Position and structure of the subtropical/Azores front region from combined Lagrangian and remote sensing (IR/altimeter/SeaWIFS) measurements

The position and structure of the North Atlantic Subtropical Front is studied using Lagrangian flow tracks and remote sensing (AVHRR imagery: TOPEX/POSEIDON altimetry: SeaWiFS) in a broad region ( similar to 31 degree to similar to 36 degree N) of marked gradient of dynamic height (Azores Current) that extends from the Mid-Atlantic Ridge (MAR), near similar to 40 degree W, to the Eastern Boundary ( similar to 10 degree W). Drogued Argos buoy and ALACE tracks are superposed on infrared satellite images in the Subtropical Front region. Cold (cyclonic) structures, called storms, and warm (anticyclonic) structures of 100-300 km in size can be found on the south side of the Subtropical Front outcrop, which has a temperature contrast of about 1 degree C that can be followed for similar to 2500 km near 35 degree N. Warmer water adjacent to the outcrop is flowing eastward (Azores Current) but some warm water is returned westward about 300 km to the south (southern Counterflow). Estimates of horizontal diffusion in a Storm (D=2.2t10 super(2) m super(2) s super(-1)) and in the Subtropical Front region near 200 m depth (D sub(x)=1.3t10 super(4) m super(2) s super(-1), D sub(y)=2.6t10 super(3) m super(2) s super(-1)) are made from the Lagrangian tracks. Altimeter and in situ measurements show that Storms track westwards. Storms are separated by about 510 km and move westward at 2.7 km d super(-1). Remote sensing reveals that some initial structures start evolving as far east as 23 degree W but are more organized near 29 degree W and therefore Storms are about 1 year old when they reach the MAR (having travelled a distance of 1000 km). Structure and seasonality in SeaWiFS data in the region is examined.

Distributional patterns and community structure of Caribbean coral reef fishes within a river-impacted bay

This study examined how riverine inputs, in particular sediment, influenced the community structure and trophic composition of reef fishes within Rio Bueno, north Jamaica. Due to river discharge a distinct gradient of riverine inputs existed across the study sites. Results suggested that riverine inputs (or a factor associated with them) had a structuring effect on fish community structure. Whilst fish communities at all sites were dominated by small individuals (

Coastline configuration as a determinant of structure in larval assemblages

The richness and turnover of coastal larval pools set upper limits for biodiversity in coastal systems. For particular local systems, such as embayments, the characteristics of the local larval pool are determined by the relative contributions of locally produced and external larvae. The balance between these sources partially reflects the extent of tidal exchange and is hence related to system size and flushing time. Larvae of benthic marine invertebrates were sampled from 8 bays along the Irish coast to investigate the effect of coastline configuration on the characteristics of the larval pool. Flushing time explained 34.5% of the variability in species richness from a series of daily samples. Many of the potentially relevant environmental variables are correlated, limiting the potential for individual variables to be examined in isolation. We therefore used a principal components analysis to describe the major patterns in environmental variability across bays. The second principal component separated bays along a gradient of increasing depth, salinity, tidal range and flushing time. Scores along this component were generally better predictors of the larval pool than single variables, explaining as much as 61.2% of the variation in species richness, diversity and similarity between dates. Deeper bays, with more saline water and longer flushing times, tended to have richer and more diverse larval pools, with a greater consistency in species composition between sample dates. No relationship was found between environmental variables and larval abundance. Our results suggest that flushing time, particularly when in combination with topographic variables, chlorophyll, tidal range and salinity, may be a useful predictor for the richness and turnover of local larval pools.

