Stuttgart, Univ., Studienarb., 2004.

There is a great deal of uncertainty in hydrogeological modeling. Overparametrized models increase uncertainty since the information of the observations is distributed through all of the parameters. The present study proposes a new option to reduce this uncertainty. A way to achieve this goal is to select a model which provides good performance with as few calibrated parameters as possible (parsimonious model) and to calibrate it using many sources of information. Akaike’s Information Criterion (AIC), proposed by Hirotugu Akaike in 1973, is a statistic-probabilistic criterion based on the Information Theory, which allows us to select a parsimonious model. AIC formulates the problem of parsimonious model selection as an optimization problem across a set of proposed conceptual models. The AIC assessment is relatively new in groundwater modeling and it presents a challenge to apply it with different sources of observations. In this dissertation, important findings in the application of AIC in hydrogeological modeling using different sources of observations are discussed. AIC is tested on ground-water models using three sets of synthetic data: hydraulic pressure, horizontal hydraulic conductivity, and tracer concentration. In the present study, the impact of the following factors is analyzed: number of observations, types of observations and order of calibrated parameters. These analyses reveal not only that the number of observations determine how complex a model can be but also that its diversity allows for further complexity in the parsimonious model. However, a truly parsimonious model was only achieved when the order of calibrated parameters was properly considered. This means that parameters which provide bigger improvements in model fit should be considered first. The approach to obtain a parsimonious model applying AIC with different types of information was successfully applied to an unbiased lysimeter model using two different types of real data: evapotranspiration and seepage water. With this additional independent model assessment it was possible to underpin the general validity of this AIC approach. / Hydrogeologische Modellierung ist von erheblicher Unsicherheit geprägt. Überparametrisierte Modelle erhöhen die Unsicherheit, da gemessene Informationen auf alle Parameter verteilt sind. Die vorliegende Arbeit schlägt einen neuen Ansatz vor, um diese Unsicherheit zu reduzieren. Eine Möglichkeit, um dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, ein Modell auszuwählen, das ein gutes Ergebnis mit möglichst wenigen Parametern liefert („parsimonious model“), und es zu kalibrieren, indem viele Informationsquellen genutzt werden. Das 1973 von Hirotugu Akaike vorgeschlagene Informationskriterium, bekannt als Akaike-Informationskriterium (engl. Akaike’s Information Criterion; AIC), ist ein statistisches Wahrscheinlichkeitskriterium basierend auf der Informationstheorie, welches die Auswahl eines Modells mit möglichst wenigen Parametern erlaubt. AIC formuliert das Problem der Entscheidung für ein gering parametrisiertes Modell als ein modellübergreifendes Optimierungsproblem. Die Anwendung von AIC in der Grundwassermodellierung ist relativ neu und stellt eine Herausforderung in der Anwendung verschiedener Messquellen dar. In der vorliegenden Dissertation werden maßgebliche Forschungsergebnisse in der Anwendung des AIC in hydrogeologischer Modellierung unter Anwendung unterschiedlicher Messquellen diskutiert. AIC wird an Grundwassermodellen getestet, bei denen drei synthetische Datensätze angewendet werden: Wasserstand, horizontale hydraulische Leitfähigkeit und Tracer-Konzentration. Die vorliegende Arbeit analysiert den Einfluss folgender Faktoren: Anzahl der Messungen, Arten der Messungen und Reihenfolge der kalibrierten Parameter. Diese Analysen machen nicht nur deutlich, dass die Anzahl der gemessenen Parameter die Komplexität eines Modells bestimmt, sondern auch, dass seine Diversität weitere Komplexität für gering parametrisierte Modelle erlaubt. Allerdings konnte ein solches Modell nur erreicht werden, wenn eine bestimmte Reihenfolge der kalibrierten Parameter berücksichtigt wurde. Folglich sollten zuerst jene Parameter in Betracht gezogen werden, die deutliche Verbesserungen in der Modellanpassung liefern. Der Ansatz, ein gering parametrisiertes Modell durch die Anwendung des AIC mit unterschiedlichen Informationsarten zu erhalten, wurde erfolgreich auf einen Lysimeterstandort übertragen. Dabei wurden zwei unterschiedliche reale Messwertarten genutzt: Evapotranspiration und Sickerwasser. Mit Hilfe dieser weiteren, unabhängigen Modellbewertung konnte die Gültigkeit dieses AIC-Ansatzes gezeigt werden.

