Ecosystem modelling as a tool for marine coastal management

Resumen

Ecological modeling can be a valid tool to understand, monitor and predict changes and interactions in the ecosystem dynamics. Knowledge on the social and ecological impacts on the environment have dramatically improved during the last decade thanks to the availability of new technologies. The first steps of this thesis involved the coupling of the Biogeochemical Flux Model to the uni-dimensional version of the Princeton Ocean Model (BFM-POM 1D), as well as the retrieval of available observations from various sources for the Gulf of Trieste (northern Adriatic). Observational data was analyzed and prepared for its use both as forcing functions and validation purposes. The coupled pelagic model was then validated against observations and mechanistic experiments were performed on trophic chain interactions and external forcings. Results demonstrated the model to be stable and qualitatively valid for the area, as well as to have the potential as a management support tool. Subsequently, an intermediate benthic compartment was added to BFM-POM 1D configuration. Sensitivity analysis on benthic-pelagic processes found best bottom sedimentation and diffusion parameters for the Gulf of Trieste. A mechanistic experiment involving the removal of filter feeders from the benthic system highlighted their important role in trapping pelagic organic matter and regulating benthic-pelagic fluxes in coastal areas. Finally, a multi-parameter ensemble approach was carried out with the previously tuned BFM-POM 1D. Over 5000 experiments were carried out as a whole with different parametrizations, in view of its effective use as a management tool for stakeholders. The three scenarios considered were: S1 representing a surface temperature increase, S2 representing a decrease in surface phosphate concentrations or river loading and S3 representing a combination of the two. Frequency distribution histograms revealed the uncertainties associated to BFM-POM 1D and the likely reactions of the system to such pressures. Moreover, a simple and visual communication strategy was proposed to ease the communication between scientists and stakeholders. These encouraging results prompt towards a future effective collaboration between the two in order to reciprocally support each other in decision making processes. La modelización ecológica puede ser un herramiento válido para comprender, controlar y predecir los cambios en los flujos e interacciones de la biogeoquímica marina. El conocimiento sobre los impactos sociales y ecológicos en el medio ambiente ha mejorado dramáticamente en la última década, gracias a la disponibilidad de nuevas tecnologías. Los primeros pasos de esta tesis participan el acoplamiento del Biogeochemical Flux Model a la versión uni-dimensional del Princeton Ocean Model (BFM-POM 1D) , así como la recuperación de las observaciones disponibles de diversas fuentes para el Golfo de Trieste (norte Adriático). Los datos de observación se analizaron y se prepararon para sus uso para obligar a las funciones y validar los resultados. Despues, el modelo pelágico acopiado fue validado con las observaciones, y se realizaron experimentos mecánicos para investigar las interacciones de la cadena trófica y la relaciòn con los forzamientos externos. Los resultados demostraron que el modelo es estable y cualitativamente válido para la zona, así como tener el potencial como herramienta de apoyo a la gestión. A continuación, un compartimiento bentónico intermedio se añadió a la configuración del BFM-POM 1D. Una análisi de sensibilidad en los procesos bentónicos-pelágicos encontró los mejores parámetros de sedimentación y difusión del fondo para el Golfo de Trieste. Un experimento mecanicista que implica la eliminación de los organismos filtradores del sistema bentónico, destacó su importante papel en la captura de materia orgánica pelágica y la regulación de los flujos bentónicos-pelágicos en las zonas costeras. Por último, un enfoque conjunto de multi-parametrización se llevó a cabo con el BFM-POM 1D previamente regolado. Más de 5000 experimentos se llevaron a cabo con diferentes parametrizaciones, en vista de su uso efectivo como una herramienta de gestión para las partes interesadas. Tres escenarios diferentes presiones se tuvieron en cuenta: 1) presión 0 - las condiciones actuales, 2) presión 1 - aumento de la temperatura y 3) presión 2 - la disminución de carga de fosfato del río. Histogramas de distribución de frecuencias revelaron las incertidumbres asociadas a BFM-POM 1D y las posibles reacciones del sistema a tales presiones. Ademàs, se propuso una estrategia de comunicación sencilla y visual para facilitar la comunicación entre los científicos y los grupos de interés. Estos resultados alentadores impulsan a hacer una futura colaboración efectiva entre los dos, con el fin de apoyarse recíprocamente en los procesos de toma de decisiones.