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.

Option pricing in market models driven by telegraph processes with jumps

Esta tesis está dividida en dos partes: en la primera parte se presentan y estudian los procesos telegráficos, los procesos de Poisson con compensador telegráfico y los procesos telegráficos con saltos. El estudio presentado en esta primera parte incluye el cálculo de las distribuciones de cada proceso, las medias y varianzas, así como las funciones generadoras de momentos entre otras propiedades. Utilizando estas propiedades en la segunda parte se estudian los modelos de valoración de opciones basados en procesos telegráficos con saltos. En esta parte se da una descripción de cómo calcular las medidas neutrales al riesgo, se encuentra la condición de no arbitraje en este tipo de modelos y por último se calcula el precio de las opciones Europeas de compra y venta.

International propagation of shocks: an evaluation of contagion effects for some Latin American countries

In this paper we analyze the spread of shocks across assets markets in eight Latin American countries. First, we measure the extent of markets reactions with the Principal Components Analysis. And second, we investigate the volatility of assets markets based in ARCH-GARCH models in function of the principal components retained in the first stage. Our results do not support the existence of financial contagion, but of interdependence in most of the cases and a slight increase in the sensibility of markets to recent shocks.

Avaluació de la toxicitat de metalls pesants i arsènic en diferents models biològics

En aquest estudi, la toxicitat de diversos metalls pesants i l'arsènic va ser analitzada utilitzant diferents models biològics. En la primera part d'aquest treball, el bioassaig de toxicitat Microtox, el qual està basat en la variació de l'emissió lumínica del bacteri luminiscent Vibrio fischeri, va ser utilitzat per establir les corbes dosi-resposta de diferents elements tòxics com el Zn(II), Pb(II), Cu(II), Hg(II), Ag(I), Co(II), Cd(II), Cr(VI), As(V) i As(III) en solucions aquoses. Els experiments es varen portar a terme a pH 6.0 i 7.0 per tal de mostrar que el pH pot influir en la toxicitat final mesurada d'alguns metalls degut als canvis relacionats amb la seva especiació química. Es varen trobar diferents tipus de corbes dosi-resposta depenent del metall analitzat i el pH del medi. En el cas de l'arsènic, l'efecte del pH en la toxicitat de l'arsenat i l'arsenit es va investigar utilitzant l'assaig Microtox en un rang de pHs comprès entre pH 5.0 i 9.0. Els valors d'EC50 determinats per l'As(V) disminueixen, reflectint un augment de la toxicitat, a mesura que el pH de la solució augmenta mentre que, en el cas de l'As(III), els valors d'EC50 quasi bé no varien entre pH 6.0 i 8.0 i només disminueixen a pH 9.0. HAsO42- i H2AsO3- es varen definir com les espècies més tòxiques. Així mateix, una anàlisi estadística va revelar un efecte antagònic entre les espècies químiques d'arsenat que es troben conjuntament a pH 6.0 i 7.0. D'altra banda, els resultats de dos mètodes estadístics per predir la toxicitat i les possibles interaccions entre el Co(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II) i Pb(II) en mescles binàries equitòxiques es varen comparar amb la toxicitat observada sobre el bacteri Vibrio fischeri. L'efecte combinat d'aquests metalls va resultar ser antagònic per les mescles de Co(II)-Cd(II), Cd(II)-Zn(II), Cd(II)-Pb(II) i Cu(II)-Pb(II), sinèrgic per Co(II)-Cu(II) i Zn(II)-Pb(II) i additiu en els altres casos, revelant un patró complex de possibles interaccions. L'efecte sinèrgic de la combinació Co(II)-Cu(II) i la forta disminució de la toxicitat del Pb(II) quan es troba en presència de Cd(II) hauria de merèixer més atenció quan s'estableixen les normatives de seguretat ambiental. La sensibilitat de l'assaig Microtox també va ser determinada. Els valors d'EC20, els quals