Temporal and Density-dependent Variability as Source for Uncertainty in Fish Population Dynamics

Considering the uncertainties about model parameters and structure, observations, and the resulting predictions is crucial when managing natural resources. This thesis is compiled of four research articles that deal with uncertainties and change in marine fish populations. In all the articles, the Bayesian statistical modelling framework is adopted to account for various types of uncertainty. When modelling complex systems, one must recognize that all models are only approximations of reality and are based on the limited understanding about the system at that moment and on previously observed behaviour. Even if a model explains the recent behaviour and predicts how the system will respond in the near future, there is always a possibility that the system changes thus rendering the old model useless. Approaches to respond to sudden changes in the system’s dynamics are vital for successful resource management. Fish populations' renewal ability is mainly determined by their reproductive success. Thus, it is of utmost importance to be able to understand and model the reproductive dynamics of marine fish populations. In this thesis, fish reproduction is studied using models that link together the number of new individuals entering the adult population (recruits) and the size of the reproducing component of the population (spawning stock), namely, the stock-recruitment relationship. The focus in this work is on temporal and density-dependent variability in the stock-recruitment relationship. The temporal variability is studied using Bayesian change-point detection methods applied to detecting changes in the per capita reproductive output of four Atlantic cod populations by analysing recruit-per-spawner ratios, and in the parameters of the stock-recruitment relationship of four fish species in the southern Gulf of St. Lawrence. In this work, novel Bayesian methods are utilized to improve the handling of uncertainties about the parameters, the timings of the changes, and in short term predictions. This thesis presents computational methods for analysing temporal variability in linear-Gaussian problems where analytical solutions are available, and extend the methodology to analytically intractable non-linear and non-Gaussian problems by utilizing numerical approximate solutions. Traditionally, compensatory population dynamics have been assumed in marine fish populations. The validity of the assumption of compensatory stock-recruitment relationship is examined by studying the density-dependence of nine Atlantic herring populations at low population sizes using models that better capture the uncertainty related to low-abundance dynamics and allow for depensatory dynamics caused by Allee effects. The Allee effect has been largely ignored in marine fish population models. Here methodology for detecting Allee effects is developed, and it is concluded that Allee effects might be more common than previously thought. In Bayesian models, expert elicitation is used to construct prior distributions for the model parameters. When observational data is scare or not available, informative prior distributions are crucial for conducting inference. However, experts might not be calibrated and can have significant biases in their assessments about key parameters of the models. Statistical models are developed for the use of cacalibration data