The development of new therapeutical approaches, devised to foster the regeneration of neuronal circuits after injury and/or in neurodegenerative diseases, is of great importance. The impairment of dopaminergic projections is especially severe, because these projections are involved in crucial brain functions such as motor control, reward and cognition. In the work presented here, organotypic brain slice co-cultures of (a) the mesostriatal and (b) the mesocortical dopaminergic projection systems consisting of tissue sections of the ventral tegmental area/substantia nigra (VTA/SN), in combination with the target regions of (a) the striatum (STR) or (b) the prefrontal cortex (PFC), respectively, were used to evaluate different approaches to stimulate neurite outgrowth: (i) inhibition of cAMP/cGMP turnover with 3’,5’ cyclic nucleotide phosphodiesterase inhibitors (PDE-Is), (ii) blockade of calcium currents with nimodipine, and (iii) the co-cultivation with bone marrow-derived mesenchymal stromal/stem cells (BM-MSCs). The neurite growth-promoting properties of the tested substances and cell populations were analyzed by neurite density quantification in the border region between the two brain slices, using biocytin tracing or tyrosine hydroxylase labeling and automated image processing procedures. In addition, toxicological tests and gene expression analyses were conducted. (i) PDE-Is were applied to VTA/SN+STR rat co-cultures. The quantification of neurite density after both biocytin tracing and tyrosine hydroxylase labeling revealed a growth promoting effect of the PDE2A-Is BAY60-7550 and ND7001. The application of the PDE10-I MP-10 did not alter neurite density in comparison to the vehicle control. (ii) The effects of nimodipine were evaluated in VTA/SN+PFC rat co-cultures. A neurite growth-promoting effect of 0.1 µM and 1 µM nimodipine was demonstrated in a projection system of the CNS. In contrast, the application of 10 µM nimodipine did not alter neurite density, compared to the vehicle control, but induced the activation of the apoptosis marker caspase 3. The expression levels of the investigated genes, including Ca2+ binding proteins (Pvalb, S100b), immediate early genes (Arc, Egr1, Egr2, Egr4, Fos and JunB), glial fibrillary acidic protein, and myelin components (Mal, Mog, Plp1) were not significantly changed (with the exception of Egr4) by the treatment with 0.1 µM and 1 µM nimodipine. (iii) Bulk BM-MSCs that were classically isolated by plastic adhesion were compared to the subpopulation Sca-1+Lin-CD45--derived MSCs (SL45-MSCs). The neurite growth-promoting properties of both MSC populations were quantified in VTA/SN+PFC mouse co-cultures. For this purpose, the MSCs were seeded on glass slides that were placed underneath the co-cultures. A significantly enhanced neurite density within the co-cultures was induced by both bulk BM-MSCs and SL45-MSCs. SL45-MSCs increased neurite density to a higher degree. The characterization of both MSC populations revealed that the frequency of fibroblast colony forming units (CFU-f ) is 105-fold higher in SL45-MSCs. SL45-MSCs were morphologically more homogeneous and expressed higher levels of nestin, BDNF and FGF2 compared to bulk BM-MSCs. Thus, this work emphasizes the vast potential for molecular targeting with respect to the development of therapeutic strategies in the enhancement of neurite regrowth.:Table of contents Abbreviations 1 1. Introduction 2 1.1 The dopaminergic system 2 1.2 Neurite regeneration following mechanical lesions of the CNS 7 1.3 Organotypic brain slice co-cultures 8 1.4 Promising substances and cells to enhance neuroregeneration 10 1.5 The aim of the thesis 14 2. The original research articles 16 2.1 Phosphodiesterase 2 inhibitors promote axonal outgrowth in organotypic slice co-cultures 17 2.2 Nimodipine enhances neurite outgrowth in dopaminergic brain slice co-cultures 35 2.3 Mesenchymal stem cells support neuronal fiber growth in an organotypic brain slice co-culture model 50 3. References 66 Appendices 73 Summary 73 Zusammenfassung 78 Curriculum Vitae 84 Track Record 85 Selbständigkeitserklärung 87 Acknowledgments 88

Facing the urgency of taking actions to guarantee the water supply to Brazil's Capital, the project called IWAS/ÁguaDF aims to provide scientific knowledge for the development of an Integrated Water Resources Management (IWRM) concept. The project is organized in multiple working groups wherein climate is considered as one of the main drivers. The water supply system of Distrito Federal (DF) is mainly dependent on three major complexes: river basins, waste water and drinking water. Anthropogenic climate change has the potential to affect these water complexes in a number of ways such as by losing storage capacity due to erosion and sedimentation, through altered persistency of dry events and due to increasing water demand. As a contribution to the IWAS/ÁguaDF project, this study focuses on the development of climate change projections for hydrological impact assessments at local/regional scale. The development of proper climate information is a challenging task. The level of complexity corresponds directly to the issues that concern impact modellers as well as technical aspects such as available observational data, human and computational resources. The identification of the needs for water-related issues gives the foundation for deriving proper climate projections. Before making projections, it is necessary to assess the current climate conditions, or baseline climate. Despite a better understanding of the regional aspects of the climate and the ongoing changes, the baseline climate provides the foundation for calibrating and validating climate models and downscaling methods. The General Circulation Models (GCMs) are the most preferred tools in simulating the response of the climate system to anthropogenic activities, like increasing greenhouse gases and aerosol emissions. However, the climate information required for regional impact studies, such as water resources management in DF, is of a spatial scale much finer than that provided by GCMs and therefore often demands a downscaling procedure. Hydrological models are usually sensitive to the temporal variability of precipitation at scales that are not well represented by GCMs. Statistical downscaling methods have the potential to bridge the mismatch between GCMs and impact models by adding local variability that is consistent with both the large-scale signal and local observations. The tool used (i.e., Statistical DownScaling Model - SDSM) is described as a hybrid of regression-based and stochastic weather generator. The systematic calibration adopted provides the appropriated predictors and model parameterization. The validation procedure takes into account the metrics relevant to the requirements of hydrological studies. Moreover, the downscaling approach considers several climate models (i.e., 18 GCMs) and emission scenarios (i.e., SRES A1B, A2, B1) in order to sample the widest sources of uncertainties available. In spite of the elevated level of uncertainties in the magnitude of change, most of the downscaled projections agree with positive changes in temperature and precipitation for the period of 2046-2065 when compared to the reference period (i.e., 1980-1999). Large ensembles are preferable but are often associated with massive amount of data which have limited application in hydrological impact studies. An alternative is to identify subsets of projections that are most likely and projections that have lower likelihood but higher impact. A set of representative climate projections is suggested for hydrological impact assessments. Although high resolution information is preferable, it relies on limited assumptions inherent to observations and coarse-resolution projections and, therefore, its use alone is not recommended. The combination of the baseline climate with large- and local-scale projections achieved in this study provides a wide envelope of climate information for assessing the sensitivity of hydrological systems in DF. A better understanding of the vulnerability of hydrological systems through the application of multiple sources of climate information and appropriate sampling of known uncertainties is perhaps the best way to contribute to the development of robust adaptation strategies. / Starkes Bevölkerungswachstum sowie Landnutzungs- und Klimawandel gefährden die Wasserversorgung