New prediction methods for CO2 evaporation inside tubes: Part I - A two-phase flow pattern map and a flow pattern based phenomenological model for two-phase flow frictional pressure drops

An updated flow pattern map was developed for CO2 on the basis of the previous Cheng-Ribatski-Wojtan-Thome CO2 flow pattern map [1,2] to extend the flow pattern map to a wider range of conditions. A new annular flow to dryout transition (A-D) and a new dryout to mist flow transition (D-M) were proposed here. In addition, a bubbly flow region which generally occurs at high mass velocities and low vapor qualities was added to the updated flow pattern map. The updated flow pattern map is applicable to a much wider range of conditions: tube diameters from 0.6 to 10 mm, mass velocities from 50 to 1500 kg/m(2) s, heat fluxes from 1.8 to 46 kW/m(2) and saturation temperatures from -28 to +25 degrees C (reduced pressures from 0.21 to 0.87). The updated flow pattern map was compared to independent experimental data of flow patterns for CO2 in the literature and it predicts the flow patterns well. Then, a database of CO2 two-phase flow pressure drop results from the literature was set up and the database was compared to the leading empirical pressure drop models: the correlations by Chisholm [3], Friedel [4], Gronnerud [5] and Muller-Steinhagen and Heck [6], a modified Chisholm correlation by Yoon et al. [7] and the flow pattern based model of Moreno Quiben and Thome [8-10]. None of these models was able to predict the CO2 pressure drop data well. Therefore, a new flow pattern based phenomenological model of two-phase flow frictional pressure drop for CO2 was developed by modifying the model of Moreno Quiben and Thome using the updated flow pattern map in this study and it predicts the CO2 pressure drop database quite well overall. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modelling dispersal behaviour on a fractal landscape

We use a spatially explicit population model to explore the population consequences of different habitat selection mechanisms on landscapes with fractal variation in habitat quality. We consider dispersal strategies ranging from random walks to perfect habitat selectors for two species of arboreal marsupial, the greater glider (Petauroides volans) and the mountain brushtail possum (Trichosurus caninus). In this model increasing habitat selection means individuals obtain higher quality territories, but experience increased mortality during dispersal. The net effect is that population sizes are smaller when individuals actively select habitat. We find positive relationships between habitat quality and population size can occur when individuals do not use information about the entire landscape when habitat quality is spatially autocorrelated. We also find that individual behaviour can mitigate the negative effects of spatial variation on population average survival and fecundity. (C) 1998 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Spatial and temporal variation in distribution of mangroves in Moreton Bay, subtropical Australia: a comparison of pattern metrics and change detection analyses based on aerial photographs

An assessment of the changes in the distribution and extent of mangroves within Moreton Bay, southeast Queensland, Australia, was carried out. Two assessment methods were evaluated: spatial and temporal pattern metrics analysis, and change detection analysis. Currently, about 15,000 ha of mangroves are present in Moreton Bay. These mangroves are important ecosystems, but are subject to disturbance from a number of sources. Over the past 25 years, there has been a loss of more than 3800 ha, as a result of natural losses and mangrove clearing (e.g. for urban and industrial development, agriculture and aquaculture). However, areas of new mangroves have become established over the same time period, offsetting these losses to create a net loss of about 200 ha. These new mangroves have mainly appeared in the southern bay region and the bay islands, particularly on the landward edge of existing mangroves. In addition, spatial patterns and species composition of mangrove patches have changed. The pattern metrics analysis provided an overview of mangrove distribution and change in the form of single metric values, while the change detection analysis gave a more detailed and spatially explicit description of change. An analysis of the effects of spatial scales on the pattern metrics indicated that they were relatively insensitive to scale at spatial resolutions less than 50 m, but that most metrics became sensitive at coarser resolutions, a finding which has implications for mapping of mangroves based on remotely sensed data. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Simulation of insect movement with respect to plant architecture and morphogenesis

Developments in computer and three dimensional (3D) digitiser technologies have made it possible to keep track of the broad range of data required to simulate an insect moving around or over the highly heterogeneous habitat of a plant's surface. Properties of plant parts vary within a complex canopy architecture, and insect damage can induce further changes that affect an animal's movements, development and likelihood of survival. Models of plant architectural development based on Lindenmayer systems (L-systems) serve as dynamic platforms for simulation of insect movement, providing ail explicit model of the developing 3D structure of a plant as well as allowing physiological processes associated with plant growth and responses to damage to be described and Simulated. Simple examples of the use of the L-system formalism to model insect movement, operating Lit different spatial scales-from insects foraging on an individual plant to insects flying around plants in a field-are presented. Such models can be used to explore questions about the consequences of changes in environmental architecture and configuration on host finding, exploitation and its population consequences. In effect this model is a 'virtual ecosystem' laboratory to address local as well as landscape-level questions pertinent to plant-insect interactions, taking plant architecture into account. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

SPAnDX: a process-based population dynamics model to explore management and climate change impacts on an invasive alien plant, Acacia nilotica

