水城縣獼猴桃果園小氣候與國(guó)家氣象站溫濕度的相關(guān)性

于 飛， 侯雙雙， 谷曉平， 古書鴻， 左 晉， 薛 旭

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽(yáng) 550002； 2.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025； 3.貴州省生態(tài)氣象與衛(wèi)星遙感中心，貴州 貴陽(yáng) 550002； 4.遵義市氣象局，貴州 遵義 563002)

0 引言

【研究意義】水城縣是中國(guó)獼猴桃的重要產(chǎn)區(qū)之一[1]，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展得到縣政府的大力支持，已建成獼猴桃產(chǎn)業(yè)基地6 867 hm2，并獲得了“國(guó)家級(jí)出口食品農(nóng)產(chǎn)量(獼猴桃)質(zhì)量安全示范區(qū)”和“貴州省農(nóng)業(yè)(獼猴桃)標(biāo)準(zhǔn)化示范區(qū)”等稱號(hào)[2]。目前，水城縣多采用其國(guó)家氣象臺(tái)站的觀測(cè)資料進(jìn)行農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)服務(wù)，然而，獼猴桃果園小氣候與國(guó)家氣象臺(tái)站的觀測(cè)值存在差異。因此，構(gòu)建獼猴桃果園小氣候與水城縣氣象站氣象條件關(guān)系模型，對(duì)水城縣獼猴桃生產(chǎn)提供精準(zhǔn)的氣象服務(wù)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來，關(guān)于水城縣獼猴桃農(nóng)業(yè)氣象方面的研究較多，主要包括獼猴桃對(duì)氣候條件的要求[3]、氣候品質(zhì)認(rèn)證[4]、氣候?yàn)?zāi)害[5-6]、氣候適宜性[7-9]和病蟲害防治[10-11]等。已有研究大多以水城縣氣象站數(shù)據(jù)為依據(jù)展開，但獼猴桃果園小氣候與大氣候之間存在差異[12]。氣象部門對(duì)國(guó)家縣級(jí)氣象站與區(qū)域小氣候間的關(guān)系方面的研究多以是設(shè)施溫室內(nèi)外氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析[13-14]，也有對(duì)農(nóng)田[15]及果園小氣候[16]與氣象站氣象要素關(guān)系的分析報(bào)道，但多是選取平均溫度和極端溫度等指標(biāo)進(jìn)行研究，其研究方法多采用對(duì)比分析和回歸分析法建立區(qū)域自動(dòng)氣象站和國(guó)家縣級(jí)氣象站氣象要素的關(guān)系，但相關(guān)性模型擬合度并不理想，未見關(guān)于園區(qū)小氣候和大氣候間的相關(guān)性研究?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】為此，選擇水城縣國(guó)家氣象站和水城縣米羅園區(qū)自動(dòng)氣象站2019年全年逐日溫度和濕度數(shù)據(jù)，探究水城縣米羅園區(qū)小氣候和水城縣國(guó)家氣象站之間溫濕度的相關(guān)性。【擬解決的關(guān)鍵問題】探明水城縣米羅園區(qū)獼猴桃果園小氣候和水城縣國(guó)家氣象站之間溫濕度的相關(guān)性，以期為水城縣及類似地區(qū)獼猴桃生產(chǎn)上精細(xì)化的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

水城縣是我國(guó)獼猴桃重要產(chǎn)區(qū)之一，位于貴州西部，地處烏江和北盤江的分水嶺，海拔633～2 861 m。境內(nèi)氣候條件獨(dú)特，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫12.4℃,晝夜溫差較大； 雨量充沛,年均降水量1 100～1 300 mm；年均日照時(shí)數(shù)1 300～1 500 h，屬貴州省日照 較多地區(qū)之一。米羅園區(qū)是水城縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)核心區(qū)，種植獼猴桃1 533.4 hm2，具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)；米羅園區(qū)海拔1 082.0 m，水城縣國(guó)家氣象站海拔1 815.9 m，海拔差距為733.9 m，高程差距較大，水城縣國(guó)家氣象站的氣候資料對(duì)園區(qū)小氣候代表的局限性較大。

1.2 氣象資料

2019年全年逐日溫度和濕度數(shù)據(jù)，包括平均溫度、最高溫度、最低溫度和平均相對(duì)濕度4個(gè)指標(biāo)，來自水城縣國(guó)家氣象站和水城縣米羅園區(qū)自動(dòng)氣象站。