A New Gradient Descent Approach for Local Learning of Fuzzy Neural Models

The majority of reported learning methods for Takagi-Sugeno-Kang fuzzy neural models to date mainly focus on the improvement of their accuracy. However, one of the key design requirements in building an interpretable fuzzy model is that each obtained rule consequent must match well with the system local behaviour when all the rules are aggregated to produce the overall system output. This is one of the distinctive characteristics from black-box models such as neural networks. Therefore, how to find a desirable set of fuzzy partitions and, hence, to identify the corresponding consequent models which can be directly explained in terms of system behaviour presents a critical step in fuzzy neural modelling. In this paper, a new learning approach considering both nonlinear parameters in the rule premises and linear parameters in the rule consequents is proposed. Unlike the conventional two-stage optimization procedure widely practised in the field where the two sets of parameters are optimized separately, the consequent parameters are transformed into a dependent set on the premise parameters, thereby enabling the introduction of a new integrated gradient descent learning approach. A new Jacobian matrix is thus proposed and efficiently computed to achieve a more accurate approximation of the cost function by using the second-order Levenberg-Marquardt optimization method. Several other interpretability issues about the fuzzy neural model are also discussed and integrated into this new learning approach. Numerical examples are presented to illustrate the resultant structure of the fuzzy neural models and the effectiveness of the proposed new algorithm, and compared with the results from some well-known methods.

Improved description of chemical barriers with generalized gradient approximations (GGAs) and meta-GGAs

The performance of exchange and correlation (xc) functionals of the generalized gradient approximation (GGA) type and of the meta-GGA type in the calculation of chemical reactions is related to topological features of the electron density which, in turn, are connected to the orbital structure of chemical bonds within the Kohn-Sham (KS) theory. Seventeen GGA and meta-GGA xc functionals are assessed for 15 hydrogen abstraction reactions and 3 symmetrical S(N)2 reactions. Systems that are problematic for standard GGAs characteristically have enhanced values of the dimensionless gradient argument s(sigma)(2) with local maxima in the bonding region. The origin of this topological feature is the occupation of valence KS orbitals with an antibonding or essentially nonbonding character. The local enhancement of s(sigma)(2) yields too negative exchange-correlation energies with standard GGAs for the transition state of the S(N)2 reaction, which leads to the reduced calculated reaction barriers. The unwarranted localization of the effective xc hole of the standard GGAs, i.e., the nondynamical correlation that is built into them but is spurious in this case, wields its effect by their s(sigma)(2) dependence. Barriers are improved for xc functionals with the exchange functional OPTX as x component, which has a modified dependence on s(sigma)(2). Standard GGAs also underestimate the barriers for the hydrogen abstraction reactions. In this case the barriers are improved by correlation functionals, such as the Laplacian-dependent (LAP3) functional, which has a modified dependence on the Coulomb correlation of the opposite- and like-spin electrons. The best overall performance is established for the combination OLAP3 of OPTX and LAP3.

On the required shape corrections to the local density and generalized gradient approximations to the Kohn-Sham potentials for molecular response calculations of (hyper)polarizabilities and excitation energies

It is well known that shape corrections have to be applied to the local-density (LDA) and generalized gradient (GGA) approximations to the Kohn-Sham exchange-correlation potential in order to obtain reliable response properties in time dependent density functional theory calculations. Here we demonstrate that it is an oversimplified view that these shape corrections concern primarily the asymptotic part of the potential, and that they affect only Rydberg type transitions. The performance is assessed of two shape-corrected Kohn-Sham potentials, the gradient-regulated asymptotic connection procedure applied to the Becke-Perdew potential (BP-GRAC) and the statistical averaging of (model) orbital potentials (SAOP), versus LDA and GGA potentials, in molecular response calculations of the static average polarizability alpha, the Cauchy coefficient S-4, and the static average hyperpolarizability beta. The nature of the distortions of the LDA/GGA potentials is highlighted and it is shown that they introduce many spurious excited states at too low energy which may mix with valence excited states, resulting in wrong excited state compositions. They also lead to wrong oscillator strengths and thus to a wrong spectral structure of properties like the polarizability. LDA, Becke-Lee-Yang-Parr (BLYP), and Becke-Perdew (BP) characteristically underestimate contributions to alpha and S-4 from bound Rydberg-type states and overestimate those from the continuum. Cancellation of the errors in these contributions occasionally produces fortuitously good results. The distortions of the LDA, BLYP, and BP spectra are related to the deficiencies of the LDA/GGA potentials in both the bulk and outer molecular regions. In contrast, both SAOP and BP-GRAC potentials produce high quality polarizabilities for 21 molecules and also reliable Cauchy moments and hyperpolarizabilities for the selected molecules. The analysis for the N-2 molecule shows, that both SAOP and BP-GRAC yield reliable energies omega(i) and oscillator strengths f(i) of individual excitations, so that they reproduce well the spectral structure of alpha and S-4.(C) 2002 American Institute of Physics.

