中西太平洋暖池时空变动及其对鲣分布的影响_林泓羽.pdf

DOI:10.12131/20220235文章编号：20950780（2023）03017308 研究简报 中西太平洋暖池时空变动及其对鲣分布的影响林泓羽1，汪金涛1,2,3,4,5，陈新军1,2,3,4,5，蒋明峰1，许子安1，雷 林1,2,3,4,5，吕泽华1,3,61.上海海洋大学 海洋科学学院，上海 2013062.农业农村部大洋渔业开发重点实验室，上海 2013063.国家远洋渔业工程技术研究中心，上海 2013064.大洋渔业资源可持续开发教育部重点实验室，上海 2013065.农业农村部大洋渔业资源环境科学观测实验站，上海 2013066.国家远洋渔业工程技术研究中心舟山分中心，浙江 舟山 316014摘要：中西太平洋热带海域是世界上最大的鲣(Katsuwonus pelamis)渔场。为合理开发和利用中西太平洋围网鲣自由鱼群的渔业资源，根据19952019年中西太平洋渔业委员会的围网鲣数据计算资源丰度指数，得出渔场重心，并结合海表温度(Sea surface temperature,SST)、海洋尼诺指数(Oceanic Nio Index,ONI)进行皮尔森相关性分析。结果显示，单位捕捞努力量渔获量(Catch per unit effort,CPUE)可用于表征自由鱼群渔场重心的资源丰度，且与暖池重心经度以及右边缘经度有显著相关性；渔场重心与暖池指标(暖池重心经度与右边缘经度)的相对位置以及变动趋势在不同气候模式下存在差异，而在同一气候模式中相同。结果表明，渔场重心可通过暖池重心的变化进行预测，而通过构建暖池场与自由鱼群资源丰度的时空分布关系发现，暖池右边缘能够与自由鱼群的空间分布产生联系，为商业性捕捞围网鲣自由鱼群提供渔场边界的指示，为其资源开发与养护提供科学依据。关键词：鲣；自由鱼群；暖池；厄尔尼诺与南方涛动；中西太平洋中图分类号：S 931.2文献标志码：A 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Spatial-temporal changes in western and central Pacific warm pool andtheir impact on distribution of Katsuwonus pelamisLINHongyu1,WANGJintao1,2,3,4,5,CHENXinjun1,2,3,4,5,JIANGMingfeng1,XUZian1,LEILin1,2,3,4,5,LYUZehua1,3,61.College of Marine Sciences,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China2.Key Laboratory of Oceanic Fisheries Exploration,Ministry of Agriculture and Rural affairs,Shanghai 201306,China3.Shanghai Ocean University/National Engineering Research Center for Oceanic Fisheries,Shanghai 201306,China4.Shanghai Ocean University/Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources,Ministry of Education,Shanghai 201306,China5.Scientific Observing and Experimental Station of Oceanic Fishery Resources,Ministry of Agriculture and Rural affairs,Shanghai 201306,China6.Zhoushan Branch of National Engineering Research Center for Oceanic Fisheries,Zhoushan 316014,ChinaAbstract:The western and central Pacific tropical waters are largest fishing ground for the skipjack tuna(Katsuwonus pelamis)第 19 卷第 3 期南 方 水 产 科 学Vol.19，No.32023 年 6 月South China Fisheries ScienceJun.