representen la toxicitat llindar mesurable, varen ser determinats per cada element individualment i es va veure que augmenten de la següent manera: Pb(II) < Ag(I) < Hg(II)  Cu(II) < Zn(II) < As(V) < Cd(II)  Co(II) < As(III) < Cr(VI). Aquests valors es varen comparar amb les concentracions permeses en aigues residuals industrials establertes per la normativa oficial de Catalunya (Espanya). L'assaig Microtox va resultar ser suficientment sensible per detectar els elements assajats respecte a les normes oficials referents al control de la contaminació, excepte en el cas del cadmi, mercuri, arsenat, arsenit i cromat. En la segona part d'aquest treball, com a resultats complementaris dels resultats previs obtinguts utilitzant l'assaig de toxicitat aguda Microtox, els efectes crònics del Cd(II), Cr(VI) i As(V) es varen analitzar sobre la taxa de creixement i la viabilitat en el mateix model biològic. Sorprenentment, aquests productes químics nocius varen resultar ser poc tòxics per aquest bacteri quan es mesura el seu efecte després de temps d'exposició llargs. Tot i això, en el cas del Cr(VI), l'assaig d'inhibició de la viabilitat va resultar ser més sensible que l'assaig de toxicitat aguda Microtox. Així mateix, també va ser possible observar un clar fenomen d'hormesis, especialment en el cas del Cd(II), quan s'utilitza l'assaig d'inhibició de la viabilitat. A més a més, diversos experiments es varen portar a terme per intentar explicar la manca de toxicitat de Cr(VI) mostrada pel bacteri Vibrio fischeri. La resistència mostrada per aquest bacteri podria ser atribuïda a la capacitat d'aquest bacteri de convertir el Cr(VI) a la forma menys tòxica de Cr(III). Es va trobar que aquesta capacitat de reducció depèn de la composició del medi de cultiu, de la concentració inicial de Cr(VI), del temps d'incubació i de la presència d'una font de carboni. En la tercera part d'aquest treball, la línia cel·lular humana HT29 i cultius primaris de cèl·lules sanguínies de Sparus sarba es varen utilitzar in vitro per detectar la toxicitat llindar de metalls mesurant la sobreexpressió de proteines d'estrès. Extractes de fangs precedents de diverses plantes de tractament d'aigues residuals i diferents metalls, individualment o en combinació, es varen analitzar sobre cultius cel·lulars humans per avaluar el seu efecte sobre la taxa de creixement i la capacitat d'induir la síntesi de les proteïnes Hsp72 relacionades amb l'estrès cel·lular. No es varen trobar efectes adversos significatius quan els components s'analitzen individualment. Nogensmenys, quan es troben conjuntament, es produeix un afecte advers sobre tan la taxa de creixement com en l'expressió de proteins d'estrès. D'altra banda, cèl·lules sanguínies procedents de Sparus sarba es varen exposar in vitro a diferents concentracions de cadmi, plom i crom. La proteïna d'estrès HSP70 es va sobreexpressar significativament després de l'exposició a concentracions tan febles com 0.1 M. Sota les nostres condicions de treball, no es va evidenciar una sobreexpressió de metal·lotioneïnes. Nogensmenys, les cèl·lules sanguínies de peix varen resultar ser un model biològic interessant per a ser utilitzat en anàlisis de toxicitat. Ambdós models biològics varen resultar ser molt adequats per a detectar acuradament la toxicitat produïda per metalls. En general, l'avaluació de la toxicitat basada en l'anàlisi de la sobreexpressió de proteïnes d'estrès és més sensible que l'avaluació de la toxicitat realitzada a nivell d'organisme. A partir dels resultats obtinguts, podem concloure que una bateria de bioassaigs és realment necessària per avaluar acuradament la toxicitat de metalls ja que existeixen grans variacions entre els valors de toxicitat obtinguts emprant diferents organismes i molts factors ambientals poden influir i modificar els resultats obtinguts.

Development, implementation and evaluation of an activated sludge supervisory system for the Granollers WWTP

