Regionalisierung in der Hydrologie: Ergebnisse von Rundgesprächen der Deutschen Forschungsgemeinschaft
Gespeichert in:
| Weitere Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Weinheim
VCH
1992
|
| Schriftenreihe: | Mitteilung ... der Senatskommission für Wasserforschung / Deutsche Forschungsgemeinschaft, Kommission für Wasserforschung
11 |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Literaturangaben |
| Beschreibung: | XXI, 444 S. graph. Darst., Kt. |
| ISBN: | 3527275517 |
Internformat
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| adam_text | Inhalt
1 Allgemeines........................................... 1
1.1 Regionalisierung hydrologischer Daten — Definitionen ..... 1
Hans-B. Kleeberg, Jiri Cemus
1.1.1 Bisherige Definition.................................... 1
1.1.2 Bewertung............................................ 4
1.1.3 Vorschlag zur Definition................................ 5
1.1.4 Umfang der Regionalisierung............................ 6
1.1.5 Untersuchte Größen.................................... 8
1.1.5.1 Regionalisierte Modellparameter und Eingangsgrößen....... 8
1.1.5.2 Regionalisierte Randbedingungen und Koeffizienten........ 8
1.1.5.3 Modellansätze......................................... 9
1.1.6 Ausblick.............................................. 10
1.1.7 Literatur.............................................. 10
1.2 Methodische Aspekte der Regionalisierung................ 16
Alfred Becker
1.2.1 Regionalisierung im klassischen Sinn..................... 16
1.2.2 Erweiterung des Begriffes Regionalisierung................ 17
1.2.3 Skalen in der Hydrologie............................... 18
1.2.4 Vorschlag für eine umfassendere Definition der Regionalisie¬
rung ................................................. 20
1.2.5 Hauptwege der Regionalisierung......................... 22
1.2.6 Betrachtung eines speziellen Anwendungsfalles............. 24
1.2.7 Regionalisierung von Abflußextremwerten................. 27
1.2.8 Schlußfolgerangen und Anforderungen an zukünftige Ent¬
wicklungen ........................................... 28
1.2.9 Literatur.............................................. 31
IX
1.3 Skalen in der Hydrologie: Zur Definition von Begriffen----- 33
Erich J.
Plate
1.3.1 Einführung........................................... 33
1.3.2 Räumliche Skalierung.................................. 35
1.3.2.1 Mikroskalige Prozesse der Hydrologie.................... 35
1.3.2.2 Mesoskalige Prozesse der Hydrologie..................... 38
1.3.2.3 Makroskalige Prozesse.................................. 40
1.3.3 Zeitliche Skalen für hydrologische Prozesse................ 40
1.3.4 Schlußwort............................................ 43
1.3.5 Literatur.............................................. 43
1.4 Was kann Regionalisierung leisten? Über die Verwendung von
Daten der räumlichen Variabilität........................ 45
Ulrich Homung
1.4.1 Problemstellung....................................... 45
1.4.2 Mittelung und
inverse
Probleme......................... 45
1.4.3 Stochastik............................................ 48
1.4.4 Homogenisierung...................................... 49
1.4.5 Stochastische Differentialgleichungen..................... 50
1.4.6 Forschungsdefizite..................................... 52
1.4.7 Literatur.............................................. 53
1.5 Modelle in der Ökosystemforschung...................... 55
Michael Hauhs
1.5.1 Einleitung............................................ 55
1.5.2 Definitionen.......................................... 55
1.5.3 Parameterfunktionen und Zustandsvariablen............... 58
1.5.4 Die Meßstrategie....................................... 60
1.5.5 Schlußfolgerungen..................................... 61
1.5.6 Literatur.............................................. 62
1.6 Internationale Aktivitäten auf dem Gebiet der Regionalisierung 63
Hans-Jürgen Liebscher
1.6.1 Einführung........................................... 63
1.6.2 UNESCO............................................. 64
1.6.3 WMO................................................ 70
X
1.6.4
ICSU
................................................ 72
1.6.5
IAHS
................................................ 72
1.6.6
IIASA
................................................ 73
1.6.7
Europa-Rat
........................................... 73
1.6.8 Empfehlungen......................................... 73
1.6.9 Literatur.............................................. 74
2 Atmosphäre........................................... 77
