汪金濤 陳新軍① 高 峰 雷 林

(1. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院 上海 201306; 2. 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201306;3. 國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心 上海 201306; 4. 遠(yuǎn)洋漁業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 上海 201306)

莖柔魚(yú)(Dosidicus gigas)是一種大洋性頭足類,廣泛分布于東太平洋海域(王堯耕等, 2005)。目前世界上多個(gè)國(guó)家和地區(qū)已對(duì)莖柔魚(yú)資源進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和利用, 年產(chǎn)量超過(guò)80萬(wàn)噸(Nigmatullinet al, 2001;Waludaet al, 2004)。資源量預(yù)報(bào)屬于中長(zhǎng)期漁情預(yù)報(bào)的一種, 對(duì)資源補(bǔ)充量進(jìn)行精確的預(yù)報(bào)是確保漁業(yè)資源科學(xué)管理、合理開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵(陳新軍, 2004)。目前, 已有一些關(guān)于莖柔魚(yú)資源補(bǔ)充量的研究。如Anderson等(2001)和Waluda等(2006)研究認(rèn)為, 厄爾尼諾和拉尼娜事件會(huì)影響莖柔魚(yú)幼體和成熟體的生長(zhǎng)、棲息等生活史過(guò)程。陳新軍等(2006)指出, 莖柔魚(yú)資源狀況與海洋環(huán)境關(guān)系密切, 特別是厄爾尼諾和拉尼娜事件。徐冰(2012)等利用典型相關(guān)性分析,分析了表溫(SST)、表溫距平均值(SSTA)、莖柔魚(yú)產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)最適表層水溫范圍占總面積的比例(分別用Ps、PF表示)與資源豐度、補(bǔ)充量相關(guān)性, 并建立了基于SST因子的資源豐度線性預(yù)報(bào)模型。也有研究(Ichiiet al, 2002)指出, 水溫并非影響莖柔魚(yú)資源豐度和補(bǔ)充量的主要限制因子。以上前人的研究基本上是圍繞水溫因子展開(kāi)的。因此, 本文在前人研究的基礎(chǔ)上增加更多的海洋環(huán)境因子, 嘗試找出更為合適的影響莖柔魚(yú)資源補(bǔ)充量的海洋環(huán)境指標(biāo), 并利用誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Error Backpropagation Network, EBP)建立更為準(zhǔn)確的資源補(bǔ)充量預(yù)報(bào)模型,為東南太平洋海域莖柔魚(yú)的科學(xué)管理和生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來(lái)源

東南太平洋莖柔魚(yú)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自上海海洋大學(xué)魷釣技術(shù)組, 時(shí)間為2003年1月—2012年12月。內(nèi)容包括日期、經(jīng)度、緯度、日產(chǎn)量、漁船數(shù)。

SST、SSH、chla濃度數(shù)據(jù)均來(lái)自http: //oceanwatch.pifsc.noaa.gov/las/servlets/dataset, 時(shí)間分辨率為月; SST空間分辨率為0.1°×0.1°, SSH、chla濃度空間分辨率為0.25°×0.25°; 經(jīng)緯度范圍是20°S—20°N、110°W—70°W。

本文環(huán)境數(shù)據(jù)空間分辨率統(tǒng)一為0.5°×0.5°, 不同空間尺度的環(huán)境數(shù)據(jù)都是由原始空間尺度轉(zhuǎn)換而成, 如每一個(gè)空間尺度為0.5°×0.5°的SST數(shù)據(jù)是計(jì)算25個(gè)原始數(shù)據(jù)的平均值而得到, 空間分辨率轉(zhuǎn)換工作由作者自主開(kāi)發(fā)軟件FisheryDataProcess完成。

1.2 研究方法

1.2.1 研究海域范圍 前人研究表明, 莖柔魚(yú)廣泛分布于東太平洋的加利福利亞(37°N)到智利(47°S)的海域中, 在赤道附近海域可達(dá)到140°W(Nigmatullinet al, 2001; Waludaet al, 2004)。根據(jù)我國(guó)魷釣船的實(shí)際作業(yè)情況, 選定本研究的海域范圍為20°S—20°N、110°W—70°W。

1.2.2 CPUE計(jì)算 CPUE(Catch per unit effort)定義如下:

其中CatchY、VesY分別表示Y年的捕撈產(chǎn)量和作業(yè)漁船數(shù)。計(jì)算每年的單船平均日產(chǎn)量CPUE(t/d)作為莖柔魚(yú)資源豐度指標(biāo)。由于莖柔魚(yú)是短生命周期, 產(chǎn)卵后即死, 沒(méi)有剩余群體的生物學(xué)特性, 因此CPUE也可作為反映其資源補(bǔ)充量的指標(biāo)。

