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Detecting changes in cetacean distributions in the North-West Mediterranean Sea: testing methods of data analysis
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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
When reporting under the EU Directives (Habitat Directive and Marine Strategy Framework Directive), species distribution and its trends are required. The research aimed to investigate the performance of three grid resolutions (5x5, 10x10 and 50x50 km) with two indexes (proportion of area occupied; shift) and an occupancy model to study the distribution of 4 species occurring in the Ligurian Sea (striped dolphin, fin whale, sperm whale and Cuvier’s beaked whale) along 3 periods (2008-2012; 2013-2018; 2019, 2021, 2022) corresponding to the HD reporting cycles. Data was collected onboard ferries as platform-of-opportunity. Detection/non-detection maps and the proportion of area occupied showed the striped dolphin as a species with generalized use of the study area, whereas the fin whale preferred the open sea and the sperm whale and Cuvier's beaked whale favoured slopes and seamounts. Changes in the area used were denoted for the sperm whale, which had a complete non-detection in the southwestern part in the last period, and for the Cuvier’s beaked whale, describing an expansion movement in the eastern part from the 1st to the subsequent periods. Encounter rate maps showed a decrease in detections for all the species from the 2nd to the 3rd period, being most prevalent in the western part, indicating a decrease in their presence. The occupancy model described similar use (%) of the study area, except for higher values for the sperm whale. Compared to coarser resolutions, the use of a finer resolution allowed, to a greater extent, the detection of changes in all methods. The model performed better when more surveying occasions (14) were given. This study supports the use of finer resolutions when reporting the distribution of cetaceans under the EU Directives, as well as the importance of long-term monitoring programmes for detecting species distribution changes.
De modo a compreender o estado de conservação das espécies e atuar em direção à sua preservação, as Diretivas Europeias (Diretiva Habitat (DH) e Diretiva Quadro Estratégia Marinha (DQEM)) requisitam aos Estados-Membros a composição de um relatório, com a periodicidade de 6 anos, onde informação relativa à distribuição das espécies e possíveis alterações ao longo de séries temporais é necessária. Tendo em consideração que as variadas possibilidades de análise de dados descritas por parte das Diretivas são apenas recomendações, diferentes grupos de investigação tendem a usar diversos métodos de análise de dados, inclusive métodos não recomendados pelas Diretivas, justificando serem mais adequados dada a finalidade do estudo. Deste modo, torna-se difícil a comparação entre resultados, estando em falta um método de análise de dados padronizado a ser utilizado ao dar resposta às Diretivas. Este estudo teve como principal objetivo proporcionar uma perspetiva sobre a performance de vários métodos de análise de dados relativos à deteção de alterações na distribuição de espécies bastante móveis, como é o caso dos cetáceos. Os métodos testados foram aplicados para estudar a distribuição de 4 espécies que ocorrem no noroeste do Mar Mediterrâneo: golfinho-riscado (Stenella coeruleoalba (Meyen 1833)), baleia-comum (Balaenoptera physalus (Linnaeus 1758)), cachalote (Physeter macrocephalus Linnaeus 1758) e baleia-bicuda-de-Cuvier (Ziphius cavirostris G. Cuvier 1823). Os dados utilizados na análise foram obtidos através de programas de monitorização de cetáceos promovidos entre 2008 e 2022 no mar da Liguria, utilizando ferries de passageiros como plataforma-de-oportunidade, seguindo um protocolo fixo. Ao reportar a distribuição de espécies de cetáceos, a DH recomenda como data análise a utilização de grelhas com resolução de 10x10 km, enquanto que a DQEM propõe uma resolução de 50x50 km. Ambas foram testadas, juntamente com uma resolução mais elevada (5x5 km) que, dada a complexa fisiografia que compõe a área de estudo, se espera ser mais adequada para descrever a variabilidade de habitats presente na área. Por forma a analisar possíveis alterações na distribuição, as Diretivas sugerem o estudo entre diferentes séries temporais (curtas, de 12 anos, ou longas, de 24 anos). Assim, os dados foram divididos em três períodos, correspondendo aos ciclos de relato da DH: 2008-2012; 2013-2018 e 2019-2022. O ano de 2020 não foi incluído na análise dado que as campanhas de monitorização foram suspensas pelas restrições relativas à COVID-19. Duas metodologias foram aplicadas, uma relativa à ocupação observada e outra em relação à ocupação modelada. Focando na primeira, de modo a ser possível comparar a distribuição das espécies entre períodos, apenas células visitadas em comum em todos os anos que compõem os mesmos foram utilizadas. Para todas as resoluções, mapas de deteção/não-deteção foram criados e a proporção de