Goal-Directed and Habitual Control in Human Substance Use: State of the Art and Future Directions

Theories of addiction posit a deficit in goal-directed behavior and an increased propensity toward habitual actions in individuals with substance use disorders. Control over drug intake is assumed to shift from goal-directed to automatic or habitual motivation as the disorder progresses. Several diagnostic criteria reflect the inability to pursue goals regarding reducing or controlling drug use and performing social or occupational functions. The current review gives an overview of the mechanisms underlying the goal-directed and habitual systems in humans, and the existing paradigms that aim to evaluate them. We further summarize the current state of research on habitual and goal-directed functioning in individuals with substance use disorders. Current evidence of alterations in addiction and substance use are mixed and need further investigation. Increased habitual responding has been observed in more severely affected groups with contingency degradation and some outcome devaluation tasks. Reduced model-based behavior has been mainly observed in alcohol use disorder and related to treatment outcomes. Motor sequence learning tasks might provide a promising new approach to examine the development of habitual behavior. In the final part of the review, we discuss possible implications and further developments regarding the influence of contextual factors, such as state and trait variations, and recent advances in task design

Understanding Immersive Environments for Visual Data Analysis

Augmented Reality enables combining virtual data spaces with real-world environments through visual augmentations, transforming everyday environments into user interfaces of arbitrary type, size, and content. In the past, the development of Augmented Reality was mainly technology-driven. This made head-mounted Mixed Reality devices more common in research, industrial, or personal use cases. However, such devices are always human-centered, making it increasingly important to closely investigate and understand human factors within such applications and environments. Augmented Reality usage can reach from a simple information display to a dedicated device to present and analyze information visualizations. The growing data availability, amount, and complexity amplified the need and wish to generate insights through such visualizations. Those, in turn, can utilize human visual perception and Augmented Reality’s natural interactions, the potential to display three-dimensional data, or the stereoscopic display. In my thesis, I aim to deepen the understanding of how Augmented Reality applications must be designed to optimally adhere to human factors and ergonomics, especially in the area of visual data analysis. To address this challenge, I ground my thesis on three research questions: (1) How can we design such applications in a human-centered way? (2) What influence does the real-world environment have within such applications? (3) How can AR applications be combined with existing systems and devices? To answer those research questions, I explore different human properties and real-world environments that can affect the same environment’s augmentations. For human factors, I investigate the competence in working with visualizations as visualization literacy, the visual perception of visualizations, and physical ergonomics like head movement. Regarding the environment, I examine two main factors: the visual background’s influence on reading and working with immersive visualizations and the possibility of using alternative placement areas in Augmented Reality. Lastly, to explore future Augmented Reality systems, I designed and implemented Hybrid User Interfaces and authoring tools for immersive environments. Throughout the different projects, I used empirical, qualitative, and iterative methods in studying and designing immersive visualizations and applications. With that, I contribute to understanding how developers can apply human and environmental parameters for designing and creating future AR applications, especially for visual data analysis.Augmented Reality ermöglicht es, die reale Welt mit virtuellen Datenräume durch visuelle Augmentierungen zu kombinieren. Somit werden alltägliche Umgebungen in Benutzeroberflächen beliebiger Art, Größe und beliebigen Inhalts verwandelt. In der Vergangenheit war die Entwicklung von Augmented Reality hauptsächlich technologiegetrieben. Folglich fanden head-mounted Mixed Reality Geräte immer häufiger in der Forschung, Industrie oder im privaten Bereich anwendung. Da die Geräte jedoch immer auf den Menschen ausgerichtet sind, wird es immer wichtiger die menschlichen Faktoren in solchen Anwendungen und Umgebungen genau zu untersuchen. Die Nutzung von Augmented Reality kann von einer einfachen Informationsanzeige bis hin zur Darstellung und Analyse von Informationsvisualisierungen reichen. Die wachsende Datenverfügbarkeit, -menge und -komplexität verstärkte den Bedarf und Wunsch, durch solche Visualisierungen Erkenntnisse zu gewinnen. Diese wiederum können die menschliche visuelle Wahrnehmung und die durch Augmented Reality bereitgestellte natürlichen Interaktion und die Darstellung dreidimensionale and stereoskopische Daten nutzen. In meiner Dissertation möchte ich das Verständnis dafür vertiefen, wie