喬 通 羅晉吉 鐘勢(shì)坤

（1、天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津300387 2、天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300387 3、天津工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，天津300387）

海洋漁業(yè)作為沿海國(guó)家的主要產(chǎn)業(yè)之一，全球海洋漁業(yè)過(guò)度捕撈問(wèn)題十分突出，漁業(yè)資源總體可持續(xù)性顯著下降。為盡快解決近年來(lái)我國(guó)近海漁業(yè)資源面臨的過(guò)度捕撈問(wèn)題，促進(jìn)海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展，迫切需要借鑒國(guó)際上主要海洋漁業(yè)強(qiáng)國(guó)的成功經(jīng)驗(yàn)，完善我國(guó)海洋漁業(yè)資源治理，在投入控制上完善海洋漁業(yè)資源調(diào)查評(píng)估和捕撈許可等制度，在產(chǎn)出控制上完善捕撈總量制度和漁業(yè)配額管理。在食品工業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用。以歐洲重要的漁業(yè)國(guó)英國(guó)為例。它位于北海、英吉利海峽、凱爾特海、愛(ài)爾蘭海和大西洋之間[1]。英國(guó)與北海漁業(yè)接壤。北海漁業(yè)是四大漁業(yè)之一。英國(guó)擁有豐富的海洋資源。21 世紀(jì)初，英國(guó)生產(chǎn)了74.8 萬(wàn)噸魚(yú)。它值五億五千萬(wàn)便士。從事漁業(yè)的人數(shù)高達(dá)15000 人。541 家水產(chǎn)加工企業(yè)有22000 人。英國(guó)的漁業(yè)進(jìn)出口產(chǎn)業(yè)處于歐洲國(guó)家的前列[2-3]，因此淺海淺灘給歐洲漁業(yè)公司帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但英國(guó)及其周邊水域的地理位置，自第一次工業(yè)革命以來(lái)，世界各國(guó)大力發(fā)展輕、重工業(yè)，其主要資源是煤炭、石油等化工資源。溫室氣體排放引起的全球變暖無(wú)疑會(huì)對(duì)海洋資源產(chǎn)生負(fù)面影響。

1 基于線(xiàn)性回歸和指數(shù)平滑法的海溫預(yù)測(cè)

本文建了基于線(xiàn)性回歸和指數(shù)平滑法的海溫預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)鯖魚(yú)和鯡魚(yú)將生活在哪里，以及它們將在未來(lái)50 年內(nèi)，面對(duì)全球變暖和氣溫上升，在蘇格蘭水域遷移到哪里展開(kāi)了預(yù)測(cè)。