1.3 方法

采用對(duì)比分析、單因素差異性檢驗(yàn)、相關(guān)分析和線性回歸等方法確定米羅園區(qū)獼猴桃果園和水城縣國(guó)家氣象站間溫濕度的相關(guān)性。對(duì)比分析獼猴桃果園區(qū)小氣候與水城縣國(guó)家氣象站間氣象條件的基本特征差異[17-18]。差異性檢驗(yàn)和相關(guān)分析是體現(xiàn)二者間差異性和相關(guān)性是否顯著的常用方法[13]，若差異性顯著，則水城縣國(guó)家氣象站的氣候資料不能夠代表米羅園區(qū)獼猴桃果園的小氣候。相關(guān)性顯著則表明二者間能夠建立相關(guān)性模型，采用線性回歸法[16]建立相關(guān)性模型，并篩選出最優(yōu)模型。

1.3.1 獼猴桃果園與水城縣國(guó)家氣象站溫濕度差異分析 以日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日較差、月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫為溫度指標(biāo)，以日平均相對(duì)濕度和月平均相對(duì)濕度為空氣濕度指標(biāo)，分析2019年1月1日至12月31日獼猴桃果園自動(dòng)氣象站所測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù)與水城縣國(guó)家氣象站的逐日溫濕度數(shù)據(jù)，通過對(duì)比分析和差異性檢驗(yàn)得到獼猴桃果園與水城縣國(guó)家氣象站氣溫日變化和月變化差異特征。

1.3.2 獼猴桃果園與水城縣國(guó)家氣象站氣溫濕度關(guān)系模型擬合 對(duì)兩地差異性顯著的溫濕度指標(biāo)進(jìn)行關(guān)系模型擬合，并選取最優(yōu)關(guān)系模型，步驟如下：

1) 篩選擬合指標(biāo)。通過兩地各溫濕度指標(biāo)的差異性和相關(guān)性，篩選差異性顯著且相關(guān)性顯著的指標(biāo)進(jìn)行關(guān)系模型擬合，差異性不顯著或相關(guān)性不顯著的溫濕度指標(biāo)則不具備關(guān)系模型擬合條件。

2) 判定是否進(jìn)行分段函數(shù)擬合。對(duì)符合擬合條件的指標(biāo)進(jìn)行線性擬合，若擬合度高于95%的顯著性水平，該關(guān)系模型通過檢驗(yàn)；若擬合度低于95%的顯著性水平，模型關(guān)系式未通過檢驗(yàn)，則應(yīng)在不同指標(biāo)范圍進(jìn)行分段線性擬合。

3) 分段擬合模型。根據(jù)獼猴桃果園與水城縣國(guó)家氣象站實(shí)際溫濕度對(duì)比進(jìn)行范圍劃分，在不同溫濕度范圍進(jìn)行相應(yīng)的線性擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 水城縣獼猴桃果園與國(guó)家氣象站的氣溫差異特征

2.1.1 氣溫日變化 從表1和圖1看出，水城縣國(guó)家氣象站和水城縣米羅園區(qū)自動(dòng)氣象站的日均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫和日較差的基本差異特征。

1) 日均溫。果園與氣象站氣溫分別為17.9℃和13.9℃，標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.97和2.84，表明果園日均氣溫年內(nèi)波動(dòng)程度較氣象站相對(duì)和緩；差值為-7.9～2.0℃，其中差值≥1.0℃的時(shí)間僅2 d，分布于冬季(2月6日與12月16日)；差值±0.9℃的時(shí)間為9 d，主要分布于冬季(2月、12月)和夏季(7月)，其余354 d的差值均≤-1℃；極小值分別為4.1℃和-1.2℃，均出現(xiàn)在1月1日，極大值分別為28.5℃和24.7℃，分別出現(xiàn)在5月18日和6月20日。

2) 日最高氣溫。果園與氣象站氣溫分別為24.2℃和19.1℃，標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.43和2.85，表明果園日最高氣溫年內(nèi)波動(dòng)程度比氣象站相對(duì)和緩；差值為-9.0～3.1℃，其中差值≥1℃的時(shí)間僅2 d，分布于冬季(2月13日)和夏季(7月15日)；差值±0.9℃的時(shí)間為7 d，主要分布于冬季(1月、2月)和夏季(7月)；其余356 d的差值均≤-1℃；極大值分別為39.4℃和32.5℃，均出現(xiàn)在5月14日。

