水城县猕猴桃果园小气候与国家气象站温湿度的相关性

于 飞， 侯双双， 谷晓平， 古书鸿， 左 晋， 薛 旭

(1.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002； 2.贵州大学 生命科学学院，贵州 贵阳 550025； 3.贵州省生态气象与卫星遥感中心，贵州 贵阳 550002； 4.遵义市气象局，贵州 遵义 563002)

0 引言

【研究意义】水城县是中国猕猴桃的重要产区之一[1]，其产业发展得到县政府的大力支持，已建成猕猴桃产业基地6 867 hm2，并获得了“国家级出口食品农产量(猕猴桃)质量安全示范区”和“贵州省农业(猕猴桃)标准化示范区”等称号[2]。目前，水城县多采用其国家气象台站的观测资料进行农业气象预报服务，然而，猕猴桃果园小气候与国家气象台站的观测值存在差异。因此，构建猕猴桃果园小气候与水城县气象站气象条件关系模型，对水城县猕猴桃生产提供精准的气象服务具有重要意义。【前人研究进展】近年来，关于水城县猕猴桃农业气象方面的研究较多，主要包括猕猴桃对气候条件的要求[3]、气候品质认证[4]、气候灾害[5-6]、气候适宜性[7-9]和病虫害防治[10-11]等。已有研究大多以水城县气象站数据为依据展开，但猕猴桃果园小气候与大气候之间存在差异[12]。气象部门对国家县级气象站与区域小气候间的关系方面的研究多以是设施温室内外气象要素进行相关分析[13-14]，也有对农田[15]及果园小气候[16]与气象站气象要素关系的分析报道，但多是选取平均温度和极端温度等指标进行研究，其研究方法多采用对比分析和回归分析法建立区域自动气象站和国家县级气象站气象要素的关系，但相关性模型拟合度并不理想，未见关于园区小气候和大气候间的相关性研究。【研究切入点】为此，选择水城县国家气象站和水城县米罗园区自动气象站2019年全年逐日温度和湿度数据，探究水城县米罗园区小气候和水城县国家气象站之间温湿度的相关性。【拟解决的关键问题】探明水城县米罗园区猕猴桃果园小气候和水城县国家气象站之间温湿度的相关性，以期为水城县及类似地区猕猴桃生产上精细化的农业气象服务提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

水城县是我国猕猴桃重要产区之一，位于贵州西部，地处乌江和北盘江的分水岭，海拔633～2 861 m。境内气候条件独特，属亚热带湿润季风气候，年均气温12.4℃,昼夜温差较大； 雨量充沛,年均降水量1 100～1 300 mm；年均日照时数1 300～1 500 h，属贵州省日照 较多地区之一。米罗园区是水城县现代农业产业园区核心区，种植猕猴桃1 533.4 hm2，具有重要的生态和经济效应；米罗园区海拔1 082.0 m，水城县国家气象站海拔1 815.9 m，海拔差距为733.9 m，高程差距较大，水城县国家气象站的气候资料对园区小气候代表的局限性较大。

1.2 气象资料

2019年全年逐日温度和湿度数据，包括平均温度、最高温度、最低温度和平均相对湿度4个指标，来自水城县国家气象站和水城县米罗园区自动气象站。

1.3 方法

采用对比分析、单因素差异性检验、相关分析和线性回归等方法确定米罗园区猕猴桃果园和水城县国家气象站间温湿度的相关性。对比分析猕猴桃果园区小气候与水城县国家气象站间气象条件的基本特征差异[17-18]。差异性检验和相关分析是体现二者间差异性和相关性是否显著的常用方法[13]，若差异性显著，则水城县国家气象站的气候资料不能够代表米罗园区猕猴桃果园的小气候。相关性显著则表明二者间能够建立相关性模型，采用线性回归法[16]建立相关性模型，并筛选出最优模型。

1.3.1 猕猴桃果园与水城县国家气象站温湿度差异分析 以日平均气温、日最高气温、日最低气温、日较差、月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温为温度指标，以日平均相对湿度和月平均相对湿度为空气湿度指标，分析2019年1月1日至12月31日猕猴桃果园自动气象站所测气温数据与水城县国家气象站的逐日温湿度数据，通过对比分析和差异性检验得到猕猴桃果园与水城县国家气象站气温日变化和月变化差异特征。

1.3.2 猕猴桃果园与水城县国家气象站气温湿度关系模型拟合 对两地差异性显著的温湿度指标进行关系模型拟合，并选取最优关系模型，步骤如下：

1) 筛选拟合指标。通过两地各温湿度指标的差异性和相关性，筛选差异性显著且相关性显著的指标进行关系模型拟合，差异性不显著或相关性不显著的温湿度指标则不具备关系模型拟合条件。

2) 判定是否进行分段函数拟合。对符合拟合条件的指标进行线性拟合，若拟合度高于95%的显著性水平，该关系模型通过检验；若拟合度低于95%的显著性水平，模型关系式未通过检验，则应在不同指标范围进行分段线性拟合。

