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Metacommunity organisation, spatial extent and dispersal in aquatic systems: patterns, processes and prospects

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Topics, techniques and applications in urban and regional science in the nineties: a bibliometric analysis

The current state of regional and urban science has been much discussed and a number of studies have speculated on possible future trends in the development of the discipline. However, there has been little empirical analysis of current publication patterns in regional and urban journals. This paper studies the kinds of topics, techniques and data used in articles published in nine top international journals during the 1990s with the aim of identifying current trends in this research field

Topics, techniques and applications in urban and regional science in the nineties: a bibliometric analysis

The current state of regional and urban science has been much discussed and a number of studies have speculated on possible future trends in the development of the discipline. However, there has been little empirical analysis of current publication patterns in regional and urban journals. This paper studies the kinds of topics, techniques and data used in articles published in nine top international journals during the 1990s with the aim of identifying current trends in this research field

The influence of vegetation and building morphology on shadow patterns and mean radiant temperatures in urban areas: model development and evaluation

The solar and longwave environmental irradiance geometry (SOLWEIG) model simulates spatial variations of 3-D radiation fluxes and mean radiant temperature (T mrt) as well as shadow patterns in complex urban settings. In this paper, a new vegetation scheme is included in SOLWEIG and evaluated. The new shadow casting algorithm for complex vegetation structures makes it possible to obtain continuous images of shadow patterns and sky view factors taking both buildings and vegetation into account. For the calculation of 3-D radiation fluxes and T mrt, SOLWEIG only requires a limited number of inputs, such as global shortwave radiation, air temperature, relative humidity, geographical information (latitude, longitude and elevation) and urban geometry represented by high-resolution ground and building digital elevation models (DEM). Trees and bushes are represented by separate DEMs. The model is evaluated using 5 days of integral radiation measurements at two sites within a square surrounded by low-rise buildings and vegetation in Göteborg, Sweden (57°N). There is good agreement between modelled and observed values of T mrt, with an overall correspondence of R 2 = 0.91 (p < 0.01, RMSE = 3.1 K). A small overestimation of T mrt is found at locations shadowed by vegetation. Given this good performance a number of suggestions for future development are identified for applications which include for human comfort, building design, planning and evaluation of instrument exposure.

The integrated WRF/urban modelling system: development, evaluation, and applications to urban environmental problems

To bridge the gaps between traditional mesoscale modelling and microscale modelling, the National Center for Atmospheric Research, in collaboration with other agencies and research groups, has developed an integrated urban modelling system coupled to the weather research and forecasting (WRF) model as a community tool to address urban environmental issues. The core of this WRF/urban modelling system consists of the following: (1) three methods with different degrees of freedom to parameterize urban surface processes, ranging from a simple bulk parameterization to a sophisticated multi-layer urban canopy model with an indoor–outdoor exchange sub-model that directly interacts with the atmospheric boundary layer, (2) coupling to fine-scale computational fluid dynamic Reynolds-averaged Navier–Stokes and Large-Eddy simulation models for transport and dispersion (T&D) applications, (3) procedures to incorporate high-resolution urban land use, building morphology, and anthropogenic heating data using the National Urban Database and Access Portal Tool (NUDAPT), and (4) an urbanized high-resolution land data assimilation system. This paper provides an overview of this modelling system; addresses the daunting challenges of initializing the coupled WRF/urban model and of specifying the potentially vast number of parameters required to execute the WRF/urban model; explores the model sensitivity to these urban parameters; and evaluates the ability of WRF/urban to capture urban heat islands, complex boundary-layer structures aloft, and urban plume T&D for several major metropolitan regions. Recent applications of this modelling system illustrate its promising utility, as a regional climate-modelling tool, to investigate impacts of future urbanization on regional meteorological conditions and on air quality under future climate change scenarios. Copyright © 2010 Royal Meteorological Society

Beyond urban legends : an emerging framework of urban ecology, as illustrated by the Baltimore Ecosystem Study

