Utilisation du concept de connectivité en hydrologie : définitions, approches expérimentales et éléments de modélisation

Alors que certains mécanismes pourtant jugés cruciaux pour la transformation de la pluie en débit restent peu ou mal compris, le concept de connectivité hydrologique a récemment été proposé pour expliquer pourquoi certains processus sont déclenchés de manière épisodique en fonction des caractéristiques des événements de pluie et de la teneur en eau des sols avant l’événement. L’adoption de ce nouveau concept en hydrologie reste cependant difficile puisqu’il n’y a pas de consensus sur la définition de la connectivité, sa mesure, son intégration dans les modèles hydrologiques et son comportement lors des transferts d’échelles spatiales et temporelles. Le but de ce travail doctoral est donc de préciser la définition, la mesure, l’agrégation et la prédiction des processus liés à la connectivité hydrologique en s’attardant aux questions suivantes : 1) Quel cadre méthodologique adopter pour une étude sur la connectivité hydrologique ?, 2) Comment évaluer le degré de connectivité hydrologique des bassins versants à partir de données de terrain ?, et 3) Dans quelle mesure nos connaissances sur la connectivité hydrologique doivent-elles conduire à la modification des postulats de modélisation hydrologique ? Trois approches d’étude sont différenciées, soit i) une approche de type « boite noire », basée uniquement sur l’exploitation des données de pluie et de débits sans examiner le fonctionnement interne du bassin versant ; ii) une approche de type « boite grise » reposant sur l’étude de données géochimiques ponctuelles illustrant la dynamique interne du bassin versant ; et iii) une approche de type « boite blanche » axée sur l’analyse de patrons spatiaux exhaustifs de la topographie de surface, la topographie de subsurface et l’humidité du sol. Ces trois approches sont ensuite validées expérimentalement dans le bassin versant de l’Hermine (Basses Laurentides, Québec). Quatre types de réponses hydrologiques sont distingués en fonction de leur magnitude et de leur synchronisme, sachant que leur présence relative dépend des conditions antécédentes. Les forts débits enregistrés à l’exutoire du bassin versant sont associés à une contribution accrue de certaines sources de ruissellement, ce qui témoigne d’un lien hydraulique accru et donc d’un fort degré de connectivité hydrologique entre les sources concernées et le cours d’eau. Les aires saturées couvrant des superficies supérieures à 0,85 ha sont jugées critiques pour la genèse de forts débits de crue. La preuve est aussi faite que les propriétés statistiques des patrons d’humidité du sol en milieu forestier tempéré humide sont nettement différentes de celles observées en milieu de prairie tempéré sec, d’où la nécessité d’utiliser des méthodes de calcul différentes pour dériver des métriques spatiales de connectivité dans les deux types de milieux. Enfin, la double existence de sources contributives « linéaires » et « non linéaires » est mise en évidence à l’Hermine. Ces résultats suggèrent la révision de concepts qui sous-tendent l’élaboration et l’exécution des modèles hydrologiques. L’originalité de cette thèse est le fait même de son sujet. En effet, les objectifs de recherche poursuivis sont conformes à la théorie hydrologique renouvelée qui prône l’arrêt des études de particularismes de petite échelle au profit de l’examen des propriétés émergentes des bassins versants telles que la connectivité hydrologique. La contribution majeure de cette thèse consiste ainsi en la proposition d’une définition unifiée de la connectivité, d’un cadre méthodologique, d’approches de mesure sur le terrain, d’outils techniques et de pistes de solution pour la modélisation des systèmes hydrologiques.

