Downscaling of surface moisture flux and precipitation in the Ebro Valley (Spain) using analogues and analogues followed by random forests and multiple linear regression

In this paper, reanalysis fields from the ECMWF have been statistically downscaled to predict from large-scale atmospheric fields, surface moisture flux and daily precipitation at two observatories (Zaragoza and Tortosa, Ebro Valley, Spain) during the 1961-2001 period. Three types of downscaling models have been built: (i) analogues, (ii) analogues followed by random forests and (iii) analogues followed by multiple linear regression. The inputs consist of data (predictor fields) taken from the ERA-40 reanalysis. The predicted fields are precipitation and surface moisture flux as measured at the two observatories. With the aim to reduce the dimensionality of the problem, the ERA-40 fields have been decomposed using empirical orthogonal functions. Available daily data has been divided into two parts: a training period used to find a group of about 300 analogues to build the downscaling model (1961-1996) and a test period (19972001), where models' performance has been assessed using independent data. In the case of surface moisture flux, the models based on analogues followed by random forests do not clearly outperform those built on analogues plus multiple linear regression, while simple averages calculated from the nearest analogues found in the training period, yielded only slightly worse results. In the case of precipitation, the three types of model performed equally. These results suggest that most of the models' downscaling capabilities can be attributed to the analogues-calculation stage.

On the climatology, oceanography and fisheries of the Panama Bight

ENGLISH: Seasonal changes in the climatology, oceanography and fisheries of the Panama Bight are determined mainly by the latitudinal movements of the ITCZ over the region. Evaporation is about 980 mm annually. Rainfall is probably much less than previous estimates because of a discontinuity in the ITCZ. Freshwater runoff from the northern watershed varies from 22 X 109 m3/mo in October-November to 11 X 109 m3/mo in February-March; from the southeastern watershed it varies from 16 X 109 m3/mo in April-June to 9 X 109 m3/mo in October-December. Total annual runoff is about 350 X 109m3. A marked salinity front is found at all seasons off the eastern shore. In the northern part of the Bight temperatures in the upper layers remained fairly constant from May to November; by February the mean temperature had decreased by 4°C and sharp gradients existed in the geographic distributions. Salinities in the upper layers decreased steadily from May to November; by February the mean salinity had increased by 2.5‰. The mean depth of the mixed layer increased from 27 m in May to 40 m in November; by February upwelling decreased it to 18 m. Between November and February upwelling had doubled the amount of P04-P and tripled that of NO3-N in the euphotic zone; surface phytoplankton production and standing crop, and zooplankton concentrations also doubled during this period. Upwelling was about 1.5 m/mo during May-November and about 9.0 m/mo during November-February, the annual total is about 48 m, Mean primary production is about 0.3 gC/m2day during May-December and about 0.6 gC/m2day during January-April; annual production is about 140 gC/m2. A thermal ridge occurred in February running from the northern to the southwestern part of the Bight. Within this ridge was a marked thermal dome coinciding with the center of the cyclonic circulation cell. Upwelling in the dome averaged 16 m/mo in November-February. The fisheries of the Panama Bight annually produce about 30,000 metric tons of food species and about 68,000 m.t. of species used for reduction. Most attempts to further the understanding of tuna ecology were unsuccessful. The apparent abundances of yellowfin and skipjack in the northern part of the Bight appear to be related to the seasonal cycle of upwelling and enrichment, as abundances are greatest in April and May when food appears to be plentiful. The life-cycle of the anchoveta in the Gulf of Panama also appears to be related to upwelling; the species mass varies from about 39,000 m.t. in December to about 169,000 m.t, in April. About 19.1 X 1012 anchoveta eggs are spawned annually. The life-cycles of shrimp in the Panama Bight appear to be related to upwelling as catches are greatest in May-July, about 3-5 months after peak upwelling, and annual catches are inversely correlated with sea level. SPANISH: Los cambios estacionales en la climatología, oceanografía y pesquerías del Panamá Bight están determinados principalmente por el movimiento latitudinal sobre la región de la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT). La evaporación es de unos 980 mm al año. La pluviosidad es probablemente muy inferior a las estimaciones previas a causa de la descontinuidad en la ZCIT. El drenaje de agua dulce, de la vertiente septentrional, varía de 22 x 109m3/mes en octubre-noviembre hasta 11 x 109m3/mes en febreromarzo; el de la vertiente sudeste varía de 16 x 109m3/mes en abril-junio a 9 x 109m3/mes en octubre-diciembre. El drenaje total, anual, es alrededor de 350 x 109m3. En todas las estaciones frente al litoral oriental se encuentra un frente de salinidad marcada. En la parte septentrional del Bight las temperaturas en las capas superiores permanecieron más bien constantes de mayo a noviembre; en febrero la temperatura media había disminuido en unos 4°C y existieron gradientes agudos en las distribuciones geográficas. Las salinidades en las capas superiores disminuyeron constantemente de mayo a noviembre; en febrero la salinidad media había aumentado en 2.5‰. La profundidad media de la capa mixta aumentó de 27 m en mayo a 40 m en noviembre; en febrero el afloramiento disminuyó el espesor de la capa mixta hasta 18 m. Entre noviembre y febrero el afloramiento había duplicado la cantidad de PO4-P y triplicado la de NO3-N en la zona eufótica; la producción superficial de fitoplancton y la biomasa primaria y las concentraciones de zooplancton también se duplicaron durante este período. El afloramiento era cerca de 1.5 mimes durante mayo-noviembre y de unos 9.0 mimes durante noviembre-febrero, el total anual es de unos 48 m. La producción media primaria es aproximadamente de 0.3 gC/m2 al día durante mayo-diciembre y cerca de 0.6 gC/m2 al día durante enero-abril; la producción anual es de unos 140 gC/m2. En febrero apareció una convexidad termal que se extendió de la parte norte a la parte sudoeste del Bight. Dentro de esta convexidad se encontró un domo termal marcado el cual coincidió con el centro de la circulación ciclonal de la célula. El afloramiento en el domo tuvo un promedio de 16 mimes en noviembre-febrero. Las pesquerías del Panamá Bight producen anualmente de cerca 30,000 toneladas métricas de especies alimenticias y unas 68,000 t.m. de especies usadas para la reducción. La mayoría de los esfuerzos realizados con el fin de adquirir más conocimiento sobre la ecología del atún no tuvo éxito. La abundancia aparente del atún aleta amarilla y del barrilete en la parte septentrional del Bight parece estar relacionada con el ciclo estacional del afloramiento y del enriquecimiento, ya que la abundancia mayor en abril y mayo cuando parece que hay abundancia es de alimento. El ciclo de vida de la anchoveta en el Golfo de Panamá parece también que está relacionada al afloramiento. La masa de la especie varía de unas 39,000 t.m. en diciembre a cerca de 169,000 t.m. en abril. Aproximadamente 19.1 x 1012 huevos de anchoveta son desovados anualmente. Los ciclos de vida del camarón en el Panamá Bight parecen estar relacionados con el afloramiento ya que las capturas son superiores en mayo-julio, unos 3-5 meses después del ápice del afloramiento, y las capturas anuales se correlacionan inversamente con el nivel del mar. (PDF contains 340 pages.)