to infer and to correct for experts’ biases in their assessments.Epävarmuuksien huomioiminen mallin parametreissa, rakenteessa ja havainnoissa sekä sen tuottamissa ennusteissa on tärkeää luonnonvarojen kestävän hyödyntämisen kannalta. Tämä väitöskirja koostuu neljästä tutkimusartikkelista, jotka käsittelevät epävarmuuksia ja muutosta kalapopulaatioissa. Kaikki tämän väitöskirjan artikkelit käyttävät Bayesiläistä tilastollista mallinnustapaa huomioidessaan erityyppisiä epävarmuuksia. Monimutkaisia järjestelmiä mallinnettaessa on syytä ymmärtää, että kaikki mallit ovat vain arvioita todellisuudesta ja perustuvat senhetkiseen rajalliseen ymmärrykseen järjestelmästä sekä sen aiemmin havaittuun käyttäytymiseen. Vaikka malli selittäisikin järjestelmän menneen ja ennustaisi tulevan käyttäytymisen tällä hetkellä, voi järjestelmä muuttua siten, ettei vanha malli enää pädekään. Luonnonvarojen onnistunut hallinta vaatii kykyä vastata ja sopeutua nopeasti tällaisiin muutoksiin. Kalapopulaatioiden uusiutumiskyky määräytyy suurimmilta osin sen mukaan kuinka hyvin ne onnistuvat lisääntyä. Täten on äärimmäisen tärkeää ymmärtää ja mallintaa kalapopulaatioiden lisääntymisen dynamiikka. Tässä väitöskirjassa kalojen lisääntymistä tutkitaan ns. kutukanta-rekryytti -mallien avulla, jotka kuvaavat sitä, kuinka paljon uusia yksilöitä (rekryytit) kalakantaan liittyy, kun kannan lisääntyvän komponentin (kutukanta) koko tiedetään. Tämän väitöskirjan painopiste on ajan sekä tiheysriippuvuuden aiheuttamassa vaihtelussa kutukanta-rekryytti -suhteessa. Ajan tuomaa vaihtelua tutkitaan Bayesiläisillä muutospistemalleilla neljän Atlantin turskakannan rekryytti-kutukanta suhteissa, sekä neljän St. Lawrencen lahden kalalajin kutukanta-rekryyttimallien parametreissa. Tässä työssä kehitetyt uudet Bayesiläiset menetelmät parantavat epävarmuuksien käsittelyä parametriestimaateissa, muutoksien ajankohdissa sekä lyhyen aikavälin ennusteissa. Tässä työssä esitellään laskennallisia menetelmiä ajallisen vaihtelun analysoimiseen lineaaris-Gaussisissa ongelmissa, joissa voidaan hyödyntää analyyttisiä ratkaisuja, minkä lisäksi menetelmiä laajennetaan epälineaarisiin ja ei-Gaussisiin ongelmiin hyödyntäen numeerisia ratkaisumenetelmiä. Kalapopulaatioita mallinnettaessa on perinteisesti oletettu, että kalojen dynamiikka on kompensoivaa. Tässä työssä tarkastellaan kompensoivan kutukanta-rekryytti -suhteen sopivuutta yhdeksään Atlantin silakkapopulaatioon tutkimalla tiheysriippuvuutta alhaisilla kutukannan tiheyksillä hyödyntäen malleja, jotka paremmin mallintavat alhaisen kutukannan dynamiikkaan liittyvät epävarmuudet, ja jotka mahdollistavat myös Allee-vaikutuksista syntyvän depensoivan dynamiikan. Allee-vaikutukset on jätetty pitkälti huomiotta kalakanta malleissa. Tässä työssä kehitettyä menetelmää Allee-vaikutusten havaitsemiseksi soveltaessa todetaan, että Allee-vaikutukset saattavat olla yleisempiä kuin mitä aiemmin on ajateltu. Bayesiläisissä malleissa parametrien priorijakaumia muodostetaan usein asiantuntijoiden näkemyksiä kuullen. Kun havaintoaineisto on niukka tai sitä ei ole, informatiiviset priorijakaumat ovat oleellisia päättelyn kannalta. Asiantuntijat saattavat kuitenkin olla huonosti kalibroituja ja heidän arvionsa mallin parametreista voivat olla hyvin harhaisia. Tässä työssä kehitetään menetelmä, jolla asiantuntijoiden harhat voidaan oppia kalibrointiaineistosta ja täten ottaa huomioon asiantuntijoiden näkemyksiä hyödyntäessä osana päättelyä