Patrons de distribution des crustacés planctoniques dans le fleuve Saint-Laurent

La recherche porte sur les patrons de distribution longitudinale (amont-aval) et transversale (rive nord - rive sud) des communautés de crustacés planctoniques qui ont été analysés le long du fleuve Saint-Laurent entre le lac Saint-François et la zone de transition estuarienne, à deux hydropériodes en mai (crue) et en août (étiage). Les données zooplanctoniques et environnementales ont été récoltées à 52 stations réparties sur 16 transects transversaux en 2006. Au chapitre 1, nous présentons les principaux modèles écosystémiques en rivière, une synthèse des facteurs influençant le zooplancton en rivières et les objectifs et hypothèses de recherche. Au chapitre 2, nous décrivons la structure des communautés de zooplancton dans trois zones biogéographiques du fleuve et 6 habitats longitudinaux, ainsi que les relations entre la structure du zooplancton et la distribution spatiale des masses d’eau et les variables environnementales. Au chapitre 3, nous réalisons une partition de la variation des variables spatiales AEM (basées sur la distribution des masses d’eau) et des variables environnementales pour évaluer quelle part de la variation du zooplancton est expliquée par les processus hydrologiques (variables AEM) et les conditions locales (facteurs environnementaux). Le gradient salinité-conductivité relié à la discontinuité fleuve-estuaire a déterminé la distribution à grande échelle du zooplancton. Dans les zones fluviales, la distribution du zooplancton est davantage influencée par la distribution des masses d’eau que par les facteurs environnementaux locaux. La distribution des masses d’eau explique une plus grande partie de la variation dans la distribution du zooplancton en août qu’en mai.

Modélisation de répartition d’espèces aviaires et de feux en forêt boréale du Québec dans un contexte de changement climatique

Les changements climatiques prennent une importance grandissante dans l’étude des phénomènes spatiaux à grande échelle. Plusieurs experts affirment que les changements climatiques seront un des principaux moteurs de changement écologique dans les prochaines décennies et que leurs conséquences seront inévitables. Ces changements se manifesteront sur le milieu physique par la fonte des calottes glaciaires, le dégel du pergélisol, l’instabilité des versants montagneux en zone de pergélisol, l’augmentation de l’intensité, de la sévérité et de la fréquence des événements climatiques extrêmes tels les feux de forêt. Les changements climatiques se manifesteront aussi sur le milieu biologique, tel la modification de la durée de la saison végétative, l’augmentation des espèces exotiques invasives et les changements dans la distribution en espèces vivantes. Deux aspects sont couverts par cette étude : 1) les changements dans la répartition spatiale de 39 espèces d’oiseaux et 2) les modifications dans les patrons spatiaux des feux, en forêt boréale québécoise, tous deux dans l’horizon climatique de 2100. Une approche de modélisation statistique démontre que la répartition spatiale des oiseaux de la forêt boréale est fortement liée à des variables bioclimatiques (R2adj = 0.53). Ces résultats permettent d’effectuer des modélisations bioclimatiques pour le gros-bec errant et la mésange à tête noire quivoient une augmentation de la limite nordique de distribution de l’espèce suivant l’intensité du réchauffement climatique. Finalement, une modélisation spatialement explicite par automate cellulaire permet de démontrer comment les changements climatiques induiront une augmentation dans la fréquence de feux de forêt et dans la superficie brûlée en forêt boréale du Québec.

Statistical dynamics of dislocation systems: The influence of dislocation-dislocation correlations.

During plastic deformation of crystalline materials, the collective dynamics of interacting dislocations gives rise to various patterning phenomena. A crucial and still open question is whether the long range dislocation-dislocation interactions which do not have an intrinsic range can lead to spatial patterns which may exhibit well-defined characteristic scales. It is demonstrated for a general model of two-dimensional dislocation systems that spontaneously emerging dislocation pair correlations introduce a length scale which is proportional to the mean dislocation spacing. General properties of the pair correlation functions are derived, and explicit calculations are performed for a simple special case, viz pair correlations in single-glide dislocation dynamics. It is shown that in this case the dislocation system exhibits a patterning instability leading to the formation of walls normal to the glide plane. The results are discussed in terms of their general implications for dislocation patterning.

