Thesis (Ph.D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Meteorology and Physical Oceanography, 1981. / MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND LINDGREN. / Vita. / Bibliography: leaves 255-261. / by Neal Robert Pettigrew. / Ph.D.

Thesis. 1975. Ph.D.--Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Earth and Planetary Sciences. / Vita. / Bibliography: p.160-163. / Ph.D.

Graduation date: 2006 / Presented on 2005-12-02 / An empirical statistical model is developed that relates the non-tidal motion of the ocean surface currents off the Oregon coast to forecasts of the coastal winds. The empirical statistical model is then used to produce predictions of the surface currents that are evaluated for their agreement with measured currents. Measurements of the ocean surface currents were made at 6 km resolution using Long-Range CODAR SeaSonde high-frequency (HF) surface current mappers and wind forecasts were provided at 12 km resolution by the North American Mesoscale (NAM) model. First, the response of the surface currents to wind-forcing measured by five coastal National Data Buoy Center (NDBC) stations was evaluated using empirical orthogonal function (EOF) analysis. A significant correlation of approximately 0.8 was found between the majority of the variability in the seasonal anomalies of the low-pass filtered surface currents and the seasonal anomalies of the low-pass filtered wind stress measurements. The U and the V components of the measured surface currents were both shown to be forced by the zonal and meridional components of the wind-stress at the NDBC stations. Next, the NAM wind forecasts were tested for agreement with the measurements of the wind at the NDBC stations. Significant correlations of around 0.8 for meridional wind stress and 0.6 for zonal wind stress were found between the seasonal anomalies of the low-pass filtered wind stress measured by the NDBC stations and the seasonal anomalies of the low-pass filtered wind stress forecast by the NAM model. Given the amount of the variance in the winds captured by the NAM model and the response of the ocean surface currents to both components of the wind, bilinear regressions were formed relating the seasonal anomalies of the low-pass filtered NAM forecasts to the seasonal anomalies of the low-pass filtered surface currents. The regressions turned NAM wind forecasts into predictions of the seasonal anomalies of the low-pass filtered surface currents. Calculations of the seasonal cycle in the surface currents, added to these predicted seasonal anomalies, produced a non-tidal estimation of the surface currents that allowed a residual difference to be calculated from recent surface current measurements. The sum of the seasonal anomalies, the seasonal cycle, and the residual formed a prediction of the non-tidal surface currents. The average error in this prediction of the surface currents off the Oregon coast remained less than 4 cm/s out through 48 hours into the future.

In studies of the ocean it has become conventional to retain only the component of the Coriolis force associated with the radial component of the Earth’s rotation vector, the so-called “traditional approximation”. We investigate the role of the “non-traditional” component of the Coriolis force, corresponding to the non-radial component of the rotation vector, in transporting abyssal waters across the equator. We first derive a non-traditional generalisation of the multi-layer shallow water equations, which describe the flow of multiple superposed layers of inviscid, incompressible fluid with constant densities over prescribed topography in a rotating frame. We derive these equations both by averaging the three-dimensional governing equations over each layer, and via Hamilton’s principle. The latter derivation guarantees that conservation laws for mass, momentum, energy and potential vorticity are preserved. Within geophysically realistic parameters, including the complete Coriolis force modifies the domain of hyperbolicity of the multi-layer equations by no more than 5%. By contrast, long linear plane waves exhibit dramatic structural changes due to reconnection of the surface and internal wave modes in the long-wave limit. We use our non-traditional shallow water equations as an idealised model of an abyssal current flowing beneath a less dense upper ocean. We focus on the Antarctic Bottom Water, which crosses the equator in the western Atlantic ocean, where the bathymetry forms an almost-westward channel. Cross-equatorial flow is strongly constrained by potential vorticity conservation, which requires fluid to acquire a large relative vorticity in order to move between hemispheres. Including the complete Coriolis force accounts for the fact that fluid crossing the equator in an eastward/westward channel experiences a smaller change in angular momentum, and therefore acquires less relative vorticity. Our analytical and numerical solutions for shallow water flow over idealised channel topography show that the non-traditional component of the Coriolis force facilitates cross-equatorial flow through an almost-westward channel.