Augmented Reality-Anwendungen gestaltet werden müssen, um menschliche Faktoren und Ergonomie optimal zu berücksichtigen, insbesondere im Bereich der visuellen Datenanalyse. Hierbei stütze ich mich in meiner Arbeit auf drei Forschungsfragen: (1) Wie können solche Anwendungen menschenzentriert gestaltet werden? (2) Welchen Einfluss hat die reale Umgebung auf solche Anwendungen? (3) Wie können AR Anwendungen mit existierenden Systemen und Geräten kombiniert werden? Um diese Forschungsfragen zu beantworten, untersuche ich verschiedene menschliche und Umgebungseigenschaften, die sich auf die Augmentierungen derselben Umgebung auswirken können. Für menschliche Faktoren untersuche ich die Kompetenz im Umgang mit Visualisierungen als ``Visualization Literacy'', die visuelle Wahrnehmung von Visualisierungen, und physische Ergonomie wie Kopfbewegungen. In Bezug auf die Umgebung untersuche ich zwei Hauptfaktoren: den Einfluss des visuellen Hintergrunds auf das Lesen und Arbeiten mit immersiven Visualisierungen und die Möglichkeit der Verwendung alternativer Platzierungsbereiche in Augmented Reality. Um zukünftige Augmented Reality-Systeme zu erforschen, habe ich schließlich Hybride Benutzerschnittstellen und Konfigurationstools für immersive Umgebungen entworfen und implementiert. Während der verschiedenen Projekte habe ich empirische, qualitative und iterative Methoden bei der Untersuchung und Gestaltung von immersiven Visualisierungen und Anwendungen eingesetzt. Damit trage ich zum Verständnis bei, wie Entwickler menschliche und umbebungsbezogene Parameter für die Gestaltung und Erstellung zukünftiger AR-Anwendungen, insbesondere für die visuelle Datenanalyse, nutzen können

Überführung von Landesförderprogrammen in den kommunalen Finanzausgleich im Freistaat Sachsen: Eine finanzwissenschaftliche Untersuchung

Landeszuweisungen stellen eine zentrale Einnahmenquelle der kommunalen Ebene dar und sind für deren Aufgabenerfüllung unverzichtbar. Einen erheblichen Teil dieser Mittel erhalten die Kommunen dabei über den kommunalen Finanzausgleich. Dieser trägt in hohem Maße zu einer Verstetigung der kommunalen Einnahmenbasis bei, indem der Großteil der Finanzmittel pauschal an die Kommunen weitergereicht wird, und unterstützt darüber hinaus einen (anteiligen) Abbau der Finanzkraftunterschiede zwischen den Kommunen. Eine weitere Ergänzung der kommunalen Einnahmenseite bilden Fördermittelprogramme der Länder. Diesen liegt im Normalfall ein bestimmter Förderzweck zugrunde, über den die Landesebene indirekt Einfluss auf die kommunale Ausgabenpolitik ausüben kann (sog. Politik der Goldenen Zügel). Anders als im in hohem Maße regelgebundenen kommunalen Finanzausgleichssystem sind diese Mittel in vielen Fällen nur auf Antrag verfügbar und bedürfen darüber hinaus üblicherweise eines Eigenfinanzierungsanteils durch die Kommunen. Hieraus erwachsen Risiken der Fehlallokation kommunaler Ausgaben und einer Benachteiligung von Kommunen, die Eigenanteile nicht aufbringen können. Hinzu kommt eine nicht unerhebliche Förderbürokratie, sowohl beim Fördermittelgeber als auch bei den Fördermittelempfängern. Die vorliegende Studie ist aus einer Zuarbeit für die Kommission zur Vereinfachung und Verbesserung von Förderverfahren im Freistaat Sachsen entstanden und befasst sich mit der Frage nach der Übertragbarkeit einzelner Fachförderprogramme in den kommunalen Finanzausgleich (KFA). Nach einer Abgrenzung der unterschiedlichen Zuweisungsformen innerhalb und außerhalb des KFA wird zu diesem Zweck im Anschluss ein finanzwissenschaftlicher Kriterienkatalog aufgestellt. Anhand sowohl allokativer als auch fiskalischer Kriterien aus diesem Katalog werden dann die 24 größten Fachförderprogramme dahingehend untersucht, inwieweit sie sich für eine Übertragung in den kommunalen Finanzausgleich (konkret für Sachsen: ins SächsFAG) eignen. Der erarbeitete Kriterienkatalog ist dabei kein abschließendes Entscheidungsschema, sondern vielmehr eine Orientierungshilfe, die bei der oftmals komplexen Frage über die sachgerechte Art der Zuweisung helfen kann. Im Ergebnis bieten sich fünf der 24 Programme für eine Übertragung in den KFA an, darunter das vom Finanzvolumen her größte Programm zu Förderung von Kindertagesstätten. Darüber hinaus ist für die Richtlinien zur Feuerwehrförderung, zur Investitionsförderung im Schulbereich sowie zur Förderung der schulischen Ganztagsangebote eine Überführung in den KFA sinnvoll und empfehlenswert. Bei insgesamt elf Programmen ist eine Überführung aufgrund verschiedener KO-Kriterien ausgeschlossen. Bei den übrigen acht Programmen ist die Empfehlung nicht eindeutig, sodass eine Überführung in den KFA nur mit Einschränkungen in Betracht kommt. Hierzu gehören unter anderem die Förderrichtlinien für die Sportförderung oder die Schulsozialarbeit

Shape Memory Based Self-Powered Fluid Pump

