蝦稻共作地蝦溝水溫與氣溫的關系及其預報研究

徐瓊芳，王權(quán)民，陶忠虎，陳正洪，杜燕妮，樂 呼，劉 蔚

(1.湖北省潛江市氣象局，湖北 潛江 433199；2.湖北省潛江市水產(chǎn)局，湖北 潛江 433199；3.湖北省氣象服務中心，湖北 武漢 430205)

小龍蝦屬于冷血動物，體溫隨環(huán)境溫度的變化而改變，水溫是其養(yǎng)殖最大的氣象影響要素[1-2]。近年來，國內(nèi)外許多學者[3-8]研究認為影響水溫變化的主要因素為氣溫，Mohseni和Stefan使用線形函數(shù)研究了水溫的變化規(guī)律及其與氣溫的關系[9]。Daniel等以Logistic函數(shù)為基礎創(chuàng)建了日最大水溫與氣溫的模型[10]；鄧愛娟等用逐步回歸法建立了養(yǎng)殖魚塘春夏季水溫預報模型[11]；張德林等[12]分析了冬春季水溫在設施魚塘的日變化特點，建立了水溫與外界氣溫關系的統(tǒng)計模式。國內(nèi)外學者在水溫方面的研究，如在水體環(huán)境上，大多把關注點集中在海域或內(nèi)陸湖泊。關于蝦池內(nèi)氣溫與水溫關系的研究極少，特別是最主要的養(yǎng)殖模式——蝦稻共作模式的水深深度遠比魚塘淺，水深僅為1.7 m左右[13]，養(yǎng)殖魚塘水溫與氣溫的關系研究結(jié)論不能應用于小龍蝦氣象服務中。而且，據(jù)統(tǒng)計測算，2017年小龍蝦養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)值485億元，經(jīng)濟總產(chǎn)值2685億元，全產(chǎn)業(yè)鏈從業(yè)人員有近520萬人[14]，小龍蝦產(chǎn)業(yè)已成為經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱和農(nóng)民收入新的增長點[15-16]。因而，為提高養(yǎng)殖戶的收入，有必要分析小龍蝦養(yǎng)殖塘水溫變化規(guī)律，開展氣溫與蝦池水溫相關性研究，在氣溫預報基礎上建立水溫預報模型，提高小龍蝦養(yǎng)殖的趨利避害能力，為促進地方經(jīng)濟發(fā)展做出貢獻。

湖北省潛江市為全國最大的小龍蝦養(yǎng)殖基地，至2017年底，小龍蝦養(yǎng)殖面積達3萬多hm2，年產(chǎn)量10萬t，全產(chǎn)業(yè)綜合產(chǎn)值180億元[17]。本文分析潛江市蝦稻共作地蝦溝水溫變化規(guī)律及其預報方法，以期根據(jù)研究結(jié)論，制作有針對性的服務產(chǎn)品，提出相應的防御措施，為小龍蝦科學養(yǎng)殖提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

水溫資料來源于湖北省潛江市水產(chǎn)局建設的水質(zhì)監(jiān)測站，氣溫資料來源于潛江市氣象站。水溫、氣溫資料的時間為2018年1月1日至12月31日。

1.2 數(shù)據(jù)質(zhì)控

氣溫數(shù)據(jù)資料完整，數(shù)據(jù)集原始數(shù)據(jù)文件已經(jīng)過嚴格的質(zhì)量控制和篩查，數(shù)據(jù)可用率100%。水溫資料無異常值，但有少許數(shù)據(jù)因斷電、儀器維修維護、校準等原因造成缺測，數(shù)據(jù)有效率為97.5%。采用拉格朗日插值法插補，經(jīng)檢驗，數(shù)據(jù)可用率100%。

