Hidden Markov Models With Set-Valued Parameters

Hidden Markov models (HMMs) are widely used probabilistic models of sequential data. As with other probabilistic models, they require the specification of local conditional probability distributions, whose assessment can be too difficult and error-prone, especially when data are scarce or costly to acquire. The imprecise HMM (iHMM) generalizes HMMs by allowing the quantification to be done by sets of, instead of single, probability distributions. iHMMs have the ability to suspend judgment when there is not enough statistical evidence, and can serve as a sensitivity analysis tool for standard non-stationary HMMs. In this paper, we consider iHMMs under the strong independence interpretation, for which we develop efficient inference algorithms to address standard HMM usage such as the computation of likelihoods and most probable explanations, as well as performing filtering and predictive inference. Experiments with real data show that iHMMs produce more reliable inferences without compromising the computational efficiency.

Human papillomavirus: a strong case for vaccinating boys

In the UK, human papilloma virus vaccination is restricted on the NHS to girls and only recently been recommended for men who have sex with men. The restriction is based largely on cost-effectiveness. In this article, Gillian Prue sets out the compelling case for vaccinating all boys. On page 10, Peter Baker describes HPV Action’s campaign for gender-neutral HPV vaccination.

Measuring the shape of degree distributions

Degree distribution is a fundamental property of networks. While mean degree provides a standard measure of scale, there are several commonly used shape measures. Widespread use of a single shape measure would enable comparisons between networks and facilitate investigations about the relationship between degree distribution properties and other network features. This paper describes five candidate measures of heterogeneity and recommends the Gini coefficient. It has theoretical advantages over many of the previously proposed measures, is meaningful for the broad range of distribution shapes seen in different types of networks, and has several accessible interpretations. While this paper focusses on degree, the distribution of other node based network properties could also be described with Gini coefficients.

Áquila Earthquake (2009): influence of seismic source model and structure to modeling the strong ground motions

O sismo, ocorrido em 6 de Abril de 2009 (Mw 6,3) junto à cidade de Áquila (Itália), provocou uma grande destruição. Uma das consequências deste evento foi o impacto na opinião pública em torno da capacidade científica para a estimação da perigosidade sísmica e a necessidade de criação de sistemas de alerta sísmico. A determinação dos mecanismos de fonte sísmica de eventos sísmicos ocorridos e registados permite melhores caracterizações dos movimentos sísmicos para uma determinada área de estudo e consequentemente melhores cenários de risco. Se a região em estudo possuir propriedades físicas específicas e muito distintas de local para local, capazes de provocar alterações locais dos movimentos sísmicos (efeitos de sítio), torna-se imperativo uma caracterização bem definida do meio de propagação das ondas sísmicas de forma a poder sintetizar informação capaz de contribuir para a boa estimação da perigosidade sísmica. No âmbito deste trabalho pretende-se estudar a influência do mecanismo de fonte sísmica e da estrutura na modelação de movimentos sísmicos no caso de Áquila. A metodologia adoptada consiste na determinação da distribuição de deslizamentos sobre o plano de falha e utilização desta informação na modelação de sismogramas sintéticos (com recurso ao algoritmo E3D). Será igualmente estabelecida uma comparação de resultados considerando-se um meio com e sem bacia e considerando-se uma fonte pontual e uma fonte extensa.

Alguns aspectos da modelação ecológica na costa portuguesa (Aveiro) : efeitos físicos na distribuição de nutrientes e biomassa fitoplanctónica