Co-tape casting fabrication, field assistant sintering and evaluation of a coke resistant La0.2Sr0.7TiO3-Ni/YSZ functional gradient anode supported solid oxide fuel cell

The ability to directly utilize hydrocarbons and other renewable liquid fuels is one of the most important issues affecting the large scale deployment of solid oxide fuel cells (SOFCs). Herein we designed La_0.2Sr_0.7TiO₃-Ni/YSZ functional gradient anode (FGA) supported SOFCs, prepared with a co-tape casting method and sintered using the field assisted sintering technique (FAST). Through SEM observations, it was confirmed that the FGA structure was achieved and well maintained after the FAST process. Distortion and delamination which usually results after conventional sintering was successfully avoided. The La_0.2Sr_0.7TiO₃-Ni/YSZ FGA supported SOFCs showed a maximum power density of 600mWcm^-2 at 750°C, and was stable for 70h in CH₄. No carbon deposition was detected using Raman spectroscopy. These results confirm the potential coke resistance of La_0.2Sr_0.7TiO₃-Ni/YSZ FGA supported SOFCs.

Carbon and nitrogen uptake of calcareous benthic foraminifera along a depth-related oxygen gradient in the OMZ of the Arabian Sea

Foraminifera are an important faunal element of the benthos in oxygen-depleted settings such as Oxygen Minimum Zones (OMZs) where they can play a relevant role in the processing of phytodetritus. We investigated the uptake of phytodetritus (labeled with 13C and 15N) by cal-careous foraminifera in the 0-1 cm sediment horizon under different oxygen concentrations within the OMZ in the eastern Arabian Sea. The in situ tracer experiments were carried out along a depth transect on the Indian margin over a period of 4 to 10 days. The uptake of phy-todetrital carbon within 4 days by all investigated species shows that phytodetritus is a rele-vant food source for foraminifera in OMZ sediments. The decrease of total carbon uptake from 540 to 1100 m suggests a higher demand for carbon by species in the low-oxygen core region of the OMZ or less food competition with macrofauna. Especially Uvigerinids showed high uptake of phytodetrital carbon at the lowest oxygenated site. Variation in the ratio of phytodetrital carbon to nitrogen between species and sites indicates that foraminiferal carbon and nitrogen use can be decoupled and different nutritional demands are found between spe-cies. Lower ratio of phytodetrital carbon and nitrogen at 540 m could hint for greater demand or storage of food-based nitrogen, ingestion or hosting of bacteria under almost anoxic condi-tions. Shifts in the foraminiferal assemblage structure (controlled by oxygen or food availabil-ity) and in the presence of other benthic organisms account for observed changes in the pro-cessing of phytodetritus in the different OMZ habitats. Foraminifera dominate the short-term processing of phytodetritus in the OMZ core but are less important in the lower OMZ bounda-ry region of the Indian margin as biological interactions and species distribution of foraminifera change with depth and oxygen levels.

Design of neuro-fuzzy models by evolutionary and gradient-based algorithms

All systems found in nature exhibit, with different degrees, a nonlinear behavior. To emulate this behavior, classical systems identification techniques use, typically, linear models, for mathematical simplicity. Models inspired by biological principles (artificial neural networks) and linguistically motivated (fuzzy systems), due to their universal approximation property, are becoming alternatives to classical mathematical models. In systems identification, the design of this type of models is an iterative process, requiring, among other steps, the need to identify the model structure, as well as the estimation of the model parameters. This thesis addresses the applicability of gradient-basis algorithms for the parameter estimation phase, and the use of evolutionary algorithms for model structure selection, for the design of neuro-fuzzy systems, i.e., models that offer the transparency property found in fuzzy systems, but use, for their design, algorithms introduced in the context of neural networks. A new methodology, based on the minimization of the integral of the error, and exploiting the parameter separability property typically found in neuro-fuzzy systems, is proposed for parameter estimation. A recent evolutionary technique (bacterial algorithms), based on the natural phenomenon of microbial evolution, is combined with genetic programming, and the resulting algorithm, bacterial programming, advocated for structure determination. Different versions of this evolutionary technique are combined with gradient-based algorithms, solving problems found in fuzzy and neuro-fuzzy design, namely incorporation of a-priori knowledge, gradient algorithms initialization and model complexity reduction.