der Metropolregion Brasília. Vor diesem Hintergrund soll das Projekt IWAS/ÁguaDF die wissenschaftlichen Grundlagen für ein Integriertes Wasserressourcen-Management (IWRM) im Distrito Federal (DF) erarbeiten. Das Projekt gliedert sich in drei klimasensitive Bereiche: Einzugsgebietsmanagement, Abwasseraufbereitung und Trinkwasserversorgung. Klimaänderungen können die Wasserversorgung im DF vielfältig beeinflussen, durch Veränderung der speicherbaren Wassermenge (Wasserdargebot, Speicherkapazität von Talsperren durch Sedimentation), der Dauer von Dürreperioden und des Wasserbedarfs (z.B. für Bewässerung). Klimaprojektionen für regionale hydrologische Impaktstudien stellen jedoch eine große Heraus-forderung dar. Ihre Komplexität richtet sich nach dem Bedarf des Impaktmodellierers und hängt zudem von technischen Voraussetzungen ab, wie der Verfügbarkeit von Beobachtungsdaten sowie von Personal- und Rechenressourcen. Die Ableitung geeigneter Maßnahmen für ein nachhaltiges Wasserressourcenmanagement im DF stellt hohe Ansprüche an die Qualität der zu entwickelnden Klimaprojektionen. Noch vor der Projektion müssen die gegenwärtigen klimatischen Bedingungen (Referenzklima) analysiert und bewertet werden. Die Analyse des Referenzklimas ermöglicht ein besseres Verständnis regionaler Unterschiede und aktueller Tendenzen und bildet die Grundlage für die Kalibrierung und Validierung von Klimamodellen und Downscaling-Methoden. Globale Klimamodelle (GCM) simulieren die Reaktion des Klimasystems auf anthropogene Treibhausgas- und Aerosolemissionen. Ihre räumliche Auflösung ist jedoch meist zu grob für regionale Klimaimpaktstudien. Zudem reagieren hydrologische Modelle meist sehr sensitiv auf zeitlich variable Niederschläge, welche in hoher zeitlicher Auflösung (Tagesschritte) ebenfalls nur unzureichend in GCM abgebildet werden. Statistische Downscaling-Verfahren können diese Inkohärenz zwischen GCM und Impaktmodellen reduzieren, indem sie das projizierte Klimasignal um lokale Variabilität (konsistent gegenüber den Beobachtungen) erweitern. Das in der vorliegenden Arbeit verwendete Tool, Statistical DownScaling Model - SDSM, vereint regressionsbasierte und stochastische Methoden der Wettergenerierung. Geeignete Prädiktoren und Modelparameter wurden durch systematische Kalibrierung bestimmt und anschließend validiert, wobei unter anderem auch hydrologisch relevante Gütekriterien verwendet wurden. Der gewählte Downscaling-Ansatz berücksichtigt zudem eine Vielzahl verschiedener Globalmodelle (18 GCM) und Emissionsszenarien (SRES A1B, A2 und B1) um die mit Klimaprojektionen verbundene hohe Unsicherheit möglichst breit abzudecken. Die Mehrheit der regionalen Projektionen weist auf eine Zunahme von Temperatur und Niederschlag hin (Zeitraum 2046 bis 2065 gegenüber Referenz-zeitraum, 1980 bis 1999), wenngleich die Stärke des Änderungssignals stark über das Ensemble variiert. Große Modellensemble sind zwar von Vorteil, sie sind jedoch auch mit einer erheblichen Datenmenge verbunden, welche für hydrologische Impaktstudien nur begrenzt nutzbar ist. Alternativ können einzelne „wahrscheinliche“ Projektionen verwendet werden sowie Projektionen, die weniger wahrscheinlich, aber mit einem starken Impakt verbunden sind. Ein solcher Satz repräsentativer Klimaprojektionen wurde für weitergehende Impaktstudien ausgewählt. Auch wenn in der Regel hochaufgelöste Klimaprojektionen angestrebt werden, ihr alleiniger Einsatz in Impaktstudien ist nicht zu empfehlen, aufgrund der vereinfachten Annahmen über die statistische Beziehung zwischen Beobachtungsdaten und den Modellergebnissen grob aufgelöster Globalmodelle. Der Vergleich des Referenzklimas mit großräumigen und lokalen Projektionen, wie er in dieser Arbeit durchgeführt wurde, liefert ein breites Spektrum an Klimainformationen zur Bewertung der Vulnerabilität hydrologischer Systeme im DF. Die Einbeziehung einer Vielzahl vorhandener Klimamodelle und die gezielte, den ermittelten Unsicherheitsbereich vollständig abdeckende Auswahl an Projektionen sollte die Entwicklung robuster Anpassungsstrategien bestmöglich unterstützen. / Diante do desafio de garantir o abastecimento de água potável da capital federal do Brasil, o projeto denominado IWAS/ÁguaDF tem como objetivo prover conhecimento científico para o desenvolvimento de um conceito de Gestão Integrada dos Recursos Hídricos (PGIRH). Afim de atingir esta proposta, o projeto é organizado em multiplos grupos de trabalho entre os quais o clima é considerado um dos principais fatores de influência. O sistema de abastecimento de água do Distrito Federal (DF) depende praticamente de três complexos: bacias hidrográficas, águas residuais e água potável. Mudanças climáticas causadas por ações antropogênicas apresentam um enorme potencial de impacto a estes complexos, por exemplo através de alterações no regime de chuvas, perda de volume dos reservatórios por assoriamento e aumento na demanda de água. Como contribuição ao projeto IWAS/ÁguaDF, este estudo tem como foco o desenvolvimento de projeções de mudanças climáticas para estudo de impacto nos recursos hídricos na escala local/regional. O nível de complexidade corresponde diretamente às questões levantadas pelos modeladores de impacto, bem como aspecto técnicos como a disponibilidade de dados observados e recursos humanos e computacionais. A identificação das necessidades de questões relacionadas à água no DF dão a base para derivar projeções climáticas adequadas. Antes de qualquer projeção futura, é indispensável avaliar as condições atuais do clima, também chamado de linha de base do clima. Além de fornecer a compreenção dos aspectos regionais do clima e mudaças em curso, a linha de base provê dados para a calibração e validação de modelos globais de clima e técnicas de regionalização (downscaling). Os Modelos de Circulação Geral (GCM) são as ferramentas mais adotadas na simulação da resposta do sistema climático às atividades antropogênicas, tais como aumento de emissões de gases do efeito estufa e aerosóis. No entanto, a informação necessária para estudos regionais de impacto, tais como gestão de recursos hídricos, é de escala espacial mais refinada do que a resolução espacial fornecida pelos GCMs e, dessa forma, técnicas de regionalização são frequentemente demandadas. Modelos hidrológicos são geralmente sensitivos à variabilidade temporal de precipitação em escalas não representadas pelos modelos globais. Métodos estatísticos de ‘downscaling’ apresentam um potencial para auxiliar no descompasso entre GCMs e modelos de impacto através da adição de variabilidade local consistente com o sinal de larga escala e as observações locais. A ferramenta utilizada (Statistical DownScaling Model - SDSM) é descrita como um híbrido entre regressão linear e gerador de tempo estocástico. A calibração sistemática adotada fornece apropriados preditores e uma parameterização consistente. O procedimento de validação do modelo leva em conta as métricas relevantes aos requerimentos dos estudos hidrológicos. Ainda, a abordagem aqui utilizada considera diversos modelos globais (isto é, 18 GCMs) e cenários de emissões (isto é, SRES A1B, A2 e B1) afim de contemplar as mais abrangentes fontes de incertezas disponíveis. Embora o elevado nível de incertezas na magnitude das mudançãs de clima, a grande maioria das projeções regionalizadas concordam com o aumento de temperatura e precipiatação para o período de 2046-2065 quando comparado com o período de referência (isto é, 1980-1999). Grandes conjuntos de projeções são preferíveis, mas são frequentement associados com uma quantidade exorbitante de dados os quais são de aplicação limiatada nos estudos de impacto. Uma alternativa é identificar sub-conjuntos de projeções que são as mais prováveis e projeções que são menos prováveis, porém apresentam maior impacto. Embora altas resoluções são preferíveis, estas baseiam-se em hipóteses inerentes às observações e projeções de larga escala e, dessa forma, não é recomendável o seu uso sozinho. A combinação do clima de base com projeções de resoluções baixas e altas fornece um amplo envelope de imformações climáticas para avaliar a sensitividade dos sistemas hidrológicos no DF. Um compreendimento mais apurado da vunerabilidade dos sistemas hidrológicos através da aplicação de multiplas fontes de informação e apropriada abordagem das incertezas conhecidas é talvez a melhor maneira para contribuir para o desenvolvimento de estratégias robustas de adaptação.