3) 分段拟合模型。根据猕猴桃果园与水城县国家气象站实际温湿度对比进行范围划分，在不同温湿度范围进行相应的线性拟合。

2 结果与分析

2.1 水城县猕猴桃果园与国家气象站的气温差异特征

2.1.1 气温日变化 从表1和图1看出，水城县国家气象站和水城县米罗园区自动气象站的日均气温、日最高气温、日最低气温和日较差的基本差异特征。

1) 日均温。果园与气象站气温分别为17.9℃和13.9℃，标准差分别为1.97和2.84，表明果园日均气温年内波动程度较气象站相对和缓；差值为-7.9～2.0℃，其中差值≥1.0℃的时间仅2 d，分布于冬季(2月6日与12月16日)；差值±0.9℃的时间为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℃；极小值分别为4.1℃和-1.2℃，均出现在1月1日，极大值分别为28.5℃和24.7℃，分别出现在5月18日和6月20日。

2) 日最高气温。果园与气象站气温分别为24.2℃和19.1℃，标准差分别为2.43和2.85，表明果园日最高气温年内波动程度比气象站相对和缓；差值为-9.0～3.1℃，其中差值≥1℃的时间仅2 d，分布于冬季(2月13日)和夏季(7月15日)；差值±0.9℃的时间为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℃；极大值分别为39.4℃和32.5℃，均出现在5月14日。

表1 水城县猕猴桃果园与水城县国家气象站气温日变化的差值、极值及出现日期

图1 水城县猕猴桃果园与气象站气温日变化

3) 日最低气温。果园与气象站气温分别为14.1℃和10.6℃，标准差分别为2.32和3.35，表明果园日最低气温年内波动程度较气象站相对和缓；差值为-8.6～6.2℃，其中差值≥1℃的时间7 d，分布于冬季(2月、12月), 差值±0.9℃的天数为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℃；极小值分别为-1.5℃和-2.1℃，均出现在5月14日，分别出现在12月7日和1月1日。

4) 日较差。果园与气象站气温分别为10.1℃和8.5℃，标准差分别为3.18和2.37，表明果园日较差年内波动程度较气象站剧烈；差值为-13.4～7.2℃，其中差值≥1℃的时间46 d，分布于冬季(1月、2月、12月)和春秋季(3月、11月)，以冬季所占天数居多，差值±0.9℃的时间为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)，冬季所占天数居多；其余225 d的差值均≤-1℃；极小值分别为1.4℃和1.1℃，分别出现在10月25日和12月20日，极大值分别为27.0℃和22.6℃，分别出现在2月6日和2月8日。

经差异显著性检验结果表明，水城县国家气象站和水城县米罗园区自动气象站的日均气温、日最低气温、日最高气温和日较差的F值分别为79.18、83.42、65.6、17.55，均远大于99%的差异显著性水平的F临界值(6.67)，表明两地各逐日气温指标差异性极显著，因此，水城县国家气象站的气温数据不能直接应用于米罗园区猕猴桃果园的气象服务，可建立其气温相关性的一元线性回归模型弥补二者间的差异性。

2.1.2 气温月变化 从图2看出，猕猴桃果园气温月均气温、月均最高气温、月均最低气温均大于水城县国家气象站，月变化趋势一致。月均气温气象站与果园的差值为-3.0℃～5.4，其中5月差异最大，7月差异最小；月均最高气温气象站均与果园的差值为-6.1～3.7℃，其中5月差异最大，1月差异最小；月均最低气温气象站与果园的差值为-8.1～-2.9℃，其中2月差异最大，8月差异最小。猕猴桃果园与水城县国家气象站月平均气温、月均最高气温及月均最低气温差异性均未通过置信区间为95%的显著性水平F检验，差异不显著。

图2 水城县猕猴桃果园与气象站气温的月变化

2.2 水城县猕猴桃果园与国家气象站的湿度差异特征

相对湿度对猕猴桃的生长及猕猴桃病虫害的发生发展起关键作用。从图3看出，水城县猕猴桃果园和气象站日均和月均相对湿度变化趋势一致。日均相对湿度，气象站大于果园的时间有212 d，猕猴桃果园与水城县国家气象站的F值为14.37，通过置信区间为99%的显著性水平F检验，二者差异极显著。月均相对湿度，除7-10月外，其余各月水城县国家气象站月均相对湿度大于猕猴桃果园，差异显著性检验表明猕猴桃果园与水城县国家气象站的F值为1.54，未通过置信区间为95%的显著性水平F检验，二者差异不显著。

图3 水城县猕猴桃果园与气象站日均和月均相对湿度的变化

2.3 水城县猕猴桃果园与国家气象站气象要素的相关性

经差异性分析表明，猕猴桃果园与水城县国家气象站日平均气温、日最高气温、日最低气温和日均相对湿度差异显著，各气象指标的月变化差异不显著。因此，采用逐日气象指标构建猕猴桃果园与水城县国家气象站气温湿度关系模型。