La present tesi pretén recollir l'experiència viscuda en desenvolupar un sistema supervisor intel·ligent per a la millora de la gestió de plantes depuradores d'aigües residuals., implementar-lo en planta real (EDAR Granollers) i avaluar-ne el funcionament dia a dia amb situacions típiques de la planta. Aquest sistema supervisor combina i integra eines de control clàssic de les plantes depuradores (controlador automàtic del nivell d'oxigen dissolt al reactor biològic, ús de models descriptius del procés...) amb l'aplicació d'eines del camp de la intel·ligència artificial (sistemes basats en el coneixement, concretament sistemes experts i sistemes basats en casos, i xarxes neuronals). Aquest document s'estructura en 9 capítols diferents. Hi ha una primera part introductòria on es fa una revisió de l'estat actual del control de les EDARs i s'explica el perquè de la complexitat de la gestió d'aquests processos (capítol 1). Aquest capítol introductori juntament amb el capítol 2, on es pretén explicar els antecedents d'aquesta tesi, serveixen per establir els objectius d'aquest treball (capítol 3). A continuació, el capítol 4 descriu les peculiaritats i especificitats de la planta que s'ha escollit per implementar el sistema supervisor. Els capítols 5 i 6 del present document exposen el treball fet per a desenvolupar el sistema basat en regles o sistema expert (capítol 6) i el sistema basat en casos (capítol 7). El capítol 8 descriu la integració d'aquestes dues eines de raonament en una arquitectura multi nivell distribuïda. Finalment, hi ha una darrer capítol que correspon a la avaluació (verificació i validació), en primer lloc, de cadascuna de les eines per separat i, posteriorment, del sistema global en front de situacions reals que es donin a la depuradora

Improvement of strategies for the management of fire blight (Erwinia amylovora). Evaluation and optimization of physical and chemical control methods, and use of decision support systems

El foc bacterià és una malaltia que afecta a plantes de la família de la rosàcies, causada pel bacteri Erwinia amylovora. El seu rang d'hostes inclou arbres fruiters, com la perera, la pomera o el codonyer, i plantes ornamentals de gran interès comercial i econòmic. Actualment, la malaltia s'ha dispersat i es troba àmpliament distribuïda en totes les zones de clima temperat del món. A Espanya, on la malaltia no és endèmica, el foc bacterià es va detectar per primer cop al 1995 al nord del país (Euskadi) i posteriorment, han aparegut varis focus en altres localitzacions, que han estat convenientment eradicats. El control del foc bacterià, és molt poc efectiu en plantes afectades per la malaltia, de manera que es basa en mesures encaminades a evitar la dispersió del patogen, i la introducció de la malaltia en regions no endèmiques. En aquest treball, la termoteràpia ha estat avaluada com a mètode d'eradicació d'E. amylovora de material vegetal de propagació asimptomàtic. S'ha demostrat que la termoteràpia és un mètode viable d'eradicar E. amylovora de material de propagació. Gairebé totes les espècies i varietats de rosàcies mantingudes en condicions d'humitat sobrevivien 7 hores a 45 ºC i més de 3 hores a 50 ºC, mentre que més d'1 hora d'exposició a 50 ºC amb calor seca produïa danys en el material vegetal i reduïa la brotació. Tractaments de 60 min a 45 ºC o 30 min a 50 ºC van ser suficients per reduir la població epífita d'E. amylovora a nivells no detectables (5 x 102 ufc g-1 p.f.) en branques de perera. Els derivats dels fosfonats i el benzotiadiazol són efectius en el control del foc bacterià en perera i pomera, tant en condicions de laboratori, com d'hivernacle i camp. Els inductors de defensa de les plantes redueixen els nivells de malaltia fins al 40-60%. Els intervals de temps mínims per aconseguir el millor control de la malaltia van ser 5 dies pel fosetil-Al, i 7 dies per l'etefon i el benzotiadiazol, i les dosis òptimes pel fosetil-Al i el benzotiadiazol van ser 3.72 g HPO32- L-1 i 150 mg i.a. L-1, respectivament. Es millora l'eficàcia del fosetil-Al i del benzotiadiazol en el control del foc bacterià, quan es combinen amb els antibiòtics a la meitat de la dosi d'aquests últims. Tot i que l'estratègia de barrejar productes és més pràctica i fàcil de dur a terme a camp, que l'estratègia de combinar productes, el millor nivell de control de la malaltia s'aconsegueix amb l'estratègia de combinar productes. Es va analitzar a nivell histològic i ultrastructural l'efecte del benzotiadiazol i dels fosfonats en la interacció Erwinia amylovora-perera. Ni el benzotiadiazol, ni el fosetil-Al, ni l'etefon van induir canvis estructurals en els teixits de perera 7 dies després de la seva aplicació. No obstant, després de la inoculació d'E. amylovora es va observar en plantes tractades amb fosetil-Al i etefon una desorganització estructural cel·lular, mentre que en les plantes tractades amb benzotiadiazol aquestes alteracions tissulars van ser retardades. S'han avaluat dos models (Maryblyt, Cougarblight) en un camp a Espanya afectat per la malaltia, per determinar la precisió de les prediccions. Es van utilitzar dos models per elaborar el mapa de risc, el BRS-Powell combinat i el BIS95 modificat. Els resultats van mostrar dos zones amb elevat i baix risc de la malaltia. Maryblyt i Cougarblight són dos models de fàcil ús, tot i que la seva implementació en programes de maneig de la malaltia requereix que siguin avaluats i validats per un període de temps més llarg i en àrees on la malaltia hi estigui present.

