Federführendes Institut
Themenfelder

Agenten-basierte Modellierung von Ostseedorschen

Projekt

Abgemagerter Dorsch aus der östlichen Ostsee.  (c) D. Stepputtis
Abgemagerter Dorsch aus der östlichen Ostsee. (© D. Stepputtis)

Regelbasierte Mehrebenen-Modellierung der Bioenergetik und Art-Habitatinteraktionen von Dorschen der östlichen Ostsee

Trotz umfangreicher Untersuchungen in der Vergangenheit sind Wissenschaftler des ICES derzeit nicht in der Lage, die ökologischen Zusammenhänge, welche die gegenwärtigen Veränderungen im Dorschbestand der östlichen Ostsee antreiben, schlüssig zu erklären. Gleichungsbasierte Makromodelle liefern keine brauchbaren Erkenntnisse, da sie die den Veränderungen zu Grunde liegenden physiologische Prozesse der Dorsche nicht adäquat abbilden können. Ziel dieses Projektes ist deshalb die Entwicklung eines agentenbasierten Mehrebenenmodells der Bioenergetik und des Verhaltens von Dorschen sowie der Hydrographie des Bornholmbeckens und relevanter Aspekte seiner Beute. Letztlich soll hier ein Modell entwickelt werden, welches den Fischereibiologen und Fischphysiologen als Simulationswerkzeug für wissenschaftliche Fragestellungen dienen kann.

Hintergrund und Zielsetzung

Etablierte gleichungsbasierte Makromodelle liefern derzeit keine verlässlichen Vorhersagen über die Gesamtbiomasse und den Zustand des Bestandes. Hypothesen zu möglichen Mechanismen, die z.B. das verstärkte Auftreten von „Magerdorschen“ (Nahrungsmangel, Hypoxia-Effekte) und das Fehlen größerer Dorsche (Fischerei, Zunahme der natürlichen Sterblichkeit) erklären, können derzeit nicht getestet werden. Zum Zeitpunkt der Änderungen im Bestand (etwa ab dem Jahr 2010) sind keine entsprechenden Experimente durchgeführt worden. Die damals herrschenden Umweltbedingungen sind nicht replizierbar und die damals lebenden Dorsche sind entweder in der Zwischenzeit gestorben oder nicht mehr in dem Zustand, in dem sie in der Vergangenheit waren.

Da biologische Proben in ökologischen Systemen nicht retrospektiv genommen werden können, können ökologische Hypothesen die sich auf die Vergangenheit beziehen nur mit Hilfe von Computermodellen experimentell untersucht werden. Solche Modelle müssen allerdings die Dynamik und unterschiedlichen Maßstäbe eines komplexen ökologischen Systems angemessen und flexibel darstellen und dabei gleichzeitig übersichtlich bleiben. Die Modellierungssprache ML-Rules (ursprünglich für die Modellierung zellbiologischer Systeme entwickelt) erscheint vielversprechend, diesen hohen Anforderungen gerecht zu werden und wird darum als Basis für unseren Forschungsansatz verwendet.

Vorgehensweise

Das Modell wird in Form einzelner Submodelle entwickelt, welche die unterschiedlichen Aspekte des ökologischen Systems abbilden. Dabei werden u.a. Habitat, Verhalten sowie Beute und die Bioenergetik des Dorsches innerhalb der Ostsee betrachtet. Bedingt durch den regelbasierten Ansatz kann jedes Submodell für sich weiterentwickelt und validiert und das Gesamtmodell anschließend zusammenhängend genutzt werden.

  • Insbesondere das Bioenergetik-Submodell, aber auch die anderen Submodelle sollen in einer solchen Form ausgestaltet und dokumentiert werden, dass sie den Wissenschaftlern des jeweiligen Fachbereichs als Werkzeug für Ihre Forschung dienen können. Es soll geprüft werden, ob die Submodelle sich sinnvoll auf andere Systeme (zum Beispiel einen anderen Bestand oder eine andere Fischart im Falle des Bioenergetik-Submodells) übertragen lassen.
  • Vorlagen für die Spezifikationen von Simulationsexperimenten werden in SESSL (Simulation Experiment Specification via a Scala Layer) definiert und gespeichert, um Experimente mit dem Model zu unterstützen. Dies gilt sowohl für die Kalibrierung neuer Zustände als auch für Testreihen zu Parametern (Scans) sowie der Berechnung von „was-wäre-wenn“-Szenarien.
  • Schließlich soll ein Handbuch entwickelt werden, welches es ohne weitere Hilfsmittel ermöglicht, das Modell vollständig zu verstehen, selbstständig zu verändern, weiterzuentwickeln und es damit möglichst vielseitig nutzbar zu machen.

Vorläufige Ergebnisse

Pierce ME, Warnke T, Helms T, Uhrmacher AM, Krumme U, Hammer C, 2015, Individual-based cod simulation with ML-Rules, Poster at 2015 Winter Simulation Conference (WSC), Huntington Beach, CA, DOI: 10.1109/WSC.2015.7408465 

Thünen-Ansprechpartner


Beteiligte Thünen-Partner


Beteiligte externe Thünen-Partner

  • Universität Rostock, Prof. Dr. rer. nat. habil. Adelinde M. Uhrmacher
    (Rostock, Deutschland)

Zeitraum

8.2016 - 7.2019

Weitere Projektdaten

Projekttyp:
Projektstatus: läuft

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