The emerging discipline of urban ecology is shifting focus from ecological processes embedded within cities to integrative studies of large urban areas as biophysical-social complexes. Yet this discipline lacks a theory. Results from the Baltimore Ecosystem Study, part of the Long Term Ecological Research Network, expose new assumptions and test existing assumptions about urban ecosystems. The findings suggest a broader range of structural and functional relationships than is often assumed for urban ecological systems. We address the relationships between social status and awareness of environmental problems, and between race and environmental hazard. We present patterns of species diversity, riparian function, and stream nitrate loading. In addition, we probe the suitability of land-use models, the diversity of soils, and the potential for urban carbon sequestration. Finally, we illustrate lags between social patterns and vegetation, the biogeochemistry of lawns, ecosystem nutrient retention, and social-biophysical feedbacks. These results suggest a framework for a theory of urban ecosystems.

Multilevel processes and cultural adaptation: examples from past and present small-scale societies

The last two decades have seen a proliferation of research frameworks that emphasise the importance of understanding adaptive processes that happen at different levels. We contribute to this growing body of literature by exploring how cultural (mal)adaptive dynamics relate to multilevel social-ecological processes occurring at different scales, where the lower levels combine into new units with new organizations, functions, and emergent properties or collective behaviors. After a brief review of the concept of “cultural adaptation” from the perspective of cultural evolutionary theory, the core of the paper is constructed around the exploration of multilevel processes occurring at the temporal, spatial, social, and political scales. We do so by using insights from cultural evolutionary theory and by examining small-scale societies as case studies. In each section, we discuss the importance of the selected scale for understanding cultural adaptation and then present an example that illustrates how multilevel processes in the selected scale help explain observed patterns in the cultural adaptive process. The last section of the paper discusses the potential of modeling and computer simulation for studying multilevel processes in cultural adaptation. We conclude by highlighting how elements from cultural evolutionary theory might enrich the multilevel process discussion in resilience theory.

Local Binary Patterns in Focal-Plane Processing. Analysis and Applications

Feature extraction is the part of pattern recognition, where the sensor data is transformed into a more suitable form for the machine to interpret. The purpose of this step is also to reduce the amount of information passed to the next stages of the system, and to preserve the essential information in the view of discriminating the data into different classes. For instance, in the case of image analysis the actual image intensities are vulnerable to various environmental effects, such as lighting changes and the feature extraction can be used as means for detecting features, which are invariant to certain types of illumination changes. Finally, classification tries to make decisions based on the previously transformed data. The main focus of this thesis is on developing new methods for the embedded feature extraction based on local non-parametric image descriptors. Also, feature analysis is carried out for the selected image features. Low-level Local Binary Pattern (LBP) based features are in a main role in the analysis. In the embedded domain, the pattern recognition system must usually meet strict performance constraints, such as high speed, compact size and low power consumption. The characteristics of the final system can be seen as a trade-off between these metrics, which is largely affected by the decisions made during the implementation phase. The implementation alternatives of the LBP based feature extraction are explored in the embedded domain in the context of focal-plane vision processors. In particular, the thesis demonstrates the LBP extraction with MIPA4k massively parallel focal-plane processor IC. Also higher level processing is incorporated to this framework, by means of a framework for implementing a single chip face recognition system. Furthermore, a new method for determining optical flow based on LBPs, designed in particular to the embedded domain is presented. Inspired by some of the principles observed through the feature analysis of the Local Binary Patterns, an extension to the well known non-parametric rank transform is proposed, and its performance is evaluated in face recognition experiments with a standard dataset. Finally, an a priori model where the LBPs are seen as combinations of n-tuples is also presented

Factor models, VARMA processes and parameter instability with applications in macroeconomics

