacting effects between the glutamatergic and GABAergic system.,Hippokampale Oszillationen und neuronale Plastizität spielen eine wichtige Rolle in den kognitiven Funktionen und pathologischen Prozessen. In vivo beobachtet man langsame Potentiale begleitet von schnellen „Ripples“ mit einer Frequenz von ca. 200 Hz, sog. Sharp Wave-Ripples (SPW-Rs). Diese Oszillationen spielen eine wichtige Rolle in der Gedächtniskonsolidierung, weil sie die Langzeitpotenzierung (LTP) unterstützen. Spontane SPW-Rs können in hippokampalen Schnittpräparaten durch die wiederholte Applizierung von hochfrequenter Stimulation (HFS), eines klassischen LTP-Protokolls, induziert werden. Um die Beziehung zwischen LTP und SPW-Rs näher zu ergründen, werden die zellulären Mechanismen der Oszillationen und ihre Wechselwirkung mit der aktivitätsabhängigen Plastizität durchgeführt. Die erste Publikation dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Rolle der neuronalen Hemmung während der SPW-Rs-Aktivität. Die komplette pharmakologische Blockade der Inhibition mit Bicuculline (BMI) bewirkt die Umwandlung von SPW-Rs in prolongierte epileptiforme Entladungen (REDs). Um die Effekte einer partiellen Abnahme der Hemmung zu untersuchen, wurden SPW-Rs steigenden Konzentrationen von Nikotin, BMI und hohen Konzentrationen von Kalium ausgesetzt. Wir fanden heraus, dass hohe Konzentrationen von Nikotin SPW-Rs in REDs verwandeln. Diese Umwandlung korreliert mit einer Abnahme der neuronalen Hemmung von Pyramidenzellen. Die Zuführung von niedrigen Dosen Bicucullin generierte ebenfalls eine Transformation der SPW-Rs in REDs und reduzierte die neuronale Hemmung. Im Gegensatz dazu konnte die Erhöhung der Kaliumkonzentration die SPW-Rs nicht in REDs umwandeln. Die neuronale Hemmung war unter diesen Bedingungen vielmehr erhöht und beugte dem Vorkommen von REDs vor. Dennoch rief die Zuführung einer hohen Kaliumkonzentration epileptiforme Aktivität (SLEs) der Zellen hervor. Die Inzidenz solcher SLEs war interessanterweise bei den Schnittpräparaten geringer, die zuvor SPW-Rs zeigten, als bei naiven Schnittpräparaten. Ich konzentrierte meine Untersuchungen anschließend auf die Auswirkungen von Norepinephrine (NE) auf SPW-Rs. In ul Haq et al. konnten wir zeigen, dass NE zwei unterschiedliche Effekte generiert. Die Aktivierung von -1-Rezeptoren bewirkt auf der einen Seite die Unterdrückung von SPW-Rs. Diese Unterdrückung geht einher mit einer Abnahme des presynaptischen Kalziums, was sich in einer Reduzierung der Paar-Puls-Fazilitierung (PPF), in den Analysen des Varianzkoeffizients (CV) und in den Messungen des presynaptischen Kalziums zeigte. Auf der anderen Seite unterstützt die Aktivierung von -Rezeptoren die SPW-Rs-Aktivität. Schließlich wurden die Effekte von dem C-natriuretischen Peptid (CNP) auf aktivitätsabhängige Plastizität in der CA1-Region des Hippokampus untersucht. CNP, ein Familienmitglied der natriuretischen Peptide mit neuromodulatorischen Eigenschaften, unterdrückt SPW-Rs. Um diesen Befund zu ergänzen, untersuchten wir die Effekte von CNP auf bidirektionale Plastizität. Wir zeigten, dass CNP LTD (Langzeitdeppression) fördert, LTP unterdrückt und die zur LTP-Induktion benötigte Stimulusfrequenz erhöht. Die CNP-abhängige LTP-Minderung bei 100 Herz (Hz) Stimuli konnte durch Bicuculline vermieden werden. Außerdem wurde bei einer 30 Hz-Stimulation LTD nicht jedoch LTP in Gegenwart von CNP hervorgerufen. Der gleiche Effekt wurde bei der Zuführung des NMDA-Antagonisten APV in einer Niedrigdosierung beobachtet. Diese Ergebnisse deuten auf eine Wirkung des CNP auf beide, das glutamaerge und das GABAerge System, hin.,
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Abstract iii Zusammenfassung v 1 Introduction 1 1.1 Objectives of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Outline of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Projected Changes in European Winter Storm Climate 9 2.1 Introduction and Current State of Research . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Data and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1 Reanalysis Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.2 Global Climate Model Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.3 Wind Field Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.4 Storm Severity Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.5 Extreme Value Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 Recent and Future Winter Storm Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.1 Statistical Uncertainty and Natural Variability . . . . . . . . . . . 24 2.3.2 Scenario Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.3 Model Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.4 Intensities of Recent and Future Winter Storms . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.4.1 Statistical Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4.2 Scenario Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.4.3 Model Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.5 Summary and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3 Mechanisms Related to Changes in European Winter Storm Climate 45 3.1 Introduction and Current State of Research . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2 Data and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.1 Reanalysis Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.2 Global Climate Model Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.3 Assessment of the North Atlantic Oscillation . . . . . . . . . . . . 48 3.2.4 Eady Growth Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2.5 Hadley Cell Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3 Changes in the North Atlantic Oscillation (NAO) . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3.1 The NAO in Historical and Recent Climate . . . . . . . . . . . . . 50 3.3.2 Future Changes in the NAO Strength . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3.3 Changes in the NAO Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.4 Changes in Baroclinicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.4.1 Zonal Mean Eady Growth Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.4.2 Changes in North Atlantic Eady Growth Rate . . . . . . . . . . . 55 3.4.3 Relation to the NAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.5 NAO Influences on European Winter Storms and their Impacts . . . . . . 57 3.5.1 Dependence of Winter Storm Frequency on the NAO . . . . . . . . 57 3.5.2 Dependence of Storm Damages on the NAO Phase . . . . . . . . . 59 3.6 Tropical Origins of Changes in the North Atlantic Oscillation . . . . . . . 62 3.6.1 Assessment of Hadley Circulation Changes . . . . . . . . . . . . . 62 3.6.2 The Influence of the Hadley Circulation on the NAO . . . . . . . . 64 3.6.3 A Rossby Wave Interpretation of the NAO . . . . . . . . . . . . . 68 3.7 Summary and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4 Estimation of Impacts for Future Winter Storms 77 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2 Current State of Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.3 Data and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.3.1 Insurance Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.3.2 Reanalysis Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3.3 Regional Climate Model Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3.4 Wind Field Tracking for High Resolution Model Output . . . . . . 84 4.4 Modeling of Storm Damages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.4.1 Basic Loss Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.4.2 High-Resolution Refinement of the Storm Loss Model . . . . . . . 86 4.4.3 Optimization of Storm Damage Model . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.5 Uncertainties in Regional Loss Projections . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.5.1 Historical Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.5.2 Modeling Losses under Recent Climate Conditions . . . . . . . . . 94 4.5.3 Future Changes in Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.5.4 Uncertainties on Derived Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.6 Assessment of Dynamical Downscaling Uncertainties . . . . . . . . . . . . 99 4.6.1 Ensemble Generation Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.6.2 Comparison of GCM and RCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.6.3 Deriving Uncertainties in Modeled Storm Impacts . . . . . . . . . 104 4.6.4 Implications for Climate Change Assessment . . . . . . . . . . . . 106 4.7 Estimates of Return Values for Loss Intensive Winter Storms . . . . . . . 106 4.7.1 Return Values of Historical Winter Storms . . . . . . . . . . . . . 106 4.7.2 Quantification of Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.7.3 Derived Climate Change Signal and its Uncertainties . . . . . . . . 117 4.8 Summary and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5 Synthesis 125 Bibliography 131 A Supplementary Material 145 Acknowledgement 153,The large scale fields of severe winds associated with deep extra tropical cyclones pose severe risks to society and economy by damaging both natural and man-made structures over vast areas. This work addresses anthropogenic changes in the frequency and intensity of European winter storm events, their potential impacts as well as the mechanisms related to such changes. On the basis of global climate projections it is found, that severe wind storms over the North Atlantic are generally decreasing in terms of their frequency, however on a band across the North Atlantic and parts of Europe increased frequency of severe storms is identified in connection with increases in their intensities. Changes are consistently identified amongst multiple model projections and for different