Modelling of global crop production and resulting N2O emissions

Landwirtschaft spielt eine zentrale Rolle im Erdsystem. Sie trägt durch die Emission von CO2, CH4 und N2O zum Treibhauseffekt bei, kann Bodendegradation und Eutrophierung verursachen, regionale Wasserkreisläufe verändern und wird außerdem stark vom Klimawandel betroffen sein. Da all diese Prozesse durch die zugrunde liegenden Nährstoff- und Wasserflüsse eng miteinander verknüpft sind, sollten sie in einem konsistenten Modellansatz betrachtet werden. Dennoch haben Datenmangel und ungenügendes Prozessverständnis dies bis vor kurzem auf der globalen Skala verhindert. In dieser Arbeit wird die erste Version eines solchen konsistenten globalen Modellansatzes präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf der Simulation landwirtschaftlicher Erträge und den resultierenden N2O-Emissionen liegt. Der Grund für diese Schwerpunktsetzung liegt darin, dass die korrekte Abbildung des Pflanzenwachstums eine essentielle Voraussetzung für die Simulation aller anderen Prozesse ist. Des weiteren sind aktuelle und potentielle landwirtschaftliche Erträge wichtige treibende Kräfte für Landnutzungsänderungen und werden stark vom Klimawandel betroffen sein. Den zweiten Schwerpunkt bildet die Abschätzung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen, da bislang kein prozessbasiertes N2O-Modell auf der globalen Skala eingesetzt wurde. Als Grundlage für die globale Modellierung wurde das bestehende Agrarökosystemmodell Daycent gewählt. Neben der Schaffung der Simulationsumgebung wurden zunächst die benötigten globalen Datensätze für Bodenparameter, Klima und landwirtschaftliche Bewirtschaftung zusammengestellt. Da für Pflanzzeitpunkte bislang keine globale Datenbasis zur Verfügung steht, und diese sich mit dem Klimawandel ändern werden, wurde eine Routine zur Berechnung von Pflanzzeitpunkten entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Anbaukalendern der FAO, die für einige Feldfrüchte und Länder verfügbar sind. Danach wurde das Daycent-Modell für die Ertragsberechnung von Weizen, Reis, Mais, Soja, Hirse, Hülsenfrüchten, Kartoffel, Cassava und Baumwolle parametrisiert und kalibriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Daycent die wichtigsten Klima-, Boden- und Bewirtschaftungseffekte auf die Ertragsbildung korrekt abbildet. Berechnete Länderdurchschnitte stimmen gut mit Daten der FAO überein (R2 = 0.66 für Weizen, Reis und Mais; R2 = 0.32 für Soja), und räumliche Ertragsmuster entsprechen weitgehend der beobachteten Verteilung von Feldfrüchten und subnationalen Statistiken. Vor der Modellierung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell stand eine statistische Analyse von N2O-und NO-Emissionsmessungen aus natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen. Die als signifikant identifizierten Parameter für N2O (Düngemenge, Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Textur, Feldfrucht, Düngersorte) und NO (Düngemenge, Bodenstickstoffgehalt, Klima) entsprechen weitgehend den Ergebnissen einer früheren Analyse. Für Emissionen aus Böden unter natürlicher Vegetation, für die es bislang keine solche statistische Untersuchung gab, haben Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Lagerungsdichte, Drainierung und Vegetationstyp einen signifikanten Einfluss auf die N2O-Emissionen, während NO-Emissionen signifikant von Bodenkohlenstoffgehalt und Vegetationstyp abhängen. Basierend auf den daraus entwickelten statistischen Modellen betragen die globalen Emissionen aus Ackerböden 3.3 Tg N/y für N2O, und 1.4 Tg N/y für NO. Solche statistischen Modelle sind nützlich, um Abschätzungen und Unsicherheitsbereiche von N2O- und NO-Emissionen basierend auf einer Vielzahl von Messungen zu berechnen. Die Dynamik des Bodenstickstoffs, insbesondere beeinflusst durch Pflanzenwachstum, Klimawandel und Landnutzungsänderung, kann allerdings nur durch die Anwendung von prozessorientierten Modellen berücksichtigt werden. Zur Modellierung von N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell wurde zunächst dessen Spurengasmodul durch eine detailliertere Berechnung von Nitrifikation und Denitrifikation und die Berücksichtigung von Frost-Auftau-Emissionen weiterentwickelt. Diese überarbeitete Modellversion wurde dann an N2O-Emissionsmessungen unter verschiedenen Klimaten und Feldfrüchten getestet. Sowohl die Dynamik als auch die Gesamtsummen der N2O-Emissionen werden befriedigend abgebildet, wobei die Modelleffizienz für monatliche Mittelwerte zwischen 0.1 und 0.66 für die meisten Standorte liegt. Basierend auf der überarbeiteten Modellversion wurden die N2O-Emissionen für die zuvor parametrisierten Feldfrüchte berechnet. Emissionsraten und feldfruchtspezifische Unterschiede stimmen weitgehend mit Literaturangaben überein. Düngemittelinduzierte Emissionen, die momentan vom IPCC mit 1.25 +/- 1% der eingesetzten Düngemenge abgeschätzt werden, reichen von 0.77% (Reis) bis 2.76% (Mais). Die Summe der berechneten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden beträgt für die Mitte der 1990er Jahre 2.1 Tg N2O-N/y, was mit den Abschätzungen aus anderen Studien übereinstimmt.