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.

Evaluation of suitable spectral intervals for near-IR laboratory detection of water vapour continuum absorption

The water vapour continuum absorption is an important component of molecular absorption of radiation in atmosphere. However, uncertainty in knowledge of the value of the continuum absorption at present can achieve 100% in different spectral regions leading to an error in flux calculation up to 3-5 W/m2 global mean. This work uses line-by-line calculations to reveal the best spectral intervals for experimental verification of the CKD water vapour continuum models in the currently least studied near-infrared spectral region. Possible sources of errors in continuum retrieval taken into account in the simulation include the sensitivity of laboratory spectrometers and uncertainties in the spectral line parameters in HITRAN-2004 and Schwenke-Partridge database. It is shown that a number of micro-windows in near-IR can be used at present for laboratory detection of the water vapour continuum with estimated accuracy from 30 to 5%.

Evaluation of reanalysis rainfall estimates over Ethiopia

There is a pressing need for good rainfall data for the African continent both for humanitarian and climatological purposes. Given the sparseness of ground-based observations, one source of rainfall information is Numerical Weather Prediction (NWP) model outputs. The aim of this article is to investigate the quality of two NWP products using Ethiopia as a test case. The two products evaluated are the ERA-40 and NCEP reanalysis rainfall products. Spatial, seasonal and interannual variability of rainfall have been evaluated for Kiremt (JJAS) and Belg (FMAM) seasons at a spatial scale that reflects the local variability of the rainfall climate using a method which makes optimum use of sparse gauge validation data. We found that the spatial pattern of the rainfall climatology is captured well by both models especially for the main rainy season Kiremt. However, both models tend to overestimate the mean rainfall in the northwest, west and central regions but underestimate in the south and east. The overestimation is greater for NCEP in Belg season and greater for ERA-40 in Kiremt Season. ERA-40 captures the annual cycle over most of the country better than NCEP, but strongly exaggerates the Kiremt peak in the northwest and west. The overestimation in Kiremt appears to have been reduced since the assimilation of satellite data increased around 1990. For both models the interannual variability is less well captured than the spatial and seasonal variability. Copyright © 2008 Royal Meteorological Society

Climate change and heat-related mortality in six cities Part 2: climate model evaluation and projected impacts from changes in the mean and variability of temperature with climate change

Previous assessments of the impacts of climate change on heat-related mortality use the "delta method" to create temperature projection time series that are applied to temperature-mortality models to estimate future mortality impacts. The delta method means that climate model bias in the modelled present does not influence the temperature projection time series and impacts. However, the delta method assumes that climate change will result only in a change in the mean temperature but there is evidence that there will also be changes in the variability of temperature with climate change. The aim of this paper is to demonstrate the importance of considering changes in temperature variability with climate change in impacts assessments of future heat-related mortality. We investigate future heatrelated mortality impacts in six cities (Boston, Budapest, Dallas, Lisbon, London and Sydney) by applying temperature projections from the UK Meteorological Office HadCM3 climate model to the temperature-mortality models constructed and validated in Part 1. We investigate the impacts for four cases based on various combinations of mean and variability changes in temperature with climate change. The results demonstrate that higher mortality is attributed to increases in the mean and variability of temperature with climate change rather than with the change in mean temperature alone. This has implications for interpreting existing impacts estimates that have used the delta method. We present a novel method for the creation of temperature projection time series that includes changes in the mean and variability of temperature with climate change and is not influenced by climate model bias in the modelled present. The method should be useful for future impacts assessments. Few studies consider the implications that the limitations of the climate model may have on the heatrelated mortality impacts. Here, we demonstrate the importance of considering this by conducting an evaluation of the daily and extreme temperatures from HadCM3, which demonstrates that the estimates of future heat-related mortality for Dallas and Lisbon may be overestimated due to positive climate model bias. Likewise, estimates for Boston and London may be underestimated due to negative climate model bias. Finally, we briefly consider uncertainties in the impacts associated with greenhouse gas emissions and acclimatisation. The uncertainties in the mortality impacts due to different emissions scenarios of greenhouse gases in the future varied considerably by location. Allowing for acclimatisation to an extra 2°C in mean temperatures reduced future heat-related mortality by approximately half that of no acclimatisation in each city.