Allee effects and the Allee-effect zone in northwest Atlantic cod

According to the theory of compensatory dynamics, depleted populations should recover when the threat responsible for their decline is removed because per capita population growth is assumed to be highest when populations are at their smallest viable sizes. Yet, many seriously depleted fish populations have failed to recover despite threat mitigation. Atlantic cod (Gadus morhua) stocks off Newfoundland, despite 30 years of dramatically reduced fishing mortality and numerous fishery closures, have not recovered, suggesting that drivers other than fishing can regulate the growth of collapsed fish populations, inhibiting or preventing their recovery. Here, using Bayesian inference, we show strong evidence of Allee effects in a south Newfoundland cod population, based on data on recruitment and spawning stock biomass. We infer the Allee-effect threshold, below which recovery is impaired. We demonstrate the necessity of data at low population sizes to make inferences about the nature of low-abundance dynamics. Our work indicates that Allee effects are not negligible in commercially exploited fish populations, as commonly projected, and that they represent an inhibitory force that can effectively prevent recovery from overfishing. Our findings contrast with prevailing fisheries management practices that assume compensatory dynamics at low abundances with potential to seriously overestimate the recovery potential of collapsed populations.publishedVersio

General state-space population dynamics model for Bayesian stock assessment

201

Mortality in people with psychotic disorders in Finland : A population-based 13-year follow-up study

Objectives: We conducted a population based study aiming at finding predictors of mortality in psychotic disorders and evaluating the extent to which sociodemographic, lifestyle and health-related factors explain the excess mortality. Methods: In a nationally representative sample of Finns aged 30-70 years (n = 5642), psychotic disorders were diagnosed using structured interviews and medical records in 2000-2001. Information on mortality and causes of death was obtained of those who died by the end of year 2013. Cox proportional hazards models were used to investigate the mortality risk. Results: No people with affective psychoses (n = 36) died during the follow-up, thus the analysis was restricted to non-affective psychotic disorders (NAP) (n = 106). Adjusting for age and sex, NAP was statistically significantly associated with all-cause mortality (hazard ratio (HR) 2.99, 95% CI 2.03-441) and natural-cause mortality (HR 2.81, 95% CI 1.85-4.28). After adjusting for sociodemographic factors, health status, inflammation and smoking, the HR dropped to 2.11 (95%CI 1.10-4.05) for all-cause and to 1.98 (95% CI 0.94-4.16) for natural-cause mortality. Within the NAP group, antipsychotic use at baseline was associated with reduced HR for natural-cause mortality (HR 0.25, 95% CI 0.07-0.96), and smoking with increased HR (HR 3.54, 95% CI 1.07-11.69). Conclusions: The elevated mortality risk in people with NAP is only partly explained by socioeconomic factors, lifestyle, cardio-metabolic comorbidities and inflammation. Smoking cessation should be prioritized in treatment of psychotic disorders. More research is needed on the quality of treatment of somatic diseases in people with psychotic disorders. (C) 2017 Elsevier B.V. All rights reserved.Peer reviewe

Generalist invasion in a complex lake food web

Invasive species constitute a threat not only to native populations but also to the structure and functioning of entire food webs. Despite being considered as a global problem, only a small number of studies have quantitatively predicted the food web-level consequences of invasions. Here, we use an allometric trophic network model parameterized using empirical data on species body masses and feeding interactions to predict the effects of a possible invasion of Amur sleeper (Perccottus glenii), on a well-studied lake ecosystem. We show that the modeled establishment of Amur sleeper decreased the biomasses o ftop predator fishes by about 10%–19%. These reductions were largely explained by increased larval competition for food and Amur sleeper predation on fish larvae. In contrast, biomasses of less valued fish of lower trophic positions increased by about 0.4%–9% owing to reduced predation pressure by top piscivores. The predicted impact of Amur sleeper establishment on the biomasses of native fish species vastly exceeded the impacts of current-dayfishing pressures.H2020 European Research Council, Grant/Award Number: COMPLEX-FISH770884; Academy of Finland, Grant/Award Numbers: 317495, 325107,340901; Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada; Estonian Research Council, Grant/Award Numbers: PSG32, PRG1167, PRG709, MOBJD29; Estonian University of Life Sciences, Grant/Award Number: P190254PKKH; European Union's Horizon 2020 Research and Innovation Programme, Grant/Award Number: TREICLAKE 951963H2020 European Research Council, Grant/Award Number: COMPLEX-FISH770884; Academy of Finland, Grant/Award Numbers: 317495, 325107,340901; Natural Sciences and EngineeringResearch Council of Canada; EstonianResearch Council, Grant/Award Numbers: PSG32, PRG1167, PRG709, MOBJD29; Estonian University of Life Sciences, Grant/Award Number: P190254PKKH; European Union's Horizon 2020 Research and Innovation Programme, Grant/AwardNumber: TREICLAKE 95196

