A spatially explicit model for estimating risks of pesticide exposure to bird populations

Pesticides are used widely in agriculture and have the potential to affect non-target organisms, including birds. We developed an integrated modeling system to allow for spatially-explicit evaluation of potential impacts to bird populations following exposures to pesticides. Our novel methodology builds upon three existing models: the Terrestrial Investigation Model (TIM), the Markov Chain Nest Productivity Model (MCnest), and HexSim to simulate population dynamics. We parameterized the integrated modeling system using information required under the Federal Insecticide, Fungicide, and Rodenticide Act, together with species habitat and life history data available from the scientific literature as well as landcover data representing agricultural areas and species habitat. Our case study of the federally threatened California Gnatcatcher (Polioptila californica) illustrates how the integrated modeling system can estimate the population-scale consequences of pesticide applications. We simulated impacts from two insecticides applied to wheat: one causing mortality (survival stressor), and the other causing reproductive failure (reproductive stressor). We observed declines in simulated gnatcatcher abundance and changes in the species’ distribution following applications of each pesticide; however, the impacts of the two pesticides were different. Our methodology attempts to strike a balance between biological realism and model complexity and should be applicable to a wide array of species, systems, and stressors.

An Integrated Modeling System for the Evaluation of Water Resources in Coastal Agricultural Watersheds: Application in Almyros Basin, Thessaly, Greece

This study presents an integrated modeling system for the evaluation of the quantity and quality of water resources of coastal agricultural watersheds. The modeling system consists of coupled and interrelated models, including (i) a surface hydrology model (UTHBAL), (ii) a groundwater hydrology model (MODFLOW), (iii) a crop growth/nitrate leaching model (REPIC, an R-ArcGIS-based EPIC model), (iv) a groundwater contaminant transport model (MT3DMS), and (v) a groundwater seawater intrusion model (SEAWAT). The efficacy of the modeling system to simulate the quantity and quality of water resources has been applied to the Almyros basin in Thessaly, Greece. It is a coastal agricultural basin with irrigated and intensified agriculture facing serious groundwater problems, such as groundwater depletion, nitrate pollution, and seawater intrusion. Irrigation demands were estimated for the main crops cultivated in the area, based on precipitation and temperature from regional weather stations. The models have been calibrated and validated against time-series of observed crop yields, groundwater table observations, and observed concentrations of nitrates and chlorides. The results indicate that the modeling system simulates the water resources quantity and quality with increased accuracy. The proposed modeling system could be used as a tool for the simulation of water resources management and climate change scenarios.

Development of an integrated modeling system for simulating the air-ocean wave interactions