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI)

<p>Effective conservation strategies for sea turtles require knowledge of animal movements and protection of biologically important habitats and life history stages. For breeding adult sea turtles, understanding both their inshore and pelagic spatial patterns is imperative to the successful protection of the species and the accurate identification of their vulnerabilities. This study provides insight into the inter-nesting, post-nesting, and foraging movements of green sea turtles (<i>Chelonia mydas</i>) that nest on Bioko Island, Equatorial Guinea, by using satellite telemetry to track green turtles (n=12) during two nesting seasons (2017-18, 2018-19), and as they migrated to foraging grounds after the nesting season. These tracks were fit with a switching state space model to characterize movements, and then analyzed in relation to environmental and anthropogenic factors. Dive depth data was also used to determine utilization patterns within the water column. The 12 tagged turtles migrated for an average of 1064 km to two distinct foraging grounds, with 10 migrating west for an average of 1115 km to the coastal waters of Ghana, and 2 migrating south for an average of 1563 km to the coastal waters of Angola. Migrating turtles used both direct, pelagic migration strategies, and biphasal, coastal strategies, which included intermittent foraging throughout migrations. Dive depths varied depending on behavior, with an average of 19.3 m during inter-nesting, 12.6 m during migration and 8.5 m during foraging. Knowledge of inter-nesting habitat use, migration patterns, and foraging ground locations will be critical for the development of marine conservation management plans in the Gulf of Guinea and aide in sea turtle conservation efforts throughout the area. Additionally, spatial and dive depth data can inform zonal fishing regulators and provide information needed for modifications to fishing practices and gear that is most likely to reduce sea turtle bycatch. These data will provide a more complete understanding of marine areas critical to sea turtle conservation and aide in sustainable economic development in the Gulf of Guinea.</p><br>

Variable ocean conditions can greatly impact lower trophic level prey assemblages in marine ecosystems, with effects propagating up to higher trophic levels. Our goal was to better understand how varying ocean conditions influence diets and niche overlap among a suite of low- to mid trophic level predators. We studied the diets of common murres (Uria aalge) over 10 contrasting years between 1998 and 2011, a period in which the Northern California Current experienced dramatic interannual variability in ocean conditions. Likewise, murre diets off Oregon varied considerably. Interannual variation in murre chick diets appears to be influenced by environmental drivers occurring before and during the breeding season, at both basin and local spatial scales. While clupeids were an important diet component throughout the study period, in some years murre diets were dominated by Pacific sand lance (Ammodytes hexapterus) and other years by osmerids (likely Allosmerus elongatus and Hypomesus pretiosus). Years in which the Pacific Decadal Oscillation and local sea surface temperatures were above average during summer months also showed elevated levels of clupeids in murre diets, while years with higher winter ichthyoplankton biomass and summer northern copepod biomass anomalies had fewer clupeids and more sand lance and smelts. Years with higher Northern Oscillation Index values during summer months also showed more smelts in the murre diets. Nesting phenology and reproductive success were correlated with diet as well, reflecting demographic consequences of environmental variability mediated through bottom-up