西北太平洋柔鱼渔场分布与涡动能变化的相关关系

刘瑜，郑全安，李晓峰*

( 1. 上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306；2. 马里兰大学 大气海洋科学系，马里兰州 科利吉帕科 20742)

1 引言

柔鱼(Ommastrephes bartramii)为我国西北太平洋公海重要经济鱼类之一，通常随着黑潮进行南北索饵、繁殖洄游，并在黑潮与亲潮交汇区形成渔场[1]。在交汇区冷暖水汇流，海水垂直运动加强，营养盐富集并伴有浮游植物大量繁殖，从而成为高生产力区，吸引浮游动物和鱼类来此索饵与繁衍[2]。黑潮延伸体是北太平洋中尺度涡动能（Eddy Kinetic Energy，EKE）最大的海域。研究表明黑潮延伸体大弯曲以及高生产力区域均与涡旋活动有相互联系[3–4]。涡旋运动过程会影响环流、海温及叶绿素的垂直和水平分布，从而影响资源丰度和渔场分布。以往研究多为黑潮形态或者黑潮流量对柔鱼渔场分布的影响[5–6]，或者将涡动能作为海洋环境要素之一，与其他环境因子如海表温度、叶绿素、海面高度等建立模型预测渔业资源丰度与渔场分布[7–8]，而黑潮延伸体涡动能对于柔鱼渔场分布的影响研究阙如。因此，本文根据中国鱿钓船在西北太平洋海域的柔鱼生产数据和卫星高度计遥感数据，分析柔鱼渔场的涡动能与柔鱼的单位捕捞努力量渔获量（Catch Per Unit Effort，CPUE）的相关关系，同时计算黑潮延伸体涡动能的时空变化及其对柔鱼渔场分布的影响，以期寻找柔鱼渔场适宜的涡动能范围，探索西北太平洋柔鱼渔场分布对黑潮延伸体涡动能变化的响应，为该渔业资源的评估与科学开发管理提供依据。

2 材料与方法

2.1 数据来源和预处理

柔鱼生产数据取自中国远洋渔业协会上海海洋大学鱿钓技术组，数据内容包括作业日期、经度、纬度、日产量（t）和作业船数等，数据时间为2010–2016年的7–11 月，渔船作业范围主要分布在38°～46°N，147°～170°E。CPUE 定义为每艘船每天的捕捞产量，单位为t/d，作为渔业资源丰度的指标。采用渔场分布重心作为资源量的空间分布和变化指标[9]，计算公式为

式中，X、Y 分别为渔场作业重心的经度和纬度；Ci为作业点i 的CPUE；Xi和Yi分别为作业点i 的纬度和经度；n 为作业总次数。

环境数据为卫星高度计测得的海表面高度异常(Maps Sea Level Anomaly，MSLA)数据，取自法国空间局AVISO 网站（http://www.aviso.oceanobs.com），其中包括海面高度数据和地转流数据。该数据采用墨卡托投影方式插值，空间分辨率（1/4）° × （1/4）°，时间分辨率为天。涡动能的计算公式为[10]：

式中，EKE 为涡动能，单位为cm2/s2；=u−=v−和分别是纬向速度u 和经向速度 v 的年平均值。

2.2 研究方法

如图1 所示，西北太平洋柔鱼渔场主要分布在黑潮延伸体以北位置。本文以A 区（32°～38°N，138°～168°E）代表黑潮延伸体区域，B 区（31°～34°N，138°～142°E）代表黑潮大弯曲发生的主要区域，再按经度范围（142°～166°E）等分为C 区（142°～150°E）、D 区（150°～158°E）和E 区（158°～166°E）3 个子区域。参考冯劭华等[11]提出的面积指数，本文定义黑潮延伸体各区域内EKE 大于3 000 cm2/s2所有点的加权和作为EKE 的强度（仍记作EKE）；然后对不同子区域EKE大于3 000 cm2/s2的数据点进行线性回归拟合，求出一条直线代表该区域的位置，并计算作业点到该直线的垂直距离，记作DIST。