Die vorliegende Untersuchung widmet sich der Frage, welche Bedeutung die räumliche Differenzierung des Haushaltsbildungsverhaltens für die Ergebnisse von kleinräumigen Haushaltsprognosen hat. Die Haushaltsgrößenstruktur veränderte sich in Deutschland seit ihrer erstmaligen flächendeckenden Erhebung beträchtlich. Diese Strukturveränderungen sind von anhaltenden Haushaltsverkleinerungen geprägt und vollziehen sich auf der Makro-, Meso- und Mikro-ebene in unterschiedlicher Intensität. Eine möglichst exakte Abbildung räumlich differenzierter Trends ist für kleinräumige Haushaltsprognosen ergebnisrelevant. Die Trends ergeben sich zum einen aus der kleinräumigen Bevölkerungsentwicklung und zum anderen aus den Veränderungen des Haushaltsbildungsverhaltens. Um die oben gestellte Frage zu beantworten, wurden zunächst die Veränderungen von Anzahl und Größenstruktur der Haushalte in Deutschland nach dem 2. Weltkrieg nach ihren räumlichen Ausprägungen - zunächst anhand der Literatur und frei zugänglichen Datenquellen - untersucht. Der Fokus der eigenen empirischen Untersuchungen lag auf dem Zeit-raum 1998 bis 2011. Als Hauptdatenquelle wurden Einzeldaten des Mikrozensus im Rahmen von Scientific-Use-Files und der kontrollierten Datenfernverarbeitung genutzt. Um die Bedeutung des Haushaltsbildungsverhaltens beurteilen zu können, musste es operationalisiert werden. Als Grundgerüst diente das Haushaltsvorstandsquotenverfahren, welches jedoch an die Erfordernisse der Untersuchung angepasst werden musste. Aufbauend auf der Operationalisierung wurde mithilfe eines selbst weiterentwickelten Standardisierungsverfahrens der Einfluss des Haushaltsbildungsverhaltens auf die Haushaltsentwicklung bestimmt. Um Aussagen für kleinräumige Entwicklungen treffen zu können, wurden im nächsten Schritt die räumlich und nach Altersgruppen differenzierten Haushaltsvorstands-quoten auf Gemeinden in Sachsen übertragen. Diese Vorgehensweise wird auch in kleinräumigen makroanalytischen Haushaltsprognosen angewendet. Die Berechnungen erfolgten für alle Gemeinden in fünf Varianten und darüber hinaus für ausgewählte Gemeinden des Dresdener Umlandes mit einer Variante auf Basis von kommunalen Daten der Haushaltegenerierung (HHGen). Die Bedeutung der räumlichen Differenzierung ließ sich schließlich durch den Vergleich der Varianten mit der Referenzvariante ohne räumliche Differenzierung sowie dem Vergleich zwischen den vier Varianten der räumlichen Differenzierung messen. Als am besten für die demographisch ausgerichtete Untersuchung geeignet, stellte sich die Definition der Haushaltsbezugsperson nach dem ältesten Haushaltsmitglied heraus. Die anhand des Lebenszykluskonzeptes und altersjahrspezifischer Ausprägungen gewählten acht bzw. sieben Altersgruppen erwiesen sich für räumliche Betrachtungen als günstig und wiesen nur geringe Unterschiede zu altersjahrspezifischen Berechnungen auf. Das Haushaltswachstum in Deutschland betrug im Betrachtungszeitraum 7,7 %. 3,0 % Haushaltswachstum lassen sich auf die Veränderung des Haushaltsbildungsverhaltens zurückführen. Altersstruktureffekte tragen zu einem Wachstum von 5,3 % bei, während dagegen die Veränderung der Bevölkerungszahl bei Ausschluss der anderen Einflussgrößen, zu einem Rückgang von 0,5 % geführt hätte. Die Veränderung des Haushaltsbildungsverhaltens hatte im Betrachtungszeitraum für die Haushaltsentwicklung zweifelsfrei eine hohe Relevanz. Der Einfluss des Haushaltsbildungsverhaltens war im Betrachtungszeitraum für ostdeutsche Bundesländer besonders hoch und in Sachsen mit 8,0 % am höchsten. In Westdeutschland unterschied sich der Einfluss des Haushaltsbildungsverhaltens auf Bundesländerebene deutlich. Darüber hinaus sind insbesondere Stadt-Land-Unterschiede feststellbar. Der Einfluss von stadtregionalen Einflüssen ist aufgrund fehlender Raumkategorien dagegen nicht nachweisbar. Die Erhebungsumstellung des Mikrozensus im Jahr 2005 hat Auswirkungen auf die berechneten Ergebnisse der Haushaltsstruktur und des Haushaltsbildungsverhaltens. Sondereffekte durch die gehäufte Einführung von Zweitwohnsitzsteuern und die sog. Hartz-IV-Reform lassen im Vergleich zu HHGen-Daten Dresdens den Schluss zu, dass es im Zeitraum der Erhebungsumstellung zu einer erhöhten Haushaltsverkleinerung gekommen ist und es sich somit nicht ausschließlich um einen reinen methodischen Effekt handelt. Zu Verzerrungen der regionalen und nach Gemeindetypen differenzierten Ergebnisse können insbesondere Gebietsreformen, Statuswechsel durch dynamische Prozesse sowie Konzeptumstellungen der Typisierungen führen. Am stärksten wirkten sich diese Veränderungen auf den Bevölkerungsmengeneffekt, weniger auf den Verhaltenseffekt aus. Auf Gemeindeebene ergab sich ebenso eine hohe Relevanz des Haushaltsbildungsverhaltens für die Haushaltsentwicklung. Im Maximum führte die räumliche Differenzierung zu einer Abweichung von neun Prozentpunkten im Vergleich zur Referenzvariante. Die Spannweite (R) zwischen den Varianten der räumlichen Differenzierungen ist in Mittelstädten und suburbanen Gemeinden besonders hoch. Für die untersuchten Mittelstädte ist ein Regionaleffekt verantwortlich, d. h. die regionale Differenzierung von Gemeindegrößenklassen führte zu einer Erhöhung der rechnerischen Haushaltsentwicklung. Aus den Ergebnissen lässt sich schlussfolgern, dass von den räumlichen Differenzierungen im Mikrozensus als Ausgangsbasis zunächst Gemeindegrößenklassen am besten geeignet sind. Diese sollten mindestens nach West- und Ostdeutschland unterschieden werden. Die Regionalisierung nach (zusammengefassten) Bundesländern oder zusammengefassten Raumordnungsregionen ist anzustreben, jedoch nur unter großer Sorgfalt umsetzbar, da sonst die Fallzahlen zu gering und der Stichprobenfehler zu hoch werden. Für kleinräumige Haushaltsprognosen ist das Risiko von Fehlprognosen durch die Unterlassung von räumlichen Differenzierungen weitaus höher ist als durch deren Berücksichtigung. Das räumliche Auswertungspotenzial des Mikrozensus ist sehr hoch. Es kann jedoch gegenwärtig nicht voll ausgeschöpft werden. Notwendig wären nachträgliche Gebietsstandsbereinigungen sowie die künftige und rückwirkende Aufnahme geeigneter räumlicher Differenzierungen, die den stadtregionalen Kontext explizit berücksichtigen.:INHALTSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS KURZFASSUNG ABSTRACT 1. EINFÜHRUNG 21 1.1 PROBLEMSTELLUNG 21 1.2 ZIEL UND AUFBAU DER ARBEIT 26 2. GRUNDZÜGE EINER BEVÖLKERUNGSGEOGRAPHISCH AUSGERICHTETEN HAUSHALTSFORSCHUNG 29 2.1 EMPIRISCHE HAUSHALTSFORSCHUNG IM BEVÖLKERUNGSGEOGRAPHISCHEN KONTEXT 29 2.2 ZUSAMMENHÄNGE ZWISCHEN BEVÖLKERUNGS- UND HAUSHALTSENTWICKLUNG 32 2.3 ZENTRALE BEGRIFFE 36 2.3.1 Privater Haushalt 37 2.3.1.1 Herkunft und Bedeutung 37 2.3.1.2 Abgrenzung zu anderen Formen des Zusammenlebens 38 2.3.2 Haushaltsbildungsverhalten 40 2.3.3 Räumliche Differenzierung 43 3. GRUNDLAGEN DER ERKLÄRUNG, ANALYSE UND PROGNOSE VON RÄUMLICH UNTERSCHIEDLICH VERLAUFENDEN DYNAMIKEN DER ANZAHL UND STRUKTUR PRIVATER HAUSHALTE 44 3.1 DAS LEBENSZYKLUSKONZEPT ALS GRUNDSÄTZLICHES ERKLÄRUNGSMODELL DES INDIVIDUELLEN HAUSHALTSBILDUNGS- UND AUFLÖSUNGSPROZESSES 44 3.2 THEORIEANSÄTZE ZUR ERKLÄRUNG DES SICH VERÄNDERNDEN HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS 49 3.2.1 Demographische Theorieansätze 49 3.2.2 Soziologische Theorieansätze 56 3.2.2.1 Individualisierungsthese 57 3.2.2.2 Theorie gesellschaftlicher/sozialer Differenzierung privater Lebensformen 59 3.2.3 Zwischenfazit 61 3.3 DYNAMIK DER HAUSHALTSGRÖßENSTRUKTUR IN DEUTSCHLAND 64 3.3.1 Vorbemerkung 64 3.3.2 Haushaltsgrößenveränderungen im Überblick 64 3.3.2.1 Historische Entwicklung 64 3.3.2.2 Internationaler Vergleich 72 3.3.3 Veränderung von Haushaltsgrößenstrukturen und Haushaltsbildungsverhalten in Deutschland 75 3.3.3.1 Quellen- und Literaturüberblick 75 3.3.3.2 Überregionale Entwicklungen und Zusammenhänge 77 3.3.3.3 Ausgewählte Erkenntnisse regionaler Betrachtungen 88 3.3.3.4 Ausgewählte Erkenntnisse intraregionaler und innerstädtischer Betrachtungen 95 3.3.4 Zwischenfazit 105 3.4 DATENGRUNDLAGEN FÜR ANALYSEN DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS IN DEUTSCHLAND 107 3.4.1 Anforderungen an Datengrundlagen für kleinräumige und regionale Betrachtungen 107 3.4.2 Überblick zu für Forschungszwecke nutzbaren Datenquellen 107 3.4.3 Kommunales Haushaltegenerierungsverfahren HHGen 110 3.4.4 Sozio-oekonomisches Panel (SOEP) 111 3.4.5 Zensus 2011 112 3.4.6 Mikrozensus 113 3.4.6.1 Datenerhebungsverfahren und daraus resultierende Konsequenzen 113 3.4.6.2 Möglichkeiten und Grenzen der räumlichen Differenzierung 116 3.4.7 Zwischenfazit 120 3.5 AUSGEWÄHLTE HAUSHALTSPROGNOSEVERFAHREN UND IHRE DATENANFORDERUNGEN 123 3.5.1 Überblick 123 3.5.2 Makroanalytische Verfahren 125 3.5.2.1 Haushaltsmitgliederquotenverfahren 126 3.5.2.2 Haushaltsvorstandsquotenverfahren 127 3.5.2.3 Die IÖR-Haushaltsprognose - ein Beispiel für die Weiterentwicklung makroanalytischer Verfahren für kleinräumige Anwendungen 130 3.6 SCHLUSSFOLGERUNGEN FÜR DIE EMPIRISCHE ARBEIT 132 4. OPERATIONALISIERUNG DER VERÄNDERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS BEI MÖGLICHST HOHER RÄUMLICHER DIFFERENZIERUNG 133 4.1 VORBEMERKUNGEN 133 4.2 BESONDERHEITEN DER MESSUNG VON HAUSHALTSGRÖßENSTRUKTUREN 135 4.3 DEFINITION DER HAUSHALTSBEZUGSPERSON – EIN VERGLEICH 138 4.3.1 Bestehende