虾稻共作地虾沟水温与气温的关系及其预报研究

徐琼芳，王权民，陶忠虎，陈正洪，杜燕妮，乐 呼，刘 蔚

(1.湖北省潜江市气象局，湖北 潜江 433199；2.湖北省潜江市水产局，湖北 潜江 433199；3.湖北省气象服务中心，湖北 武汉 430205)

小龙虾属于冷血动物，体温随环境温度的变化而改变，水温是其养殖最大的气象影响要素[1-2]。近年来，国内外许多学者[3-8]研究认为影响水温变化的主要因素为气温，Mohseni和Stefan使用线形函数研究了水温的变化规律及其与气温的关系[9]。Daniel等以Logistic函数为基础创建了日最大水温与气温的模型[10]；邓爱娟等用逐步回归法建立了养殖鱼塘春夏季水温预报模型[11]；张德林等[12]分析了冬春季水温在设施鱼塘的日变化特点，建立了水温与外界气温关系的统计模式。国内外学者在水温方面的研究，如在水体环境上，大多把关注点集中在海域或内陆湖泊。关于虾池内气温与水温关系的研究极少，特别是最主要的养殖模式——虾稻共作模式的水深深度远比鱼塘浅，水深仅为1.7 m左右[13]，养殖鱼塘水温与气温的关系研究结论不能应用于小龙虾气象服务中。而且，据统计测算，2017年小龙虾养殖业产值485亿元，经济总产值2685亿元，全产业链从业人员有近520万人[14]，小龙虾产业已成为经济发展的重要支柱和农民收入新的增长点[15-16]。因而，为提高养殖户的收入，有必要分析小龙虾养殖塘水温变化规律，开展气温与虾池水温相关性研究，在气温预报基础上建立水温预报模型，提高小龙虾养殖的趋利避害能力，为促进地方经济发展做出贡献。

湖北省潜江市为全国最大的小龙虾养殖基地，至2017年底，小龙虾养殖面积达3万多hm2，年产量10万t，全产业综合产值180亿元[17]。本文分析潜江市虾稻共作地虾沟水温变化规律及其预报方法，以期根据研究结论，制作有针对性的服务产品，提出相应的防御措施，为小龙虾科学养殖提供参考依据。

1 数据来源与处理方法

1.1 数据来源

水温资料来源于湖北省潜江市水产局建设的水质监测站，气温资料来源于潜江市气象站。水温、气温资料的时间为2018年1月1日至12月31日。

1.2 数据质控

气温数据资料完整，数据集原始数据文件已经过严格的质量控制和筛查，数据可用率100%。水温资料无异常值，但有少许数据因断电、仪器维修维护、校准等原因造成缺测，数据有效率为97.5%。采用拉格朗日插值法插补，经检验，数据可用率100%。

1.3 统计分析

采用交叉相关分析法分析水温与日平均气温、最高气温和最低气温之间的相关关系，应用SPSS 19软件，采用双侧0.1水平显著性检验，用双变量Pearson相关系数进行交叉分析，筛选出与水温预报关系密切的气温要素，用Logistic函数多项回归法分季节建立水温与气温要素之间的关系模型。由于在冬季小龙虾钻入洞中停止生长，水温预报意义不大，因而只建立春、夏、秋三季水温与气温要素之间的关系模型。

1.4 模型误差分析

用建立的水温预报模型模拟值与实测水温之间的标准差、平均绝对误差和平均相对误差来评价模型预报效果。

1.5 季节划分

以3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月～2月为冬季。

2 结果与分析

2.1 水温与气温变化规律

2.1.1 水温与气温年变化规律 由图1可以看出，水温、气温年度变化均呈波形，其走向基本一致，虾沟水温的变化主要是随气温的变化而变化。但水温年变化幅度比气温略低，可能与水的比热比空气的比热大的原因有关。年水温最高为36.8 ℃，35 ℃以上的高温日数13 d；低温期出现在1月下旬，最低水温为0.5 ℃。年气温最高为37.7 ℃，35 ℃以上的高温日数24 d；低温期出现在1月下旬，最低气温为-6.6 ℃，0 ℃以下的低温日数21 d。

