太平洋年代际振荡对东海小黄鱼渔获量的影响：滞后效应及三类环境通道

《Oceans》：Impacts of the Pacific Decadal Oscillation on the Catch of Larimichthys polyactis in the East China Sea

　　

太平洋年代际振荡（PDO）是北太平洋海表温度变率的主导模态，对海洋渔业产生深远影响。本研究聚焦东海（ECS）小黄鱼（Larimichthys polyactis），分析揭示了PDO对小黄鱼渔获量的滞后效应。东海小黄鱼的PDO–渔获量关系与三个环境因子相关联：黑潮入侵输运（KIT）、叶绿素a（Chl a）和次表层水温。上述发现为将气候信息纳入东海渔业预报与适应性管理提供了科学依据。

海洋渔业资源是人类动物蛋白的重要来源。中国是全球最大的海洋捕捞国家，东海（ECS）是其最重要的渔场之一。小黄鱼（Larimichthys polyactis）是东海产量最高的商业鱼类之一，其种群的年际至年代际波动直接关系到区域渔业生产与管理。然而，渔获量时间序列同时受捕捞努力量和管理制度等人为因素以及气候变率的共同塑造，因此从渔获记录中分离并识别气候因子的真实贡献一直是海洋科学长期关注的问题。在年代际尺度上，太平洋年代际振荡（PDO）是北太平洋海表温度（SST）变率的主导模态，其对渔业资源的影响已在太平洋多个区域得到记录。在北太平洋，PDO位相转换对应鲑鱼产量的年代际变化以及鱼类群落的盆地尺度重组。在日本海和西北太平洋，PDO与日本 flying squid 产卵场指数呈显著负相关。在中国近海，小型中上层鱼类的渔获量对PDO驱动的环境变化响应显著，渔获量的突变与PDO位相转换同步发生。然而，渔业资源对气候模态的响应在不同区域间差异显著，对于东海主要商业种类如小黄鱼和日本带鱼（Trichiurus japonicus），PDO如何影响渔获量以及通过何种物理通道传递尚缺乏充分研究。PDO信号向边缘海的传输依赖于受水温、初级生产和动力过程共同调控的海洋通道。尽管PDO是北太平洋SST的主导模态，东海SST还受季风和局地海气相互作用控制，其与PDO的年代际联系并不稳定。在初级生产方面，卫星观测揭示全球海洋叶绿素a（Chl a）与气候模态之间存在盆地尺度的年代际耦合。在动力输运方面，黑潮是连接西北太平洋与东海陆架的关键通道；其路径变化，尤其是大弯曲的发生，显著影响陆架的水文和渔业资源。当暖黑潮水在春季侵入上升流区时，为剑尖枪乌贼幼体提供适宜的温度和盐度环境，有利于提高渔获量；而当入侵被冷低盐沿岸水阻挡时，渔获量显著下降。黑潮输运可以改变东海陆架的水团结构和温盐分布，其锋面扰动可对局地生物资源产生重要影响。然而，PDO–黑潮关系并非平稳：两者之间的强耦合在1999年之后明显减弱。因此，从PDO到渔业资源传输链条的每一环节都必须在一致的统计框架内分别检验。在中国沿海水域，已有研究报告了PDO与主要商业鱼类渔获量之间的年代际变率，考察了黄海鳀鱼的长期变率，并揭示了PDO对东海叶绿素变率的调制作用。然而，这些研究大多将全时段渔获序列直接与气候指数相关，或仅分析环境响应；系统研究PDO影响东海渔获量的环境因子仍然缺乏。本研究聚焦东海小黄鱼，考察PDO与小黄鱼渔获量之间的关系，并分析PDO影响渔获量的环境因子。研究结果为东海渔业资源的气候信息预报和管理提供科学依据。

