Assembly processes of invertebrate communities in springs across different spatial scales

Il presente lavoro ha lo scopo di comprendere i processi sottesi ai pattern di coesistenza tra le specie di invertebrati sorgentizi, distinguendo tra dinamiche stocastiche e deterministiche. Le sorgenti sono ecosistemi complessi e alcune loro caratteristiche (ad esempio l’insularità, la stabilità termica, la struttura ecotonale “a mosaico”, la frequente presenza di specie rare ed endemiche, o l’elevata diversità in taxa) le rendono laboratori naturali utili allo studio dei processi ecologici, tra cui i processi di assembly. Al fine di studiare queste dinamiche è necessario un approccio multi-scala, per questo motivi sono state prese in considerazione tre scale spaziali. A scala locale è stato compiuto un campionamento stagionale su sette sorgenti (quattro temporanee e tre permanenti) del Monte Prinzera, un affioramento ofiolitico vicino alla città di Parma. In questa area sono stati valutati l’efficacia e l’impatto ambientale di diversi metodi di campionamento e sono stati analizzati i drivers ecologici che influenzano le comunità. A scala più ampia sono state campionate per due volte 15 sorgenti della regione Emilia Romagna, al fine di identificare il ruolo della dispersione e la possibile presenza di un effetto di niche-filtering. A scala continentale sono state raccolte informazioni di letteratura riguardanti sorgenti dell’area Paleartica occidentale, e sono stati studiati i pattern biogeografici e l’influenza dei fattori climatici sulle comunità. Sono stati presi in considerazione differenti taxa di invertebrati (macroinvertebrati, ostracodi, acari acquatici e copepodi), scegliendo tra quelli che si prestavano meglio allo studio dei diversi processi in base alle loro caratteristiche biologiche e all’approfondimento tassonomico raggiungibile. I campionamenti biologici in sorgente sono caratterizzati da diversi problemi metodologici e possono causare impatti sugli ambienti. In questo lavoro sono stati paragonati due diversi metodi: l’utilizzo del retino con un approccio multi-habitat proporzionale e l’uso combinato di trappole e lavaggio di campioni di vegetazione. Il retino fornisce dati più accurati e completi, ma anche significativi disturbi sulle componenti biotiche e abiotiche delle sorgenti. Questo metodo è quindi raccomandato solo se il campionamento ha come scopo un’approfondita analisi della biodiversità. D’altra parte l’uso delle trappole e il lavaggio della vegetazione sono metodi affidabili che presentano minori impatti sull’ecosistema, quindi sono adatti a studi ecologici finalizzati all’analisi della struttura delle comunità. Questo lavoro ha confermato che i processi niche-based sono determinanti nello strutturare le comunità di ambienti sorgentizi, e che i driver ambientali spiegano una rilevante percentuale della variabilità delle comunità. Infatti le comunità di invertebrati del Monte Prinzera sono influenzate da fattori legati al chimismo delle acque, alla composizione e all’eterogeneità dell’habitat, all’idroperiodo e alle fluttuazioni della portata. Le sorgenti permanenti mostrano variazioni stagionali per quanto riguarda le concentrazioni dei principali ioni, mentre la conduttività, il pH e la temperatura dell’acqua sono più stabili. È probabile che sia la stabilità termica di questi ambienti a spiegare l’assenza di variazioni stagionali nella struttura delle comunità di macroinvertebrati. L’azione di niche-filtering delle sorgenti è stata analizzata tramite lo studio della diversità funzionale delle comunità di ostracodi dell’Emilia-Romagna. Le sorgenti ospitano più del 50% del pool di specie regionale, e numerose specie sono state rinvenute esclusivamente in questi habitat. Questo è il primo studio che analizza la diversità funzionale degli ostracodi, è stato quindi necessario stilare una lista di tratti funzionali. Analizzando il pool di specie regionale, la diversità funzionale nelle sorgenti non è significativamente diversa da quella misurata in comunità assemblate in maniera casuale. Le sorgenti non limitano quindi la diversità funzionale tra specie coesistenti, ma si può concludere che, data la soddisfazione delle esigenze ecologiche delle diverse specie, i processi di assembly in sorgente potrebbero essere influenzati da fattori stocastici come la dispersione, la speciazione e le estinzioni locali. In aggiunta, tutte le comunità studiate presentano pattern spaziali riconoscibili, rivelando una limitazione della dispersione tra le sorgenti, almeno per alcuni taxa. Il caratteristico isolamento delle sorgenti potrebbe essere la causa di questa limitazione, influenzando maggiormente i taxa a dispersione passiva rispetto a quelli a dispersione attiva. In ogni caso nelle comunità emiliano-romagnole i fattori spaziali spiegano solo una ridotta percentuale della variabilità biologica totale, mentre tutte le comunità risultano influenzate maggiormente dalle variabili ambientali. Il controllo ambientale è quindi prevalente rispetto a quello attuato dai fattori spaziali. Questo risultato dimostra che, nonostante le dinamiche stocastiche siano importanti in tutte le comunità studiate, a questa scala spaziale i fattori deterministici ricoprono un ruolo prevalente. I processi stocastici diventano più influenti invece nei climi aridi, dove il disturbo collegato ai frequenti eventi di disseccamento delle sorgenti provoca una dinamica source-sink tra le diverse comunità. Si è infatti notato che la variabilità spiegata dai fattori ambientali diminuisce all’aumentare dell’aridità del clima. Disturbi frequenti potrebbero provocare estinzioni locali seguite da ricolonizzazioni di specie provenienti dai siti vicini, riducendo la corrispondenza tra gli organismi e le loro richieste ambientali e quindi diminuendo la quantità di variabilità spiegata dai fattori ambientali. Si può quindi concludere che processi deterministici e stocastici non si escludono mutualmente, ma contribuiscono contemporaneamente a strutturare le comunità di invertebrati sorgentizi. Infine, a scala continentale, le comunità di ostracodi sorgentizi mostrano chiari pattern biogeografici e sono organizzate lungo gradienti ambientali principalmente collegati altitudine, latitudine, temperatura dell’acqua e conducibilità. Anche la tipologia di sorgente (elocrena, reocrena o limnocrena) è influente sulla composizione delle comunità. La presenza di specie rare ed endemiche inoltre caratterizza specifiche regioni geografiche.

