中西太平洋金槍魚圍網漁場聚類及其原因分析

胡啟偉，陳新軍，2，3，4*，徐良琦，余景

(1.上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；2.大洋漁業資源可持續開發省部共建教育部重點實驗室，上海201306；3.國家遠洋漁業工程技術研究中心，上海 201306；4.遠洋漁業協同創新中心，上海 201306；5.上海水產集團總公司，上海 200090；6.中國水產科學院 南海水產研究所，廣東 廣州 510300)

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中西太平洋金槍魚圍網漁場聚類及其原因分析

胡啟偉1，陳新軍1，2，3，4*，徐良琦5，余景6

(1.上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；2.大洋漁業資源可持續開發省部共建教育部重點實驗室，上海201306；3.國家遠洋漁業工程技術研究中心，上海 201306；4.遠洋漁業協同創新中心，上海 201306；5.上海水產集團總公司，上海 200090；6.中國水產科學院 南海水產研究所，廣東 廣州 510300)

本文根據1995—2010年我國中西太平洋金槍魚圍網生產統計數據，按年和月不同時間空間分辨率對金槍魚圍網漁場進行聚類分析，劃定不同漁場類型；同時結合海表溫度(SST)及Nio3.4區指數，探討其漁場類型形成的原因。研究表明，在月為時間尺度下氣候異常事件(El Nio 和La Nia事件)發生頻次與漁場聚類結果類別相關聯，在1—12月發生氣候異常事件頻數分布可劃分為以下幾個階段：1—3月、4—6、7—9月、10—12月，與月時間尺度下金槍魚圍網中心漁場4種聚類結果的時間范圍具有一致性。通過漁場重心聚類結果和El Nio 和La Nia事件分類統計對比發現，在年時間尺度下，氣候異常事件的類型與聚類結果相關聯，聚類結果同一類別包含的年份發生的氣候異常事件具有一致性，即在同一類別下1995年、1997年為強El Nio 年；1998年、2007、年、2009年為正常年份；2010年為強La Nia年；1999年、2000年、2001年為La Nia年；1996年、2008年為La Nia年；2002年、2004年為El Nio 年。研究認為，中心漁場的年際聚類變化與El Nio、La Nia事件的發生分布具有很強的相關性，因此可以利用El Nio、La Nia指標來預測漁場的年間和月份間的變化。

中西太平洋；金槍魚圍網漁場；聚類分析；海表面溫度；厄爾尼諾；拉尼娜

1 引言

金槍魚漁業是眾多太平洋島國和地區重要的生活和經濟來源[1]，我國的金槍魚圍網主要分布在中西太平洋島國附近海域[2]。海洋環境對中西太平洋金槍魚圍網漁場有著重要影響[3]，研究漁場類型對指導科學生產具有重要意義。全球氣候異常也會使其資源和漁場發生波動，特別是厄爾尼諾(El Nio)和拉尼娜(La Nia)事件[4]。有研究表明，厄爾尼諾-南方濤動現象對中西太平洋鰹魚圍網漁場的空間分布有顯著影響[5]。但氣候變化對中西太平洋金槍魚漁業資源豐度卻有不同的意見[1，6]，Lehodey等[6]研究認為，氣候變化會減少該區域金槍魚漁業產量，而Matear等[1]認為沒有太大影響，有關El Nio 和La Nia 事件對金槍魚漁場空間位置和資源豐度分布影響機理有待進一步研究。因此，本研究利用長時間序列的中西太平洋金槍魚圍網漁場數據，結合海洋表面溫度(SST)和El Nio/La Nia事件，運用聚類和空間疊加分析方法分析中西太平洋金槍魚漁場分布及其環境狀況，掌握其資源空間分布的變化規律，為科學指導我國金槍魚圍網生產提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 數據來源

采用1995—2010年1-12月中西太平洋鰹魚生產統計數據以及對應的海表溫度(SST)環境數據，時間分辨率為月，空間分辨率為經緯度5°×5°。經緯范圍為0°～15°S，125°～180°E，其中生產數據包括月份、作業次數以及鰹魚自由群產量(單位：t)和鰹魚流木群(單位：t)，CPUE為每月的捕撈產量(單位：t/月)。SST數據來自美國NOAA的OceanWatch數據庫(http://oceanwatch.pifsc.noaa.gov/las/servlets/dataset)。

