[논문 리뷰] Fish should not be in isolation: Calculating maximum sustainable yield using an ensemble model

Michael A. Spence, Khatija Alliji외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 05.

Marine and fisheries research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 북해에서 다종어업 최대지속가용어획량(MMSY)을 계산하기 위해 앙상블 모델링 접근법을 제안한다. 다양한 복잡한 모델을 통합하여 불확실성을 줄이고 정확도를 높이며, MMSY가 단일종 최대지속가용어획량(SSF-MSY)을 초과함을 입증한다. 이는 생태계 지속 가능성도 확보하면서 더 높은 지속 가능한 어획량과 수익을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 어업 관리에서 단일종 최대지속가용어획량(SSF-MSY)의 한계를 해결하기 위해, 생태계 상호작용를 간과하고 생태계 파괴를 초래할 수 있는 문제를 다루기 위해.
• 종 간 상호작용과 구조적 모델 불확실성을 고려한, 불확실성 인식 기반의 다종어업 MSY(MMSY) 계산 방법을 개발하기 위해.
• 다양한 종에 걸쳐 어획 사망률을 최적화하기 위해 앙상블 모델링 프레임워크와 가우시안 프로세스 은폐모형을 조합한 것이 가능하고 유용함을 입증하기 위해.
• 생태계 기반 어업 관리(EBFM)를 위한 실용적이고 과학 기반의 도구를 제공하여 지속 가능한 어획량과 경제적 수익을 지원하기 위해.

제안 방법

• 연구는 네 가지의 서로 다른 다종어업 시뮬레이션 모델(시뮬레이터)의 예측을 통합하는 앙상블 모델을 사용하여, 모델 불확실성을 정량화하고 정확도를 향상시킨다. 각 시뮬레이터는 서로 다른 구조적 가정을 가진다.
• 과거 성능에 기반해 시뮬레이터를 가중치 부여하기 위해 베이지안 프레임워크를 사용하여 앙상블 예측의 불확실성 정량화를 가능하게 한다.
• 나시 균형 개념을 적용하여 MMSY를 정의한다. 이는 한 종의 어획 사망률을 높이기 위해서는 적어도 한 종의 어획량이 감소해야 하며, 상호 안정성을 확보한다.
• 가우시안 프로세스 은폐모형을 사용하여 앙상블 모델의 출력을 근사함으로써, 시뮬레이터 실행 횟수를 크게 줄이고 불확실성 추정치를 유지한다.
• 역사적 자료를 사용해 앙상블 모델을 校정하고, 관측된 어획량과 자원 추세와 비교하여 검증하며, 모든 단계에서 불확실성 전파를 수행한다.
• 최종 MMSY는 생태계 및 위험 제약 조건을 만족하면서 총 수익을 최대화하는 어획 사망률 벡터(F_Nash)를 기반으로 선정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 모델 또는 단일종 접근법에 비해 앙상블 모델링 접근법이 다종어업 최대지속가용어획량(MMSY) 추정의 정확도와 신뢰성 향상에 기여하는가?
• RQ2 종 간 생태적 상호작용은 단일종 어업 관리 하에서 MSY를 달성하는 데 있어 실현 가능성과 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 모델의 구조적 불확실성은 MMSY 추정에 어떤 영향을 미치며, 이를 앙상블 프레임워크를 통해 어떻게 정량화하고 줄일 수 있는가?
• RQ4 가우시안 프로세스 은폐모형은 정확도나 불확실성 정량화를 훼손하지 않으면서 MMSY 계산의 계산 비용을 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ5 MMSY는 현재 북해의 어획 수준에 비해 더 높은 지속 가능한 어획량과 경제적 수익을 제공할 수 있으며, 생태계적으로 지속 가능한가?

주요 결과

• 북해에서는 한 종의 SS-MSY 수준에서 어획을 하면 다른 종의 지속 가능성은 악화되므로, 모든 종에 대해 동시에 단일종 MSY를 달성하는 것은 불가능하다.
• 앙상블 모델을 사용한 MMSY 계산 결과, 현재 어획 수준 대비 총 지속 가능한 어획량이 15–20% 증가했으며, 이에 따라 수익 예측도 증가하였다.
• 나시 균형 기반의 MMSY 접근법은 한 종의 어획량을 증가시키기 위해서는 다른 종의 어획량을 감소시켜야 하므로, 안정적이고 상호 이득이 되는 어업 전략을 보장한다.
• 앙상블 모델은 다양한 모델을 조합하고 과거 정확도에 따라 가중치를 적용함으로써 MMSY 추정의 불확실성을 크게 줄였으며, 가우시안 프로세스 은폐모형은 계산 부담을 90% 이상 감소시켰다.
• 이 방법은 모델의 구조적 차이에 대해 강건하며, 어업 관리 결정에 투명하고 타당한 근거를 제공한다. 이는 기후 및 보건 모델링 분야에도 응용 가능성이 있다.
• 이 연구는 MMSY를 활용한 생태계 기반 어업 관리(EBFM)가 동시에 식량 안보, 경제적 수익, 생물다양성 보존을 향상시킬 수 있음을 입증한다.