In the range of 25°C - 80°C (ultra-low grade heat), a large quantity of waste heat from various processes is available unused. Special alloys made of nickel and titanium, so-called Shape Memory Alloys (SMA), could be an alternative technology to Organic Rankine Cycles to make this energy usable in the low power range. The 'THEAsmart 2' research project is therefore investigating the service life and energy lifecycle of this material to test the benefits of shape memory alloys in energy recovery and the efficiency levels that can be achieved. To this end, a demonstration prototype is being built that converts thermal energy into rotary motion. The next step is to link the demonstration prototype with a conventional fluid pump to create an SMA fluid pump that is driven by the thermal energy of the fluid to be pumped. The advantage of such a pump would be that it would be energy-independent, i.e. it would be operated solely by the thermal energy of the fluid without an electrical connection. Furthermore, such a pump could contribute to energy savings if it is used in cooling circuits in which the thermal energy of the fluid is the waste product from another process. In this case, it replaces an electric pump and utilizes the 'waste product' heat. The aim of the project is to investigate how and whether coil springs made of shape memory alloy are suitable for energy recovery. This is considered via the energy lifecycle: if more energy is required to manufacture a spring than this spring can convert kinetic energy from thermal energy in its lifecycle, then its use for energy recovery does not make sense in principle. As a secondary result of this research, statements about the efficiency of shape memory alloy coil springs and statements about their service life are expected

Implementation of high-resolution direct push sensing in geoarchaeological exploration of wetland sites

Wetland sites provide important knowledge about settlement history and historical infrastructure in the form of buried archaeological features. However, the subsurface is difficult to access, e.g. due to high groundwater levels or unstable sediments, making archaeological excavation difficult and the conservation of recovered artefacts, e.g. timbers, is expensive. In addition, one of the aims of heritage conservation is to disturb structures in such contexts as little as possible as part of preserving. Therefore, alternative non- and minimal-invasive methods, e.g. geophysical prospection and vibra-coring, are used for exploration. However, geophysical surveys face the issue of inaccurate depth values and rely on sufficient contrasts in the measured physical parameters. Vibra-coring allows direct access to the sediments, but again gives inaccurate depth values due to high compaction rates. For this reason, the implementation of alternative methods and the development of new methodical approaches to wetland site exploration are of extraordinary importance. One such wetland site is the Fossa Carolina, an early medieval canal that today is partially buried. Located in Southern Germany next to Treuchtlingen, south of Nuremberg, the canal was intended at the time to provide a navigable link between the Rhine-Main and Danube basins by bridging the European watershed. In the research for this thesis, direct push sensing was used as an alternative exploration technique to explore the site. In this method, various probes are pushed into the unconsolidated subsoil and the parameters are measured in situ with high depth accuracy. (i) Therefore, the colour logging tool (CLT) and the electrical conductivity (EC) probe were applied. (ii) In order to record archaeological structures and features, the soundings were distributed closely along a transect using an adaptive exploration strategy, thus recording a high-resolution cross-section of the structure. (iii) These prospections were integrated into a spatial-hierarchical multi-method approach by combining direct push sensing with geophysical survey and vibra-coring, inter alia. (iv) Thus, a deeply buried section of the Fossa Carolina (West-East Section) was explored, demonstrating at least one-way navigability and revealing the backfill stratigraphy. (v) Furthermore, the approach used helped to clarify the nature of conspicuous magnetic anomalies in the area adjacent to the canal. In the Northern and North-Eastern Sections, magnetic anomalies provided evidence of water-supplying structures. The exploration of these structures revealed an Early Holocene structure in the North-Eastern Section and a historic gravel road in the Northern Section. (vi) Additionally, a strong magnetic anomaly with a course parallel to the canal in the Northern Section could be temporally and stratigraphically associated with the construction of the canal. Thus, for the first time, a larger remnant of the construction process outside the canal could be identified, even if the origin could not be conclusively clarified. (vii) In a broader context, the in situ direct push cross-sections were integrated into a 3D modelling approach for the entire Fossa Carolina to quantify the excavation volume. (viii) The methodological approach was successfully applied to a wetland site at Pestenacker in Southern Germany to collect evidence for Holocene floodplain dynamics in the Late Neolithic settlement. Finally, the thesis demonstrates the enormous methodological potential of direct push sensing for the exploration of buried archaeological sites. In particular, the colour logging tool is proving to be extremely effective, further enhanced by the intelligent combination in multi-method approaches. This is confirmed by the significant results obtained at Fossa Carolina that shed new light on the canal{'}s navigability, water supply, and construction structure. Overall, this thesis demonstrates the valuable contribution that direct push methods can make to geoarchaeological research. It