2.2 研究方法

(1)CPUE計算。CPUE為每月的單位作業網次捕撈產量。

(2)不同時間尺度的漁場聚類。從年和月兩種尺度對以CPUE為指標的金槍魚圍網漁場進行聚類分析。第一種情況，以 12個月份CPUE為指標對不同年份CPUE類別進行系統聚類。第二種情況，按照16年每年12個月份CPUE為指標對年份進行系統聚類。

(3)聚類方法。系統聚類將n個CPUE樣品各自作為一類，規定樣品之間的距離和類與類之間的空間距離，將距離近的兩類并為一個新類，計算新類與其他類之間的空間距離，重復進行兩個空間距離最近的類合并，每次減少一類，直至所有的樣品合并成為一類。最后形成一個親疏關系圖譜(聚類樹圖形)，通常從圖上能清晰的看出應分為幾類及每類包含的變量。由于在系統聚類中類平均很好地利用了所有樣品之間的信息，在很多情況下它被認為是一種比較好的系統聚類方法。因此，本研究用系統聚類中的類平均法聚類(average linkage method)進行兩種尺度下的聚類分析[7-8]。

定義類與類之間的聚類為兩類最近樣品間的距離[8]，即：

(1)

若某一類GK與GL聚成新的一類，記為GM，類GM與任意已有類GJ之間的距離為[8]:

(2)

類與類之間的平均距離定義為CPUE樣品之間平方距離的平均值。GK與GL之間的平方距離為[8]：

(3)

類間平方距離的遞推公式為[14]：

(4)

(4)不同類別漁場分布與海洋環境關系分析。上述聚類劃分后，重點探討不同類型(本研究中可以取一個代表性年份或者月份)CPUE與海洋環境的關系。利用R軟件繪出每年各月CPUE空間分布熱圖(HeatMap)，通過熱圖顏色的變化分布可以直觀的觀察到CPUE每年每月的變化趨勢。此外，色差也能反應出“冷熱”月份和年份。

(5)z分數(z-score)，也稱標準分數(standard score)是一個數與平均數的差再除以標準差的過程。本研究用z分數表示：“一個給的時間尺度下CPUE分數距離平均數多少個標準差”在平均數之上的分數會得到一個正的標準分數，在平均數之下的分數會得到一個負的標準分數。z分數是一種可以看出某分數在分布中相對位置的方法。z分數能夠真實的反應一個分數距離平均數的相對標準距離[9]。

3 結果

3.1 CPUE的時間變化

由圖1可知，在月的時間尺度下，1995-2010年1-12月CPUE平均值變化不大，穩定在15 t/月左右，但每月CPUE離散變化表現出明顯不同，總體來看2-7月的離散度要小于其他月份。由圖2可知，在年的時間尺度下，1995—2010年均CPUE值變化較大。1997年為16年間的最小值，平均CPUE為10.3 t/網次；2008年為16年間最大值，平均為19.8 t/網次。總體來看(圖1，圖2)，16年間年均CPUE的變化幅度遠比月平均CPUE大。

圖1 1995—2010年各月單位捕撈努力量漁獲量分布Fig.1 Monthly CPUE distribution during 1995 to 2010

圖2 1995—2010年每年12個月份單位捕撈努力量漁獲量分布Fig.2 Monthly CPUE distribution in each year from 1995 to 2010

(1)基于月份的金槍魚圍網漁場聚類

根據R軟件繪制月熱圖和聚類樹(圖3a)，漁場聚類可分為4類：1—3月、4—7月、8—9月及10—12月結果(表1)。以月為時間尺度1—12月發生氣候異常事件(El Nio 和La Nia事件)頻數的分布(圖4和圖5)，可劃分為以下幾個階段：1—3月、4—6月、7—9月、10—12月，與金槍魚圍網中心漁場聚類結果基本具有一致性。此外，由熱圖可知在月時間尺度下(圖3a)，z分數范圍在(-3，3)之間漁場中心變化較大，但分布比較集中在均值附近，只有少部分月份漁場中心變異較大。