1.2.3 影響因子選取 莖柔魚(yú)資源補(bǔ)充量與其產(chǎn)卵場(chǎng)和索餌場(chǎng)的棲息環(huán)境密切相關(guān)(Nigmatullinet al,2001; Waludaet al, 2004; 陳新軍等, 2006; 徐冰等,2012)。因此, 根據(jù)公式(2)分別計(jì)算分析1—12月份研究海域每點(diǎn)(0.5°×0.5°) SST、SSH、chla濃度組成的時(shí)間序列值與本年和次年CPUE組成的時(shí)間序列值的相關(guān)性, 選取相關(guān)性高海域的SST、SSH、chla濃度作為莖柔魚(yú)資源補(bǔ)充量的影響因子。其中, SST、SSH、chla濃度與本年CPUE相關(guān)性高的海域表示索餌棲息環(huán)境對(duì)資源補(bǔ)充量的影響; SST、SSH、chla濃度與次年CPUE相關(guān)性高的海域表示產(chǎn)卵棲息環(huán)境對(duì)資源補(bǔ)充量的影響。

其中x、y分別表示環(huán)境、CPUE組成的系列值,為x、y的平均值,r表示相關(guān)系數(shù)。

產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)最適表層水溫范圍占總面積的比例是衡量棲息地環(huán)境優(yōu)劣的參量(Nigmatullinet al,2001; Waludaet al, 2004)。有文獻(xiàn)表明(Nigmatullinet al, 2001; Taipeet al, 2001; Ichiiet al, 2002), 9月份莖柔魚(yú)產(chǎn)卵時(shí)適宜SST為24—28°C; 7月份莖柔魚(yú)的索餌時(shí)適宜SST為17—22°C。因此分別計(jì)算9月份產(chǎn)卵時(shí)、7月份索餌時(shí)最適表層水溫范圍占總面積的比例(分別用PS、PF表示), 用PS、PF表達(dá)產(chǎn)卵場(chǎng)索餌場(chǎng)棲息環(huán)境的適宜程度。

1.2.4 建立預(yù)報(bào)模型 EBP屬于多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 采用誤差反向傳播的監(jiān)督算法, 能夠?qū)W習(xí)和存儲(chǔ)大量的模式映射關(guān)系, 已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域(Benediktssonet al, 1990; Hushet al, 1993)。

EBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有輸入層、隱含層和輸出層, 每層由不同個(gè)數(shù)的神經(jīng)元或節(jié)點(diǎn)組成(圖1), 其學(xué)習(xí)的過(guò)程分為信號(hào)的正向傳播與誤差的反向傳播兩個(gè)階段。在正向傳播階段, 輸入信息從輸入層經(jīng)隱含層傳向輸出層, 在輸出層產(chǎn)生輸出信號(hào)。在信號(hào)的向前傳遞過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值固定不變, 每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元的狀態(tài)。如果在輸出層不能得到期望的輸出, 則轉(zhuǎn)入誤差反向傳播。在反向傳播階段,未能滿足精度要求的誤差信號(hào)由輸出端開(kāi)始, 以某種方式逐層向前傳播, 并將誤差分?jǐn)偨o各層的所有單元, 依據(jù)誤差信號(hào)動(dòng)態(tài)的調(diào)整各單元的連接權(quán)值。通過(guò)周而復(fù)始的正向傳播和反向調(diào)節(jié), 神經(jīng)元間的權(quán)值得到不斷的修正。當(dāng)誤差滿足設(shè)定的精度后, 將停止學(xué)習(xí)。

圖1 EBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of EBP(error backpropagation network)

EBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立在Matlab軟件中完成, 首先對(duì)樣本進(jìn)行歸一化處理, 使樣本處在0—1間。使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的擬合工具, 將2003—2011年的樣本作為訓(xùn)練樣本, 2012年的樣本作為驗(yàn)證樣本。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的參數(shù)為: 輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)根據(jù)1.2.3選定的顯著相關(guān)因子、PF以及PS的組合而決定, 輸出層神經(jīng)元1個(gè)為CPUE, 隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(公式(3))得到。學(xué)習(xí)速率為0.1, 動(dòng)量參數(shù)為0.5。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的終止參數(shù)為: 最大訓(xùn)練批次100次, 最大誤差給定0.001。模型訓(xùn)練10次, 取最優(yōu)結(jié)果, 同時(shí)防止過(guò)擬合狀態(tài)的出現(xiàn)。