首先，要判斷魚(yú)是否會(huì)遷徙，鯖魚(yú)和鯡魚(yú)生活海域的溫度是否會(huì)發(fā)生變化。如果變化顯著，魚(yú)就會(huì)遷徙；否則，魚(yú)不會(huì)遷徙；其次，魚(yú)群位置的變化主要是以經(jīng)緯度來(lái)衡量的。在全球海水溫度逐漸升高的背景下，我們需要鯡魚(yú)和鯖魚(yú)未來(lái)的分布位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于生物的遷徙受眾多環(huán)境因素影響，我們針對(duì)其中影響力最大的營(yíng)養(yǎng)級(jí)、水質(zhì)、水流、水溫四個(gè)主要影響因子進(jìn)行建模。我們構(gòu)建棲息地適度子模型來(lái)研究海表溫度(溫度數(shù)據(jù)來(lái)自BOA 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器)以及海表溫度梯度對(duì)鯡魚(yú)和鯖魚(yú)這兩種魚(yú)類(lèi)生存的影響，評(píng)價(jià)它們對(duì)某一生存環(huán)境的適應(yīng)程度，構(gòu)建海洋生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力變化子模型研究營(yíng)養(yǎng)級(jí)(食物)對(duì)兩類(lèi)魚(yú)生存的影響，構(gòu)建二維海水動(dòng)力水質(zhì)子模型研究海水流速、作用力等對(duì)魚(yú)類(lèi)生存、遷徙的影響，最后我們對(duì)搜集到的當(dāng)?shù)亟鼛啄旰Ｋ疁囟茸兓瘮?shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到在原棲息地環(huán)境下這四大因素受其他環(huán)境因素影響的影響因素子模型。同時(shí)借此機(jī)會(huì)我們對(duì)兩類(lèi)魚(yú)的各項(xiàng)生存適宜指數(shù)有一定了解，這有助于對(duì)鯡魚(yú)和鯖魚(yú)的遷徙位置進(jìn)行判定。得到這四個(gè)影響因素子模型之后，我們將棲息地適度因子、營(yíng)養(yǎng)級(jí)、水動(dòng)力與海水溫度這四大因素子模型的輸出結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除數(shù)據(jù)量級(jí)影響之后作為輸入層，將魚(yú)群未來(lái)經(jīng)緯度作為輸出層，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)魚(yú)群未來(lái)所處位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到在一般情況下兩類(lèi)魚(yú)未來(lái)的經(jīng)緯度位置。當(dāng)海面溫度上升越快，SH 值下降速度越快，營(yíng)養(yǎng)級(jí)改變?cè)窖杆?，魚(yú)群改變棲息地的速度越快，因此海水溫度變化的速率對(duì)魚(yú)群的遷徙速度密切相關(guān)。我們?cè)陬A(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上引入海水升溫速率參數(shù)，通過(guò)改變這一參數(shù)的大小就可以研究海水升溫速度對(duì)當(dāng)?shù)佤~(yú)類(lèi)資源遷徙速率的影響。

海洋溫度根據(jù)經(jīng)緯度產(chǎn)生一定大小的溫度梯度。我們相信這取決于經(jīng)緯度與溫度的關(guān)系，可以確定溫度變化后魚(yú)類(lèi)棲息地可居住區(qū)的可能位置；最后，對(duì)上述魚(yú)群的可居住區(qū)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，確定的位置為50 年模型預(yù)測(cè)的鯖魚(yú)和鯡魚(yú)種群的棲息地年。淺海淺灘給歐洲漁業(yè)公司帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但英國(guó)及其周邊水域的地理位置，自第一次工業(yè)革命以來(lái)，世界各國(guó)大力發(fā)展輕、重工業(yè)，其主要資源是煤炭、石油等化工資源。

為保證對(duì)魚(yú)類(lèi)棲息地溫度的良好預(yù)測(cè)，采用一元線(xiàn)性回歸法和指數(shù)平滑法對(duì)2000 年海溫等資料進(jìn)行了預(yù)測(cè)。通過(guò)與實(shí)際數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，確定了預(yù)測(cè)效果較好的魚(yú)群位置預(yù)測(cè)模型。

海面溫度SST 與年份可能存在一定的線(xiàn)性關(guān)系，因此建立模型如下：

圖1 一元線(xiàn)性回歸一次擬合圖

其中Ti為北海區(qū)海溫，是與i 年相對(duì)應(yīng)的年份，a 和b 是相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)越大，溫度與年份的線(xiàn)性關(guān)系越明顯，要確定海域溫度與年份是否存在符合模型條件的線(xiàn)性關(guān)系，需要對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)所選數(shù)據(jù)，對(duì)溫度和年份進(jìn)行擬合，檢測(cè)異常點(diǎn)。結(jié)果如(虛線(xiàn)表示檢測(cè)異常)：

由圖可知，七組數(shù)據(jù)（9、43、68、83、118、129 和130）與實(shí)際數(shù)據(jù)偏差較大，屬于異常點(diǎn)。因此，這些組被排除在二次擬合之外。利用Matlab 得到的結(jié)果可以表示為：