(2)基于年份的金槍魚圍網漁場聚類

在年時間尺度下(圖3b)，漁場聚類可分為6類，第一類：1995年、1997年，第二類：1998年、2007年、2009年，第三類：2005年、2010年，第四類：1999年、2000年、2001年，第五類：1996年、2006年、2008年，第六類：2002年、2003年、2004年結果(表1)。通過漁場中心聚類結果和El Nio 和La Nia事件(圖3)分類統計對比發現第一類：1995年、1997年為強厄爾尼諾年，第二類：1998年、2007年、2009年為正常年份，第三類：2010年為強拉尼娜年，第四類：1999年、2000年、2001年為拉尼娜年，第五類：1996年、2008年為拉尼娜年，第六類：2002年、2004年為厄爾尼諾年。因此，中心漁場的年際聚類變化與El Nio、La Nia事件的發生分布基本具有一致性。另外，由熱圖分析(圖3b)可知z分數范圍在(-2，2)之間漁場中心仍存在變化，變化幅度小于月時間尺度，但分布較發散，大多數年份的漁場中心都偏離平均值。這可能是因為年時間尺度大，漁場中心受到不同尺度環境要素的影響。

另外，在聚類的結果中，通過其(圖3a，圖3b)下方的聚類色標可發現在年時間尺度下1995、1997年；月時間尺度下8、9月漁場中心差異較大。

圖3 不同時間尺度下單位捕撈努力量漁獲量聚類和熱圖分布Fig.3 The clustering and heatmap distribution of CPUE at different time scales

時間尺度類別分類結果年11995年、1997年21998年、2007年、2009年32005年、2010年41999年、2000年、2001年51996年、2006年、2008年62002年、2003年、2004年月18月、9月210月、11月、12月31月、2月、3月44月、5月、6月、7月

圖4 1995年1月-2010年12月Nio3.4 區SSTA 時間序列分布Fig.4 The time series distribution of SSTA in the area Nio3.4 from January of 1995 to December of 2010

圖5 1995—2010年12個月份El Nio 和La Nia事件發生次數Fig.5 The frequency of El Nio and La Nia event of 12 months from 1995-2010

3.3 漁場類型與SST的關系

在月時間尺度下，由圖1和6a可知，CPUE變化基本和SST變化一致。其中SST在6、7、8、9月份較其他月份較低，波動幅度偏高，同期CPUE較其他月份出現下降。在年時間尺度下，由圖2、圖6b可知，在1995-2002年SST年際變化幅度較其余年份大，同期CPUE波動范圍較大；在2003-2010年SST變化幅度較小，同期CPUE相對穩定。另外氣候異常變化對CPUE影響較低，例如1997年、2008年是都是氣候異常年份(圖4)，同期年SST和年CPUE都是出現較大幅度的波動。因此，在不同的時間尺度下都發現SST的變化與CPUE的變化密切相關，氣候異常對CPUE的影響顯著。

4 討論與分析

水溫是影響魚類活動最重要的環境因子之一，魚類的分布、洄游遷移和集群等會直接或間接地受到環境溫度的限制[10—11]。本文通過不同時間尺度下CPUE和SST時間序列分析(圖1，圖2，圖6)發現，當SST值在27.0～30.0℃時，CPUE變化趨勢和SST變化趨勢基本一致。

月份時間序列中5—9月SST值明顯低于其他月份分布在27.5～28.5℃之間(圖6b)，對應時間階段CPUE值也出現下降，其值分布在12.5～17.5 t 之間(圖1)。這反映出中西太平洋的金槍魚生長有一定的適宜溫度，27.5～28.5℃并不適合它的生長，唐峰華等[3]研究表明中西太平洋的金槍魚生長最適宜的海表溫度為29～31℃[3]。

圖6 1995—2010年不同時間尺度下海表面溫度分布Fig.6 The distribution of SST at different time scales during January of 1995 to December of 2010

圖7 2009年10月(a)、11月(b)、12月(c)中西太平洋金槍魚CPUE空間分布與SST關系Fig.7 CPUE distribution of tuna and relationship with SST in the west-central Pacificin October(a)，November(b) and Decmber(c) of 2009