表1 水城縣獼猴桃果園與水城縣國(guó)家氣象站氣溫日變化的差值、極值及出現(xiàn)日期

圖1 水城縣獼猴桃果園與氣象站氣溫日變化

3) 日最低氣溫。果園與氣象站氣溫分別為14.1℃和10.6℃，標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.32和3.35，表明果園日最低氣溫年內(nèi)波動(dòng)程度較氣象站相對(duì)和緩；差值為-8.6～6.2℃，其中差值≥1℃的時(shí)間7 d，分布于冬季(2月、12月), 差值±0.9℃的天數(shù)為32 d，主要分布于冬季(2月、12月)和夏季(7月、8月),其余326 d差值均≤-1℃；極小值分別為-1.5℃和-2.1℃，均出現(xiàn)在5月14日，分別出現(xiàn)在12月7日和1月1日。

4) 日較差。果園與氣象站氣溫分別為10.1℃和8.5℃，標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.18和2.37，表明果園日較差年內(nèi)波動(dòng)程度較氣象站劇烈；差值為-13.4～7.2℃，其中差值≥1℃的時(shí)間46 d，分布于冬季(1月、2月、12月)和春秋季(3月、11月)，以冬季所占天數(shù)居多，差值±0.9℃的時(shí)間為94 d，分布于冬季(1月、2月、12月)、春季(3月、4月和5月)、夏季(6月、7月)和秋季(10月、11月)，冬季所占天數(shù)居多；其余225 d的差值均≤-1℃；極小值分別為1.4℃和1.1℃，分別出現(xiàn)在10月25日和12月20日，極大值分別為27.0℃和22.6℃，分別出現(xiàn)在2月6日和2月8日。

經(jīng)差異顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，水城縣國(guó)家氣象站和水城縣米羅園區(qū)自動(dòng)氣象站的日均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫和日較差的F值分別為79.18、83.42、65.6、17.55，均遠(yuǎn)大于99%的差異顯著性水平的F臨界值(6.67)，表明兩地各逐日氣溫指標(biāo)差異性極顯著，因此，水城縣國(guó)家氣象站的氣溫?cái)?shù)據(jù)不能直接應(yīng)用于米羅園區(qū)獼猴桃果園的氣象服務(wù)，可建立其氣溫相關(guān)性的一元線性回歸模型彌補(bǔ)二者間的差異性。

2.1.2 氣溫月變化 從圖2看出，獼猴桃果園氣溫月均氣溫、月均最高氣溫、月均最低氣溫均大于水城縣國(guó)家氣象站，月變化趨勢(shì)一致。月均氣溫氣象站與果園的差值為-3.0℃～5.4，其中5月差異最大，7月差異最小；月均最高氣溫氣象站均與果園的差值為-6.1～3.7℃，其中5月差異最大，1月差異最?。辉戮畹蜌鉁貧庀笳九c果園的差值為-8.1～-2.9℃，其中2月差異最大，8月差異最小。獼猴桃果園與水城縣國(guó)家氣象站月平均氣溫、月均最高氣溫及月均最低氣溫差異性均未通過置信區(qū)間為95%的顯著性水平F檢驗(yàn)，差異不顯著。

圖2 水城縣獼猴桃果園與氣象站氣溫的月變化

2.2 水城縣獼猴桃果園與國(guó)家氣象站的濕度差異特征

相對(duì)濕度對(duì)獼猴桃的生長(zhǎng)及獼猴桃病蟲害的發(fā)生發(fā)展起關(guān)鍵作用。從圖3看出，水城縣獼猴桃果園和氣象站日均和月均相對(duì)濕度變化趨勢(shì)一致。日均相對(duì)濕度，氣象站大于果園的時(shí)間有212 d，獼猴桃果園與水城縣國(guó)家氣象站的F值為14.37，通過置信區(qū)間為99%的顯著性水平F檢驗(yàn)，二者差異極顯著。月均相對(duì)濕度，除7-10月外，其余各月水城縣國(guó)家氣象站月均相對(duì)濕度大于獼猴桃果園，差異顯著性檢驗(yàn)表明獼猴桃果園與水城縣國(guó)家氣象站的F值為1.54，未通過置信區(qū)間為95%的顯著性水平F檢驗(yàn)，二者差異不顯著。

圖3 水城縣獼猴桃果園與氣象站日均和月均相對(duì)濕度的變化

2.3 水城縣獼猴桃果園與國(guó)家氣象站氣象要素的相關(guān)性

經(jīng)差異性分析表明，獼猴桃果園與水城縣國(guó)家氣象站日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫和日均相對(duì)濕度差異顯著，各氣象指標(biāo)的月變化差異不顯著。因此，采用逐日氣象指標(biāo)構(gòu)建獼猴桃果園與水城縣國(guó)家氣象站氣溫濕度關(guān)系模型。

