Forecasting the Marine Biological Environment: Exploring the Spatial Distribution of a North Atlantic Fish Species at the Example of Blue Whiting

Abstract

This dissertation contributes towards forecasting the marine biological environment. The overall aim of this contribution is to better understand, model, and forecast changes in the spatial distribution of marine organisms, at the example of the North East Atlantic fish species blue whiting. Climate-driven distributional shifts of marine organisms pose challenges to both monitoring and management of the species. Anticipating such spatial shifts would enhance the climate-resilience of marine resource management practices and motivated this dissertation.

A central and novel aspect of this dissertation is the quantification of the relationship between blue whiting and its marine environment, which for the first time allows us to explore the potential of forecasting spatial variations of this species distribution.Using blue whiting as a case study, I illustrate how spatial variations of the potential spawning region of blue whiting are connected to oceanographic variability. Based on an extensive set of blue whiting larval observations I create statistical species distribution models. These models show an expansion of the potential spawning region over Rockall Plateau during warm and saline conditions and a contraction towards the continental shelf when conditions are colder and fresher, supporting previous studies. Going beyond, my work enables a quantification of the species-environment relationship that highlights that spawning commonly occurs within a specific range of salinity.

This quantification of the species-environment relationship enables me to translate forecasts of the physical marine environment into biological forecasts. In particular, I explore the potential of forecasting spatial variations of the suitable spawning habitat of blue whiting at inter- to multi annual timescales based on a state-of-the-art Earth System Model (ESM). I find that the ESM skilfully predicts temperature and in particular, salinity within the spatial and temporal domain relevant for spawning blue whiting, making biological forecasts feasible. Forecasts of the marine environment and the suitable spawning habitat perform particularly well in the area of Rockall-Hatton Plateau. Here, distributional changes of the suitable spawning habitat can be predicted skilfully with the ESM around a year in advance. A clear benefit of modelling and forecasting the suitable spawning habitat with the dynamic ESM lies in its dynamic consistency that enables the ESM to represent hydrodynamic processes, specifically in the bathymetrically distinct region Rockall-Hatton Plateau. By exposing these benefits, this dissertation emphasises that ESMs can be well suited for creating distributional forecasts of marine organisms in the North East Atlantic.Operational distributional forecasts of marine organisms have until now, only been delivered on seasonal timescales. Therefore, the creation of skilful inter-annual forecasts, as presented in this dissertation, marks an innovation in the field of biological forecasting. This longer management lead-time increases the capacity of biological forecast to contribute to the pro-active and dynamic management of our common marine resources.

Diese Dissertation leistet einen Beitrag zur Vorhersage der biologischen Meeresumwelt. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation besteht darin, Veränderungen in der räumlichen Verteilung von Meeresorganismen besser zu verstehen, zu modellieren und vorherzusagen, am Beispiel der nordostatlantischen Fischart Blauer Wittling. Klimabedingte Verschiebungen in der Verteilung von Meeresorganismen stellen eine Herausforderung sowohl für ihre Überwachung als auch für ihre Bewirtschaftung dar. Die Vorhersage solcher räumlichen Verschiebungen würde die Klimaresilienz der Bewirtschaftungspraktiken für Meeresressourcenverbessern und motiviert diese Dissertation.

Ein zentraler und neuartiger Aspekt dieser Dissertation ist die Quantifizierung der Beziehung zwischen dem Blauen Wittling und seiner Meeresumwelt, die es uns zum ersten Mal ermöglicht, dass Potenzial der Vorhersage räumlicher Variationen der Verbreitung dieser Art zu untersuchen. Am Beispiel des Blauen Wittling zeige ich, wie räumliche Variationen des potenziellen Laichgebiets des Blauen Wittling mit lokalen ozeanografischen Schwankungen zusammenhängen. Auf der Grundlage umfangreicher Beobachtungen der Larven des Blauen Wittling erstelle ich statistische Modelle der Artenverteilung. Diese Modelle zeigen eine Ausdehnung des potenziellen Laichgebiets über dem Rockall Plateau bei eher warmen und salzhaltigen Bedingungen und eine Kontraktion in Richtung Kontinentalschelf, wenn die Bedingungen kälter und frischer sind, was frühere Studien bestätigt. Darüber hinaus ermöglicht meine Arbeit, die Beziehung zwischen der Art und seiner Umwelt zu quantifizieren, und verdeutlicht, dass das Laichen vorzugsweise in einem bestimmten Salzgehaltbereich stattfindet.

Diese Quantifizierung der Beziehung zwischen dem Blauen Wittling und seiner Umwelt ermöglicht es mir, Vorhersagen über die physikalische Meeresumwelt in biologische Vorhersagen zu übersetzen. Insbesondere untersuche ich das Potenzial räumliche Schwankungen des geeigneten Laichhabitats des Blauen Wittling mit einem Erdsystemmodel (ESM) mehrere Jahre im Voraus vorherzusagen. Ich stelle fest, dass das ESM die Temperatur und insbesondere den Salzgehalt in dem für den laichenden Blauen Wittling relevanten räumlichen und zeitlichen Bereich gut vorhersagen kann, so dass biologische Vorhersagen möglich sind. Die Vorhersage des Meeresklimas und des geeigneten Laichhabitats funktioniert besonders gut im Bereich des Rockall-Hatton Plateaus. Hier können mit dem ESM Verteilungsänderungen des geeigneten Laichhabitats etwa ein Jahr im Voraus zuverlässigvorhergesagt werden. Ein klarer Vorteil der Modellierung und Vorhersage des geeigneten Laichhabitats mit dem dynamischen ESM liegt in dessen dynamischer Natur, die es befähigt hydrodynamische Prozesse abzubilden, insbesondere in der bathymetrisch ausgeprägten Region Rockall-Hatton Plateau. Durch die Entdeckung dieser Vorteile unterstreicht die vorliegende Dissertation, dass sich ESMs gut eignen, um Vorhersagen über die Verteilung von Meeresorganismen im Nordostatlantik zu erstellen. Operative Vorhersagen über die Verteilung von Meeresorganismen wurden bisher nur auf saisonalen Zeitskalen erstellt. Daher stellt die Erstellung zuverlässiger Prognosen ein Jahr im Voraus, wie sie in dieser Dissertation vorgestellt werden, eine Innovation auf dem Gebiet der biologischen Vorhersage dar. Diese längere Vorlaufzeit verbessert die Fähigkeit biologischer Vorhersagen, zu einer proaktiven und dynamischen Bewirtschaftung unserer gemeinsamen Meeresressourcen beizutragen.