This paper describes a process-based metapopulation dynamics and phenology model of prickly acacia, Acacia nilotica, an invasive alien species in Australia. The model, SPAnDX, describes the interactions between riparian and upland sub-populations of A. nilotica within livestock paddocks, including the effects of extrinsic factors such as temperature, soil moisture availability and atmospheric concentrations of carbon dioxide. The model includes the effects of management events such as changing the livestock species or stocking rate, applying fire, and herbicide application. The predicted population behaviour of A. nilotica was sensitive to climate. Using 35 years daily weather datasets for five representative sites spanning the range of conditions that A. nilotica is found in Australia, the model predicted biomass levels that closely accord with expected values at each site. SPAnDX can be used as a decision-support tool in integrated weed management, and to explore the sensitivity of cultural management practices to climate change throughout the range of A. nilotica. The cohort-based DYMEX modelling package used to build and run SPAnDX provided several advantages over more traditional population modelling approaches (e.g. an appropriate specific formalism (discrete time, cohort-based, process-oriented), user-friendly graphical environment, extensible library of reusable components, and useful and flexible input/output support framework). (C) 2003 Published by Elsevier Science B.V.

Valuation of marine and coastal ecosystems: The role of ecological-economic modeling

A Work Project, presented as part of the requirements for the Award of a Masters Degree in Economics from the NOVA – School of Business and Economics

Conservation of a threatened European tree frog (Hyla arborea) metapopulation

Summary: Amphibians are among the most vulnerable animals of the world. One third of all species are currently threatened with extinction. Habitat loss is the major menace to pond- and stream-breeding species in the old world. In highly urbanized landscape like the Swiss Plateau, most species suffer from habitat reduction and fragmentation. Among all indigenous species, the European tree frog (Hyla arborea L., 1758) is one of the most endangered. It experienced an alarming decline during the last century and its regional long-term persistence is not guaranteed. We developed a monitoring framework based on calling male counts which included multiple visits to each wetland during the reproduction period in order to precisely determine its distribution on the Lemanic coast. Our results indicate that visiting populations 3 limes under suitable climatic conditions (temperature >20°C) provides reliable presence/absence data. Based on our monitoring data, we analyzed the species requirements regarding its breeding habitat. It appeared that anthropogenic activities had paradoxical effects on the species. On one hand, urbanization, traffic and intensive agriculture had a strong detrimental effect on tree frog distribution. On the other hand, large tree frog populations were frequently associated with gravel pits and military training grounds. Our results allowed us to create a habitat suitability map taking into account detrimental landscape elements around ponds (>1100m away from urban areas and >500m away from first class roads). In parallel, we developed a metapopulation model of the European tree frog in order to identify the critical threats to the long term persistence of the species. Our results indicated that suitable pond density is at the low end of the species requirements. Pond creation must therefore be considered an essential complementary approach to pond conservation and restoration. Our model also provided a mapping solution permitting the location of the must suitable area for pond creation from a metapopulation perspective. As many other amphibians, the European tree frog is not only exposed to an aquatic habitat (breeding and larval period), but also to a terrestrial stage (summer and overwintering habitats). Unfortunately, animals in their terrestrial phase are less conspicuous and, as a consequence, their terrestrial needs are relatively unknown. Using a recent tracking method (the Harmonic Direction Finder), we followed post-breeding frogs and identified favored terrestrial habitats, thus providing another practical conservation tool. We conclude that only the combination of multiple spatially explicit approaches (landscape-scale habitat suitability, metapopulation dynamics and terrestrial needs) is likely to provide wildlife managers with effective tools for the conservation of highly endangered amphibians. Résumé: Les amphibiens font partie des animaux les plus vulnérables du monde. Un tiers des espèces est actuellement menacé d'extinction. Dans l'ancien monde, la disparition des habitats constitue la principale menace pour les grenouilles, crapauds, tritons et salamandres. Dans les paysages fortement urbanisés comme le Plateau Suisse, la plupart des espèces souffrent d'une réduction et d'une fragmentation de leurs habitats. Parmi toutes les espèces indigènes, la rainette verte (Hyla arborea L., 1758) est l'une des plus menacée. Sa distribution a régressé de manière alarmante durant le siècle passé et sa survie régionale à long terme n'est pas assurée. Nous avons développé une méthode de suivi des populations se basant sur le comptage des mâles chanteurs durant la période de reproduction. Cette méthode requiert plusieurs visites à chaque plan d'eau de manière à déterminer précisément la distribution de l'espèce. Nos résultats démontrent que 3 visites par population dans des conditions climatiques favorable (température >20°C) permettent d'obtenir des données de présence/ absence valables. Sur la base de nos comptages sur la Côte lémanique, nous avons analysé les exigences de l'espèce concernant ses sites de reproduction. Il est apparu que les activités humaines avaient un effet paradoxal sur l'espèce. D'une part, l'urbanisation, le trafic routier et l'intensification de l'agriculture ont un effet fortement préjudiciable, tandis que d'autre part les plus grandes populations sont souvent associées à des gravières et autres places d'armes. Nos résultats ont permis de créer une carte de qualité d'habitat prenant en compte les éléments paysagers préjudiciables à la rainette (situé à plus de 1100m de zones urbaines et à plus de 500m de routes de première classe). En parallèle, nous avons développé un modèle métapopulationnel (incluant l'ensemble des populations) de manière à identifier les menaces prépondérantes sur la survie à long terme de l'espèce. Nos résultats ont permis de déterminer que la densité actuelle de plans d'eau adéquats est à la limite inférieure des exigences de l'espèce. La création d'étangs doit donc être considérée comme une approche indispensable et complémentaire à la protection et à la restauration des sites existants. Notre modèle a également fourni des résultats cartographiables permettant l'identification des sites les plus appropriés dans une perspective métapopulationnelle. Comme de nombreux autres amphibiens, la rainette verte est exposée à un habitat aquatique (reproduction et développement larvaire) ainsi qu'à un habitat terrestre (été et hiver). Les animaux étant particulièrement cryptiques dans cette seconde phase, leurs besoins terrestres sont relativement mal connus. Nous avons donc développé une nouvelle méthode de télémétrie basée sur le goniomètre harmonique. Cette méthode nous a permis de suivre des rainettes dans leurs migrations jusqu'à leurs habitats d'été et d'établir ainsi des recommandations pratiques pour la conservation de la rainette. Nous concluons que la combinaison de multiples approches spatialement explicites (qualité d'habitat, dynamique de métapopulation et habitats terrestres) est seule à même de produire des outils efficaces pour la conservation des espèces menacées d'amphibiens.