Evaluation of a large-eddy model simulation of a mixed-phase altocumulus cloud using microwave radiometer, lidar and Doppler radar data

Using the Met Office large-eddy model (LEM) we simulate a mixed-phase altocumulus cloud that was observed from Chilbolton in southern England by a 94 GHz Doppler radar, a 905 nm lidar, a dual-wavelength microwave radiometer and also by four radiosondes. It is important to test and evaluate such simulations with observations, since there are significant differences between results from different cloud-resolving models for ice clouds. Simulating the Doppler radar and lidar data within the LEM allows us to compare observed and modelled quantities directly, and allows us to explore the relationships between observed and unobserved variables. For general-circulation models, which currently tend to give poor representations of mixed-phase clouds, the case shows the importance of using: (i) separate prognostic ice and liquid water, (ii) a vertical resolution that captures the thin layers of liquid water, and (iii) an accurate representation the subgrid vertical velocities that allow liquid water to form. It is shown that large-scale ascents and descents are significant for this case, and so the horizontally averaged LEM profiles are relaxed towards observed profiles to account for these. The LEM simulation then gives a reasonable. cloud, with an ice-water path approximately two thirds of that observed, with liquid water at the cloud top, as observed. However, the liquid-water cells that form in the updraughts at cloud top in the LEM have liquid-water paths (LWPs) up to half those observed, and there are too few cells, giving a mean LWP five to ten times smaller than observed. In reality, ice nucleation and fallout may deplete ice-nuclei concentrations at the cloud top, allowing more liquid water to form there, but this process is not represented in the model. Decreasing the heterogeneous nucleation rate in the LEM increased the LWP, which supports this hypothesis. The LEM captures the increase in the standard deviation in Doppler velocities (and so vertical winds) with height, but values are 1.5 to 4 times smaller than observed (although values are larger in an unforced model run, this only increases the modelled LWP by a factor of approximately two). The LEM data show that, for values larger than approximately 12 cm s(-1), the standard deviation in Doppler velocities provides an almost unbiased estimate of the standard deviation in vertical winds, but provides an overestimate for smaller values. Time-smoothing the observed Doppler velocities and modelled mass-squared-weighted fallspeeds shows that observed fallspeeds are approximately two-thirds of the modelled values. Decreasing the modelled fallspeeds to those observed increases the modelled IWC, giving an IWP 1.6 times that observed.

Evaluation of the sea ice simulation in a new coupled atmosphere-ocean climate model (HadGEM1)

[ 1] A rapid increase in the variety, quality, and quantity of observations in polar regions is leading to a significant improvement in the understanding of sea ice dynamic and thermodynamic processes and their representation in global climate models. We assess the simulation of sea ice in the new Hadley Centre Global Environmental Model (HadGEM1) against the latest available observations. The HadGEM1 sea ice component uses elastic-viscous-plastic dynamics, multiple ice thickness categories, and zero-layer thermodynamics. The model evaluation is focused on the mean state of the key variables of ice concentration, thickness, velocity, and albedo. The model shows good agreement with observational data sets. The variability of the ice forced by the North Atlantic Oscillation is also found to agree with observations.

Calibrating flood inundation models: identifying and addressing uncertainty in satellite observed flood extents

Improvements in the resolution of satellite imagery have enabled extraction of water surface elevations at the margins of the flood. Comparison between modelled and observed water surface elevations provides a new means for calibrating and validating flood inundation models, however the uncertainty in this observed data has yet to be addressed. Here a flood inundation model is calibrated using a probabilistic treatment of the observed data. A LiDAR guided snake algorithm is used to determine an outline of a flood event in 2006 on the River Dee, North Wales, UK, using a 12.5m ERS-1 image. Points at approximately 100m intervals along this outline are selected, and the water surface elevation recorded as the LiDAR DEM elevation at each point. With a planar water surface from the gauged upstream to downstream water elevations as an approximation, the water surface elevations at points along this flooded extent are compared to their ‘expected’ value. The pattern of errors between the two show a roughly normal distribution, however when plotted against coordinates there is obvious spatial autocorrelation. The source of this spatial dependency is investigated by comparing errors to the slope gradient and aspect of the LiDAR DEM. A LISFLOOD-FP model of the flood event is set-up to investigate the effect of observed data uncertainty on the calibration of flood inundation models. Multiple simulations are run using different combinations of friction parameters, from which the optimum parameter set will be selected. For each simulation a T-test is used to quantify the fit between modelled and observed water surface elevations. The points chosen for use in this T-test are selected based on their error. The criteria for selection enables evaluation of the sensitivity of the choice of optimum parameter set to uncertainty in the observed data. This work explores the observed data in detail and highlights possible causes of error. The identification of significant error (RMSE = 0.8m) between approximate expected and actual observed elevations from the remotely sensed data emphasises the limitations of using this data in a deterministic manner within the calibration process. These limitations are addressed by developing a new probabilistic approach to using the observed data.