广义可加模型（Generalized Additive Models,GAM）能够直接处理响应变量与多个解释变量之间的非线性关系，也可以独立得出解释变量对响应变量的影响效应[12]。本文计算每个渔捞作业点的EKE，按月平均匹配组成样本集，利用频率分析法和GAM 模型，估算适宜的EKE 范围；然后将CPUE 和黑潮延伸体各区域的EKE 强度、渔场重心到EKE 位置的距离，按天和月平均数据组成样本集，采用回归分析法和相关性分析法，分析黑潮延伸体EKE 的强度变化及其对渔场空间分布和资源丰度的影响。

3 结果

3.1 柔鱼CPUE 与作业渔场EKE 的关系分析

图2 示出2010−2016 年7−11 月的西北太平洋柔鱼的月均CPUE 和EKE 的变化，得出7 年月平均CPUE 和EKE 呈负相关，相关系数为0.78（P ＜ 0.01）。每年的月均CPUE 均呈先增加后递减趋势，7 月为1.16 t/d，而2012 年7 月最低为0.68 t/d；8 月和9 月增高，分别为2.40 t/d 和2.63 t/d，2016 年9 月最高为4.48 t/d；10 月和11 月降低，分别为2 t/d 和1.82 t/d。月均EKE 与CPUE 的季节变化呈相反趋势，7−11 月的平均EKE 分别为264 cm2/s2、206 cm2/s2、100 cm2/s2、145 cm2/s2和173 cm2/s2，其中除了2015 年7 月、8 月和2016 年7 月之外，月平均EKE 低于300 cm2/s2，最低在2011 年9 月为30 cm2/s2，而该月平均CPUE 为3.09 t/d，为月平均CPUE 第二高月份。

图3 示出2010−2016 年7−11 月CPUE 在各EKE 区间内的累积频率分布，得出CPUE 主要分布在EKE 范围为0～100 cm2/s2，该范围的累积频率分别为32%、58%、71%、62%和46%，而在0～200 cm2/s2范围内累积频率分别为53%、82%、89%、78% 和69%。作业位置主要集中在EKE 较低的区域。结合EKE 与CPUE 关系的GAM 分析图（图4），在95%置信度下，CPUE 受到EKE 的影响显著（P ＜ 0.01），EKE 对CPUE 的有效影响范围为0～1 500 cm2/s2。在0～500 cm2/s2范围内，CPUE 随着EKE 增加而减少，尤其在0～200 cm2/s2呈显著线性负相关趋势。在500～1 200 cm2/s2范围内，随EKE 升高CPUE 增大，呈非线性相关。GAM 分析结果显示，柔鱼渔场的最佳EKE 范围为25～150 cm2/s2。

图 1 研究区域和渔场重心位置（黄色圆圈）Fig. 1 Study area and the locations of fishing ground centroids(yellow circles)

3.2 柔鱼CPUE 与黑潮延伸体EKE 的关系分析

图5 示出2010−2016 年7−11 月的黑潮延伸体EKE_A 与CPUE 的相关分析，可见年平均EKE_A 与CPUE 呈负相关，二者的相关系数为0.81（P ＜ 0.05），这意味着黑潮延伸体中尺度EKE 越活跃的年份，柔鱼的CPUE 越低。7 年整体月平均EKE_A 与CPUE呈负相关，相关系数为0.35（P ＜ 0.05）。图5 还显示，不同年份的月平均变化趋势有所不同。经计算，2010–2011 年，月平均EKE_A 与CPUE 为正相关，相关系数为0.80（P ＜ 0.05）；2012−2016 年，二者为负相关，相关系数为0.51（P ＜ 0.05）；2015–2016 年负相关系数达0.78（P ＜ 0.05），其中2016 年9 月的EKE_A 最低为108×104cm2/s2，而该月CPUE 高达4.47 t/d，为研究期间最高值。对于2010 年和2011 年，尽管二者月平均为正相关，但年平均EKE_A 均不高，并且月平均EKE_A的变化幅度较低。这可能与大尺度气候年际变化有关，同时也受到渔场的作业位置的影响。

