Ecosystem modelling for the ocean decade - facing the challenge

Abstract

(English) The worlds’marine ecosystems are degrading under wide ranges of ever intensifying, diversifying and co-occurring human pressures. Ecosystem-based management (EBM) approaches have emerged as an alternative to ineffective single species and single sector management, veering away from siloed top-down approaches towards science-based, participatory processes that recognise connections across the system and seek to balance economic benefits with sustainably harvested and healthy ecosystems. To galvanize a global push towards EBM, the United Nations declaration of the Decade of Ocean Science for Sustainable Development (Ocean Decade) has given the oceanographic community a unique imperative to transform marine sciences into holistic, participatory, transparent and inclusive forms that involve and serve society. Transforming actual ocean sciences is easier said than done. Marine Ecosystem Models or MEMs are powerful mathematical tools for understanding past marine ecosystem and their dynamics under cumulative pressures, and have utility for predicting how ecosystems may continue to develop under scenarios of change. MEMs are widely used in science, and have significant utility to advice decision making and policy. However, despite decades of scientific progress, and despite an abundance of scientific recipes in the literature that can be deployed towards the aims of the Ocean Decade, the actual uptake of MEMs in management remains low.

This dissertation explores why this is, and argues that the actual uptake of MEMs in policy and society is in part hampered by a factor largely ignored by the marine sciences: technical issues, institutionalized by the current competitive and achievement-driven academic funding model. The dissertation is based on four manuscripts, which explore the specific challenges raised by the Ocean Decade, and define and implement working prototypes to demonstrate that the gap between theory and practice can be bridged.

The first challenge, enabling decision processes to use MEMs, is addressed in manuscript 1 where a MEM is integrated into a decision support tool for marine spatial planning, beyond the operational control of marine scientists. The second challenge, related to meaningfully communicating MEM output to outside audiences, is addressed in manuscript 2 where a MEM is interconnected with a 3D gaming engine to empathically visualize environmental change. The last challenge, making sure that MEM output is robust, is discussed in manuscripts 3 and 4. Of these, the first manuscript explores the reasons behind lack of systematic MEM assessments and puts forth a potential framework to overcome this 30-year old limitation. Manuscript 4 introduces a working and open-source prototype of that framework.

Overall, these studies show that relatively simple software engineering can empower the use of MEMs towards the aims of the Ocean Decade, EBM, and beyond. This dissertation underscores that scientific and technical developments must go hand in hand, but also suggests that the status quo may not change unless long-term tool development and support become academic funding priorities. Last, although the prototypes developed in this dissertation should be taken as ideas that need further maturing in future research, the ideas throughout irrevocably demonstrate that the field of marine ecosystem modelling with relatively simple means can be made operational for the Ocean Decade. If anything, this dissertation is a rallying cry to the global marine ecosystem modelling community to rethink and reshape how we build, validate, calibrate and deploy our tools, with the aim to reach and involve the audiences that need marine science advice but do not have the means to generate it.

(Català) Els ecosistemes marins del món s'estan degradant sota un ampli ventall de pressions humanes combinades que s'intensifiquen i es diversifiquen. Els enfocaments de gestió basada en ecosistemes (EBM) han sorgit com una alternativa a la gestió ineficaç, transitant des d´enfocaments sectorials de dalt a baix cap a processos participatius recolzats en la ciència que reconeixen connexions a nivell de tot el sistema i busquen equilibrar el benefici econòmic amb ecosistemes saludables i sostenibles. El Decenni de les Ciències Oceàniques per al Desenvolupament Sostenible de les Nacions Unides ha traslladat a la comunitat oceanogràfica l´imperatiu de transformar les ciències marines mitjançant enfocaments holístics, participatius, transparents i inclusius que involucrin i serveixin a la societat.

Transformar les ciències oceàniques actuals és difícil. Els models d'ecosistemes marins (MEM) són eines matemàtiques poderoses per comprendre la dinàmica passada dels ecosistemes marins i el seu canvi sota pressions acumulatives, i capaces de predir com els ecosistemes poden continuar desenvolupant-se en escenaris canviants. Els MEM s'utilitzen àmpliament en ciència i tenen una gran utilitat per assessorar polítiques i prendre decisions. No obstant això, malgrat dècades de progrés i de l'abundància de recomanacions científiques que poden implementar-se per aconseguir els objectius del Decenni dels Oceans, l'adopció real dels MEM en la gestió continua sent baixa.

Aquesta tesi explora les raons d'aquesta situació i sosté que l'adopció real dels MEM en les polítiques i la societat es veu en part obstaculitzada per un factor ignorat en gran part per les ciències marines: els problemes tècnics, institucionalitzats pel model actual de finançament acadèmic competitiu i orientat a resultats. La tesi es basa en quatre manuscrits, que exploren els desafiaments específics que planteja la dècada dels oceans i defineixen i implementen prototips funcionals que mostren que es pot salvar la bretxa entre la teoria i la pràctica.