2.1 Der hydrologische Zyklus im Hamburger Klimamodell
ECHAM ............................................. 77
Lydia Dümenil
2.1.1 Diskussion des hydrologischen Zyklus.................... 77
2.1.2 Parametrisierung des hydrologischen Zyklus............... 79
2.1.2.1 Allgemeine Angaben zum Modell........................ 79
2.1.2.2 Evapotranspiration..................................... 80
2.1.2.3 Hochreichende
Konvektion
.............................. 81
2.1.2.4 Wolken............................................... 81
2.1.2.5 Bodenwasser.......................................... 84
2.1.3 Einzelne Modellfelder im 20jährigen Mittelwert............ 84
2.1.4 Bedarf............................................... 90
2.1.5 Literatur.............................................. 91
2.2 Beispiele für die Struktur von Niederschlagsereignissen..... 93
Rainer Roth
2.2.1 Einleitung ............................................ 93
2.2.2 Abkühlung der Luft durch verschiedene Prozesse .......... 93
2.2.3 Die Struktur eines Niederschlagsereignisses am Boden...... 94
2.2.4 Beispiele.............................................. 95
2.2.4.1 Struktur in frontalen Niederschlagsgebieten............... 95
2.2.4.2 Das Niederschlagsfeld eines Tiefdruckgebiets.............. 98
2.2.4.3 Orographische Niederschlagsfelder....................... 99
2.2.5 Vorschlag für die Nutzung der Ergebnisse von numerischen
Simulationen von
Strömungs-
und Niederschlagsfeldern..... 100
2.2.6 Schlußwort............................................ 102
2.2.7 Literatur.............................................. 102
XI
2.3 Models
Describing the Rainfall Process
................... 103
Erich J. Plate,
Andras Bardossy
2.3.1
Introduction
.......................................... 103
2.3.2
Physical Structure of the Rainfall Process
................. 103
2.3.3
Point Process Models
.................................. 104
2.3.3.1
Rainfall Occurrence Models
............................. 104
2.3.3.2
Rainfall Amounts
...................................... 107
2.3.4
Space-time Models
..................................... 109
2.3.5
Conclusions
........................................... 110
2.3.6
References
............................................
П0
2.4
Regionalisierung am
Beispiel der flächendeckenden
Stark-
niederschlagsauswertung
für die Bundesrepublik Deutschland 112
Hella Bartels
2.4.1 Einleitung............................................ 112
2.4.2 Kartendarstellungen regionalisierter Niederschlagsdaten..... 112
2.4.3 Grundlagen und Grenzen für die Anwendung von Regionali-
sierungsverfahren...................................... 118
2.4.4 Flächendeckende Starkniederschlagsauswertung für die Bun¬
desrepublik Deutschland................................ 119
2.4.5 Forschungsdefizite und
-probleme
........................ 125
2.4.6 Literatur.............................................. 126
2.5 Regionalisierung von Regenspektren (H-D-S-Diagramme)___ 128
Jürgen Giesecke
2.5.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung........................ 128
2.5.2 Struktur des H-D-S-Diagramms („Regenspektrum ) sowie
Auswertekriterien für Regenreihen........................ 128
2.5.3 Topographie und Niederschlagsverhältnisse der untersuchten
DWD-Stationen in Baden-Württemberg................... 132
2.5.4 Ergebnisse der vergleichenden Betrachtung der analysierten
regionalen H-D-S-Diagramme am Beispiel der DWD-Stationen
der Oberrheinischen Tiefebene........................... 133
2.5.4.1 Allgemeines........................................... 133
2.5.4.2 Regionaler Vergleich der Isoliniendarstellungen und der Rand¬
verteilungen über die Regendauer und Regenspende........ 133
2.5.5 Darlegung von Daten- und Forschungsdefiziten............ 135
XII
2.5.5.1 Datendefizite.......................................... 137
2.5.5.2 Forschungsdefizite..................................... 138
2.5.6 Zusammenfassung..................................... 139
2.5.7 Literatur.............................................. 139
2.6 Möglichkeiten zur Regionalisierung der Verdunstung........ 141
Harald
Braden
2.6.1 Zusammenfassung..................................... 141
2.6.2 Einleitung............................................ 141
2.6.3 Für die Regionalisierung nicht geeignete Methoden......... 143
2.6.4 Für die Regionalisierung geeignete Methoden.............. 144
2.6.5 Anwendung der Methoden zur Berechnung der Gebietsver¬
dunstung ............................................. 146
2.6.6 Beispiele für Modelle zur Berechnung der Gebietsverdunstung 148
