基于衛(wèi)星AIS的中西太平洋金槍魚延繩釣漁場分布研究

原作輝，楊東海，樊 偉，張勝茂

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部遠(yuǎn)洋與極地漁業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，上海 200090；2.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306)

金槍魚是各國遠(yuǎn)洋捕撈漁業(yè)的重要經(jīng)濟(jì)魚種，研究金槍魚漁場空間分布規(guī)律不僅是各國遠(yuǎn)洋漁業(yè)戰(zhàn)略的重要組成部分，更是保護(hù)和有效利用金槍魚漁業(yè)資源的關(guān)鍵[1-2]。目前針對金槍魚中心漁場的研究主要依靠商業(yè)漁船的捕撈日志及漁業(yè)組織公布的漁獲數(shù)據(jù)，通過計算單位捕撈努力量漁獲量(catch per unit effort,CPUE)，或利用漁場重心公式等方法求得中心漁場位置，并結(jié)合海表溫度、葉綠素等遙感影像分析中心漁場變動及其與海洋環(huán)境因子關(guān)系[3-6]。然而遠(yuǎn)洋金槍魚漁船海上作業(yè)時間一般在一年以上，漁撈日志返港后才可帶回，且部分企業(yè)日志填寫尚不規(guī)范，因此數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時效性都存在著不足[7]。近幾年來，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展為漁業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)的實時采集管理及應(yīng)用提供了強有力的支持，船舶自動監(jiān)控系統(tǒng)(automatic identification system, AIS)可以近實時地獲得漁船所處位置，發(fā)送經(jīng)緯度、航向、航速等信息，國內(nèi)外學(xué)者對AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘，已在漁船狀態(tài)判別[8-9]、漁場分析[10-11]以及非法捕撈行為監(jiān)控[12-13]等方面取得了一系列成果。AIS衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展更拓展了其在遠(yuǎn)洋漁船漁場分析上的應(yīng)用[14]，遠(yuǎn)洋捕撈作業(yè)漁船經(jīng)衛(wèi)星將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站，信息回報速度快，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，可應(yīng)用于中心漁場的快速分析和預(yù)報，彌補了漁獲數(shù)據(jù)存在的不足。

全局莫蘭指數(shù)和熱點分析是研究漁場全局和局部分布模式的典型空間分析方法，可以得到漁船捕撈努力量的全局空間分布模式以及具有統(tǒng)計顯著性的熱點和冷點，國內(nèi)外針對漁獲數(shù)據(jù)已有研究[15-17]，但基于AIS船位數(shù)據(jù)的討論較少。因此本文利用2017年7-12月中西太平洋金槍魚延繩釣漁船衛(wèi)星AIS數(shù)據(jù)，以全局莫蘭指數(shù)和熱點分析為主要方法尋找金槍魚延繩釣中心漁場位置，研究其空間分布模式及變動情況，并得到中心漁場處海表溫度范圍，以期為中西太平洋金槍魚延繩釣漁船生產(chǎn)作業(yè)及管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 AIS船位數(shù)據(jù)

本文研究區(qū)域為150°W～150°E、25°S～25°N中西太平洋海域。2017年7-12月漁船AIS船位信息來自exactView衛(wèi)星星座傳輸數(shù)據(jù)，主要包括MMSI、船名、呼號、經(jīng)緯度、航向、航速等。金槍魚延繩釣漁船信息來自于中西太平洋漁業(yè)委員會(https://www.wcpfc.int)公布的金槍魚延繩釣漁船記錄。

1.1.2 漁獲量數(shù)據(jù)

金槍魚延繩釣漁獲數(shù)據(jù)來源于2017年9月中水集團(tuán)遠(yuǎn)洋延繩釣漁船在中西太平洋的漁獲記錄，時間分辨率為日，空間分辨率為0.5°×0.5°。數(shù)據(jù)包括作業(yè)日期、經(jīng)緯度、投鉤數(shù)及各金槍魚魚種尾數(shù)、產(chǎn)量。

1.1.3 海洋表面溫度數(shù)據(jù)

海表溫度(sea surface temperature,SST)數(shù)據(jù)來源于NOAA下屬的Ocean Watch網(wǎng)站(http://oceanwatch.pifsc.noaa.gov)，空間分辨率為0.05°×0.05°。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 AIS數(shù)據(jù)處理

