周為峰,陳亮亮,崔雪森,張衡

(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090;2.浙江海洋大學(xué)數(shù)理與信息學(xué)院,浙江 舟山 316022)

異常氣候?qū)θ驓夂蜃兓铜h(huán)境產(chǎn)生深刻的影響。海洋溫躍層是介于上層暖水與下層冷水之間溫度出現(xiàn)急劇下降的層，是海洋中主要的物理現(xiàn)象之一。作為全球氣候年際變化最強(qiáng)信號(hào)的厄爾尼諾——南方濤動(dòng)(El Nio-Sothern Oscillation,ENSO)，其發(fā)生、發(fā)展和消亡與熱帶太平洋溫躍層聯(lián)系緊密[1-2]。利用全球Argo海洋剖面觀測(cè)網(wǎng)進(jìn)行溫躍層判別[3-6]和溫躍層季節(jié)年際變化的研究[7]成為海洋學(xué)研究的重要手段。異常氣候影響下的海洋環(huán)境也同時(shí)影響著漁業(yè)資源的分布和漁業(yè)捕撈活動(dòng)。楊勝龍等[8]根據(jù)大西洋金槍魚延繩釣主要作業(yè)漁場(chǎng)區(qū)溫躍層的時(shí)空變化特征和金槍魚生活習(xí)性對(duì)延繩釣白天和夜晚的投鉤深度給出了合理建議。大尺度海洋異常環(huán)境對(duì)漁業(yè)資源及漁場(chǎng)分布影響顯著，Hampton等[9-10]研究表明,鰹魚對(duì)溫度的變化非常敏感，其分布會(huì)隨ENSO的發(fā)生產(chǎn)生相應(yīng)的遷移。通過(guò)計(jì)算漁場(chǎng)的重心研究中西太平洋鰹魚圍網(wǎng)漁場(chǎng)受ENSO現(xiàn)象的影響發(fā)現(xiàn)，厄爾尼諾發(fā)生時(shí)鰹魚圍網(wǎng)單位捕撈努力量漁獲量(catch per unit effort,CPUE)經(jīng)度重心較正常年份向東偏，拉尼娜年向西偏[11-12]。這些研究多集中于海洋表層環(huán)境因子對(duì)漁業(yè)資源分布的影響，而對(duì)于異常氣候條件下的次表層海洋環(huán)境特征及其對(duì)漁業(yè)資源的影響關(guān)注較少。

本研究根據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)對(duì)拉尼娜和厄爾尼諾事件的定義，用海洋尼諾指數(shù)(oceanic nio Index,ONI)來(lái)表征厄爾尼諾和拉尼娜事件[13]，繪制了異常氣候模態(tài)下溫躍層的上界溫度、上界深度及躍層厚度和躍層強(qiáng)度等各參數(shù)與黃鰭金槍魚CPUE分布的疊加圖，分析了拉尼娜年和厄爾尼諾年各參數(shù)的分布規(guī)律以及對(duì)黃鰭金槍魚空間分布的影響，并采用GAM模型分析各變量對(duì)黃鰭金槍魚CPUE的影響，為該海域金槍魚實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)提供更多的溫躍層分布信息和理論參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)域?yàn)?30°E—130°W、25°N—25°S 中西太平洋海域，漁業(yè)數(shù)據(jù)來(lái)源于2008年1月—2017年7月中西太平洋金槍魚圍網(wǎng)船的漁撈日志數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包括生產(chǎn)船名、生產(chǎn)日期、作業(yè)位置的經(jīng)緯度、作業(yè)網(wǎng)次、魚種類型和產(chǎn)量。

