@phdthesis{steenbeek_ecosystem_2024,

title = {Ecosystem modelling for the ocean decade - facing the challenge},

author = {Jeroen Steenbeek and Villy Christensen and Elizabeth A. Fulton and Manuel Espino Infantes},

url = {http://hdl.handle.net/2117/417801},

doi = {10.5821/dissertation-2117-417801},

year  = {2024},

date = {2024-10-01},

urldate = {2025-01-07},

school = {Universitat Polit\`{e}cnica de Catalunya},

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. 

 (Catal\`{a}) Els ecosistemes marins del m\'{o}n s'estan degradant sota un ampli ventall de pressions humanes combinades que s'intensifiquen i es diversifiquen. Els enfocaments de gesti\'{o} basada en ecosistemes (EBM) han sorgit com una alternativa a la gesti\'{o} inefica\c{c}, transitant des d´enfocaments sectorials de dalt a baix cap a processos participatius recolzats en la ci\`{e}ncia que reconeixen connexions a nivell de tot el sistema i busquen equilibrar el benefici econ\`{o}mic amb ecosistemes saludables i sostenibles. El Decenni de les Ci\`{e}ncies Oce\`{a}niques per al Desenvolupament Sostenible de les Nacions Unides ha traslladat a la comunitat oceanogr\`{a}fica l´imperatiu de transformar les ci\`{e}ncies marines mitjan\c{c}ant enfocaments hol\'{i}stics, participatius, transparents i inclusius que involucrin i serveixin a la societat. 

Transformar les ci\`{e}ncies oce\`{a}niques actuals \'{e}s dif\'{i}cil. Els models d'ecosistemes marins (MEM) s\'{o}n eines matem\`{a}tiques poderoses per comprendre la din\`{a}mica 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 \`{a}mpliament en ci\`{e}ncia i tenen una gran utilitat per assessorar pol\'{i}tiques i prendre decisions. No obstant aix\`{o}, malgrat d\`{e}cades de progr\'{e}s i de l'abund\`{a}ncia de recomanacions cient\'{i}fiques que poden implementar-se per aconseguir els objectius del Decenni dels Oceans, l'adopci\'{o} real dels MEM en la gesti\'{o} continua sent baixa. 

Aquesta tesi explora les raons d'aquesta situaci\'{o} i sost\'{e} que l'adopci\'{o} real dels MEM en les pol\'{i}tiques i la societat es veu en part obstaculitzada per un factor ignorat en gran part per les ci\`{e}ncies marines: els problemes t\`{e}cnics, institucionalitzats pel model actual de finan\c{c}ament acad\`{e}mic competitiu i orientat a resultats. La tesi es basa en quatre manuscrits, que exploren els desafiaments espec\'{i}fics que planteja la d\`{e}cada dels oceans i defineixen i implementen prototips funcionals que mostren que es pot salvar la bretxa entre la teoria i la pr\`{a}ctica. 

El primer desafiament, permetre que els processos de decisi\'{o} utilitzin MEM, s'aborda al manuscrit 1, on un MEM s'integra en una eina de suport a la decisi\'{o} per a la planificaci\'{o} de l'espai mar\'{i}, sense necessitat de control operatiu dels cient\'{i}fics marins. El segon desafiament, relacionat amb la comunicaci\'{o} significativa de la sortida del MEM a audi\`{e}ncies 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 s\`{o}lids, es discuteix en els manuscrits 3 i 4. D'aquests, el primer explora les raons de la manca d'avaluacions sistem\`{a}tiques dels MEM i proposa un marc potencial per superar aquesta limitaci\'{o} 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'\'{u}s de MEM per als objectius de la d\`{e}cada oce\`{a}nica, l’EBM i m\'{e}s enll\`{a}. Aquesta tesi subratlla que els avan\c{c}os cient\'{i}fics i t\`{e}cnics han d'anar de bracet, per\`{o} tamb\'{e} 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 finan\c{c}ament. Encara que els prototips desenvolupats en aquesta tesi han de prendre´s com a idees que necessiten madurar-se m\'{e}s en futures investigacions, els treballs presentats mostren amb claredat que la modelitzaci\'{o} d'ecosistemes marins amb mitjans relativament senzills pot fer-se operativa per a la D\`{e}cada dels Oceans. 

Finalment, aquest treball \'{e}s una crida urgent a la comunitat mundial de modelitzaci\'{o} d'ecosistemes marins per repensar i remodelar com constru\"{i}m, validem, calibrem i despleguem les nostres eines, amb l'objectiu d'arribar i implicar a les audi\`{e}ncies que necessitin aquest assessorament. 