Upper and lower bounds on the learning curve for Gaussian processes

In this paper we introduce and illustrate non-trivial upper and lower bounds on the learning curves for one-dimensional Gaussian Processes. The analysis is carried out emphasising the effects induced on the bounds by the smoothness of the random process described by the Modified Bessel and the Squared Exponential covariance functions. We present an explanation of the early, linearly-decreasing behavior of the learning curves and the bounds as well as a study of the asymptotic behavior of the curves. The effects of the noise level and the lengthscale on the tightness of the bounds are also discussed.

Emulation of random output simulators

Computer models, or simulators, are widely used in a range of scientific fields to aid understanding of the processes involved and make predictions. Such simulators are often computationally demanding and are thus not amenable to statistical analysis. Emulators provide a statistical approximation, or surrogate, for the simulators accounting for the additional approximation uncertainty. This thesis develops a novel sequential screening method to reduce the set of simulator variables considered during emulation. This screening method is shown to require fewer simulator evaluations than existing approaches. Utilising the lower dimensional active variable set simplifies subsequent emulation analysis. For random output, or stochastic, simulators the output dispersion, and thus variance, is typically a function of the inputs. This work extends the emulator framework to account for such heteroscedasticity by constructing two new heteroscedastic Gaussian process representations and proposes an experimental design technique to optimally learn the model parameters. The design criterion is an extension of Fisher information to heteroscedastic variance models. Replicated observations are efficiently handled in both the design and model inference stages. Through a series of simulation experiments on both synthetic and real world simulators, the emulators inferred on optimal designs with replicated observations are shown to outperform equivalent models inferred on space-filling replicate-free designs in terms of both model parameter uncertainty and predictive variance.

A three dimensional numerical investigation of hillslope flow processes

Physically based distributed models of catchment hydrology are likely to be made available as engineering tools in the near future. Although these models are based on theoretically acceptable equations of continuity, there are still limitations in the present modelling strategy. Of interest to this thesis are the current modelling assumptions made concerning the effects of soil spatial variability, including formations producing distinct zones of preferential flow. The thesis contains a review of current physically based modelling strategies and a field based assessment of soil spatial variability. In order to investigate the effects of soil nonuniformity a fully three dimensional model of variability saturated flow in porous media is developed. The model is based on a Galerkin finite element approximation to Richards equation. Accessibility to a vector processor permits numerical solutions on grids containing several thousand node points. The model is applied to a single hillslope segment under various degrees of soil spatial variability. Such variability is introduced by generating random fields of saturated hydraulic conductivity using the turning bands method. Similar experiments are performed under conditions of preferred soil moisture movement. The results show that the influence of soil variability on subsurface flow may be less significant than suggested in the literature, due to the integrating effects of three dimensional flow. Under conditions of widespread infiltration excess runoff, the results indicate a greater significance of soil nonuniformity. The recognition of zones of preferential flow is also shown to be an important factor in accurate rainfall-runoff modelling. Using the results of various fields of soil variability, experiments are carried out to assess the validity of the commonly used concept of `effective parameters'. The results of these experiments suggest that such a concept may be valid in modelling subsurface flow. However, the effective parameter is observed to be event dependent when the dominating mechanism is infiltration excess runoff.