2.6.7 Ausblick.............................................. 152
2.6.8 Literatur.............................................. 153
3 Interzeption........................................... 157
3.1 Modellierung der Interzeption von Waldbeständen und Über¬
legungen zur Regionalisierung der Modellparameter........ 157
Hans-Dietrich Hoffmann
3.1.1 Definition der Interzeption.............................. 157
3.1.2 Bedeutung der Interzeption im Wasserhaushalt von Waldbe¬
ständen ............................................... 157
3.1.3 Qualitative Beschreibung des Interzeptionsprozesses........ 158
3.1.4 Modellierungsansätze................................... 159
3.1.5 Überlegungen zur Regionalisierung der Modellparameter .... 163
3.1.6 Definition der Modellparameter und Möglichkeiten ihrer
Herleitung............................................ 164
3.1.6.1 Koeffizient für den durchfallenden Niederschlag (p)........ 164
3.1.6.2 Benetzungskapazität (S) ................................ 164
3.1.6.3 Verzögerungskoeffizient (b) ............................. 165
3.1.6.4 Maximale Speicherkapazität (C^....................... 166
3.1.7 Örtliche und zeitliche Variabilität der Modellparameter..... 166
3.1.8 Forschungsdefizite..................................... 168
3.1.9 Literatur.............................................. 169
XIII
3.2 Modellierung und Regionalisierung der Interzeption........ 171
Andreas Herrmann
3.2.1 Einleitung............................................ 171
3.2.2 Interzeptionsspeicher und Stand der Modellierung.......... 172
3.2.2.1 Begriffe und Prozesse.................................. 173
3.2.2.2 Modellierung und experimentelle Anforderungen........... 175
3.2.2.2.1 Statistische Modelle.................................... 175
3.2.2.2.2 Dynamische Modelle................................... 176
3.2.2.2.3 Datenbedarf.......................................... 178
3.2.3 Regionalisierung der Interzeption........................ 179
3.2.3.1 Grundlagen........................................... 180
3.2.3.2 Voraussetzungen und Notwendigkeiten.................... 180
3.2.4 Schlußbemerkung...................................... 181
3.2.5 Literatur.............................................. 181
4 Schneedecke .......................................... 185
4.1 Schneedeckenverteilung im
mikro-
bis mesoskaligen Bereich . 185
Ludwig N. Braun, Mario
R
Rohrer
4.1.1 Einleitung............................................ 185
4.1.2 Erfassung und Auswertung der zeitlichen und räumlichen
Variabilität der Schneedecke............................. 186
4.1.2.1 Zeitliche Variabilität an einem Punkt..................... 186
4.1.2.2 Räumliche Variabilität.................................. 187
4.1.3 Simulation des Auf- und Abbaus der Schneedecke im Umfeld
einer meteorologischen Station .......................... 190
4.1.3.1 Das Problem der Übergangstemperatur von festem zu flüssi¬
gem Niederschlag...................................... 191
4.1.3.2 Korrektur-Parameter für Niederschlagsdaten............... 192
4.1.3.3 Kriterien bei der Wahl eines Schneeakkumulations- und Ab-
lationsmodells......................................... 195
4.1.4 Gebietsbezogene Simulation des Auf- und Abbaus der Schnee¬
decke ................................................ 196
4.1.5 Schlußfolgerungen..................................... 197
4.1.6 Literatur.............................................. 198
XIV
5 Infiltration und Wasserbewegung im Boden............... 201
5.1 Regionalisierung bodenhydrologischer Parameter und
Zustandsvariablen...................................... 201
Hans-Rudolf Bork
5.1.1 Methoden zur Prognose der Entwicklung der Wasserbewegung
im Boden............................................. 201
5.1.2 Voraussetzungen für die Anwendung von Gebietsmodellen der
Wasserflüsse.......................................... 203
5.1.3 Parametrisierung und Regionalisierung von Modellparametern 205
5.1.4 Parametrisierung und Regionalisierung von Zustandsgrößen . 212
5.1.5 Zusammenfassung..................................... 218
5.1.6 Literatur.............................................. 219
5.2 Vorhersagbarkeit der Wasserbindungs- und der Wasserleit¬
fähigkeitsfunktion an bodenkundlichen Substratmerkmalen.. 221
Paul Benecke
5.2.1 Einleitung............................................ 221
5.2.2 Vorhersagemodelle — Beispiele.......................... 223
5.2.2.1 Die Schätztabellen nach Renger.......................... 223
5.2.2.2 Das Kapillar-Modell.................................... 224
5.2.2.2.1 Der Ansatz von Childs und Coffis-George................. 226