Konzepte 138 4.3.2 Empirischer Vergleich der Definitionen der Haushaltsbezugsperson 141 4.3.2.1 Vergleich insgesamt 141 4.3.2.2 Vergleich nach Geschlecht 149 4.3.3 Zwischenfazit 155 4.4 DIFFERENZIERUNG NACH ALTER UND BILDUNG VON ALTERSGRUPPEN 157 4.5 FESTLEGUNGEN ZUR OPERATIONALISIERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGS-VERHALTENS IM ÜBERBLICK 165 4.6 METHODIK ZUR ERMITTLUNG VON EINFLUSSGRÖßEN DER HAUSHALTSENTWICKLUNG 166 4.7 METHODISCHE VORGEHENSWEISE EX-POST-PROGNOSEN 172 5. ERGEBNISSE EMPIRISCHER ANALYSEN ZUR RÄUMLICHEN DIFFERENZIERUNG DER VERÄNDERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS IN DEUTSCHLAND 176 5.1 VORBEMERKUNGEN 176 5.2 HAUSHALTSGRÖßENENTWICKLUNG UND EINFLUSSGRÖßEN DER HAUSHALTSENTWICKLUNG 177 5.2.1 Vorgehensweise 177 5.2.2 Regionale Differenzierung 177 5.2.2.1 Bundesländer sowie West- und Ostdeutschland 177 5.2.2.2 Raumordnungsregionen 194 5.2.3 Gemeindetypen 207 5.2.3.1 Stadt-Land-Gliederung Eurostat bis 2011 208 5.2.3.2 Siedlungsstrukturelle Gemeindetypen 217 5.2.3.3 Gemeindegrößenklassen 225 5.2.3.4 Zusammengefasste Gemeindegrößenklassen nach zusammengefassten Raumordnungsregionen 235 5.2.3.5 Weitere Möglichkeiten der räumlichen Differenzierung im Mikrozensus 239 5.2.4 Analysen mit HHGen-Daten der Landeshauptstadt Dresden 240 5.2.5 Zwischenfazit 248 5.3 WIRKUNG DER RÄUMLICHEN DIFFERENZIERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS AUF GEMEINDEEBENE AM BEISPIEL VON SACHSEN 253 5.3.1 Vorbemerkungen 253 5.3.2 Bevölkerungsentwicklung auf Gemeindeebene sowie Variante ohne räumliche Differenzierung als Vergleichsbasis 254 5.3.3 Gemeindegrößenklassen Ostdeutschland 258 5.3.4 Testrechnung für angrenzende Dresdener Umlandgemeinden anhand von HHGen-Daten 264 5.3.5 Varianten der räumlichen Differenzierung im Vergleich 267 5.3.5.1 Gesamtentwicklung nach ausgewählten Kategorien 267 5.3.5.2 Einzelfallbetrachtung ausgewählter Gemeinden 274 5.3.6 Zwischenfazit 281 6. SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK 286 6.1 SCHLUSSFOLGERUNGEN FÜR DIE RÄUMLICHE DIFFERENZIERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS ALS GRUNDLAGE KLEINRÄUMIGER HAUSHALTSPROGNOSEN 286 6.2 AUSBLICK 297 LITERATURVERZEICHNIS 299 WEITERE QUELLEN 317 ANHANG / The present study addresses the question of the significance of spatial differentiation of household formation behaviour for the results of small-scale household projections. The structure of household sizes in Germany changed significantly since its first nationwide survey. These structural changes are marked by the permanent trend of household size diminishment and take place in varying degrees on macro, meso and micro level. Representing spatially differentiated trends as exactly as possible is of high relevance for the results of small-scale projections of households. These trends result in part from small-scale population development and, secondly, from the changes in household formation behaviour. To answer the question above, the changes in number and size structure of households in Germany after World War II were examined according to their spatial characteristics – as a start in literature and openly accessible data sources. The focus of this thesis’ empirical studies lies on period from 1998 to 2011. The main data source was micro data acquired in the micro-census. These data were used in the context of Scientific Use Files and controlled remote data processing. The assessment of the importance of household formation behaviour requires its operationalization. As backbone the head of household ratio method was used, which, however, had to be adapted to the requirements of the investigation. Based on the operationalization a standardization method developed further in the context of this study was used to determine the influence of household formation behaviour on house-hold development. To be able to draw conclusions for small-scale developments, in a next step head of household ratios differentiated spatially and by age group were applied on municipalities in Saxony – analogous to the approach used in small-scale macro-analytical household projections. The calculations were made for all municipalities for five variants. Furthermore, an additional variant based on local data of household generation (HHGen) was calculated for selected municipalities surrounding Dresden. The importance of spatial differentiation was measured by comparing the variants with a reference calculation without spatial differentiation as well as by comparing between the four variants with spatial differentiation. The definition of the eldest household member as household head proved to be most suitable for demographic studies. Seven respectively eight age groups based on life cycle concept were found to be suitable for spatial considerations and showed only minor differences to year-of-age specific calculations. The number of households increased by 7.7% in the analysis period. 3.0% can be attributed to the change in household formation behaviour. Age structure effects contribute to a growth of 5.3%, whereas the change in population - excluding other influences - would have led to a decline in household numbers of 0.5%. The change in household formation behaviour was doubtless of high relevance in the analysis period. The influence of household formation behaviour in the analysis period was particularly high for East Germany, with the maximum in Saxony (8.0%). In West Germany, the influence of household formation behaviour differed significantly for the different federal states (Länder). Moreover, especially urbanrural differences are noticeable. Urban-suburban interrelations are, however, undetectable due to lack of spatial categories. The change in survey methods for the micro-census in 2005 affects the results of household structure and the calculated household formation behaviour. Compared to HHGen data of Dresden, special effects by the frequent introduction of taxes on secondary residences and the socalled “Hartz IV reform” lead to the conclusion, that an increased household size reduction has taken place in the period of change in survey methods. Consequently, this is not merely a methodological effect. Reforms of regional structures, changes in status caused by dynamic processes as well as changes in concepts of typification may lead to biased regionally differentiated and municipal results. The highest impact of these changes was discovered on population quantity effect, less on the behaviour effect. At municipal level, household formation behaviour showed a high relevance for household development. Spatial differentiation led to a maximal deviation of nine percentage points compared to the reference calculation. The range between the variants of spatial differentiation is particularly high in medium-sized towns and suburban municipalities. For the medium-sized towns this is due to a regional effect: the regional differentiation of municipality size classes led to an increase in the determined household development. The results lead to the conclusion that, choosing from the spatial differentiation possibilities in the micro-census, differentiation on municipality level is most suited as a basis. These should be differentiated at least into West and East Germany. Regionalization to (combined) federal states (Länder) or combined spatial planning regions (Raumordnungsregionen) is desirable. However, it can be implemented only with great care, as there are only a limited number of cases and the sampling error would be too high. For small-scale household projections the risk of incorrect predictions by the omission of spatial differentiation is is much higher than by taking them into account. The potential of spatial analysis of the micro-census is very high, but cannot be exploited to the fullest at the time being. Subsequent territorial adjustments would be necessary, as well as future and retroactive inclusion of appropriate spatial differentiations which explicitly take into account the intraregional context.:INHALTSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS KURZFASSUNG ABSTRACT 1. EINFÜHRUNG 21 1.1 PROBLEMSTELLUNG 21 1.2 ZIEL UND AUFBAU DER ARBEIT 26 2. GRUNDZÜGE EINER BEVÖLKERUNGSGEOGRAPHISCH AUSGERICHTETEN HAUSHALTSFORSCHUNG 29 2.1 EMPIRISCHE HAUSHALTSFORSCHUNG IM BEVÖLKERUNGSGEOGRAPHISCHEN KONTEXT 29 2.2 ZUSAMMENHÄNGE ZWISCHEN BEVÖLKERUNGS- UND HAUSHALTSENTWICKLUNG 32 2.3 ZENTRALE BEGRIFFE 36 2.3.1 Privater Haushalt 37 2.3.1.1 Herkunft und Bedeutung 37 2.3.1.2 Abgrenzung zu anderen Formen des Zusammenlebens 38 2.3.2 Haushaltsbildungsverhalten 40 2.3.3 Räumliche Differenzierung 43 3. GRUNDLAGEN DER ERKLÄRUNG, ANALYSE UND PROGNOSE VON RÄUMLICH UNTERSCHIEDLICH VERLAUFENDEN DYNAMIKEN DER ANZAHL UND STRUKTUR PRIVATER HAUSHALTE 44 3.1 DAS LEBENSZYKLUSKONZEPT ALS GRUNDSÄTZLICHES ERKLÄRUNGSMODELL DES INDIVIDUELLEN HAUSHALTSBILDUNGS- UND AUFLÖSUNGSPROZESSES 44 3.2 THEORIEANSÄTZE ZUR ERKLÄRUNG DES SICH VERÄNDERNDEN HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS 49 3.2.1 Demographische Theorieansätze 49 3.2.2 Soziologische Theorieansätze 56 3.2.2.1 Individualisierungsthese 57 3.2.2.2 Theorie gesellschaftlicher/sozialer Differenzierung privater Lebensformen 59 3.2.3 Zwischenfazit 61 3.3 DYNAMIK DER HAUSHALTSGRÖßENSTRUKTUR IN DEUTSCHLAND 64 3.3.1 Vorbemerkung 64 3.3.2 