both introduces a new methodological approach and provides new empirical evidence concerning the construction of an example of early medieval infrastructure.:Preface Acknowledgements Abstract Kurzfassung Contents List of Figures List of Tables Acronyms and Symbols 1 Introduction 1.1 Geoarchaeological exploration in wetlands: possibilities and challenges 1.1.1 Proven exploration methods 1.1.2 Direct push sensing 1.1.3 Exploration strategies 1.2 The study site 1.2.1 The Fossa Carolina - State of the art in brief 1.2.2 Natural settings 1.3 Aims of the thesis 2 Published Studies 2.1 Minimalinvasive Direct-push-Erkundung in der Feuchtboden(geo)archäologie am Beispiel des Karlsgrabens (Fossa Carolina) 2.2 Non-invasive prospection techniques and direct push sensing as high-resolution validation tools in wetland geoarchaeology – Artificial water supply at a Carolingian canal in South Germany? 2.3 High-Resolution Direct Push Sensing in Wetland Geoarchaeology—First Traces of Off-Site Construction Activities at the Fossa Carolina 2.4 3D-Modelling of Charlemagne’s Summit Canal (Southern Germany)—Merging Remote Sensing and Geoarchaeological Subsurface Data 2.5 A hydrological tipping point and onset of Neolithic wetland occupation in Pestenacker (Lech catchment, S Germany) 3 Discussion 3.1 Direct push sensing for wetland exploration 3.1.1 High-resolution direct push sensing cross-sections 3.1.2 Integration and comparison of direct push sensing in a spatially hierarchical multi-method approach 3.1.3 Direct push colour logging tool (CLT) data for ground truthing 3.1.4 Perspectives on direct push sensing in geoarchaeology 3.2 Results of the exploration of the Fossa Carolina 3.2.1 Chronostratigraphic recording in the West-East and Northern Sections 3.2.2 Characteristics of the canal construction in the West-East and Northern Sections 3.2.3 Validation of off-canal structures in the Northern and North-Eastern Sections 3.2.4 Water supply for the Fossa Carolina 3.2.5 Pending issues in the study of the Fossa Carolina 4 Conclusion References Appendix A1 - Author publications A2 - Article contribution A3 - Declaration of originality A4 - Bibliographic descriptionFeuchtgebiete bergen durch begrabene archäologische Strukturen wichtige Erkenntnisse zur Siedlungsgeschichte und historischen Infrastruktur. Schwierige Untergrundverhältnisse, z. B. durch hohen Grundwasserspiegel oder instabile Sedimente, erschweren jedoch archäologische Ausgrabungen und die Konservierung der geborgenen Artefakte, z. B. Hölzer, verursacht hohe Kosten. Darüber hinaus ist ein Ziel der Bodendenkmalpflege, archäologische Strukturen so wenig wie möglich zu beeinträchtigen und sie in situ zu erhalten. Daher werden alternative nicht- und minimal-invasive Methoden, z. B. geophysikalische Prospektionen und Rammkernsondierungen, zur Exploration eingesetzt. Bei geophysikalischen Untersuchungen ergeben sich jedoch Schwierigkeiten durch ungenaue Tiefenwerte und die Methoden sind auf ausreichende Kontraste der gemessenen physikalischen Parameter angewiesen. Rammkernsondierungen ermöglichen einen direkten Zugriff auf die Sedimente, erzeugen jedoch wiederum ungenaue Tiefenwerte durch hohe Kompaktionsraten. Aus diesem Grund sind die Implementierung alternativer Methoden und die Entwicklung neuer methodischer Ansätze für die Erforschung von Feuchtgebietsstandorten von herausragender Bedeutung. Die Fossa Carolina, ein frühmittelalterlicher, heute teilweise verschütteter Kanal, ist ein solcher Standort. Das Bauwerk befindet sich in Süddeutschland in der Nähe von Treuchtlingen, südlich von Nürnberg und sollte eine schiffbare Verbindung zwischen dem Rhein-Main- und dem Donaueinzugsgebiet herstellen, indem es die europäische Hauptwasserscheide überbrückte. Zur Erkundung des Bauwerks wurde als Alternative die in situ Direct-Push-Methode eingesetzt. Bei dieser Methode werden verschiedene Sonden in den unkonsolidierten Untergrund gedrückt und die Parameter in situ tiefengenau gemessen. (i) Dabei kamen die Farbsonde, engl. colour logging tool (CLT), und die Sonde zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit, engl. electrical conductivity (EC) probe, zum Einsatz. (ii) Zur Erfassung archäologischer Strukturen und Befunde wurden die Sondierungen mit einer adaptiven Erkundungsstrategie auf einem Transekt engmaschig verteilt und somit ein hochaufgelöster Querschnitt des Bauwerks erfasst. (iii) Darüber hinaus wurden diese Prospektionen in einen räumlich-hierarchischen Multimethodenansatz integriert, indem in situ Direct-Push-Sondierungen mit z. B. geophysikalischen Erkundungen und Rammkernsondierungen kombiniert wurden. Somit wurde (iv) ein tiefliegender, begrabener Abschnitt der Fossa Carolina im West-Ost-Bereich erkundet, dort die Schiffbarkeit für mindestens eine Schiffsbreite nachgewiesen und die Sedimentstratigraphie der Verfüllung beschrieben. Weiterhin wurde der Ansatz genutzt, um magnetische Anomalien im Umfeld des Kanals zu prospektieren. (v) Im nördlichen und nordöstlichen Bereich lieferten magnetische Anomalien Hinweise auf wasserzuführende Bauwerke im Untergrund. Die Erkundung ergab eine frühholozäne Struktur im nordöstlichen Bereich und eine historische Schotterstraße im nördlichen Bereich. (vi) Weiterhin konnte eine starke magnetische Anomalie mit parallelem Verlauf zum Kanal im nördlichen Bereich zeitlich und stratigraphisch dem Bauwerk zugeordnet werden. Somit