5.2.2.2.2 Die Gleichungen von Marshall und von Miffington und
Quirk
226
5.2.2.2.3 Der Ansatz von van Genuchten.......................... 228
5.2.2.3 Auf Substratmerkmalen gegründete kontinuierliche Modelle . 229
5.2.2.3.1 Der Ansatz von
Bloemen
............................... 229
5.2.2.3.2 Die Gleichungen von
Saxton, Rawls, Romberger
und
Papendick............................................ 230
5.2.2.3.3 Die Methode von Wösten und van Genuchten............. 232
5.2.4 Zusammenfassende Bewertung........................... 236
5.2.5 Literatur.............................................. 238
5.3 Kleinflächige punktuelle Infiltrationsmessungen — Flächen¬
haftes Infiltrationsmodell?.............................. 240
GerdR. Schiffler
5.3.1 Einleitung............................................ 240
5.3.2 Einflußfaktoren und Modelle............................ 240
XV
5.3.3 Fragenkatalog......................................... 241
5.3.4 Experimentelle und theoretische Untersuchungen........... 242
5.3.5 Schlußfolgerungen..................................... 249
5.3.6 Literatur.............................................. 250
5.4 Morphologische Parameter, die die Wasserbewegung auf der
Bodenoberfläche und in größeren Bodenhohlräumen beein¬
flussen ............................................... 252
Heiko Diestel
5.4.1 Einleitung ............................................ 252
5.4.2 Die Aufteilung des Niederschlags in Oberflächenabfluß und
Infiltration............................................ 252
5.4.2.1 Stand des Wissens..................................... 252
5.4.2.2 Eigene Arbeiten....................................... 253
5.4.2.3 Bemerkungen zur Regionalisierung....................... 254
5.4.2.4 Forschungsbedarf...................................... 254
5.4.3 Die Wasserbewegung und Stoffverlagerung in nichtsandigen
Böden................................................ 255
5.4.3.1 Stand des Wissens..................................... 255
5.4.3.2 Eigene Arbeiten....................................... 256
5.4.3.3 Bemerkungen zur Regionalisierung....................... 257
5.4.3.4 Forschungsbedarf...................................... 257
5.4.4 Literatur.............................................. 258
5.5 Regionalisierung von Parametern zur Beschreibung der Wasser¬
bewegung in heterogenem Untergrund — Erkundungs- und
Simulationsmethoden................................... 259
Georg Teutsch
5.5.1 Einleitung............................................ 259
5.5.2 Erkundung von Untergrundparametern................... 259
5.5.3 Das
„Upscal^^ -Problem
aus probabilistischer Sicht....... 261
5.5.4 Nichtparametrische geostatistische Verfahren zur Untersu¬
chung heterogener Aquiferstrukturen..................... 263
5.5.5 Simulation der
Strömungs-
und Transportvorgänge in einem
heterogenen Sand- und Kiesaquifer....................... 265
5.5.6 Zusammenfassung..................................... 271
5.5.7 Literatur.............................................. 271
XVI
5.6 Grundwasserneubildung................................ 272
Rolf Mull
5.6.1 Problemstellung....................................... 272
5.6.2 Ziel der Untersuchungen................................ 273
5.6.3 Zu lösende Aufgaben................................... 274
5.6.4 Einzelschritte.......................................... 275
5.7 Möglichkeiten der Regionalisierung von Grundwasserneubil-
dungsraten aus bodenkundlicher Sicht.................... 276
Manfred Renger
5.7.1 Ermittlung der Grundwassemeubildung................... 276
5.7.2 Forschungsdefizite bei der Regionalisierung............... 283
5.7.3 Literatur.............................................. 284
5.8 Probleme der Regionalisierung bei der Beschreibung der Was¬
serbewegung in der gesättigten Zone
(stochastische
Methoden
und Modelle).......................................... 285
Wolfdietrich Skala, Asaf Pekdeger
5.8.1 Einleitung............................................ 285
5.8.2 Bisherige Vorarbeiten................................... 285
5.8.3 Ziele des Forschungsprojekts............................ 287
5.8.4 Literatur.............................................. 289
6 Abflußbildung in Oberflächengewässern.................. 291
6.1 Regionalisierung von Gebietsparametern in Wasserhaushalts¬
modellen ............................................. 291
Andreas Herrmann
6.1.1 Einleitung............................................ 291
6.1.2 Einzugsgebietsmodelle und Forschungsbedarf.............. 292
6.1.3 Tracerhydrologische Systemanalysen und Identifikation von