Marine ecosystem models for earth systems applications: the MarQUEST experience

The MarQUEST (Marine Biogeochemistry and Ecosystem Modelling Initiative in QUEST) project was established to develop improved descriptions of marine biogeochemistry, suited for the next generation of Earth system models. We review progress in these areas providing insight on the advances that have been made as well as identifying remaining key outstanding gaps for the development of the marine component of next generation Earth system models. The following issues are discussed and where appropriate results are presented; the choice of model structure, scaling processes from physiology to functional types, the ecosystem model sensitivity to changes in the physical environment, the role of the coastal ocean and new methods for the evaluation and comparison of ecosystem and biogeochemistry models. We make recommendations as to where future investment in marine ecosystem modelling should be focused, highlighting a generic software framework for model development, improved hydrodynamic models, and better parameterisation of new and existing models, reanalysis tools and ensemble simulations. The final challenge is to ensure that experimental/observational scientists are stakeholders in the models and vice versa.

Comparison of energy evaluation systems and a mechanistic model for milk production by dairy cattle offered fresh grass-based diets

Grass-based diets are of increasing social-economic importance in dairy cattle farming, but their low supply of glucogenic nutrients may limit the production of milk. Current evaluation systems that assess the energy supply and requirements are based on metabolisable energy (ME) or net energy (NE). These systems do not consider the characteristics of the energy delivering nutrients. In contrast, mechanistic models take into account the site of digestion, the type of nutrient absorbed and the type of nutrient required for production of milk constituents, and may therefore give a better prediction of supply and requirement of nutrients. The objective of the present study is to compare the ability of three energy evaluation systems, viz. the Dutch NE system, the agricultural and food research council (AFRC) ME system, and the feed into milk (FIM) ME system, and of a mechanistic model based on Dijkstra et al. [Simulation of digestion in cattle fed sugar cane: prediction of nutrient supply for milk production with locally available supplements. J. Agric. Sci., Cambridge 127, 247-60] and Mills et al. [A mechanistic model of whole-tract digestion and methanogenesis in the lactating dairy cow: model development, evaluation and application. J. Anim. Sci. 79, 1584-97] to predict the feed value of grass-based diets for milk production. The dataset for evaluation consists of 41 treatments of grass-based diets (at least 0.75 g ryegrass/g diet on DM basis). For each model, the predicted energy or nutrient supply, based on observed intake, was compared with predicted requirement based on observed performance. Assessment of the error of energy or nutrient supply relative to requirement is made by calculation of mean square prediction error (MSPE) and by concordance correlation coefficient (CCC). All energy evaluation systems predicted energy requirement to be lower (6-11%) than energy supply. The root MSPE (expressed as a proportion of the supply) was lowest for the mechanistic model (0.061), followed by the Dutch NE system (0.082), FIM ME system (0.097) and AFRCME system(0.118). For the energy evaluation systems, the error due to overall bias of prediction dominated the MSPE, whereas for the mechanistic model, proportionally 0.76 of MSPE was due to random variation. CCC analysis confirmed the higher accuracy and precision of the mechanistic model compared with energy evaluation systems. The error of prediction was positively related to grass protein content for the Dutch NE system, and was also positively related to grass DMI level for all models. In conclusion, current energy evaluation systems overestimate energy supply relative to energy requirement on grass-based diets for dairy cattle. The mechanistic model predicted glucogenic nutrients to limit performance of dairy cattle on grass-based diets, and proved to be more accurate and precise than the energy systems. The mechanistic model could be improved by allowing glucose maintenance and utilization requirements parameters to be variable. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.