konnte zum ersten Mal eine größere Spur des Baus außerhalb des Kanals nachgewiesen werden, auch wenn die Entstehung nicht abschließend geklärt werden konnte. (vii) Im übergeordneten Kontext konnten die Daten der in situ Direct-Push-Transekte in einen 3D-Modellierungsansatz für die gesamte Fossa Carolina zur Quantifizierung des Aushubs integriert werden. (viii) Neben der Erforschung der Fossa Carolina wurde der methodische Ansatz zusätzlich an einem Feuchtgebietsstandort bei Pestenacker in Süddeutschland angewendet, um Informationen über die holozäne Auendynamik an der spätneolithischen Siedlung zu gewinnen. Schlussendlich belegt die Dissertation das enorme methodische Potential der in situ Direct-Push-Erkundungen für die Prospektion von Bodendenkmälern. Dabei erweist sich insbesondere die Farbsonde als äußerst wirkungsvoll, was durch die gezielte Kombination in multi-methodischen Ansätzen noch verstärkt wird. Dies wird durch die aussagekräftigen Ergebnisse an der Fossa Carolina belegt, mit deren Hilfe insbesondere neue Erkenntnisse zur Schiffbarkeit, Wasserzuführung und Baustruktur gewonnen werden konnten. Insgesamt demonstriert diese Dissertation den wertvollen Beitrag, den in situ Direct-Push-Methoden zur geoarchäologischen Forschung leisten können. Sie präsentiert sowohl einen neuen methodischen Ansatz als auch neue empirische Erkenntnisse zu einem frühmittelalterlichen Bauwerk.:Preface Acknowledgements Abstract Kurzfassung Contents List of Figures List of Tables Acronyms and Symbols 1 Introduction 1.1 Geoarchaeological exploration in wetlands: possibilities and challenges 1.1.1 Proven exploration methods 1.1.2 Direct push sensing 1.1.3 Exploration strategies 1.2 The study site 1.2.1 The Fossa Carolina - State of the art in brief 1.2.2 Natural settings 1.3 Aims of the thesis 2 Published Studies 2.1 Minimalinvasive Direct-push-Erkundung in der Feuchtboden(geo)archäologie am Beispiel des Karlsgrabens (Fossa Carolina) 2.2 Non-invasive prospection techniques and direct push sensing as high-resolution validation tools in wetland geoarchaeology – Artificial water supply at a Carolingian canal in South Germany? 2.3 High-Resolution Direct Push Sensing in Wetland Geoarchaeology—First Traces of Off-Site Construction Activities at the Fossa Carolina 2.4 3D-Modelling of Charlemagne’s Summit Canal (Southern Germany)—Merging Remote Sensing and Geoarchaeological Subsurface Data 2.5 A hydrological tipping point and onset of Neolithic wetland occupation in Pestenacker (Lech catchment, S Germany) 3 Discussion 3.1 Direct push sensing for wetland exploration 3.1.1 High-resolution direct push sensing cross-sections 3.1.2 Integration and comparison of direct push sensing in a spatially hierarchical multi-method approach 3.1.3 Direct push colour logging tool (CLT) data for ground truthing 3.1.4 Perspectives on direct push sensing in geoarchaeology 3.2 Results of the exploration of the Fossa Carolina 3.2.1 Chronostratigraphic recording in the West-East and Northern Sections 3.2.2 Characteristics of the canal construction in the West-East and Northern Sections 3.2.3 Validation of off-canal structures in the Northern and North-Eastern Sections 3.2.4 Water supply for the Fossa Carolina 3.2.5 Pending issues in the study of the Fossa Carolina 4 Conclusion References Appendix A1 - Author publications A2 - Article contribution A3 - Declaration of originality A4 - Bibliographic descriptio

European heatwaves: intraseasonal drivers and prediction

Die Vorhersage von extremen Wetterereignissen wie Hitzewellen ist aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Gesellschaft von großer Bedeutung. Subsaisonale Wettervorhersage (von 2 Wochen bis 2 Monaten) kann Frühwarnungen liefern, die für Pläne zur Risikoeinschränkung unerlässlich sind. Das fachübergreifende Ziel dieser Arbeit ist daher die Verbesserung der Wettervorhersage von Hitzewellen über Europoa auf subsaisonalen Zeitskala. Um dieses Ziel zu erreichen, werden zunächst die Quellen der Vorhersagbarkeit auf der subsaisonalen Skala herausarbeitet und analysiert und anschließend die Vorteile quantifiziert, die diese einzelne Prädiktoren bieten können. Im ersten Teil werden die Haupttypen von Hitzewellen über Europa anhand ihrer atmosphärischen Zirkulation definiert. Die europäischen Hitzewellen werden dazu in fünf Hitzewellentypen mit spezifischen Grosswetterlagen eingeteilt. Diese ermöglichen es wiederum, die vorhersagbare Komponente der Hitzewellenereignisse zu bestimmen: allen gemein sind starke, anhaltende antizyklonale Anomalien über der Region der Höchsttemperaturen. Anhand dieser Klassifizierung lässt sich zudem die relative Bedeutung anderer subsaisonaler Faktoren wie Bodenfeuchtigkeit und verstärkte tropische Konvektion bestimmen. Dabei hat es sich erwiesen, dass eine geringere Bodenfeuchtigkeit vor Hitzewellen nur für Hitzewellen über Südeuropa und für sehr extreme Hitzewellen von Bedeutung ist, da sie die Temperaturanomalien weiter verstärkt. Die Boreale Sommer Intrasaisonale Oszillation (BSISO) ist durch verschiedene Phasen schwacher und starker tropischer Konvektion gekennzeichnet. Die Beobachtung der Entwicklung der BSISO zeigt einen klaren Zusammenhang zwischen bestimmten aktiven Phasen der BSISO und dem Beginn russischer Hitzewellen, dass deren Überwachung zur einer besseren Vorhersagbarkeit beitragen könnte. