Spatial scan statistics in vulnerability assessment: an application to mountain hazards

In the European Alps, the concept of risk has increasingly been applied in order to reduce the susceptibility of society to mountain hazards. Risk is defined as a function of the magnitude and frequency of a hazard process times consequences; the latter being quantified by the value of elements at risk exposed and their vulnerability. Vulnerability is defined by the degree of loss to a given element at risk resulting from the impact of a natural hazard. Recent empirical studies suggested a dependency of the degree of loss on the hazard impact, and respective vulnerability (or damage-loss) functions were developed. However, until now, only little information is available on the spatial characteristics of vulnerability on a local scale; considerable ranges in the loss ratio for medium process intensities only provide a hint that there might be mutual reasons for lower or higher loss rates. In this paper, we therefore focus on the spatial dimension of vulnerability by searching for spatial clusters in the damage ratio of elements at risk exposed. By using the software SaTScan, we applied an ordinal data model and a normal data model in order to detect spatial distribution patterns of five individual torrent events in Austria. For both models, we detected some significant clusters of high damage ratios, and consequently high vulnerability. Moreover, secondary clusters of high and low values were found. Based on our results, the assumption that lower process intensities result in lower damage ratios, and therefore in lower vulnerability, and vice versa, has to be partly rejected. The spatial distribution of vulnerability is not only dependent on the process intensities but also on the overall land use pattern and the individual constructive characteristics of the buildings exposed. Generally, we suggest the use of a normal data model for test sites exceeding a minimum of 30 elements at risk exposed. As such, the study enhanced our understanding of spatial vulnerability patterns on a local scale.     

Determination of the concentration of chemical main and trace elements (chemical matrix) in the aerosol from 1972 to 1982 at a North-alpine pure air station at 1780 m a.s.l.

Summary Aerosol particles have been separated by filter at a mountain station at 1780 m a.s.l. continuously since 1972. The station (a WMO-BAPMoN station with extended program) is freely exposed to all sides and in no way influenced by local aerosol sources. In the cold seasons it lies almost exclusively above the convection layer (very often over inversions) so that real background data can be acquired in these cases. By means of analytical methods the chemical components are determined on the exposed filters. This includes (apart from crust elements) also cations and anions from man-made and maritime sources as well as some important trace elements (in all, 15 components). Filters are exposed over 1–4 days. Filter exchange is determined by the respective weather situation with due regard to all changes so that the requirements for a reasonable correlation of the measured values with the meteorological conditions are met. Additionally, all meteorological parameters are determined, as well as intensity of the vertical exchange, number density of Aitken nuclei, concentration of natural radioactivity (RaB), and other variables. In the present paper the components of the aerosol chemical matrix are related to the behavior of the parameters below and the results are discussed in detail: Dependence of the individual components on total aerosol mass per volume, type of air mass; representation of two single cases of long-range transport of crust elements (source areas: Sahara, Colorado); vertical exchange coefficient, concentration of natural radioactivity, temperature gradient between valley and mountain station, temperature at the sampling site, relative humidity, precipitation rate, wind direction. occurrence of fog.Zusammenfassung An einer allseitig frei exponierten Bergstation in 1780 m NN werden seit 1982 die Aerosolpartikel auf Filtern gesammelt. Die Station (eine WMO-BAPMoN-Station mit erweitertem Programm) wird nicht durch lokale Aerosolquellen in irgendeiner Weise beeinflußt. Sie liegt in den kalten Jahreszeiten fast ausschließlich über der Konvektionsschicht (sehr oft oberhalb von Inversionen), so daß in diesen Fällen echte Background-Daten erfaßt werden. Mittels analytischer Verfahren werden an den exponierten Filtern alle chemischen Hauptkomponenten (von den Krustenelementen abgesehen auch die Kationen und Anionen sowohl anthropogenen als auch maritimen Ursprungs), sowie einige gewichtige Spurenelemente (insgesamt 15 Komponenten) bestimmt. Die Filter werden 1–4 Tage lang exponiert. Der Filterwechsel wird durch den jeweiligen Wetterzustand bzw. seiner Veränderung gesteuert, so daß eine gute Voraussetzung für eine Zuordnung der Meßwerte zu den meteorologischen Bedingungen gegeben ist. Zusätzlich werden alle meteorologischen Parameter, sowie die Intensität des Vertikalaustausches, Zahl der Aitken-Kerne, Konzentration der natürlichen Radioaktivität (RaB) und andere Größen bestimmt. In der vorliegenden Arbeit werden die Komponenten der chemischen Aerosolmatrix zum Verhalten der folgenden Parameter in Beziehung gesetzt und die Ergebnisse eingehend diskutiert:Abhängigkeit der Einzelkomponenten von: Gesamt-Aerosohnasse pro Volumen; Typ der Luftmasse und Darstellung von zwei Einzelfällen eines Ferntransportes von Krustenelementen (Quellgebiete: Sahara, Colorado); vertikaler Austauschkoeffizient; Konzentration der natürlichen Radioaktivität; Temperaturgradient zwischen Tal- und Bergstation; Temperatur an der Probennahmestelle; relative Feuchte; Niederschlagsintensität; Windrichtung; Auftreten von Nebel.

