丁鵬，鄒曉榮，2，3，4，5*，白思琦，張鵬

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.遠(yuǎn)洋漁業(yè)創(chuàng)新中心，上海 201306；3.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；4.國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；5.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測試驗(yàn)站，上海 201306)

智利竹筴魚Trachurusmurphyi是一種棲息在大洋中上層的高度集群性魚類[1]，廣泛分布于南太平洋，從智利、秘魯、厄瓜多爾等國的專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)一直到西南太平洋的新西蘭外海均有分布[2]。該魚生長快、生產(chǎn)力高，漁獲量多年來一直居于世界前列[3]。2010年后，智利竹筴魚捕撈產(chǎn)量急劇下降。為了實(shí)現(xiàn)該漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，2012年，在中國和沿岸國等遠(yuǎn)洋漁業(yè)國家的推動下成立了南太平洋區(qū)域漁業(yè)管理組織[3]，對該漁業(yè)資源進(jìn)行配額管理。因此，為了提高捕撈效率，有必要對智利竹筴魚漁場進(jìn)行研究。相關(guān)研究中，化成君等[4]利用2005—2008年的數(shù)據(jù)對智利竹筴魚漁場年際和季節(jié)變化，以及單位捕撈努力量漁獲量(CPUE)空間分布與海表面溫度的關(guān)系進(jìn)行了研究；張衡等[5]利用2007年3—12月的數(shù)據(jù)分析了漁場與海表面溫度的時空分布；牛明香等[6]利用2005年數(shù)據(jù)對中心漁場的時空變化及與海洋環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行了研究；陳春光等[7]利用2003—2011年數(shù)據(jù)研究了漁場空間分布及與海表面溫度之間關(guān)系。以上學(xué)者均認(rèn)為，在4—8月，隨著時間的變化，漁場重心呈現(xiàn)向西北方向移動的趨勢。其他學(xué)者也利用2011年前的數(shù)據(jù)對漁場與浮游生物關(guān)系[8]、資源分布[9]、漁場與氣象和水文的關(guān)系[10]、漁場預(yù)報(bào)[11-12]等進(jìn)行過一系列報(bào)道。本研究中，利用2011—2018年的海上調(diào)查數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，將整個漁場劃分為若干海區(qū)，利用漁場重心分析法分別計(jì)算其集群重心，對集群重心與海表面溫度異常值的關(guān)系進(jìn)行分析，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測集群海區(qū)，并進(jìn)行產(chǎn)量占比驗(yàn)證,以期為中國智利竹筴魚漁船生產(chǎn)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

智利竹筴魚捕撈數(shù)據(jù)由中國遠(yuǎn)洋漁業(yè)協(xié)會大型加工拖網(wǎng)項(xiàng)目技術(shù)組提供，數(shù)據(jù)來源于大型拖網(wǎng)漁船“開富號”和“開裕號”。兩船船型相同，船長為91.10 m，型深為9.20 m，船寬為20 m，總噸位為7 671 t，主機(jī)功率為5 920 kW。作業(yè)范圍為27°～45°S、75°～95°W，作業(yè)時間為2011—2018年的4—8月份，空間分辨率為0.25°×0.25°。

環(huán)境數(shù)據(jù)包括海表面溫度(sea surface temperature,SST)、海表面鹽度(sea surface salinity,SSS)、葉綠素濃度(chlorophyll concentration,Chl-a)和海表面溫度異常值(sea surface temperature anomaly,SSTA)，數(shù)據(jù)均來源于Ocean-watch網(wǎng)站(http://oceanwatch pifsc.noaa.gov)。

1.2 方法

1.2.1 智利竹筴魚集群重心 按0.25°×0.25°的空間分辨率逐月統(tǒng)計(jì)每個海區(qū)的產(chǎn)量，篩選出各月份產(chǎn)量為第一、第二、第三的海區(qū)，分別以該海區(qū)的漁場重心為圓心，以1°為半徑將周圍海區(qū)納入其中，定義為智利竹筴魚的集群海區(qū)，計(jì)算集群海區(qū)漁場重心并定義為智利竹筴魚的集群重心H1、H2和H3[13]，重疊海區(qū)可重復(fù)算入集群海區(qū)。然后計(jì)算3個集群海區(qū)內(nèi)漁獲產(chǎn)量占整個漁場總產(chǎn)量的比值，重疊海區(qū)只統(tǒng)計(jì)一次。利用其比值來判斷集群重心的選擇是否具有合理性。集群重心計(jì)算公式[14]為

