Dealing with uncertainty in ecosystem models along three axes; resolution, forcing and projections

Abstract

With the imminent threat of climate change, there is an urgent need to understand how warmer temperatures will affect marine ecosystems. Models provide the best tools to study the future, but although great efforts have been made to understand the impacts of warming temperatures, there is still large uncertainties related to the model projections. The uncertainties can arise from structural uncertainty of the ecosystem model, uncertainties regarding climate projections, or uncertainties related to how species will respond to future climate changes. In this thesis, we therefore apply ecosystem models of varying complexity, climate models of varying resolution and climate projections under various emission scenarios to understand and quantify uncertainty. By assessing the uncertainty, we highlight consistent results that suggest higher confidence, and areas where differences in the results suggest that more research is needed. The results from this thesis are divided into three research papers.

The first paper deals with structural uncertainty regarding model complexity, as we explore the role of Northeast Atlantic cod (Gadus Morhua) in the Barents Sea food web by using a multi-model approach. We apply two ecosystem models of different complexity; the minimalistic Gompertz model and the highly complex Atlantis model, to study how capelin and polar cod respond to changing levels of cod. We highlight consistent results across the models and identify diverging results due to differences in spatial structure and number of foodweb components, and conclude that for fishery management purposes, the two models can complement each other.

The second paper deals with uncertainty regarding the resolution of climate projections used to force ecosystem models, where we apply physics (temperature, salinity, volume transport and sea ice) from a regional model (Nemo-NAA10km) and its driving global climate model (NorESM2) to the Nordic and Barents Seas Atlantis ecosystem model (NoBa). We found that few higher trophic level (TL>3) species were affected by using forcing from a global versus a regional model, and there was a general agreement in future biomass trends and distribution patterns. Yet, our results showed how a slight difference in temperature can have dramatic consequences for specific species and demonstrate that species projection uncertainty could arise from poor representation of the physical forcing, as well as due to uncertainty in the ecosystem model parameterization.

In the third and final paper, we deal with the uncertainty regarding ecosystem responses to future climate changes. We apply physics from three different climate projections (SPP1-2.6, SSP2-4.5 and SSP5-8.5) to study the impact of rising temperatures in the Nordic and Barents Seas using NoBa. To account for uncertainty in the response of phytoplankton and zooplankton to future climate change, we included variation in phyto- and zooplankton growth levels. We identify potential winners and losers in a warming climate and focus on the underlying mechanisms that drives the changes in the model, including spatial differences, thermal tolerance, and species interactions.

Through our work we have demonstrated the value of using ecosystem models of varying complexity, climate models of varying resolution and climate projections under various emission scenarios to quantify uncertainty regarding model projections. By investigating uncertainty along these three axes, we learn more about the models and the mechanisms that drives the changes and provide valuable insight for management and future ecosystem studies.

Med klimaendringer som en overhengende trussel, er det et stort og økende behov for å forstå hvordan varmere temperaturer vil påvirke marine økosystemer. Modeller er et av de viktigste verktøyene for å studere hvordan utviklingen vil bli, men selv om stor innsats har blitt lagt ned for å forstå konsekvenser av varmere temperaturer, er det fortsatt stor usikkerhet knyttet til modell-projeksjonene. Usikkerheten kan skyldes strukturell usikkerhet i økosystemmodellene, usikkerhet knyttet til klimaprognoser eller usikkerhet knyttet til hvordan ulike arter vil reagere på fremtidige klimaendringer. I denne oppgaven bruker vi derfor økosystemmodeller med varierende kompleksitet, klimamodeller med varierende oppløsning og ulike klimascenarier for å belyse denne usikkerheten. På den måten kan vi rapportere resultater som samsvarer med høyere pålitelighet, og påpeke forskjeller i resultatene som tilsier at det vil være behov for mer forskning. Resultatene fra denne avhandlingen er delt inn i tre forskningsartikler.

Den første artikkelen omhandler strukturell usikkerhet knyttet til modellkompleksitet. Ved å benytte to modeller av ulik kompleksitet (den minimalistiske Gompertz-modellen og den svært komplekse Atlantis-modellen) gransker vi rollen til nordøstatlantisk torsk (Gadus Morhua) i Barentshavet ved å studere hvordan lodde og polartorsk reagerer på endrede nivåer av torsk. Vi synliggjør samsvarende resultater på tvers av modellene og identifiserer divergerende resultater som oppstår på grunn av forskjeller i romlig struktur og antall økosystem-komponenter. Konklusjonene våre er at fiskeriforvaltningen kan dra nytte av å bruke flere modeller, og at de to modellene utfyller hverandre.

Den andre artikkelen omhandler usikkerhet rundt oppløsningen av klimamodellene, og i hvilken grad høy oppløsning av fysikken er nødvendig for å studere effekter i økosystemmodeller. Her bruker vi fysikk (temperatur, saltholdighet, volumtransport og havis) fra en regional modell (Nemo-NAA10km) og dens drivende globale klimamodell (NorESM2) i en Atlantis modell (NoBa) for de Nordiske hav og Barentshavet. Resultatene viste at få arter på høyere trofisk nivå (TL>3) ble påvirket av å bruke fysikk fra en global versus en regional modell, og at det var en generell enighet om fremtidige biomassetrender og distribusjonsmønstre. Likevel så vi hvordan selv små temperaturforskjeller kan ha dramatiske konsekvenser for enkelte arter, og hvordan slike forskjeller kan oppstå både med utgangspunkt i usikkerhet rundt fysikken, samt usikkerheter i hvordan modellen representerer artenes temperaturtoleranse.

I det tredje og siste artikkelen studerer vi usikkerheten knyttet til påvirkning av fremtidige klimaendringer på økosystemet i de Nordiske hav og i Barentshavet. Ved å anvende av tre ulike klimascenarier (SPP1-2.6, SSP2-4.5 og SSP5-8.5) studerer vi hvordan økende temperaturer vil påvirke artene i NoBa-modellen. For å ta høyde for usikkerhet i fremtidige nivåer av plante- og dyreplankton, inkluderte vi variasjon i disse gruppene. Fokus i studien ligger på de underliggende mekanismene som driver endringene i modellen, og vi identifiserer potensielle vinnere og tapere i et varmere klima.

I denne avhandlingen fremhever vi verdien av å bruke økosystemmodeller av varierende kompleksitet, klimamodeller med varierende oppløsning og ulike utslippsscenarier for å håndtere usikkerhet i modellene våre. Ved å undersøke usikkerhet langs disse tre aksene lærer vi mer om modellene og mekanismene som driver endringene, samt gir verdifull innsikt for forvaltning og fremtidige økosystemstudier.