將中西太平洋金槍魚延繩釣漁船信息與AIS漁船信息匹配得到漁船列表，繼而得到2017年7-12月研究區(qū)域AIS數(shù)據(jù)。一般情況下，金槍魚延繩釣漁船捕撈狀態(tài)下航速為3～7 kn[18-19]，根據(jù)航速篩選出處于捕撈狀態(tài)下的AIS數(shù)據(jù)，隨后對各船AIS數(shù)據(jù)按每小時進(jìn)行平均，得到平均后各點經(jīng)緯度，每個點即代表該漁船作業(yè)1 h[20]。尺度選擇上，由于空間分辨率過大，每個格網(wǎng)包含的船位點數(shù)過少，不易進(jìn)行高低值聚類判斷；空間分辨率過小，漁場判別結(jié)果表達(dá)不夠精細(xì)[21]，因此文章以0.5°×0.5°的漁區(qū)網(wǎng)格為統(tǒng)計單元，按月為周期，計算各漁區(qū)網(wǎng)格內(nèi)漁船作業(yè)時間作為該漁區(qū)金槍魚延繩釣漁船的捕撈努力量，單位為h。

1.2.2 漁獲數(shù)據(jù)處理

通過匹配船名提取9月份有AIS船位信息的漁船對應(yīng)的漁獲數(shù)據(jù)，將其按經(jīng)緯度0.5° ×0.5° 進(jìn)行漁區(qū)劃分，按月對其作業(yè)位置、尾數(shù)和放鉤數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，計算各漁區(qū)內(nèi)CPUE(單位：尾·千鉤-1)，公式如下[22-23]:

(1)

式(1)中，CPUEi,j、Nfish(i,j)、Nhook(i,j)分別表示第i個經(jīng)度、第j個緯度處方格的月平均CPUE、月漁獲總尾數(shù)、月總投鉤數(shù)。

1.3 研究方法

1.3.1 全局莫蘭指數(shù)參數(shù)計算

為了解金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量在研究區(qū)域內(nèi)的全局空間分布模式，采用空間自相關(guān)分析中的全局莫蘭指數(shù)(Global Moran’s Index)進(jìn)行度量，其計算公式如下[24]：

(2)

式(2)中，n表示樣本數(shù)量，zi、zj為要素i、j的屬性與所有樣本屬性平均值的偏差，wi,j是要素i和要素j之間的空間權(quán)重，若要素i和要素j相鄰，則wi,j=1，反之，則wi,j=0。

全局莫蘭指數(shù)的值域范圍為-1～1，若該值大于0，則表示要素在整個研究區(qū)域內(nèi)為聚集分布，且該值越接近1，表示聚集分布的程度越高；若該值小于0，則表示要素在整個研究區(qū)域內(nèi)為離散分布，該值越接近-1，表示離散分布的程度越高；若該值等于0，則表示要素為隨機分布。在ArcGIS軟件環(huán)境下，Global Moran’s I工具還會返回Z得分和P值，其中Z得分為標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)，Z較大時表示要素呈聚集分布狀態(tài)。P值為假設(shè)地理空間要素在整個空間范圍內(nèi)為隨機分布的概率，P值較小時表示所得空間分布模式為隨機分布的可能性較小。

1.3.2 熱點分析參數(shù)計算

為了解金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量在研究區(qū)域內(nèi)的局部空間分布模式，采用空間自相關(guān)分析方法中的熱點分析(hot spot analysis)統(tǒng)計量對其進(jìn)行度量，熱點分析能識別出具有統(tǒng)計顯著性的漁船捕撈努力量分布熱點和冷點。其計算公式如下[21]：

(3)

1.3.3 中心漁場驗證

按公式(1)得到9月份各漁區(qū)網(wǎng)格內(nèi)CPUE平均值，共102個。計算102個CPUE的上四分位數(shù)Q3，將CPUE大于Q3的漁區(qū)定義為中西太平洋金槍魚延繩釣中心漁場的實際位置[23,26]。根據(jù)經(jīng)緯度將其與熱點分析所得中心漁場進(jìn)行疊加。以熱點區(qū)域?qū)χ行臐O場實際位置的識別率作為中心漁場識別精度[27]，即熱點區(qū)域內(nèi)漁區(qū)與基于CPUE的中心漁場漁區(qū)的重疊個數(shù)占基于CPUE的中心漁場漁區(qū)總數(shù)的百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 中西太平洋金槍魚延繩釣漁船生產(chǎn)狀況分析