研究区域为东海（25–33°N，122–129°E）。东海是西北太平洋典型的边缘海，拥有世界上最宽阔的陆架之一；水深从近岸数十米向东南逐渐增加。黑潮是调控该区域海洋环境的关键动力过程。渔获数据来自Sea Around Us项目，选取东海小黄鱼和日本带鱼的渔获时间序列，时间跨度为1970至2019年。Sea Around Us项目在重建各国渔获量时按十年评估数据可靠性，可靠性评分范围为1至4，4表示最高可靠性。本研究仅使用可靠性评分>1.5的渔获数据进行统计分析，东海两种鱼类的渔获时间序列满足该标准。本研究使用的小黄鱼渔获量主要对应东海种群，研究区域涵盖其产卵场、索饵场和越冬场。对于数据有限的种群，渔获时间序列仍是其变率信息的主要来源；因此本研究聚焦渔获量变率。PDO指数定义为北太平洋月SST异常的第一主成分，取自美国国家海洋和大气管理局物理科学实验室发布的气候指数数据集。SST数据来自英国气象局哈德利中心发布的HadISST数据集，该数据集结合现场观测与卫星反演，通过最优插值提供全球1°×1°网格的月平均场，使用时段为1970至2019年。Chl a数据来自哥白尼海洋服务的全球海洋生物地球化学再分析产品，水平分辨率约0.25°×0.25°，75个垂直层，使用1993至2019年的表层Chl a。黑潮输运和次表层温度数据来自哥白尼海洋服务发布的GLORYS12V1全球海洋物理再分析产品，水平分辨率1/12°，50个垂直层；使用表层和0至200米深度的黑潮输运变量，以及60至80米层的次表层温度，所有序列时间跨度为1993至2019年。

在方法上，研究人员应用序列t检验分析制度转换（STARS）方法检测时间序列的结构断点。该方法将每个新观测与前序序列在截断窗口内的均值进行比较以识别统计显著的变化，并利用累积偏差（RSI）确认变化是否持续。截断长度设为10年，权重参数设为1，显著性水平p=0.05。为避免单一方法的误报，使用贝叶斯变点检测交叉验证结果；该方法计算每个候选变点的后验概率，取最可能位置作为断点。为控制一阶自相关对变点检验的影响，参照Rodionov的白化方法，首先减去STARS和贝叶斯变点检测已识别断点处的分段均值，从去阶梯残差中估计一阶自相关系数（r1），然后用该r1对原始序列进行预白化，并对预白化序列重新运行STARS，以验证结构断点在考虑自相关后是否仍然显著。联合确认的断点作为共识结构断点；对每个共识断点应用逐步均值调整以校正断点处的均值漂移，该过程保留段内年际变率，遵循干预分析框架。统计分析使用相关分析、滞后相关分析和偏相关分析。由于环境变量和渔获序列均表现时间自相关，常规显著性检验的自由度被高估；因此使用Pyper和Peterman的有效样本量方法校正相关系数的有效自由度，置信水平设为95%。本研究报道的所有显著相关均通过该有效自由度校正（p_PP<0.05）。为控制多重比较下的错误发现率，本研究进一步应用Benjamini–Hochberg（BH）错误发现率（FDR）方法在预先指定的检验族内校正p_PP，以q_BH<0.05为显著性标准；作为敏感性分析，本研究的主要检验被合并为单一族进行BH校正。

