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，體溫隨環境溫度的變化而改變，水溫是其養殖最大的氣象影響要素[1-2]。近年來，國內外許多學者[3-8]研究認為影響水溫變化的主要因素為氣溫，Mohseni和Stefan使用線形函數研究了水溫的變化規律及其與氣溫的關系[9]。Daniel等以Logistic函數為基礎創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計模式。國內外學者在水溫方面的研究，如在水體環境上，大多把關注點集中在海域或內陸湖泊。關于蝦池內氣溫與水溫關系的研究極少，特別是最主要的養殖模式——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]，養殖魚塘水溫與氣溫的關系研究結論不能應用于小龍蝦氣象服務中。而且，據統計測算，2017年小龍蝦養殖業產值485億元，經濟總產值2685億元，全產業鏈從業人員有近520萬人[14]，小龍蝦產業已成為經濟發展的重要支柱和農民收入新的增長點[15-16]。因而，為提高養殖戶的收入，有必要分析小龍蝦養殖塘水溫變化規律，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，提高小龍蝦養殖的趨利避害能力，為促進地方經濟發展做出貢獻。

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

1 數據來源與處理方法

1.1 數據來源

水溫資料來源于湖北省潛江市水產局建設的水質監測站，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 數據質控

氣溫數據資料完整，數據集原始數據文件已經過嚴格的質量控制和篩查，數據可用率100%。水溫資料無異常值，但有少許數據因斷電、儀器維修維護、校準等原因造成缺測，數據有效率為97.5%。采用拉格朗日插值法插補，經檢驗，數據可用率100%。

1.3 統計分析

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0.1水平顯著性檢驗，用雙變量Pearson相關系數進行交叉分析，篩選出與水溫預報關系密切的氣溫要素，用Logistic函數多項回歸法分季節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 結果與分析

2.1 水溫與氣溫變化規律

2.1.1 水溫與氣溫年變化規律 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13 d；低溫期出現在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24 d；低溫期出現在1月下旬，最低氣溫為-6.6 ℃，0 ℃以下的低溫日數21 d。

2.1.2 水溫與氣溫月變化規律 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月持續增溫，9月至次年1月持續降溫。最高月平均水溫出現在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、最低值出現時間均滯后于氣溫。水溫最高值出現在15：00～16:00之間(氣溫則在14：00～15:00之間)，水溫最低值出現在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 ℃，各季節平均日較差數據見表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果與多數學者的研究結論一致[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，對各季節平均水溫、最高水溫、最低水溫進行預報。春、夏、秋3個季節中以夏季水溫與氣溫的相關系數相對略小，可能與夏季溫度升高，養殖戶用抽水、灌水、增氧等人工方式調節水體環境有關。

表3 春季水溫與氣溫的相關系數

圖4中所列各項數值均通過雙側0.1水平顯著性檢驗，在0.1水平上顯著相關，取相關系數最大的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0.80以上。夏季、秋季水溫與氣溫相關系數最大的5項氣溫要素見表3。

用Logistic函數多項回歸法進行分析，根據氣溫求水溫，得出各季節日平均水溫、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線兩側的分布，可明顯看出散點分布在該直線兩側,擬合結果見圖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R2分別為0.8959、0.8301、0.9014，相關系數r分別為0.9460、0.9110、0.9492，相關系數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R2分別為0.7649、0.7472、0.7505，相關系數r分別為0.8741、0.8643、0.8660，相關系數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R2分別為0.9253、0.9130、0.9295，相關系數r分別為0.9618、0.9555、0.9638，相關系數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、最低水溫模擬結果與實測值的標準差在2 ℃以內，平均絕對誤差在1.6 ℃以內，相對誤差在8%以內。夏季平均水溫、最高水溫、最低水溫模擬結果與實測值的標準差在1.8 ℃以內，平均絕對誤差在1.5 ℃以內，相對誤差在5%以內。秋季平均水溫、最高水溫、最低水溫模擬結果與實測值的標準差在1.7 ℃以內，平均絕對誤差在1.4 ℃以內，相對誤差在7%以內。各季節預報模型平均水溫、最高水溫、最低水溫模擬結果與實測值均小于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、最低值出現時間均滯后于氣溫。水溫最高值出現在16：00，最低值出現在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果表明，水溫與當日、前1日、前2日的氣溫相關系數較大，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，各季節預報模型平均水溫、最高水溫、最低水溫模擬結果與實測值均低于±2 ℃，模擬效果較好，而且能根據多天氣溫滾動預報結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殖氣象服務提供較準確的水溫預報，從而為小龍蝦科學養殖提供參考依據。

圖5 預報水溫與實測水溫的對比