其中l(wèi)、n、m分別表示輸入層、隱藏層、輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù), d為0到10之間的常數(shù)。

EBP模型以均方誤差(MSE)作為判斷最優(yōu)模型的標(biāo)準(zhǔn)。擬合殘差是將預(yù)報(bào)值與實(shí)際值進(jìn)行比較所得,其函數(shù)定義式為yk為CPUE的實(shí)際值,y?k為CPUE的預(yù)報(bào)值,N表示CPUE的個(gè)數(shù),k表示CPUE序數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 年CPUE變化

圖2顯示, 2003—2012年莖柔魚(yú)CPUE年間波動(dòng)較大, CPUE較低年份出現(xiàn)在2005年、2008年、2009年和2012年, 最低年份CPUE出現(xiàn)在2007年為4.03t/d, CPUE最高年份出現(xiàn)在2004年為7.07t/d。

2.2 特征環(huán)境因子分析

在1—12月份20°S—20°N、110°W—70°W海域范圍內(nèi), 各月每一個(gè)0.5°×0.5°的SST與本年和次年CPUE作相關(guān)性分析, 發(fā)現(xiàn)SST與本年CPUE相關(guān)性最大值出現(xiàn)在7月份的13°N, 102°W(Point1)(表1, 圖3,圖4a), SST與次年CPUE相關(guān)性最大值出現(xiàn)在6月份的8°N, 103.5°W(Point2)(表1, 圖3, 圖4c)處。

圖2 2003—2012年?yáng)|南太平洋莖柔魚(yú)CPUE變化Fig.2 Variation in CPUE of Dosidicus gigas during 2003 to 2012

圖3 與莖柔魚(yú)資源補(bǔ)充量顯著相關(guān)的關(guān)鍵海區(qū)Fig.3 The key points significantly associated with CPUE and its environmental factors

在1—12月份20°S—20°N、110°W—70°W海域范圍內(nèi), 各月每一個(gè)0.5°×0.5°的SSH與本年和次年CPUE作相關(guān)性分析, 發(fā)現(xiàn)SSH與本年CPUE相關(guān)性最大值出現(xiàn)在9月份的11°N, 102°W(Point3)(表1, 圖3, 圖4b)處, SSH與次年CPUE相關(guān)性最大值出現(xiàn)在2月的12°N, 97.5°W(Point4)(表1, 圖3, 圖4d)處。

在1—12月份20°S—20°N, 110°W—70°W海域范圍內(nèi), 各月每一個(gè)0.5°×0.5°的chla濃度與本年和次年CPUE作相關(guān)性分析, 發(fā)現(xiàn)chla濃度與本年CPUE相關(guān)性最大值出現(xiàn)在3月份的8°S, 107°W(Point5)(表1,圖3, 圖4e)處, chla濃度與次年CPUE相關(guān)性最大值出現(xiàn)在10月的10°S, 93.5°W(Point4)(表1, 圖3, 圖4f)處。

2.3 預(yù)報(bào)模型實(shí)現(xiàn)及結(jié)果比較

利用選定的關(guān)鍵海區(qū)環(huán)境因子以及PS、PF的不同組合作為EBP預(yù)報(bào)模型的輸入因子, 構(gòu)造多種EBP預(yù)報(bào)模型, 分別為:

圖4 特征環(huán)境因子與莖柔魚(yú)資源補(bǔ)充量的線性關(guān)系式Fig.4 The linear regression of CPUE and environmental factors at the key points

方案1: 選取Point1的SST、Point3的SSH、Point5的chla濃度、PF共4個(gè)因子作為輸入層, 構(gòu)造4: 5: 1的EBP網(wǎng)格結(jié)構(gòu), 表示利用索餌環(huán)境關(guān)鍵影響因子建立的預(yù)報(bào)模型。

方案2: 選取Point2的SST、Point4的SSH、Point6的chla濃度、PS共4個(gè)因子作為輸入因子, 構(gòu)造4: 5:1的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 表示利用產(chǎn)卵環(huán)境關(guān)鍵影響因子建立的預(yù)報(bào)模型。

方案3: 選擇Point1與Point2的SST、Point3與Point4的SSH、Point5與Point6的chla濃度、PS、PF共8個(gè)因子作為輸入因子, 構(gòu)造8: 9: 1的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),表示利用綜合環(huán)境關(guān)鍵因子建立的預(yù)報(bào)模型。