，2023收稿日期：2022-09-04；修回日期：2022-10-18基金项目：国家自然科学基金项目(41876141)；中西太平洋金枪鱼围网资源立体探测与渔场解析技术(YY-2021C1003)作者简介：林泓羽(1999)，男，硕士研究生，研究方向为人工智能渔业学。E-mail:通信作者：汪金涛(1987)，男，副教授，博士，研究方向为渔情预报及渔业资源评估。E-mail:in the world.To rationalize the development and utilization of the fishery resources of K.pelamis free-swimming school fisheryin the Western and Central Pacific Ocean,we derived the gravity center by calculating the resource abundance index based onthe data of for skipjack tuna from 1995 to 2019 from the Western and Central Pacific Fisheries Commission.Besides,we con-ducted a Pearson correlation analysis by combining sea surface temperature(SST)and Oceanic Nio Index(ONI).The resultsshow that the catch per unit effort(CPUE),which can be used to characterize the resource abundance of the gravity center offree swimming school of skipjack,was significantly correlated with the longitude of the gravity center of the warm pool and thelongitude of the right edge.The relative positions and trends of the CPUE and warm pool indicators(Longitude of the gravi-ty center of the warm pool and longitude of the right edge)were different under different climate modes but were the sameunder the same climate mode.The results show that the changes in the gravity center of the fishing grounds can be predicted bythe warm pools changes in the gravity center.By constructing the spatial-temporal distribution relationship between the warmpool field and the resource abundance,we found that the right edge of the warm pool could be associated with the spatial distri-bution of the free swimming school of skipjack,which provides an indication of the fishing ground boundary of free-swimmingschool stock in commercial fishing purse-seine skipjack tuna,and provides a scientific basis for its resource exploitation and con-servation.Keywords:Katsuwonus pelamis;Free-swimming school fish;Warm pool;El Nio and Southern Oscillation;western and Cen-tral Pacific Ocean气候的变化、异常以及振荡驱动着海洋环境因子的变化，从而影响海洋生态系统的生命活动及过程1。