Comprehensive evaluation of the WaterGAP3 model across climatic, physiographic, and anthropogenic gradients

In den letzten Jahrzehnten haben sich makroskalige hydrologische Modelle als wichtige Werkzeuge etabliert um den Zustand der globalen erneuerbaren Süßwasserressourcen flächendeckend bewerten können. Sie werden heutzutage eingesetzt um eine große Bandbreite wissenschaftlicher Fragestellungen zu beantworten, insbesondere hinsichtlich der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf das natürliche Abflussregime oder der Auswirkungen des globalen Wandels und Klimawandels auf die Ressource Wasser. Diese Auswirkungen lassen sich durch verschiedenste wasserbezogene Kenngrößen abschätzen, wie z.B. erneuerbare (Grund-)Wasserressourcen, Hochwasserrisiko, Dürren, Wasserstress und Wasserknappheit. Die Weiterentwicklung makroskaliger hydrologischer Modelle wurde insbesondere durch stetig steigende Rechenkapazitäten begünstigt, aber auch durch die zunehmende Verfügbarkeit von Fernerkundungsdaten und abgeleiteten Datenprodukten, die genutzt werden können, um die Modelle anzutreiben und zu verbessern. Wie alle makro- bis globalskaligen Modellierungsansätze unterliegen makroskalige hydrologische Simulationen erheblichen Unsicherheiten, die (i) auf räumliche Eingabedatensätze, wie z.B. meteorologische Größen oder Landoberflächenparameter, und (ii) im Besonderen auf die (oftmals) vereinfachte Abbildung physikalischer Prozesse im Modell zurückzuführen sind. Angesichts dieser Unsicherheiten ist es unabdingbar, die tatsächliche Anwendbarkeit und Prognosefähigkeit der Modelle unter diversen klimatischen und physiographischen Bedingungen zu überprüfen. Bisher wurden die meisten Evaluierungsstudien jedoch lediglich in wenigen, großen Flusseinzugsgebieten durchgeführt oder fokussierten auf kontinentalen Wasserflüssen. Dies steht im Kontrast zu vielen Anwendungsstudien, deren Analysen und Aussagen auf simulierten Zustandsgrößen und Flüssen in deutlich feinerer räumlicher Auflösung (Gridzelle) basieren. Den Kern der Dissertation bildet eine umfangreiche Evaluierung der generellen Anwendbarkeit des globalen hydrologischen Modells WaterGAP3 für die Simulation von monatlichen Abflussregimen und Niedrig- und Hochwasserabflüssen auf Basis von mehr als 2400 Durchflussmessreihen für den Zeitraum 1958-2010. Die betrachteten Flusseinzugsgebiete repräsentieren ein breites Spektrum klimatischer und physiographischer Bedingungen, die Einzugsgebietsgröße reicht von 3000 bis zu mehreren Millionen Quadratkilometern. Die Modellevaluierung hat dabei zwei Zielsetzungen: Erstens soll die erzielte Modellgüte als Bezugswert dienen gegen den jegliche weiteren Modellverbesserungen verglichen werden können. Zweitens soll eine Methode zur diagnostischen Modellevaluierung entwickelt und getestet werden, die eindeutige Ansatzpunkte zur Modellverbesserung aufzeigen soll, falls die Modellgüte unzureichend ist. Hierzu werden komplementäre Modellgütemaße mit neun Gebietsparametern verknüpft, welche die klimatischen und physiographischen Bedingungen sowie den Grad anthropogener Beeinflussung in den einzelnen Einzugsgebieten quantifizieren. WaterGAP3 erzielt eine mittlere bis hohe Modellgüte für die Simulation von sowohl monatlichen Abflussregimen als auch Niedrig- und Hochwasserabflüssen, jedoch sind für alle betrachteten Modellgütemaße deutliche räumliche Muster erkennbar. Von den neun betrachteten Gebietseigenschaften weisen insbesondere der Ariditätsgrad und die mittlere Gebietsneigung einen starken Einfluss auf die Modellgüte auf. Das Modell tendiert zur Überschätzung des jährlichen Abflussvolumens mit steigender Aridität. Dieses Verhalten ist charakteristisch für makroskalige hydrologische Modelle und ist auf die unzureichende Abbildung von Prozessen der Abflussbildung und –konzentration in wasserlimitierten Gebieten zurückzuführen. In steilen Einzugsgebieten wird eine geringe Modellgüte hinsichtlich der Abbildung von monatlicher Abflussvariabilität und zeitlicher Dynamik festgestellt, die sich auch in der Güte der Niedrig- und Hochwassersimulation widerspiegelt. Diese Beobachtung weist auf notwendige Modellverbesserungen in Bezug auf (i) die Aufteilung des Gesamtabflusses in schnelle und verzögerte Abflusskomponente und (ii) die Berechnung der Fließgeschwindigkeit im Gerinne hin. Die im Rahmen der Dissertation entwickelte Methode zur diagnostischen Modellevaluierung durch Verknüpfung von komplementären Modellgütemaßen und Einzugsgebietseigenschaften wurde exemplarisch am Beispiel des WaterGAP3 Modells erprobt. Die Methode hat sich als effizientes Werkzeug erwiesen, um räumliche Muster in der Modellgüte zu erklären und Defizite in der Modellstruktur zu identifizieren. Die entwickelte Methode ist generell für jedes hydrologische Modell anwendbar. Sie ist jedoch insbesondere für makroskalige Modelle und multi-basin Studien relevant, da sie das Fehlen von feldspezifischen Kenntnissen und gezielten Messkampagnen, auf die üblicherweise in der Einzugsgebietsmodellierung zurückgegriffen wird, teilweise ausgleichen kann.