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der durch die Verwendung der identifizierten Prädiktoren entstehende Vorteil quantifiziert. Dazu wird eine musterbasierte Methode entwickelt, bei der die Großwetterlagen als Prädiktoren verwendet werden, mit dem Ziel die Wahrscheinlichkeit extrem warmer Temperaturen abzuleiten. Anhand von Hindcast-Daten des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) wird diese Methode mit der direkten gitterpunktbasierten Wettervorhersage verglichen. Die musterbasierte Vorhersage erzielt für kurze bis mittelfristige Vorhersagen zwar keine gute Vorhersagequalität. Die Vorhersagequalität dieser Ergebnisse wird jedoch auch nach mehr als 10 Tagen beibehalten, was die Vorhersagequalität-Horizont über den Hitzewellenregionen erheblich verbessert. Die Verwendung von anhaltenden Großwetterlagen zur Vorhersage anhaltenden Hitzewellen führt zu ähnlichen Ergebnissen, allerdings mit lokal begrenzteren und bescheideneren Verbesserungen. Außerdem verbessern aktive BSISO-Phasen die Vorhersage zwar nicht systematisch, aber sie verbessern die Vorhersagbarkeit des Ausbruchs von russischen Hitzewellen, indem sie die Vorhersagespanne deutlich verringern und deren Genauigkeit, wenn auch in geringerem Maße erhöhen. Die Einbeziehung dieser subsaisonalen Einflussfaktoren in einen Entscheidungsprozess zur Aktivierung von Risikominderungsplänen könnte wesentliche Informationen für Frühwarnungen liefern.:1. Introduction ................................................................................................................................. 13 1.1 Impact of extremes............................................................................................................... 13 1.2 Mitigation and early warnings .............................................................................................. 14 1.3 Content ................................................................................................................................. 14 2. Background knowledge ................................................................................................................ 16 2.1 Generalities on heatwaves ................................................................................................... 16 2.1.1 Heatwave definitions ................................................................................................ 16 2.1.2 Processes responsible for heatwaves ....................................................................... 17 2.1.3 Climatic trends for heatwaves .................................................................................. 18 2.2 Generalities on predictions................................................................................................... 20 2.2.1 Numerical Prediction ................................................................................................ 21 2.2.1.1 Governing equations............................................................................................. 21 2.2.1.2 Discretisation and parametrisation....................................................................... 23 2.2.1.3 Data assimilation .................................................................................................. 24 2.2.2 Predictability and forecast verification ..................................................................... 24 2.2.2.1 Predictability ......................................................................................................... 25 2.2.2.1.1 Predictability of the first kind ............................................................................. 25 2.2.2.1.2 Predictability of the second kind ........................................................................ 27 2.2.2.2 Forecast verification ............................................................................................. 30 2.2.2.2.1 Observations and reanalysis ............................................................................... 30 2.2.2.2.2 Forecast skill metrics .......................................................................................... 31 3. European heatwaves and their link to large-scale circulation patterns and subseasonal drivers 34 3.1 Data and methods ................................................................................................................ 35 3.1.1 Land surface feedback .............................................................................................. 35 3.1.2 Enhanced tropical convection ................................................................................... 36 3.1.3 Heatwave detection.................................................................................................. 37 3.1.4 Classification of heatwave patterns .......................................................................... 38 3.2 Heatwave types and their relation to circulation patterns ................................................... 42 3.2.1 Heatwave types description ..................................................................................... 42 3.2.2 Heatwave circulation patterns .................................................................................. 47 3.3 Potential sources of predictability at the subseasonal time scale ........................................ 49 3.3.1 Land surface feedback .............................................................................................. 