图 2 2010−2016 年7−11 月柔鱼的月平均CPUE 和EKE 变化Fig. 2 Variations of the monthly average CPUE and EKE from July to November during 2010−2016

图 3 2010−2016 年7−11 月CPUE 在各EKE 区间内的累积频率分布Fig. 3 Distribution of CPUE frequencies in relation to EKE from July to November during 2010−2016

图 4 EKE 与CPUE 关系 的GAM 分析图Fig. 4 GAM analysis of the relationship between EKE and CPUE

本研究进一步计算黑潮延伸体各子区域EKE 与CPUE 的相关关系，为发现不同区域的EKE 变化情况，本研究计算了黑潮延伸体B、C、D 和E 子区域2010−2016 年7−11 月逐天EKE 变化，图6 结果显示，黑潮延伸体35 个月EKE 总和，E 区为244×106cm2/s2，远低于C 区的652×106cm2/s2和D 区的648×106cm2/s2，可见黑潮延伸体EKE 强度的年际变化为由西向东逐渐递减。其中，C 区和D 区不同年份的变化规律略有不同，2013 年、2014 年、2016 年为C 区EKE 高于D区，其他年份相反。对于不同区域，EKE_B以斜率为0.003 2（R2=0.01）递增，在2010 年、2013 年和2015 年9 月出现3 个峰值，分别为24×104cm2/s2、35×104cm2/s2和40×104cm2/s2；EKE_C、EKE_D、EKE_E 呈递减趋势，斜率分别为−0.005 8（R2=0.01）、−0.042 5（R2=0.24）和−0.016 9（R2=0.18）。EKE_C 峰值在2012 年、2013 年7 月和2014 年8 月，分别为125×104cm2/s2、148×104cm2/s2和113×104cm2/s2，EKE_D 在2012 年7 月峰值为150×104cm2/s2；EKE_E 峰值在2012 年、2014 年10 月和2013 年9 月，分别为53×104cm2/s2、62×104cm2/s2和55×104cm2/s2。研究发现，C、D、E 3 个区域出现峰值的月份对应的CPUE 则较低，7−10 月CPUE 最低的年份依次为2012 年、2014 年、2013 年和2012 年，而当某区域出现峰值的年份，该区域的EKE 总强度也要高于其他年份。以上分析显示，柔鱼的月平均CPUE变化响应黑潮延伸体的不同子区域的EKE 强度变化，这与该月渔场位置距离动力活跃区域的远近有关，因此有必要进一步分析不同区域EKE 强度与渔场位置的相关性。

图7 显示2010−2016 年7−11 月柔鱼CPUE 渔场分布重心主要范围为39°～44°N，151°～160°E。经计算，月平均CPUE 与纬度重心呈正相关，相关系数为0.65（P＜0.01）。而月平均CPUE 与经度重心无显著相关，故采用CPUE 纬度重心来反映渔场位置。 由于柔鱼渔场的变动，纬度重心分别受不同子区域的影响，表1 为2010−2016 年柔鱼CPUE 纬度重心与黑潮延伸体EKE 的相关性分析，相关系数取该月相关最高的区域。结果显示，7 月CPUE 纬度重心对EKE_D 有明显响应，而2011 年、2014 年和2015 年7 月经度分布重心变化幅度大且较长时间位于高经度区域，因此，对EKE_E 响应明显；8 月，除2014 年响应EKE_C，其余年份均响应EKE_B，且相关系数均超过0.70（P ＜0.01）；9 月，2014−2016 年响应EKE_C，2012 年响应EKE_E，其他年份与EKE 相关不显著，其中，2012 年9 月的经度重心为7 年里最高月份；10 月，2010 年响应EKE_D，2011−2014 年响应EKE_C，而2015 年和2016 年无显著相关；11 月，为渔船返程期，均与EKE无显著相关。由此可见，黑潮延伸体EKE 越活跃，柔鱼的纬度分布重心越偏北。研究发现，除了与对应的区域EKE 活跃相关外，也与渔场作业位置与活跃区的距离有关。

