西北太平洋柔魚漁場分布與渦動能變化的相關關系

劉瑜，鄭全安，李曉峰*

( 1. 上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；2. 馬里蘭大學 大氣海洋科學系，馬里蘭州 科利吉帕科 20742)

1 引言

柔魚(Ommastrephes bartramii)為我國西北太平洋公海重要經濟魚類之一，通常隨著黑潮進行南北索餌、繁殖洄游，并在黑潮與親潮交匯區形成漁場[1]。在交匯區冷暖水匯流，海水垂直運動加強，營養鹽富集并伴有浮游植物大量繁殖，從而成為高生產力區，吸引浮游動物和魚類來此索餌與繁衍[2]。黑潮延伸體是北太平洋中尺度渦動能（Eddy Kinetic Energy，EKE）最大的海域。研究表明黑潮延伸體大彎曲以及高生產力區域均與渦旋活動有相互聯系[3–4]。渦旋運動過程會影響環流、海溫及葉綠素的垂直和水平分布，從而影響資源豐度和漁場分布。以往研究多為黑潮形態或者黑潮流量對柔魚漁場分布的影響[5–6]，或者將渦動能作為海洋環境要素之一，與其他環境因子如海表溫度、葉綠素、海面高度等建立模型預測漁業資源豐度與漁場分布[7–8]，而黑潮延伸體渦動能對于柔魚漁場分布的影響研究闕如。因此，本文根據中國魷釣船在西北太平洋海域的柔魚生產數據和衛星高度計遙感數據，分析柔魚漁場的渦動能與柔魚的單位捕撈努力量漁獲量（Catch Per Unit Effort，CPUE）的相關關系，同時計算黑潮延伸體渦動能的時空變化及其對柔魚漁場分布的影響，以期尋找柔魚漁場適宜的渦動能范圍，探索西北太平洋柔魚漁場分布對黑潮延伸體渦動能變化的響應，為該漁業資源的評估與科學開發管理提供依據。

2 材料與方法

2.1 數據來源和預處理

柔魚生產數據取自中國遠洋漁業協會上海海洋大學魷釣技術組，數據內容包括作業日期、經度、緯度、日產量（t）和作業船數等，數據時間為2010–2016年的7–11 月，漁船作業范圍主要分布在38°～46°N，147°～170°E。CPUE 定義為每艘船每天的捕撈產量，單位為t/d，作為漁業資源豐度的指標。采用漁場分布重心作為資源量的空間分布和變化指標[9]，計算公式為

式中，X、Y 分別為漁場作業重心的經度和緯度；Ci為作業點i 的CPUE；Xi和Yi分別為作業點i 的緯度和經度；n 為作業總次數。

環境數據為衛星高度計測得的海表面高度異常(Maps Sea Level Anomaly，MSLA)數據，取自法國空間局AVISO 網站（http://www.aviso.oceanobs.com），其中包括海面高度數據和地轉流數據。該數據采用墨卡托投影方式插值，空間分辨率（1/4）° × （1/4）°，時間分辨率為天。渦動能的計算公式為[10]：

式中，EKE 為渦動能，單位為cm2/s2；=u?=v?和分別是緯向速度u 和經向速度 v 的年平均值。

2.2 研究方法

如圖1 所示，西北太平洋柔魚漁場主要分布在黑潮延伸體以北位置。本文以A 區（32°～38°N，138°～168°E）代表黑潮延伸體區域，B 區（31°～34°N，138°～142°E）代表黑潮大彎曲發生的主要區域，再按經度范圍（142°～166°E）等分為C 區（142°～150°E）、D 區（150°～158°E）和E 區（158°～166°E）3 個子區域。參考馮劭華等[11]提出的面積指數，本文定義黑潮延伸體各區域內EKE 大于3 000 cm2/s2所有點的加權和作為EKE 的強度（仍記作EKE）；然后對不同子區域EKE大于3 000 cm2/s2的數據點進行線性回歸擬合，求出一條直線代表該區域的位置，并計算作業點到該直線的垂直距離，記作DIST。