研究结果显示，1970至2019年东海小黄鱼渔获量呈现显著增加趋势。通过STARS、贝叶斯变点检测和预白化共同识别出1994年为共识结构断点，因此采用分段均值方法部分校正1994年断点处的均值阶梯变化。由于再分析产品仅从1993年起可用，后续分析限制在断点后段（1994–2019年），以确保环境与渔获时间序列的一致性；所有后续分析基于部分校正阶梯效应、线性去趋势并标准化的渔获时间序列。PDO是太平洋及其邻近区域年代际气候变率的主导模态。按照NCAR气候数据指南的位相划分，1970–1976年和1998–2013年定义为PDO负位相，1977–1997年和2014–2019年为正位相。1970至2019年渔获序列与PDO指数的比较表明，PDO位相转换与小黄鱼渔获量变化不同步。滞后相关分析表明，在1970–2019年和1994–2019年两个窗口内，PDO均领先小黄鱼渔获量一年（PDO(t?1)），且均呈显著负相关（p_PP<0.05）。鉴于1994–2019年渔获序列在2012年前后呈先升后降格局，研究人员使用9年滑动平均估计低频信号并从时间序列中去除后重新计算PDO与渔获量的滞后相关；结果表明去除低频信号后，PDO仍领先小黄鱼渔获量一年且仍呈显著负相关（p_PP<0.05）。因此PDO对小黄鱼渔获量的影响涉及滞后效应。PDO信号必须通过环境因子才能到达东海渔获量，因此研究人员分析了影响渔获量的关键因子，即黑潮输运、Chl a和次表层温度。为检验PDO是否通过黑潮输运影响东海渔获量，选取两个黑潮输运指数：表层主流速度指数，定义为23–26°N、122–125°E区域的最大表层流速，作为主流强度的度量；以及黑潮入侵输运（KIT），定义为25–26.5°N之间沿122.25°E断面0至200米的向东体积输运，作为黑潮入侵东海陆架强度的度量。分析表明，1994至2019年PDO领先最大表层流速一年，呈显著正相关（p_PP<0.05）；相反，PDO领先春季KIT一年，呈显著负相关（p_PP<0.05）。已有研究表明，北太平洋风应力旋度异常随PDO位相调整，由此产生的海面高度异常以斜压罗斯贝波向西传播并调制黑潮输运；黑潮的陆架入侵通量与PDO呈显著负相关。此外，为考察黑潮输运对小黄鱼渔获量的影响，研究人员进行了黑潮输运指数与渔获量的相关分析；结果表明晚春（4–5月）KIT与同年渔获量呈显著正相关（p_PP<0.05）。这主要是因为春季恰逢小黄鱼产卵季，4–5月东海沿岸出现产卵高峰；黑潮入侵增强改变了局地陆架水团的温盐结构和层结，从而调制产卵场环境，而黑潮水与陆架水相遇形成的海洋锋有效聚集营养盐和饵料生物，影响同年渔获量。因此KIT与东海小黄鱼的PDO–渔获量关系相关联。为研究PDO是否通过调制初级生产力影响东海小黄鱼渔获量，研究人员使用研究区域年平均Chl a浓度作为主要反映初级生产力的指标。时间序列分析表明PDO对局地Chl a具有显著滞后效应：PDO与Chl a在一年滞后期呈显著负相关（p_PP<0.05），而Chl a与同年渔获量呈显著正相关（p_PP<0.05）。该空间格局与以往基于卫星的分析一致：在东海，PDO与Chl a异常的负相关集中在黑潮水域，其机制归因于盆地尺度强迫通过局地风混合、层结和锋面活动作用于Chl a。空间相关格局显示，PDO(t?1)与Chl a显著负相关的区域以及Chl a与渔获量显著正相关的区域均主要分布在黑潮主轴和陆坡附近。因此研究人员考察了黑潮输运指数与Chl a的关系；以黑潮影响区（25–33°N，125–129°E）年平均Chl a为目标，冬季黑潮主流速度指数领先年平均Chl a一年，呈显著负相关（p_PP<0.05）。值得注意的是，PDO本身以一年领先调制冬季黑潮指数，且黑潮主流速度指数与Chl a显著相关的滞后阶数（一年）与PDO–Chl a相关一致，符号相同。进一步的偏相关分析表明，在控制PDO(t?1)后，冬季黑潮主流速度指数与Chl a的相关变得不显著（r=?0.33，p_PP>0.05），提示黑潮主流速度指数与Chl a之间的负相关可能源于PDO对两者的共同强迫。因此Chl a与东海小黄鱼的PDO–渔获量关系相关联。由于小黄鱼越冬场一般位于60至80米层，越冬期水温可影响渔获量，因此研究人员进一步研究PDO是否通过次表层温度影响东海小黄鱼渔获量。选取秋冬季（当年9月至次年2月）次表层（60至80米）水温；其中t表示渔获年，9–12月属于t年，1–2月属于t+1年；由于该窗口的主要部分（9–12月）与t年日历年重合，该窗口与t年渔获量比较；t+1年1–2月属于同一越冬过程，因此不单独处理。结果表明，PDO与秋冬季次表层温度在1年滞后呈显著正相关（p_PP<0.05），秋冬季次表层温度与渔获量呈显著负相关（p_PP<0.05），而秋冬季KIT与秋冬季次表层温度无显著相关。PDO与秋冬季次表层温度显著正相关的区域主要位于研究区域东侧黑潮影响区。与SST不同，60至80米层温度基本不受海表热交换的直接控制，而受黑潮水入侵调制。秋冬季恰逢小黄鱼越冬洄游，越冬群体主要分布在福建东部至浙江中南部近岸60至80米深水域。综上，次表层水温与东海小黄鱼的PDO–渔获量关系相关联。