An evaluation of geographic and annual variation in morphometric characters and gill-raker counts of yellowfin tuna, Thunnus albacares, from the Pacific Ocean

ENGLISH: Samples of yellowfin tuna, Thunnus albacares, collected from five areas of the Pacific Ocean (Mexico, Ecuador, Australia, Japan, and Hawaii) between January and May of 1988 and 1990 were examined for spatiotemporal variation in morphometric characters and gill-raker counts. 'Iwo-factor analysis of variance, with area and year treated as grouping factors, indicated a significant difference in the means of the total gill-raker counts among fish from different areas, but no significant difference between fish caught in different years. The morphometric data were adjusted by allometric formulae to remove size effects. The correct classification rates for the five groups, using discriminant function analysis, based on adjusted morphometric characters, were 77.60/0 for the samples from 1988 and 74.40/0 for those from 1990. These are 72.00/0 and 68.00/0 (Cohen's kappa statistic) better than would have occurred chance. The pattern of geographic variability, however, is unstable for these two years, thus requiring separate discriminant functions for each year. Although there is annual variability in the morphometric characters, these results demonstrate that the stocks examined are morphometrically distinguishable and that their phenetic relationships reflect their geographic origin. SPANISH: Se examinaron muestras de atún aleta amarilla, Thunnus albacares, tomadas de cinco áreas del Océano Pacífico (México, Ecuador, Australia, Japón, y Hawaii) entre enero y mayo de 1988 y 1990, para descubrir variaciones espaciotemporales en las características morfométricas y los conteos de branquiespinas. Un análisis de varianza de dos factores, con área y año como factores de agrupación, indicó una diferencia significativa en los promedios de los conteos de branquiespinas totales entre peces de distintas áreas, pero ninguna entre peces capturados en distintos años. Se ajustaron los datos morfométricos con fórmulas alométricas para eliminar los efectos de la talla del pez. En un análisis de función discriminante, las tasas de clasificación correcta de los cinco grupos, basadas en características morfométricas ajustadas, fueron 77.60/0 para las muestras de 1988 y 74.40/0 para aquellas de 1990. Estas cifras son 72.00/0 y 68.00/0 (estadístico de kappa de Cohen) mejores de lo que se hubiera obtenido al azar. Sin embargo, la variabilidad geográfica es inestable en estos dos años, requiriendo por lo tanto funciones discriminantes separadas para cada año. Aunque existe variabilidad anual en las características morfométricas, estos resultados demuestran que los stocks examinados son morfamétricamente distinguibles, y que su relación fenética refleja su origen geográfico. (PDF contains 31 pages.)