Haushaltsgrößenveränderungen im Überblick 64 3.3.2.1 Historische Entwicklung 64 3.3.2.2 Internationaler Vergleich 72 3.3.3 Veränderung von Haushaltsgrößenstrukturen und Haushaltsbildungsverhalten in Deutschland 75 3.3.3.1 Quellen- und Literaturüberblick 75 3.3.3.2 Überregionale Entwicklungen und Zusammenhänge 77 3.3.3.3 Ausgewählte Erkenntnisse regionaler Betrachtungen 88 3.3.3.4 Ausgewählte Erkenntnisse intraregionaler und innerstädtischer Betrachtungen 95 3.3.4 Zwischenfazit 105 3.4 DATENGRUNDLAGEN FÜR ANALYSEN DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS IN DEUTSCHLAND 107 3.4.1 Anforderungen an Datengrundlagen für kleinräumige und regionale Betrachtungen 107 3.4.2 Überblick zu für Forschungszwecke nutzbaren Datenquellen 107 3.4.3 Kommunales Haushaltegenerierungsverfahren HHGen 110 3.4.4 Sozio-oekonomisches Panel (SOEP) 111 3.4.5 Zensus 2011 112 3.4.6 Mikrozensus 113 3.4.6.1 Datenerhebungsverfahren und daraus resultierende Konsequenzen 113 3.4.6.2 Möglichkeiten und Grenzen der räumlichen Differenzierung 116 3.4.7 Zwischenfazit 120 3.5 AUSGEWÄHLTE HAUSHALTSPROGNOSEVERFAHREN UND IHRE DATENANFORDERUNGEN 123 3.5.1 Überblick 123 3.5.2 Makroanalytische Verfahren 125 3.5.2.1 Haushaltsmitgliederquotenverfahren 126 3.5.2.2 Haushaltsvorstandsquotenverfahren 127 3.5.2.3 Die IÖR-Haushaltsprognose - ein Beispiel für die Weiterentwicklung makroanalytischer Verfahren für kleinräumige Anwendungen 130 3.6 SCHLUSSFOLGERUNGEN FÜR DIE EMPIRISCHE ARBEIT 132 4. OPERATIONALISIERUNG DER VERÄNDERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS BEI MÖGLICHST HOHER RÄUMLICHER DIFFERENZIERUNG 133 4.1 VORBEMERKUNGEN 133 4.2 BESONDERHEITEN DER MESSUNG VON HAUSHALTSGRÖßENSTRUKTUREN 135 4.3 DEFINITION DER HAUSHALTSBEZUGSPERSON – EIN VERGLEICH 138 4.3.1 Bestehende Konzepte 138 4.3.2 Empirischer Vergleich der Definitionen der Haushaltsbezugsperson 141 4.3.2.1 Vergleich insgesamt 141 4.3.2.2 Vergleich nach Geschlecht 149 4.3.3 Zwischenfazit 155 4.4 DIFFERENZIERUNG NACH ALTER UND BILDUNG VON ALTERSGRUPPEN 157 4.5 FESTLEGUNGEN ZUR OPERATIONALISIERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGS-VERHALTENS IM ÜBERBLICK 165 4.6 METHODIK ZUR ERMITTLUNG VON EINFLUSSGRÖßEN DER HAUSHALTSENTWICKLUNG 166 4.7 METHODISCHE VORGEHENSWEISE EX-POST-PROGNOSEN 172 5. ERGEBNISSE EMPIRISCHER ANALYSEN ZUR RÄUMLICHEN DIFFERENZIERUNG DER VERÄNDERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS IN DEUTSCHLAND 176 5.1 VORBEMERKUNGEN 176 5.2 HAUSHALTSGRÖßENENTWICKLUNG UND EINFLUSSGRÖßEN DER HAUSHALTSENTWICKLUNG 177 5.2.1 Vorgehensweise 177 5.2.2 Regionale Differenzierung 177 5.2.2.1 Bundesländer sowie West- und Ostdeutschland 177 5.2.2.2 Raumordnungsregionen 194 5.2.3 Gemeindetypen 207 5.2.3.1 Stadt-Land-Gliederung Eurostat bis 2011 208 5.2.3.2 Siedlungsstrukturelle Gemeindetypen 217 5.2.3.3 Gemeindegrößenklassen 225 5.2.3.4 Zusammengefasste Gemeindegrößenklassen nach zusammengefassten Raumordnungsregionen 235 5.2.3.5 Weitere Möglichkeiten der räumlichen Differenzierung im Mikrozensus 239 5.2.4 Analysen mit HHGen-Daten der Landeshauptstadt Dresden 240 5.2.5 Zwischenfazit 248 5.3 WIRKUNG DER RÄUMLICHEN DIFFERENZIERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS AUF GEMEINDEEBENE AM BEISPIEL VON SACHSEN 253 5.3.1 Vorbemerkungen 253 5.3.2 Bevölkerungsentwicklung auf Gemeindeebene sowie Variante ohne räumliche Differenzierung als Vergleichsbasis 254 5.3.3 Gemeindegrößenklassen Ostdeutschland 258 5.3.4 Testrechnung für angrenzende Dresdener Umlandgemeinden anhand von HHGen-Daten 264 5.3.5 Varianten der räumlichen Differenzierung im Vergleich 267 5.3.5.1 Gesamtentwicklung nach ausgewählten Kategorien 267 5.3.5.2 Einzelfallbetrachtung ausgewählter Gemeinden 274 5.3.6 Zwischenfazit 281 6. SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK 286 6.1 SCHLUSSFOLGERUNGEN FÜR DIE RÄUMLICHE DIFFERENZIERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS ALS GRUNDLAGE KLEINRÄUMIGER HAUSHALTSPROGNOSEN 286 6.2 AUSBLICK 297 LITERATURVERZEICHNIS 299 WEITERE QUELLEN 317 ANHANG

Imago relationship therapy was originally applied to couples counselling by Dr Hendrix (1992, 1993). This model was applied to a group of senior managers from the Lonmin Platinum Mine to create an understanding of intrapersonal and interpersonal dynamics to reduce the conflict levels they experienced in the workplace. Imago theory is applicable to the workplace because of the influence of intrapersonal processes on interpersonal dynamics, which is the same influence that causes conflict in romantic relationships. Love relationships consist of three stages, namely romantic love, the power struggle stage, and the real love stage. In the organisational context, these stages are the initial excitement phase, the power struggle stage, and the conscious relating stage. The study aimed to obtain quantitative and qualitative data on the effects of the Imago theory programme presented to the group of managers. The study thus aimed to determine whether the managers experienced a shift in their consciousness after the programme had been presented. Furthermore, the study aimed to determine whether such a shift in consciousness would have an effect on the individuals’ overall emotional wellbeing and if it would increase their overall life satisfaction. Furthermore, the study investigates if the programme had a positive effect on their interpersonal relationships (particularly with their subordinates). Twenty-two senior managers and 22 subordinates participated in the study. Certain pre-tests were conducted, followed by the seven-module intervention. The same post-tests were conducted after the training had taken place. Quantitative and qualitative results were obtained. The quantitative results showed that the participants’ problem solving abilities improved and that they experienced marginally higher levels of life satisfaction. The reactivity levels experienced by the participants during conflict situations decreased, and their levels of marital satisfaction improved. The results also showed that the managers responded more positively to their subordinates after the intervention. Furthermore, the subordinates experienced their managers as being more flexible after the intervention. The qualitative results indicated that a shift in consciousness did take place as envisaged. The group understood both intrapersonal and interpersonal psychodynamics. They also willingly applied Imago concepts to improve their functioning in the organisational context. / Psychology / D. Litt. et Phil. (Psychology)

Previous research has shown a close relationship between the terrestrial and aquatic carbon (C) cycles, namely that part of the C fixed via terrestrial net primary production (NPP) is exported to inland waters. In turn, it has been demonstrated that once in the freshwater system C can not only be transported laterally as dissolved organic carbon (DOC), particulate organic carbon (POC) and dissolved inorganic carbon (DIC) but is also mineralized and evaded back to the atmosphere as CO2, or buried in sediments. A number of hotspot areas of aquatic CO2 evasion have been identified but there are considerable gaps in our knowledge, particularly associated with understanding and accounting for the temporal and spatial variation of aquatic C fluxes at regional to global scales, which we know from local scale studies, to be substantial. In this thesis, three important regional hotspots of LOAC activity were identified, where significant gaps in our understanding remain.For the boreal region, an empirical model is developed to produce the first high resolution maps of boreal lake pCO2 and CO2 evasion, providing a new estimate for total evasion from boreal lakes of 189 (74–347) Tg C yr-1, which is more than double the previous best estimate. The model is also used along with future projections of terrestrial NPP and precipitation, to predict future lake CO2 evasion under future climate change and land-use scenarios, and it is found that even under the most conservative scenario CO2 evasion from boreal lakes may increase 38% by 2100. For the Amazon Basin, the ORCHILEAK land surface model driven by a newly developed wetland forcing file, is used to show that the export of C to and CO2 evasion from inland waters is highly interannually variable; greatest during wet years and lowest during droughts. However, at the same time overall net ecosystem productivity (NEP) and C sequestration is highest during wet years, partly due to reduced decomposition rates in water-logged floodplain soils. Furthermore, it is shown that aquatic C fluxes display greater variation than terrestrial C fluxes, and that this variation significantly dampens the interannual variability in NEP of the Amazon basin by moderating terrestrial variation. Finally, ORCHILEAK is applied to the Congo Basin to investigate the evolution of the integrated aquatic and terrestrial C fluxes from 1861 to the present day, and in turn to 2099 under a future climate and land-use scenario. It is shown that terrestrial and aquatic fluxes increase substantially over time, both over the historical period and into the future, and that these increases are largely driven by atmospheric CO2. The proportion of terrestrial NPP lost to the LOAC also rises from 3% in 1861 to 5% in 2099 and this trend is driven not only by atmospheric CO2 