This assignment is based on the ZooMSS (Zooplankton Model of Size Spectra) we are

describing in class and using in tutorials. Its formulation is detailed in Heneghan et al. (2020) – see the MATH3070 Blackboard site under Learning Resources/Size spectrum modelling -

Anthony/References + Extra material/.

In this assignment, you will conduct a sensitivity analysis, obtain outputs, and interpret your answers. A sensitivity analysis is a study of how the inputs of a model affect its outputs – in essence, which are the most and least important inputs to the model output. You can learn a lot about a model by conducting a sensitivity analysis. We will conduct a simple sensitivity analysis on a selection of model parameters by varying one parameter at a time while keeping all others constant.

To  answer  the  following  questions,  run  the  simulations  then  use  the  outputs  and  your understanding from the equations in the lectures to explain changes in zooplankton and fish biomass. To make it easier to compare outputs from different simulations, there is a csv output file with all the parameters included in the simulation, together with its results. See the following code near the end of setup_RUN_NAME_MATH3070.R. What does this code do?

df <- data.frame(Groups, Abundance = Sspecies, Biomass = WWspecies,

TrophicLevel = TL, CarbonBiomass = C)

write.csv(x = df, file = paste0("Outputs", jobname, ".csv"))

For your assignment answers, you will want to use a combination of the graphs and values for    objects    in    setup_RUN_NAME_MATH3070.R.    Note    that    the    variables    Sspecies (Abundance), WWspecies (Wet weight), TL (Trophic level) and C (Carbon biomass) all are vectors  12  long,   representing  the  2   microzooplankton  (flagellates  and  ciliates),  7  main zooplankton groups (larvaceans, omnivorous copepods, carnivorous copepods, euphausiids, chaetognaths, salps, jellyfish), and 3 fish groups (small, medium and large). Their order is the same  as  in  the  Species  variable  in  Test_Groups.csv.  Also  note  that  the  variables  Ssize (Abundance)  and  WWsize  (Wet  weight)  are  both  vectors  178  long,  with  each  element representing the size classes in the model. The size classes are ordered from smallest to largest.

To help interpret your outputs, please report the wet weight biomass for total zooplankton and total fish (you will need to sum the required elements in WWspecies – the elements are ordered the same as in TestGroups.csv). In your answers, you can also use output from the plots provided, with ggBiomassSizeSpec (ggplot of the Unnormalised Biomass Size Spectrum) and ggBiomassTS  (ggplot of  biomass  of the functional groups over time)  being the  most useful.

The base case simulation

All simulations will be run in comparison to the base case simulation with parameter values provided in TestGroups.csv. If you think you might have changed the default values, download another copy from Github: https://github.com/MathMarEcol/ZoopModelSizeSpectra.

For this assignment, you will only need to run the program setup_RUN_NAME_MATH3070.R – it calls all other functions needed. To run the sensitivity analysis on a parameter, make sure you are either modifying the TestGroups.csv file or modify the respective variables in the code after reading the file.

For the sensitivity analyses in the assignment questions, use a sea surface temperature (sst) of 15°C and a Chlorophyll-a concentration (chlo) of 0.2 mg.m-3, close to the global mean for

each variable. You will need to modify the enviro_data object. So, in

setup_RUN_NAME_MATH3070.R, you should set:

enviro_data <- fZooMSS_CalculatePhytoParam(data.frame(cellID = 1,

sst = 15,

chlo = 0.2,

dt = 0.01))

For  the  sensitivity  analyses,  change  the  parameter  for  all  the  main  zooplankton  groups (larvaceans, omnivorous copepods, carnivorous copepods, euphausiids, chaetognaths, salps, jellyfish),  and  keep  all  others  (flagellates,  ciliate,  small  fish,  medium  fish,  large  fish) unchanged.

*6. A high PPMR for zooplankton is 1,000,000 (they get even higher though!). Set the PPMRs for all zooplankton groups to 1,000,000. What happens and why? Comment on the stability of the system

*7. How does PPMR generally impact the system. How does the PPMR change the slope of the size spectrum?

Sensitivity analysis: How does the carbon content of the zooplankton change the model output?

The carbon content (called Carbon in TestGroups.csv and ‘ in the lectures) is the proportion of body mass that is carbon and reflects the nutritional value of food. For example, jellyfish   have a carbon content of 0.005 of their mass because they are mainly water. They can thus   be heavy (lots of water), but they are not very nutritious (not much carbon).

8. Set the carbon content for all zooplankton groups to be that of jellyfish. What happens and why?

9. Set the carbon content for all zooplankton groups to be that of the crustacean groups (i.e. 0.12). What happens? Interpret your answer.

Projections: How might climate change affect marine ecosystems, especially fish?

To answer this question, we will not conduct a sensitivity analysis, but instead make projections for the future. You will now be changing the sst and chlo columns in the enviro_data object.

But before you do, make sure you change the TestGroups.csv back to its default values. You can always redownload it from GitHub if needed.

*10. Under a high emissions scenario in 2100, global mean sea surface temperature is likely to  increase  by  about  3°C,  depending  on  the   Earth  System   Model  considered.  Set  the temperature for the model to 3°C above the current global mean temperature we have been using. Run a simulation with the default parameter values in TestGroups.csv. How does global warming impact the marine ecosystem in ZooMSS? Why?

*11. Warming of the ocean surface layer increases the stratification in the ocean, decreases nutrients in surface waters, and leads to declines in phytoplankton (chlorophyll-a). Under a high emissions future scenario, chlorophyll-a is projected to decline by 25% in many ocean regions. How does the impact of climate change on declining chlorophyll-a affect the marine ecosystem modelled in ZooMSS? Why? Is warming or the decline in chlorophyll-a likely to be more important for future fisheries?