relevanten Prozeßparametern............................ 297
6.1.4 Regionalisierung von hydrologisch-hydraulischen Einzugs¬
gebietsparametern ...................................... 300
6.1.4.1 Simulation von Abflußanteilen (d; i)..................... 300
XVII
6.1.4.2
Regionalísierang
hydrologisch relevanter
Gebietsparameter
(Vm;t0;neff)
.......................................... 301
6.1.5 Schlußbemerkung...................................... 302
6.1.6 Literatur.............................................. 302
6.2 Regionalisierang des Abflußbeiwertes..................... 304
Jürgen Ihringer
6.2.1 Einführung........................................... 304
6.2.2 Problemstellung....................................... 305
6.2.3 Methoden zur Schätzung des Abflußbeiwerts.............. 307
6.2.4 Nachteile der vorhandenen Verfahren..................... 311
6.2.5 Folgerungen........................................... 315
6.2.6 Literatur.............................................. 316
6.3 Regionalisierung mit Hilfe morphometrischer Parameter .... 317
Karl-Heinz Schmidt
6.3.1 Einführung........................................... 317
6.3.2 Morphometrische Einzugsgebietsparameter für die räumliche
Übertragung.......................................... 318
6.3.3 Voraussetzungen für die Verwendung morphometrischer Para¬
meter bei der Regionalisierung........................... 321
6.3.4 Anwendungspotential................................... 322
6.3.5 Schlußfolgerungen..................................... 323
6.3.6 Literatur.............................................. 323
6.4 Rsgionalisierung von Parametern für Hochwasserabflußgang¬
linien ................................................ 325
Ulrich
Maniak
6.4.1 Veranlassung und Problemstellung....................... 325
6.4.2 Ausgangsdaten zur Gewinnung der Parameter ............. 325
6.4.3 Gewinnung der Parameter aus Modellen.................. 326
6.4.3.1 Modelltypen.......................................... 326
6.4.3.2 Stand der Forschung................................... 326
6.4.4 Forschungslücken...................................... 331
6.4.5 Literatur.............................................. 332
XVIII
7
Methoden
der Regionalisierung.......................... 333
7.1
Taxonometrische Methoden, neuronale
Netze und
Regionali¬
sierung
............................................... 333
Ulrich Streit
7.1.1 Grundlegende Begriffe.................................. 333
7.1.2 Überblick über taxonometrische Methoden................ 335
7.1.3 Künstliche neuronale Netze............................. 340
7.1.4 Nutzung taxonometrischer Methoden für die Regionalisierung 343
7.1.5 Literatur.............................................. 343
7.2 Wissensbasierte Systeme für die Regionalisierung.......... 345
Ulrich Streit
7.2.1 Von der Datenverarbeitung zur Wissensverarbeitung........ 345
7.2.2 Aufbau und Funktion von Expertensystemen.............. 349
7.2.2.1 Wissensakquisition..................................... 350
7.2.2.2 Wissensrepräsentation und Wissensverarbeitung............ 352
7.2.2.2.1 Logikbasierte Systeme.................................. 352
7.2.2.2.2 Regelbasierte Systeme.................................. 353
7.2.2.2.3 Objektbasierte Systeme................................. 354
7.2.3 Nutzung von Expertensystemen für die Regionalisierung___ 355
7.2.4 Literatur.............................................. 356
7.3
Decision
Support Systems............................... 357
Hans-Peter Nachtnebel
7.3.1 Kurzfassung........................................... 357
7.3.2 Einleitung............................................ 357
7.3.3 Elemente eines
Decision
Support Systems für Grundwasser¬
modelle .............................................. 359
7.3.3.1 Datenbank............................................ 360
7.3.3.2 Modellbank........................................... 363
7.3.3.3
GIS
.................................................. 364
7.3.3.4 Modellgenerator (Problem Generation)................... 366
7.3.3.5
Problemanalysator
..................................... 370
7.3.4 Benutzeroberfläche..................................... 372
7.3.5 Zusammenfassung und Folgerungen...................... 372
7.3.6 Literatur.............................................. 374
XIX
7.4
Fuzzy Geostatistics
..................................... 376
Andras
Bárdossy
7.4.1
Introduction
.......................................... 376
7.4.2
Uncertainty in Geostatistics
............................. 377
7.4.3
Methodology
..........................................