溫度數(shù)據(jù)來(lái)源于BOA_Argo數(shù)據(jù)集[14](第八版)，由中國(guó)Argo實(shí)時(shí)資料中心提供。時(shí)間范圍是2004年1月—2018年12月，時(shí)間分辨率是月；空間范圍是全球海洋(180°W—180°E,80°S—80°N)，空間分辨率是水平方向 1°×1°,垂直方向 0—1 975 m 不等間距的58個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層。該數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)格式有matlab和netcdf格式供用戶選擇[15]，且資料可信度高。與WOA18資料比較，BOA_Argo網(wǎng)格資料揭示的表層溫度和鹽度的分布特征更細(xì)致，能夠更好地反映ENSO信號(hào)。篩選出同期的溫度數(shù)據(jù)與漁撈日志數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析。

表1 厄爾尼諾和拉尼娜事件的定義Table 1 Definition of El Nio and La Nia events

ONI事件類型Type of eventONI事件類型Type of event0.5≤ONI≤0.9弱厄爾尼諾事件WE-0.9≤ONI≤-0.5弱拉尼娜事件WL1.0≤ONI≤1.4中強(qiáng)度厄爾尼諾事件ME-1.4≤ONI≤-1.0中強(qiáng)度拉尼娜事件ML1.5≤ONI≤1.9強(qiáng)厄爾尼諾事件SE-1.9≤ONI≤-1.5強(qiáng)拉尼娜事件SLONI≥2.0超強(qiáng)厄爾尼諾事件VSEONI≤-2.0超強(qiáng)拉尼娜事件VSL

表2 2008—2017年的海洋尼諾指數(shù)Table 2 ONI from 2008 to 2017

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

漁獲率采用 CPUE 按月按經(jīng)緯度(1°×1°)進(jìn)行預(yù)處理，為了和溫度數(shù)據(jù)相匹配，將CPUE按1°×1°網(wǎng)格計(jì)算，公式如下。

(1)

其中，CPUE為單位捕撈努力量漁獲量(t·net-1)；Catchymij為漁獲量；Effortymij為捕撈努力量(即累計(jì)的作業(yè)總網(wǎng)次)；y表示年；m代表月；i表示經(jīng)度；j表示緯度。

由于BOA_Argo數(shù)據(jù)集在垂直方向?yàn)?—1 975 m不等間距的58個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，因此采用Akima[17]插值方法以2 m間隔將深度上分布不均勻的Argo浮標(biāo)剖面溫度資料等距插值到規(guī)則深度層。采用周燕遐等[18]對(duì)溫躍層的判別方法，計(jì)算溫度剖面的梯度(ΔT/ΔH)。當(dāng)一個(gè)溫度剖面中某一段的垂直梯度大于或等于深水躍層最低限值標(biāo)準(zhǔn)0.05 ℃·m-1,則確定該段為溫躍層，則該段水層的上、下界點(diǎn)所在深度就是溫躍層的上界深度和下界深度，該段的厚度為躍層厚度，該段整個(gè)垂向溫度梯度為躍層強(qiáng)度。據(jù)此提取溫躍層的上界溫度和深度、下界溫度和深度及躍層強(qiáng)度和厚度共6個(gè)特征參數(shù)。用MATLAB R2016a軟件，將2008—2017年的溫躍層特征參數(shù)按月分組，以填色等值線作圖方式顯示，使用臨近點(diǎn)插值方法插值彌補(bǔ)。

1.3 GAM方法

GAM可以模擬響應(yīng)變量與多個(gè)解釋變量的非線性關(guān)系，靈活性強(qiáng)，在漁業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[19-21]。本研究采用GAM分析各時(shí)空變量和環(huán)境變量對(duì)CPUE的影響。時(shí)間變量包括年和月；空間變量包括經(jīng)度和緯度；環(huán)境變量包括ONI、溫躍層的上、下界溫度和深度及躍層強(qiáng)度和厚度。模型篩選采用AIC值法，即AIC值越小，模型擬合程度越高[22]。對(duì)CPUE對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換[23-24]，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，構(gòu)建的GAM方程如下。

log(CPUE+1)=s(year)+s(month)+s(lon)+s(lat)+s(environmentalvariable)