(1)

(2)

其中:Xi、Yi分別為集群重心的經(jīng)、緯度;Mij為i漁區(qū)j月的產(chǎn)量;Xij為i漁區(qū)j月中心點(diǎn)的經(jīng)度;Yij為i漁區(qū)j月中心點(diǎn)的緯度;k為漁區(qū)的總個數(shù)。

1.2.2 系統(tǒng)聚類分析 系統(tǒng)聚類法[15-17]是將n個不同的樣品作為不同的n類，將相近距離的樣品聚成一類,再將這n-1類中距離最近的聚成新的類，直到所有的樣品被聚為一類。本研究中,使用最短距離法[18]按照月份和集群重心種類進(jìn)行聚類。根據(jù)聚類分析結(jié)果，計(jì)算該類別內(nèi)經(jīng)緯度的平均值[8]，預(yù)測得出每月3個集群重心，定義為固定集群重心H1*、H2*和H3*，并將周圍1°范圍內(nèi)的海區(qū)定義為該月份的固定集群海區(qū)，利用ArcGIS 10.2軟件繪制固定集群重心的時空分布圖。最短距離計(jì)算公式為

(3)

其中：Lij為i年與j年集群重心的距離；MX、MY及NX、NY分別為兩個集群重心的經(jīng)度和緯度。

1.2.3 集群重心偏移與SSTA指數(shù)的關(guān)系 利用固定集群重心H1*、H2*和H3*與集群重心H1、H2、H3的差值來表示經(jīng)緯度的偏移程度，用經(jīng)緯度差值分別與SSTA做相關(guān)性分析[13]。SSTA是指逐月SST數(shù)據(jù)按照時間序列減去其氣候態(tài)月平均SST，得到的海表面溫度異常時間序列[19]。

1.2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測集群重心 誤差反向傳播網(wǎng)絡(luò)(error backpropagation network，BP)屬于多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[20-22]，其主要特點(diǎn)是信號前向傳播，而誤差反向傳播。本研究中,使用DPS軟件進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算，以2011—2017年的數(shù)據(jù)作為擬合樣本，2018年的樣本數(shù)據(jù)作為預(yù)測樣本，以海洋環(huán)境因子SST、SSS和Chl-a結(jié)合固定集群重心H1*、H2*和H3*作為輸入因子，隱含層為一層[23-24]，隱含層神經(jīng)元選取9[13]。以集群重心H1、H2和H3及其產(chǎn)量占比作為輸出因子，進(jìn)行訓(xùn)練。每個月預(yù)測得到3個集群重心，并計(jì)算預(yù)測的集群重心1°海域范圍內(nèi)的實(shí)際產(chǎn)量占整個漁場總產(chǎn)量的比值，驗(yàn)證預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用5-9-3結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1 BP模型結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與分析

2.1 集群海區(qū)產(chǎn)量占比分析

從圖2可見，2011—2017年每個月集群海區(qū)的產(chǎn)量與該月整個漁區(qū)總產(chǎn)量的比值除個別數(shù)為66%和59%外，其余均為70%～97%，集群海區(qū)與整個漁區(qū)的比值均占絕對優(yōu)勢，這表明用所選的3個集群海區(qū)表示整個智利竹筴魚的集群重心具有代表性。4月集群漁區(qū)產(chǎn)量占該月整個漁區(qū)總產(chǎn)量的70%～92%；5月占71%～96%，有一半多的月份在90%以上；6月占76%～96%，其中66%和59%的比值分布在這個月；7月占73%～97%；8月占70%～95%(圖2)。從月份來看，各月份的產(chǎn)量占比基本趨于穩(wěn)定，5月份占比較為集中。

圖2 2011—2017年各月集群海區(qū)產(chǎn)量占比及范圍

2.2 集群重心的時空變化

在圖3中將H1按時間順序相連，可以看出，2011—2012年集群重心分布趨勢可以歸為一類，集群重心4—5月向東北部海域移動，向東移動2°～3°，向北移動1°～2°；5—6月向西北方向推移，向西移動1°左右，向北移動2°～5°；6—7月偏向東北部海域，向東移動1°～2°，向北移動2°～3°；7—8月向西北方向推移且幅度較大，向西移動5°，向北移動2°～7°。