378
7.4.3.1
Assessment of the Membership Functions
................. 380
7.4.3.2
Fuzzy Variograms
...................................... 381
7.4.3.3
Fuzzy Kriging
......................................... 382
7.4.4
Applications
.......................................... 385
7.4.5
References
............................................ 385
7.5 Identifizierung von Parametern und
inverse
Aufgaben¬
stellungen ............................................. 387
Ulrich Hornung
7.5.1 Einleitung ............................................ 387
7.5.2 Korrekt und inkorrekt gestellte Aufgaben ................. 387
7.5.3 Die Struktur
inverser
Aufgaben.......................... 389
7.5.4 Die Verwendung von Optimierungstechniken .............. 392
7.5.5 Alternative Modelle.................................... 393
7.5.6 Neuere Modelle........................................ 395
7.5.7 Offene Probleme ...................................... 397
7.5.8 Schlußfolgerungen..................................... 398
7.5.9 Literatur.............................................. 399
8 Geoinformationssysteme und Fernerkundung.............. 403
8.1 Geographische Informationssysteme...................... 403
André
Kilchenmann
8.1.1 Einleitung............................................ 403
8.1.2 Zum Thema Regionalisierang hydrologischer Parameter und
GIS
.................................................. 405
8.1.2.1 GIS-Tutor auf Macintosh: GIS-GIiederung................ 405
8.1.2.2 GIS-Grandlagen....................................... 405
8.1.2.3 Beschreibungsdimensionen von GIS-Software.............. 406
8.1.2.4
GIS
in der Hydrologie - Anwendungen.................. 409
8.1.2.5
Spatial
Information Science............................. 409
8.1.2.6 GIS-Kongresse......................................... 409
XX
8.1.2.7
GIS-Zeitschriften
...................................... 410
8.1.2.8 GIS-Fachbücher....................................... 410
8.1.3 Literatur.............................................. 410
8.2 Ein Konzept für ein Geographisches Informationssystem .... 412
Peter Ludäscher
8.2.1 Einleitung............................................ 412
8.2.2 Anforderungsprofil an ein
GIS
.......................... 412
8.2.3 Anforderungen an die Hardware......................... 413
8.2.4 Literatur.............................................. 418
9 Diskussionsergebnisse.................................. 419
Hans-B. Kleeberg
9.1 Diskussion zu Definitionen.............................. 419
9.2 Diskussion zu Atmosphäre.............................. 420
9.3 Diskussion zu Schneedecke und Wasserabgaben aus Schnee . 422
9.4 Diskussion zur Wasserbewegung im Boden und zum Abfluß. 423
9.5 Diskussion zu Methoden der Regionalisierung............. 424
9.6 Diskussion zu Geoinformationssystemen und Fernerkundung 427
10 Fazit................................................. 431
Hans-B. Kleeberg
10.1 Ziel der Regionalisierung............................... 431
10.2 Wissenschaftliche Fragestellungen........................ 433
10.3 Ausführungsplan ...................................... 435
11 Teilnehmerverzeichnis .................................. 439
XXI
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