Identifying genetic signatures of selection in a non-model species, alpine gentian (Gentiana nivalis L.), using a landscape genetic approach

It is generally accepted that most plant populations are locally adapted. Yet, understanding how environmental forces give rise to adaptive genetic variation is a challenge in conservation genetics and crucial to the preservation of species under rapidly changing climatic conditions. Environmental variation, phylogeographic history, and population demographic processes all contribute to spatially structured genetic variation, however few current models attempt to separate these confounding effects. To illustrate the benefits of using a spatially-explicit model for identifying potentially adaptive loci, we compared outlier locus detection methods with a recently-developed landscape genetic approach. We analyzed 157 loci from samples of the alpine herb Gentiana nivalis collected across the European Alps. Principle coordinates of neighbor matrices (PCNM), eigenvectors that quantify multi-scale spatial variation present in a data set, were incorporated into a landscape genetic approach relating AFLP frequencies with 23 environmental variables. Four major findings emerged. 1) Fifteen loci were significantly correlated with at least one predictor variable (R (adj) (2) > 0.5). 2) Models including PCNM variables identified eight more potentially adaptive loci than models run without spatial variables. 3) When compared to outlier detection methods, the landscape genetic approach detected four of the same loci plus 11 additional loci. 4) Temperature, precipitation, and solar radiation were the three major environmental factors driving potentially adaptive genetic variation in G. nivalis. Techniques presented in this paper offer an efficient method for identifying potentially adaptive genetic variation and associated environmental forces of selection, providing an important step forward for the conservation of non-model species under global change.

Hierarchical conditional random fields for parts based models matching

A parts based model is a parametrization of an object class using a collection of landmarks following the object structure. The matching of parts based models is one of the problems where pairwise Conditional Random Fields have been successfully applied. The main reason of their effectiveness is tractable inference and learning due to the simplicity of involved graphs, usually trees. However, these models do not consider possible patterns of statistics among sets of landmarks, and thus they sufffer from using too myopic information. To overcome this limitation, we propoese a novel structure based on a hierarchical Conditional Random Fields, which we explain in the first part of this memory. We build a hierarchy of combinations of landmarks, where matching is performed taking into account the whole hierarchy. To preserve tractable inference we effectively sample the label set. We test our method on facial feature selection and human pose estimation on two challenging datasets: Buffy and MultiPIE. In the second part of this memory, we present a novel approach to multiple kernel combination that relies on stacked classification. This method can be used to evaluate the landmarks of the parts-based model approach. Our method is based on combining responses of a set of independent classifiers for each individual kernel. Unlike earlier approaches that linearly combine kernel responses, our approach uses them as inputs to another set of classifiers. We will show that we outperform state-of-the-art methods on most of the standard benchmark datasets.

Analysis and Monte Carlo simulations of a model for the spread of infectious diseases in heterogeneous metapopulations

We present a study of the continuous-time equations governing the dynamics of a susceptible infected-susceptible model on heterogeneous metapopulations. These equations have been recently proposed as an alternative formulation for the spread of infectious diseases in metapopulations in a continuous-time framework. Individual-based Monte Carlo simulations of epidemic spread in uncorrelated networks are also performed revealing a good agreement with analytical predictions under the assumption of simultaneous transmission or recovery and migration processes

A model of cellular dosimetry for macroscopic tumors in radiopharmaceutical therapy.