可見(jiàn)，氣溫與年的相關(guān)系數(shù)很?。╞=0.0029），且R2=0.1744＜0.5，因此海面溫度與年的相關(guān)較弱。一元線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)模型的精度較差。因此，采用指數(shù)平滑法來(lái)預(yù)測(cè)魚(yú)群的位置。

2 基于指數(shù)平滑法的海溫預(yù)測(cè)

指數(shù)平滑法是一種特殊的加權(quán)平均法，它對(duì)當(dāng)前時(shí)段的觀測(cè)值和預(yù)測(cè)值賦予不同的權(quán)重，從而得到下一時(shí)段的預(yù)測(cè)值。具體計(jì)算公式如下：

Ft+1為周期t+1 的預(yù)測(cè)指數(shù)平滑趨勢(shì)值，F(xiàn)t為周期t 的預(yù)測(cè)指數(shù)平滑值，Yt為周期t 的實(shí)際觀測(cè)值，α 為權(quán)重系數(shù)。

首先，我們測(cè)試了時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)21 世紀(jì)以前的資料，我們預(yù)測(cè)了2000 年的海面溫度等資料，得到如下表所示。

表1 時(shí)間順序模型預(yù)測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證海水溫度的穩(wěn)定性和，我們檢索了蘇格蘭海洋漁業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和蘇格蘭海洋經(jīng)濟(jì)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。對(duì)2010 年及以前的海溫變化、棲息地遷移等數(shù)據(jù)進(jìn)行了搜索，并用本文的模型進(jìn)行了預(yù)測(cè)2011 年的數(shù)據(jù)。經(jīng)營(yíng)策略，針對(duì)海魚(yú)遷徙到另一個(gè)國(guó)家所帶來(lái)的問(wèn)題一定程度的分析。并提出了建議，我們的工作將提供對(duì)蘇格蘭漁業(yè)的研究有一定的參考價(jià)值，并可應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如天氣預(yù)報(bào)、動(dòng)物種群研究和企業(yè)戰(zhàn)略管理層。我們首先選取了包括公司地理位置、數(shù)量等在內(nèi)的10 個(gè)指標(biāo)漁船和漁民人數(shù)。為了減少索引的維數(shù)，我們使用主成分分析法對(duì)10 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定三個(gè)主成分根據(jù)主成分得分和各指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行組合。這個(gè)其次是燃油價(jià)格，相關(guān)系數(shù)為0.2709。最后，索引是漁船，相關(guān)系數(shù)為0.2178。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，我們判斷認(rèn)為實(shí)現(xiàn)小漁場(chǎng)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)最重要公司總部或漁政部所在地變更。程序發(fā)現(xiàn)2011 年的計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，說(shuō)明我們的模型是正確的。淺海淺灘給歐洲漁業(yè)公司帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但英國(guó)及其周邊水域的地理位置，自第一次工業(yè)革命以來(lái)，世界各國(guó)大力發(fā)展輕、重工業(yè)，其主要資源是煤炭、石油等化工資源。

3 結(jié)論

當(dāng)err 較小時(shí)，預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)誤差較小，因此err 的預(yù)測(cè)值=0.2218 個(gè)(22.6620 個(gè))被選中。預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際資料基本吻合，模型精度較高，可用于海面溫度的預(yù)測(cè)。根據(jù)時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型，該海域的溫度上升了0.116 分?jǐn)z氏度50 年?？梢?jiàn)，在淺灘運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，環(huán)境溫度每變化1℃，經(jīng)度變化0.0266°、緯度變化0.0210°。海洋溫度根據(jù)經(jīng)緯度產(chǎn)生一定大小的溫度梯度。面對(duì)全球變暖和氣溫上升，在蘇格蘭水域遷移到哪里展開(kāi)了預(yù)測(cè)。我們相信這取決于經(jīng)緯度與溫度的關(guān)系，可以確定溫度變化后魚(yú)類(lèi)棲息地可居住區(qū)的可能位置。原始棲息地的溫度升高會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)遷移到更冷、更高的緯度地區(qū)。