O presente trabalho propõe estudar alguns aspectos da modelação ecológica na Costa Portuguesa, nomeadamente o efeito físico na distribuição de nutrientes e biomassa fitoplanctónica. O principal propósito foi implementar e validar um modelo acoplado tridimensional físico e ecológico, para a costa portuguesa, e aplicá-lo numa área limitada, a norte, por Vila do Conde e a sul pela Figueira da Foz centrada na região de Aveiro, para estudar a distribuição, vertical e horizontal, de temperatura, nutrientes e biomassa fitoplanctónica. A região em estudo está situada na costa oeste da Península Ibérica e faz parte da Região de Afloramento do Atlântico Norte. É caracterizada por condições meteorológicas onde a predominância e prevalência, durante uma grande parte do ano, de ventos de norte/noroeste, constitui um dos principais elementos forçadores do transporte para o largo das águas costeiras e consequente subida das águas mais frias e profundas, ricas em nutrientes. A estas condições juntam-se as boas condições de luminosidade e temperatura essenciais ao desenvolvimento fitoplanctónico, que servirá de alimento às espécies marinhas. Este facto, torna esta região, uma zona de elevada riqueza biológica favorável ao desenvolvimento de várias espécies marinhas, transformando este local num ecossistema de forte produtividade. O modelo foi calibrado e validado para a área em estudo e simulou com sucesso, a resposta do sistema à situação de ventos favoráveis ao afloramento costeiro para a região em estudo. Quando comparada com dados observados, os resultados mostram que o modelo é capaz de prever satisfatoriamente as distribuições superficiais e na coluna de água: da temperatura, dos nutrientes, do oxigénio e da clorofila-a. Os resultados evidenciam o crucial papel desempenhado pelos processos físicos no aumento de fitoplâncton que ocorre ao longo de uma estreita área da costa norte portuguesa, mostrando a estreita ligação entre a distribuição costeira de fitoplâncton e a distribuição costeira de temperatura, à superfície. A produtividade do fitoplâncton que ocorre nas águas costeiras não só é atribuída à disponibilidade de nutrientes mas também à intensidade luminosa. A luz e a intensidade dos ventos de norte/noroeste são os factores chave no controlo dos blooms de fitoplâncton observados nesta região de afloramento, sobretudo no Verão, nomeadamente na camada de mistura pouco profunda e junto à nutriclina. Deste modo os modelos numéricos em associação com dados in situ e imagens de satélite poderão ser considerados uma excelente ferramenta para a análise e previsão de cenários, presentes e futuros, de acções praticadas sobre o meio ambiente.

Cumulus momentum fluxes in cloud-resolving model simulations of toga-coare

O objectivo deste trabalho científico é o estudo do transporte vertical de momento linear horizontal (CMT) realizado por sistemas de nuvens de convecção profunda sobre o oceano tropical. Para realizar este estudo, foram utilizadas simulações tridimensionais produzidas por um modelo explícito de nuvens (CRM) para os quatro meses de duração da campanha observacional TOGA COARE que ocorreu sobre as águas quentes do Pacífico ocidental. O estudo foca essencialmente as características estatísticas e à escala da nuvem do CMT durante um episódio de fortes ventos de oeste e durante um período de tempo maior que incluí este evento de convecção profunda. As distribuições verticais e altitude-temporais de campos atmosféricos relacionados com o CMT são avaliadas relativamente aos campos observacionais disponíveis, mostrando um bom acordo com os resultados de estudos anteriores, confirmando assim a boa qualidade das primeiras e fornecendo a confiança necessária para continuar a investigação. A sensibilidade do CMT em relação do domínio espacial do model é analisada, utilizando dois tipos de simulações tridimensionais produzidas por domínios horizontais de diferente dimensão, sugerindo que o CMT não depende da dimensão do domínio espacial horizontal escolhido para simular esta variável. A capacidade da parameterização do comprimento de mistura simular o CMT é testada, destacando as regiões troposféricas onde os fluxos de momento linear horizontal são no sentido do gradiente ou contra o gradiente. Os fluxos no sentido do gradiente apresentam-se relacionados a uma fraca correlação entre os campos atmosféricos que caracterizam esta parameterização, sugerindo que as formulações dos fluxos de massa dentro da nuvem e o fenómeno de arrastamento do ar para dentro da nuvem devem ser revistos. A importância do ar saturado e não saturado para o CMT é estudada com o objectivo de alcançar um melhor entendimento acerca dos mecanismos físicos responsáveis pelo CMT. O ar não saturado e saturado na forma de correntes descendentes contribuem de forma determinante para o CMT e deverão ser considerados em futuras parameterizações do CMT e da convecção em nuvens cumulus. Métodos de agrupamento foram aplicados às contribuições do ar saturado e não saturado, analisando os campos da força de flutuação e da velocidade vertical da partícula de ar, concluindo-se a presença de ondas gravíticas internas como mecanismo responsável pelo ar não saturado. A força do gradiente de pressão dentro da nuvem é também avaliada, utilizando para este efeito a fórmula teórica proposta por Gregory et al. (1997). Uma boa correlação entre esta força e o produto entre efeito de cisalhamento do vento e a perturbação da velocidade vertical é registada, principalmente para as correntes ascendentes dentro da nuvem durante o episódio de convecção profunda. No entanto, o valor ideal para o coeficiente empírico c*, que caracteriza a influência da força do gradiente de pressão dentro da nuvem sobre a variação vertical da velocidade horizontal dentro da nuvem, não é satisfatoriamente alcançado. Bons resultados são alcançados através do teste feito à aproximação do fluxo de massa proposta por Kershaw e Gregory (1997) para o cálculo do CMT total, revelando mais uma vez a importância do ar não saturado para o CMT.