图 5 2010−2016 年7−11 月CPUE 与黑潮延伸体EKE_A 相关变化图Fig. 5 Variations of the monthly average CPUE and EKE_A of the Kuroshio Extension from July to November during 2010−2016

图 6 2010−2016 年7−11 月黑潮延伸体各子区域的EKE 变化Fig. 6 Variations of the EKE in sub-areas of the Kuroshio Extension from July to November during 2010−2016

由于7 月和11 月渔场分布经度变化幅度大，故取盛渔期8−10 月CPUE 与各区DIST 进行GAM 分析，结果如图8 所示。在95%置信度下，GAM 模型显示A、B、D、E 区域的DIST 对CPUE 影响极为显著（P ＜ 0.01），C 区影响不显著（P＞0.05），D 区变化与A 区的变化趋势最接近。A 区和D 区，在DIST 为800～1 000 km 范围内，CPUE 与DIST 呈正相关，小于800 km和大于1 000 km 置信度较低，二者没有显著相关性；B 区由于距离作业渔区较远，CPUE 与DIST 在600～800 km 和1 300～1 600 km 范围内呈负相关，在800～1 000 km 范围内呈正相关。C 区DIST 主要分布在700 km 左右范围内，与CPUE 没有显著相关性。总的来说，渔场与黑潮延伸体的距离过近（＜ 600 km）或者过远（＞ 1 000 km），则DIST 对CPUE 没有影响，而DIST 在800～1 000 km 范围内，CPUE 随DIST 增加而增大，其中最适宜的DIST 范围为850～950 km。

4 讨论与分析

柔鱼为短生命周期鱼类，对海洋环境变化较为敏感，并且具有昼夜垂直洄游的习性[7]。EKE 活跃的区域，海面高度变化大，海水常发生强烈的垂直运动，并引起温度梯度急剧变化，超过柔鱼适应范围，而温跃层成了鱼类垂直运动时难以逾越的障碍，并且海流流速大时不利于鱼群集聚。研究发现，柔鱼渔场的EKE与CPUE 季节变化呈显著负相关，相关系数为0.78（P ＜0.01），其中9 月柔鱼CPUE 最高，而对应的最低EKE。根据CPUE 的累积频率分布，渔场EKE 范围主要分布在0～200 cm2/s2内，其中9 月70%以上EKE 范围为0～100 cm2/s2，CPUE 在各EKE 区间范围内累积频率为逐渐递减趋势。GAM 分析显示CPUE 受到EKE的影响显著，有效影响范围为0～1 500 cm2/s2，最适宜EKE 范围为25～150 cm2/s2，本研究得出的以上适宜范围与以往研究结果基本一致[7]。尽管柔鱼喜好EKE较低的海域，但柔鱼并不集聚在EKE 小于20 cm2/s2的水域，这可能是因为海流和温度梯度变化若在鱼类的适应范围内，鱼群也需要由涡旋引起的海水垂直运动带来的饵料。

