End-to-end modelling for an ecosystem approach to fisheries in the Northern Humboldt Current Ecosystem

Abstract

This work represents an original contribution to the methodology for ecosystem models' development as well as the rst attempt of an end-to-end (E2E) model of the Northern Humboldt Current Ecosystem (NHCE). The main purpose of the developed model is to build a tool for ecosystem-based management and decision making, reason why the credibility of the model is essential, and this can be assessed through confrontation to data. Additionally, the NHCE exhibits a high climatic and oceanographic variability at several scales, the major source of interannual variability being the interruption of the upwelling seasonality by the El Niño Southern Oscillation, which has direct e ects on larval survival and sh recruitment success. Fishing activity can also be highly variable, depending on the abundance and accessibility of the main shery resources. This context brings the two main methodological questions addressed in this thesis, through the development of an end-to-end model coupling the high trophic level model OSMOSE to the hydrodynamics and biogeochemical model ROMS-PISCES: i) how to calibrate ecosystem models using time series data and ii) how to incorporate the impact of the interannual variability of the environment and shing. First, this thesis highlights some issues related to the confrontation of complex ecosystem models to data and proposes a methodology for a sequential multi-phases calibration of ecosystem models. We propose two criteria to classify the parameters of a model: the model dependency and the time variability of the parameters. Then, these criteria along with the availability of approximate initial estimates are used as decision rules to determine which parameters need to be estimated, and their precedence order in the sequential calibration process. Additionally, a new Evolutionary Algorithm designed for the calibration of stochastic models (e.g Individual Based Model) and optimized for maximum likelihood estimation has been developed and applied to the calibration of the OSMOSE model to time series data. The environmental variability is explicit in the model: the ROMS-PISCES model forces the OSMOSE model and drives potential bottom-up e ects up the foodweb through plankton and sh trophic interactions, as well as through changes in the spatial distribution of sh. The latter e ect was taken into account using presence/ absence species distribution models which are traditionally assessed through a confusion matrix and the statistical metrics associated to it. However, when considering the prediction of the habitat against time, the variability in the spatial distribution of the habitat can be summarized and validated using the emerging patterns from the shape of the spatial distributions. We modeled the potential habitat of the main species of the Humboldt Current Ecosystem using several sources of information ( sheries, scienti c surveys and satellite monitoring of vessels) jointly with environmental data from remote sensing and in situ observations, from 1992 to 2008. The potential habitat was predicted over the study period with monthly resolution, and the model was validated using quantitative and qualitative information of the system using a pattern oriented approach. The nal ROMS-PISCES-OSMOSE E2E ecosystem model for the NHCE was calibrated using our evolutionary algorithm and a likelihood approach to t monthly time series data of landings, abundance indices and catch at length distributions from 1992 to 2008. To conclude, some potential applications of the model for shery management are presented and their limitations and perspectives discussed.

RESUMEN: Este trabajo representa una contribución original a la metodología para el desarrollo de modelos ecosistémicos así como el primer intento de desarrollar un modelo de extremo a extremo (E2E, end-to-end) para el Norte del Ecosistema de la Corriente de Humboldt (NECH). El principal propósito del modelo desarrollado es construir una herramienta para el manejo ecosistémico y la toma de decisiones, razón por la cual la credibilidad del modelo es esencial, y esta puede ser evaluada mediante la confrontación con datos. Adicionalmente, el NECH muestra una alta variabilidad climática y oceanográfica a diversas escalas, siendo la mayor fuente de variabilidad interanual la interrupción de la estacionalidad del afloramiento por El Nño-Oscilación Sur, que tiene efectos directos en la sobrevivencia larval y el éxito del reclutamiento de peces. La actividad pesquera también puede ser altamente variable, dependiendo de la abundancia y accesibilidad de los principales recursos pesqueros. Este contexto genera las dos principales preguntas metodológicas abordadas en esta tesis, a través del desarrollo de un modelo de extremo a extremo por el acoplamiento del modelo de nivel trófico alto OSMOSE y el modelo hidrodinámico y biogeoquímico ROMS-PISCES: i) cómo calibrar modelos ecosistémicos usando series de tiempo y ii) como incorporar el impacto de la variabilidad interanual del ambiente y la pesca. Primero, esta tesis resalta algunos problemas relacionados a la confrontació de modelos ecosistemicos complejos con datos, y propone una metodología para la calibración secuencial de modelos ecosistémicos. Proponemos dos criterios para la clasificación de parámetros de un modelo: la dependencia al modelo y la variabilidad temporal de los parámetros. Luego, estos criterio en conjunto con la disponibilidad de valores iniciales aproximados para los parámetros son usados como reglas de decisión para determinar que parámetros necesitan ser estimados y su orden de precedencia en el proceso de calibración secuencial. Adicionalmente, un nuevo algoritmo evolutivo diseñado para la calibración de modelos estocásticos (e.g. Modelos Basados en Individuos) y optimizado para la estimación por máxima verosimilitud ha sido desarrollado y aplicado a la calibración del modelo OSMOSE con datos de series temporales. La variabilidad ambiental es explícita en el modelo: ROMS-PISCES forza al modelo OSMOSE y dirige los potencial efectos bottom-up a la red trófica a través de las interacciones entre el plankton y los peces, así como a través de los cambios en la distribución espacial de los peces. Esto ultimo fue tomado en cuenta usando modelos de distribución de especies que son tradicionalmente evaluados a través de una matriz de confusión y las métricas estadísticas asociadas a esta. Sin embargo, cuando se considera la predicción del habitat en el tiempo, la variabilidad espacial de la distribución espacial puede ser resumida y validada usando los patrones emergentes de la forma de la distribución espacial. Nosotros modeladmos el habitat potencial de las principales especies del NECH usando varias fuentes de información (pesquerías, cruceros científicos y seguimiento satelital de los barcos) conjuntamente con datos ambientales de sensoramiento remoto y observaciones in situ, desde 1992 a 2008. El habitat potencial fue predicho con resolución mensual, y el modelo fue validado usando información cuantitativa y cualitativa del sistema usando un enfoque orientado a patrones. El modelo de extremo a extremo ROMS-PISCES-OSMOSE para el NECH fue calibrado usando nuestro algoritmo evolutivo y un enfoque de máxima verosimilitud para ajustar datos de series de tiempo de desembarques, índices de abundancia y capturas por longitud y edad de 1992 a 2008. Para concluir, algunas aplicaciones potenciales del modelo al manejo pesquero son presentadas y sus limitaciones y perspectivas discutidas.