廣義可加模型（Generalized Additive Models,GAM）能夠直接處理響應變量與多個解釋變量之間的非線性關系，也可以獨立得出解釋變量對響應變量的影響效應[12]。本文計算每個漁撈作業點的EKE，按月平均匹配組成樣本集，利用頻率分析法和GAM 模型，估算適宜的EKE 范圍；然后將CPUE 和黑潮延伸體各區域的EKE 強度、漁場重心到EKE 位置的距離，按天和月平均數據組成樣本集，采用回歸分析法和相關性分析法，分析黑潮延伸體EKE 的強度變化及其對漁場空間分布和資源豐度的影響。

3 結果

3.1 柔魚CPUE 與作業漁場EKE 的關系分析

圖2 示出2010?2016 年7?11 月的西北太平洋柔魚的月均CPUE 和EKE 的變化，得出7 年月平均CPUE 和EKE 呈負相關，相關系數為0.78（P ＜ 0.01）。每年的月均CPUE 均呈先增加后遞減趨勢，7 月為1.16 t/d，而2012 年7 月最低為0.68 t/d；8 月和9 月增高，分別為2.40 t/d 和2.63 t/d，2016 年9 月最高為4.48 t/d；10 月和11 月降低，分別為2 t/d 和1.82 t/d。月均EKE 與CPUE 的季節變化呈相反趨勢，7?11 月的平均EKE 分別為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 月為30 cm2/s2，而該月平均CPUE 為3.09 t/d，為月平均CPUE 第二高月份。

圖3 示出2010?2016 年7?11 月CPUE 在各EKE 區間內的累積頻率分布，得出CPUE 主要分布在EKE 范圍為0～100 cm2/s2，該范圍的累積頻率分別為32%、58%、71%、62%和46%，而在0～200 cm2/s2范圍內累積頻率分別為53%、82%、89%、78% 和69%。作業位置主要集中在EKE 較低的區域。結合EKE 與CPUE 關系的GAM 分析圖（圖4），在95%置信度下，CPUE 受到EKE 的影響顯著（P ＜ 0.01），EKE 對CPUE 的有效影響范圍為0～1 500 cm2/s2。在0～500 cm2/s2范圍內，CPUE 隨著EKE 增加而減少，尤其在0～200 cm2/s2呈顯著線性負相關趨勢。在500～1 200 cm2/s2范圍內，隨EKE 升高CPUE 增大，呈非線性相關。GAM 分析結果顯示，柔魚漁場的最佳EKE 范圍為25～150 cm2/s2。

圖 1 研究區域和漁場重心位置（黃色圓圈）Fig. 1 Study area and the locations of fishing ground centroids(yellow circles)

3.2 柔魚CPUE 與黑潮延伸體EKE 的關系分析

圖5 示出2010?2016 年7?11 月的黑潮延伸體EKE_A 與CPUE 的相關分析，可見年平均EKE_A 與CPUE 呈負相關，二者的相關系數為0.81（P ＜ 0.05），這意味著黑潮延伸體中尺度EKE 越活躍的年份，柔魚的CPUE 越低。7 年整體月平均EKE_A 與CPUE呈負相關，相關系數為0.35（P ＜ 0.05）。圖5 還顯示，不同年份的月平均變化趨勢有所不同。經計算，2010–2011 年，月平均EKE_A 與CPUE 為正相關，相關系數為0.80（P ＜ 0.05）；2012?2016 年，二者為負相關，相關系數為0.51（P ＜ 0.05）；2015–2016 年負相關系數達0.78（P ＜ 0.05），其中2016 年9 月的EKE_A 最低為108×104cm2/s2，而該月CPUE 高達4.47 t/d，為研究期間最高值。對于2010 年和2011 年，盡管二者月平均為正相關，但年平均EKE_A 均不高，并且月平均EKE_A的變化幅度較低。這可能與大尺度氣候年際變化有關，同時也受到漁場的作業位置的影響。

