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This study analyzes the influence of local and regional climatic factors on the stable isotopic composition of rainfall in the Vietnamese Mekong Delta (VMD) as part of the Asian monsoon region. It is based on 1.5 years of weekly rainfall samples. In the first step, the isotopic composition of the samples is analyzed by local meteoric water lines (LMWLs) and single-factor linear correlations. Additionally, the contribution of several regional and local factors is quantified by multiple linear regression (MLR) of all possible factor combinations and by relative importance analysis. This approach is novel for the interpretation of isotopic records and enables an objective quantification of the explained variance in isotopic records for individual factors. In this study, the local factors are extracted from local climate records, while the regional factors are derived from atmospheric backward trajectories of water particles. The regional factors, i.e., precipitation, temperature, relative humidity and the length of backward trajectories, are combined with equivalent local climatic parameters to explain the response variables delta O-18, delta H-2, and d-excess of precipitation at the station of measurement.
The results indicate that (i) MLR can better explain the isotopic variation in precipitation (R-2 = 0.8) compared to single-factor linear regression (R-2 = 0.3); (ii) the isotopic variation in precipitation is controlled dominantly by regional moisture regimes (similar to 70 %) compared to local climatic conditions (similar to 30 %); (iii) the most important climatic parameter during the rainy season is the precipitation amount along the trajectories of air mass movement; (iv) the influence of local precipitation amount and temperature is not sig-nificant during the rainy season, unlike the regional precipitation amount effect; (v) secondary fractionation processes (e.g., sub-cloud evaporation) can be identified through the d-excess and take place mainly in the dry season, either locally for delta O-18 and delta H-2, or along the air mass trajectories for d-excess. The analysis shows that regional and local factors vary in importance over the seasons and that the source regions and transport pathways, and particularly the climatic conditions along the pathways, have a large influence on the isotopic composition of rainfall. Although the general results have been reported qualitatively in previous studies (proving the validity of the approach), the proposed method provides quantitative estimates of the controlling factors, both for the whole data set and for distinct seasons. Therefore, it is argued that the approach constitutes an advancement in the statistical analysis of isotopic records in rainfall that can supplement or precede more complex studies utilizing atmospheric models. Due to its relative simplicity, the method can be easily transferred to other regions, or extended with other factors.
The results illustrate that the interpretation of the isotopic composition of precipitation as a recorder of local climatic conditions, as for example performed for paleorecords of water isotopes, may not be adequate in the southern part of the Indochinese Peninsula, and likely neither in other regions affected by monsoon processes. However, the presented approach could open a pathway towards better and seasonally differentiated reconstruction of paleoclimates based on isotopic records.
Assessing volcanic hazard in regions of distributed volcanism is challenging because of the uncertain location of future vents. A statistical-mechanical strategy to forecast such locations was recently proposed: here, we further develop and test it with analog models. We stress a gelatin block laterally and with surface excavations, and observe air-filled crack trajectories. We use the observed surface arrivals to sample the distributions of parameters describing the stress state of the gelatin block, combining deterministic crack trajectory simulations with a Monte Carlo approach. While the individual stress parameters remain unconstrained, we effectively retrieve their ratio and successfully forecast the arrival points of subsequent cracks.
Freely available software has popularized "mousetracking" to study cognitive processing; this involves the on-line recording of cursor positions while participants move a computer mouse to indicate their choice. Movement trajectories of the cursor can then be reconstructed off-line to assess the efficiency of responding in time and across space. Here we focus on the process of selecting among alternative numerical responses. Several studies have recently measured the mathematical mind with cursor movements while people decided about number magnitude or parity, computed sums or differences, or simply located numbers on a number line. After some general methodological considerations about mouse tracking we discuss several conceptual concerns that become particularly evident when "mousing" the mathematical mind.
Modeling and Formal Analysis of Meta-Ecosystems with Dynamic Structure using Graph Transformation
(2022)
The dynamics of ecosystems is of crucial importance. Various model-based approaches exist to understand and analyze their internal effects. In this paper, we model the space structure dynamics and ecological dynamics of meta-ecosystems using the formal technique of Graph Transformation (short GT). We build GT models to describe how a meta-ecosystem (modeled as a graph) can evolve over time (modeled by GT rules) and to analyze these GT models with respect to qualitative properties such as the existence of structural stabilities. As a case study, we build three GT models describing the space structure dynamics and ecological dynamics of three different savanna meta-ecosystems. The first GT model considers a savanna meta-ecosystem that is limited in space to two ecosystem patches, whereas the other two GT models consider two savanna meta-ecosystems that are unlimited in the number of ecosystem patches and only differ in one GT rule describing how the space structure of the meta-ecosystem grows. In the first two GT models, the space structure dynamics and ecological dynamics of the meta-ecosystem shows two main structural stabilities: the first one based on grassland-savanna-woodland transitions and the second one based on grassland-desert transitions. The transition between these two structural stabilities is driven by high-intensity fires affecting the tree components. In the third GT model, the GT rule for savanna regeneration induces desertification and therefore a collapse of the meta-ecosystem. We believe that GT models provide a complementary avenue to that of existing approaches to rigorously study ecological phenomena.