(2)

其中，year表示年份，month表示月份，lon表示經(jīng)度，lat表示緯度，environmentalvariable表示環(huán)境變量。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

采用Excel 2019存儲(chǔ)中西太平洋金槍魚圍網(wǎng)船的漁撈日志數(shù)據(jù)并計(jì)算CPUE；使用MATLAB R2016a軟件讀取BOA_Argo數(shù)據(jù)，并計(jì)算提取溫躍層上界溫度和深度、下界溫度和深度及躍層厚度和強(qiáng)度6個(gè)參數(shù)及次表層海溫垂直參數(shù)與CPUE疊加的可視化展示；采用R軟件包中mgcv函數(shù)庫(kù)構(gòu)建GAM模型及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫躍層上界溫度和深度與漁獲率的時(shí)空變化

ENSO現(xiàn)象對(duì)中西太平洋黃鰭金槍魚圍網(wǎng)漁場(chǎng)的空間分布有顯著影響。分析典型拉尼娜年(2010年)、正常年(2013)和厄爾尼諾年(2015)溫躍層各參數(shù)與黃鰭金槍魚CPUE的疊加，結(jié)果(圖1)表明，拉尼娜年，溫躍層上界溫度28～29 ℃高值區(qū)西移，CPUE隨上界溫度高值區(qū)向西收縮而西移至170°E以西，最西至145°E；厄爾尼諾年，溫躍層上界溫度28～29 ℃高值區(qū)東擴(kuò)，CPUE隨著上界溫度高值區(qū)東擴(kuò)而東移至165°E以東，最東至173°W。黃鰭金槍魚是暖水性魚類，棲息和產(chǎn)卵需要在一定水溫之上，因此，溫躍層的上界溫度會(huì)影響黃鰭金槍魚的空間分布[8]。

A：拉尼娜年(2010)溫躍層上界溫度；B：拉尼娜年(2010)溫躍層上界深度；C：正常年(2013)溫躍層上界溫度；D：正常年(2013)溫躍層上界深度；E：厄爾尼諾年(2015)溫躍層上界溫度；F：厄爾尼諾年(2015)溫躍層上界深度。A:Upper temperature of thermocline in La Nia year (2010);B:Upper depth of thermocline in La Nia year (2010);C:Upper temperature of thermocline in normal year (2013);D:Upper depth of thermocline in normal year (2013);E:Upper temperature of thermocline in El Nio year (2015);F:Upper depth of thermocline in El Nio year (2015).圖1 溫躍層上界溫度、上界深度與黃鰭金槍魚CPUE疊加分布Fig.1 Overlay distribution of the upper temperature of thermocline,the upper depth of thermocline and the CPUE of yellowfin tuna

正常年份，赤道太平洋溫躍層的上界深度為西深東淺。拉尼娜年與正常年相比，赤道中西太平洋東、西面溫躍層的上界深度差距拉大，80～130 m上界深度值偏西，可能是因?yàn)槔崮饶晡挚谁h(huán)流和東南信風(fēng)加強(qiáng)。厄爾尼諾年與正常年相比，赤道中西太平洋東西面的溫躍層上界深度差減小，80～130 m上界深度值東移。

2.2 溫躍層強(qiáng)度和厚度與漁獲率的時(shí)空變化

由圖2可知，溫躍層強(qiáng)度整體上呈西弱東強(qiáng)。赤道中西太平洋180°以西的區(qū)域，溫躍層在拉尼娜年的躍層強(qiáng)度大于厄爾尼諾年；而在180°以東區(qū)域，溫躍層在拉尼娜年的躍層強(qiáng)度小于厄爾尼諾年。溫躍層的躍層厚度整體上表現(xiàn)為西邊厚東邊薄，即以15°N和15°S為軸線，分別存在一個(gè)較厚的帶狀結(jié)構(gòu)。CPUE主要分布于120～200 m厚度之間。