圖 2 2010?2016 年7?11 月柔魚的月平均CPUE 和EKE 變化Fig. 2 Variations of the monthly average CPUE and EKE from July to November during 2010?2016

圖 3 2010?2016 年7?11 月CPUE 在各EKE 區間內的累積頻率分布Fig. 3 Distribution of CPUE frequencies in relation to EKE from July to November during 2010?2016

圖 4 EKE 與CPUE 關系 的GAM 分析圖Fig. 4 GAM analysis of the relationship between EKE and CPUE

本研究進一步計算黑潮延伸體各子區域EKE 與CPUE 的相關關系，為發現不同區域的EKE 變化情況，本研究計算了黑潮延伸體B、C、D 和E 子區域2010?2016 年7?11 月逐天EKE 變化，圖6 結果顯示，黑潮延伸體35 個月EKE 總和，E 區為244×106cm2/s2，遠低于C 區的652×106cm2/s2和D 區的648×106cm2/s2，可見黑潮延伸體EKE 強度的年際變化為由西向東逐漸遞減。其中，C 區和D 區不同年份的變化規律略有不同，2013 年、2014 年、2016 年為C 區EKE 高于D區，其他年份相反。對于不同區域，EKE_B以斜率為0.003 2（R2=0.01）遞增，在2010 年、2013 年和2015 年9 月出現3 個峰值，分別為24×104cm2/s2、35×104cm2/s2和40×104cm2/s2；EKE_C、EKE_D、EKE_E 呈遞減趨勢，斜率分別為?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，分別為125×104cm2/s2、148×104cm2/s2和113×104cm2/s2，EKE_D 在2012 年7 月峰值為150×104cm2/s2；EKE_E 峰值在2012 年、2014 年10 月和2013 年9 月，分別為53×104cm2/s2、62×104cm2/s2和55×104cm2/s2。研究發現，C、D、E 3 個區域出現峰值的月份對應的CPUE 則較低，7?10 月CPUE 最低的年份依次為2012 年、2014 年、2013 年和2012 年，而當某區域出現峰值的年份，該區域的EKE 總強度也要高于其他年份。以上分析顯示，柔魚的月平均CPUE變化響應黑潮延伸體的不同子區域的EKE 強度變化，這與該月漁場位置距離動力活躍區域的遠近有關，因此有必要進一步分析不同區域EKE 強度與漁場位置的相關性。

圖7 顯示2010?2016 年7?11 月柔魚CPUE 漁場分布重心主要范圍為39°～44°N，151°～160°E。經計算，月平均CPUE 與緯度重心呈正相關，相關系數為0.65（P＜0.01）。而月平均CPUE 與經度重心無顯著相關，故采用CPUE 緯度重心來反映漁場位置。 由于柔魚漁場的變動，緯度重心分別受不同子區域的影響，表1 為2010?2016 年柔魚CPUE 緯度重心與黑潮延伸體EKE 的相關性分析，相關系數取該月相關最高的區域。結果顯示，7 月CPUE 緯度重心對EKE_D 有明顯響應，而2011 年、2014 年和2015 年7 月經度分布重心變化幅度大且較長時間位于高經度區域，因此，對EKE_E 響應明顯；8 月，除2014 年響應EKE_C，其余年份均響應EKE_B，且相關系數均超過0.70（P ＜0.01）；9 月，2014?2016 年響應EKE_C，2012 年響應EKE_E，其他年份與EKE 相關不顯著，其中，2012 年9 月的經度重心為7 年里最高月份；10 月，2010 年響應EKE_D，2011?2014 年響應EKE_C，而2015 年和2016 年無顯著相關；11 月，為漁船返程期，均與EKE無顯著相關。由此可見，黑潮延伸體EKE 越活躍，柔魚的緯度分布重心越偏北。研究發現，除了與對應的區域EKE 活躍相關外，也與漁場作業位置與活躍區的距離有關。