El primer desafiament, permetre que els processos de decisió utilitzin MEM, s'aborda al manuscrit 1, on un MEM s'integra en una eina de suport a la decisió per a la planificació de l'espai marí, sense necessitat de control operatiu dels científics marins. El segon desafiament, relacionat amb la comunicació significativa de la sortida del MEM a audiències externes, s'aborda al manuscrit 2, en el qual un MEM s’interconnecta amb un motor de joc 3D per mostrar visualment el canvi ambiental. El desafiament final, garantir que els resultats del MEM siguin sòlids, es discuteix en els manuscrits 3 i 4. D'aquests, el primer explora les raons de la manca d'avaluacions sistemàtiques dels MEM i proposa un marc potencial per superar aquesta limitació persistent, mentre que el segon presenta un prototip funcional de codi obert d'aquest marc.

En conjunt, aquests estudis mostren que una enginyeria de programari relativament senzilla pot potenciar l'ús de MEM per als objectius de la dècada oceànica, l’EBM i més enllà. Aquesta tesi subratlla que els avanços científics i tècnics han d'anar de bracet, però també suggereix que el l'estancament actual no pot canviar tret que el desenvolupament i el suport a llarg termini a les eines sigui una prioritat de finançament. Encara que els prototips desenvolupats en aquesta tesi han de prendre´s com a idees que necessiten madurar-se més en futures investigacions, els treballs presentats mostren amb claredat que la modelització d'ecosistemes marins amb mitjans relativament senzills pot fer-se operativa per a la Dècada dels Oceans. Finalment, aquest treball és una crida urgent a la comunitat mundial de modelització d'ecosistemes marins per repensar i remodelar com construïm, validem, calibrem i despleguem les nostres eines, amb l'objectiu d'arribar i implicar a les audiències que necessitin aquest assessorament.

(Español) Los ecosistemas marinos del mundo se están degradando por efecto de una amplia gama de presiones humanas combinadas que se intensifican y diversifican. Los enfoques de gestión basada en ecosistemas (EBM) han surgido como alternativa a la gestión ineficaz, transitando desde enfoques sectoriales basados en una lógica de arriba-abajo hacia procesos participativos apoyados en la ciencia que reconocen conexiones a nivel de todo el sistema y buscan equilibrar el beneficio económico con ecosistemas saludables y sostenibles. El Decenio de las Ciencias Oceánicas para el Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas ha trasladado a la comunidad oceanográfica el imperativo de transformar las ciencias marinas con enfoques holísticos, participativos, transparentes e inclusivos que involucren y sirvan a la sociedad.

Transformar las ciencias oceánicas actuales es difícil. Los modelos de ecosistemas marinos (MEM) son herramientas matemáticas poderosas para comprender la dinámica pasada de los ecosistemas marinos y su cambio bajo presiones acumulativas, y capaces de predecir cómo los ecosistemas pueden continuar desarrollándose en escenarios cambiantes. Los MEM se utilizan ampliamente en ciencia y tienen una gran utilidad para asesorar políticas y tomar decisiones. Sin embargo, a pesar de décadas de progreso y de la abundancia de recomendaciones en la literatura científica que pueden implementarse para alcanzar los objetivos del Decenio de los Océanos, la adopción real de los MEM en la gestión sigue siendo baja. Esta tesis explora las razones de esta situación y sostiene que la adopción real de los MEM en las políticas y la sociedad se ve obstaculizada en parte por un factor ignorado en gran medida por las ciencias marinas: los problemas técnicos, institucionalizados por el modelo actual de financiación académica competitiva y orientada a resultados. La tesis se basa en cuatro manuscritos que exploran los desafíos específicos que plantea la Década de los Océanos y definen e implementan prototipos funcionales que muestran que se puede cerrar la brecha entre la teoría y la práctica.

El primer desafío, permitir que los procesos de decisión utilicen MEM, se aborda en el manuscrito 1, en el que un MEM se integra en una herramienta de apoyo a la toma de decisiones para la planificación espacial marina, sin necesidad de control operativo de los científicos marinos. El segundo desafío, relacionado con la comunicación efectiva de los resultados de MEM a audiencias externas, se aborda en el manuscrito 2, en el que un MEM se interconecta con un motor de juego 3D para mostrar visualmente el cambio ambiental. El desafío final, garantizar que los resultados del MEM sean sólidos, se analiza en los manuscritos 3 y 4. De estos, el primero explora las razones de la falta de evaluaciones sistemáticas del MEM y propone un marco para superar esta limitación persistente, mientras que el segundo presenta un prototipo funcional de código abierto de este marco.

En conjunto, estos estudios muestran que una ingeniería de software relativamente sencilla puede potenciar el uso de MEM hacia los objetivos de la Década de los Océanos, la EBM y más allá. Esta tesis subraya que los avances científicos y técnicos deben ir de la mano, pero también sugiere que el statu quo puede no cambiar a menos que el apoyo a largo plazo a las herramientas sea una prioridad de financiación. Por último, aunque los prototipos desarrollados en esta tesis deben tomarse como ideas que necesitan madurarse más, los trabajos presentados muestran inequívocamente que el campo de la modelización de ecosistemas marinos con medios relativamente simples puede hacerse operativo para el Decenio de los Océanos. Finalmente, este trabajo aspira a motivar a la comunidad mundial de modelización de ecosistemas marinos para repensar cómo construimos, validamos, calibramos e implementamos nuestras herramientas, con el objetivo de llegar e involucrar a las audiencias que necesiten ese asesoramiento.