but also by climate change. This is in contrast to the boreal region where the proportion of NPP exported to inland waters is predicted to remain relatively constant, and to the Amazon, where a decrease has been predicted, due to differences in projected climate change. / L’état de l’art dans le domaine a montré qu’il y avait un lien étroit entre les cycles du carbone terrestre et aquatique :en effet, une partie du carbone fixé par photosynthèse (productivité primaire brute) est transférée vers les milieux aquatiques continentaux pour être ensuite transporté latéralement sous forme de carbone organique dissous (COD), de carbone organique particulaire (COP), de carbone inorganique dissous (CID). Durant ce transfert latéral, le carbone peut être minéralisé puis réémis vers l’atmosphère sous forme de CO2 ou enfoui dans les sédiments. Cependant, nous sommes encore loin de bien comprendre et surtout de quantifier les variations temporelles et spatiales des flux de carbones à l’échelle régionale et globale, même si les études faites à l’échelle locale nous montrent qu’elles sont importantes. Au cours de cette thèse, nous nous sommes focalisés sur 3 grandes régions pour lesquelles la connaissance des flux de carbone le long du continuum aquatique reliant les écosystèmes terrestres aux océans étaient encore très parcellaire.Pour la région boréale, un modèle empirique a été développé afin de produire les premières cartes à haute résolution de pCO2 et d’émission de CO2 pour les lacs boréaux. Les résultats du modèle nous ont permis de contraindre les émissions totales de CO2 pour les lacs boréaux à 189 (74-347) Tg C an-1, soit plus du double des estimations précédentes. Ce modèle a ensuite été couplé aux projections de production primaire brute terrestre et de précipitations afin de prédire les émissions de CO2 pour ces lacs pour différents scénarios de changement climatique et d’occupation des sols. Les résultats montrent que même en prenant le scénario le plus conservatif, les émissions de CO2 des lacs boréaux augmenteraient de 38% d’ici 2100.Pour le bassin de l’Amazone, le modèle d’écosystème terrestre ORCHILEAK, paramétré par de nouvelles donnés de forçage des zones humides, a été utilisé pour démontrer que l’export de carbone terrestre vers les réseaux fluviaux ainsi que les émissions de CO2 ont une très grande variabilité interannuelle :émissions élevées lors des années à forte précipitation et basses lors des années sèches. Cependant, la productivité nette de l’écosystème (PNE) Amazone et la fixation nette de carbone à l’échelle du bassin sont plus élevées lors des années humides, en partie dû au taux de décomposition de carbone organique réduit lorsque les sols sont saturés en eau. De plus, les résultats montrent que les flux de carbone des systèmes aquatiques ont une plus grande variabilité que les flux terrestres, ce qui atténue considérablement la variabilité interannuelle de la PNE du bassin de l'Amazone.Pour finir, nous avons appliqué ORCHILEAK au bassin du Congo afin d’étudier l’évolution intégrée des flux de carbone terrestres et aquatiques de 1861 à nos jours, ainsi que de projeter leur devenir au cours du 21eme siècle selon les scénarios de changement climatiques et de changement d’occupation des sols. Nous avons montré que les flux terrestres et aquatiques augmentent de façon significative durant la période historique et dans le futur, cette augmentation étant largement induite par l’augmentation du CO2 atmosphérique et, dans une moindre mesure, par le changement climatique. En particulier, la proportion de la productivité primaire brute terrestre exportée vers le continuum aquatique passe de 3% en 1861 à 5% en 2099. Ce résultat contraste avec ceux obtenu pour la région boréale où cette proportion reste relativement constante et pour l’Amazone où c’est une baisse qui est en fait prédite. Ces différences s’expliquent par des trajectoires de changement climatique distinctes pour ces 3 régions. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Climate models are essential for generating future climate projections. However, due to simplifications, the models can produce systematic differences between output and reality, which is referred to as model bias. Bias adjustment methods aim to reduce this error, which is important for making future projections more reliable. Here, the suitability of four different bias adjustment methods was tested: distribution-based (Distribution Scaling (DS), Quantile Delta Mapping (QDM)) and non-distribution- based methods (Copula, Multivariate Bias Correction (MBCn)), of which each one univariate and one multivariate approach. The methods were assessed on climate future projections together with a non bias adjusted data set, focusing on their impacts on hydrological modelling simulations. For this, 16 hydrological signatures were analysed and categorized into: 1) water balance and flow dynamics, 2) seasonal behaviour of the flow, 3) low flow characteristics and 4) high flow characteristics. The assessment was carried out based on 50 catchments in Sweden, 10 climate models and one hydrological model. Most noticeable differences were observed between distribution-based and non-distribution-based methods, rather than between univariate and multivariate methods. Bias adjustment methods introduce half as much variation as climate models, catchments contribute substantially more to the projected signatures. Specific hydrological signatures differed regionally, such as changes in the average spring streamflow magnitude and greater bias adjustment variations in low- and high-flow frequencies, compared to varia- tions among catchments, suggesting a shift in the frequency of extreme streamflow events in the future. The choice of bias adjustment method impacted ’High flow characteristics’ the strongest. The Copula method deviated in the trend analysis by utilizing an existing trend. This research prompts further exploration of variation between current and projected future climate, or the inclusion of other variables that might impact projections, to determine the necessity of the methods. / Vi befinner oss i en tid av klimatförändringar. Det blir mer och mer synligt och klimatet kommer förändras i närtid och långt fram i tiden. Men hur exakt kommer det vara i slutet av detta århundrade? För att förutspå det, används klimatmodeller. Dock kan klimatmodeller bara ge en uppskattning om hur det kommer se ut, eftersom de måste förenkla jordsystem och klimat genom simplifieringar och antaganden, för att kunna beräkna projektionen. Det betyder att klimatprojektioner är ingen särskilt exakt förutsägelse. För att projicera framtidens vattenföring i en förändrande klimat, behöver an först modellera framtidens klimat och ut ur det modellera framtidens hydrologiska processer genom hydrologiska modeller. Kombinationer av flera modelltyper kallas modellkedja. För att projicera framtidens klimat, behövs en hel modell-kedja som består av klimatmodeller och hydrologiska modeller. Ju fler delar en modell-kedjan består av, desto osäkrare blir projektionen. Osäkerheten kallas systematiskt och slumpmässigt fel, kort bias. För att förbättra projektionen kan man inkluderar en så kallat bias korrektions metod, vars syfte är att minska biasen med en massa ekvationer och underliggande algoritmer. Det finns flera olika metoder, baserade på olika algoritmer, som beroende på algoritmernas innehåll är mer eller mindre komplicerad.  Jag undersökte i det här projektet, om det gör en skillnad, vilket bias korrektur metod man använder för att förbättra sitt klimat projektion. Det kan, t.ex. vara intressant att veta, när man måste bestämma sig mellan olika bias korrektur metoder som innehåller olika nivåer av komplexitet som användaren måste förstå sig på för att beräkna och korrigerar dataset som är utdatan från klimatmodellerna. För att testa det, tog jag ett existerande stort dataset (bestående av 4 olika bias korrektur metoder och ett dataset som inte var bias korrigerad, med 10 stycken klimatprojektioner för 50 avrinningsområden jämt utspridda över hela Sverige). För att kunna ge en omfattande överblick av framtidens klimat, beräknade jag flera, så kallade hydrologiska signaturer av vattenföringens karakteristik. De signaturer testades statistiskt för att visar avvikande och liknande betedde.  Metoder som korrigerar systematiskt fel betog sig ganska lika varandra, dock introducerades ungefär hälften så mycket variation som hos de 10 testade klimatmodeller, däremot introducerade de 50 flodbäcken mycket mer variation än bias korrektur metoderna, förutom vissa undantag. Jämförelsen föreslår en förändring i vårflöde och ett betydligt skifte i extremflöden i framtiden, jämfört med dagens flöde i älvarna. Det syns att det som blivit påverkat mest av från valet av bias korrektur metoder är kategorin "hög flod drag".  Det här projektet är bara en liten del av en större forskning, och det finns mycket kvar att studera. I framtidens forskning skulle det vara intressant att jämföra skillnaden mellan dagens avloppet och i framtiden och hur stor skillnaden är, jämfört med styrkan av variationen mellan de testade bias korrektur metoder. Därmed kunde man minska forskningsgapet ytterligare, och göra ett noggrant konstaterande i samband med olika bias korrektur metoder och om valets betydelse.