área ocupada (PAO) calculada, permitindo obter uma imagem da distribuição e a percentagem de células usadas pelas espécies em cada período. Um índice de deslocação calculado possibilitou, de um ponto de vista espacial, perceber se as espécies utilizaram as mesmas ou diferentes células entre períodos. Além disso, mapas de taxa de encontro foram concebidos com o intuito de demonstrar se se sucederam variações no número de deteções ao longo dos períodos. De seguida, um modelo de ocupação, que tem em conta imperfeições na deteção, criado através do pacote unmarked para o software RStudio, foi também testado, o que permitiu obter valores de ocupação relativos a uma maior parte da área de estudo e sem a restrição de utilização apenas de células visitadas em comum entre os períodos. Para tal, históricos de deteção foram criados para cada célula em que “0” representa não-deteção e “1” deteção em cada ano, primeiramente para os 14 anos de estudo e, posteriormente, reduzido para os anos referentes aos dois primeiros períodos (5 e 6 anos), por forma a testar os limites do modelo em termos de número de visitas necessárias. Como resultados, relativamente à ocupação observada, os mapas e o índice de PAO descreveram o golfinho-riscado como a espécie com maior uso da área de estudo, seguidamente a baleia-comum e, por fim, o cachalote e a baleia-bicuda-de-Cuvier com preferências por zonas de talude continental e montes submarinos. Foi também possível observar, conjuntamente com o índice de deslocamento, alterações na distribuição destas duas últimas espécies ao longo dos períodos, com a não-deteção do cachalote a sudoeste no 3º período e uma expansão do uso a este da área de estudo pela baleia-bicuda-de-Cuvier do 1º para o 2º período. Os mapas de taxa de encontro descreveram, para além de um ponto de vista qualitativo de deteção das espécies, uma perspetiva quantitativa, onde foi possível observar preferências por zonas de mar aberto pela baleia-comum, bem como um decréscimo generalizado do número de encontros de todas as espécies do 2º para o 3º período, sendo mais evidente na zona oeste. Este resultado indica uma diminuição na presença das 4 espécies nos últimos anos na área de estudo. No que diz respeito à ocupação modelada, o golfinho-riscado foi novamente a espécie descrita com maior área de uso e maior taxa de deteção. No entanto, contrário à diferença obtida entre a baleia-comum e o cachalote obtida através do cálculo da PAO, o modelo sugere uma ocupação similar entre estas duas espécies, com uma taxa de deteção mais elevada para a primeira. A baleia-bicuda-de-Cuvier obteve os valores mais baixos de uso da área de estudo, mas com um valor de taxa de deteção semelhante ao cachalote – resultados esperados dado serem espécies inconspícuas e elusivas, contrariamente a espécies como o golfinho-riscado e a baleia-comum. O modelo funcionou com maior sucesso quando os históricos de deteção foram compostos pelos 14 anos do estudo, diminuindo a sua capacidade à medida que o número de visitas à célula se reduziu (6 e 5 anos). Relativamente às escalas de resolução testadas, comparando com resoluções mais baixas (50x50 e 10x10 km), a resolução de 5x5 km permitiu, numa maior medida, a deteção de alterações na distribuição das espécies em todos os métodos aplicados. Este estudo demonstra a importância das campanhas de monitorização promovidas a longo prazo, que permitem detetar alterações na distribuição das espécies, e suporta a utilização de resoluções mais elevadas na análise da distribuição de cetáceos ao responder às Diretivas Europeias.
De modo a compreender o estado de conservação das espécies e atuar em direção à sua preservação, as Diretivas Europeias (Diretiva Habitat (DH) e Diretiva Quadro Estratégia Marinha (DQEM)) requisitam aos Estados-Membros a composição de um relatório, com a periodicidade de 6 anos, onde informação relativa à distribuição das espécies e possíveis alterações ao longo de séries temporais é necessária. Tendo em consideração que as variadas possibilidades de análise de dados descritas por parte das Diretivas são apenas recomendações, diferentes grupos de investigação tendem a usar diversos métodos de análise de dados, inclusive métodos não recomendados pelas Diretivas, justificando serem mais adequados dada a finalidade do estudo. Deste modo, torna-se difícil a comparação entre resultados, estando em falta um método de análise de dados padronizado a ser utilizado ao dar resposta às Diretivas. Este estudo teve como principal objetivo proporcionar uma perspetiva sobre a performance de vários métodos de análise de dados relativos à deteção de alterações na distribuição de espécies bastante móveis, como é o caso dos cetáceos. Os métodos testados foram aplicados para estudar a distribuição de 4 espécies que ocorrem no noroeste do Mar Mediterrâneo: golfinho-riscado (Stenella coeruleoalba (Meyen 1833)), baleia-comum (Balaenoptera physalus (Linnaeus 1758)), cachalote (Physeter macrocephalus Linnaeus 1758) e baleia-bicuda-de-Cuvier (Ziphius cavirostris G. Cuvier 1823). Os dados utilizados na análise foram obtidos