厄尔尼诺南方涛动(ElNioSouthernOscillation,ENSO)(包括厄尔尼诺和拉尼娜事件)起源于赤道太平洋，是太平洋海域气候变化的最强信号，具有年际变动周期2，其基本特征是西太平洋暖池的地带性位移以及大气对流，导致了整个太平洋海盆物理性质和生态系统的改变；具体表现为对各种海洋环境参数的影响，包括海表面温度(Seasurfacetempera-ture,SST)、叶绿素 a 浓度(Chl-a)等，以及对由海洋顶级捕食者(如金枪鱼)共同构成的相互关联的海洋生态系统的影响1,3-4。鲣(Katsuwonus pelamis)广泛分布于各大洋的热带、亚热带海域5，中西太平洋热带海域是世界上最大的鲣渔场6-7。因而，研究中西太平洋鲣资源的时空分布对掌握渔业生产规律和开发鲣资源尤为重要。鲣种群按集群特点进行划分，可分为自由鱼群(Freeswimmingschool,FSC)(亦称起水群)、流木鱼群(Logschool)以及鲸豚附随群(Marinemammalassociatedschool)3 类8；流木鱼群中亦包括人工集鱼装置(Fishaggregationdevice,FAD)鱼群。自 20 世纪80 年代以来，FAD 开始被广泛运用于鲣的围网作业中，是一种高效的捕捞模式9，但捕捞副渔获物非目标种类的幼年大眼金枪鱼(Thunnus obesus)以及黄鳍金枪鱼(T.alba-cares)等严重的问题随之而来10。为此，中西太平洋海域的瑙鲁协定方(Partiestonauruagreement,PNA)制定了相关海洋管理政策以限制和减少 FAD 的使用11。相较于前者，自由鱼群的个体较大，偏好聚集于浅水层12，且围网渔获物中兼捕物种少，但由于其高速游动的特性，捕捞难度较大13。因此，掌握围网鲣自由鱼群的时空分布特性，对于集中捕捉该种群以降低对漂浮物鱼群捕捉的依赖，从而并提高渔业生产效率具有积极作用，对保护金枪鱼的栖息环境与种群结构也具有重要意义14。海洋鱼类资源的时空分布极易受海洋环境因子影响，掌握其时空分布有利于鱼类资源的合理开发和利用。鲣的分布模式受海表面温度影响显著15，已有研究普遍发现鲣资源主要分布在海表温度 2830 的海域16-17，因而该温度区间可作为研究鲣资源时空分布变动的一项参考指标18。Lehodey 等19研究发现鲣作业渔场随暖池边缘(即与29 等温线重合)发生了空间偏移。同时，气候变化在时空尺度上影响着海洋鱼类的分布模式，李政纬17指出，29 等温线东界会受厄尔尼诺与南方涛动影响，进而影响鲣围网渔场的经向分布。受 ENSO 影响，鲣渔场与暖池的时空分布变动具有相同趋势19-20：即厄尔尼诺事件时，渔场重心随暖池东移；拉尼娜事件时，渔场重心随暖池西移21。因此，将暖池变动作为研究围网鲣自由鱼群时空分布的参考指标，能够探究鲣渔场的时空分布特性，更好地进行集中、高效的渔业生产活动，为其资源开发提供科学依据。已有研究仅对历史渔场重心与极端气候指标(如南方涛动指数、海表温异常指数)的关系进行了探讨22-24，而忽略了暖池相关物理海洋指标空间变动而导致的渔场重心变化，其中包括暖池重心处多出现高产量的鲣围网渔场25，以及暖池右边缘经向扩展而具有的潜在东部栖息地26。本研究以 29 等温线作为暖池边界，针对围网鲣自由鱼群的渔场重心与暖池相关指标进行相关性分析，并基于不同的气候模式下探究其时空分布变动之间的关系。174南方水产科学第19卷1 材料与方法 1.1 数据来源中西太平洋围网鲣渔业生产数据来源于中西太平洋渔业委员会(WesternandCentralFisheriesCommission,WCPFC)，数据包括作业日期、作业位置(经纬度)、捕捞努力量、自由鱼群的渔获量等信息。其中时间跨度为 19952019 年，空间范围为 120E150W、20S20N，空间分辨率为 55，样本数共计 7721 个。海洋环境数据为SST，来自哥伦比亚大学气候数据实验室网站(http:/iridl.ldeo.columbia.edu)，空间分辨率为 0.50.5，时间分辨率为月。同时选取 19952019年美国国家海洋与大气管理局气候预测中心(https:/origin.cpc.ncep.noaa.gov)的 Nino3.4 区域(170W120W、5N5S)的平均海温距平作为海洋尼诺指数(OceanicNioIndex,ONI)，其中 ONI 值介于0.5 为正常气候模式，大于 0.5 发生厄尔尼诺事件，小于0.5 发生拉尼娜事件。1.2 研究方法1.2.1重心计算渔业研究中，资源丰度指数通常用于量化渔业中种群丰度的时空变化，如单位捕捞努力量渔获量(Catchperuniteffort,CPUE)和渔获量27。由于现代商业渔业的复杂性，常用的 CPUE 可能无法作为所有物种资源丰度指数的合理表征28，因此将二者均纳入考虑来量化围网鲣自由鱼群的时空分布，进而与暖池相关指标进行比较分析，为围网鲣自由鱼群的渔业生产和资源开发提供借鉴。渔获量大小常用于直接表示渔业的资源丰度，而 CPUE 大小常被认为与渔业资源丰度成正比29，因而可作为表示其局部资源丰度的指标30。