Using self organizing maps on compositional data

Self-organizing maps (Kohonen 1997) is a type of artificial neural network developed to explore patterns in high-dimensional multivariate data. The conventional version of the algorithm involves the use of Euclidean metric in the process of adaptation of the model vectors, thus rendering in theory a whole methodology incompatible with non-Euclidean geometries. In this contribution we explore the two main aspects of the problem: 1. Whether the conventional approach using Euclidean metric can shed valid results with compositional data. 2. If a modification of the conventional approach replacing vectorial sum and scalar multiplication by the canonical operators in the simplex (i.e. perturbation and powering) can converge to an adequate solution. Preliminary tests showed that both methodologies can be used on compositional data. However, the modified version of the algorithm performs poorer than the conventional version, in particular, when the data is pathological. Moreover, the conventional ap- proach converges faster to a solution, when data is \well-behaved". Key words: Self Organizing Map; Artificial Neural networks; Compositional data

On the behaviour of some physical parameterization methods in high-resolution numerical weather prediction models

Modern-day weather forecasting is highly dependent on Numerical Weather Prediction (NWP) models as the main data source. The evolving state of the atmosphere with time can be numerically predicted by solving a set of hydrodynamic equations, if the initial state is known. However, such a modelling approach always contains approximations that by and large depend on the purpose of use and resolution of the models. Present-day NWP systems operate with horizontal model resolutions in the range from about 40 km to 10 km. Recently, the aim has been to reach operationally to scales of 1 4 km. This requires less approximations in the model equations, more complex treatment of physical processes and, furthermore, more computing power. This thesis concentrates on the physical parameterization methods used in high-resolution NWP models. The main emphasis is on the validation of the grid-size-dependent convection parameterization in the High Resolution Limited Area Model (HIRLAM) and on a comprehensive intercomparison of radiative-flux parameterizations. In addition, the problems related to wind prediction near the coastline are addressed with high-resolution meso-scale models. The grid-size-dependent convection parameterization is clearly beneficial for NWP models operating with a dense grid. Results show that the current convection scheme in HIRLAM is still applicable down to a 5.6 km grid size. However, with further improved model resolution, the tendency of the model to overestimate strong precipitation intensities increases in all the experiment runs. For the clear-sky longwave radiation parameterization, schemes used in NWP-models provide much better results in comparison with simple empirical schemes. On the other hand, for the shortwave part of the spectrum, the empirical schemes are more competitive for producing fairly accurate surface fluxes. Overall, even the complex radiation parameterization schemes used in NWP-models seem to be slightly too transparent for both long- and shortwave radiation in clear-sky conditions. For cloudy conditions, simple cloud correction functions are tested. In case of longwave radiation, the empirical cloud correction methods provide rather accurate results, whereas for shortwave radiation the benefit is only marginal. Idealised high-resolution two-dimensional meso-scale model experiments suggest that the reason for the observed formation of the afternoon low level jet (LLJ) over the Gulf of Finland is an inertial oscillation mechanism, when the large-scale flow is from the south-east or west directions. The LLJ is further enhanced by the sea-breeze circulation. A three-dimensional HIRLAM experiment, with a 7.7 km grid size, is able to generate a similar LLJ flow structure as suggested by the 2D-experiments and observations. It is also pointed out that improved model resolution does not necessary lead to better wind forecasts in the statistical sense. In nested systems, the quality of the large-scale host model is really important, especially if the inner meso-scale model domain is small.

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.