2.1.2 水温与气温月变化规律 水温在7、8月份形成波峰，在12月份、次年1月份形成波谷。水温在2～8月持续增温，9月至次年1月持续降温。最高月平均水温出现在8月(31.1 ℃)，最低水温在1月(5.5 ℃)。一年中，除了2月和3月的气温高于水温外，其余月份都是水温高于气温(图2)。

一年中，季平均水温在夏季最高(29.3 ℃)，秋季次之(20.6 ℃)，春季第三(17.7 ℃)，冬季最低(7.3 ℃)。季平均气温在夏季最高(27.2 ℃)，秋季次之(18.5 ℃)，春季第三(16.8 ℃)，冬季最低(6.8 ℃)。一年中，任何季节季平均水温均比季平均气温高(表1)。

图1 潜江市2018年每日平均、最高、最低水温和气温逐日变化

图2 潜江市月平均水温和气温变化

表1 潜江市四季水温与气温 ℃

2.1.3 水温与气温日变化规律 由于水的比热较空气大，因而水温升温、降温速度低于空气升温、降温速度，水温的小时最高、最低值出现时间均滞后于气温。水温最高值出现在15：00～16:00之间(气温则在14：00～15:00之间)，水温最低值出现在7：00～8：00之间(气温则在5：00～6:00之间)(图3)。

图3 潜江市日平均水温和气温变化

水温的日变化幅度较小，日较差远小于气温。水温的年平均日较差为2.1 ℃，气温的年平均日较差为7.9 ℃，各季节平均日较差数据见表2。四季中，春季水温的日较差最大。

表2 潜江市水温与气温日较差比较 ℃

2.2 水温预报模型与验证

2.2.1 水温预报模型 虾稻共作地虾沟水温与气温有很好的一致性，年、季、月、日变化规律也比较一致，但有一定的差异，水温变化相对气温变化略有滞后，水温不能单纯由当时次的气温推算得出。前文分析得出的这些结果与多数学者的研究结论一致[18-20]，因而若用气温预报水温，需先分析出哪些气温要素与水温相关性较为密切。

将春、夏、秋季逐日平均水温、最高水温、最低水温与前1～5日的平均气温、最高气温和最低气温进行交叉分析，筛选出与水温预报关系密切的气温要素。结果显示(表3)：T0、T0max、T0min分别为当日或预报的平均气温、最高气温、最低气温；T1、T1max、T1min分别为前1日的平均气温、最高气温、最低气温；T2、T2max、T2min分别为前2日的平均气温、最高气温、最低气温，以此类推。水温与当日、前1日、前2日的气温相关系数较大，春季为0.80～0.95、夏季为0.75～0.80、秋季为0.90～0.94，而与第3日、第4日、第5日水温与气温的相关系数则相对较小。因此，可以选取当日与前1日和前2日的日平均气温、最高气温和最低气温作为预报因子，对各季节平均水温、最高水温、最低水温进行预报。春、夏、秋3个季节中以夏季水温与气温的相关系数相对略小，可能与夏季温度升高，养殖户用抽水、灌水、增氧等人工方式调节水体环境有关。

表3 春季水温与气温的相关系数

图4中所列各项数值均通过双侧0.1水平显著性检验，在0.1水平上显著相关，取相关系数最大的5项气温要素作为水温预报因子。春季平均水温与当日平均气温、前1日平均气温、前2日平均气温、当日最低气温、前1日最低气温有关，相关系数0.80以上。春季最高水温与当日平均气温、前1日平均气温、当日最高气温、当日最低气温、前1日最低气温有关，相关系数0.78以上。春季最低水温与当日平均气温、前1日平均气温、前2日平均气温、当日最低气温、前1日最低气温有关，相关系数0.80以上。夏季、秋季水温与气温相关系数最大的5项气温要素见表3。