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Bestimmung der Konzentration chemischer Haupt- und Spurenstoffe (chemische Matrix) im Aerosol von 1972 bis 1982 an einer nordalpinen Reinluftstation in 1780 m NN.Teil II: Parametrische Korrelationsanalyse der chemischen Matrix mit Berücksichtigung meteorologischer Größen

     

Spaltprodukt-Radioaktivität in Niederschlägen,auf Gletscherflächen,in Gräsern und Tierorganen nach Messungen in verschiedenen Höhenlagen der Nordalpen in den Jahren 1957 bis 1960

Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über Messungen der künstlichen Beta- und Gamma-Radioaktivität (Spaltproduktaktivität) in Niederschlägen, auf einer Gletscherfläche und in Gras- und Tierorganproben. Das Wesentliche der Untersuchung liegt nicht allein in der lückenlosen zeitlichen Erfassung aller dieser Größen seit 1957/58, sondern vor allem in der synchronen Bestimmung der Aktivitätswerte in Proben, die gleichzeitig in verschiedenen Höhenlagen gewonnen worden sind (Niederschlag, Grasaschen). Diesem Zwecke dient ein alpines Stationspaar mit relativ großem Höhenunterschied (1,1 km) bei kleinem Basisabstand (2,5 km). Die Sammlung von Gletschereisproben erfolgte in Höhen von etwa 2600 m NN. Zusätzlich zu den Bestimmungen der Gesamt-, Beta- und Gamma-Radioaktivität der Proben wurden chemisch-radiologische Isotopenanalysen ausgeführt.Aus dem Vergleich der in verschiedenen Höhen gewonnenen Proben ergibt sich, daß, während die spezifische Niederschlags-Radioaktivität auf dem letzten Kilometer Fallweg noch um im Mittel 20% ansteigt, die mittlere Zufuhr von Aktivität zum Boden an der Bergstation etwa gleich der an der Talstation (wegen unterschiedlicher Niederschlagsmengen) ist. Die spezifische Radioaktivität in den Grasaschen nimmt mit steigender Höhenlage des Probenahmeortes stark zu; diese Höhenabhängigkeit der Kontamination kann nicht durch unterschiedliche Aktivitätszufuhr zum Boden in Abhängigkeit von der Höhe erklärt werden. Auch zeigen die Gräser aus verschiedenen Höhen keine Unterschiede bezüglich Wasser- und Mineraliengehalt, die den Höheneffekt der Kontamination erklären könnten. Die auf Gletscherflächen gefundene Konzentration an Kernspaltprodukten ist sehr hoch (maximal mehrere 1000·10^–7 C/cm³). Ihre zeitlichen und örtlichen Abhängigkeiten werden studiert.Eine besonders eingehende Auswertung erfahren die in Niederschlägen gefundenen Werte der Radioaktivität, vor allem auch in bezug auf meteorologische Bedingungen (z. B. Labilität), den zeitlichen Abfall der Aktivität (Bestimmung der Explosionszeitpunkte) und die Beziehung zur Luftradioaktivität (wash out-Effekt). Es zeigt sich, daß die Niederschläge sehr oft Aktivität zur Erdoberfläche zurückführen, die, an Feinstaub gebunden, durch Luftbewegung vom Boden aufgewirbelt worden war; dadurch entsteht eine Verfälschung der Aktivitätsmessung im Niederschlag. Niederschläge, die an Hochstationen aufgefangen werden, liefern verläßlichere Werte in bezug auf künstliche Radioaktivität aus dem Wolkenniveau, da sich die Aufwirbelungsvorgänge nur in den untersten 100 m der Atmosphäre abspielen.