Catches per unit of effort of bigeye tuna: a new analysis with regression trees and simulated annealing

ENGLISH: We analyzed catches per unit of effort (CPUE) from the Japanese longline fishery for bigeye tuna (Thunnus obesus) in the central and eastern Pacific Ocean (EPO) with regression tree methods. Regression trees have not previously been used to estimate time series of abundance indices fronl CPUE data. The "optimally sized" tree had 139 parameters; year, month, latitude, and longitude interacted to affect bigeye CPUE. The trend in tree-based abundance indices for the EPO was similar to trends estimated from a generalized linear model and fronl an empirical model that combines oceanographic data with information on the distribution of fish relative to environmental conditions. The regression tree was more parsimonious and would be easier to implement than the other two nl0dels, but the tree provided no information about the nlechanisms that caused bigeye CPUEs to vary in time and space. Bigeye CPUEs increased sharply during the mid-1980's and were more variable at the northern and southern edges of the fishing grounds. Both of these results can be explained by changes in actual abundance and changes in catchability. Results from a regression tree that was fitted to a subset of the data indicated that, in the EPO, bigeye are about equally catchable with regular and deep longlines. This is not consistent with observations that bigeye are more abundant at depth and indicates that classification by gear type (regular or deep longline) may not provide a good measure of capture depth. Asimulated annealing algorithm was used to summarize the tree-based results by partitioning the fishing grounds into regions where trends in bigeye CPUE were similar. Simulated annealing can be useful for designing spatial strata in future sampling programs. SPANISH: Analizamos la captura por unidad de esfuerzo (CPUE) de la pesquería palangrera japonesa de atún patudo (Thunnus obesus) en el Océano Pacifico oriental (OPO) y central con métodos de árbol de regresión. Hasta ahora no se han usado árboles de regresión para estimar series de tiempo de índices de abundancia a partir de datos de CPUE. EI árbol de "tamaño optimo" tuvo 139 parámetros; ano, mes, latitud, y longitud interactuaron para afectar la CPUE de patudo. La tendencia en los índices de abundancia basados en árboles para el OPO fue similar a las tendencias estimadas con un modelo lineal generalizado y con un modelo empírico que combina datos oceanográficos con información sobre la distribución de los peces en relación con las condiciones ambientales. EI árbol de regresión fue mas parsimonioso y seria mas fácil de utilizar que los dos otros modelos, pero no proporciono información sobre los mecanismos que causaron que las CPUE de patudo valiaran en el tiempo y en el espacio. Las CPUE de patudo aumentaron notablemente a mediados de los anos 80 y fueron mas variables en los extremos norte y sur de la zona de pesca. Estos dos resultados pueden ser explicados por cambios en la abundancia real y cambios en la capturabilidad. Los resultados de un arbal de regresión ajustado a un subconjunto de los datos indican que, en el OPO, el patudo es igualmente capturable con palangres regulares y profundos. Esto no es consistente con observaciones de que el patudo abunda mas a profundidad e indica que clasificación por tipo de arte (palangre regular 0 profundo) podría no ser una buena medida de la profundidad de captura. Se uso un algoritmo de templado simulado para resumir los resultados basados en el árbol clasificando las zonas de pesca en zonas con tendencias similares en la CPUE de patudo. El templado simulado podría ser útil para diseñar estratos espaciales en programas futuros de muestreo. (PDF contains 45 pages.)