本研究对 19952019 年间的渔场重心进行分析计算，作为研究其渔场时空分布变化的描述标准，通过使用渔场重心法来描述中西太平洋围网鲣自由鱼群(以下简称自由鱼群)的时空分布变化，环境因子 SST 的重心计算同理。由于鲣渔场与暖池变动间多为经向变化，因而仅对经向维度进行考虑，渔场重心计算范围与原始数据的空间范围(120E150W、20S20N)一致，同时为更准确地说明中西太平洋暖池的重心变化，在计算各项指标的重心时，本研究中的海域范围聚焦于 110E80W、45S45N，公式如下31：GCPUE=ni(EiLi)niEi(1)GCatch=ni(CiLi)niCi(2)GSST=ni(SiLi)niSi(3)EiCiiLii式中：GCPUE、GCatch分别为自由鱼群渔场两种资源丰度指标的重心经度(以下简称 CPUE 重心和 Catch 重心)；GSST为SST 重心的经度(以下简称暖池重心经度)；为单位捕捞努力量渔获量；为捕捞产量渔获重心；表示经度，为第 经度的重心经度；Si为第 i 经度的温度重心。暖池的右边缘通过自中西太平洋西部海盆起选取连续的 29 等温线右边缘的经度，记作 RSST。1.2.2统计方法采用皮尔森相关性分析32，对暖池指标(暖池重心经度、暖池右边缘经度)与渔场资源丰度重心经度以及气候环境指标 ONI 指数进行相关性分析。相关性在 0.10.3 为弱相关性，0.30.5 间为中度相关性，大于 0.5 为强相关性；P0.05 表示相关，P0.01 为显著相关，P0.05 则表示相关性不显著。1.2.3不同气候模式下鲣资源空间分布建立不同气候模式(正常气候模式、厄尔尼诺年份、拉尼娜年份等)下自由鱼群与暖池间的时空分布图，进一步说明不同气候模式下二者之间的空间相对位置及关系。2 结果 2.1 气候变化下暖池指标与鲣资源重心的关系通过 ONI 指数对气候变化进行量化，并且采用皮尔森检验对暖池相关指标重心及右边缘、渔场资源丰度重心以及 ONI 指数进行相关性检验，发现其在统计学上均呈极显著相关性(图 1)。结果显示，渔场资源丰度重心指标，包括渔获量经向重心 GCatch与单位捕捞努力量渔获量经向重心GCPUE，二者与暖池经向重心呈中度相关性，其中 GCPUE的海洋尼诺指数ONI index暖池重心GSSTCPUE 重心GCPUE海洋尼诺指数ONI index暖池重心GSSTCPUE 重心GCPUECatch 重心GCatch0.790.440.340.240.430.350.290.790.680.88相关性Correlation*.P0.05*.P0.01*.P0.5)时，GCPUE与 GSST东移越过 160E，同时 RSST向东移动，如 1997 年的 610 月等；发生拉尼娜事件(ONI0.5)时，GCPUE与 GSST则分布在 160E 以西海域，同时 RSST向西移动，如 1995 年 8 月1996 年 3 月等。暖池指标 GSST与 RSST间的经向变动关系随时间变化基本呈相同趋势。GCPUE与 GSST在经向上的变动趋势不完全相同。1995 年 14 月、2003 年 14 月、2007 年 15 月和 2016年 15 月等均为 GSST在 GCPUE以东，且经向变动趋势显著相反，而此时均为由发生厄尔尼诺事件向正常气候模式(0.5ONI0.5)转变的月份。当 GSST在 GCPUE以西且经向变动趋势相反时，如 1998 年 612 月、1999 年 51995-011996-011997-011998-011999-012000-012001-012002-012003-012004-012005-012006-012007-012008-012009-012010-012011-012012-012013-012014-012015-012016-012017-012018-012019-01140E160E180160W140W120W 100W80W经度 Longitude年-月 Year-Month1012海洋尼诺指数 ONI indexCPUE 重心 GCPUE暖池重心 GSST暖池右边缘 RSST海洋尼诺指数 ONI index(a)(b)图2 各指标值随时间的变化Fig.2 Changes in values of each indicator along with time176南方水产科学第19卷12 月和 a2010 年 612 月等，此时正发生强烈的拉尼娜事件，受厄尔尼诺事件影响，GSST多位于 GCPUE以东，但此时经向的变动趋势基本相同，如 1997 年 6 月1998 年4 月、2015 年 612 月等。GCPUE与 RSST之间关系和 GSST一致。2.3 不同气候模式下自由鱼群的分布为探明上述不同气候模式下，自由鱼群与暖池间的时空分布关系，选取其中个别月建立时空分布(图 3)。