2013—2017年集群重心分布趨勢歸為另一類，集群重心主要往東北方向移動，2014年6—7月和2016年4—5月集群重心向西北小范圍移動，向西移動0.5°～1.0°，向北移動2°～3°；2015年4—5月集群重心向北移動4°左右，向東移動3.5°左右，6—8月向東移動3°左右，向北移動3°左右；2013、2014、2016、2017年4—7月重心向東移動2°～4°，向北移動4°～8°，7—8月的變動范圍較大，向東移動4°～6°，向北移動5°～18°(圖3)。

2.3 固定集群重心的時空變化

系統(tǒng)聚類分析從2011—2017年的樣本中，將同一月份同一類別集群重心進(jìn)行了匯總，并求得該類別內(nèi)集群重心平均值作為未受環(huán)境影響下智利竹筴魚固定集群重心分布。聚類結(jié)果如表1所示。經(jīng)計(jì)算2011—2017年相同月份集群重心的平均值，確定出每月3個固定集群重心。各月份固定集群重心H1*、H2*和H3*及其海域范圍的分布如圖4所示，其中，固定集群重心4月主要集中在43.4°～43.7°S、80.5°～81.3°W海域，5月主要集中在42.4°～42.7°S、79.8°～81.3°W海域，6月主要集中在41°～41.4°S、79.3°～80.7°W海域，7月主要集中在38°～38.4°S、78.9°～79.5°W海域，8月主要集中在28.2°～31°S、77.4°～79.3°W海域。4—7月3個固定集群重心隨著時間的增加逐漸向東北方向移動，緯度移動5°左右，經(jīng)度移動1.7°左右，且重心分布比較集中；8月固定集群重心則向東北方向進(jìn)行大范圍的移動，緯度移動8°左右，經(jīng)度移動1°左右。

表1 系統(tǒng)聚類分析結(jié)果

圖4 固定集群海區(qū)時空變化

2.4 集群重心偏移與海洋環(huán)境的關(guān)系及產(chǎn)量驗(yàn)證

2.4.1 集群重心偏移與SSTA的關(guān)系 集群重心偏移與固定集群重心的差值表示集群重心的偏移。從表2可見，經(jīng)度上2011—2017年間4—8月的偏移與SSTA相關(guān)性分析中，呈現(xiàn)顯著的量均呈負(fù)相關(guān)，緯度上5—8月呈現(xiàn)顯著的量均呈正相關(guān)，4月無相關(guān)性，表明SSTA升高時，集群重心呈現(xiàn)向西北偏移的趨勢，SSTA降低時，集群重心呈現(xiàn)向東南偏移的趨勢。

表2 2011—2017年4—8月集群重心偏移與SSTA間的關(guān)系

2.4.2 集群海區(qū)重心的預(yù)測及產(chǎn)量驗(yàn)證 利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的2018年各月份集群重心與實(shí)際站點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖5所示。從圖5可見：4月預(yù)測的集群重心集中在43.2°～43.3°S、79.9°～80.3°W海域；5月緯度向北移動1.0°左右，集中在42.0°～42.5°S、79.5°～80.5°W海域；6月緯度向北移動2°左右，經(jīng)度向西移動3°左右，集中在40.5°～41.7°S、81.8°～84.9°W海域；7月緯度向北移動4°左右，集中在37.1°S海域附近，經(jīng)度向東移動2°左右，集中在78.3°～78.9°W海域；8月緯度向北出現(xiàn)較大變化，主要集中在22°～22.8°S海域，經(jīng)度集中在74.4°W海域附近。4月的實(shí)際站點(diǎn)與預(yù)測的集群重心大致相同，集中在39.5°～46.2°S、78.4°～82.6°W海域；5月向北移動，集中在41.2°～43.4°S、78.5°～82.2°W海域；6月的實(shí)際站點(diǎn)繼續(xù)向西北方向移動，集中在39.3°～42.8°S、78.2°～88.7°W海域；7月的實(shí)際站點(diǎn)向北移動2°左右，集中在37.0°～40.3°S、78°～92°W海域，與預(yù)測的集群重心有2°左右的偏差；8月的實(shí)際站點(diǎn)向北移動了13°左右，分布在21°～29°S、74°～75.8°W海域。

