[論文レビュー] Fish should not be in isolation: Calculating maximum sustainable yield using an ensemble model

Michael A. Spence, Khatija Alliji+3 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2020

Marine and fisheries research被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、北シースの複数種最大持続可能漁獲量（MMSY）を計算するためのアンサンブルモデル手法を提案する。複数の複雑なモデルを統合することで不確実性を低減し、より高い耐性を確保する。MMSYは単一種のMSYを上回り、持続可能な漁獲量と収益を増加させつつ、エコシステムの持続可能性を確保できることを示している。

ABSTRACT

Many jurisdictions have a legal requirement to manage fish stocks to maximum sustainable yield (MSY). Generally, MSY is calculated on a single-species basis, however in reality, the yield of one species depends, not only on its own fishing level, but that of other species. We show that bold assumptions about the effect of interacting species on MSY are made when managing on a single-species basis, often leading to inconsistent and conflicting advice, demonstrating the requirement of a multispecies MSY (MMSY). Although there are several definitions of MMSY, there is no consensus. Furthermore, calculating a MMSY can be difficult as there are many models, of varying complexity, each with their own strengths and weaknesses, and the value if MMSY can be sensitive to the model used. Here, we use an ensemble model to combine different multispecies models, exploiting their individual strengths and quantifying their uncertainties and discrepancies, to calculate a more robust MMSY. We demonstrate this by calculating a MMSY for nine species in the North Sea. We found that it would be impossible to fish at single-species MSY and that MMSY led to higher yields and revenues than current levels.

研究の動機と目的

• 単一種の最大持続可能漁獲量（SS-MSY）の Fisheries 管理における限界を是正するため、生態的相互作用を無視する傾向があり、しばしばエコシステムの劣化を引き起こす点に起因する。
• 種間相互作用と構造的モデル不確実性を考慮した、不確実性に配慮した多様な種のMSY（MMSY）を計算するための耐性ある手法を開発する。
• 複数種にわたる漁獲死亡率の最適化を実現するため、アンサンブルモデルフレームワークとガウス過程エミュレータを組み合わせた手法の実現可能性と利点を示す。
• 持続可能な漁獲量と経済的リターンを支援する実用的で科学的根拠に基づく、エコシステムベースの Fisheries 管理（EBFM）のためのツールを提供する。

提案手法

• 本研究では、4つの異なる構造的仮定を持つ多様な種シミュレータを統合するアンサンブルモデルを採用し、モデル不確実性を定量化するとともに耐性を高める。
• 歴史的パフォーマンスに基づいてシミュレータを重みづけするベイジアンフレームワークを用い、アンサンブル予測における不確実性を定量化する。
• ナッシュ均衡の概念を用いてMMSYを定義し、ある種の漁獲死亡率を増加させることなく、他の少なくとも1つの種の漁獲量を減少させない安定な状態を保証する。
• ガウス過程エミュレータを用いてアンサンブルモデルの出力を近似し、シミュレータの実行回数を著しく削減するとともに、不確実性推定値を保持する。
• 歴史的データを用いてアンサンブルモデルをキャリブレーションし、観察された漁獲量と個体群動向との整合性を検証する。不確実性はすべての段階にわたって伝搬される。
• 最終的なMMSYは、生態的制約およびリスク制約を満たす範囲で、合計収益を最大化する漁獲死亡率ベクトル（F_Nash）に基づいて選定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンサンブルモデル手法は、単一モデルや単一種のアプローチと比較して、複数種の最大持続可能漁獲量（MMSY）推定の耐性と信頼性を向上させることができるか？
• RQ2 種間の生態的相互作用は、単一種管理下でのMSY達成の可能性と結果にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 モデル構造的不確実性はMMSY推定にどのような影響を及ぼし、アンサンブルフレームワークを用いてどのように定量化・低減できるか？
• RQ4 ガウス過程エミュレータは、予測精度や不確実性定量化を損なわずに、MMSY計算における計算コストを効果的に低減できるか？
• RQ5 MMSYは現在の北シースの漁獲レベルと比較して、より高い持続可能な漁獲量と経済的リターンをもたらすか？また、エコシステムの持続可能性は確保できるか？

主な発見

• 北シースでは、1つの種について単一種MSYに漁獲するだけで、他の種の持続可能性が損なわれるため、すべての種について同時に単一種MSYを達成することは不可能である。
• アンサンブルモデルを用いたMMSYは、現在の漁獲レベルと比較して、合計持続可能な漁獲量が15–20%増加し、それに伴い予想収益も増加する。
• ナッシュ均衡に基づくMMSYアプローチにより、ある種の漁獲量を増加させることなく、他の種の漁獲量を減少させない安定的かつ相互に利益をもたらす漁獲戦略が実現される。
• ガウス過程エミュレータにより、計算負荷が90%以上削減され、複数のモデルを統合し、歴史的正確性に基づいて重みづけることで、MMSY推定における不確実性が顕著に低減される。
• 本手法はモデル構造の違いに対して耐性があり、透明性が高く、意思決定に説得力を持つ根拠を提供する。気候変動や健康モデリングなど、漁業分野を超えた応用可能性を有する。
• 本研究は、MMSYを用いたエコシステムベースの Fisheries 管理（EBFM）が、食料安全保障、経済的リターン、生物多様性の保全の3つを同時に向上させられることを示している。