Informality in the City: a Theoretical Analysis

This thesis theoretically studies the relationship between the informal sector (both in the labor and the housing market) and the city structure.

Distribució espacial i ús de l'hàbitat de la comunitat de peixos a l'estany de Banyoles

En el marc d'un projecte més ampli sobre la comunitat de peixos de la conca lacustre de Banyoles, s'ha estudiat la distribució espacial de les diferents espècies així com l'ús que aquestes fan de l'hàbitat. El poblament piscícola de l'estany de Banyoles és el resultat d'un llarg historial d'introducció d'espècies exòtiques i extinció de les poblacions autòctones locals. S'ha revisat la seva composició actual detectant un total de 18 espècies (4 autòctones i 14 introduïdes) de les quals només 13 presenten una població estable. L'estudi de l'hàbitat s'ha centrat a l'Estany, l'element principal del sistema lacustre, analitzant per separat la zona litoral i la zona limnètica. En el primer cas s'han realitzat les captures d'individus mitjançant pesca elèctrica des d'una embarcació adaptada per aquesta pràctica. La totalitat del litoral ha estat dividida en trams de característiques homogènies on s'han obtingut les captures per unitat d'esforç per cada espècie. El mostreig s'ha desenvolupat entre l'estiu de 1997 i la primavera del 2000 realitzant un total de 10 campanyes de pesca. Les espècies més abundants al litoral són la perca americana (Micropterus salmoides) i el peix sol (Lepomis gibbosus), essent també presents la perca (Perca fluviatilis), carpa (Cyprinus carpio) i el gardí (Scardinius erythrophthalmus). S'han capturat altres espècies com ara anguila (Anguilla anguilla), bagra (Squalius cephalus), sandra (Sander lucioperca), carpí (Carassius auratus) i madrilleta vera (Rutilus rutilus), però són molt menys abundants en nombre. S'ha examinat, per cadascuna de les espècies, si existeix selecció de l'hàbitat i en cas afirmatiu, quin és el preferent en base a la classificació del litoral en sis tipus de vegetació predominant. Les espècies més abundants, perca americana i peix sol, ocupen tots els hàbitats disponibles però amb una densitat diferent. La perca mostra també una clara selecció de l'hàbitat a favor de les zones molt estructurades amb abundant presència de jonca litoral. Carpa i gardí seleccionen els ambients més fondos amb major presència de matèria orgànica d'origen vegetal procedent del bogar. En general els individus ocupen les zones amb una densitat de vegetació intermèdia, majoritàriament zones de jonca a l'estiu i zones amb mansega a l'hivern, on troben refugi i els recursos tròfics necessaris. La perca americana, a més, presenta una elevada fidelitat a un mateix punt del litoral al llarg de la seva vida. La zona limnètica ha estat prospectada mensualment mitjançant ecosondació, realitzant transectes perpendiculars a l'eix principal de l'Estany, cobrint la seva totalitat. La composició d'espècies s'ha obtingut a partir de les captures fetes amb xarxes (tresmalls) amb periodicitat estacional. L'anàlisi geoestadística de la densitat de peixos ha permès descriure l'estructura espacial d'aquesta a partir dels variogrames, així com la seva variabilitat tant espacial com temporal, i obtenir els mapes de densitat. A l'hivern, la densitat de peixos a la zona limnètica assoleix els seus valors mínims i els individus es troben formant agregats dispersos, pels diferents estrats de fondària. A partir de la primavera la densitat augmenta, pel reclutament i la major freqüència d'individus que abandonen el litoral; la densitat esdevé més homogènia a les primer capes de fondària. A l'estiu la densitat és màxima i l'estrat més homogeni coincideix amb la posició de la termoclina. Aquest estructura varia en disminuir la temperatura