圖5 2018年4—8月集群海區(qū)時空分布

從圖6可見，預(yù)測的2018年4、5月集群海區(qū)范圍內(nèi)的實(shí)際產(chǎn)量占該月整個漁場總漁獲量的比值分別為82%、79%，6、7、8月分別為60%、56%、48%，從6月份開始占產(chǎn)量比明顯降低。

圖6 預(yù)測的2018年集群海區(qū)各月產(chǎn)量占比

3 討論

3.1 漁場重心的時空變化

以往學(xué)者通常以整個漁場計(jì)算得到的漁場重心來表示魚群的空間變化[4-7,25]，但由于漁場分散較難掌握具體的魚群分布。本研究中，智利竹筴魚漁場集群海區(qū)產(chǎn)量占比表明，魚群的集群重心海區(qū)可以表征漁場重心的具體分布；各月集群海區(qū)占整個漁場漁獲產(chǎn)量的比值絕大多數(shù)為70%～97%，這表明用所選的3個集群海區(qū)表示整個智利竹筴魚的集群重心具有代表性；從移動方向來看，2011—2012年4—7月集群重心向東移動3°～4°，向北移動5°～6°；7—8月集群重心向西北方向移動，向西移動5°左右，向北移動2°～7°。分析魚群的移動規(guī)律與化成君等[4]、陳春光等[7]得出的中心漁場月間變動較為一致。本研究表明，2013—2017年4—7月魚群重心向東移動2°～4°，向北移動4°～8°，7—8月集群重心向東北方向進(jìn)行了長距離的移動，即向東移動4°～6°，向北移動5°～18°，究其原因可能是智利竹筴魚的漁場出現(xiàn)了新的變動。根據(jù)前期研究[7，26-27]，智利竹筴魚幼魚在秘魯和智利被逆流而上的表層育肥，形成成年魚群后向西移動，呈現(xiàn)高齡竹筴魚生活在西部海域的分布特性。由此推測智利竹筴魚集群重心向東移動的原因，可能是成年和高齡竹筴魚向西洄游，使幼魚所占比例升高導(dǎo)致[26]。本研究中在系統(tǒng)分析后得出智利竹筴魚的集群重心海區(qū)和漁場的最新變化，可為智利竹筴魚漁船的生產(chǎn)提供科學(xué)參考。

本研究中，通過聚類分析得出，4—7月智利竹筴魚魚群的固定集群重心在緯度上由南向北移動，為5°左右，經(jīng)度上由西向東移動，為1.7°左右；8月魚群繼續(xù)向東北方向移動，緯度上移動8°左右，經(jīng)度上移動1°左右(表1和圖4)。此現(xiàn)象的成因可能與智利竹筴魚的生活史有關(guān)，4—5月魚群開始集群并向北洄游進(jìn)入越冬期前的索餌洄游期[28]；6—7月智利竹筴魚集群性增強(qiáng)并繼續(xù)向北進(jìn)行越冬洄游，主要在38°～42°S、78°～85°W的海區(qū)內(nèi)形成越冬場[28]；8月魚群繼續(xù)向北洄游進(jìn)入產(chǎn)卵前的索餌洄游期[29]。智利竹筴魚的這一移動路線主要與西風(fēng)偏流、秘魯寒流的流向有關(guān)[6]，水溫的變化導(dǎo)致魚群要向北進(jìn)行索餌集群[6，28-30]。生活史中的索餌洄游、越冬洄游階段與魚群的固定集群重心的變化相對應(yīng)。

3.2 集群重心偏移與SSTA的關(guān)系

集群海區(qū)的形成是多種海洋環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果，但在所有的因素中，一致認(rèn)為海表溫度是最主要的環(huán)境因子之一[4，6,9,11,31]。本研究中，分析集群重心H1、H2和H3與固定集群重心H1*、H2*、H3*在經(jīng)緯度上的差值與SSTA的相關(guān)關(guān)系可以看出，SSTA在經(jīng)度和緯度上對智利竹筴魚集群重心的偏移均有影響，在經(jīng)度上與SSTA值出現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，在緯度上出現(xiàn)顯著的正相關(guān)，即SSTA升高時，智利竹筴魚的集群重心存在向西北方向移動的趨勢，而SSTA降低時，智利竹筴魚的集群重心存在向東南方向移動的趨勢。本研究結(jié)果與楊香帥等[3]的研究結(jié)果相符，其主要原因是智利竹筴魚對溫度更為敏感，容易受到溫度的影響而發(fā)生趨利性洄游[26]。