圖 5 2010?2016 年7?11 月CPUE 與黑潮延伸體EKE_A 相關變化圖Fig. 5 Variations of the monthly average CPUE and EKE_A of the Kuroshio Extension from July to November during 2010?2016

圖 6 2010?2016 年7?11 月黑潮延伸體各子區域的EKE 變化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 月漁場分布經度變化幅度大，故取盛漁期8?10 月CPUE 與各區DIST 進行GAM 分析，結果如圖8 所示。在95%置信度下，GAM 模型顯示A、B、D、E 區域的DIST 對CPUE 影響極為顯著（P ＜ 0.01），C 區影響不顯著（P＞0.05），D 區變化與A 區的變化趨勢最接近。A 區和D 區，在DIST 為800～1 000 km 范圍內，CPUE 與DIST 呈正相關，小于800 km和大于1 000 km 置信度較低，二者沒有顯著相關性；B 區由于距離作業漁區較遠，CPUE 與DIST 在600～800 km 和1 300～1 600 km 范圍內呈負相關，在800～1 000 km 范圍內呈正相關。C 區DIST 主要分布在700 km 左右范圍內，與CPUE 沒有顯著相關性。總的來說，漁場與黑潮延伸體的距離過近（＜ 600 km）或者過遠（＞ 1 000 km），則DIST 對CPUE 沒有影響，而DIST 在800～1 000 km 范圍內，CPUE 隨DIST 增加而增大，其中最適宜的DIST 范圍為850～950 km。

4 討論與分析

柔魚為短生命周期魚類，對海洋環境變化較為敏感，并且具有晝夜垂直洄游的習性[7]。EKE 活躍的區域，海面高度變化大，海水常發生強烈的垂直運動，并引起溫度梯度急劇變化，超過柔魚適應范圍，而溫躍層成了魚類垂直運動時難以逾越的障礙，并且海流流速大時不利于魚群集聚。研究發現，柔魚漁場的EKE與CPUE 季節變化呈顯著負相關，相關系數為0.78（P ＜0.01），其中9 月柔魚CPUE 最高，而對應的最低EKE。根據CPUE 的累積頻率分布，漁場EKE 范圍主要分布在0～200 cm2/s2內，其中9 月70%以上EKE 范圍為0～100 cm2/s2，CPUE 在各EKE 區間范圍內累積頻率為逐漸遞減趨勢。GAM 分析顯示CPUE 受到EKE的影響顯著，有效影響范圍為0～1 500 cm2/s2，最適宜EKE 范圍為25～150 cm2/s2，本研究得出的以上適宜范圍與以往研究結果基本一致[7]。盡管柔魚喜好EKE較低的海域，但柔魚并不集聚在EKE 小于20 cm2/s2的水域，這可能是因為海流和溫度梯度變化若在魚類的適應范圍內，魚群也需要由渦旋引起的海水垂直運動帶來的餌料。

北太平洋柔魚通常進行季節性南北洄游，在長距離的洄游過程中，黑潮和親潮勢力的此消彼長以及黑潮延伸體的環境條件對柔魚的豐度與分布、死亡率以及補充量等產生很大影響[13–14]。總結前人關于黑潮延伸體形態對柔魚的影響主要為黑潮延伸體發生大彎曲，呈大的蛇形擺動時，柔魚漁場的水溫會降低，資源豐度降低，漁場分布重心向北偏移[4–6,12]。通常在黑潮大彎曲發生的年份，黑潮延伸體路徑復雜多變不穩定，常伴有渦旋產生并從黑潮延伸體主軸脫落[3]，從而導致EKE 增加。本研究發現，黑潮延伸體EKE_A 與CPUE 年平均呈顯著負相關關系，EKE 越活躍的年份，柔魚的CPUE 越低，與黑潮延伸體大彎曲產生的結果相一致。但在年際月均變化中，2010 年和2011 年兩年為正相關，其余年份為負相關，其中2015 年和2016 年呈顯著負相關，這可能是因為黑潮延伸體大彎曲主要位于B 區，而由于渦旋和周圍海水相互作用產生的湍流耗散，黑潮延伸體EKE 表現為由西向東遞減的變化趨勢，每年遞減的時間有所區別，因此，月平均CPUE變化響應黑潮延伸體的不同區域EKE 強度的變化。黑潮延伸體EKE 強度在春、夏季較大，這種季節變化機制有多種可能的解釋，如風場的季節性變化引起海洋正壓響應等[15]。