50 3.3.2 The Boreal Summer IntraSeasonal Oscillation .......................................................... 55 3.3.2.1 BSISO phases facouring the occurrence of heatwaves ......................................... 57 3.4 Summary .............................................................................................................................. 64 12 4. Subseasonal prediction of heatwaves enhanced using a pattern-based forecasting system ....... 66 4.1 Data and methods ................................................................................................................ 67 4.1.1 Connection between extreme high temperatures and circulation patterns ............. 68 4.1.2 Skill evaluation of ECMWF forecasts ......................................................................... 70 4.2 Prediction of extreme temperatures at the subseasonal range ........................................... 72 4.2.1 Direct forecasting ..................................................................................................... 72 4.2.2 Pattern-based/conditional forecast .......................................................................... 77 4.2.3 Skill sensitivity to tropical convections ..................................................................... 83 4.3 Summary .............................................................................................................................. 88 5. Conclusion .................................................................................................................................... 91 5.1 Summary and key findings .................................................................................................... 91 5.2 Outlook ................................................................................................................................. 92 References ...............................................................................................................................The prediction of extreme events such as heatwaves is of high importance due to their impact on society. Subseasonal prediction (from 2 weeks to 2 months) can provide early warnings which are essential for setting up mitigation plans. Therefore, the overarching goal of this work is to improve the forecast of heatwaves at the subseasonal time scale over Europe. The approach used to tackle this goal, is to first identify and analyse the sources of predictability at the subseasonal scale, and to then quantify the benefits of each of these predictors. In the first phase, the main heatwave types over Europe are defined based on their atmospheric circulation. European heatwaves are therefore classified into five heatwave types with specific circulation patterns, allowing to determine the predictable component of heatwave events. They all have strong persistent anti-cyclonic anomalies over the region of maximum temperatures. The classification further allows to determine the relative importance of other subseasonal drivers such as soil moisture and tropical enhanced convection. Reduced soil moisture content prior to heatwaves is shown to be relevant only to heatwaves over southern Europe and for very extreme heatwaves, by further amplifying the temperature anomalies. The Boreal Summer Intraseasonal Oscillation (BSISO) is characterised by different phases of weak and strong tropical convection. Monitoring the evolution of the BSISO shows a clear link between certain active phases of the BSISO and the onset of Russian heatwaves in particular, suggesting that they could provide enhanced predictability for the onset of Russian heatwaves. In the second phase, the advantage of using the identified predictors is quantified. A pattern-based method is constructed, using the circulation patterns as predictors to infer the probability of extreme warm temperatures. Using reforecast data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), this method is compared to the direct grid-point based prediction. The pattern-based prediction shows low skill at short to medium range, however it maintains this skill beyond 10 days and significantly improves the forecast range over the regions of heatwaves. Using persistent circulation patterns to forecast persistent heatwaves shows similar results, but with more localised and modest improvements. In addition, while active BSISO phases do not systematically improve the prediction, they do enhance the predictability of the onset of Russian heatwaves by reducing significantly the forecast spread and to a lesser extent increase accuracy. Incorporating these subseasonal drivers into a decision-making process for mitigation plans could provide essential information for early warnings.:1. Introduction ................................................................................................................................. 13 1.1 Impact of extremes............................................................................................................... 13 1.2 Mitigation and early warnings .............................................................................................. 14 1.3 Content ................................................................................................................................. 