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.

Estimación del descarte y captura incidental en la pesquería industrial de cerco del stock norte-centro de la anchoveta peruana (Engraulis ringens)

Este estudio presenta la validación de las observaciones que realizó el programa de observación pesquera llamado Programa Bitácoras de Pesca (PBP) durante el periodo 2005 - 2011 en el área de distribución donde operan las embarcaciones industriales de cerco dedicadas a la pesca del stock norte-centro de la anchoveta peruana (Engraulis ringens). Además, durante ese mismo periodo y área de distribución, se estimó la magnitud del descarte por exceso de captura, descarte de juveniles y la captura incidental de dicha pesquera. Se observaron 3 768 viajes de un total de 302 859, representando un porcentaje de 1.2 %. Los datos del descarte por exceso de captura, descarte de juveniles y captura incidental registrados en los viajes observados, se caracterizaron por presentar un alta proporción de ceros. Para la validación de las observaciones, se realizó un estudio de simulación basado en la metodología de Monte Carlo usando un modelo de distribución binomial negativo. Esta permite inferir sobre el nivel de cobertura óptima y conocer si la información obtenida en el programa de observación es contable. De este análisis, se concluye que los niveles de observación actual se deberían incrementar hasta tener un nivel de cobertura de al menos el 10% del total de viajes que realicen en el año las embarcaciones industriales de cerco dedicadas a la pesca del stock norte-centro de la anchoveta peruana. La estimación del descarte por exceso de captura, descarte de juveniles y captura incidental se realizó mediante tres metodologías: Bootstrap, Modelo General Lineal (GLM) y Modelo Delta. Cada metodología estimó distintas magnitudes con tendencias similares. Las magnitudes estimadas fueron comparadas usando un ANOVA Bayesiano, la cual muestra que hubo escasa evidencia que las magnitudes estimadas del descarte por exceso de captura por metodología sean diferentes, lo mismo se presentó para el caso de la captura incidental, mientras que para el descarte de juveniles mostró que hubieron diferencias sustanciales de ser diferentes. La metodología que cumplió los supuestos y explico la mayor variabilidad de las variables modeladas fue el Modelo Delta, el cual parece ser una mejor alternativa para la estimación, debido a la alta proporción de ceros en los datos. Las estimaciones promedio del descarte por exceso de captura, descarte de juveniles y captura incidental aplicando el Modelo Delta, fueron 252 580, 41 772, 44 823 toneladas respectivamente, que en conjunto representaron el 5.74% de los desembarques. Además, con la magnitud de la estimación del descarte de juveniles, se realizó un ejercicio de proyección de biomasa bajo el escenario hipotético de no mortalidad por pesca y que los individuos juveniles descartados sólo presentaron tallas de 8 y 11 cm., en la cual se obtuvo que la biomasa que no estará disponible a la pesca está entre los 52 mil y 93 mil toneladas.

Distribution and abundance of six species of fish larvae in peruvian waters and their relationship with physical and biological environment

Estudio de muestras recolectadas con el BIONESS a varias profundidades en trece estaciones.