Canals Silander, Miguel F.Xu, Haibo2022-12-192022-12-192022-12-12https://hdl.handle.net/20.500.11801/2989In order to better understand the coastal circulation in Puerto Rico and the US Virgin Islands (PRVI), a high-resolution coastal modeling system using the Finite Volume Community Ocean Model (FVCOM) was implemented by Caribbean Coastal Ocean Observing System (CARICOOS). This model was composed of unstructured triangular elements horizontally to provide a more accurate geometric representation of complex coastlines with a resolution of up to 100 m toward the coasts. The model configuration was improved and used to run a hindcast simulation for 2019 (climatological year). Its boundary was forced by the operational AmSeas forecasting system. CARICOOS 2-km Weather Research and Forecasting Models (WRF) provided meteorological conditions on the surface. Fourteen tidal constituents were derived from the T tide Matlab toolbox with harmonic constants of the TPXO-7.2 module. Daily sea surface temperature and elevation observed by satellite products and hourly surface currents measured by High-Frequency Radars (HFR) along the southern and western coast of Puerto Rico were assimilated into the simulation. Its performance was evaluated statistically using various observational data from field observations. Additionally, the AmSeas model acted as a benchmark in this work, showing the improvement of FVCOM in model skill. The connectivity network of marine protected areas (MPAs) and potential settlement sites with spawning aggregations sites in PRVI were examined through simulated pathways of two fish larvae: red hind and mutton snapper. The analysis was based on an offline particle tracking model (PTM) incorporating hourly surface currents from the validated FVCOM for 2019. The virtual larvae were released in peak spawning seasons (December-February for red hind (Epinephelus guttatus) and April-June for mutton snapper (Lutjanus analis)) at recorded MPAs, then tracked for a time period determined by their own pelagic larval duration (PLD). Ontogenetic behavior after larval flexion was presented by a species-specific vertical distribution probability matrix, which was derived from the fish surveys conducted in PRVI from 2007 to 2010 and used to simulate the vertical migration of larvae for capturing the depth-varied currents. Several connectivity indices such as potential self-recruitment, successful settlement rate, and betweenness centrality were qualitatively and quantitatively analyzed. Our findings suggested that, in general, the spawning aggregations sites of red hind were well connected to the shelf of PRVI, and mutton snapper spawning aggregation areas in the southwest of St. Croix presented a unique connection to the south/southeast of Puerto Rico. A significant self-recruitment pattern was found in Hind Bank. Moreover, sensitivity analysis was conducted to explore the impact of major factors such as settlement sites, release sites, and time on larval connectivity. Our simulated results revealed that the fraction of released larvae that settled on suitable habitats were highly sensitive to those factors. The dispersal and trajectories were similar to previous connectivity studies conducted by other researchers and agreed well with the few observational studies within PRVI. The study contributed to the present understanding of the role of these fish spawning sites and their relative contribution to local vs. far-field recruitment. It could help the Caribbean Fishery Management Council (CFMC) address the evaluation of the marine protected areas as sources and determine the sinks for the eggs and larvae spawned off the US Virgin Islands (USVI).Para mejorar el entendimiento sobre la circulación costera en Puerto Rico y las Islas Vírgenes de Estados Unidos (PRVI), el Sistema de Observación Costera del Caribe (CARICOOS por sus siglas en inglés) ha implementado un modelo numérico de circulación utilizando el Finite Volume Comunity Ocean Model (FVCOM). Este modelo está compuesto por elementos triangulares no estructurados horizontalmente para generar una representación geométrica más precisa de las complejas líneas costeras con una resolución de hasta 100 m cerca de la costa. Como parte del presente estudio se ha mejorado el modelo original de CARICOOS, incluyendo mejores condiciones de borde y el uso de la técnica de asimilación de datos. Para proveer las condiciones de superficie del esfuerzo cortante generado por el viento y el intercambio de calor entre el océano y la atmósfera se utilizó el modelo de vientos WRF de CARICOOS a 2 kilómetros de resolución. Catorce componentes harmónicos de marea de aplicaron como condiciones de borde para la representar las elevaciones mareales. Se asimilaron en la simulación la temperatura y la elevación diarias de la superficie del mar observadas por productos satelitales y las corrientes superficiales horarias medidas por el radar de alta frecuencia (HFR) a lo largo de la costa sur y oeste de Puerto Rico. Su rendimiento se evaluó estadísticamente utilizando diversos datos de observaciones de campo. Además, el modelo AmSeas actuó como punto de referencia en este trabajo, mostrando la mejora de FVCOM en la habilidad del modelo. El modelo numérico arriba descrito se usó en este estudio para mejorar nuestro entendimiento de los procesos oceanográficos que dominan el transporte de huevos y larvas de peces provenientes de las áreas más reconocidas de agregación de peces en las Islas Vírgenes Estadounidenses. Las especies analizadas lo son el mero cabrilla (Epinephelus guttatus) y la sama (Lutjanus analis). Para el mero cabrilla se analizó el transporte de huevos y larvas provenientes del Hind Bank y Lang Bank, mientras que para la sama se analizó el transporte del lugar de agregación de samas al sur de St. Croix para los meses de abril a junio. El análisis se basó en un modelo de rastreo de partículas (PTM) que incorporó las corrientes de superficie del modelo FVCOM descrito previamente y validado para el año calendario 2019. Las larvas virtuales se liberaron en las temporadas de desove máximas de cada especie: de diciembre a febrero para el mero cabrilla y de abril a junio para la sama, y luego se rastrearon durante un período de tiempo determinado por sus respectivas duraciones como larvas pelágicas (PLD). El comportamiento ontogenético después de la flexión de las larvas se representó en el modelo utilizando una matriz de probabilidad de distribución vertical específica para cada especie, derivada de los estudios de peces realizados por la NOAA cerca del área de estudio de 2007 a 2010, y se utilizó para simular la migración vertical de las larvas. Se analizaron cualitativa y cuantitativamente varios índices de conectividad, como el auto reclutamiento potencial, la tasa de asentamiento exitoso y la centralidad intermedia. Nuestros resultados sugirieron que, en general, los sitios de agregación de desove del mero cabrilla están bien conectados con la plataforma insular de PR e Islas Vírgenes, y las áreas de agregación de desove de la sama en el suroeste de Santa Cruz presentan una conexión única con el sur/sureste de Puerto Rico. Adicionalmente, se encontró un patrón significativo de auto-reclutamiento en Hind Bank. Además, se llevó a cabo un análisis de sensibilidad para explorar el impacto de varios factores como los diferentes lugares de asentamiento, los lugares de liberación y el tiempo de desove en la conectividad de las larvas. Nuestros resultados simulados revelaron que la fracción de larvas asentadas liberadas en hábitats adecuados era muy sensible a estos factores. La dispersión y las trayectorias fueron similares a los estudios de conectividad anteriores realizados por otros investigadores y se ajustaron bien a los escasos estudios de observación dentro del área de estudio. El estudio contribuyó a la comprensión actual del papel de estos lugares de desove de peces y su contribución relativa al reclutamiento local frente al lejano. Esperamos que estos resultados ayuden al Consejo de Manejo Pesquera del Caribe (CFMC) con su mandato de evaluar de las zonas marinas protegidas como fuentes de larvas y a determinar los sumideros de los huevos y las larvas desovados en las Islas Vírgenes.enAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/FVCOMHigh-resolution ocean modelingMarine protected areasFish larvaeHydrodynamicsCoastal mappingCoastal ecologyHydrothermal circulation (Oceanography)Fishes - Spawning - Puerto RicoDissertation(c) 2022 Haibo Xu