i barrejar-se la columna d'aigua, tornant a la situació hivernal. La perca i la madrilleta vera són les espècies predominants en aquest ambient, juntament amb la carpa. La seva distribució no és homogènia i respon a les característiques limnològiques de les diferents cubetes de l'Estany. Una particularitat d'aquest, relacionada amb el seu origen càrstic, es la formació d'una ploma hidrotermal que afecta la distribució dels peixos, probablement en augmentar la terbolesa. S'ha integrat l'ús de l'hàbitat de les espècies que ocupen tant la zona limnètica com la litoral a partir del seguiment d'individus, concretament de perca i bagra. S'ha utilitzat un sistema automàtic de posicionament que estima la localització dels individus marcats amb transmissor de telemetria acústica. L'anàlisi dels desplaçaments mostra un rang superior per la bagra en comparació amb la perca. Ambdues espècies mostren una orientació en els seus desplaçaments. La perca ocupa el litoral a la nit i es desplaça a la zona limnètica de dia, amb un ritme d'activitat marcat per dos màxims coincidint amb la sortida i posta de sol; en canvi la bagra mostra una major activitat nocturna amb zones de repòs properes al litoral. S'ha estimat igualment els dominis vital de cada individu marcat.

Prognozowanie stężeń pyłku leszczyny, olszy i brzozy w powietrzu atmosferycznym na obszarze Polski

Wydział Nauk Geograficznych i Geologicznych: Instytut Geoekologii i Geoinformacji

Slopes of Avian Species-Area Relationships, Human Population Density, and Environmental Factors

There is increasing interest in how humans influence spatial patterns in biodiversity. One of the most frequently noted and marked of these patterns is the increase in species richness with area, the species–area relationship (SAR). SARs are used for a number of conservation purposes, including predicting extinction rates, setting conservation targets, and identifying biodiversity hotspots. Such applications can be improved by a detailed understanding of the factors promoting spatial variation in the slope of SARs, which is currently the subject of a vigorous debate. Moreover, very few studies have considered the anthropogenic influences on the slopes of SARs; this is particularly surprising given that in much of the world areas with high human population density are typically those with a high number of species, which generates conservation conflicts. Here we determine correlates of spatial variation in the slopes of species–area relationships, using the British avifauna as a case study. Whilst we focus on human population density, a widely used index of human activities, we also take into account (1) the rate of increase in habitat heterogeneity with increasing area, which is frequently proposed to drive SARs, (2) environmental energy availability, which may influence SARs by affecting species occupancy patterns, and (3) species richness. We consider environmental variables measured at both local (10 km × 10 km) and regional (290 km × 290 km) spatial grains, but find that the former consistently provides a better fit to the data. In our case study, the effect of species richness on the slope SARs appears to be scale dependent, being negative at local scales but positive at regional scales. In univariate tests, the slope of the SAR correlates negatively with human population density and environmental energy availability, and positively with the rate of increase in habitat heterogeneity. We conducted two sets of multiple regression analyses, with and without species richness as a predictor. When species richness is included it exerts a dominant effect, but when it is excluded temperature has the dominant effect on the slope of the SAR, and the effects of other predictors are marginal.