2.3.1 全年日均氣溫及濕度 從圖4看出，獼猴桃果園與水城縣國(guó)家氣象站日均氣溫和日最高氣溫?cái)M合度較高，均達(dá)0.95，即果園日平均氣溫和日最高氣溫在該模型關(guān)系下經(jīng)氣象站日平均氣溫和日最高氣溫解釋的程度達(dá)95%，數(shù)據(jù)分布點(diǎn)距擬合直線相對(duì)均勻且殘差較小，且模型通過99%以上的置信區(qū)間顯著性水平檢驗(yàn)。日最低氣溫線性擬合度為0.89，且模型未通過95%以上的置信區(qū)間顯著性水平檢驗(yàn)；日相對(duì)濕度線性擬合度為0.56，模型通過95%以上的置信區(qū)間顯著性水平檢驗(yàn)，但擬合度較低。從圖4還看出，日最低氣溫和日相對(duì)濕度數(shù)據(jù)點(diǎn)分布離散，標(biāo)準(zhǔn)誤差較大，其線性模型不足以精確代表果園與氣象站間的關(guān)系，因此需要進(jìn)一步劃分不同的范圍進(jìn)行分段線性擬合，以獲得最優(yōu)關(guān)系模型。

圖4 水城縣獼猴桃果園與氣象站全年日均氣溫及濕度的相關(guān)性

2.3.2 分段擬合最低氣溫 經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，水城縣全年逐日最低氣溫氣象站<獼猴桃果園的時(shí)間有349 d，因此將水城縣國(guó)家氣象站日最低氣溫低于、高于獼猴桃果園的2種情形分別進(jìn)行線性回歸擬合得到其分段最低氣溫的相關(guān)性。從圖5看出，日最低氣溫分段擬合效果優(yōu)于全年，日最低溫度數(shù)據(jù)分布點(diǎn)距擬合直線相對(duì)均勻且殘差較小。若水城縣國(guó)家氣象站日最低氣溫低于獼猴桃果園，二者擬合度為0.92，模型通過99%以上的置信區(qū)間顯著性水平檢驗(yàn)。若水城縣國(guó)家氣象站日最低氣溫高于獼猴桃果園，二者擬合度為0.87，模型通過95%以上的置信區(qū)間顯著性水平檢驗(yàn)。

圖5 水城縣獼猴桃果園與氣象站分段最低氣溫的相關(guān)性

2.3.3 分段擬合相對(duì)濕度 經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，水城縣獼猴桃果園和氣象站的全年逐日相對(duì)濕度的差值范圍為[-10%,10%]的有282 d，差值范圍為(10%,20%]有59 d，差值>20%的有12 d，差值<-10%有10 d。因此，根據(jù)水城縣國(guó)家氣象站與獼猴桃果園日相對(duì)濕度不同差值范圍進(jìn)行分段線性回歸擬得到其分段相對(duì)濕度的相關(guān)性。從圖6看出，日相對(duì)濕度分段擬合效果優(yōu)于全年，日相對(duì)數(shù)據(jù)分布點(diǎn)距擬合直線相對(duì)均勻且殘差較小。若水城縣國(guó)家氣象站日相對(duì)濕度與獼猴桃果園的差值<-10%，二者擬合度為0.895，模型通過95%以上的置信區(qū)間顯著性水平檢驗(yàn)；若水城縣國(guó)家氣象站日相對(duì)濕度與獼猴桃果園的差值范圍在[-10%,10%]，二者擬合度為0.8，模型通過95%以上的置信區(qū)間顯著性水平檢驗(yàn)；若水城縣國(guó)家氣象站日相對(duì)濕度與獼猴桃果園的差值范圍在[10%,20%]，二者擬合度為0.93，模型通過95%以上的置信區(qū)間顯著性水平檢驗(yàn)；若水城縣國(guó)家氣象站日相對(duì)濕度與獼猴桃果園的差值>20%，二者擬合度為0.96，模型通過99%以上的置信區(qū)間顯著性水平檢驗(yàn)。