在讨论部分，研究人员指出，值得注意的是，除一年滞后外，PDO还领先小黄鱼渔获量两年，且在1970–2019年和1994–2019年均呈显著负相关（p_PP<0.05）。1994–2019年，PDO还领先春季KIT两年，呈显著负相关（p_PP<0.05）；PDO领先Chl a两年，呈显著负相关（p_PP<0.05）。一年滞后对应PDO异常通过盆地尺度过程传输至局地环境，而两年滞后与PDO信号在海洋中的多年持续性一致。由于样本长度有限，本研究未量化一年和两年滞后的相对贡献。对1970–2019年原始渔获序列（仅线性去趋势和标准化）与PDO指数的相关和滞后相关分析表明，PDO与同年小黄鱼渔获量呈显著负相关（p_PP<0.05），且PDO领先渔获量一年和两年均呈显著负相关（p_PP<0.05）。PDO对东海小黄鱼渔获量的滞后效应在不同数据处理方案和时间窗口选择下保持稳定。此外，BH–FDR方法应用于预先指定检验族中的所有相关，进行分组和整体多重比较校正；所有检验均通过显著性标准（q_BH<0.05）。日本带鱼也是东海产量最高的商业种类之一，研究人员同样分析了PDO对其渔获量的影响；结果表明日本带鱼渔获量与PDO位相变化具有较为一致的年代际格局，但日本带鱼渔获量与PDO指数之间未发现显著滞后相关。与小黄鱼相比，日本带鱼是中层至底层种类，生命周期更长，垂直移动能力更强；因此评估渔业资源对气候信号的响应时必须考虑种间生态特征差异。小黄鱼渔获序列的结构断点发生在1994年，与PDO位相转换的时间不同。贝叶斯变点检测和STARS识别的1970至2019年PDO结构断点分别为1998年和2014年，均不同于渔获量的1994年断点。一般而言，海洋渔业渔获量的变化是人为因素和自然变率共同作用的结果，前者包括捕捞强度和管理制度。小黄鱼渔获序列1994年的结构断点可能归因于东海捕捞能力的扩张以及1995年东海和黄海夏季休渔制度的建立等。自然变率主要反映气候或生态系统影响，本研究结果表明小黄鱼渔获序列的断点与PDO位相转换的时间不一致，尽管不能完全排除其他气候或生态系统过程的影响。据此，本研究校正了渔获序列1994年的阶梯变化，并应用线性去趋势和标准化去除线性长期趋势和阶梯引起的均值漂移，使序列主要保留其变率；在此基础上考察PDO与渔获量变率的时间关系。PDO指数领先小黄鱼渔获量一年，可作为东海渔业资源年度评估和预报的前兆信号，为年度渔业管理的动态调整提供支持。在数据与方法局限方面，Kim等指出在西北太平洋，鲐鱼渔获量与单位捕捞努力量渔获量高度一致（r=0.95，p<0.01）；然而渔获量并不等同于资源丰度，未来工作将通过纳入长期捕捞努力量数据进一步验证。此外，Hsieh等指出捕捞引起的年龄结构截断削弱了种群缓冲环境波动的能力，从而放大了被开发种群对环境强迫的响应；因此本研究观察到的PDO–渔获量相关可能受到年龄结构截断的影响，未来将利用长期渔业调查数据进一步检验。本研究使用的渔业渔获数据来自Sea Around Us渔获重建，该数据定期更新和修订；未来工作可利用渔业资源调查等其他来源进一步交叉验证和补充重建时间序列。1994–2019年分析窗口仅包含26年，限制了统计功效；此外，Chl a、次表层温度和KIT均受PDO强迫，因此彼此相关；在可用样本量下，三者之间存在一定程度的共线性，其个体贡献无法通过偏相关或多元回归清晰分离。因此本研究结果代表有物理机制支持的统计关联，而非严格的因果证明。PDO–黑潮关系也可能非平稳；已有研究表明PDO与黑潮输运之间的强关联在1999年之后明显减弱；由于分析窗口和样本量的限制，本研究未检验1999年前后的分段关系；未来工作将利用更长的再分析产品和渔业数据进行进一步检验。结论部分：本研究聚焦东海小黄鱼，在校正渔获序列阶梯变化后，考察了PDO对渔获量的影响及其物理关联。主要结论如下：在1970–2019年和1994–2019年两个时段，PDO均领先小黄鱼渔获量一年，呈显著负相关；因此PDO对小黄鱼渔获量的影响涉及滞后效应。东海小黄鱼的PDO–渔获量关系与三个环境因子相关联：KIT、Chl a和次表层水温。