Models to predict the distribution and abundance of breeding ducks in Canada

Detailed knowledge of waterfowl abundance and distribution across Canada is lacking, which limits our ability to effectively conserve and manage their populations. We used 15 years of data from an aerial transect survey to model the abundance of 17 species or species groups of ducks within southern and boreal Canada. We included 78 climatic, hydrological, and landscape variables in Boosted Regression Tree models, allowing flexible response curves and multiway interactions among variables. We assessed predictive performance of the models using four metrics and calculated uncertainty as the coefficient of variation of predictions across 20 replicate models. Maps of predicted relative abundance were generated from resulting models, and they largely match spatial patterns evident in the transect data. We observed two main distribution patterns: a concentrated prairie-parkland distribution and a more dispersed pan-Canadian distribution. These patterns were congruent with the relative importance of predictor variables and model evaluation statistics among the two groups of distributions. Most species had a hydrological variable as the most important predictor, although the specific hydrological variable differed somewhat among species. In some cases, important variables had clear ecological interpretations, but in some instances, e.g., topographic roughness, they may simply reflect chance correlations between species distributions and environmental variables identified by the model-building process. Given the performance of our models, we suggest that the resulting prediction maps can be used in future research and to guide conservation activities, particularly within the bounds of the survey area.

Northern hemisphere winter atmospheric climate: modes of natural variability and climate change

Under anthropogenic climate change it is possible that the increased radiative forcing and associated changes in mean climate may affect the “dynamical equilibrium” of the climate system; leading to a change in the relative dominance of different modes of natural variability, the characteristics of their patterns or their behavior in the time domain. Here we use multi-century integrations of version three of the Hadley Centre atmosphere model coupled to a mixed layer ocean to examine potential changes in atmosphere-surface ocean modes of variability. After first evaluating the simulated modes of Northern Hemisphere winter surface temperature and geopotential height against observations, we examine their behavior under an idealized equilibrium doubling of atmospheric CO2. We find no significant changes in the order of dominance, the spatial patterns or the associated time series of the modes. Having established that the dynamic equilibrium is preserved in the model on doubling of CO2, we go on to examine the temperature pattern of mean climate change in terms of the modes of variability; the motivation being that the pattern of change might be explicable in terms of changes in the amount of time the system resides in a particular mode. In addition, if the two are closely related, we might be able to assess the relative credibility of different spatial patterns of climate change from different models (or model versions) by assessing their representation of variability. Significant shifts do appear to occur in the mean position of residence when examining a truncated set of the leading order modes. However, on examining the complete spectrum of modes, it is found that the mean climate change pattern is close to orthogonal to all of the modes and the large shifts are a manifestation of this orthogonality. The results suggest that care should be exercised in using a truncated set of variability EOFs to evaluate climate change signals.

Regional Differences in the Prediction of Extratropical Cyclones by the ECMWF Ensemble Prediction System