Auf der Grundlage von Sonnenphotometermessungen an drei Messstationen (AWIPEV/ Koldewey in Ny-Ålesund (78.923 °N, 11.923 °O) 1995–2008, 35. Nordpol Driftstation – NP-35 (84.3–85.5 °N, 41.7–56.6 °O) März/April 2008, Sodankylä (67.37 °N, 26.65 °O) 2004–2007) wird die Aerosolvariabilität in der europäischen Arktis und deren Ursachen untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Frage des Zusammenhanges zwischen den an den Stationen gemessenen Aerosolparametern (Aerosol optische Dicke, Angström Koeffizient, usw.) und dem Transport des Aerosols sowohl auf kurzen Zeitskalen (Tagen) als auch auf langen Zeitskalen (Monate, Jahre). Um diesen Zusammenhang herzustellen, werden für die kurzen Zeitskalen mit dem Trajektorienmodell PEP-Tracer 5-Tage Rückwärtstrajektorien in drei Starthöhen (850 hPa, 700 hPa, 500 hPa) für die Uhrzeiten 00, 06, 12 und 18 Uhr berechnet. Mit Hilfe der nicht-hierarchischen Clustermethode k-means werden die berechneten Rückwärtstrajektorien dann zu Gruppen zusammengefasst und bestimmten Quellgebieten und den gemessenen Aerosol optischen Dicken zugeordnet. Die Zuordnung von Aerosol optischer Dicke und Quellregion ergibt keinen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Transport verschmutzter Luftmassen aus Europa oder Russland bzw. Asien und erhöhter Aerosol optischer Dicke. Dennoch ist für einen konkreten Einzelfall (März 2008) ein direkter Zusammenhang von Aerosoltransport und hohen Aerosol optischen Dicken nachweisbar. In diesem Fall gelangte Waldbrandaerosol aus Südwestrussland in die Arktis und konnte sowohl auf der NP-35 als auch in Ny-Ålesund beobachtet werden. In einem weiteren Schritt wird mit Hilfe der EOF-Analyse untersucht, inwieweit großskalige atmosphärische Zirkulationsmuster für die Aerosolvariabilität in der europäischen Arktis verantwortlich sind. Ähnlich wie bei der Trajektorienanalyse ist auch die Verbindung der atmosphärischen Zirkulation zu den Photometermessungen an den Stationen in der Regel nur schwach ausgeprägt. Eine Ausnahme findet sich bei der Betrachtung des Jahresganges des Bodendruckes und der Aerosol optischen Dicke. Hohe Aerosol optische Dicken treten im Frühjahr zum einen dann auf, wenn durch das Islandtief und das sibirische Hochdruckgebiet Luftmassen aus Europa oder Russland/Asien in die Arktis gelangen, und zum anderen, wenn sich ein kräftiges Hochdruckgebiet über Grönland und weiten Teilen der Arktis befindet. Ebenso zeigt sich, dass der Übergang zwischen Frühjahr und Sommer zumindest teilweise bedingt ist durch denWechsel vom stabilen Polarhoch im Winter und Frühjahr zu einer stärker von Tiefdruckgebieten bestimmten arktischen Atmosphäre im Sommer. Die geringere Aerosolkonzentration im Sommer kann zum Teil mit einer Zunahme der nassen Deposition als Aerosolsenke begründet werden. Für Ny-Ålesund wird neben den Transportmustern auch die chemische Zusammensetzung des Aerosols mit Hilfe von Impaktormessungen an der Zeppelinstation auf dem Zeppelinberg (474m ü.NN) nahe Ny-Ålesund abgeleitet. Dabei ist die positive Korrelation der Aerosoloptischen Dicke mit der Konzentration von Sulfationen und Ruß sehr deutlich. Beide Stoffe gelangen zu einem Großteil durch anthropogene Emissionen in die Atmosphäre. Die damit nachweisbar anthropogen geprägte Zusammensetzung des arktischen Aerosols steht im Widerspruch zum nicht eindeutig herstellbaren Zusammenhang mit dem Transport des Aerosols aus Industrieregionen. Dies kann nur durch einen oder mehrere gleichzeitig stattfindende Transformationsprozesse (z. B. Nukleation von Schwefelsäurepartikeln) während des Transportes aus den Quellregionen (Europa, Russland) erklärt werden.