There is a great deal of uncertainty in hydrogeological modeling. Overparametrized models increase uncertainty since the information of the observations is distributed through all of the parameters. The present study proposes a new option to reduce this uncertainty. A way to achieve this goal is to select a model which provides good performance with as few calibrated parameters as possible (parsimonious model) and to calibrate it using many sources of information. Akaike’s Information Criterion (AIC), proposed by Hirotugu Akaike in 1973, is a statistic-probabilistic criterion based on the Information Theory, which allows us to select a parsimonious model. AIC formulates the problem of parsimonious model selection as an optimization problem across a set of proposed conceptual models. The AIC assessment is relatively new in groundwater modeling and it presents a challenge to apply it with different sources of observations. In this dissertation, important findings in the application of AIC in hydrogeological modeling using different sources of observations are discussed. AIC is tested on ground-water models using three sets of synthetic data: hydraulic pressure, horizontal hydraulic conductivity, and tracer concentration. In the present study, the impact of the following factors is analyzed: number of observations, types of observations and order of calibrated parameters. These analyses reveal not only that the number of observations determine how complex a model can be but also that its diversity allows for further complexity in the parsimonious model. However, a truly parsimonious model was only achieved when the order of calibrated parameters was properly considered. This means that parameters which provide bigger improvements in model fit should be considered first. The approach to obtain a parsimonious model applying AIC with different types of information was successfully applied to an unbiased lysimeter model using two different types of real data: evapotranspiration and seepage water. With this additional independent model assessment it was possible to underpin the general validity of this AIC approach. / Hydrogeologische Modellierung ist von erheblicher Unsicherheit geprägt. Überparametrisierte Modelle erhöhen die Unsicherheit, da gemessene Informationen auf alle Parameter verteilt sind. Die vorliegende Arbeit schlägt einen neuen Ansatz vor, um diese Unsicherheit zu reduzieren. Eine Möglichkeit, um dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, ein Modell auszuwählen, das ein gutes Ergebnis mit möglichst wenigen Parametern liefert („parsimonious model“), und es zu kalibrieren, indem viele Informationsquellen genutzt werden. Das 1973 von Hirotugu Akaike vorgeschlagene Informationskriterium, bekannt als Akaike-Informationskriterium (engl. Akaike’s Information Criterion; AIC), ist ein statistisches Wahrscheinlichkeitskriterium basierend auf der Informationstheorie, welches die Auswahl eines Modells mit möglichst wenigen Parametern erlaubt. AIC formuliert das Problem der Entscheidung für ein gering parametrisiertes Modell als ein modellübergreifendes Optimierungsproblem. Die Anwendung von AIC in der Grundwassermodellierung ist relativ neu und stellt eine Herausforderung in der Anwendung verschiedener Messquellen dar. In der vorliegenden Dissertation werden maßgebliche Forschungsergebnisse in der Anwendung des AIC in hydrogeologischer Modellierung unter Anwendung unterschiedlicher Messquellen diskutiert. AIC wird an Grundwassermodellen getestet, bei denen drei synthetische Datensätze angewendet werden: Wasserstand, horizontale hydraulische Leitfähigkeit und Tracer-Konzentration. Die vorliegende Arbeit analysiert den Einfluss folgender Faktoren: Anzahl der Messungen, Arten der Messungen und Reihenfolge der kalibrierten Parameter. Diese Analysen machen nicht nur deutlich, dass die Anzahl der gemessenen Parameter die Komplexität eines Modells bestimmt, sondern auch, dass seine Diversität weitere Komplexität für gering parametrisierte Modelle erlaubt. Allerdings konnte ein solches Modell nur erreicht werden, wenn eine bestimmte Reihenfolge der kalibrierten Parameter berücksichtigt wurde. Folglich sollten zuerst jene Parameter in Betracht gezogen werden, die deutliche Verbesserungen in der Modellanpassung liefern. Der Ansatz, ein gering parametrisiertes Modell durch die Anwendung des AIC mit unterschiedlichen Informationsarten zu erhalten, wurde erfolgreich auf einen Lysimeterstandort übertragen. Dabei wurden zwei unterschiedliche reale Messwertarten genutzt: Evapotranspiration und Sickerwasser. Mit Hilfe dieser weiteren, unabhängigen Modellbewertung konnte die Gültigkeit dieses AIC-Ansatzes gezeigt werden.