北太平洋柔鱼通常进行季节性南北洄游，在长距离的洄游过程中，黑潮和亲潮势力的此消彼长以及黑潮延伸体的环境条件对柔鱼的丰度与分布、死亡率以及补充量等产生很大影响[13–14]。总结前人关于黑潮延伸体形态对柔鱼的影响主要为黑潮延伸体发生大弯曲，呈大的蛇形摆动时，柔鱼渔场的水温会降低，资源丰度降低，渔场分布重心向北偏移[4–6,12]。通常在黑潮大弯曲发生的年份，黑潮延伸体路径复杂多变不稳定，常伴有涡旋产生并从黑潮延伸体主轴脱落[3]，从而导致EKE 增加。本研究发现，黑潮延伸体EKE_A 与CPUE 年平均呈显著负相关关系，EKE 越活跃的年份，柔鱼的CPUE 越低，与黑潮延伸体大弯曲产生的结果相一致。但在年际月均变化中，2010 年和2011 年两年为正相关，其余年份为负相关，其中2015 年和2016 年呈显著负相关，这可能是因为黑潮延伸体大弯曲主要位于B 区，而由于涡旋和周围海水相互作用产生的湍流耗散，黑潮延伸体EKE 表现为由西向东递减的变化趋势，每年递减的时间有所区别，因此，月平均CPUE变化响应黑潮延伸体的不同区域EKE 强度的变化。黑潮延伸体EKE 强度在春、夏季较大，这种季节变化机制有多种可能的解释，如风场的季节性变化引起海洋正压响应等[15]。

表 1 CPUE 纬度重心与黑潮延伸体EKE 的相关关系Table 1 Correlations of the latitudinal centroids of CPUE to EKE of the Kuroshio Extension

图 7 2010−2016 年7−11 月CPUE 渔场分布重心变化Fig. 7 Fishing ground centroids from July to November, 2010−2016

本研究发现这种变化更多影响着渔场的分布，由于涡旋在运动过程中能量不断耗散[16]，因此其影响具有一定的范围，这导致响应区域与渔场的距离远近相关，研究结果显示，8−10 月盛渔期DIST 在800～1 000 km范围内，CPUE 随DIST 增加而增大，其中最适宜的DIST 范围为850～950 km。前文计算给出的CPUE 2013 年、2014 年和2015 年连续3 年对黑潮延伸体的响应特征却各不相同，本文将这3 年盛渔期月份的渔场重心与月均EKE 分布图叠加，以更好的说明响应区域的特征。从图9 中可以看出，2013 年黑潮延伸体路径变化复杂，黑潮延伸体主轴南北侧涡旋较多，这意味着8 月B 区EKE 增强，9 月B 区和C 区EKE 均较强，因此，2013 年8 月和9 月渔场位置分别响应B 区和C 区的EKE 强度。在2014 年，黑潮延伸体路径总体平顺，涡旋较少，仅C 区在黑潮延伸体南侧出现一个明显的涡旋，该涡旋持续发展到10 月，因此，2014 年渔场位置盛渔期期间一直响应C 区的EKE 强度变化。而2015 年黑潮路径虽然总体弯曲较多，但涡旋数量不多，在B 区的一个环状的涡旋持续到10 月稍减弱，因此2015 年渔场位置盛渔期在8 月份响应B 区的EKE 强度变化。而渔场与黑潮延伸体的距离的响应表现为，2014 年的经纬度均较高，2015 年的经纬度均为7 年中最低的年份，而CPUE 最高月份为10 月，与其他年份的盛渔期时间相反。结合表1，研究结果显示，CPUE 的纬度重心响应该月EKE 强度最高的子区域，并与其响应子区域的EKE 呈正相关，因此当EKE 强度增大，渔场位置越偏北。

图 8 不同区域DIST 与CPUE 关系的GAM 分析Fig. 8 GAM analysis of the relationship between DIST of sub-areas and CPUE

由此可见，黑潮及黑潮延伸体的EKE 变化不仅影响柔鱼渔场分布，而且影响着渔场与黑潮延伸体的距离，从而影响柔鱼的洄游路线和渔场变动，而且大尺度气候变化也影响着渔场的变动[17]，今后需要进一步开展黑潮及黑潮延伸体与其他环境因子如温度、海表面高度和叶绿素等对柔鱼资源丰度和渔场分布变动影响的综合分析研究。

图 9 2013−2015 年8−10 月渔场重心与月平均EKE 分布图（黄色圆圈表示渔场重心）Fig. 9 Maps of fishing ground centroids (yellow circles) with backgrounds of monthly average EKE from August to October, 2013−2015