PURPOSE: In the radiopharmaceutical therapy approach to the fight against cancer, in particular when it comes to translating laboratory results to the clinical setting, modeling has served as an invaluable tool for guidance and for understanding the processes operating at the cellular level and how these relate to macroscopic observables. Tumor control probability (TCP) is the dosimetric end point quantity of choice which relates to experimental and clinical data: it requires knowledge of individual cellular absorbed doses since it depends on the assessment of the treatment's ability to kill each and every cell. Macroscopic tumors, seen in both clinical and experimental studies, contain too many cells to be modeled individually in Monte Carlo simulation; yet, in particular for low ratios of decays to cells, a cell-based model that does not smooth away statistical considerations associated with low activity is a necessity. The authors present here an adaptation of the simple sphere-based model from which cellular level dosimetry for macroscopic tumors and their end point quantities, such as TCP, may be extrapolated more reliably. METHODS: Ten homogenous spheres representing tumors of different sizes were constructed in GEANT4. The radionuclide 131I was randomly allowed to decay for each model size and for seven different ratios of number of decays to number of cells, N(r): 1000, 500, 200, 100, 50, 20, and 10 decays per cell. The deposited energy was collected in radial bins and divided by the bin mass to obtain the average bin absorbed dose. To simulate a cellular model, the number of cells present in each bin was calculated and an absorbed dose attributed to each cell equal to the bin average absorbed dose with a randomly determined adjustment based on a Gaussian probability distribution with a width equal to the statistical uncertainty consistent with the ratio of decays to cells, i.e., equal to Nr-1/2. From dose volume histograms the surviving fraction of cells, equivalent uniform dose (EUD), and TCP for the different scenarios were calculated. Comparably sized spherical models containing individual spherical cells (15 microm diameter) in hexagonal lattices were constructed, and Monte Carlo simulations were executed for all the same previous scenarios. The dosimetric quantities were calculated and compared to the adjusted simple sphere model results. The model was then applied to the Bortezomib-induced enzyme-targeted radiotherapy (BETR) strategy of targeting Epstein-Barr virus (EBV)-expressing cancers. RESULTS: The TCP values were comparable to within 2% between the adjusted simple sphere and full cellular models. Additionally, models were generated for a nonuniform distribution of activity, and results were compared between the adjusted spherical and cellular models with similar comparability. The TCP values from the experimental macroscopic tumor results were consistent with the experimental observations for BETR-treated 1 g EBV-expressing lymphoma tumors in mice. CONCLUSIONS: The adjusted spherical model presented here provides more accurate TCP values than simple spheres, on par with full cellular Monte Carlo simulations while maintaining the simplicity of the simple sphere model. This model provides a basis for complementing and understanding laboratory and clinical results pertaining to radiopharmaceutical therapy.

Evaluation of an online, case-based interactive approach to teaching pathophysiology

Rapport de synthèse : L'article qui fait l'objet de ma thèse évalue une nouvelle approche pédagogique pour l'apprentissage de certains chapitres de physiopathologie. Le dispositif pédagogique se base sur l'alternance d'apprentissage ex-cathedra et de l'utilisation d'un site web comprenant des vignettes cliniques. Lors de la consultation de ces-dernières, l'étudiant est invité à demander des examens de laboratoire dont il pourrait justifier la pertinence selon le cas clinique étudié. La nouveauté du procédé réside dans le fait que, préalablement à son cours ex-cathedra, l'enseignant peut consulter les statistiques de demandes de laboratoire et ainsi orienter son cours selon les éléments mal compris par les étudiants. A la suite du cours ex-cathedra, les étudiants peuvent consulter sur internet la vignette clinique complète avec des explications. A l'issue de tout le cours, une évaluation auprès des étudiants a été conduite. Le procédé a été mis en place durant deux années consécutives et l'article en discute notamment les résultats. Nous avons pu conclure que cette méthode innovatrice d'enseignement amène les étudiants à mieux se préparer pour les cours ex-cathedra tout en permettant à l'enseignant d'identifier plus précisément quelles thématiques étaient difficiles pour les étudiants et donc d'ajuster au mieux son cours. Mon travail de thèse a consisté à créer ce dispositif d'apprentissage, à créer l'application web des vignettes cliniques et à l'implanter durant deux années consécutives. J'ai ensuite analysé les données des évaluations et écrit l'article que j'ai présenté à la revue 'Medical Teacher'. Après quelques corrections et précisions demandées par le comité de lecture, l'article a été accepté et publié. Ce travail a débouché sur une seconde version de l'application web qui est actuellement utilisée lors du module 3.1 de 3è année à l'Ecole de Médecine à Lausanne. Summary : Since the early days of sexual selection, our understanding of the selective forces acting on males and females during reproduction has increased remarkably. However, despite a long tradition of experimental and theoretical work in this field and relentless effort, numerous questions remain unanswered and many results are conflicting. Moreover, the interface between sexual selection and conservation biology has to date received little attention, despite existing evidence for its importance. In the present thesis, I first used an empirical approach to test various sexual selection hypotheses in a population of whitefish of central Switzerland. This precise population is characterized by a high prevalence of gonadal alterations in males. In particular, I challenged the hypothesis that whitefish males displaying peculiar gonadal features are of lower genetic quality than other seemingly normal males. Additionally, I also worked on identifying important determinant of sperm behavior. During a second theoretical part of my work, which is part of a larger project on the evolution of female mate preferences in harvested fish populations, I developed an individual-based simulation model to estimate how different mate discrimination costs affect the demographical behavior of fish populations and the evolutionary trajectories of female mate preferences. This latter work provided me with some insight on a recently published article addressing the importance of sexual selection for harvesting-induced evolution. I built upon this insight in a short perspective paper. In parallel, I let some methodological questions drive my thoughts, and wrote an essay about possible synergies between the biological, the philosophical and the statistical approach to biological questions.