Assemblage structure and secondary production of mesozooplankton in shallow water volcanic CO2 vents of the Azores

Dissertação de mestrado, Biologia Marinha, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Structure et dynamique des communautés multi-espèces : le rôle de l’espace

Cette thèse porte sur le rôle de l’espace dans l’organisation et dans la dynamique des communautés écologiques multi-espèces. Deux carences peuvent être identifiées dans les études théoriques actuelles portant sur la dimension spatiale des communautés écologiques : l’insuffisance de modèles multi-espèces représentant la dimension spatiale explicitement, et le manque d’attention portée aux interactions positives, tel le mutualisme, en dépit de la reconnaissance de leur ubiquité dans les systèmes écologiques. Cette thèse explore cette problématique propre à l’écologie des communautés, en utilisant une approche théorique s’inspirant de la théorie des systèmes complexes et de la mécanique statistique. Selon cette approche, les communautés d’espèces sont considérées comme des systèmes complexes dont les propriétés globales émergent des interactions locales entre les organismes qui les composent, et des interactions locales entre ces organismes et leur environnement. Le premier objectif de cette thèse est de développer un modèle de métacommunauté multi-espèces, explicitement spatial, orienté à l’échelle des individus et basé sur un réseau d’interactions interspécifiques générales comprenant à la fois des interactions d’exploitation, de compétition et de mutualisme. Dans ce modèle, les communautés locales sont formées par un processus d’assemblage des espèces à partir d’un réservoir régional. La croissance des populations est restreinte par une capacité limite et leur dynamique évolue suivant des mécanismes simples de reproduction et de dispersion des individus. Ces mécanismes sont dépendants des conditions biotiques et abiotiques des communautés locales et leur effet varie en fonction des espèces, du temps et de l’espace. Dans un deuxième temps, cette thèse a pour objectif de déterminer l’impact d’une connectivité spatiale croissante sur la dynamique spatiotemporelle et sur les propriétés structurelles et fonctionnelles de cette métacommunauté. Plus précisément, nous évaluons différentes propriétés des communautés en fonction du niveau de dispersion des espèces : i) la similarité dans la composition des communautés locales et ses patrons de corrélations spatiales; ii) la biodiversité locale et régionale, et la distribution locale de l’abondance des espèces; iii) la biomasse, la productivité et la stabilité dynamique aux échelles locale et régionale; et iv) la structure locale des interactions entre les espèces. Ces propriétés sont examinées selon deux schémas spatiaux. D’abord nous employons un environnement homogène et ensuite nous employons un environnement hétérogène où la capacité limite des communautés locales évoluent suivant un gradient. De façon générale, nos résultats révèlent que les communautés écologiques spatialement distribuées sont extrêmement sensibles aux modes et aux niveaux de dispersion des organismes. Leur dynamique spatiotemporelle et leurs propriétés structurelles et fonctionnelles peuvent subir des changements profonds sous forme de transitions significatives suivant une faible variation du niveau de dispersion. Ces changements apparaissent aussi par l’émergence de patrons spatiotemporels dans la distribution spatiale des populations qui sont typiques des transitions de phases observées généralement dans les systèmes physiques. La dynamique de la métacommunauté présente deux régimes. Dans le premier régime, correspondant aux niveaux faibles de dispersion des espèces, la dynamique d’assemblage favorise l’émergence de communautés stables, peu diverses et formées d’espèces abondantes et fortement mutualistes. La métacommunauté possède une forte diversité régionale puisque les communautés locales sont faiblement connectées et que leur composition demeure ainsi distincte. Par ailleurs dans le second régime, correspondant aux niveaux élevés de dispersion, la diversité régionale diminue au profit d’une augmentation de la diversité locale. Les communautés locales sont plus productives mais leur stabilité dynamique est réduite suite à la migration importante d’individus. Ce régime est aussi caractérisé par des assemblages incluant une plus grande diversité d’interactions interspécifiques. Ces résultats suggèrent qu’une augmentation du niveau de dispersion des organismes permet de coupler les communautés locales entre elles ce qui accroît la coexistence locale et favorise la formation de communautés écologiques plus riches et plus complexes. Finalement, notre étude suggère que le mutualisme est fondamentale à l’organisation et au maintient des communautés écologiques. Les espèces mutualistes dominent dans les habitats caractérisés par une capacité limite restreinte et servent d’ingénieurs écologiques en facilitant l’établissement de compétiteurs, prédateurs et opportunistes qui bénéficient de leur présence.