拉尼娜事件选取 2010 年的 1112 月，正常气候模式选取 2013年 1112 月，厄尔尼诺事件选取 2015 年 1112 月，而厄尔尼诺事件转变为正常年份事件的特殊气候模式选取2016 年 45 月。与 ENSO 相关的指标的位移发生在整个中西太平洋，发生拉尼娜事件时(2010 年 1112 月)，暖池面积最小，右150135165165150135120东经E 180 西经W150165165150135东经E 180西经W南回归线1201201351202010-11(a)150135165165150135120东经E 180 西经W150165165150135东经E 180西经W南回归线1201201351202010-12(b)150135165165150135120东经E 180 西经W150165165150135东经E 180西经W南回归线1201201351202013-11(c)150135165165150135120东经E 180 西经W150165165150135东经E 180西经W南回归线120120135120015Equator赤 道152013-12(d)150135165165150135120东经E 180 西经W150165165150135东经E 180西经W南回归线120120135120015Equator赤 道152015-11(e)150135165165150135120东经E 180 西经W150165165150135东经E 180西经W南回归线120120135120015Equator赤 道152015-12(f)150135165165150135120东经E 180 西经W150165165150135东经E 180西经W南回归线1201201351202016-04(g)150135165165150135120东经E 180 西经W150165165150135东经E 180西经W南回归线120120135120015Equator赤 道152016-05(h)2040单位捕捞努力量渔获量 CPUE/(t网1)审图号：GS粤(2023)332号图例Legend29 等温线 29 isotherm0 2 000 4 000 km6010515015015Equator赤 道1515015015Equator赤 道15015Equator赤 道15015Equator赤 道15150151501515015150151501515015图3 不同气候模式下CPUE与暖池的时空分布注：a、b 为拉尼娜气候模式；c、d 为正常气候模式；e、f 为厄尔尼诺气候模式；g、h 为厄尔尼诺气候模式向正常气候模式转变。Fig.3 Spatial-temporal distribution of CPUE and warm pool under different climate modesNote:(a)and(b)are the La Nia climate modes;(c)and(d)are the normal climate modes;(e)and(f)are the El Nio climate modes;(g)and(h)are the climate modes shifting from the El Nio to the normal.第3期林泓羽等:中西太平洋暖池时空变动及其对鲣分布的影响177边缘东部抵达距离最短，接近于 180经线，此时 CPUE 的分布均位于 180经线以西，且集中于太平洋西部美拉尼西亚群岛海域。当正常年份时(2013 年 1112 月)，暖池右边缘的位置相较拉尼娜事件时向东偏移，CPUE 越过 180以东且少量分布。发生厄尔尼诺事件时(2015 年 1112 月)，CPUE 的分布随暖池右边缘位置的东移而向东扩展。此外，一个特殊的气候模式变化应当被纳入考虑，即厄尔尼诺事件转变为正常年份事件(2016 年 45 月)，此时暖池右边缘向西收缩，但 CPUE 的分布仍向东扩展，而相较于厄尔尼诺事件时在热带海域的均匀分布，此时仅在 180以东少量分布，且 CPUE 的大小和数量均下降。在所有的气候模式下，暖池右边缘均位于自由鱼群以东位置，自由鱼群基本均匀分布于暖池范围内，也同样说明了二者之间的紧密联系。3 讨论不同类型的 ENSO 事件通过驱动暖池的空间位移从而改变区域内的海洋环境因子，进一步驱动海洋生态系统及其内部物种资源的响应34。位于中西太平洋的暖池是ENSO 的基本构成要素15，其表面积及位置随 ENSO 事件的变化而改变13,35；即厄尔尼诺事件时，暖池的面积增大，东移到达太平洋中部海域；拉尼娜事件时，暖池的面积减小，西移到西太平洋海盆区域。