En sjukdom kan många gånger härledas till en kaskadereaktion mellan proteiner, co-faktorer och substrat. Denna kaskadreaktion blir många gånger målet för att behandla sjukdomen med läkemedel. För att designa nya läkemedelsmoleyler används vanligen datorbaserade verktyg. Denna design av läkemedelsmolekyler drar stor nytta av att målproteinet är känt och då framförallt dess tredimensionella (3D) struktur. Är 3D-strukturen känd kan man utföra så kallad struktur- och datorbaserad molekyldesign, 3D-geometrin (f.f.a. för inbindningsplatsen) blir en vägledning för designen av en ny molekyl. Många faktorer avgör interaktionen mellan en molekyl och bindningsplatsen, till exempel fysikalisk-kemiska egenskaper hos molekylen och bindningsplatsen, flexibiliteten i molekylen och målproteinet, och det omgivande lösningsmedlet. För att strukturbaserad molekyldesign ska fungera väl måste två viktiga steg utföras: i) 3D anpassning av molekyler till bindningsplatsen i ett målprotein (s.k. dockning) och ii) prediktion av molekylers affinitet för bindningsplatsen. Huvudsyftena med arbetet i denna avhandling var som följer: i) skapa modeler för att prediktera affiniteten mellan en molekyl och bindningsplatsen i ett målprotein; ii) förfina molekyl-protein-geometrin som skapas vid 3D-anpassning mellan en molekyl och bindningsplatsen i ett målprotein (s.k. dockning); iii) karaktärisera proteiner och framför allt deras sekundärstruktur; iv) bedöma effekten av olika matematiska beskrivningar av lösningsmedlet för förfining av 3D molekyl-protein-geometrin skapad vid dockning och prediktion av molekylers affinitet för proteiners bindningsfickor. Ett övergripande syfte var att använda kemometriska metoder för modellering och dataanalys på de ovan nämnda punkterna. För att sammanfatta så presenterar denna avhandling metoder och resultat som är användbara för strukturbaserad molekyldesign. De rapporterade resultaten visar att det är möjligt att skapa kemometriska modeler för prediktion av molekylers affinitet för bindningsplatsen i ett protein och att dessa presterade lika bra som andra vanliga metoder. Dessutom kunde kemometriska modeller skapas för att beskriva effekten av hur inställningarna för olika parametrar i dockningsprogram påverkade den 3D molekyl-protein-geometrin som dockingsprogram skapade. Vidare kunde kemometriska modeller andvändas för att öka förståelsen för deskriptorer som beskrev sekundärstrukturen i proteiner. Förfining av molekyl-protein-geometrin skapad genom dockning gav liknande och ickesignifikanta resultat oberoende av vilken matematisk modell för lösningsmedlet som användes, förutom för ett fåtal (sex av 30) fall. Däremot visade det sig att användandet av en förfinad geometri var värdefullt för prediktion av molekylers affinitet för bindningsplatsen i ett protein. Förbättringen av prediktion av affintitet var markant då en Poisson-Boltzmann beskrivning av lösningsmedlet användes; jämfört med prediktionerna gjorda med ett dockningsprogram förbättrades korrelationen mellan beräknad affintiet och uppmätt affinitet med 0,7 (R2). / A disease is often associated with a cascade reaction pathway involving proteins, co-factors and substrates. Hence to treat the disease, elements of this pathway are often targeted using a therapeutic agent, a drug. Designing new drug molecules for use as therapeutic agents involves the application of methods collectively known as computer-aided molecular design, CAMD. When the three dimensional (3D) geometry of a macromolecular target (usually a protein) is known, structure-based CAMD is undertaken and structural information of the target guides the design of new molecules and their interactions with the binding sites in targeted proteins. Many factors influence the interactions between the designed molecules and the binding sites of the target proteins, such as the physico-chemical properties of the molecule and the binding site, the flexibility of the protein and the ligand, and the surrounding solvent. In order for structure-based CAMD to be successful, two important aspects must be considered that take the abovementioned factors into account. These are; i) 3D fitting of molecules to the binding site of the target protein (like fitting pieces of a jigsaw puzzle), and ii) predicting the affinity of molecules to the protein binding site. The main objectives of the work underlying this thesis were: to create models for predicting the affinity between a molecule and a protein binding site; to refine the geometry of the molecule-protein complex derived by or in 3D fitting (also known as docking); to characterize the proteins and their secondary structure; and to evaluate the effects of different generalized-Born (GB) and Poisson-Boltzmann (PB) implicit solvent models on the refinement of the molecule-protein complex geometry created in the docking and the prediction of the molecule-to-protein binding site affinity. A further objective was to apply chemometric methodologies for modeling and data analysis to all of the above. To summarize, this thesis presents methodologies and results applicable to structure-based CAMD. Results show that predictive chemometric models for molecule-to-protein binding site affinity could be created that yield comparable results to similar, commonly used methods. In addition, chemometric models could be created to model the effects of software settings on the molecule-protein complex geometry using software for molecule-to-binding site docking. Furthermore, the use of chemometric models provided a more profound understanding of protein secondary structure descriptors. Refining the geometry of molecule-protein complexes created through molecule-to-binding site docking gave similar results for all investigated implicit solvent models, but the geometry was significantly improved in only a few examined cases (six of 30). However, using the geometry-refined molecule-protein complexes was highly valuable for the prediction of molecule-to-binding site affinity. Indeed, using the PB solvent model it yielded improvements of 0.7 in correlation coefficients (R2) for binding affinity parameters of a set of Factor Xa protein drug molecules, relative to those obtained using the fitting software.

<p>For the projects titled Undergraduate Students’ Interpretation of Fischer and Haworth Carbohydrate Projections and Undergraduate Students' Interpretation of Glycosidic Bonds – there is a prevalent issue in biochemistry education in which students display fragmented knowledge of the biochemical concepts learned when asked to illustrate their understandings (via drawings, descriptions, analysis, etc.). In science education, educators have traditionally used illustrations to support students’ development of conceptual understanding. However, interpreting a representation is dependent on prior knowledge, ability to decode visual information, and the nature of the representation itself. With a prevalence of studies conducted on visualizations, there is little research with a focus on the students’ interpretation and understanding of carbohydrates and/or glycosidic bonds. The aim of these projects focuses on how students interpret representations of carbohydrates and glycosidic bonds. This study offers a description of undergraduate students’ understanding and interpretation using semi-structured interviews through Phenomenography, Grounded Theory and the Resources Frameworks. The data suggests that students have different combinations of (low or high) accuracy and productivity for interpreting and illustrating carbohydrates and glycosidic bonds, among other findings to be highlighted in their respective chapters. More effective teaching strategies can be designed to assist students in developing expertise in proper illustrations and guide their thought process in composing proper explanations in relation to and/or presence of illustrations.</p> <p><br></p> <p>For the project titled Impact of the Pandemic on Student Readiness: Laboratories, Preparedness, and Support – it was based upon research by Meaders et. al (2021) published in the International Journal of STEM Education. Messaging during the first day of class is highly important in establishing positive student learning environments.  Further, this research suggests that students are detecting the messages that are communicated.  Thus, attention should be given to prioritizing what information and messages are most important for faculty to voice. There is little doubt that the pandemic has had a significant impact on students across the K-16 spectrum.  In particular, for undergraduate chemistry instructors’, data on the number of laboratories students completed in high school and in what mode would be important information in considering what modifications could be implemented in the laboratory curriculum and in messaging about the laboratory activities – additionally on how prepared students feel to succeed at college work, how the pandemic has impacted their preparedness for learning, and what we can do to support student learning in chemistry can shape messaging on the first day and for subsequent activities in the course.  An initial course survey that sought to highlight these student experiences and perspectives will be discussed along with the impact on course messaging and structure.    </p> <p><br></p>

Integrated data analyses are becoming increasingly popular in studies of wild animal populations where two or more separate sources of data contain information about common parameters. Here we develop an integrated population model using abundance and demographic data from a study of common guillemots (Uria aalge) on the Isle of May, southeast Scotland. A state-space model for the count data is supplemented by three demographic time series (productivity and two mark-recapture-recovery (MRR)), enabling the estimation of prebreeder emigration rate - a parameter for which there is no direct observational data, and which is unidentifiable in the separate analysis of MRR data. A Bayesian approach using MCMC provides a flexible and powerful analysis framework. This model is extended to provide predictions of future population trajectories. Adopting random effects models for the survival and productivity parameters, we implement the MCMC algorithm to obtain a posterior sample of the underlying process means and variances (and population sizes) within the study period. Given this sample, we predict future demographic parameters, which in turn allows us to predict future population sizes and obtain the corresponding posterior distribution. Under the assumption that recent, unfavourable conditions persist in the future, we obtain a posterior probability of 70% that there is a population decline of >25% over a 10-year period. Lastly, using MRR data we test for spatial, temporal and age-related correlations in guillemot survival among three widely separated Scottish colonies that have varying overlap in nonbreeding distribution. We show that survival is highly correlated over time for colonies/age classes sharing wintering areas, and essentially uncorrelated for those with separate wintering areas. These results strongly suggest that one or more aspects of winter environment are responsible for spatiotemporal variation in survival of British guillemots, and provide insight into the factors driving multi-population dynamics of the species.