food web dynamics. To examine niche overlap between murres and other marine predators we employed collaborative fisheries research with synoptic observations of a major seabird colony to determine the diets of four predator species on the central Oregon coast during two years of contrasting El Niño (2010) vs. La Niña (2011) conditions. The greatest degree of dietary overlap was observed between Chinook salmon (Oncorhynchus tshawytscha) and common murres, with both smelts (Osmeridae) and clupeids (primarily Clupea pallasii) observed as the dominant prey types. Diets differed between El Niño and La Niña conditions for two predators, murres and black rockfish (Sebastes melanops). During La Niña, smelts decreased, while sand lance increased in common murre diets. Black rockfish had fewer larval Dungeness crabs (Cancer magister) and a greater proportion of crab species associated with the later spring transition. Chinook salmon and Pacific halibut (Hippoglossus stenolepis) diets were similar during El Niño and La Niña conditions. These findings underscore that the diets of common murres during chick rearing reflect local- and basin-scale biophysical processes in the Northern California Current, and are valuable for understanding the response of upper trophic level organisms to changing oceanographic conditions. Additionally, using multiple predators across several diverse taxa to track changes in prey communities provided a way to detect seemingly subtle changes in prey communities and contributes to a more comprehensive understanding of food web dynamics and ecosystem indicators. / Graduation date: 2012

Marine Inseln beherbergen einen großen Teil der biologischen Vielfalt unseres Planeten und weisen gleichzeitig einen hohen Anteil endemischer Arten auf. Inselbiota sind allerdings zudem besonders anfällig für anthropogene Einflüsse wie den globalen Klimawandel, Habitatverlust und invasive Arten. Für ihren Erhalt ist es daher wichtig, die ökologischen Prozesse auf Inseln detailliert zu verstehen. Aufgrund ihrer definierten Größe und isolierten Lage eignen sich Inseln als Modellsysteme in der ökologischen und evolutionären Forschung. Der Großteil der bisherigen Inselstudien hat sich allerdings mit kleinräumigen Mustern befasst, so dass standardisierte globale Daten zu den biogeographischen Eigenschaften und eine makroökologische Synthese ihrer Biota bislang fehlen. In dieser Arbeit stelle ich eine physische und bioklimatische Charakterisierung der Inseln der Welt vor und behandle die Frage, wie abiotische Inseleigenschaften die Diversität von Inselfloren beeinflussen. Ich bearbeite zwei Hauptaspekte dieser Fragestellung: Zuerst konzentriere ich mich auf historische und heutige Klimabedingungen und physische Inseleigenschaften als Triebfedern von Pflanzendiversitätsmustern auf Inseln. Hierbei setze ich einen Schwerpunkt auf die räumliche Anordnung von Inseln und Struktur von Archipelen. Als Zweites behandle ich taxon-spezifische Unterschiede in der Antwort von Diversitätsmustern auf abiotische Faktoren. Hierzu stelle ich eine globale Datenbank mit historischen und heutigen Klimabedingungen und physischen Eigenschaften, wie Fläche, Isolation und Geologie, von 17883 Inseln größer als 1 km² vor. Mit Hilfe von Ordinations- und Klassifikationsverfahren charakterisiere und klassifiziere ich die Inseln in einem multidimensionalen Umweltraum. Außerdem entwickele ich einen Satz von ökologisch relevanten Maßen zur Beschreibung von Isolation von Inseln und ihrer räumlichen Anordnung in Archipelen, darunter Maße zu Trittstein-Inseln, Wind- und Meeresströmungen, klimatischer Ähnlichkeit, Distanzen zwischen Inseln und umgebender Landfläche. Diese Maße berücksichtigen verschiedene Aspekte von Isolation, welche Immigration, Artbildung und Aussterben auf Inseln sowie Austausch zwischen Inseln beeinflussen. Um abiotische Bedingungen mit biotischen Eigenschaften von Inselfloren in Verbindung zu bringen, nutze ich eine für diese Arbeit erstellte Datenbank aus 1295 Insel-Artenlisten, die insgesamt ca. 45000 heimische Gefäßpflanzenarten umfassen. Dies ist der umfassendste und erste globale Datensatz für Pflanzen auf Inseln, der Artidentitäten anstatt lediglich Artenzahlen beinhaltet. Die globale Insel-Charakterisierung bestätigt quantitativ, dass sich Inseln in bioklimatischen und physischen Eigenschaften vom Festland unterscheiden. Inseln sind im Durchschnitt signifikant kühler, feuchter und weniger saisonal geprägt als das Festland. Die weiteren Ergebnisse