scenarios on future greenhouse gas emission. The strength of identified changes is however found to depend on the scenario and particularly on the considered climate model. For central Europe, increases in frequency towards the end of the 21st century are identified under SRES-A1B conditions, ranging between -11% and +44% and an ensemble average of 21%. In terms of intensity, storms affecting central Europe occurring once a year are found to increase in strength by about +30%, with individual models projecting changes between -28% and up to +96%. Considerable robustness of results is found, with 7 out of 8 simulations projecting both increased frequency and intensity of winter storms affecting central Europe. With respect to underlying mechanisms for these changes, the relation to projected changes in the North Atlantic Oscillation (NAO), as well as changing baroclinic conditions of the atmosphere are investigated. It is found that the NAO undergoes fundamental changes with respect to both its phase as well as its shape. Consistent to diagnosed changes in storm frequency, the NAO is found shifting towards a more positive phase with its action centers shifting in north-eastward direction, which is related to more favorable growth conditions for cyclones over eastern parts of the North Atlantic and central Europe. The tropical influence on projected changes in the European storm climate are investigated by addressing the relation between the tropical Hadley circulation and the NAO, with a strong relation being identified between a projected northward expansion of the Hadley cell and changes in the NAO. Results from theoretical considerations, interpreting the NAO as a manifestation of a stationary Rossby wave induced by the overtopping zonal winds above the Rocky Mountains, are found to be well aligned with the projected eastward shift of the NAO action centers. Compared to changes in the European storm climate on large scales, the assessment of trends in storm related losses is associated with much larger uncertainty, which beside the large statistical uncertainty result from multiple uncertainty sources along the modeling chain. To quantify the uncertainty resulting from the dynamical downscaling of general circulation model (GCM) output, a methodology has been developed to generate high-resolution ensembles of potentially hazardous storms identified in GCM output. A large source of uncertainty is related to the modeling of local storm losses on the basis of near-surface wind gust estimates. Deriving storm-loss transfer functions on district level yields the advantage of including local differences in the vulnerability against severe winds, however uncertainties on determined vulnerability parameters are shown to be considerable. Grouping districts into larger regions is found to significantly reduce the involved uncertainty, correspondingly reducing the uncertainty inherent to future loss projections. Besides addressing single sources of uncertainty, a methodology has been developed to derive cumulative uncertainty ranges on estimates of future return levels and return periods within an extreme value analysis framework. Results indicate, that under SRES- A1B conditions, the accumulated German wide losses of a winter storm event occurring once in 5 years increases towards the end of the 21st century by about +30%, with an estimated uncertainty ranging between -5% and +87%. Correspondingly, the return period of a 5 year event is found to decrease to about 4.3 years with an uncertainty range between 3.7 to 5.2 years. Even larger increases in losses and decreases in return periods can be identified for events being even more infrequent, however associated with strongly increasing uncertainties on these estimates. Based on transient regional climate model (RCM) projections, German wide winter storm losses are found to increase by about +14% towards the end of the 21st century under SRES-A1B conditions, with individual RCM signals ranging between -14% and +39%, with 9 out of 12 models projecting increased losses. With respect to regional differences in such trends, north-western parts of Germany are found to be more affected with increases of up to 30% in ensemble average, while south- eastern parts feature only moderate increases in losses by about 5%.,Die zerstörerische Wirkung extremer Winde im Zusammenhang mit intensiven extra-tropischen Zyklonen auf natürliche Ökosysteme und menschliche Strukturen stellt eine ernsthafte Bedrohung für Gesellschaft und Wirtschaft dar. Diese Arbeit untersucht anthropogene Änderungen in der Häufigkeit und Intensität Europäischer Winterstürme, potentielle Auswirkungen sowie Mechanismen welche im Zusammenhang zu diesen Änderungen stehen. Auf Basis globaler Klimaprojektionen findet sich eine generelle Abnahme in der Häufigkeit von Winterstürmen über dem Nordatlantik, wobei es auf einem Band