Impacts de l’intensification agricole et de la structure du paysage sur les relations tri – trophiques entre un oiseau hôte, des mouches ectoparasites et leur parasitoïdes.

L’intensification des pratiques agricoles a été identifiée comme cause majeure du déclin de la biodiversité. Plusieurs études ont documenté l’impact de la fragmentation du paysage naturel et de l’agriculture intensive sur la diversité des espèces, mais très peu ont quantifié le lien entre la structure du paysage et les interactions trophiques, ainsi que les mécanismes d’adaptation des organismes. J’ai étudié un modèle biologique à trois niveaux trophiques composé d’un oiseau hôte, l’hirondelle bicolore Tachycineta bicolor, de mouches ectoparasites du genre Protocalliphora et de guêpes parasitoïdes du genre Nasonia, au travers d’un gradient d’intensification agricole dans le sud du Québec. Le premier objectif était de déterminer l’abondance des espèces de mouches ectoparasites et de leurs guêpes parasitoïdes qui colonisent les nids d’hirondelles dans la zone d’étude. La prévalence de nids infectés par Protocalliphora spp. était de 70,8% en 2008 et 34,6% en 2009. Le pourcentage de nids comprenant des pupes de Protocalliphora parasitées par Nasonia spp. était de 85,3% en 2008 et 67,2% en 2009. Trois espèces de Protocalliphora ont été observées (P. sialia, P. bennetti et P. metallica) ainsi que deux espèces de Nasonia (N. vitripennis et N. giraulti). Il s’agit d’une première mention de P. bennetti et de N. giraulti dans la province de Québec. Mon deuxième objectif était d’évaluer l’impact de l’intensification agricole et de la structure du paysage sur les relations tri-trophiques entre les organismes à l’étude. Les résultats révèlent que les réponses à la structure du paysage de l’hirondelle, de l’ectoparasite et de l’hyperparasite dépendantent de l’échelle spatiale. L’échelle spatiale fonctionnelle à laquelle les espèces répondent le plus varie selon le paramètre du paysage modélisé. Les analyses démontrent que l’intensification des pratiques agricoles entraîne une diminution des populations d’oiseaux, d’ectoparasites et d’hyperparasites. De plus, les populations de Protocalliphora et de Nasonia sont menacées en paysage intensif puisque la dégradation du paysage associée à l’intensification des pratiques agricoles agit directement sur leurs populations et indirectement sur les populations de leurs hôtes. Mon troisième objectif était de caractériser les mécanismes comportementaux permettant aux guêpes de composer avec la variabilité de la structure du paysage et de la qualité des hôtes. Nos résultats révèlent que les femelles Nasonia ajustent la taille de leur ponte en fonction de la taille de la pupe hôte et de l’incidence d’hyperparasitisme. Le seul facteur ayant une influence déterminante sur le ratio sexuel est la proportion de paysage dédié à l’agriculture intensive. Aucune relation n’a été observée entre la structure du paysage et la taille des filles et des fils produits par les femelles Nasonia fondatrices. Ce phénomène est attribué aux comportements d’ajustement de la taille de la ponte et du ratio sexuel. En ajustant ces derniers, minimisant ainsi la compétition entre les membres de leur progéniture, les femelles fondatrices sont capables de maximiser la relation entre la disponibilité des ressources et la valeur sélective de leur progéniture. En conclusion, ce travail souligne l’importance de considérer le contexte spatial des interactions trophiques, puisqu’elles influencent la biodiversité locale et le fonctionnement de l’écosystème.