用Logistic函数多项回归法进行分析，根据气温求水温，得出各季节日平均水温、日最高水温、日最低水温预报模型公式如下。Y为水温，T为气温。回归系数见图4。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2.2.2 预报值与实测值验证 实测水温与预报水温相关性使用Logistic模型能较好地拟合，水温实测值与预报值散点在y=x线两侧的分布，可明显看出散点分布在该直线两侧,拟合结果见图5。实测春季平均水温与预报平均水温、实测最高水温与预报最高水温、实测最低水温与预报最低水温，相关系数R2分别为0.8959、0.8301、0.9014，相关系数r分别为0.9460、0.9110、0.9492，相关系数r均大于0.90(表4)。实测夏季平均水温与预报平均水温、实测最高水温与预报最高水温、实测最低水温与预报最低水温，相关系数R2分别为0.7649、0.7472、0.7505，相关系数r分别为0.8741、0.8643、0.8660，相关系数r均大于0.86。秋季实测平均水温与预报平均水温、实测最高水温与预报最高水温、实测最低水温与预报最低水温，相关系数R2分别为0.9253、0.9130、0.9295，相关系数r分别为0.9618、0.9555、0.9638，相关系数r均大于0.95。春、夏、秋季平均水温与预报平均水温、实测最高水温与预报最高水温、实测最低水温与预报最低水温，相关系数很大，分别在0.90、0.86、0.95以上，证明实测水温与预报水温的相关性很好。

图4 水温的预报模型

由表4可知，春季平均水温、最高水温、最低水温模拟结果与实测值的标准差在2 ℃以内，平均绝对误差在1.6 ℃以内，相对误差在8%以内。夏季平均水温、最高水温、最低水温模拟结果与实测值的标准差在1.8 ℃以内，平均绝对误差在1.5 ℃以内，相对误差在5%以内。秋季平均水温、最高水温、最低水温模拟结果与实测值的标准差在1.7 ℃以内，平均绝对误差在1.4 ℃以内，相对误差在7%以内。各季节预报模型平均水温、最高水温、最低水温模拟结果与实测值均小于2 ℃，高于天气预报考核预报值与实测值相差±2 ℃标准，模拟效果较好。气象部门对气温的预报，一般可以进行3～7 d的滚动预报。同理，按照根据气温做水温预报的预报模型，也能做出3～7 d的滚动水温预报。

3 结论

(1)虾稻共作地虾沟水温的变化主要是随气温的变化而变化，但水温年变化幅度远低于气温。一年中，除了2月和3月的气温高于水温外，其余月份水温都高于气温。水温在夏季最高，秋季次之，春季第三，冬季最低，任何季节平均水温均高于气温。

表4 实测水温与预报水温的误差分析

(2)由于水的比热较空气大，水温的小时最高、最低值出现时间均滞后于气温。水温最高值出现在16：00，最低值出现在8：00。水温的日变化幅度较小，水温的日较差远小于气温的日较差。

(3)水温与气温之间的相关分析结果表明，水温与当日、前1日、前2日的气温相关系数较大，春季为0.80～0.95、夏季为0.75～0.80、秋季为0.90～0.94。

(4)以气温为预报因子，建立的春、夏、秋季平均水温、最高水温、最低水温预报模型的预报值与实测值相关系数分别达到0.9110～0.9492、0.8643～0.8741、0.9555～0.9638，具有较高的精度，各季节预报模型平均水温、最高水温、最低水温模拟结果与实测值均低于±2 ℃，模拟效果较好，而且能根据多天气温滚动预报结论做出滚动水温预报。建立的春夏秋季平均水温、最高水温、最低水温预报模型能为虾稻共作小龙虾养殖气象服务提供较准确的水温预报，从而为小龙虾科学养殖提供参考依据。

图5 预报水温与实测水温的对比