1.3 統(tǒng)計分析

采用交叉相關分析法分析水溫與日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫之間的相關關系，應用SPSS 19軟件，采用雙側(cè)0.1水平顯著性檢驗，用雙變量Pearson相關系數(shù)進行交叉分析，篩選出與水溫預報關系密切的氣溫要素，用Logistic函數(shù)多項回歸法分季節(jié)建立水溫與氣溫要素之間的關系模型。由于在冬季小龍蝦鉆入洞中停止生長，水溫預報意義不大，因而只建立春、夏、秋三季水溫與氣溫要素之間的關系模型。

1.4 模型誤差分析

用建立的水溫預報模型模擬值與實測水溫之間的標準差、平均絕對誤差和平均相對誤差來評價模型預報效果。

1.5 季節(jié)劃分

以3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月～2月為冬季。

2 結(jié)果與分析

2.1 水溫與氣溫變化規(guī)律

2.1.1 水溫與氣溫年變化規(guī)律 由圖1可以看出，水溫、氣溫年度變化均呈波形，其走向基本一致，蝦溝水溫的變化主要是隨氣溫的變化而變化。但水溫年變化幅度比氣溫略低，可能與水的比熱比空氣的比熱大的原因有關。年水溫最高為36.8 ℃，35 ℃以上的高溫日數(shù)13 d；低溫期出現(xiàn)在1月下旬，最低水溫為0.5 ℃。年氣溫最高為37.7 ℃，35 ℃以上的高溫日數(shù)24 d；低溫期出現(xiàn)在1月下旬，最低氣溫為-6.6 ℃，0 ℃以下的低溫日數(shù)21 d。

2.1.2 水溫與氣溫月變化規(guī)律 水溫在7、8月份形成波峰，在12月份、次年1月份形成波谷。水溫在2～8月持續(xù)增溫，9月至次年1月持續(xù)降溫。最高月平均水溫出現(xiàn)在8月(31.1 ℃)，最低水溫在1月(5.5 ℃)。一年中，除了2月和3月的氣溫高于水溫外，其余月份都是水溫高于氣溫(圖2)。

一年中，季平均水溫在夏季最高(29.3 ℃)，秋季次之(20.6 ℃)，春季第三(17.7 ℃)，冬季最低(7.3 ℃)。季平均氣溫在夏季最高(27.2 ℃)，秋季次之(18.5 ℃)，春季第三(16.8 ℃)，冬季最低(6.8 ℃)。一年中，任何季節(jié)季平均水溫均比季平均氣溫高(表1)。

圖1 潛江市2018年每日平均、最高、最低水溫和氣溫逐日變化

圖2 潛江市月平均水溫和氣溫變化

表1 潛江市四季水溫與氣溫 ℃

2.1.3 水溫與氣溫日變化規(guī)律 由于水的比熱較空氣大，因而水溫升溫、降溫速度低于空氣升溫、降溫速度，水溫的小時最高、最低值出現(xiàn)時間均滯后于氣溫。水溫最高值出現(xiàn)在15：00～16:00之間(氣溫則在14：00～15:00之間)，水溫最低值出現(xiàn)在7：00～8：00之間(氣溫則在5：00～6:00之間)(圖3)。

圖3 潛江市日平均水溫和氣溫變化

水溫的日變化幅度較小，日較差遠小于氣溫。水溫的年平均日較差為2.1 ℃，氣溫的年平均日較差為7.9 ℃，各季節(jié)平均日較差數(shù)據(jù)見表2。四季中，春季水溫的日較差最大。

表2 潛江市水溫與氣溫日較差比較 ℃

2.2 水溫預報模型與驗證

2.2.1 水溫預報模型 蝦稻共作地蝦溝水溫與氣溫有很好的一致性，年、季、月、日變化規(guī)律也比較一致，但有一定的差異，水溫變化相對氣溫變化略有滯后，水溫不能單純由當時次的氣溫推算得出。前文分析得出的這些結(jié)果與多數(shù)學者的研究結(jié)論一致[18-20]，因而若用氣溫預報水溫，需先分析出哪些氣溫要素與水溫相關性較為密切。