Metodologias de optimização topológica em cálculo estrutural

A optimização estrutural é uma temática antiga em engenharia. No entanto, com o crescimento do método dos elementos finitos em décadas recentes, dá origem a um crescente número de aplicações. A optimização topológica, especificamente, surge associada a uma fase de definição de domínio efectivo de um processo global de optimização estrutural. Com base neste tipo de optimização, é possível obter a distribuição óptima de material para diversas aplicações e solicitações. Os materiais compósitos e alguns materiais celulares, em particular, encontram-se entre os materiais mais proeminentes dos nossos dias, em termos das suas aplicações e de investigação e desenvolvimento. No entanto, a sua estrutura potencialmente complexa e natureza heterogénea acarretam grandes complexidades, tanto ao nível da previsão das suas propriedades constitutivas quanto na obtenção das distribuições óptimas de constituintes. Procedimentos de homogeneização podem fornecer algumas respostas em ambos os casos. Em particular, a homogeneização por expansão assimptótica pode ser utilizada para determinar propriedades termomecânicas efectivas e globais a partir de volumes representativos, de forma flexível e independente da distribuição de constituintes. Além disso, integra processos de localização e fornece informação detalhada acerca de sensibilidades locais em metodologias de optimização multiescala. A conjugação destas áreas pode conduzir a metodologias de optimização topológica multiescala, nas quais de procede à obtenção não só de estruturas óptimas mas também das distribuições ideais de materiais constituintes. Os problemas associados a estas abordagens tendem, no entanto, a exigir recursos computacionais assinaláveis, criando muitas vezes sérias limitações à exequibilidade da sua resolução. Neste sentido, técnicas de cálculo paralelo e distribuído apresentam-se como uma potencial solução. Ao dividir os problemas por diferentes unidades memória e de processamento, é possível abordar problemas que, de outra forma, seriam proibitivos. O principal foco deste trabalho centra-se na importância do desenvolvimento de procedimentos computacionais para as aplicações referidas. Adicionalmente, estas conduzem a diversas abordagens alternativas na procura simultânea de estruturas e materiais para responder a aplicações termomecânicas. Face ao exposto, tudo isto é integrado numa plataforma computacional de optimização multiobjectivo multiescala em termoelasticidade, desenvolvida e implementada ao longo deste trabalho. Adicionalmente, o trabalho é complementado com a montagem e configuração de um cluster do tipo Beowulf, assim como com o desenvolvimento do código com vista ao cálculo paralelo e distribuído.

Marine foundation species shifting ranges and genetic baselines

This thesis revealed the most importance factors shaping the distribution, abundance and genetic diversity of four marine foundation species. Environmental conditions, particularly sea temperatures, nutrient availability and ocean waves, played a primary role in shaping the spatial distribution and abundance of populations, acting on scales varying from tens of meters to hundreds of kilometres. Furthermore, the use of Species Distribution Models (SDMs) with biological records of occurrence and high-resolution oceanographic data, allowed predicting species distributions across time. This approach highlighted the role of climate change, particularly when extreme temperatures prevailed during glacial and interglacial periods. These results, when combined with mtDNA and microsatellite genetic variation of populations allowed inferring for the influence of past range dynamics in the genetic diversity and structure of populations. For instance, the Last Glacial Maximum produced important shifts in species ranges, leaving obvious signatures of higher genetic diversities in regions where populations persisted (i.e., refugia). However, it was found that a species’ genetic pool is shaped by regions of persistence, adjacent to others experiencing expansions and contractions. Contradicting expectations, refugia seem to play a minor role on the re(colonization) process of previously eroded populations. In addition, the available habitat area for expanding populations and the inherent mechanisms of species dispersal in occupying available habitats were also found to be fundamental in shaping the distributions of genetic diversity. However, results suggest that the high levels of genetic diversity in some populations do not rule out that they may have experienced strong genetic erosion in the past, a process here named shifting genetic baselines. Furthermore, this thesis predicted an ongoing retraction at the rear edges and extinctions of unique genetic lineages, which will impoverish the global gene pool, strongly shifting the genetic baselines in the future.

Perturbation of Cytokinin and Ethylene-signalling Pathways Explain the Strong Rooting Phenotype Exhibited by Arabidopsis Expressing the Schizosaccharomyces Pombe mitotic inducer, cdc25.