由圖1可知，7-9月作業(yè)漁船數(shù)量逐漸增加，10月漁船數(shù)量最少，11、12月作業(yè)漁船數(shù)量較高且基本保持一致；漁船作業(yè)時間7月最少，8、9月基本持平，10月有所減少，11、12月相對較高?？傮w而言，11、12月漁船數(shù)量和作業(yè)時間均較高，是金槍魚延繩釣生產(chǎn)作業(yè)的高峰期，此時中西太平洋金槍魚資源量相對較大；7-10月波動較大，且作業(yè)時間波動幅度小于作業(yè)漁船數(shù)量，10月作業(yè)漁船規(guī)模雖小，但單船平均作業(yè)時間較其它月份大，漁船的捕撈效率較高。

圖1 2017年7-12月中西太平洋金槍魚延繩釣漁船生產(chǎn)狀況統(tǒng)計Fig.1 Fishery statistics of the Western and Central Pacific tuna longliners from July to December 2017

2.2 常規(guī)統(tǒng)計及全局空間自相關(guān)分析

由表1可知，2017年9月漁區(qū)內(nèi)捕撈努力量均值較8月稍小，其余月份均高于前月數(shù)值，表明2017年7-12月漁區(qū)內(nèi)平均作業(yè)時間逐漸延長；所有月份偏態(tài)Sk>0，頻數(shù)分布為正偏；峰態(tài)Ku>3，為高狹峰，說明各月中西太平洋金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量以低值區(qū)域為主，高值區(qū)域較少；各月變異系數(shù)值較大，表明各漁區(qū)內(nèi)捕撈努力量差異較大；所有S2/m值均遠(yuǎn)大于1，表明漁區(qū)內(nèi)捕撈努力量呈強烈聚集分布。全局莫蘭指數(shù)結(jié)果顯示，各月莫蘭指數(shù)均大于0，Z值得分較高且顯著性水平P值為0，表明各月捕撈努力量存在空間自相關(guān)并呈現(xiàn)顯著聚集分布模式。

表1 金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量常規(guī)統(tǒng)計及全局空間自相關(guān)參數(shù)Tab.1 Ordinary statistics and global spatial autocorrelation for the effort of tuna longliners

2.3 熱點分析及中心漁場分布

各月漁船捕撈努力量熱點分析結(jié)果如圖2所示，月份間相同標(biāo)識體現(xiàn)同一漁場的變化。7、8月中心漁場整體分布相似，在160°～174°E、10°S～5°N (B區(qū))存在較大的獨立熱點，8月較7月有向北擴張的趨勢，另在經(jīng)度155°E(A區(qū))、170°E(C區(qū))、180° (F區(qū))、170°W(D區(qū))及155°W(E區(qū))夏威夷群島附近有小型熱點區(qū)域，且8月熱點區(qū)域面積均大于7月，表明8月中心漁場的作業(yè)范圍跨度整體大于7月。 9月赤道附近熱點區(qū)面積減少，在170°E～165°W、5°～15°N (G區(qū))地區(qū)出現(xiàn)東西方向的較大熱點區(qū)域，同時在155°～170°E、10°～20°S (C區(qū))海域熱點范圍變大，此外在165°～175°W、5°～20°S(D區(qū))也存在熱點，但是漁區(qū)較為分散，漁場生產(chǎn)效率較低；10月熱點區(qū)域主要分布在赤道以北173°E～173°W、5°～15°N(G區(qū))，赤道以南存在兩處較小熱點區(qū)域；9、10月夏威夷群島附近水域有作業(yè)點，但未出現(xiàn)明顯的熱點區(qū)域，表明捕撈強度較??；11、12月3個范圍較大的熱點分布大致相同，主要集中在168°～175°E、10°～20°S(C區(qū))，155°～165°W、10°～25°N(E區(qū))，172°E～178°W、5°～15°N(G區(qū))海域，此外11月在170°W(D區(qū))和180° (F區(qū))附近存在兩個熱點區(qū)域。