Die vorliegende Arbeit hat nichtparametrische Schätzmethoden für diskret beobachtete Lévyprozesse zum Gegenstand. Ein Lévyprozess mit endlichen zweiten Momenten und endlicher Variation auf Kompakta wird niederfrequent beobachtet. Die Sprungdynamik wird vollständig durch das endliche signierte Maß my(dx):= x ny(dx) beschrieben. Ein lineares Funktional von my soll nichtparametrisch geschätzt werden. Im ersten Teil werden Kernschätzer konstruiert und obere Schranken für das korrespondierende Risiko bewiesen. Daraus werden Konvergenzraten unter Glattheitsannahmen an das Lévymaß hergeleitet. Für Spezialfälle werden untere Schranken bewiesen und daraus Minimax-Optimalität gefolgert. Der Schwerpunkt liegt auf dem Problem der datengetriebenen Wahl des Glättungsparameters, das im zweiten Teil untersucht wird. Da die nichtparametrische Schätzung für Lévyprozesse starke strukturelle Ähnlichkeiten mit Dichtedekonvolutionsproblemen mit unbekannter Fehlerdichte aufweist, werden beide Problemstellungen parallel diskutiert und die Methoden allgemein sowohl für Lévyprozesse als auch für Dichtedekonvolution entwickelt. Es werden Methoden der Modellwahl durch Penalisierung angewandt. Während das Prinzip der Modellwahl im üblichen Fall darauf beruht, dass die Fluktuation stochastischer Terme durch Penalisierung mit einer deterministischen Größe beschränkt werden kann, ist die Varianz im hier betrachteten Fall unbekannt und der Strafterm somit stochastisch. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt darauf, Strategien zum Umgang mit dem stochastischen Strafterm zu entwickeln. Dabei ist ein modifizierter Schätzer für die charakteristische Funktion im Nenner zentral, der es erlaubt, die punktweise Kontrolle der Abweichung dieses Objects von seiner Zielgröße auf die gesamte reelle Achse zu erweitern. Für die Beweistechnik sind insbesondere Talagrand-Konzentrationsungleichungen für empirische Prozesse relevant. / This thesis deals with nonparametric estimation methods for discretely observed Lévy processes. A Lévy process X having finite variation on compact sets and finite second moments is observed at low frequency. The jump dynamics is fully described by the finite signed measure my(dx)=x ny(dx). The goal is to estimate, nonparametrically, some linear functional of my. In the first part, kernel estimators are constructed and upper bounds on the corresponding risk are provided. From this, rates of convergence are derived, under regularity assumptions on the Lévy measure. For particular cases, minimax lower bounds are proved. The rates of convergence are thus shown to be minimax optimal. The focus lies on the data driven choice of the smoothing parameter, which is being considered in the second part. Since nonparametric estimation methods for Lévy processes have strong structural similarities with with nonparametric density deconvolution with unknown error density, both fields are discussed in parallel and the concepts are developed in generality, for Lévy processes as well as for density deconvolution. The choice of the bandwidth is realized, using techniques of model selection via penalization. The principle of model selection via penalization usually relies on the fact that the fluctuation of certain stochastic quantities can be controlled by penalizing with a deterministic term. Contrarily to this, the variance is unknown in the setting investigated here and the penalty term is hence itself a stochastic quantity. It is the main concern of this thesis to develop strategies to dealing with the stochastic penalty term. The most important step in this direction will be a modified estimator of the unknown characteristic function in the denominator, which allows to make the pointwise control of this object uniform on the real line. The main technical tools involved in the arguments are concentration inequalities of Talagrand type for empirical processes.

Ziel der Dissertation ist die ebenso valide wie effiziente Vorhersage der Schmelz- und der Wärmeeinflusszone der Schweißverbindung beim Thermit-Schweißen. Dazu werden reduzierte Modelle vorgestellt, darunter ein niederdimensionales Modell des Schienenstegs und dreidimensionale Modelle des Gießsystems für das Schweißverfahren. Mit dem niederdimensionalen Modell werden mittels Parameterschätzung unbekannte Randbedingungen der Vorwärmung des Gießsystems ermittelt sowie mittels Sensitivitätsanalyse systematisch Einflüsse auf die Schmelz- und die Wärmeeinflusszone untersucht. Durch den systematischen Vergleich der vorgestellten Modelle werden Gültigkeitsgrenzen der Modelle gezielt auf die Modellreduktionen zurückgeführt und über die Modelle hinausgehende Aspekte für die Beschreibung des Schmelz- und Erstarrungsverhaltens identifiziert. Dabei wird die Validität der Modelle anhand von experimentellen Daten der Schmelz- und der Wärmeeinflusszone im Schienenlängsschnitt untersucht. / This dissertation aims at providing a valid and efficient prediction of the melting zone and heat-affected zone of thermite welds. For this purpose, reduced models are presented, including a low-dimensional model of the rail web and three-dimensional models of the casting system for the welding process. With the low-dimensional model, unknown boundary conditions of the preheating of the casting system are determined by means of parameter estimation and influences on the melting zone and the heat-affected zone are systematically examined by means of a sensitivity analysis. By a systematic comparison of the models presented, the validity limits of the models are specifically traced back to the model reductions and aspects beyond these models for the description of the melting and solidification behavior are identified. The validity of the models is examined on the basis of experimental data from the melting zone and the heat-affected zone in the longitudinal section of the rails.

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