Avec les avancements de la technologie de l'information, les données temporelles économiques et financières sont de plus en plus disponibles. Par contre, si les techniques standard de l'analyse des séries temporelles sont utilisées, une grande quantité d'information est accompagnée du problème de dimensionnalité. Puisque la majorité des séries d'intérêt sont hautement corrélées, leur dimension peut être réduite en utilisant l'analyse factorielle. Cette technique est de plus en plus populaire en sciences économiques depuis les années 90. Étant donnée la disponibilité des données et des avancements computationnels, plusieurs nouvelles questions se posent. Quels sont les effets et la transmission des chocs structurels dans un environnement riche en données? Est-ce que l'information contenue dans un grand ensemble d'indicateurs économiques peut aider à mieux identifier les chocs de politique monétaire, à l'égard des problèmes rencontrés dans les applications utilisant des modèles standards? Peut-on identifier les chocs financiers et mesurer leurs effets sur l'économie réelle? Peut-on améliorer la méthode factorielle existante et y incorporer une autre technique de réduction de dimension comme l'analyse VARMA? Est-ce que cela produit de meilleures prévisions des grands agrégats macroéconomiques et aide au niveau de l'analyse par fonctions de réponse impulsionnelles? Finalement, est-ce qu'on peut appliquer l'analyse factorielle au niveau des paramètres aléatoires? Par exemple, est-ce qu'il existe seulement un petit nombre de sources de l'instabilité temporelle des coefficients dans les modèles macroéconomiques empiriques? Ma thèse, en utilisant l'analyse factorielle structurelle et la modélisation VARMA, répond à ces questions à travers cinq articles. Les deux premiers chapitres étudient les effets des chocs monétaire et financier dans un environnement riche en données. Le troisième article propose une nouvelle méthode en combinant les modèles à facteurs et VARMA. Cette approche est appliquée dans le quatrième article pour mesurer les effets des chocs de crédit au Canada. La contribution du dernier chapitre est d'imposer la structure à facteurs sur les paramètres variant dans le temps et de montrer qu'il existe un petit nombre de sources de cette instabilité. Le premier article analyse la transmission de la politique monétaire au Canada en utilisant le modèle vectoriel autorégressif augmenté par facteurs (FAVAR). Les études antérieures basées sur les modèles VAR ont trouvé plusieurs anomalies empiriques suite à un choc de la politique monétaire. Nous estimons le modèle FAVAR en utilisant un grand nombre de séries macroéconomiques mensuelles et trimestrielles. Nous trouvons que l'information contenue dans les facteurs est importante pour bien identifier la transmission de la politique monétaire et elle aide à corriger les anomalies empiriques standards. Finalement, le cadre d'analyse FAVAR permet d'obtenir les fonctions de réponse impulsionnelles pour tous les indicateurs dans l'ensemble de données, produisant ainsi l'analyse la plus complète à ce jour des effets de la politique monétaire au Canada. Motivée par la dernière crise économique, la recherche sur le rôle du secteur financier a repris de l'importance. Dans le deuxième article nous examinons les effets et la propagation des chocs de crédit sur l'économie réelle en utilisant un grand ensemble d'indicateurs économiques et financiers dans le cadre d'un modèle à facteurs structurel. Nous trouvons qu'un choc de crédit augmente immédiatement les diffusions de crédit (credit spreads), diminue la valeur des bons de Trésor et cause une récession. Ces chocs ont un effet important sur des mesures d'activité réelle, indices de prix, indicateurs avancés et financiers. Contrairement aux autres études, notre procédure d'identification du choc structurel ne requiert pas de restrictions temporelles entre facteurs financiers et macroéconomiques. De plus, elle donne une interprétation des facteurs sans restreindre l'estimation de ceux-ci. Dans le troisième article nous étudions la relation entre les représentations VARMA et factorielle des processus vectoriels stochastiques, et proposons une nouvelle classe de modèles VARMA augmentés