利用Matlab進(jìn)行建模, 計(jì)算三種方案下的均方誤差(圖5), 方案2和方案3的均方誤差相近且優(yōu)于方案1, 其準(zhǔn)確率在90%左右。

圖5 不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的模擬結(jié)果和準(zhǔn)確率Fig.5 The simulation result of different neural network models

3 討論

莖柔魚(yú)屬于短生命周期種類。通常認(rèn)為, 東太平洋海域受兩個(gè)低速東部邊界流(秘魯海流和加利福尼亞海流)影響, 并在信風(fēng)作用下產(chǎn)生上升流。上升流區(qū)域環(huán)境對(duì)莖柔魚(yú)幼體和成熟體的生長(zhǎng)、棲息等生活史過(guò)程具有十分重要的影響。兩海流的相對(duì)強(qiáng)弱影響上升流區(qū)域的棲息環(huán)境, 進(jìn)而影響莖柔魚(yú)的產(chǎn)卵、索餌等過(guò)程, 最終影響年度資源豐度的變化。如2003年P(guān)oint2的SST為29.2°C, 溫度較高, 形成產(chǎn)卵場(chǎng)PS比例大, 產(chǎn)卵環(huán)境好, 同時(shí)2004年P(guān)oint1的SST為28.98°C溫度偏低, 說(shuō)明秘魯海流強(qiáng)勁, 形成的上升流中海水的營(yíng)養(yǎng)鹽更為豐富, 索餌環(huán)境較好, 形成2004年CPUE較高的原因。相反地, 2006年P(guān)oint2的SST為28.5°C, 溫度偏低, 形成產(chǎn)卵場(chǎng)PS比例小,產(chǎn)卵環(huán)境較差, 加上2007年P(guān)oint1的SST為29.6°C溫度偏高, 秘魯海流勢(shì)力弱, 索餌環(huán)境較差, 導(dǎo)致2007年的的CPUE很低。

已有的研究表明, 利用莖柔魚(yú)棲息地環(huán)境因子來(lái)預(yù)報(bào)莖柔魚(yú)資源補(bǔ)充量是可行的(Taipeet al, 2001;陳新軍等, 2006; 徐冰等, 2012)。本文利用SST、SSH、chla濃度三種環(huán)境因子與CPUE進(jìn)行相關(guān)性分析, 選取的相關(guān)系數(shù)最大值點(diǎn)與隨機(jī)選取的2010年相同月份的環(huán)境因子疊加發(fā)現(xiàn)(圖6), 關(guān)鍵海區(qū)均在環(huán)境因子等值線之上或附近, 這些位置環(huán)境因子的變化可以作為資源豐度或資源補(bǔ)充量的一個(gè)“指示器”, 其中SST位置與徐冰(2012)的研究結(jié)果基本相似。

圖6 關(guān)鍵區(qū)域與其2010年環(huán)境因子, (a)(b)為7月份和6月份SST, (c)(d)為9月份和2月份SSH, (e)(f)為3月份和10月份chl a濃度Fig.6 The key points and its environmental data in 2010 a: SST in July; b: SST in June; c: SSH in September; d: SSH in February; e: chl-a concentration in March; f: chl-a concentration in October

比較三種方案下的EBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型發(fā)現(xiàn)(圖5)方案2和方案3結(jié)果相近且優(yōu)于方案1, 表明產(chǎn)卵棲息環(huán)境對(duì)資源補(bǔ)充量的影響要大于索餌棲息環(huán)境對(duì)資源補(bǔ)充量的影響, 比較符合短生命周期種類的特征。

莖柔魚(yú)資源補(bǔ)充量預(yù)報(bào)是一件極其復(fù)雜的系統(tǒng)工作。莖柔魚(yú)在其早期生活階段不僅僅受到海域環(huán)境因素的影響, 還受到來(lái)自外部和內(nèi)部的捕食者的影響, 利用其產(chǎn)卵、索餌等生活階段海域環(huán)境因素進(jìn)行資源量評(píng)估只是其中一種重要方法。今后需要結(jié)合物理海洋學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等, 綜合其個(gè)體的生長(zhǎng)、死亡等因素以及海流、初級(jí)生產(chǎn)力等因子, 建立更全面、科學(xué)的莖柔魚(yú)資源補(bǔ)充量預(yù)報(bào)模型, 為莖柔魚(yú)資源合理利用和科學(xué)管理提供依據(jù)。

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