將春、夏、秋季逐日平均水溫、最高水溫、最低水溫與前1～5日的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫進行交叉分析，篩選出與水溫預報關系密切的氣溫要素。結(jié)果顯示(表3)：T0、T0max、T0min分別為當日或預報的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫；T1、T1max、T1min分別為前1日的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫；T2、T2max、T2min分別為前2日的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫，以此類推。水溫與當日、前1日、前2日的氣溫相關系數(shù)較大，春季為0.80～0.95、夏季為0.75～0.80、秋季為0.90～0.94，而與第3日、第4日、第5日水溫與氣溫的相關系數(shù)則相對較小。因此，可以選取當日與前1日和前2日的日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫作為預報因子，對各季節(jié)平均水溫、最高水溫、最低水溫進行預報。春、夏、秋3個季節(jié)中以夏季水溫與氣溫的相關系數(shù)相對略小，可能與夏季溫度升高，養(yǎng)殖戶用抽水、灌水、增氧等人工方式調(diào)節(jié)水體環(huán)境有關。

表3 春季水溫與氣溫的相關系數(shù)

圖4中所列各項數(shù)值均通過雙側(cè)0.1水平顯著性檢驗，在0.1水平上顯著相關，取相關系數(shù)最大的5項氣溫要素作為水溫預報因子。春季平均水溫與當日平均氣溫、前1日平均氣溫、前2日平均氣溫、當日最低氣溫、前1日最低氣溫有關，相關系數(shù)0.80以上。春季最高水溫與當日平均氣溫、前1日平均氣溫、當日最高氣溫、當日最低氣溫、前1日最低氣溫有關，相關系數(shù)0.78以上。春季最低水溫與當日平均氣溫、前1日平均氣溫、前2日平均氣溫、當日最低氣溫、前1日最低氣溫有關，相關系數(shù)0.80以上。夏季、秋季水溫與氣溫相關系數(shù)最大的5項氣溫要素見表3。

用Logistic函數(shù)多項回歸法進行分析，根據(jù)氣溫求水溫，得出各季節(jié)日平均水溫、日最高水溫、日最低水溫預報模型公式如下。Y為水溫，T為氣溫。回歸系數(shù)見圖4。