 (Espa\~{n}ol) Los ecosistemas marinos del mundo se est\'{a}n degradando por efecto de una amplia gama de presiones humanas combinadas que se intensifican y diversifican. Los enfoques de gesti\'{o}n basada en ecosistemas (EBM) han surgido como alternativa a la gesti\'{o}n ineficaz, transitando desde enfoques sectoriales basados en una l\'{o}gica de arriba-abajo hacia procesos participativos apoyados en la ciencia que reconocen conexiones a nivel de todo el sistema y buscan equilibrar el beneficio econ\'{o}mico con ecosistemas saludables y sostenibles. El Decenio de las Ciencias Oce\'{a}nicas para el Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas ha trasladado a la comunidad oceanogr\'{a}fica el imperativo de transformar las ciencias marinas con enfoques hol\'{i}sticos, participativos, transparentes e inclusivos que involucren y sirvan a la sociedad. 

Transformar las ciencias oce\'{a}nicas actuales es dif\'{i}cil. Los modelos de ecosistemas marinos (MEM) son herramientas matem\'{a}ticas poderosas para comprender la din\'{a}mica pasada de los ecosistemas marinos y su cambio bajo presiones acumulativas, y capaces de predecir c\'{o}mo los ecosistemas pueden continuar desarroll\'{a}ndose en escenarios cambiantes. Los MEM se utilizan ampliamente en ciencia y tienen una gran utilidad para asesorar pol\'{i}ticas y tomar decisiones. Sin embargo, a pesar de d\'{e}cadas de progreso y de la abundancia de recomendaciones en la literatura cient\'{i}fica que pueden implementarse para alcanzar los objetivos del Decenio de los Oc\'{e}anos, la adopci\'{o}n real de los MEM en la gesti\'{o}n sigue siendo baja. 

Esta tesis explora las razones de esta situaci\'{o}n y sostiene que la adopci\'{o}n real de los MEM en las pol\'{i}ticas y la sociedad se ve obstaculizada en parte por un factor ignorado en gran medida por las ciencias marinas: los problemas t\'{e}cnicos, institucionalizados por el modelo actual de financiaci\'{o}n acad\'{e}mica competitiva y orientada a resultados. La tesis se basa en cuatro manuscritos que exploran los desaf\'{i}os espec\'{i}ficos que plantea la D\'{e}cada de los Oc\'{e}anos y definen e implementan prototipos funcionales que muestran que se puede cerrar la brecha entre la teor\'{i}a y la pr\'{a}ctica. 

El primer desaf\'{i}o, permitir que los procesos de decisi\'{o}n 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 planificaci\'{o}n espacial marina, sin necesidad de control operativo de los cient\'{i}ficos marinos. El segundo desaf\'{i}o, relacionado con la comunicaci\'{o}n 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 desaf\'{i}o final, garantizar que los resultados del MEM sean s\'{o}lidos, se analiza en los manuscritos 3 y 4. De estos, el primero explora las razones de la falta de evaluaciones sistem\'{a}ticas del MEM y propone un marco para superar esta limitaci\'{o}n persistente, mientras que el segundo presenta un prototipo funcional de c\'{o}digo abierto de este marco. 

En conjunto, estos estudios muestran que una ingenier\'{i}a de software relativamente sencilla puede potenciar el uso de MEM hacia los objetivos de la D\'{e}cada de los Oc\'{e}anos, la EBM y m\'{a}s all\'{a}. Esta tesis subraya que los avances cient\'{i}ficos y t\'{e}cnicos deben ir de la mano, pero tambi\'{e}n sugiere que el statu quo puede no cambiar a menos que el apoyo a largo plazo a las herramientas sea una prioridad de financiaci\'{o}n. Por \'{u}ltimo, aunque los prototipos desarrollados en esta tesis deben tomarse como ideas que necesitan madurarse m\'{a}s, los trabajos presentados muestran inequ\'{i}vocamente que el campo de la modelizaci\'{o}n de ecosistemas marinos con medios relativamente simples puede hacerse operativo para el Decenio de los Oc\'{e}anos. Finalmente, este trabajo aspira a motivar a la comunidad mundial de modelizaci\'{o}n de ecosistemas marinos para repensar c\'{o}mo construimos, validamos, calibramos e implementamos nuestras herramientas, con el objetivo de llegar e involucrar a las audiencias que necesiten ese asesoramiento.},

keywords = {EcoOcean, Ocean Decade, OceanViz, Software engineering, systematic model calibration, systematic skill assessments},

pubstate = {published},

tppubtype = {phdthesis}

}