熱點分析得到的各漁區(qū)Z得分大小反映了中心漁場內(nèi)捕撈努力量聚集程度，可知7月中心漁場內(nèi)捕撈努力量聚集程度最高的漁區(qū)為167°00′～167°30′E、5°30′～6°00′S，154°30′～155°00′W、15°30′～16°00′N，169°00′～169°30′E、13°00′～13°30′S，170°00′～170°30′W、14°00′～14°30′S；8月中心漁場內(nèi)捕撈努力量主要聚集在150°00′～150°30′E、6°30′～7°00′S，163°30′～164°00′E、2°00′～2°30′S，169°30′～170°00′E、17°00′～17°30′S，178°00′～178°30′W、4°00′～4°30′S，169°30′～170°00′W、13°00′～13°30′S，155°30′～156°00′W、18°00′～18°30′N；9月中心漁場內(nèi)捕撈努力量主要聚集在167°30′～168°00′E、6°30′～7°00′S，160°30′～161°00′E、15°00′～15°30′S，166°00′～166°30′W、5°30′～6°00′N，168°30′～169°00′W、7°00′～7°30′S；10月中心漁場內(nèi)捕撈努力量主要聚集在178°30′～179°00′W、14°30′～15°00′N，173°00′～173°30′E、10°30′～11°00′S；11月中心漁場內(nèi)捕撈努力量主要聚集在178°30′～179°00′E、14°00′～14°30′N，173°00′～173°30′E、14°00′～14°30′S，179°30′～180°00′W、0°～0°30′S，171°00′～171°30′W、16°30′～17°00′S，161°00′～161°30′W、24°00′～24°30′N；12月中心漁場內(nèi)捕撈努力量主要聚集在168°30′～169°00′E、16°00′～16°30′S，175°00′～175°30′E、9°00′～9°30′N，159°30′～160°00′W、24°00′～24°30′N。

圖2 2017年7-12月中西太平洋金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量熱點分析Fig.2 Hot spot analysis of the spatial distribution about the fishing effort of the Western and Central Pacific tuna longliners from July to December 2017

由表2可知，從中心漁場的構(gòu)成來看，各月中心漁場漁區(qū)數(shù)所占比例在19%～33%之間，中心漁場捕撈努力量所占比例在41%～56%之間，可知熱點區(qū)域內(nèi)捕撈努力量分布較為密集， 其中7月最為突出，在中心漁區(qū)百分比為19.97%情況下，作業(yè)小時數(shù)占到了41.94%。從中心漁場內(nèi)平均捕撈努力量來看，中心漁場的平均捕撈努力量在19.1～36.5 h之間，8月最低，12月最高，整體上7-9月平均捕撈努力量的投入相差不大，約20 h左右，10-12月投入量均在30 h以上，較7-9月有顯著提高。

表2 中西太平洋金槍魚延繩釣中心漁場漁船生產(chǎn)狀況統(tǒng)計Tab.2 Fishery statistics of the Western and Central Pacific tuna longliners in the central fishing grounds

3 討論

3.1 基于熱點分析的中心漁場識別

利用2017年9月金槍魚延繩釣漁獲數(shù)據(jù)，對基于AIS數(shù)據(jù)和熱點分析得到的中心漁場準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。根據(jù)各漁區(qū)CPUE可得上四分位數(shù)Q3為22.78尾·千鉤-1，在ArcGIS環(huán)境下按該閾值提取后顯示中心漁場實際位置并與熱點區(qū)域疊加，結(jié)果如圖3所示?？芍饦岕~延繩釣漁船捕撈努力量空間分布熱點區(qū)域與基于CPUE的中心漁場區(qū)域有較高的空間一致性?？臻g統(tǒng)計分析得出，基于CPUE得到的中心漁場共包含26個漁區(qū)，其中落入熱點區(qū)域內(nèi)的漁區(qū)為19個，中心漁場識別率為73.1%。驗證結(jié)果表明，基于AIS和熱點分析的中心漁場識別精度較高，能夠滿足實際漁業(yè)研究的需求。

圖3 基于CPUE及AIS數(shù)據(jù)的中心漁場分布疊加圖Fig.3 Overlay map of the central fishing grounds based on CPUE and AIS data.