A：拉尼娜年(2010)躍層強(qiáng)度；B：拉尼娜年(2010)躍層厚度；C：正常年(2013)躍層強(qiáng)度；D：正常年(2013)躍層厚度；E：厄爾尼諾年(2015)躍層強(qiáng)度；F：厄爾尼諾年(2015)躍層厚度。A:Strength of thermocline in La Nia year (2010);B:Thickness of thermocline in La Nia year (2010);C:Strength of thermocline in normal year (2013);D:Thickness of thermocline in normal year (2013);E:Strength of thermocline in El Nio year (2015);F:Thickness of thermocline in El Nio year (2015).圖2 溫躍層強(qiáng)度、厚度與黃鰭金槍魚CPUE疊加分布Fig.2 Overlay distribution of the strength,thickness of thermocline and CPUE of yellowfin tuna

圖3顯示，在拉尼娜年，黃鰭金槍魚CPUE高值在經(jīng)度上偏西，維度上偏南；而厄爾尼諾年CPUE高值在經(jīng)度上偏東，維度上偏北。

圖3 中西太平洋黃鰭金槍魚CPUE隨經(jīng)度和緯度的分布Fig.3 Distribution of CPUE with longitude and latitude for yellowfin tuna in the Central and Western Pacific

從圖4來(lái)看，拉尼娜年漁獲量較高，如2008、2010、2011和2016年。拉尼娜年的主要作業(yè)區(qū)域位于中西太平洋暖池的中心，該海域的溫度十分適宜黃鰭金槍魚的生長(zhǎng)，因此拉尼娜年的漁獲量較高，資源豐度也較大。厄爾尼諾年漁獲量較低，如2009和2015年。厄爾尼諾年，西太平洋溫躍層變淺，而中東太平洋溫躍層變深；相反在拉尼娜年，西太平洋溫躍層變深，而中東太平洋溫躍層變淺。由此可見(jiàn)，溫躍層的變化會(huì)引起黃鰭金槍魚中心漁場(chǎng)的改變。年漁獲量與CPUE間保持較為一致的變化規(guī)律。

圖4 中西太平洋黃鰭金槍魚各年的漁獲量和CPUEFig.4 Annual catch and CPUE statistics of yellowfin tuna in the Central and Western Pacific

2.3 GAM模型分析

采用GAM分析環(huán)境變量對(duì)黃鰭金槍魚捕獲時(shí)空變化的影響。結(jié)果(表3)表明，隨著因子的增多，模型AIC值下降，最終GAM保留了所有輸入變量，此時(shí)模型AIC值最小，對(duì)CPUE的總方差解釋率為21.1%。GAM中，變量對(duì)解釋CPUE變化的貢獻(xiàn)率體現(xiàn)了對(duì)CPUE的影響程度。由表4可知，時(shí)間因子的貢獻(xiàn)率為15.4%，空間因子的貢獻(xiàn)率為2.5%，環(huán)境因子的貢獻(xiàn)率為3.2%。其中，年份是最大的影響因素，其次是ONI、月份、緯度、經(jīng)度和溫躍層的上界溫度及深度，而溫躍層的躍層強(qiáng)度和厚度對(duì)GAM影響較小。

表3 GAM模型統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 3 Statistical characteristics of GAM models