圖8 2010年10月(a)、11月(b)、12月(c)中西太平洋金槍魚CPUE空間分布與SST關系Fig.8 CPUE distribution of tuna and relationship with SST in the west-central Pacificin October(a),November(b) and December(c) of 2010

在年時間尺度下，整體來看1995—2002年SST值(在28～29℃之間波動)明顯低于2003—2010年SST值(在28.5～29.5℃之間波動)，年CPUE值的變化基本和SST值變化一致。這一方面反映出了20世紀以來受全球氣候變暖影響中西太平洋海域海表溫度增加，另一方面也表明了氣候變化影響著中西太平洋金槍魚漁業[12]。

根據郭愛等[14]、胡奎偉等[15]、唐峰華等[3]研究結果表明，中西太平洋金槍魚圍網漁場主要分布在SST值為28～32℃的海域，最適SST值為29～31℃，而El Nio和La Nia的發生引起SST的變化是造成金槍魚圍網漁場中心變動的主要原因之一，另外海水溫度的變化還會帶來海水葉綠素、營養鹽等物質的變動[1]，也會對中西太平洋金槍魚圍網漁場中心的變動產生影響。

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Cluster analysis of tuna purse seine fishery in the Western and Central Pacific

Hu Qiwei1，Chen Xinjun1，2，3，4，Xu Liangqi5，Yu Jing6

(1.CollegeofMarineSciences，ShanghaiOceanUniversity，Shanghai201306，China；2.TheKeyLaboratoryofSustainableExploitationofOceanicFisheriesResources，ShanghaiOceanUniversity，MinistryofEducation，Shanghai201306，China; 3.NationalDistant-waterFisheriesEngineeringResearchCenter，Shanghai201306，China; 4.CollaborativeInnovationCenterforDistant-waterFisheries，Shanghai201306，China；5.ShanghaiFisheriesCompany，Shanghai200090，China;6.SouthChinaSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Guangzhou510300,China)

According to production statistics from tuna purse seine fishery during 1995 to 2010，cluster analysis of purse seine fishery by year and month different time scale is analyzed. Combined with sea surface temperature (SST) and Nio3.4 zone index，the causes of different fishing ground type are discussed. The studies shown that the frequency distribution of abnormal weather events (El Nio and La Nia events)are closely related to the class of clustering results of fishing ground in a monthly time scale，which can be divided into the following phases，i.e. January to March，April to June，July to September and October to December，this results is basically consistent with the time range of clustering results of fishing ground. Compared with center of clustering fishing ground and classification statistical of El Nio and La Nia events，it is found that the type of abnormal climate event associated with the results of clustering. Under the same category，the first category is in 1995 and 1997 with strong El Nio years，the second category is 1998，2007 and 2009 with normal year，the third category is 2010 with a strong La Nia year，the fourth category is 1999，2000 and 2001 with La Nia years，the fifth category is 1996 and 2008 with La Nia Year，and category VI is 2002 and 2004 with El Nio years. It is concluded that the changing annual fishing grounds has a strong correlation with the occurrence of El Nio and La Nia events，the index of the El Nio and La Nia can be used to predict the changes of fishing grounds at year and month scales．

the Western and Central Pacific; tuna purse seine fishery class; cluster analysis; sea surface temperature; El Nio； La Nia

2016-06-06；

2016-07-22。

海洋局公益性行業專項(20155014)；上海市科技創新計劃(15DZ1202200)。

胡啟偉(1992—)，男，河南省固始市人，主要研究方向為漁業遙感。E-mail：1140629881@qq.com

*通信作者：陳新軍(1967—)，男，教授。E-mail：xjchen@shou.edu.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2016.12.007

S931

A

0253-4193(2016)12-0066-10

胡啟偉，陳新軍，徐良琦，等. 中西太平洋金槍魚圍網漁場聚類及其原因分析[J].海洋學報，2016，38(12)：66—75，

Hu Qiwei，Chen Xinju，Xu Liangqi，et al. Cluster analysis of tuna purse seine fishery in the Western and Central Pacific [J]. Haiyang Xuebao，2016，38(12)：66—75，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.12.007