Multiwavelength generation in a random distributed feedback fiber laser using an all fiber Lyot filter

Multiwavelength lasing in the random distributed feedback fiber laser is demonstrated by employing an all fiber Lyot filter. Stable multiwavelength generation is obtained, with each line exhibiting subnanometer line-widths. A flat power distribution over multiple lines is obtained, which indicates that the power between lines is redistributed in nonlinear mixing processes. The multiwavelength generation is observed both in first and second Stokes waves. © 2014 Optical Society of America.

Optimal design for correlated processes with input-dependent noise

Optimal design for parameter estimation in Gaussian process regression models with input-dependent noise is examined. The motivation stems from the area of computer experiments, where computationally demanding simulators are approximated using Gaussian process emulators to act as statistical surrogates. In the case of stochastic simulators, which produce a random output for a given set of model inputs, repeated evaluations are useful, supporting the use of replicate observations in the experimental design. The findings are also applicable to the wider context of experimental design for Gaussian process regression and kriging. Designs are proposed with the aim of minimising the variance of the Gaussian process parameter estimates. A heteroscedastic Gaussian process model is presented which allows for an experimental design technique based on an extension of Fisher information to heteroscedastic models. It is empirically shown that the error of the approximation of the parameter variance by the inverse of the Fisher information is reduced as the number of replicated points is increased. Through a series of simulation experiments on both synthetic data and a systems biology stochastic simulator, optimal designs with replicate observations are shown to outperform space-filling designs both with and without replicate observations. Guidance is provided on best practice for optimal experimental design for stochastic response models. © 2013 Elsevier Inc. All rights reserved.

On the Structure of Spatial Branching Processes

The paper is a contribution to the theory of branching processes with discrete time and a general phase space in the sense of [2]. We characterize the class of regular, i.e. in a sense sufficiently random, branching processes (Φk) k∈Z by almost sure properties of their realizations without making any assumptions about stationarity or existence of moments. This enables us to classify the clans of (Φk) into the regular part and the completely non-regular part. It turns out that the completely non-regular branching processes are built up from single-line processes, whereas the regular ones are mixtures of left-tail trivial processes with a Poisson family structure.

Quasi-Likelihood Estimation for Ornstein-Uhlenbeck Diffusion Observed at Random Time Points

2000 Mathematics Subject Classification: 60J60, 62M99.

Branching Stochastic Processes: History, Theory, Applications

Косто В. Митов - Разклоняващите се стохастични процеси са модели на популационната динамика на обекти, които имат случайно време на живот и произвеждат потомци в съответствие с дадени вероятностни закони. Типични примери са ядрените реакции, клетъчната пролиферация, биологичното размножаване, някои химични реакции, икономически и финансови явления. В този обзор сме се опитали да представим съвсем накратко някои от най-важните моменти и факти от историята, теорията и приложенията на разклоняващите се процеси.

A Limit Theorem for Multi-Type Subcritical Age-Dependent Branching Processes with two Types of Immigration

Марусия Н. Славчова-Божкова - В настоящата работа се обобщава една гранична теорема за докритичен многомерен разклоняващ се процес, зависещ от възрастта на частиците с два типа имиграция. Целта е да се обобщи аналогичен резултат в едномерния случай като се прилагат “coupling” метода, теория на възстановяването и регенериращи процеси.

Subcritical Randomly Indexed Branching Processes

2000 Mathematics Subject Classification: 60J80, 62P05.

Offspring Mean Estimators in Branching Processes with Immigration

2000 Mathematics Subject Classification: 60J80.

Estimators in Branching Processes with Immigration

2000 Mathematics Subject Classi cation: 60J80.

A New Class of Processes for Formalizing and Generalizing Individual-Based Models: The Semi-Semi-Markov Processes

2000 Mathematics Subject Classification: 60K15, 60K20, 60G20,60J75, 60J80, 60J85, 60-08, 90B15.

Limit Theorems for Maxima of Heavy-Tailed Terms with Random Dependent Weights

2000 Mathematics Subject Classification: Primary 60F17, 60G52, 60G70 secondary 60E07, 62E20.