表 1 CPUE 緯度重心與黑潮延伸體EKE 的相關關系Table 1 Correlations of the latitudinal centroids of CPUE to EKE of the Kuroshio Extension

圖 7 2010?2016 年7?11 月CPUE 漁場分布重心變化Fig. 7 Fishing ground centroids from July to November, 2010?2016

本研究發現這種變化更多影響著漁場的分布，由于渦旋在運動過程中能量不斷耗散[16]，因此其影響具有一定的范圍，這導致響應區域與漁場的距離遠近相關，研究結果顯示，8?10 月盛漁期DIST 在800～1 000 km范圍內，CPUE 隨DIST 增加而增大，其中最適宜的DIST 范圍為850～950 km。前文計算給出的CPUE 2013 年、2014 年和2015 年連續3 年對黑潮延伸體的響應特征卻各不相同，本文將這3 年盛漁期月份的漁場重心與月均EKE 分布圖疊加，以更好的說明響應區域的特征。從圖9 中可以看出，2013 年黑潮延伸體路徑變化復雜，黑潮延伸體主軸南北側渦旋較多，這意味著8 月B 區EKE 增強，9 月B 區和C 區EKE 均較強，因此，2013 年8 月和9 月漁場位置分別響應B 區和C 區的EKE 強度。在2014 年，黑潮延伸體路徑總體平順，渦旋較少，僅C 區在黑潮延伸體南側出現一個明顯的渦旋，該渦旋持續發展到10 月，因此，2014 年漁場位置盛漁期期間一直響應C 區的EKE 強度變化。而2015 年黑潮路徑雖然總體彎曲較多，但渦旋數量不多，在B 區的一個環狀的渦旋持續到10 月稍減弱，因此2015 年漁場位置盛漁期在8 月份響應B 區的EKE 強度變化。而漁場與黑潮延伸體的距離的響應表現為，2014 年的經緯度均較高，2015 年的經緯度均為7 年中最低的年份，而CPUE 最高月份為10 月，與其他年份的盛漁期時間相反。結合表1，研究結果顯示，CPUE 的緯度重心響應該月EKE 強度最高的子區域，并與其響應子區域的EKE 呈正相關，因此當EKE 強度增大，漁場位置越偏北。

圖 8 不同區域DIST 與CPUE 關系的GAM 分析Fig. 8 GAM analysis of the relationship between DIST of sub-areas and CPUE

由此可見，黑潮及黑潮延伸體的EKE 變化不僅影響柔魚漁場分布，而且影響著漁場與黑潮延伸體的距離，從而影響柔魚的洄游路線和漁場變動，而且大尺度氣候變化也影響著漁場的變動[17]，今后需要進一步開展黑潮及黑潮延伸體與其他環境因子如溫度、海表面高度和葉綠素等對柔魚資源豐度和漁場分布變動影響的綜合分析研究。

圖 9 2013?2015 年8?10 月漁場重心與月平均EKE 分布圖（黃色圓圈表示漁場重心）Fig. 9 Maps of fishing ground centroids (yellow circles) with backgrounds of monthly average EKE from August to October, 2013?2015