Background Entry into mitosis is regulated by cyclin dependent kinases that in turn are phosphoregulated. In most eukaryotes, phosphoregulation is through WEE1 kinase and CDC25 phosphatase. In higher plants a homologous CDC25 gene is unconfirmed and hence the mitotic inducer Schizosaccharomyces pombe (Sp) cdc25 has been used as a tool in transgenic plants to probe cell cycle function. Expression of Spcdc25 in tobacco BY-2 cells accelerates entry into mitosis and depletes cytokinins; in whole plants it stimulates lateral root production. Here we show, for the first time, that alterations to cytokinin and ethylene signaling explain the rooting phenotype elicited by Spcdc25 expression in Arabidopsis. Results Expressing Spcdc25 in Arabidopsis results in increased formation of lateral and adventitious roots, a reduction of primary root width and more isodiametric cells in the root apical meristem (RAM) compared with wild type. Furthermore it stimulates root morphogenesis from hypocotyls when cultured on two way grids of increasing auxin and cytokinin concentrations. Microarray analysis of seedling roots expressing Spcdc25 reveals that expression of 167 genes is changed by > 2-fold. As well as genes related to stress responses and defence, these include 19 genes related to transcriptional regulation and signaling. Amongst these was the up-regulation of genes associated with ethylene synthesis and signaling. Seedlings expressing Spcdc25 produced 2-fold more ethylene than WT and exhibited a significant reduction in hypocotyl length both in darkness or when exposed to 10 ppm ethylene. Furthermore in Spcdc25 expressing plants, the cytokinin receptor AHK3 was down-regulated, and endogenous levels of iPA were reduced whereas endogeous IAA concentrations in the roots increased. Conclusions We suggest that the reduction in root width and change to a more isodiametric cell phenotype in the RAM in Spcdc25 expressing plants is a response to ethylene over-production. The increased rooting phenotype in Spcdc25 expressing plants is due to an increase in the ratio of endogenous auxin to cytokinin that is known to stimulate an increased rate of lateral root production. Overall, our data reveal important cross talk between cell division and plant growth regulators leading to developmental changes.

Potential Impact of Climate Change on Fungal Distributions: Analysis of 2 Years of Contrasting Weather in the UK

The impact of climate change on fungal growth and spore production is less well documented than for allergenic pollen grains, although similar implications for respiratory tract diseases in humans occur. Fungal spores are commonly described as either “dry” or “wet” according to the type of weather associated with their occurrence in the air. This study examined the distribution of selected fungal spores (Alternaria spp., Cladosporium spp., Didymella spp., Epicoccum spp., Leptosphaeria spp. and rusts) occurring in the West Midlands of UK during 2 years of contrasting weather. Spore specimens were collected using a 7-day volumetric air sampler and then analysed with the aid of light microscopy. Distributions of spores were then studied using normality tests and Mann–Whitney U test, while relationships with meteorological parameters were investigated using Spearman’s rank test and angular-linear correlation for wind direction analysis. Our results showed that so-called wet spores were more sensitive to the weather changes showing statistically significant differences between the 2 years of study, in contrast to “dry” spores. We predict that in following years we will observe accelerated levels in allergenic fungal spore production as well as changes in species diversity. This study could be a starting point to revise the grouping system of fungal spores as either “dry” or “wet” types and their response to climate change

Comparisons of Fungal Spore Distributions Using Air Sampling at Worcester, England (2006-2010)

This study determined annual and monthly fluctuations in concentration of 20 fungal genera. The selection of taxa was made based upon their high frequency in the air as well as their well-known allergenic properties. Air samples were collected using a spore trap of Hirst design at an urban site where the trap continuously worked throughout a 5-year survey. Weather data were acquired from a meteorological station co-located with the air sampler. Influence of several meteorological parameters was then examined to reveal species–environment interactions and the potential location of fungal spore sources within the urban area. The maximum monthly sum of mean daily spore concentration varied between genera, and the earliest peaks were recorded for Pleospora sp. in April and Ustilago sp. in June. However, the majority of investigated spore types occurred in the greatest concentrations between August and September. Out of the 20 studied taxa, the most dominant genus was Cladosporium sp., which exceeded an allergenic threshold of 3000 s m-3 40 times during very rainy years and twice as much during dry years. A Spearman’s rank test showed that statistically significant (p B 0.05) relationships between spore concentration and weather parameters were mainly rs B 0.50. Potential sources of spores at Worcester were likely to be localised outside the city area.

Planeamento espacial marinho das áreas marinhas protegidas: o caso de estudo da ára protegida de gestão de recursos: Caloura - ilhéu de Vila Franca do Campo

Tese de Doutoramento, Ciências do Mar (Ecologia Marinha), 26 de Novembro de 2013, Universidade dos Açores.