através de programas de monitorização de cetáceos promovidos entre 2008 e 2022 no mar da Liguria, utilizando ferries de passageiros como plataforma-de-oportunidade, seguindo um protocolo fixo. Ao reportar a distribuição de espécies de cetáceos, a DH recomenda como data análise a utilização de grelhas com resolução de 10x10 km, enquanto que a DQEM propõe uma resolução de 50x50 km. Ambas foram testadas, juntamente com uma resolução mais elevada (5x5 km) que, dada a complexa fisiografia que compõe a área de estudo, se espera ser mais adequada para descrever a variabilidade de habitats presente na área. Por forma a analisar possíveis alterações na distribuição, as Diretivas sugerem o estudo entre diferentes séries temporais (curtas, de 12 anos, ou longas, de 24 anos). Assim, os dados foram divididos em três períodos, correspondendo aos ciclos de relato da DH: 2008-2012; 2013-2018 e 2019-2022. O ano de 2020 não foi incluído na análise dado que as campanhas de monitorização foram suspensas pelas restrições relativas à COVID-19. Duas metodologias foram aplicadas, uma relativa à ocupação observada e outra em relação à ocupação modelada. Focando na primeira, de modo a ser possível comparar a distribuição das espécies entre períodos, apenas células visitadas em comum em todos os anos que compõem os mesmos foram utilizadas. Para todas as resoluções, mapas de deteção/não-deteção foram criados e a proporção de área ocupada (PAO) calculada, permitindo obter uma imagem da distribuição e a percentagem de células usadas pelas espécies em cada período. Um índice de deslocação calculado possibilitou, de um ponto de vista espacial, perceber se as espécies utilizaram as mesmas ou diferentes células entre períodos. Além disso, mapas de taxa de encontro foram concebidos com o intuito de demonstrar se se sucederam variações no número de deteções ao longo dos períodos. De seguida, um modelo de ocupação, que tem em conta imperfeições na deteção, criado através do pacote unmarked para o software RStudio, foi também testado, o que permitiu obter valores de ocupação relativos a uma maior parte da área de estudo e sem a restrição de utilização apenas de células visitadas em comum entre os períodos. Para tal, históricos de deteção foram criados para cada célula em que “0” representa não-deteção e “1” deteção em cada ano, primeiramente para os 14 anos de estudo e, posteriormente, reduzido para os anos referentes aos dois primeiros períodos (5 e 6 anos), por forma a testar os limites do modelo em termos de número de visitas necessárias. Como resultados, relativamente à ocupação observada, os mapas e o índice de PAO descreveram o golfinho-riscado como a espécie com maior uso da área de estudo, seguidamente a baleia-comum e, por fim, o cachalote e a baleia-bicuda-de-Cuvier com preferências por zonas de talude continental e montes submarinos. Foi também possível observar, conjuntamente com o índice de deslocamento, alterações na distribuição destas duas últimas espécies ao longo dos períodos, com a não-deteção do cachalote a sudoeste no 3º período e uma expansão do uso a este da área de estudo pela baleia-bicuda-de-Cuvier do 1º para o 2º período. Os mapas de taxa de encontro descreveram, para além de um ponto de vista qualitativo de deteção das espécies, uma perspetiva quantitativa, onde foi possível observar preferências por zonas de mar aberto pela baleia-comum, bem como um decréscimo generalizado do número de encontros de todas as espécies do 2º para o 3º período, sendo mais evidente na zona oeste. Este resultado indica uma diminuição na presença das 4 espécies nos últimos anos na área de estudo. No que diz respeito à ocupação modelada, o golfinho-riscado foi novamente a espécie descrita com maior área de uso e maior taxa de deteção. No entanto, contrário à diferença obtida entre a baleia-comum e o cachalote obtida através do cálculo da PAO, o modelo sugere uma ocupação similar entre estas duas espécies, com uma taxa de deteção mais elevada para a primeira. A baleia-bicuda-de-Cuvier obteve os valores mais baixos de uso da área de estudo, mas com um valor de taxa de deteção semelhante ao cachalote – resultados esperados dado serem espécies inconspícuas e elusivas, contrariamente a espécies como o golfinho-riscado e a baleia-comum. O modelo funcionou com maior sucesso quando os históricos de deteção foram compostos pelos 14 anos do estudo, diminuindo a sua capacidade à medida que o número de visitas à célula se reduziu (6 e 5 anos). Relativamente às escalas de resolução testadas, comparando com resoluções mais baixas (50x50 e 10x10 km), a resolução de 5x5 km permitiu, numa maior medida, a deteção de alterações na distribuição das espécies em todos os métodos aplicados. Este estudo demonstra a importância das campanhas de monitorização promovidas a longo prazo, que permitem detetar alterações na distribuição das espécies, e suporta a utilização de resoluções mais elevadas na análise da distribuição de cetáceos ao responder às Diretivas Europeias.
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Distribuição Cetáceos Ocupação Deteção Diretiva habitat