圖6 水城縣獼猴桃果園與氣象站分段相對(duì)濕度的相關(guān)性

3 討論

研究結(jié)果表明，米羅園區(qū)獼猴桃果園小氣候與水城氣象站各溫濕度指標(biāo)具有不同程度的差異性和相關(guān)性。顯著的差異性表明僅利用國(guó)家氣象站對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行農(nóng)業(yè)氣象指導(dǎo)將導(dǎo)致極大誤差，而顯著的相關(guān)性則表明了區(qū)域小氣候與國(guó)家氣象站間的關(guān)系模型擬合的可行性。因此，針對(duì)農(nóng)業(yè)小氣候與國(guó)家氣象站的關(guān)系探索有很多，然而大多是針對(duì)溫室展開，建立溫室內(nèi)外或農(nóng)田內(nèi)外氣溫預(yù)報(bào)模型，而針對(duì)具體小氣候和國(guó)家氣象站氣象條件的相關(guān)關(guān)系展開的研究相對(duì)較少。農(nóng)田小氣候受作物品種、地形、海拔和天氣等因素的影響，得到的結(jié)論各不相同[16,18-21]，但這些研究成果均表明果園小氣候與大氣候的差異性，隨著果園自動(dòng)氣象站的建設(shè)和觀測(cè)，國(guó)家氣象站不足以代表果園小氣候，難以滿足精細(xì)化氣象服務(wù)需求。而對(duì)溫濕度的預(yù)報(bào)模型構(gòu)建，國(guó)家氣象站與區(qū)域自動(dòng)觀測(cè)站間的關(guān)系多為線性回歸模型，未進(jìn)一步分段進(jìn)行線性擬合。研究結(jié)果表明，某些氣象指標(biāo)(如研究中的日最低氣溫和日相對(duì)濕度)采用整體的線性擬合效果并不理想，根據(jù)實(shí)際氣象條件特征進(jìn)行合理的范圍劃分和分段擬合，則擬合效果更好。

4 結(jié)論

利用水城縣國(guó)家氣象站和米羅園區(qū)獼猴桃果園自動(dòng)氣象站2019年全年溫濕度數(shù)據(jù)，采用對(duì)比分析、差異性檢驗(yàn)和回歸分析等方法，分析得出水城縣國(guó)家氣象站和米羅園區(qū)獼猴桃果園兩者溫濕度差異特征和相關(guān)性特征。

1) 水城縣米羅園區(qū)獼猴桃果園溫濕度指標(biāo)普遍高于水城縣國(guó)家氣象站，其中日均溫、日最高氣溫、日最低氣溫和日較差的差值分別為-7.9～2.0℃、-9.0～3.1℃、-8.6～6.2℃和-13.4～7.2℃，果園小氣候溫濕度條件變化較水城縣國(guó)家氣象站和緩，而月變化差異不顯著，表明利用水城氣象局月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀層面及中長(zhǎng)期尺度水城縣水熱條件進(jìn)行劃分可行，但利用水城氣象局逐日數(shù)據(jù)對(duì)米羅園區(qū)獼猴桃果園進(jìn)行時(shí)段的氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)及針對(duì)性的農(nóng)事活動(dòng)指導(dǎo)將存在較大誤差，可建立其溫濕度相關(guān)性的一元線性回歸模型彌補(bǔ)二者間的差異性。

2) 溫濕度日變化趨勢(shì)相同，相關(guān)性顯著。以日均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫為溫度日變化指標(biāo)，以日相對(duì)濕度為濕度日變化指標(biāo)，得到了水城縣獼猴桃果園小氣候與水城縣國(guó)家氣象站間關(guān)系模型。水城縣獼猴桃果園小氣候與水城縣國(guó)家氣象站間逐日平均溫度、最高氣溫線性整體擬合度高，而日最低氣溫和日相對(duì)濕度整體擬合效果差，需建立分段函數(shù)模型。

3) 日最低氣溫和日相對(duì)濕度通過劃分不同的范圍，得到了較好的分段函數(shù)擬合模型。將水城縣國(guó)家氣象站日最低氣溫低于和高于獼猴桃果園的兩種情況分別進(jìn)行日最低溫度線性回歸擬合，將水城縣國(guó)家氣象站與獼猴桃果園日相對(duì)濕度差值范圍分為<-10%、[-10%,10%]、(10%，20%]及>20% 4種情況，在4種情況分別進(jìn)行日相對(duì)濕度的線性擬合，均獲得了通過95%以上的置信區(qū)間顯著性水平檢驗(yàn)的擬合模型。

水城縣國(guó)家氣象站與米羅園區(qū)氣象條件相關(guān)性模型的建立有利于當(dāng)?shù)鼐珳?zhǔn)的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)，今后應(yīng)進(jìn)一步開展多年間的氣象指標(biāo)分析，以得出其更精確的關(guān)系確模型應(yīng)用于農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)。