Proyecto de pre factibilidad para la implementación de una planta de concreto seco premezclado

El presente estudio tiene como objetivo fundamental evaluar la factibilidad de implementar una planta de concreto seco premezclado, la cual surge a partir de ofrecer una propuesta ideal e integral, ante todo práctica y sencilla, un producto alternativo a lo ya existente, está dirigido para todas aquellas personas que requieran edificar, ampliar o remodelar sus viviendas. En el capítulo inicial se efectuaron estudios en donde se determinaron los antecedentes relacionados con el proyecto así como también fundamentos teóricos importantes para el respaldo conceptual del desarrollo del proyecto. El desarrollo del estudio y análisis del mercado se determinó que existe demanda potencial con relación a la oferta existente. Además se analizó la competencia y se plantearon las estrategias de comercialización que deben realizarse para la introducción del producto. En cuanto al estudio técnico (ingeniería del proyecto), se determinó el tamaño, ubicación, infraestructura, distribución de las áreas y espacios a través de métodos como Guerchet, factores ponderados, análisis de proximidad entre aéreas, así como también procesos de generación del producto a través de los diagramas de flujo , operaciones y análisis de procesos , asimismo requerimiento de materiales , personal , entre otros. Por último la inversión que necesita el proyecto, se especifica en el capítulo estudio financiero, detallados en los estados financieros como: estado de resultados, flujo caja; éste último sirviendo de base para la evaluación financiera correspondiente; asimismo el punto de equilibrio y el análisis de sensibilidad, estudio que permite determinar si el proyecto es viable y rentable en el tiempo

Planetary well-being

Tensions between the well-being of present humans, future humans, and nonhuman nature manifest in social protests and political and academic debates over the future of Earth. The increasing consumption of natural resources no longer increases, let alone equalises, human well-being, but has led to the current ecological crisis and harms both human and nonhuman well-being. While the crisis has been acknowledged, the existing conceptual frameworks are in some respects ill-equipped to address the crisis in a way that would link the resolving of the crisis with the pivotal aim of promoting equal well-being. The shortcomings of the existing concepts in this respect relate to anthropocentric normative orientation, methodological individualism that disregards process dynamics and precludes integrating the considerations of human and nonhuman well-being, and the lack of multiscalar considerations of well-being. This work derives and proposes the concept of planetary well-being to address the aforementioned conceptual issues, to recognise the moral considerability of both human and nonhuman well-being, and to promote transdisciplinary, cross-cultural discourse for addressing the crisis and for promoting societal and cultural transformation. Conceptually, planetary well-being shifts focus on well-being from individuals to processes, Earth system and ecosystem processes, that underlie all well-being. Planetary well-being is a state where the integrity of Earth system and ecosystem processes remains unimpaired to a degree that species and populations can persist to the future and organisms have the opportunity to achieve well-being. After grounding and introducing planetary well-being, this work shortly discusses how the concept can be operationalised and reflects upon its potential as a bridging concept between different worldviews.</p