14 2. Background knowledge ................................................................................................................ 16 2.1 Generalities on heatwaves ................................................................................................... 16 2.1.1 Heatwave definitions ................................................................................................ 16 2.1.2 Processes responsible for heatwaves ....................................................................... 17 2.1.3 Climatic trends for heatwaves .................................................................................. 18 2.2 Generalities on predictions................................................................................................... 20 2.2.1 Numerical Prediction ................................................................................................ 21 2.2.1.1 Governing equations............................................................................................. 21 2.2.1.2 Discretisation and parametrisation....................................................................... 23 2.2.1.3 Data assimilation .................................................................................................. 24 2.2.2 Predictability and forecast verification ..................................................................... 24 2.2.2.1 Predictability ......................................................................................................... 25 2.2.2.1.1 Predictability of the first kind ............................................................................. 25 2.2.2.1.2 Predictability of the second kind ........................................................................ 27 2.2.2.2 Forecast verification ............................................................................................. 30 2.2.2.2.1 Observations and reanalysis ............................................................................... 30 2.2.2.2.2 Forecast skill metrics .......................................................................................... 31 3. European heatwaves and their link to large-scale circulation patterns and subseasonal drivers 34 3.1 Data and methods ................................................................................................................ 35 3.1.1 Land surface feedback .............................................................................................. 35 3.1.2 Enhanced tropical convection ................................................................................... 36 3.1.3 Heatwave detection.................................................................................................. 37 3.1.4 Classification of heatwave patterns .......................................................................... 38 3.2 Heatwave types and their relation to circulation patterns ................................................... 42 3.2.1 Heatwave types description ..................................................................................... 42 3.2.2 Heatwave circulation patterns .................................................................................. 47 3.3 Potential sources of predictability at the subseasonal time scale ........................................ 49 3.3.1 Land surface feedback .............................................................................................. 50 3.3.2 The Boreal Summer IntraSeasonal Oscillation .......................................................... 55 3.3.2.1 BSISO phases facouring the occurrence of heatwaves ......................................... 57 3.4 Summary .............................................................................................................................. 64 12 4. Subseasonal prediction of heatwaves enhanced using a pattern-based forecasting system ....... 66 4.1 Data and methods ................................................................................................................ 67 4.1.1 Connection between extreme high temperatures and circulation patterns ............. 68 4.1.2 Skill evaluation of ECMWF forecasts ......................................................................... 70 4.2 Prediction of extreme temperatures at the subseasonal range ........................................... 72 4.2.1 Direct forecasting ..................................................................................................... 72 4.2.2 Pattern-based/conditional forecast .......................................................................... 77 4.2.3 Skill sensitivity to tropical convections ..................................................................... 83 4.3 Summary .............................................................................................................................. 88 5. Conclusion .................................................................................................................................... 91 5.1 Summary and key findings .................................................................................................... 91 5.2 Outlook ................................................................................................................................. 92 References ..............................................................................................................................