Étude structure/fonction des cotransporteurs Na+/glucose

Cette thèse porte sur l’étude de la relation entre la structure et la fonction chez les cotransporteurs Na+/glucose (SGLTs). Les SGLTs sont des protéines membranaires qui se servent du gradient électrochimique transmembranaire du Na+ afin d’accumuler leurs substrats dans la cellule. Une mise en contexte présentera d’abord un bref résumé des connaissances actuelles dans le domaine, suivi par un survol des différentes techniques expérimentales utilisées dans le cadre de mes travaux. Ces travaux peuvent être divisés en trois projets. Un premier projet a porté sur les bases structurelles de la perméation de l’eau au travers des SGLTs. En utilisant à la fois des techniques de modélisation moléculaire, mais aussi la volumétrie en voltage imposé, nous avons identifié les bases structurelles de cette perméation. Ainsi, nous avons pu identifier in silico la présence d’une voie de perméation passive à l’eau traversant le cotransporteur, pour ensuite corroborer ces résultats à l’aide de mesures faites sur le cotransporteur Na/glucose humain (hSGLT1) exprimé dans les ovocytes. Un second projet a permis d’élucider certaines caractéristiques structurelles de hSGLT1 de par l’utilisation de la dipicrylamine (DPA), un accepteur de fluorescence dont la répartition dans la membrane lipidique dépend du potentiel membranaire. L’utilisation de la DPA, conjuguée aux techniques de fluorescence en voltage imposé et de FRET (fluorescence resonance energy transfer), a permis de démontrer la position extracellulaire d’une partie de la boucle 12-13 et le fait que hSGLT1 forme des dimères dont les sous-unités sont unies par un pont disulfure. Un dernier projet a eu pour but de caractériser les courants stationnaires et pré-stationaires d’un membre de la famille des SGLTs, soit le cotransporteur Na+/myo-inositol humain hSMIT2 afin de proposer un modèle cinétique qui décrit son fonctionnement. Nous avons démontré que la phlorizine inhibe mal les courants préstationnaires suite à une dépolarisation, et la présence de courants de fuite qui varient en fonction du temps, du potentiel membranaire et des substrats. Un algorithme de recuit simulé a été mis au point afin de permettre la détermination objective de la connectivité et des différents paramètres associés à la modélisation cinétique.

Gravity Modelling of the Crustal Structure Below Bavali Shear Zone And Adjacent Major Plutons Of Northern Kerala

The primary aim of the present study is to acquire a large amount of gravity data, to prepare gravity maps and interpret the data in terms of crustal structure below the Bavali shear zone and adjacent regions of northern Kerala. The gravity modeling is basically a tool to obtain knowledge of the subsurface extension of the exposed geological units and their structural relationship with the surroundings. The study is expected to throw light on the nature of the shear zone, crustal configuration below the high-grade granulite terrain and the tectonics operating during geological times in the region. The Bavali shear is manifested in the gravity profiles by a steep gravity gradient. The gravity models indicate that the Bavali shear coincides with steep plane that separates two contrasting crustal densities extending beyond a depth of 30 km possibly down to Moho, justifying it to be a Mantle fault. It is difficult to construct a generalized model of crustal evolution in terms of its varied manifestations using only the gravity data. However, the data constrains several aspects of crustal evolution and provides insights into some of the major events.

Diurnal Structure of Monsoon Boundary Layer

The characteristics of the monsoon boundary layer are imperative to understand in the perception of the tropical regions. The southwest monsoon is associated with a strong wind in the lower troposphere near 1.5 km and is referred to as Low Level Jet stream (LLJ). The boundary layer structure associated with the LLJ during monsoon can be studied using L-band Ultra High Frequency (UHF) radar. This L-band wind profiler-commonly referred as lower atmospheric wind profiler (LAWP), was installed at NARL, Gadanki. Zonal, meridional and vertical wind components are used to understand the diurnal variation of the wind in the Atmospheric Boundary Layer (ABL) and associated features. From the analysis during non rainy days of the southwest monsoon, it is found that the LLJ has maximum strength during the early morning hours at lower level and the height increases as day progresses. The vertical wind shows the transfer of momentum from the LLJ towards the surface, indicating the sinking motion during the daytime. Vertical gradient of the wind shear shows the intensity of clear air turbulence is moderate and no severe clear air turbulence is noticed during the monsoon period