Changing landscapes of Switzerland: assessing effects of historic and future land uses and land covers on the occurrence of selected butterfly species

Summary Landscapes are continuously changing. Natural forces of change such as heavy rainfall and fires can exert lasting influences on their physical form. However, changes related to human activities have often shaped landscapes more distinctly. In Western Europe, especially modern agricultural practices and the expanse of overbuilt land have left their marks in the landscapes since the middle of the 20th century. In the recent years men realised that mare and more changes that were formerly attributed to natural forces might indirectly be the result of their own action. Perhaps the most striking landscape change indirectly driven by human activity we can witness in these days is the large withdrawal of Alpine glaciers. Together with the landscapes also habitats of animal and plant species have undergone vast and sometimes rapid changes that have been hold responsible for the ongoing loss of biodiversity. Thereby, still little knowledge is available about probable effects of the rate of landscape change on species persistence and disappearance. Therefore, the development and speed of land use/land cover in the Swiss communes between the 1950s and 1990s were reconstructed using 10 parameters from agriculture and housing censuses, and were further correlated with changes in butterfly species occurrences. Cluster analyses were used to detect spatial patterns of change on broad spatial scales. Thereby, clusters of communes showing similar changes or transformation rates were identified for single decades and put into a temporally dynamic sequence. The obtained picture on the changes showed a prevalent replacement of non-intensive agriculture by intensive practices, a strong spreading of urban communes around city centres, and transitions towards larger farm sizes in the mountainous areas. Increasing transformation rates toward more intensive agricultural managements were especially found until the 1970s, whereas afterwards the trends were commonly negative. However, transformation rates representing the development of residential buildings showed positive courses at any time. The analyses concerning the butterfly species showed that grassland species reacted sensitively to the density of livestock in the communes. This might indicate the augmented use of dry grasslands as cattle pastures that show altered plant species compositions. Furthermore, these species also decreased in communes where farms with an agricultural area >5ha have disappeared. The species of the wetland habitats were favoured in communes with smaller fractions of agricultural areas and lower densities of large farms (>10ha) but did not show any correlation to transformation rates. It was concluded from these analyses that transformation rates might influence species disappearance to a certain extent but that states of the environmental predictors might generally outweigh the importance of the corresponding rates. Information on the current distribution of species is evident for nature conservation. Planning authorities that define priority areas for species protection or examine and authorise construction projects need to know about the spatial distribution of species. Hence, models that simulate the potential spatial distribution of species have become important decision tools. The underlying statistical analyses such as the widely used generalised linear models (GLM) often rely on binary species presence-absence data. However, often only species presence data have been colleted, especially for vagrant, rare or cryptic species such as butterflies or reptiles. Modellers have thus introduced randomly selected absence data to design distribution models. Yet, selecting false absence data might bias the model results. Therefore, we investigated several strategies to select more reliable absence data to model the distribution of butterfly species based on historical distribution data. The results showed that better models were obtained when historical data from longer time periods were considered. Furthermore, model performance was additionally increased when long-term data of species that show similar habitat requirements as the modelled species were used. This successful methodological approach was further applied to assess consequences of future landscape changes on the occurrence of butterfly species inhabiting dry grasslands or wetlands. These habitat types have been subjected to strong deterioration in the recent decades, what makes their protection a future mission. Four spatially explicit scenarios that described (i) ongoing land use changes as observed between 1985 and 1997, (ii) liberalised agricultural markets, and (iii) slightly and (iv) strongly lowered agricultural production provided probable directions of landscape change. Current species-environment relationships were derived from a statistical model and used to predict future occurrence probabilities in six major biogeographical regions in Switzerland, comprising the Jura Mountains, the Plateau, the Northern and Southern Alps, as well as the Western and Eastern Central Alps. The main results were that dry grasslands species profited from lowered agricultural production, whereas overgrowth of open areas in the liberalisation scenario might impair species occurrence. The wetland species mostly responded with decreases in their occurrence probabilities in the scenarios, due to a loss of their preferred habitat. Further analyses about factors currently influencing species occurrences confirmed anthropogenic causes such as urbanisation, abandonment of open land, and agricultural intensification. Hence, landscape planning should pay more attention to these forces in areas currently inhabited by these butterfly species to enable sustainable species persistence. In this thesis historical data were intensively used to reconstruct past developments and to make them useful for current investigations. Yet, the availability of historical data and the analyses on broader spatial scales has often limited the explanatory power of the conducted analyses. Meaningful descriptors of former habitat characteristics and abundant species distribution data are generally sparse, especially for fine scale analyses. However, this situation can be ameliorated by broadening the extent of the study site and the used grain size, as was done in this thesis by considering the whole of Switzerland with its communes. Nevertheless, current monitoring projects and data recording techniques are promising data sources that might allow more detailed analyses about effects of long-term species reactions on landscape changes in the near future. This work, however, also showed the value of historical species distribution data as for example their potential to locate still unknown species occurrences. The results might therefore contribute to further research activities that investigate current and future species distributions considering the immense richness of historical distribution data. Résumé Les paysages changent continuellement. Des farces naturelles comme des pluies violentes ou des feux peuvent avoir une influence durable sur la forme du paysage. Cependant, les changements