表4 GAM模型檢驗(yàn)值Table 4 Test values of GAM models

時(shí)空變量對(duì)CPUE的影響為非線性;環(huán)境變量中溫躍層的上界溫度和深度及躍層厚度和強(qiáng)度對(duì)CPUE的影響作用為線性(圖5)。黃鰭金槍魚圍網(wǎng)CPUE在2008—2009年下降，2009年—2010年波動(dòng)較大，2011—2012年下降，隨后增長(zhǎng)至2016年，年份對(duì)CPUE的影響是波動(dòng)的。在2008、2011、2013年，置信區(qū)間小，表明這些年份即拉尼娜年對(duì)CPUE的影響密切。黃鰭金槍魚CPUE在不同月份間變化較小，1—4月基本保持不變，至6月略有上升，隨后開(kāi)始波動(dòng)。緯度對(duì)CPUE影響曲線呈現(xiàn)穹頂狀，在0°(赤道)區(qū)域CPUE值最大，且95 %置信區(qū)間小，置信度較高；CPUE隨著緯度從10°S—0°升高，并且隨著0°—5°N降低，即赤道南北兩側(cè)向赤道靠攏，CPUE值逐漸增大。CPUE隨著經(jīng)度從140°E—150°E而升高，但置信區(qū)間較大，置信度較低；在150°E—175°E，CPUE波動(dòng)較小，置信區(qū)間較窄，說(shuō)明與CPUE密切的經(jīng)向空間在150°E—175°E；175°E以東，隨著經(jīng)度的增加和置信區(qū)間的擴(kuò)大，置信度降低。

圖5 GAM模型獲得的9個(gè)變量對(duì)CPUE的影響Fig.5 Effects of 9 predictors derived from GAM on CPUE

在環(huán)境變量中，溫躍層上界溫度與CPUE的關(guān)系表明，黃鰭金槍魚漁場(chǎng)所在溫躍層的上界溫度集中在27～30 ℃之間，最適上界溫度范圍為27.5～29.5 ℃。漁場(chǎng)所在溫躍層上界深度集中在50～150 m之間，最適上界深度范圍為80～120 m。漁場(chǎng)所在溫躍層厚度集中在100～200 m之間，隨著厚度增加，CPUE升高，但置信區(qū)間增大，置信度降低。漁場(chǎng)所在溫躍層強(qiáng)度集中在0.08～0.13 ℃·m-1之間，對(duì)CPUE的影響是正相關(guān)。ONI與CPUE的關(guān)系表明，CPUE隨ONI的增大而增大，至0.3處達(dá)最大值，與CPUE關(guān)系密切的ONI區(qū)間為 -1～0.6。

3 討論

溫度對(duì)魚類活動(dòng)既有直接影響又有間接影響，包括對(duì)魚類產(chǎn)卵、胚胎發(fā)育、成活率、索餌代謝、洄游移動(dòng)和棲息分布等均有影響，因此溫度是影響魚類活動(dòng)的重要環(huán)境因子[25]。黃鰭金槍魚是暖水性魚類，棲息和產(chǎn)卵需要在一定的水溫之上。從繪制的厄爾尼諾和拉尼娜異常氣候年份下中西太平洋黃鰭金槍魚漁場(chǎng)溫躍層特征參數(shù)的時(shí)空變化圖表明，拉尼娜年CPUE隨上界溫度高值區(qū)向西收縮而西移至170°E以西，最西至145°E；厄爾尼諾年，CPUE隨上界溫度高值區(qū)的東擴(kuò)而東移，一般東移至165°E以東。其原因可能是溫躍層上界溫度影響著金槍魚空間分布，厄爾尼諾年上界溫度27～29.5 ℃高值區(qū)東擴(kuò)，而拉尼娜年則上界溫度高值區(qū)西移。水溫垂直結(jié)構(gòu)的變化也會(huì)影響金槍魚的水平空間分布和捕撈方式[26]。綜上所述，厄爾尼諾和拉尼娜年漁場(chǎng)的CPUE分布會(huì)隨著漁場(chǎng)適宜的溫躍層上界溫度的東擴(kuò)或西移而發(fā)生變化。