Siltamittaus

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli saada toteutettua toimiva sekä luotettava järjestelmä Tampereella Vuoreksen alueella sijaitsevan Tervassillan mittausdatan keruuta varten. Mittausdatan keruun tarkoituksena on mitata sillan kuormitusta käyttäen venymäliuska- sekä siirtymä-antureita. Datan keruu tapahtuu siihen tarkoitetulla dataloggerilla paikallisella keskusyksikölle, jossa data käsitellään haluttuun muotoon ja lähetetään mobiiliverkkoa käyttäen etäpalvelimelle. Järjestelmän automatisointiin vaadittiin omien ohjelmien kirjoittamista Powershell- sekä komentoriviympäristöjä apuna käyttäen. Tehtävänä oli suunnitella ja toteuttaa valmiiksi hankittuja laitteita käyttäen tämä datan mittaus- ja siirtojärjestelmä sekä pyrkiä tekemään siitä mahdollisimman automatisoitu. Myös etätyöpöytäyhteys keskusyksikölle täytyi mahdollistaa, mahdollisten ongelmatilanteiden etäratkaisun sekä datan keruun asetusten muuttamiseen. Järjestelmän testaus suoritettiin jokainen järjestelmän komponentti sekä ohjelmisto kerrallaan sekä lisäksi koko järjestelmä testattiin huolellisesti virheiden varalta. Lopuksi tehtiin johtopäätökset testien onnistumisesta sekä pohdittiin mittauksen erilaisia mahdollisia toteutustapoja ja omaa näkökulmaa projektin toteuttamisesta.The purpose of this thesis was to design as well as implement functional and reliable system for the collection of measurement data from Tervassilta which is located in Vuores, Tampere. The function of collecting measurement data was to measure bridge load by using strain gauge and displacement sensors. Data collection takes place in the data logger which is connected to the local computer, where data will be handled to desired format and sent to remote server using mobile network. Automation of the system required to write your own programs by using Powershell and command-line environments. The task was to engineer this data measurement and transmission system plus strive to make it as automated as possible using pre-acquired measuring devices. It was also important to make a remote desktop connection possible for the central unit in case of fixing problems as well as for changing data measurement settings. System testing was performed on each component of the system and software individually. After individual component testing whole system was thoroughly tested for errors. Finally, the conclusion of the tests success was drawn, as well as consideration about variety of possible methods and own perspective on the implementation of the project was made

Printed electronics ECAD design and simulation

Painettu elektroniikka poikkeaa paljon perinteisen elektroniikan suunnittelusta ja valmistuksesta, missä on jo olemassa paljon erilaisia standardisoituja suunnittelu ja valmistusmenetelmiä. Painetussa elektroniikassa johtimien ominaisuudet täytyy huomioida osana toimivaa kytkentää. Valmiita passiivi komponentti malleja ei ole vastuksille ja kondensaattoreille. Periaate poikkeaa monella tavalla perinteisen elektroniikan suunnittelusta ja valmistuksesta, jotka täytyy ottaa huomioon. Opinnäytetyön tavoitteena oli tutkia ja testata ECAD ja simulointi työkalujen soveltuvuutta painettuun elektroniikkaan. Suunnittelu ja simulointityökalujen evaluoinnin jälkeen suunniteltiin testipainot, joilla pyrittiin pääsemään haluttuihin lopputuloksiin johtimien, vastuksien ja kondensaattoreiden osalta. Suunnittelun osalta pyrittiin siihen, että ne ovat myös valmistettavissa valituilla valmistusmenetelmillä huomioiden suunnittelusäännöt. Testipainot toteutettiin dispenser ja silkkipainometelmillä. Johtimet tulostettiin dispenserillä, vastukset analysoitiin jo painetuista vastuksista, jotka oli tehty silkkipainomenetelmällä. Interdigital kondensaattorit tehtiin dispenserillä ja tasokonkat silkkipainotekniikalla. Tulokset analysoitiin mittaamalla ne fyysisesti sekä sähköisesti. Toteutuneita tuloksia verrattiin suunniteltuihin arvoihin ja analysoitiin eroavaisuudet. Tuloksena syntyi onnistunut suunnittelu hyödyntäen ECAD ja simulointityökaluja, jotka olivat vielä valmistettavia valituilla menetelmillä. Myöskin suunnittele säännöt ja materiaalien sähköiset ominaisuudet saatiin luotoa kirjastoon, valituille komponenteille käyttäen valittuja painotekniikoita (appendix 5, appendix 6 ja appendix 7). Kaikki tulokset eivät vastanneet suunniteltua lähtötilannetta, mutta eroavaisuuksille löydettiin järkevät ja perustellut syy