Applications of hydrodynamic and water quality models to the Sau and Boadella Reservoirs

Applicaciò d'un model de hydrodinàmica i de qualitat de l'aigua als embassaments de Sau i Boadella

Mirades turístiques a la ciutat. Anàlisi del comportament dels visitants del Barri Vell de Girona

Mirades Turístiques a la ciutat és un estudi sobre el comportament del turisme en les ciutats monumentals, a partir de l'experiència viscuda pels visitants del Barri Vell de Girona. Una recerca que ha pretès determinar, precisament, la forma com els visitants entren en contacte amb el patrimoni monumental de la ciutat medieval. A partir, d'identificar quins factors influeixen (i quins no) en el comportament dels turistes durant la seva visita, tant pel que fa referència als factors ambientals generals (la meteorologia, la congestió, la informació...) com els factors singulars de cada visitant. Per tal d'assolir aquests objectius, en hem plantejat una sèrie d'hipòtesis de treball: 1. Existeix una manera turística d'apropar-se al patrimoni que té les seves pròpies regles, les seves estructures específiques i en conseqüència la necessitat d'uns instruments de gestió particulars. 2. L'aproximació del turista al patrimoni monumental és el resultat de dues forces aparentment contradictòries. D'una banda, el turista tendeix a reproduir pautes de comportament socialment construïdes que prenen la forma d'un ritual. D'altra banda, més enllà d'aquest patró comú, cada visitant viu una experiència singular. Per tant, la relació amb el patrimoni és el resultat d'un subtil equilibri entre experiència i ritual. 3. El consum turístic del patrimoni depèn de la relació entre quatre factors. El primer, la imatge del lloc, és la projecció (sovint idealitzada) de l'espai de visita, una metàfora de la ciutat. El segon, el codi d'interpretació turístic , actua com una mena de ritual, un guió no escrit de la pràctica turística. En tercer lloc, el substrat material que són els components artístics, històrics o culturals de la destinació: la geometria del casc, les visuals, el pes de la història o el valor estètic de les peces condicionen, com és obvi, la mirada turística. Finalment, l'experiència està condicionada per la gestió (pública i privada) del turisme: informació, fluxos, interpretació... L'estudi s'ha sustentat en una metodologia inèdita basada en l'observació directa a partir del seguiment dels visitants durant els seus recorreguts. Hem observat el visitants i hem recollit la informació bàsica de la seva visita: l'itinerari, els monuments visitats, les actituds manifestades, els temps d'estada... Aquesta metodologia ha estat ja implementada en alguns estudis de públic de diversos museus. S'han recollit tres tipus de dades: dades relacionades amb els arcs (segment de carrer entre dues interseccions), dades relacionades amb els nodes (els elements d'interès) i dades relacionades amb el visitant. Les tres fonts estan unides per un identificador comú, que és el codi del turista. Això ens ha permès vincular les dades dels visitants amb el seu recorregut i la seva visita als monuments de la ciutat. Els resultats de l'estudi ens han permès identificar els factors que singularitzen l'apropament dels visitants al patrimoni i que el diferencien d'altres formes de relació o ús. És a dir, els factors que incideixen en el comportament dels visitants de Girona. Així mateix, hem pogut definir models d'itineraris amb una estructura interna molt compacta però molt diferents entre ells; que ens evidencien que, malgrat les regularitats detectades en les visites dels turistes de la ciutat, també existeixen elements diferencials en el seu comportament. Hem detectat quatre models de recorreguts urbans que hem anomenat: itinerari bàsic, comercial, complex i de les muralles, que a l'hora es poden subdividir en varies categories. Finalment, els estadístics multivariants ens han permès demostrar que la relació entre el turista i el patrimoni respon almenys a quatre formes de consum diferenciades, que hem anomenat "no turistes", "rituals", "interessats" i "erudits".

Turbulence models in the atmospheric boundary layer under convective conditions

In this work a modelization of the turbulence in the atmospheric boundary layer, under convective condition, is made. For this aim, the equations that describe the atmospheric motion are expressed through Reynolds averages and, then, they need closures. This work consists in modifying the TKE-l closure used in the BOLAM (Bologna Limited Area Model) forecast model. In particular, the single column model extracted from BOLAM is used, which is modified to obtain other three different closure schemes: a non-local term is added to the flux- gradient relations used to close the second order moments present in the evolution equation of the turbulent kinetic energy, so that the flux-gradient relations become more suitable for simulating an unstable boundary layer. Furthermore, a comparison among the results obtained from the single column model, the ones obtained from the three new schemes and the observations provided by the known case in literature ”GABLS2” is made.