Η διδακτορική διατριβή σκοπεύει στη δημιουργία ενός νέου αμφίδρομου πλήρως συζευγμένου συστήματος ατμόσφαιρας-θαλάσσιων κυμάτων. Το σύστημα προσομοιώσεων περιλαμβάνει το ατμοσφαιρικό μοντέλο Weather Forecast Research (WRF) και το κυματικό μοντέλο Wave Model (WAM). Τα μοντέλα WRF και WAM τρέχουν παράλληλα, επικοινωνούν και ανταλλάσσουν πληροφορία μέσω του συζευκτή (coupler) OASIS Model Coupling Toolkit (OASIS3-MCT). Το σύστημα έχει διαμορφωθεί κατάλληλα προκειμένου να υποστηρίζεται η σύζευξη με το χημικό μοντέλο WRF-Chem και το υδρολογικό μοντέλο WRF-Hydro, προσφέροντας τη δυνατότητα ταυτόχρονης προσομοίωσης ατμοσφαιρικών, ωκεάνιων, χημικών και υδρολογικών διαδικασιών. Οι δυσκολίες, ο σχεδιασμός, τα στάδια υλοποίησης και τα χαρακτηριστικά του νέου συζευγμένου συστήματος προσομοιώσεων (CHAOS; Σύστημα Προσομοίωσης Χημικών-Υδρολογικών-Ατμοσφαιρικών-Θαλάσσιων κυματικών διεργασιών) περιγράφονται αναλυτικά. Ένα αξιοσημείωτο εύρημα είναι ότι τα θαλάσσια κύματα αυξάνουν την ανταλλαγή ορμής και ενθαλπίας μεταξύ ατμόσφαιρας και θάλασσας, μεταβάλλοντας τα χαρακτηριστικά της ατμοσφαιρικής ροής και τη δημιουργία των κυμάτων. Τα νέα ανεμογενή κύματα κυριαρχούν στη διαμόρφωση των ροών ορμής και ενθαλπίας στο επιφανειακό στρώμα. Η αμφίδρομη σύζευξη προσομοιώνει τους μεσογειακούς κυκλώνες πιο αβαθείς με διαφορές πίεσης (MSLP) στο κέντρο τους έως +2 hPa. Κατά τη διάρκεια του τυφώνα Sandy στον Ατλαντικό Ωκεανό οι διαφορές στην πίεση κυμαίνονται από -3 hPa έως +5 hPa. Προσομοιώνοντας με αμφίδρομη σύζευξη των μοντέλων, το ισοζύγιο της δυναμικής ενέργειας που χάνει η ατμόσφαιρα και της θερμικής ενέργειας που κερδίζει, καταλήγει σε μικρότερη στάθμη ισορροπίας και παράλληλη εξασθένηση της κυματογένεσης. Οι αλληλεπιδράσεις κατά μήκος της διεπιφάνειας αέρα-θάλασσας αντικατοπτρίζονται στην κατακόρυφη δομή της ατμόσφαιρας επηρεάζοντας τις δυναμικές και θερμοδυναμικές διεργασίες της. Διαφορές στην αναλογία μίγματος υδρατμών και στη σχετική υγρασία ανιχνεύονται έως τα 7 χλμ. Διαφορές στην ταχύτητα του ανέμου, την κατακόρυφη ταχύτητα ανύψωσης και τη θερμοκρασία ανιχνεύονται μέχρι την τροπóπαυση. Το CHAOS προσφέρει στατιστικές βελτιώσεις πάνω από τη θάλασσα έως 10% για την εκτίμηση του ανεμολογικού πεδίου και έως 24% για την εκτίμηση του σημαντικού ύψους κύματος κατά τη διάρκεια ακραίων καιρικών φαινομένων. Πάνω από τη στεριά οι στατιστικές βελτιώσεις στην εκτίμηση του ανέμου, της πίεσης (MSLP), τη θερμοκρασίας και του υετού φθάνουν το 5%. Επιπλέον, η εφαρμογή επάλληλων πλεγμάτων ολοκλήρωσης στο CHAOS βελτιώνουν τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έως 9-10%, καθώς περιγράφονται λεπτομερέστερα οι μικρότερης κλίμακας αλληλεπιδράσεις. Η προσομοίωση της θραύσης των κυμάτων λόγω ισχυρών ανέμων που συνοδεύεται από την παραγωγή θαλάσσιου σπρέι (sea spray) όπως και της επίδρασης της βροχής στα κύματα συμβάλλουν στους ορθότερους υπολογισμούς της ανταλλαγής μάζας μεταξύ ατμόσφαιρας και θάλασσας. Είναι αξιοσημείωτο ότι η προσομοίωση της επίδρασης της βροχής στα κύματα προσφέρει μέχρι και 3.6% στατιστικές βελτιώσεις κατά τη διάρκεια του τυφώνα Sandy. Συνολικά σε μια μακροπρόθεσμη επιχειρησιακή προσέγγιση (1 Δεκεμβρίου 2013 – 1 Δεκεμβρίου 2014), η αμφίδρομη σύζευξη στο CHAOS προσφέρει στατιστικές βελτιώσεις έως 3.7% στην εκτίμηση του ανεμολογικού πεδίου και έως 6.3% στην εκτίμηση του σημαντικού ύψους κύματος.