从暖池指标(本研究中指暖池重心与暖池右边缘)的时空变化入手，可为研究围网鲣自由群对 ENSO 事件的响应提供依据。鲣的资源丰度以及空间分布受海洋环境因子影响36，而海表温度对鲣资源状态的时空分布具有更显著的影响37，在本研究中具体表现为资源丰度的大小及重心的空间分布随 29 海表温度场的影响而变化。由于 ENSO 驱动海表温度变化，受其影响，具有高度洄游的鲣自由鱼群会在沿海生态系统和公海海域之间移动38。Williams 和 Ruaia39指出，ENSO 事件对鲣围网活动空间分布的影响表现为，在厄尔尼诺年份，捕捞活动通常进一步向东扩展，在拉尼娜期间，捕捞活动向西部地区收缩，与本研究的发现(图 3)基本一致。捕捞作业活动的变动同暖池变动规律相同，而渔场重心可以表征捕捞作业活动空间的集中分布程度，但渔场重心与暖池间的协同关系也存在着特异性。受 ENSO 影响，暖池重心的空间变异程度(变异系数 Coefficientofvariation，CV=5.012)要强于渔场重心(CV=2.523)的变化(图 2)，即表现为厄尔尼诺事件时暖池重心位于渔场重心东部，而当拉尼娜事件时暖池重心位于渔场重心西部。这可能是由于受捕捞作业方式影响，围网鲣自由鱼群的渔场重心相较于暖池受气候以及环境变化影响小40。此外，自由鱼群多是体型较大的成年鲣，需寻求适宜的温度环境作为首选栖息地和合适的产卵地，厄尔尼诺事件会导致海表温度升高，温跃层变浅(温跃层是富含营养物质的混合层上下界之间交换的障碍)，营养物质更容易向混合层转移，从而促使深层营养盐在海表扩散，形成具有良好饵料的栖息环境41。然而强烈厄尔尼诺事件时，温度过高导致暖池的长距离东扩，抑制了鲣在热带中西太平洋的产卵活动21；但并未导致渔场范围相应东扩，反而此时在太平洋中部的岛国(如基里巴斯群岛)的围网渔获量更高，分布更集中。而对于厄尔尼诺转变为正常年份这一特殊气候模式的变化，即暖池重心与渔场重心的变化趋势显著相反(暖池重心向西移动而渔场重心仍向东)，可能由于暖池场的西移，导致了适宜的温度范围增大，以便于鲣适宜栖息地的形成。陈洋洋和陈新军23研究得出，Nino3.4 海区指数对CPUE 的影响滞后 02 个月，这可能也是造成渔场重心和暖池重心之间变化不同步的原因。此外，暖池的东扩也与温跃层变浅，以及更强于平时的西太平洋信风有关，从而导致赤道西太平洋的初级生产力增加42。因此，位于140E160E 的所罗门群岛和巴布亚新几内亚的资源丰度在厄尔尼诺现象结束后有所增加，以应对鲣捕捞量的增加以及栖息地收缩的现象，这也进一步解释了渔场重心与暖池重心之间变化的不同步。本研究对围网鲣自由鱼群的渔场指标，以及暖池指标在不同气候模式下的时空分布变化进行探究发现，通过研究暖池重心的变化可以很好地探索及预测渔场重心变化的规律。而通过构建暖池场与自由鱼群资源丰度的时空分布关系发现，暖池右边缘的范围能够很好地与自由鱼群的空间分布联系起来，可为商业性捕捞围网鲣自由鱼群提供渔场边界的指示，也可为今后研究鲣渔场的分布范围提供一项有利参考。本研究对不同资源丰度指标对围网鲣自由鱼群的表征的影响进行了研究，但选取的均为名义上的资源丰度指标(名义的 CPUE)，而未对 CPUE 进行标准化(以消除人为捕捞等因素对资源丰度的影响)，可能会造成研究结果具有一定误差。且仅研究了自由鱼群对暖池指标的响应关系，未与由人工集鱼装置捕捞获得的流木鱼群进行对比。在未来研究中，将对不同集群种类的鲣对暖池响应的差异性进行更细致的研究，以期为中西太平洋的鲣围网作业提供更丰富详尽的科学依据。参考文献：LAN K W,WU Y L,CHEN L C,et al.Effects of climate change inmarine ecosystems based on the spatiotemporal age structure of1178南方水产科学第19卷top predators:a case study of bigeye tuna in the Pacific OceanJ.Front Mar Sci,2021,8(8):614594.郭爱,张扬,余为,等.两类强度厄尔尼诺和拉尼娜事件对中国近海鲐鱼栖息地的影响 J.海洋学报,2018,40(12):58-67.2LEHODEY P,BERTRAND A,HOBDAY A J,et al.ENSO impacton marine fisheries and ecosystemsM.Hoboken,New Jersey:John Wiley&Sons,Inc.,2020:429.3XUE C J,FAN X,DONG Q,et al.Using remote sensing productsto identify marine association 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