Τα συστήματα πολλαπλών κεραιών στον πομπό και στο δέκτη (MIMO) αποτελούν βασικά μέτωπα ανάπτυξης των ασύρματων επικοινωνιών. Ωστόσο, η εφαρμογή της τεχνολογίας MIMO στα κινητά δίκτυα επικοινωνιών αντιμετωπίζει το πρακτικό πρόβλημα της ενσωμάτωσης πολλαπλών κεραιών σε μικρά κινητά τερματικά. Με σκοπό την αντιμετώπιση του εμποδίου αυτού, δημιουργήθηκε ένα άλλο σημαντικό μέτωπο έρευνας, αυτό των συνεργατικών επικοινωνιών. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ασχοληθήκαμε με την ανάπτυξη και μελέτη αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος για τα δύο παραπάνω συστήματα. Σχετικά με τα συστήματα MIMO η πρωτοποριακή έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα Bell labs στα μέσα της δεκαετίας του ΄90, απέδειξε ότι η χρήση πολλαπλών κεραιών μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική αύξηση της χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων βελτιώνοντας την αξιοπιστία της μετάδοσης. Προκειμένου να αξιοποιηθούν οι παραπάνω δυνατότητες απαιτείται η σχεδίαση σύνθετων δεκτών MIMO. Προς αυτήν την κατεύθυνση έχει στραφεί ένας μεγάλος αριθμός μεθόδων ισοστάθμισης του καναλιού και πιο συγκεκριμένα δεκτών ανατροφοδότησης αποφάσεων. Δεδομένου ότι σε ευρυζωνικά συστήματα επικοινωνιών το ασύρματο κανάλι είναι άγνωστο στο δέκτη και μεταβάλλεται χρονικά, στραφήκαμε προς τις προσαρμοστικές μεθόδους ισοστάθμισης. Στα πλαίσια της διαριβής αναζήτησαμε προσαρμοστικούς αλγόριθμους κατάλληλους για τη σχεδίαση προσαρμοστικών ισοσταθμιστών MIMO DFE με τα εξής χαρακτηριστικά: 1) να παρουσιάζουν απόδοση (ταχύτητα σύγκλισης) συγκρίσιμη με αυτή του RLS, 2) η υπολογιστική τους πολυπλοκότητα να είναι μικρότερη από αυτή του RLS και 3) να είναι αριθμητικά ευσταθείς. ΄Εχει αποδειχθεί ότι προσαρμοστικοί αλγόριθμοι που βασίζονται στη μέθοδο των συζυγών κλίσεων (conjugate gradient (CG)) πληρούν τις παραπάνω προϋποθέσεις. Αρχικά αναζητήσαμε τεχνικές που βασίζονται στη μέθοδο αυτή και χρησιμοποιούνται σε προβλήματα προσαρμοστικού φιλτραρίσματος και πιο ειδικά, στο πρόβλημα προσαρμοστικής ισοστάθμισης διαύλου στη περίπτωση SISO. Πιο συγκεκριμένα, υλοποιήσαμε έναν προσαρμοστικό αλγόριθμο στο πεδίο των συχνοτήτων που επεξεργάζεται τα δεδομένα κάθε φορά που λαμβάνεται ένα νέο εισερχόμενο πακέτο δεδομένων. Ο προτεινόμενος ισοσταθμιστής πετυχαίνει μια πολύ καλή απόδοση, ενώ οι υπολογιστικές του απαιτήσεις είναι πολύ χαμηλές. Στη συνέχεια αναπτύξαμε τρεις νέους αλγορίθμους προσαρμοστικής ισοστάθμισης συχνοτικά επιλεκτικών συστημάτων MIMO, που βασίζονται στη μέθοδο CG και στις προβολές Galerkin. Το πρόβλημα σχεδιασμού προσαρμοστικών MIMO DFE αντιμετωπίζεται ως ένα πρόβλημα επίλυσης γραμμικών εξισώσεων, με πολλαπλά δεξιά μέλη, που εξελίσσεται στο χρόνο. Επισημαίνουμε ότι τα σχήματα που προτείνουμε θα μπορούσαν να αποτελέσουν ένα γενικότερο πλαίσιο σχεδίασης προσαρμοστικών δεκτών για συχνοτικά επιλεκτικά συστήματα MIMO, με ιδιότητες σύγκλισης παρόμοιες με αυτές του RLS, έχοντας, ωστόσο, μικρότερες υπολογιστικές απαιτήσεις. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύξαμε τεχνικές εκτίμησης καναλιού για συνεργατικά δίκτυα με N αναμεταδότες που είτε ενισχύουν και αναμεταδίδουν ή αποκωδικοποιούν και αναμεταδίδουν το λαμβανόμενο σήμα. ΄Ολες οι τεχνικές εκτίμησης που προτείναμε υλοποιούνται εξ΄ ολοκλήρου στο πεδίο των συχνοτήτων. Αρχικά παρουσιάσαμε τεχνικές που βασίζονται στη μετάδοση πιλοτικών συμβόλων σε συγκεκριμένες συχνοτικές συνιστώσες. Στη συνέχεια αποδείξαμε ότι όλα τα κανάλια από την πηγή μέσω των αναμεταδοτών προς τον προορισμό μπορούν να εκτιμηθούν τυφλά εάν γνωρίζουμε τις φάσεις της απόκρισης συχνότητας του ασύρματου καναλιού μεταξύ πηγής και προορισμού.. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε ϑεωρητική ανάλυση της απόδοσης των προτεινόμενων σχημάτων η οποία επαληθεύτηκε μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστή. Τέλος, αξιολογήσαμε πειραματικά διάφορα πρωτόκολλα συνεργατικής επικοινωνίας (AF, DF, SF) και τεχνικές κατανεμημένης χωροχρονικής επεξεργασίας DSTC για συνεργατικά δίκτυα σε μια πλατφόρμα υλοποίησης πραγματικού χρόνου που χρησιμοποιεί επεξεργαστές ψηφιακής επεξεργασίας σήματος. Διαπιστώσαμε ότι τα πειραματικά αποτελέσματα συμφωνούν πλήρως με τα θεωρητικά. / Systems employing multiple antennas at the transmitter and the receiver, known as MIMO (multiinput multioutput) systems, as well as space time coding techniques developed for such systems, are two of the main technologies employed for the evolution of wireless communications. However, the application of MIMO technology to mobile networks, often faces the practical implementation problem of having too many antennas on a small mobile terminal. In an attempt to overcome such a severe limitation, cooperative communication schemes have been proposed. This PhD dissertation, described our work on the design and analysis of signal processing algorithms for the two aforementioned systems, as is described in detail next. Concerning MIMO systems, the pioneering work performed at Bell Labs in the middle of the nineties, proved that the use of multiple antennas can lead to a significant increase in wireless systems capacity. To exploit this potential, sophisticated MIMO receivers should be designed. To this end, a large amount of channel equalizers and, more specifically, decision feedback equalizers has been proposed. Because these assumptions are difficult to meet in high rate single carrier systems, we have focused our attention on decision feedback equalizers. . Our main goal is to derive algorithms for updating the MIMO DFE filters with the following characteristics: 1) convergence properties similar to these of the RLS 2) more computationally efficient than RLS and 3) numerically stable. It is known that adaptive algorithms based on the CG (conjugate gradient) have the above characteristics We initially studied this method as an iterative method for solving linear equations and we pointed out the main differences with the steepest descent method, on which the LMS algorithm is based. An extended search of adaptive DFE algorithms, based on the CG method was carried out. More specifically, a new block adaptive CG algorithm was developed. In the resulting algorithm, one CG iteration per block update is executed. In order to reduce even more the complexity, the algorithm was implemented in the Frequency Domain. The proposed equalizer offers a good performance - complexity trade off. Three new adaptive equalization algorithms for wireless systems operating over frequency selective MIMO channels, based on the CG method and the Galerkin projection method, are proposed. The problem of MIMO decision feedback equalizer (DFE) design is formulated as a set of linear equations with multiple righthand sides (RHSs) evolving in time. These schemes provide a flexible framework in MIMO adaptive equalization design to implement schemes with convergence properties comparable to the RLS, but of lower computational cost. Furthermore, we worked on channel estimation for cooperative communication networks, where the nodes either simply amplify and forward the received signal, or they decode and transmit the signal (DF). We first propose efficient channel estimation techniques for relay networks with N relays. The new methods are implemented in the frequency domain (FD). Initially, training based techniques are presented, where the training pilots are multiplexed with the data in the frequency domain. It is then shown that all the channels in the network can be estimated blindly provided that we know the phases of the frequency response of the (Source → Destination) channel. Thus, by making use of a small number of pilots in only one link (the sourcetodestination link) we can estimate all the other channels (Source→Relay i→Destination) in the network. A theoretical performance study of the proposed algorithms is presented and closed form expressions for the mean squared channel estimation error are provided. The presented theoretical analysis is verified by extensive Monte Carlo simulations. The application of the derived schemes to the DF case, and the impact of erroneous detection to their performance are also studied. Finally, we investigated experimentally four cooperative relaying schemes: amplify and forward (AF), detect and forward (DF), cooperative maximum ratio combining (CMRC) and distributed spacetime coding (DSTC), and one novel selection relaying (SR) scheme on a realtime DSP based testbed. The experimental results are fairly close to the ones predicted by theory