par facteurs (FAVARMA). Notre point de départ est de constater qu'en général les séries multivariées et facteurs associés ne peuvent simultanément suivre un processus VAR d'ordre fini. Nous montrons que le processus dynamique des facteurs, extraits comme combinaison linéaire des variables observées, est en général un VARMA et non pas un VAR comme c'est supposé ailleurs dans la littérature. Deuxièmement, nous montrons que même si les facteurs suivent un VAR d'ordre fini, cela implique une représentation VARMA pour les séries observées. Alors, nous proposons le cadre d'analyse FAVARMA combinant ces deux méthodes de réduction du nombre de paramètres. Le modèle est appliqué dans deux exercices de prévision en utilisant des données américaines et canadiennes de Boivin, Giannoni et Stevanovic (2010, 2009) respectivement. Les résultats montrent que la partie VARMA aide à mieux prévoir les importants agrégats macroéconomiques relativement aux modèles standards. Finalement, nous estimons les effets de choc monétaire en utilisant les données et le schéma d'identification de Bernanke, Boivin et Eliasz (2005). Notre modèle FAVARMA(2,1) avec six facteurs donne les résultats cohérents et précis des effets et de la transmission monétaire aux États-Unis. Contrairement au modèle FAVAR employé dans l'étude ultérieure où 510 coefficients VAR devaient être estimés, nous produisons les résultats semblables avec seulement 84 paramètres du processus dynamique des facteurs. L'objectif du quatrième article est d'identifier et mesurer les effets des chocs de crédit au Canada dans un environnement riche en données et en utilisant le modèle FAVARMA structurel. Dans le cadre théorique de l'accélérateur financier développé par Bernanke, Gertler et Gilchrist (1999), nous approximons la prime de financement extérieur par les credit spreads. D'un côté, nous trouvons qu'une augmentation non-anticipée de la prime de financement extérieur aux États-Unis génère une récession significative et persistante au Canada, accompagnée d'une hausse immédiate des credit spreads et taux d'intérêt canadiens. La composante commune semble capturer les dimensions importantes des fluctuations cycliques de l'économie canadienne. L'analyse par décomposition de la variance révèle que ce choc de crédit a un effet important sur différents secteurs d'activité réelle, indices de prix, indicateurs avancés et credit spreads. De l'autre côté, une hausse inattendue de la prime canadienne de financement extérieur ne cause pas d'effet significatif au Canada. Nous montrons que les effets des chocs de crédit au Canada sont essentiellement causés par les conditions globales, approximées ici par le marché américain. Finalement, étant donnée la procédure d'identification des chocs structurels, nous trouvons des facteurs interprétables économiquement. Le comportement des agents et de l'environnement économiques peut varier à travers le temps (ex. changements de stratégies de la politique monétaire, volatilité de chocs) induisant de l'instabilité des paramètres dans les modèles en forme réduite. Les modèles à paramètres variant dans le temps (TVP) standards supposent traditionnellement les processus stochastiques indépendants pour tous les TVPs. Dans cet article nous montrons que le nombre de sources de variabilité temporelle des coefficients est probablement très petit, et nous produisons la première évidence empirique connue dans les modèles macroéconomiques empiriques. L'approche Factor-TVP, proposée dans Stevanovic (2010), est appliquée dans le cadre d'un modèle VAR standard avec coefficients aléatoires (TVP-VAR). Nous trouvons qu'un seul facteur explique la majorité de la variabilité des coefficients VAR, tandis que les paramètres de la volatilité des chocs varient d'une façon indépendante. Le facteur commun est positivement corrélé avec le taux de chômage. La même analyse est faite avec les données incluant la récente crise financière. La procédure suggère maintenant deux facteurs et le comportement des coefficients présente un changement important depuis 2007. Finalement, la méthode est appliquée à un modèle TVP-FAVAR. Nous trouvons que seulement 5 facteurs dynamiques gouvernent l'instabilité temporelle dans presque 700 coefficients.