3.2 中西太平洋金槍魚延繩釣中心漁場與海表溫度的關(guān)系

本文研究了中心漁場與海表溫度的關(guān)系(圖4)。研究區(qū)域為“暖池-冷舌海洋生態(tài)系統(tǒng)”[28-29]，表層水溫分布特點為西暖東冷，西部為暖池，東部為冷舌。由圖4可知，各月中心漁場主要集中在3個區(qū)域：夏威夷群島附近的冷舌區(qū)、28 ℃以上的暖池區(qū)及冷暖鋒面交匯處。夏威夷群島附近SST范圍為25.5～27.5 ℃；赤道周圍10°S～10°N內(nèi)中心漁場處SST為28～30.3 ℃；10°S以南各月中心漁場主要集中在冷暖水域交替地帶，SST范圍為25～29 ℃，根據(jù)文獻(xiàn)[30]金槍魚魚群往往在鋒面地帶獲得豐富的食物，和本文此處熱點區(qū)域吻合。

中西太平洋海域存在著多個金槍魚種類，不同魚種對海表溫度的要求存在差異[31]。研究區(qū)域內(nèi)各月存在多個中心漁場，且中心漁場處海表溫度范圍不盡相同，這應(yīng)該與捕撈魚種有關(guān)。10°S～10°N熱帶區(qū)域主要為大眼金槍魚(Thunnusobesus)和鰹(Katsuwonuspelamis)，樊偉等[32]研究了20°N～20°S中西太平洋區(qū)域大眼金槍魚，結(jié)果顯示大眼金槍魚最適月平均表層水溫約28～29 ℃；胡奎偉等[33]認(rèn)為鰹資源量集中出現(xiàn)在SST為28～30 ℃之間海域，二者的漁場位置及海表溫度范圍與本文基本一致。10°S以南地區(qū)主要有長鰭金槍魚，樊偉[34]指出南太平洋低緯度(10°S)附近的漁場平均SST為26～29 ℃，閆敏等[35]研究環(huán)境因子對南太平洋長鰭金槍魚(Thunnusalalunga)漁場的影響，指出長鰭金槍魚漁場SST分布范圍在26～30 ℃之間，最適范圍為 26～29 ℃，本文與以上結(jié)果稍有差異，原因可能是由于數(shù)據(jù)的時間尺度不同。15°N、155°W夏威夷群島附近是黃鰭金槍魚和大眼金槍魚重要的產(chǎn)卵場，可全年多月產(chǎn)卵[31,36]。眾多研究表明，東太平洋熱帶和亞熱帶地區(qū)大眼金槍魚和黃鰭金槍魚的產(chǎn)卵表層溫度要達(dá)到24 ℃以上，在該溫度下金槍魚才有持續(xù)產(chǎn)卵能力[27]，本文提取的該地區(qū)海表溫度與產(chǎn)卵所需溫度相符。

圖4 2017年7-12月中西太平洋金槍魚延繩釣中心漁場與月平均SST疊加圖Fig.4 Overlay map of the central fishing grounds and monthly average SST from July to December 2017

文章基于2017年7-12月衛(wèi)星AIS數(shù)據(jù)計算漁船捕撈努力量，由于國內(nèi)AIS數(shù)據(jù)應(yīng)用尚處于起步階段，數(shù)據(jù)獲取有限，因此本文所用數(shù)據(jù)時間跨度尚小。前期依靠航速區(qū)分漁船狀態(tài)提取AIS數(shù)據(jù)時主要參照前人經(jīng)驗，目前研究主要是根據(jù)航向和航速等特征構(gòu)建分析模型來判別漁船捕撈狀態(tài)[38-40]，以后將會從該方面考慮，提高判定的準(zhǔn)確度。此外由于AIS數(shù)據(jù)回報頻率與航速有關(guān)，航速越高消息更新越快，加之衛(wèi)星AIS系統(tǒng)本身客觀因素，船只每小時內(nèi)AIS消息數(shù)量相差較大，在按照每小時進(jìn)行算數(shù)平均時也會對結(jié)果帶來影響。隨著AIS衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)洋漁船的海事監(jiān)管體系會愈加完善，數(shù)據(jù)質(zhì)量也將得到提升，從而研究結(jié)果的準(zhǔn)確性也將進(jìn)一步提高。

本文利用全局莫蘭指數(shù)和熱點分析方法探討了中西太平洋金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量空間聚集特征，驗證了熱點區(qū)域為中心漁場的準(zhǔn)確性，分析了2017年7-12月金槍魚延繩釣中心漁場變動情況，提取了中心漁場處海表溫度范圍，所得結(jié)果較好地體現(xiàn)漁場分布的全局和局部特征。本文采用0.5°×0.5°為漁區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，今后將在多空間尺度及其它海洋區(qū)域進(jìn)行深入研究，為遠(yuǎn)洋漁業(yè)漁場分析提供科學(xué)參考。