為了更準(zhǔn)確地分析異常氣候現(xiàn)象與中西太平洋黃鰭金槍魚資源豐度及其時(shí)空分布的關(guān)系，本研究結(jié)合GAM探索了環(huán)境變量對(duì)黃鰭金槍魚捕獲時(shí)空變化的影響，分析了漁場(chǎng)所在溫躍層的最適環(huán)境參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，時(shí)間因子的貢獻(xiàn)率為15.4%，空間因子的貢獻(xiàn)率為2.5%,環(huán)境因子的貢獻(xiàn)率為3.2%。黃鰭金槍魚漁場(chǎng)所在溫躍層的上界溫度多集中于27～30 ℃之間，最適上界溫度范圍為27.5～29.5 ℃。次表層環(huán)境因子中溫躍層上界溫度的影響最大。

綜合空間疊加和GAM分析結(jié)果，從溫躍層的強(qiáng)度看，中西太平洋海域的溫躍層強(qiáng)度整體上呈西弱東強(qiáng)。赤道中西太平洋180°以西區(qū)域?yàn)闈O場(chǎng)主要作業(yè)區(qū)域，該區(qū)域拉尼娜年的溫躍層強(qiáng)度要大于厄爾尼諾年；而在180°以東的區(qū)域，該區(qū)域拉尼娜年的溫躍層強(qiáng)度要小于厄爾尼諾年；CPUE與溫躍層強(qiáng)度為0.08～0.13 ℃·m-1的溫躍層關(guān)系更密切。

從溫躍層的厚度和上界深度看，溫躍層厚度整體上呈西厚東薄，以15°N和15°S為軸線，分別存在一個(gè)較厚的帶狀結(jié)構(gòu)，CPUE分布在厚度值120～200 m之間。中西太平洋海域在拉尼娜年作業(yè)區(qū)域的溫躍層厚度要小于厄爾尼諾年。GAM分析得出,漁場(chǎng)所在溫躍層上界深度集中在50～150 m之間，漁場(chǎng)所在溫躍層最適上界深度為80～120 m，與中西太平洋黃鰭金槍魚適宜的溫躍上界深度較一致[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，拉尼娜年與正常年份相比，赤道中西太平洋東、西面溫躍層的上界深度差距拉大，80～130 m上界深度值偏西；厄爾尼諾年與較正常年份相比，赤道中西太平洋東西面溫躍層上界深度差減小，80～130 m上界深度值東移。

有研究認(rèn)為,在厄爾尼諾年，中西太平洋漁獲量重心位置向東和南方向移動(dòng)；而在拉尼娜年，移動(dòng)位置稍微向西和北方向移動(dòng)；與本研究在經(jīng)度上的結(jié)論基本一致，緯度上稍有差異，可能是由于研究對(duì)象不同，且研究數(shù)據(jù)的時(shí)間序列不一致，可能也會(huì)導(dǎo)致差異[28-29]。本文的漁獲量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，拉尼娜年的產(chǎn)量要高于厄爾尼諾年。陳洋洋等[30]在研究厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象對(duì)中西太平洋鰹資源豐度的影響時(shí)也發(fā)現(xiàn)，拉尼娜年的產(chǎn)量較高，厄爾尼諾年的產(chǎn)量較低。Deary等[31]研究也表明，拉尼娜年中太平洋黃鰭金槍魚產(chǎn)量明顯增加。這可能是由于中西太平洋海域作業(yè)區(qū)域在拉尼娜年溫躍層上界深度比厄爾尼諾年深，而溫躍層強(qiáng)度也比厄爾尼諾年的強(qiáng)度高。拉尼娜年，該海域黃鰭金槍魚適宜的垂直棲息空間被壓縮，有利于表層漁場(chǎng)捕撈，漁獲率高，反之漁獲率低[32-33]。且圍網(wǎng)作業(yè)方式使得溫躍層垂直結(jié)構(gòu)對(duì)漁場(chǎng)的影響不顯著，但異常氣候?qū)е碌臏剀S層變化對(duì)CPUE具有顯著影響。本研究為異常氣候年份熱帶中西太平洋圍網(wǎng)金槍魚生產(chǎn)作業(yè)，以及研究其他金槍魚時(shí)空分布與溫躍層關(guān)系提供了理論參考。