春季日平均水溫公式：Y=0.612T0-0.032T1+0.283T2+0.075T0min+0.151T2min+0.347；

春季日最高水溫公式：Y=1.072T0+0.244T1-0.214T0max-0.331T0min+0.205T1min+3.776；

春季日最低水溫公式：Y=0.523T0-0.084T1+0.311T2+0.228T0min+0.164T1min-1.422；

夏季日平均水溫公式：Y=0.348T0+0.168T1+0.016T0min+0.063T1min+0.418T2min+3.508；

夏季日最高水溫公式：Y=0.406T0+0.004T1+0.347T0min+0.076T1min+0.189T2min+3.629；

夏季日最低水溫公式：Y=0.175T1+0.133T2+0.366T0min+0.008T1min+0.31T2min+3.76；

秋季日平均水溫公式：Y=0.526T0-0.138T1+0.402T2-0.102T0min+0.163T1min+4.85；

秋季日最高水溫公式：Y=0.419T0-0.007T1+0.433T2+0.008T1max+0.001T1min+5.359；

秋季日最低水溫公式：Y=0.478T0-0.23T1+0.361T2+0.018T0min+0.225T1min+4.659。

2.2.2 預報值與實測值驗證 實測水溫與預報水溫相關性使用Logistic模型能較好地擬合，水溫實測值與預報值散點在y=x線兩側(cè)的分布，可明顯看出散點分布在該直線兩側(cè),擬合結(jié)果見圖5。實測春季平均水溫與預報平均水溫、實測最高水溫與預報最高水溫、實測最低水溫與預報最低水溫，相關系數(shù)R2分別為0.8959、0.8301、0.9014，相關系數(shù)r分別為0.9460、0.9110、0.9492，相關系數(shù)r均大于0.90(表4)。實測夏季平均水溫與預報平均水溫、實測最高水溫與預報最高水溫、實測最低水溫與預報最低水溫，相關系數(shù)R2分別為0.7649、0.7472、0.7505，相關系數(shù)r分別為0.8741、0.8643、0.8660，相關系數(shù)r均大于0.86。秋季實測平均水溫與預報平均水溫、實測最高水溫與預報最高水溫、實測最低水溫與預報最低水溫，相關系數(shù)R2分別為0.9253、0.9130、0.9295，相關系數(shù)r分別為0.9618、0.9555、0.9638，相關系數(shù)r均大于0.95。春、夏、秋季平均水溫與預報平均水溫、實測最高水溫與預報最高水溫、實測最低水溫與預報最低水溫，相關系數(shù)很大，分別在0.90、0.86、0.95以上，證明實測水溫與預報水溫的相關性很好。

圖4 水溫的預報模型

由表4可知，春季平均水溫、最高水溫、最低水溫模擬結(jié)果與實測值的標準差在2 ℃以內(nèi)，平均絕對誤差在1.6 ℃以內(nèi)，相對誤差在8%以內(nèi)。夏季平均水溫、最高水溫、最低水溫模擬結(jié)果與實測值的標準差在1.8 ℃以內(nèi)，平均絕對誤差在1.5 ℃以內(nèi)，相對誤差在5%以內(nèi)。秋季平均水溫、最高水溫、最低水溫模擬結(jié)果與實測值的標準差在1.7 ℃以內(nèi)，平均絕對誤差在1.4 ℃以內(nèi)，相對誤差在7%以內(nèi)。各季節(jié)預報模型平均水溫、最高水溫、最低水溫模擬結(jié)果與實測值均小于2 ℃，高于天氣預報考核預報值與實測值相差±2 ℃標準，模擬效果較好。氣象部門對氣溫的預報，一般可以進行3～7 d的滾動預報。同理，按照根據(jù)氣溫做水溫預報的預報模型，也能做出3～7 d的滾動水溫預報。

3 結(jié)論

(1)蝦稻共作地蝦溝水溫的變化主要是隨氣溫的變化而變化，但水溫年變化幅度遠低于氣溫。一年中，除了2月和3月的氣溫高于水溫外，其余月份水溫都高于氣溫。水溫在夏季最高，秋季次之，春季第三，冬季最低，任何季節(jié)平均水溫均高于氣溫。

表4 實測水溫與預報水溫的誤差分析

(2)由于水的比熱較空氣大，水溫的小時最高、最低值出現(xiàn)時間均滯后于氣溫。水溫最高值出現(xiàn)在16：00，最低值出現(xiàn)在8：00。水溫的日變化幅度較小，水溫的日較差遠小于氣溫的日較差。

(3)水溫與氣溫之間的相關分析結(jié)果表明，水溫與當日、前1日、前2日的氣溫相關系數(shù)較大，春季為0.80～0.95、夏季為0.75～0.80、秋季為0.90～0.94。

(4)以氣溫為預報因子，建立的春、夏、秋季平均水溫、最高水溫、最低水溫預報模型的預報值與實測值相關系數(shù)分別達到0.9110～0.9492、0.8643～0.8741、0.9555～0.9638，具有較高的精度，各季節(jié)預報模型平均水溫、最高水溫、最低水溫模擬結(jié)果與實測值均低于±2 ℃，模擬效果較好，而且能根據(jù)多天氣溫滾動預報結(jié)論做出滾動水溫預報。建立的春夏秋季平均水溫、最高水溫、最低水溫預報模型能為蝦稻共作小龍蝦養(yǎng)殖氣象服務提供較準確的水溫預報，從而為小龍蝦科學養(yǎng)殖提供參考依據(jù)。

圖5 預報水溫與實測水溫的對比