attribués aux activités humaines ont souvent modelé les paysages plus profondément. Depuis les années 1950 surtout, les pratiques agricoles modernes ou l'expansion des surfaces d'habitat et d'infrastructure ont caractérisé le développement du paysage en Europe de l'Ouest. Ces dernières années, l'homme a commencé à réaliser que beaucoup de changements «naturels » pourraient indirectement résulter de ses propres activités. Le changement de paysage le plus apparent dont nous sommes témoins de nos jours est probablement l'immense retraite des glaciers alpins. Avec les paysages, les habitats des animaux et des plantes ont aussi été exposés à des changements vastes et quelquefois rapides, tenus pour coresponsable de la continuelle diminution de la biodiversité. Cependant, nous savons peu des effets probables de la rapidité des changements du paysage sur la persistance et la disparition des espèces. Le développement et la rapidité du changement de l'utilisation et de la couverture du sol dans les communes suisses entre les années 50 et 90 ont donc été reconstruits au moyen de 10 variables issues des recensements agricoles et résidentiels et ont été corrélés avec des changements de présence des papillons diurnes. Des analyses de groupes (Cluster analyses) ont été utilisées pour détecter des arrangements spatiaux de changements à l'échelle de la Suisse. Des communes avec des changements ou rapidités comparables ont été délimitées pour des décennies séparées et ont été placées en séquence temporelle, en rendrent une certaine dynamique du changement. Les résultats ont montré un remplacement répandu d'une agriculture extensive des pratiques intensives, une forte expansion des faubourgs urbains autour des grandes cités et des transitions vers de plus grandes surfaces d'exploitation dans les Alpes. Dans le cas des exploitations agricoles, des taux de changement croissants ont été observés jusqu'aux années 70, alors que la tendance a généralement été inversée dans les années suivantes. Par contre, la vitesse de construction des nouvelles maisons a montré des courbes positives pendant les 50 années. Les analyses sur la réaction des papillons diurnes ont montré que les espèces des prairies sèches supportaient une grande densité de bétail. Il est possible que dans ces communes beaucoup des prairies sèches aient été fertilisées et utilisées comme pâturages, qui ont une autre composition floristique. De plus, les espèces ont diminué dans les communes caractérisées par une rapide perte des fermes avec une surface cultivable supérieure à 5 ha. Les espèces des marais ont été favorisées dans des communes avec peu de surface cultivable et peu de grandes fermes, mais n'ont pas réagi aux taux de changement. Il en a donc été conclu que la rapidité des changements pourrait expliquer les disparitions d'espèces dans certains cas, mais que les variables prédictives qui expriment des états pourraient être des descripteurs plus importants. Des informations sur la distribution récente des espèces sont importantes par rapport aux mesures pour la conservation de la nature. Pour des autorités occupées à définir des zones de protection prioritaires ou à autoriser des projets de construction, ces informations sont indispensables. Les modèles de distribution spatiale d'espèces sont donc devenus des moyens de décision importants. Les méthodes statistiques courantes comme les modèles linéaires généralisés (GLM) demandent des données de présence et d'absence des espèces. Cependant, souvent seules les données de présence sont disponibles, surtout pour les animaux migrants, rares ou cryptiques comme des papillons ou des reptiles. C'est pourquoi certains modélisateurs ont choisi des absences au hasard, avec le risque d'influencer le résultat en choisissant des fausses absences. Nous avons établi plusieurs stratégies, basées sur des données de distribution historique des papillons diurnes, pour sélectionner des absences plus fiables. Les résultats ont démontré que de meilleurs modèles pouvaient être obtenus lorsque les données proviennent des périodes de temps plus longues. En plus, la performance des modèles a pu être augmentée en considérant des données de distribution à long terme d'espèces qui occupent des habitats similaires à ceux de l'espèce cible. Vu le succès de cette stratégie, elle a été utilisée pour évaluer les effets potentiels des changements de paysage futurs sur la distribution des papillons des prairies sèches et marais, deux habitats qui ont souffert de graves détériorations. Quatre scénarios spatialement explicites, décrivant (i) l'extrapolation des changements de l'utilisation de sol tels qu'observés entre 1985 et 1997, (ii) la libéralisation des marchés agricoles, et une production agricole (iii) légèrement amoindrie et (iv) fortement diminuée, ont été utilisés pour générer des directions de changement probables. Les relations actuelles entre la distribution des espèces et l'environnement ont été déterminées par le biais des modèles statistiques et ont été utilisées pour calculer des probabilités de présence selon les scénarios dans six régions biogéographiques majeures de la Suisse, comportant le Jura, le Plateau, les Alpes du Nord, du Sud, centrales orientales et centrales occidentales. Les résultats principaux ont montré que les espèces des prairies sèches pourraient profiter d'une diminution de la production agricole, mais qu'elles pourraient aussi disparaître à cause de l'embroussaillement des terres ouvertes dû à la libéralisation des marchés agricoles. La probabilité de présence des espèces de marais a décrû à cause d'une perte générale des habitats favorables. De plus, les analyses ont confirmé que des causes humaines comme l'urbanisation, l'abandon des terres ouvertes et l'intensification de l'agriculture affectent actuellement ces espèces. Ainsi ces forces devraient être mieux prises en compte lors de planifications paysagères, pour que ces papillons diurnes puissent survivre dans leurs habitats actuels. Dans ce travail de thèse, des données historiques ont été intensivement utilisées pour reconstruire des développements anciens et pour les rendre utiles à des recherches contemporaines. Cependant, la disponibilité des données historiques et les analyses à grande échelle ont souvent limité le pouvoir explicatif des analyses. Des descripteurs pertinents pour caractériser les habitats anciens et des données suffisantes sur la distribution des espèces sont généralement rares, spécialement pour des analyses à des échelles fores. Cette situation peut être améliorée en augmentant l'étendue du site d'étude et la résolution, comme il a été fait dans cette thèse en considérant toute la Suisse avec ses communes. Cependant, les récents projets de surveillance et les techniques de collecte de données sont des sources prometteuses, qui pourraient permettre des analyses plus détaillés sur les réactions à long terme des espèces aux changements de paysage dans le futur. Ce travail a aussi montré la valeur des anciennes données de distribution, par exemple leur potentiel pour aider à localiser des' présences d'espèces encore inconnues. Les résultats peuvent contribuer à des activités de recherche à venir, qui étudieraient les distributions récentes ou futures d'espèces en considérant l'immense richesse des données de distribution historiques.