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Summary Measurements of artificial and radioactivity in precipitation, on glacier surfaces, and in samples of grass and animal matter are described. The observations have been carried out regularly since 1957/58. Samples from different altitudes have been taken simultaneously at two alpine stations (altitude difference 1,1 km, horizontal distance 2,5 km). Glacier ice was sampled at an altitude of 2600 m. In addition to the determinations of radioactivity, analyses of radio-isotopes were carried out.Comparison of the results from different altitudes shows that the specific radioactivity of precipitation during the last kilometre of its fall increases by about 20%, while the mean addition of radioactive matter to the ground is about equal at the upper and lower station (due to the different amounts of precipitation). The specific radioactivity of grass ashes shows a marked increase with altitude which cannot be explained by a different supply of radioactive matter to the ground. The grass in different altitudes shows no differences in water and mineral content which might otherwise explain the dependence on altitude of radioactive contamination. The concentration of nuclear fission products found on glacier surfaces is very high (maximum several 1000·10^–7 C/cm³).The radioactivity of precipitation with respect to the general meteorological conditions (e. g. instability), the decrease with time (after date of nuclear explosion), and the relationship to radioactivity of the air (wash-out effect) are discussed in detail. Measurements of the radioactivity of precipitation are often biased by radioactive dust carried off the ground by turbulence. Therefore, the most reliable determinations of radioactive contamination from the cloud level are obtained by using the precipitation at high altitude stations.

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Résumé Des mesures de la radioactivité et artificielle (produits de fission) de la précipitation, de la surface d'un glacier, de l'herbe et d'organes animaux faites depuis 1957/58 de façon continue ont fourni des valeurs provenant simultanément d'altitudes différentes. Elles ont été faites à deux stations alpines distantes de 2,5 km et à 1,1 km l'une au-dessus de l'autre; la glace fut récoltée á 2600 m. L'analyse des échantillons porta sur la teneur radioactive et la présence d'isotopes.Alors que la radioactivité de la précipitaton augmente de 20% au cours du dernier kilomètre de chute, l'activité fourni au sol est la même aux deux stations d'en haut et d'en bas. La radioactivité spécifique des cendres d'herbe augmente avec l'altitude, mais cela ne peut tenir à des différences de l'apport d'activité au sol ni à la teneur en sels minéraux ou en eau. Sur le glacier la concentration en produits radioactifs est très élevée.Il arrive que la précipitation ramène au sol des produits de fission souleveés de terre avec de fines poussières ce qui fausse les mesures relatives aux précipitations. Celles-ci sont plus sûres lorsqu'on les effectue à la montagne puisque les enrichissements par les poussières soulevées sont limités aux premiers cent mètres de l'atmosphère.

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Mit 17 Textabbildungen

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Zur Zeit Farchant bei Garmisch, Oberbayern, Bundesrepublik Deutschland.     

Registrierung des Potentialgradienten,Messung der polaren elektrischen Leitfähigkeit der Luft sowie der relativen Luftradioaktivität und Bestimmung des No2′-Gehaltes von Niederschlägen und Nebeln auf dem Zugspitzplatt (2580 m NN) im Sommer 1955

