Use of Simulated Annealing for Identifying Essential Fish Habitat in a Multispecies Context

Authors

  • ROSAMONDE R. COOK,

    Corresponding author
    1. National Undersea Research Center, University of Connecticut at Avery Point, 1080 Shennecossett Road, Groton, CT 06340, U.S.A.
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  • PETER J. AUSTER

    1. National Undersea Research Center, University of Connecticut at Avery Point, 1080 Shennecossett Road, Groton, CT 06340, U.S.A.
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*Current address: U.S. National Park Service, Sequoia and Kings Canyon National Parks, 47050 Generals Highway, Three Rivers, CA 93271, U.S.A., email rose_cook@nps.gov

Abstract

Abstract: Essential fish habitat (EFH) is defined under U.S. federal law, which mandates its protection. Current single-species approaches to identifying EFH for suites of managed species have resulted in areas designated for protection that are so large that protecting fish habitat has been difficult in the context of fishery management. We evaluated the potential for simulated annealing, a type of mathematical optimization, as a tool for simultaneously identifying EFH for multiple species in four ecological regions of the eastern continental shelf of the United States. Data were obtained from a shelf-wide trawl survey with site-specific abundance information spanning 37 years. The data were averaged within units of a sampling grid with 10-minute squares. We used computer software with an objective function that includes a term for weighting the boundary length of selected sampling units and thereby identifies solutions that meet specific targets for representation under varying degrees of spatial aggregation. We defined representation as a percentage of the cumulative sampled abundance of individual species and examined the effects of these target values and spatial constraints on total (sea-surface) area and boundary length of solution sets. We also evaluated the algorithm for its ability to select areas where juveniles occurred at high densities as a proxy for habitat value. Annealing solutions covered less total area than would the combined habitats of individual species that capture the same proportion of population abundance. For most species in most solutions, high-density areas were selected in higher proportions to their relative abundance in a region and solutions contained less total habitat area and smaller boundary lengths. Additionally, sampling units were distributed among two or more discrete localities versus a single location for the same target level of representation. We suggest that simulated annealing is a viable tool for EFH planning with the potential for identifying more spatially conservative habitat areas for protection than a single-species approach.

Abstract

Resumen: El hábitat esencial de peces (HEP) está definido por las leyes federales de E.U.A., lo que hace que su protección sea obligatoria. Los métodos monoespecíficos actuales para la identificación de HEP para conjuntos de especies bajo manejo han resultado en áreas protegidas tan extensas que la protección del hábitat de peces ha sido difícil en el contexto de la gestión de pesquerías. Evaluamos el potencial del recocido simulado, un tipo de optimización matemática, como una herramienta para la identificación simultánea de HEP para múltiples especies en cuatro regiones ecológicas de la plataforma continental oriental de los Estados Unidos. Los datos fueron obtenidos de un muestreo con red de arrastre en toda la plataforma con información de abundancia en sitios específicos que abarca 37 años. Los datos fueron promediados en unidades de una cuadrícula de muestreo con cuadrantes de 10 minutos. Utilizamos software de computadora con una función objetiva que incluye un término para ponderar la longitud del límite de unidades de muestreo selectas y que por lo tanto identifica soluciones que encuentran blancos de representación específicos bajo diferentes grados de agregación espacial. Definimos representación como un porcentaje de abundancia acumulativa de especies individuales y examinamos los efectos de estos valores y restricciones espaciales sobre el área total (superficie marina) y la longitud del límite de los conjuntos de soluciones. También evaluamos la habilidad del algoritmo para seleccionar áreas en las que ocurrieron altas densidades de juveniles como una representación del valor del hábitat. Los recocidos simulados cubrieron menos área total que la que hubieran cubierto los hábitats combinados de las especies individuales que capturan la misma proporción de abundancia poblacional. Para la mayoría de las especies en la mayoría de las soluciones, las áreas de alta densidad fueron seleccionadas en mayor proporción que su abundancia relativa en una región y las soluciones contenían menos área de hábitat total y límites de menor longitud. Adicionalmente, las unidades de muestreo estaban distribuidas en dos o más localidades discretas versus una sola localidad para el mismo nivel de representación. Sugerimos que el recocido simulado es una herramienta viable para la planificación de HEP con mayor potencial para la identificación de áreas de hábitat más conservadoras espacialmente que un método monoespecífico.

Ancillary