Modelling tree population dynamics at the alpine and boreal tree-line ecotones in response to climate and land-use change

Summary Ecotones are sensitive to change because they contain high numbers of species living at the margin of their environmental tolerance. This is equally true of tree-lines, which are determined by attitudinal or latitudinal temperature gradients. In the current context of climate change, they are expected to undergo modifications in position, tree biomass and possibly species composition. Attitudinal and latitudinal tree-lines differ mainly in the steepness of the underlying temperature gradient: distances are larger at latitudinal tree-lines, which could have an impact on the ability of tree species to migrate in response to climate change. Aside from temperature, tree-lines are also affected on a more local level by pressure from human activities. These are also changing as a consequence of modifications in our societies and may interact with the effects of climate change. Forest dynamics models are often used for climate change simulations because of their mechanistic processes. The spatially-explicit model TreeMig was used as a base to develop a model specifically tuned for the northern European and Alpine tree-line ecotones. For the latter, a module for land-use change processes was also added. The temperature response parameters for the species in the model were first calibrated by means of tree-ring data from various species and sites at both tree-lines. This improved the growth response function in the model, but also lead to the conclusion that regeneration is probably more important than growth for controlling tree-line position and species' distributions. The second step was to implement the module for abandonment of agricultural land in the Alps, based on an existing spatial statistical model. The sensitivity of its most important variables was tested and the model's performance compared to other modelling approaches. The probability that agricultural land would be abandoned was strongly influenced by the distance from the nearest forest and the slope, bath of which are proxies for cultivation costs. When applied to a case study area, the resulting model, named TreeMig-LAb, gave the most realistic results. These were consistent with observed consequences of land-abandonment such as the expansion of the existing forest and closing up of gaps. This new model was then applied in two case study areas, one in the Swiss Alps and one in Finnish Lapland, under a variety of climate change scenarios. These were based on forecasts of temperature change over the next century by the IPCC and the HadCM3 climate model (ΔT: +1.3, +3.5 and +5.6 °C) and included a post-change stabilisation period of 300 years. The results showed radical disruptions at both tree-lines. With the most conservative climate change scenario, species' distributions simply shifted, but it took several centuries reach a new equilibrium. With the more extreme scenarios, some species disappeared from our study areas (e.g. Pinus cembra in the Alps) or dwindled to very low numbers, as they ran out of land into which they could migrate. The most striking result was the lag in the response of most species, independently from the climate change scenario or tree-line type considered. Finally, a statistical model of the effect of reindeer (Rangifer tarandus) browsing on the growth of Pinus sylvestris was developed, as a first step towards implementing human impacts at the boreal tree-line. The expected effect was an indirect one, as reindeer deplete the ground lichen cover, thought to protect the trees against adverse climate conditions. The model showed a small but significant effect of browsing, but as the link with the underlying climate variables was unclear and the model was not spatial, it was not usable as such. Developing the TreeMig-LAb model allowed to: a) establish a method for deriving species' parameters for the growth equation from tree-rings, b) highlight the importance of regeneration in determining tree-line position and species' distributions and c) improve the integration of social sciences into landscape modelling. Applying the model at the Alpine and northern European tree-lines under different climate change scenarios showed that with most forecasted levels of temperature increase, tree-lines would suffer major disruptions, with shifts in distributions and potential extinction of some tree-line species. However, these responses showed strong lags, so these effects would not become apparent before decades and could take centuries to stabilise. Résumé Les écotones son sensibles au changement en raison du nombre élevé d'espèces qui y vivent à la limite de leur tolérance environnementale. Ceci s'applique également aux limites des arbres définies par les gradients de température altitudinaux et latitudinaux. Dans le contexte actuel de changement climatique, on s'attend à ce qu'elles subissent des modifications de leur position, de la biomasse des arbres et éventuellement des essences qui les composent. Les limites altitudinales et latitudinales diffèrent essentiellement au niveau de la pente des gradients de température qui les sous-tendent les distance sont plus grandes pour les limites latitudinales, ce qui