zeigen, dass eine sorgfältige Beschreibung der räumlich-physischen Eigenschaften von Inseln und Archipelen nötig ist, um die Diversitätsmuster ihrer Biota zu verstehen. Isolation ist nach Inselfläche der zweitwichtigste Einflussfaktor für den Gefäßpflanzenartenreichtum auf Inseln. Von den verglichenen Isolationsmaßen eignet sich der Anteil an umgebender Landfläche am besten zur Erklärung der Artenzahlen. Außerdem erhöht sich durch die Berücksichtigung von Trittsteininseln, großen Inseln als Quell-Landflächen und klimatischer Ähnlichkeit der Quell-Landflächen die Vorhersagekraft der Modelle. Isolation spielt eine geringere Rolle auf großen Inseln, wo in situ Diversifizierung den negativen Effekt von Isolation auf Immigration ausgleicht. Die räumliche Struktur innerhalb von Archipelen ist von besonderer Bedeutung für β-Diversität, d.h. für den Unterschied in der Artenzusammensetzung der Inseln. Außerdem beeinflusst sie indirekt, durch den Effekt auf die β-Diversität, auch die γ-Diversität, d.h. die Diversität des gesamten Archipels. Die Ergebnisse heben die enorme Bedeutung der relativen räumlichen Position von Inseln zueinander für Diversitätsmuster auf Inseln hervor und zeigen die Notwendigkeit für Inselforschung und Naturschutz, Inseln im Kontext ihres Archipels zu betrachten. Die Ergebnisse für Farne auf südostasiatischen Inseln zeigen, dass die Bedeutung von physischen Inseleigenschaften für Diversität kontinuierlich mit der Größe der betrachteten Untersuchungsfläche von der Insel- bis zur Plotebene abnimmt, wohingegen der Einfluss von lokalen Umweltbedingungen zunimmt. Lokale Artgemeinschaften sind häufig gesättigt, wodurch die Anzahl an Arten, die aus dem regionalen Artenbestand einwandern können, limitiert wird. Um Vorhersagen über lokalen Artenreichtum zu machen, ist es daher wichtig, die Skalenabhängigkeit der Effekte des regionalen Artenbestandes zu berücksichtigen. Großgruppen von Pflanzen unterscheiden sich in ihrer Ausbreitungsfähigkeit, ihrem Genfluss, Artbildungsraten und Anpassungen an das Klima. Dementsprechend zeigen die vergleichenden Analysen zwischen taxonomischen Pflanzengruppen deutliche Unterschiede in der Reaktion von Artenreichtum und phylogenetischen Diversitätsmustern auf abiotische Faktoren. Die Arten-Fläche-Beziehung, d.h. die Zunahme von Artendiversität mit zunehmender Fläche, variiert zwischen den Pflanzengruppen. Die Steigung der Arten-Fläche-Beziehung ist für Spermatophyten größer als für Pteridophyten und Bryophyten, wohingegen der y-Achsenabschnitt kleiner ist. Unter der Annahme, dass Merkmale und klimatische Anpassungen innerhalb von taxonomischen Gruppen phylogenetisch konserviert sind, führen die Filterwirkung von Ausbreitungsbarrieren und Umwelteigenschaften sowie in situ Artbildung zu Gemeinschaften eng verwandter Arten (phylogenetic clustering). Die Ergebnisse zeigen, dass physische und bioklimatische Inseleigenschaften, die mit der Filterwirkung und Artbildung in Verbindung stehen, die phylogenetische Struktur von Inselgemeinschaften beeinflussen. Die Stärke und Richtung der Zusammenhänge variieren zwischen taxonomischen Gruppen. Abiotische Faktoren erklären mehr Variation in phylogenetischer Diversität für alle Angiospermen und Palmen als für Farne, was auf Grund höherer Ausbreitungsfähigkeit und größerer Verbreitungsgebiete von Farnen den Erwartungen entspricht. Die abiotische Charakterisierung und Klassifizierung der weltweiten Inseln und die zugehörigen Daten ermöglichen eine integrativere Berücksichtigung von Inseln in der makroökologischen Forschung. In dieser Arbeit präsentiere ich die ersten Vorhersagen globaler Pflanzenartenvielfalt auf Inseln und die ersten Analysen zu unterschiedlichen Diversitätskomponenten (α, β, γ und phylogenetische Diversität) von Inselsystemen und ihren abiotischen Einflussfaktoren auf globalem Maßstab. Ich zeige, dass Zusammenhänge zwischen Umweltfaktoren und Artenzahl sowie phylogenetischen Eigenschaften von Inselgemeinschaften zwischen unterschiedlichen taxonomischen Gruppen in Abhängigkeit ihrer vorwiegenden Ausbreitungs- und Artbildungseigenschaften variieren können. Dies ist eine neue Sichtweise in der makroökologischen Inselforschung, die Rückschlüsse auf die Mechanismen hinter Diversitätsmustern von Pflanzen auf Inseln erlaubt. Ein detailliertes Verständnis davon, wie Diversität unterschiedlicher Pflanzengruppen durch Immigration und Diversifizierung auf Inseln entsteht, dürfte auch das Verständnis globaler Diversitätsmuster im Allgemeinen verbessern.