A regional study of the prediction of extratropical cyclones by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) Ensemble Prediction System (EPS) has been performed. An objective feature-tracking method has been used to identify and track the cyclones along the forecast trajectories. Forecast error statistics have then been produced for the position, intensity, and propagation speed of the storms. In previous work, data limitations meant it was only possible to present the diagnostics for the entire Northern Hemisphere (NH) or Southern Hemisphere. A larger data sample has allowed the diagnostics to be computed separately for smaller regions around the globe and has made it possible to explore the regional differences in the prediction of storms by the EPS. Results show that in the NH there is a larger ensemble mean error in the position of storms over the Atlantic Ocean. Further analysis revealed that this is mainly due to errors in the prediction of storm propagation speed rather than in direction. Forecast storms propagate too slowly in all regions, but the bias is about 2 times as large in the NH Atlantic region. The results show that storm intensity is generally overpredicted over the ocean and underpredicted over the land and that the absolute error in intensity is larger over the ocean than over the land. In the NH, large errors occur in the prediction of the intensity of storms that originate as tropical cyclones but then move into the extratropics. The ensemble is underdispersive for the intensity of cyclones (i.e., the spread is smaller than the mean error) in all regions. The spatial patterns of the ensemble mean error and ensemble spread are very different for the intensity of cyclones. Spatial distributions of the ensemble mean error suggest that large errors occur during the growth phase of storm development, but this is not indicated by the spatial distributions of the ensemble spread. In the NH there are further differences. First, the large errors in the prediction of the intensity of cyclones that originate in the tropics are not indicated by the spread. Second, the ensemble mean error is larger over the Pacific Ocean than over the Atlantic, whereas the opposite is true for the spread. The use of a storm-tracking approach, to both weather forecasters and developers of forecast systems, is also discussed.

U.K. HiGEM: The New U.K. High-Resolution Global Environment Model—Model Description and Basic Evaluation

This article describes the development and evaluation of the U.K.’s new High-Resolution Global Environmental Model (HiGEM), which is based on the latest climate configuration of the Met Office Unified Model, known as the Hadley Centre Global Environmental Model, version 1 (HadGEM1). In HiGEM, the horizontal resolution has been increased to 0.83° latitude × 1.25° longitude for the atmosphere, and 1/3° × 1/3° globally for the ocean. Multidecadal integrations of HiGEM, and the lower-resolution HadGEM, are used to explore the impact of resolution on the fidelity of climate simulations. Generally, SST errors are reduced in HiGEM. Cold SST errors associated with the path of the North Atlantic drift improve, and warm SST errors are reduced in upwelling stratocumulus regions where the simulation of low-level cloud is better at higher resolution. The ocean model in HiGEM allows ocean eddies to be partially resolved, which dramatically improves the representation of sea surface height variability. In the Southern Ocean, most of the heat transports in HiGEM is achieved by resolved eddy motions, which replaces the parameterized eddy heat transport in the lower-resolution model. HiGEM is also able to more realistically simulate small-scale features in the wind stress curl around islands and oceanic SST fronts, which may have implications for oceanic upwelling and ocean biology. Higher resolution in both the atmosphere and the ocean allows coupling to occur on small spatial scales. In particular, the small-scale interaction recently seen in satellite imagery between the atmosphere and tropical instability waves in the tropical Pacific Ocean is realistically captured in HiGEM. Tropical instability waves play a role in improving the simulation of the mean state of the tropical Pacific, which has important implications for climate variability. In particular, all aspects of the simulation of ENSO (spatial patterns, the time scales at which ENSO occurs, and global teleconnections) are much improved in HiGEM.

Assessment of soil particle redistribution on two contrasting cultivated hillslopes

The particle size distributions of surface soils from two cultivated silty fields (Moorfield and Railway South) in Herefordshire, UK, were assessed by sampling on 20-m grids across the fields. Moorfield (8 ha) had a uniform landscape sloping mainly in a North-South direction while Railway South (12 ha) had complex undulating landscape characteristics. Samples from 3 surficial layers were also taken at 3 landscape positions at Moorfield to investigate recent (within-season) soil particle redistribution. Size fractions were determined using chemical dispersion, wet sieving (to separate the sand fractions) and laser gramilometry (for the finer fractions). The distribution of various fractions and the relationships between elevation and the various fractions suggest preferential detachment and movement of coarse to very coarse silt fractions (16-63 mu m), which were found mostly at downslope or depositional areas. Upper slope samples had higher clay to fine silt (< 16 mu m) contents than bottom slope samples. The upslope-downslope patterns of size fractions, particularly on uniformly sloping areas, of the 2 fields were similar and their deposited sediments were dominated by coarse silt fractions. Samples from 3 landscape positions at Moorfield became coarser from the less eroded summit, through the eroding side-slope to the bottom-slope depositional area. Within each of these landscape positions the top 0-2.5 cm layers were more enriched in coarse silt fractions than the bottom layers. The spatial patterns of soil particle size distributions in the 2 fields may be a result of sediment detachment and deposition caused by water erosion and tillage operations. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.