3.3 集群海區(qū)的產(chǎn)量驗(yàn)證

本研究表明，預(yù)測的2018年4—8月H1、H2和H3 集群海區(qū)重心，隨著月份的增長呈現(xiàn)由南向北、由西向東移動的趨勢。集群海區(qū)產(chǎn)量計(jì)算結(jié)果顯示，4、5月智利竹筴魚分布海區(qū)相對較小且集中，集群海區(qū)的實(shí)際產(chǎn)量占整個漁場總產(chǎn)量的82%和79%，6月產(chǎn)量占比為60%，明顯降低，這與6月魚群密度降低、集群性變差有關(guān)[30]，7、8月智利竹筴魚開始向北進(jìn)行分散索餌[28]，分布相對分散，故集群海區(qū)產(chǎn)量占比分別為56%、48%。本研究中將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與海洋環(huán)境因子相結(jié)合，能更準(zhǔn)確預(yù)測出集群海區(qū)，從而為實(shí)際的漁業(yè)生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

3.4 智利竹筴魚未來重點(diǎn)研究方向

目前，雖然對智利竹筴魚漁場和生物學(xué)方面已有研究，但由于智利竹筴魚漁場產(chǎn)生了新的變化，以及在一些研究領(lǐng)域尚存空白，因此，建議后期還要在以下方面重點(diǎn)開展研究：

1)由于數(shù)據(jù)限制，本研究中選用了空間半徑為1°圓形海域，時間上以月為單位對智利竹筴魚的集群重心進(jìn)行研究。如果將空間半徑改為30′，時間上以周為單位，可以使預(yù)測精度進(jìn)一步提高。

2)智利竹筴魚是棲息在大洋中上層高度的洄游性魚類，其洄游路線的研究鮮有報(bào)道，利用漁場重心加上生物學(xué)數(shù)據(jù)可進(jìn)一步對智利竹筴魚的洄游路線進(jìn)行研究[32]，有利于提高人們對智利竹筴魚的認(rèn)識。

3)根據(jù)已知文獻(xiàn)和智利竹筴魚的生活史推測其漁場產(chǎn)生變化的原因是由于魚群幼魚所占比例升高，但具體原因尚未有具體數(shù)據(jù)支持，后期有必要對近幾年智利竹筴魚生物學(xué)進(jìn)行研究，從而為中國智利竹筴魚漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

4)隨著全球氣候的不斷變化，海洋環(huán)境也隨之發(fā)生了新的變化，因此，應(yīng)對智利竹筴魚資源量和產(chǎn)量變動與海洋環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行研究，以探究不同海洋環(huán)境對資源豐度和漁獲產(chǎn)量的影響，為后續(xù)的產(chǎn)量配額提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

1)本研究中利用2011—2018年8年數(shù)據(jù)將智利竹筴魚整個漁場篩選出了3個海區(qū)并定義為集群重心，相較于以整個漁場計(jì)算漁場重心，提升了其精度。研究發(fā)現(xiàn)，近年來智利竹筴魚漁場位置發(fā)生新的變化，即從2013年開始漁場隨著時間的推移由向西北方向偏移變?yōu)橄驏|北方向偏移。

2)在不受環(huán)境因子的影響下，魚群的固定集群重心由西北向東北方向進(jìn)行移動；SSTA對魚群集群重心的經(jīng)度和緯度均有影響，SSTA升高時，智利竹筴魚的集群重心存在向西北方向移動的趨勢，SSTA降低時，集群重心存在向東南方向移動的趨勢。

3)結(jié)合環(huán)境因子利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對2018年各月的集群重心進(jìn)行預(yù)測，并進(jìn)行產(chǎn)量驗(yàn)證，4、5、6、7、8月集群海區(qū)的產(chǎn)量分別占整個漁場總產(chǎn)量的82%、79%、60%、56%、48%。