Some Applications of Markov Additive Processes as Models in Insurance and Financial Mathematics

Cette thèse est principalement constituée de trois articles traitant des processus markoviens additifs, des processus de Lévy et d'applications en finance et en assurance. Le premier chapitre est une introduction aux processus markoviens additifs (PMA), et une présentation du problème de ruine et de notions fondamentales des mathématiques financières. Le deuxième chapitre est essentiellement l'article "Lévy Systems and the Time Value of Ruin for Markov Additive Processes" écrit en collaboration avec Manuel Morales et publié dans la revue European Actuarial Journal. Cet article étudie le problème de ruine pour un processus de risque markovien additif. Une identification de systèmes de Lévy est obtenue et utilisée pour donner une expression de l'espérance de la fonction de pénalité actualisée lorsque le PMA est un processus de Lévy avec changement de régimes. Celle-ci est une généralisation des résultats existant dans la littérature pour les processus de risque de Lévy et les processus de risque markoviens additifs avec sauts "phase-type". Le troisième chapitre contient l'article "On a Generalization of the Expected Discounted Penalty Function to Include Deficits at and Beyond Ruin" qui est soumis pour publication. Cet article présente une extension de l'espérance de la fonction de pénalité actualisée pour un processus subordinateur de risque perturbé par un mouvement brownien. Cette extension contient une série de fonctions escomptée éspérée des minima successives dus aux sauts du processus de risque après la ruine. Celle-ci a des applications importantes en gestion de risque et est utilisée pour déterminer la valeur espérée du capital d'injection actualisé. Finallement, le quatrième chapitre contient l'article "The Minimal entropy martingale measure (MEMM) for a Markov-modulated exponential Lévy model" écrit en collaboration avec Romuald Hervé Momeya et publié dans la revue Asia-Pacific Financial Market. Cet article présente de nouveaux résultats en lien avec le problème de l'incomplétude dans un marché financier où le processus de prix de l'actif risqué est décrit par un modèle exponentiel markovien additif. Ces résultats consistent à charactériser la mesure martingale satisfaisant le critère de l'entropie. Cette mesure est utilisée pour calculer le prix d'une option, ainsi que des portefeuilles de couverture dans un modèle exponentiel de Lévy avec changement de régimes.

Stochastic processes and their applications time dependent solutions for some queueing and inventory models

The objective of this thesis is to study the time dependent behaviour of some complex queueing and inventory models. It contains a detailed analysis of the basic stochastic processes underlying these models. In the theory of queues, analysis of time dependent behaviour is an area.very little developed compared to steady state theory. Tine dependence seems certainly worth studying from an application point of view but unfortunately, the analytic difficulties are considerable. Glosod form solutions are complicated even for such simple models as M/M /1. Outside M/>M/1, time dependent solutions have been found only in special cases and involve most often double transforms which provide very little insight into the behaviour of the queueing systems themselves. In inventory theory also There is not much results available giving the time dependent solution of the system size probabilities. Our emphasis is on explicit results free from all types of transforms and the method used may be of special interest to a wide variety of problems having regenerative structure.

Stochastic processes and their applications semi-markov analysis of some inventory and queuing problems

This thesis analyses certain problems in Inventories and Queues. There are many situations in real-life where we encounter models as described in this thesis. It analyses in depth various models which can be applied to production, storag¢, telephone traffic, road traffic, economics, business administration, serving of customers, operations of particle counters and others. Certain models described here is not a complete representation of the true situation in all its complexity, but a simplified version amenable to analysis. While discussing the models, we show how a dependence structure can be suitably introduced in some problems of Inventories and Queues. Continuous review, single commodity inventory systems with Markov dependence structure introduced in the demand quantities, replenishment quantities and reordering levels are considered separately. Lead time is assumed to be zero in these models. An inventory model involving random lead time is also considered (Chapter-4). Further finite capacity single server queueing systems with single/bulk arrival, single/bulk services are also discussed. In some models the server is assumed to go on vacation (Chapters 7 and 8). In chapters 5 and 6 a sort of dependence is introduced in the service pattern in some queuing models.

Probability Theory. Stochastic Processes And Their Applications Probabilistic Analysis Of Some Queueing And Inventory Models

In this thesis we attempt to make a probabilistic analysis of some physically realizable, though complex, storage and queueing models. It is essentially a mathematical study of the stochastic processes underlying these models. Our aim is to have an improved understanding of the behaviour of such models, that may widen their applicability. Different inventory systems with randon1 lead times, vacation to the server, bulk demands, varying ordering levels, etc. are considered. Also we study some finite and infinite capacity queueing systems with bulk service and vacation to the server and obtain the transient solution in certain cases. Each chapter in the thesis is provided with self introduction and some important references