Zusammenfassung Es wird über die Ergebnisse einer Exkursion auf das Zugspitzplatt (2580 m NN, Wettersteingebirge, Nordalpen) im Sommer 1955 (15.August-21. . September) berichtet. Es wurden dort registriert: Potentialgradient, Temperatur, Feuchte, Windgeschwindigkeit, Sonnenstrahlung. Es wurden gemessen: totale, sowie positive und negative elektrische Leitf?higkeit der Luft (je 950 Messungen), Zahl der Kondensationskerne (1025 Messungen), relative Radioaktivit?t der Luft (70 Messungen über je 4 Stunden), Gehalt von Niederschl?gen und Nebeln (Wolken) an NO′₂-Ionen. Die Auswertung der Ergebnisse erfolgte nach synoptischen Gesichtspunkten unter Verwendung der station?ren luftelektrischen Registrierungen an 6 weiteren Stationen zwischen 3000 und 700 m NN. Es wird anhand von Beispielen gezeigt, dass luftelektrische Registrierungen an Stationen in gr?sserer H?he die M?glichkeit bieten, den elektrischen Aufbau der Atmosph?re in verschiedenartigen Wolken (Schichtwolken, Schauer, Gewitter) und w?hrend Niederschl?gen zu studieren. Das Verhalten des elektrischen Feldes und des Leitungsstromes in Wolken verschiedenen Typs sowie beim übergang des Niederschlages von der festen zur flüssigen Phase und umgekehrt wird beschrieben. Zahlreiche Messungen der elektrischen Leitf?higkeit geben Aufschluss über ihr Verhalten im Bereich sonnenbeschienener Nebel und Wolkenteile, im Bereich von Abwind aus Quellwolken-K?pfen und im Bereich von Abwind unter n?chtlichen Inversionen. Die gemessenen NO′₂-Konzentrationen in Niederschl?gen und Nebeln stehen in eindeutiger Korrelation zum elektrischen Aufbau und der elektrischen Aktivit?t der Wolken. Die Radioaktivit?t der Luft wird in den Nordalpen stark von der Windrichtung bestimmt; Maximum besteht bei Wind aus SE-SW (Herkunft der radioaktiven Stoffe: Eruptivgesteine der Zentralalpen). Zahlreiche meteorologische Einflüsse auf die Luftradioaktivit?t werden diskutiert. Es wird nachgewiesen, dass zum Verst?ndnis der Beziehung zwischen luftelektrischen Gr?ssen und Konvektion allein die Erfassung meteorologischer Indikatoren (Dampfdruck, Kernzahl) nicht ausreicht. Der Zusammenhang wird durch die schwankende Luftradioaktivit?t stark modifiziert. Dies gilt nicht nur für die reine Konvektion sondern auch für den Durchgang von Inversionen. An der Oberseite von Inversionen fanden wir eine dünne Schicht mit sehr hoher Leitf?higkeit. Auch in der Inversionsschicht selbst ist die Leitf?higkeit trotz grossem Kerngehalt relativ hoch. Bei Darstellung des Zusammenhanges zwischen Leitf?higkeit der Luft und Kernzahl ist die Luftradioaktivit?t als Parameter einzuführen. Die Tagesg?nge luftelektrischer Gr?ssen (7 Stationen) und meteorologischer Gr?ssen (3 Stationen) an Strahlungstagen werden synoptisch betrachtet.

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Summary The results of an excursion are reported, which was carried out to the ?Zugspitzplatt? (2580 m NN; Wetterstein Mountains, Northern Alps) from 15 August to 21 September 1955. Potential gradient, temperature, humidity, wind velocity, and solar radiation were recorded there, and moreover measurements were carried out of the magnitudes: total as well as positive and negative electric conductivity of the air (950 measurements each), number of condensation nuclei (1025 measurements), relative radioactivity of the air (70 measurements, each covering four hours), and NO′₂-ion contents of precipitations and fogs (clouds). For the synoptic evaluation of the results, the records of 6 further atmospheric electric stations were used, which are situated at fixed places between 700 and 3000 m NN. Examples are given to show that atmospheric electric recordings at high level stations enable us to study the electric structure of the atmosphere during precipitations and in clouds of different kind (sheet clouds, shower and thunderstorm clouds). The behaviour of electric field and conduction current in clouds of different types is described as well as in cases where precipitation changes from the solid into the liquid state and vice versa. Numerous measurements give information about the behaviour of the electric conductivity of the air in the areas of: fogs and cloud fragments irradiated by the sun, downward currents from cumulus congestus tops, and downward currents below nocturnal inversions. There is a clear correlation between the NO′₂-ion concentration measured in precipitations and fogs, and the electric structure and electric activity of the clouds. In the Northern Alps, the radioactivity of the air is highly influenced by the wind; the maximum of radioactivity is found when the wind comes from SE-SW (origin of the radioactive substances: igneous rocks in the Central Alps). Numerous meteorological influences on the atmospheric radioactivity are discussed. It is shown that the consideration of meteorological indicators alone, as pressure of water vapour and number of nuclei, is not sufficient to account for the correlation between atmospheric electric magnitudes and convection. This correlation is modified, to a high degree, by the fluctuations of atmospheric radioactivity. This is true not only of convection processes but also of inversion passages. On the upper surface of inversions we found a thin layer of very high conductivity. In the inversion layer itself, the conductivity is also relatively high, though there are many nuclei. When the correlation between atmospheric conductivity and number of nuclei is represented, the atmospheric radioactivity has to be introduced as a parameter. - The diurnal variations of atmospheric electric (7 stations) and meteorological (3 stations) magnitudes, on radiation days, are studied synoptically.

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The research reported in this article has been sponsored by the Geophysics Research Directorate of the Air Force Cambridge Research Center, Air Research and Development Command, United States Air Force, under Contract AF (514)-732-C, through the European Office, ARDC.

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Dr. rer. nat.Reinhold Reiter,München, 9, Ravennastrasse, 62.