pourrait avoir un impact sur la capacité des espèces à migrer en réponse au changement climatique. En sus de la température, la limite des arbres est aussi influencée à un niveau plus local par les pressions dues aux activités humaines. Celles-ci sont aussi en mutation suite aux changements dans nos sociétés et peuvent interagir avec les effets du changement climatique. Les modèles de dynamique forestière sont souvent utilisés pour simuler les effets du changement climatique, car ils sont basés sur la modélisation de processus. Le modèle spatialement explicite TreeMig a été utilisé comme base pour développer un modèle spécialement adapté pour la limite des arbres en Europe du Nord et dans les Alpes. Pour cette dernière, un module servant à simuler des changements d'utilisation du sol a également été ajouté. Tout d'abord, les paramètres de la courbe de réponse à la température pour les espèces inclues dans le modèle ont été calibrées au moyen de données dendrochronologiques pour diverses espèces et divers sites des deux écotones. Ceci a permis d'améliorer la courbe de croissance du modèle, mais a également permis de conclure que la régénération est probablement plus déterminante que la croissance en ce qui concerne la position de la limite des arbres et la distribution des espèces. La seconde étape consistait à implémenter le module d'abandon du terrain agricole dans les Alpes, basé sur un modèle statistique spatial existant. La sensibilité des variables les plus importantes du modèle a été testée et la performance de ce dernier comparée à d'autres approches de modélisation. La probabilité qu'un terrain soit abandonné était fortement influencée par la distance à la forêt la plus proche et par la pente, qui sont tous deux des substituts pour les coûts liés à la mise en culture. Lors de l'application en situation réelle, le nouveau modèle, baptisé TreeMig-LAb, a donné les résultats les plus réalistes. Ceux-ci étaient comparables aux conséquences déjà observées de l'abandon de terrains agricoles, telles que l'expansion des forêts existantes et la fermeture des clairières. Ce nouveau modèle a ensuite été mis en application dans deux zones d'étude, l'une dans les Alpes suisses et l'autre en Laponie finlandaise, avec divers scénarios de changement climatique. Ces derniers étaient basés sur les prévisions de changement de température pour le siècle prochain établies par l'IPCC et le modèle climatique HadCM3 (ΔT: +1.3, +3.5 et +5.6 °C) et comprenaient une période de stabilisation post-changement climatique de 300 ans. Les résultats ont montré des perturbations majeures dans les deux types de limites de arbres. Avec le scénario de changement climatique le moins extrême, les distributions respectives des espèces ont subi un simple glissement, mais il a fallu plusieurs siècles pour qu'elles atteignent un nouvel équilibre. Avec les autres scénarios, certaines espèces ont disparu de la zone d'étude (p. ex. Pinus cembra dans les Alpes) ou ont vu leur population diminuer parce qu'il n'y avait plus assez de terrains disponibles dans lesquels elles puissent migrer. Le résultat le plus frappant a été le temps de latence dans la réponse de la plupart des espèces, indépendamment du scénario de changement climatique utilisé ou du type de limite des arbres. Finalement, un modèle statistique de l'effet de l'abroutissement par les rennes (Rangifer tarandus) sur la croissance de Pinus sylvestris a été développé, comme première étape en vue de l'implémentation des impacts humains sur la limite boréale des arbres. L'effet attendu était indirect, puisque les rennes réduisent la couverture de lichen sur le sol, dont on attend un effet protecteur contre les rigueurs climatiques. Le modèle a mis en évidence un effet modeste mais significatif, mais étant donné que le lien avec les variables climatiques sous jacentes était peu clair et que le modèle n'était pas appliqué dans l'espace, il n'était pas utilisable tel quel. Le développement du modèle TreeMig-LAb a permis : a) d'établir une méthode pour déduire les paramètres spécifiques de l'équation de croissance ä partir de données dendrochronologiques, b) de mettre en évidence l'importance de la régénération dans la position de la limite des arbres et la distribution des espèces et c) d'améliorer l'intégration des sciences sociales dans les modèles de paysage. L'application du modèle aux limites alpines et nord-européennes des arbres sous différents scénarios de changement climatique a montré qu'avec la plupart des niveaux d'augmentation de température prévus, la limite des arbres subirait des perturbations majeures, avec des glissements d'aires de répartition et l'extinction potentielle de certaines espèces. Cependant, ces réponses ont montré des temps de latence importants, si bien que ces effets ne seraient pas visibles avant des décennies et pourraient mettre plusieurs siècles à se stabiliser.

Mean field model for spatially extended systems in the presence of multiplicative noise

We present a mean field model that describes the effect of multiplicative noise in spatially extended systems. The model can be solved analytically. For the case of the phi4 potential it predicts that the phase transition is shifted. This conclusion is supported by numerical simulations of this model in two dimensions.