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

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.

El desarrollo de un puerto pesquero modelo en el departamento de Lambayeque. Conferencia dada el día 15 de enero 1964 en el Club Lambayeque, Lima

Exposición presentada sobre el desarrollo de un puerto pesquero donde se han estudiado las condiciones y las características de la costa, conociendo sus riquezas ictiológicas de la zona por la pesca de varios cientos de años.

Experimento modelo de selectividad con red de arrastre de fondo

Presentan los resultados obtenidos del estudio de selectividad en merluza peruana (Merluccius gayi peruanus) con una red de arrastre de fondo, en el área pesquera de Paita (03° a 05° S), basado en el método de copo cubierto (POPE et al. 1975) con diferentes tamaños de malla (poliamida PA-nylon), 90, 105, 110 y 120 mm. Se observó que la diferencia entre el factor de selección calculado por los distintos análisis para la mallas 105 (106) mm y 110 (114) mm no fue significativa, razón por la cual fueron seleccionadas para aplicar los modelos matemáticos adicionales de GULLAND 1970 y BARANOV 1960, determinándose el tamaño óptimo de malla de 110 mm. El factor de selección (FS) para la malla de 90(90,8)mm fue igual a 3,41; para la malla de 105 (106) mm, igual a 3,03; para la malla de 110 (114) mm fue igual a 2,99; para la malla de 120 (122) mm, fue igual a 2,84.

El uso del modelo Csirke-Caddy para la merluza peruana (Merluccius Gayi Peruanus)

Aplica el modelo Csirke-Caddy (1983), se estudian los datos de captura de la merluza peruana (Merciluccius Gayi Peruanus) y las tasas instantáneas de mortalidad total (z) del análisis de cohortes para 12 años.

Modelo de evaluación integrada del stock norte-centro de la anchoveta peruana Engraulis ringens Jenyns

Se presenta un nuevo modelo integrado de evaluación para el stock norte-centro de la anchoveta peruana que permite reconstruir y hacer un seguimiento de la estructura de longitudes del stock desde un modelo basado en edades. El modelo fue calibrado usando estimados acústicos de biomasa y estructuras de tallas provenientes de cruceros científicos y de desembarques de la pesquería. Para la calibración se utilizó un algoritmo evolutivo con diferentes funciones de aptitud para cada variable calibrada (biomasas y capturas). Se presentan los estimados mensuales de biomasa total, biomasa desovante, reclutamiento y mortalidad por pesca obtenidos por el modelo de evaluación integrada para el periodo 1964-2008. Se encontraron tres periodos cualitativamente distintos en la dinámica de anchoveta, entre 1961-1971, 1971-1991 y 1991 al presente, que se distinguen tanto por las biomasas medias anuales como por los niveles de reclutamiento observado.

Evaluación del stock norte – centro de la anchoveta peruana (Engraulis ringens Jenyns) por un modelo estadístico estructurado por edades

Se empleó un modelo poblacional estructurado por edades para estimar la abundancia, biomasa, biomasa desovante y el reclutamiento medio del stock norte – centro de la anchoveta peruana entre los años biológicos (octubre a setiembre) 1962-63 y 2007-08. El modelo, basado en un enfoque hacia adelante, fue optimizado minimizando las diferencias de los estimados del modelo y observaciones independientes de biomasa, desembarque y estructuras por edades de los desembarques. Los resultados muestran que han existido tres regímenes de productividad de dicho stock: el primero, entre 1962-63 y 1970-71, con la abundancia, biomasa, biomasa desovante y reclutamiento medio más altos; el segundo, entre 1971- 72 y 1990-91 con los niveles poblacionales más bajos; y el tercero, entre 1991-92 y 2007-08, con niveles intermedios. Parece claro que luego del colapso de las décadas de 1970 y 1980 el stock se ha recuperado de manera significativa aunque sin alcanzar los niveles de la década de 1960. Desde el año 2001-02 la biomasa desovante se ha mantenido por encima de cinco millones de toneladas, y la mortalidad por pesca ha mostrado una tendencia decreciente. Se demostró que el presente modelo estuvo en capacidad de captar la dinámica poblacional del stock norte – centro de la anchoveta validando su utilidad en las evaluaciones y monitoreo de la población de anchoveta.

Modelo de control viable para el manejo sostenible del stock de anchoveta peruana (Engraulis ringens)

El manejo sostenible de pesquerías es todavía un problema abierto y la teoría de viabilidad ofrece una alternativa para determinar políticas de manejo de los recursos que garanticen la sostenibilidad, una vez definidas las restricciones que determinan los estados sostenibles del sistema. La dinámica poblacional de la anchoveta peruana se modeló usando un modelo estructurado por edades tipo Thomson–Bell con capturas discretas acoplado con el modelo de reclutamiento de Ricker, con pasos semestrales entre los años 1963–1984. Se definió además un conjunto deseable de estados sostenibles, asociado a los niveles del stock y capturas que satisfacen restricciones ecológicas, económicas y sociales previamente definidas. En base a esto se calculó el conjunto de los estados del stock para los que existe un sucesión de capturas que permiten mantenerlo en un estado sostenible (conjunto denominado núcleo de viabilidad) y una familia de conjuntos de capturas viables, que corresponden a todos los niveles de captura que se puedan aplicar sobre cada estado del stock de manera tal que éste se mantenga dentro del núcleo de viabilidad, es decir, permanezca en un estado sostenible. Se encontró una condición suficiente para la existencia de un núcleo de viabilidad no vacío: que la cuota social (captura mínima para mantener en funcionamiento la pesquería) sea menor a un desembarque de 915 800 t semestrales. Se comparó la serie histórica de capturas con las obtenidas a partir de la teoría de viabilidad para el periodo 1963 - 1984, encontrándose que hubo sobrepesca desde finales de 1968, lo que conllevó al colapso de la pesquería durante El Niño de 1972-1973. A partir de los resultados de viabilidad, se definieron 5 estrategias de manejo pesquero (E1–E5) para la anchoveta peruana, concluyéndose que la estrategia precautoria viable media (E5) hubiera podido evitar el colapso de la pesquería de anchoveta, manteniendo además niveles aceptables de pesca. Además, la estrategia precautoria del ICES (E2) no aseguró la sostenibilidad del stock durante los periodos El Niño. Además, se concluye que hubiera sido necesaria una veda de un año después del colapso de la pesquería para que el stock regresara al núcleo de viabilidad, posibilitando un manejo sostenible en adelante. La teoría de la viabilidad, con el núcleo de viabilidad y las capturas viables asociadas, resultaron ser herramientas útiles para el diseño de estrategias de manejo que aseguran la sostenibilidad de los recursos pesqueros.