über dem Nord Atlantik und Teilen Europas zu einer Zunahme potentiell schadenrelevanter Sturmsysteme kommt, verbunden mit einer Intensivierung dieser Systeme. Diese Änderungen können dabei in Projektionen mit unterschiedlichen Globalmodellen sowie für verschiedene Szenarien bzgl. zukünftiger Treibhausgasemissionen identifiziert werden, wobei die Stärke der diagnostizierten Änderungen vom untersuchten Szenario und vor allem vom untersuchten Modell abhängt. Für Zentraleuropa kann für das Ende des 21. Jahrhunderts unter SRES-A1B Bedingungen eine Änderung in der Häufigkeit von Sturmereignissen zwischen -11% und +44% festgestellt werden, wobei das Ensemble Mittel eine Zunahme um 21% zeigt. Darüber hinaus finden sich Änderungen in der Intensität einjährig wiederkehrender Winterstürme in Zentraleuropa, welche einer Zunahme um +30% entsprechen, wobei individuelle Modellläufe Änderungen zwischen -28% und +96% projizieren. Die Robustheit der Ergebnisse wird dadurch unterstrichen, dass 7 von 8 Simulationen eine Zunahme in sowohl der Häufigkeit als auch Intensität von Winterstürmen in Zentraleuropa projizieren. Im Hinblick auf zugrundeliegende Mechanismen wird in der Arbeit sowohl die Beziehung zu Änderungen in der Nord Atlantischen Oszillation (NAO), sowie die Änderung in den baroklinen Eigenschaften der Atmosphäre untersucht. Dabei können fundamentale Änderungen der NAO identifiziert werden, sowohl bezüglich ihrer Phase als auch ihrer Form. Konsistent zu den Änderungen in der Sturmhäufigkeit findet sich eine Verschiebung hin zu positiveren Phasen der NAO, wobei sich ihre Aktionszentren in nordöstliche Richtung verschieben, welches mit günstigeren Wachstumsbedingungen für Zyklonen über dem östlichen Nordatlantik und über Europa einhergeht. Ein tropischer Einfluss auf Änderungen im Europäischen Sturmklima wird untersucht, indem eine Beziehung zwischen Eigenschaften der Hadley Zirkulation und der NAO hergestellt wird. Dabei findet sich ein enger Zusammenhang zwischen einer nordwärts Ausdehnung der Hadley Zelle und den projizierten Änderungen der NAO. Theoretische Betrachtungen der NAO als Ausprägung einer stationären Rossby Welle, induziert durch die zonale Anströmung der Rocky Mountains können dabei in Einklang gebracht werden mit der diagnostizierten ostwärts Verschiebung der NAO Aktionszentren. Im Vergleich zu großskaligen Änderungen im Europäischen Sturmklima unterliegt die Abschätzung von Trends in sturminduzierten Schäden deutlich größeren Unsicherheiten, welche neben großen statistischen Unsicherheiten auf eine Reihe von Unsicherheitsquellen in der Modellkette zurückzuführen sind. Um die Unsicherheiten der dynamischen Regionalisierung globaler Klimamodelle (GCM) zu quantifizieren, wurde eine Methodik entwickelt um hochaufgelöste Ensemble Simulationen potentiell schadenrelevanter Sturmereignisse zu generieren. Eine große Unsicherheitsquelle stellt außerdem die Modellierung lokaler Sturmschäden auf Basis bodennaher Winden dar. Sturmschaden-Transferfunktionen können dabei auf Landkreisebene abgeleitet werden, mit dem Vorteil, dass lokale Vulnerabilitäten bzgl. extremer Winde abgebildet werden. Dabei entstehen jedoch große Unsicherheiten auf abgeleitete Modellparameter. Durch Zusammenfassen von Landkreisen zu größeren Regionen können diese signifikant reduziert werden, wodurch eine entsprechende Reduktion der Unsicherheit auf projizierte Schäden erreicht wird. Um die separat quantifizierten Unsicherheitsquellen zu Gesamtunsicherheiten zu integrieren, wurde ein Verfahren entwickelt um die kumulativen Unsicherheitsspannen auf abgeleitete Wiederkehrniveaus und Wiederkehrperioden im Rahmen der Extremwertstatistik zu berechnen. Dabei zeigen die Ergebnisse, dass unter SRES-A1B Bedingungen der Deutschlandweite Schaden von Winterstürmen mit einer Wiederkehrperiode von 5 Jahren um etwa +30% zunimmt, mit einer Unsicherheitsspanne zwischen -5% und +87%. Entsprechend reduzieren sich die Wiederkehrperioden von 5 Jahren auf etwa 4.3 Jahre, mit einer Unsicherheitsspanne zwischen 3.7 und 5.2 Jahren. Für seltenere Ereignisse finden sich sogar stärkere Zunahmen in Schäden und entsprechend Abnahmen in den Wiederkehrperioden, wobei diese Abschätzungen mit deutlich größeren Unsicherheiten behaftet sind. Auf Basis transienter regionaler Klimaprojektionen findet sich eine Zunahme Deutschlandweiter Schäden um +14% zum Ende des 21. Jahrhunderts unter SRES-A1B Bedingungen, wobei die Signale individueller Projektionen zwischen -14% und +39% liegen und 9 von 12 Modellsimulationen eine Zunahme projizieren. Im Hinblick auf regionale Unterschiede in diesem Trend, findet sich eine stärkere Betroffenheit der nordwestlichen Regionen Deutschlands mit einer Zunahme der Sturmschäden um etwa 30% im Ensemble Mittel. Für südwestliche Regionen hingegen finden sich nur moderate Änderungen der Schäden um etwa +5%.,
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