2.3.1 全年日均气温及湿度 从图4看出，猕猴桃果园与水城县国家气象站日均气温和日最高气温拟合度较高，均达0.95，即果园日平均气温和日最高气温在该模型关系下经气象站日平均气温和日最高气温解释的程度达95%，数据分布点距拟合直线相对均匀且残差较小，且模型通过99%以上的置信区间显著性水平检验。日最低气温线性拟合度为0.89，且模型未通过95%以上的置信区间显著性水平检验；日相对湿度线性拟合度为0.56，模型通过95%以上的置信区间显著性水平检验，但拟合度较低。从图4还看出，日最低气温和日相对湿度数据点分布离散，标准误差较大，其线性模型不足以精确代表果园与气象站间的关系，因此需要进一步划分不同的范围进行分段线性拟合，以获得最优关系模型。

图4 水城县猕猴桃果园与气象站全年日均气温及湿度的相关性

2.3.2 分段拟合最低气温 经分析发现，水城县全年逐日最低气温气象站<猕猴桃果园的时间有349 d，因此将水城县国家气象站日最低气温低于、高于猕猴桃果园的2种情形分别进行线性回归拟合得到其分段最低气温的相关性。从图5看出，日最低气温分段拟合效果优于全年，日最低温度数据分布点距拟合直线相对均匀且残差较小。若水城县国家气象站日最低气温低于猕猴桃果园，二者拟合度为0.92，模型通过99%以上的置信区间显著性水平检验。若水城县国家气象站日最低气温高于猕猴桃果园，二者拟合度为0.87，模型通过95%以上的置信区间显著性水平检验。

图5 水城县猕猴桃果园与气象站分段最低气温的相关性

2.3.3 分段拟合相对湿度 经分析发现，水城县猕猴桃果园和气象站的全年逐日相对湿度的差值范围为[-10%,10%]的有282 d，差值范围为(10%,20%]有59 d，差值>20%的有12 d，差值<-10%有10 d。因此，根据水城县国家气象站与猕猴桃果园日相对湿度不同差值范围进行分段线性回归拟得到其分段相对湿度的相关性。从图6看出，日相对湿度分段拟合效果优于全年，日相对数据分布点距拟合直线相对均匀且残差较小。若水城县国家气象站日相对湿度与猕猴桃果园的差值<-10%，二者拟合度为0.895，模型通过95%以上的置信区间显著性水平检验；若水城县国家气象站日相对湿度与猕猴桃果园的差值范围在[-10%,10%]，二者拟合度为0.8，模型通过95%以上的置信区间显著性水平检验；若水城县国家气象站日相对湿度与猕猴桃果园的差值范围在[10%,20%]，二者拟合度为0.93，模型通过95%以上的置信区间显著性水平检验；若水城县国家气象站日相对湿度与猕猴桃果园的差值>20%，二者拟合度为0.96，模型通过99%以上的置信区间显著性水平检验。

图6 水城县猕猴桃果园与气象站分段相对湿度的相关性

3 讨论

研究结果表明，米罗园区猕猴桃果园小气候与水城气象站各温湿度指标具有不同程度的差异性和相关性。显著的差异性表明仅利用国家气象站对区域农业生产进行农业气象指导将导致极大误差，而显著的相关性则表明了区域小气候与国家气象站间的关系模型拟合的可行性。因此，针对农业小气候与国家气象站的关系探索有很多，然而大多是针对温室展开，建立温室内外或农田内外气温预报模型，而针对具体小气候和国家气象站气象条件的相关关系展开的研究相对较少。农田小气候受作物品种、地形、海拔和天气等因素的影响，得到的结论各不相同[16,18-21]，但这些研究成果均表明果园小气候与大气候的差异性，随着果园自动气象站的建设和观测，国家气象站不足以代表果园小气候，难以满足精细化气象服务需求。而对温湿度的预报模型构建，国家气象站与区域自动观测站间的关系多为线性回归模型，未进一步分段进行线性拟合。研究结果表明，某些气象指标(如研究中的日最低气温和日相对湿度)采用整体的线性拟合效果并不理想，根据实际气象条件特征进行合理的范围划分和分段拟合，则拟合效果更好。

4 结论

利用水城县国家气象站和米罗园区猕猴桃果园自动气象站2019年全年温湿度数据，采用对比分析、差异性检验和回归分析等方法，分析得出水城县国家气象站和米罗园区猕猴桃果园两者温湿度差异特征和相关性特征。

1) 水城县米罗园区猕猴桃果园温湿度指标普遍高于水城县国家气象站，其中日均温、日最高气温、日最低气温和日较差的差值分别为-7.9～2.0℃、-9.0～3.1℃、-8.6～6.2℃和-13.4～7.2℃，果园小气候温湿度条件变化较水城县国家气象站和缓，而月变化差异不显著，表明利用水城气象局月平均数据进行宏观层面及中长期尺度水城县水热条件进行划分可行，但利用水城气象局逐日数据对米罗园区猕猴桃果园进行时段的气象灾害预报及针对性的农事活动指导将存在较大误差，可建立其温湿度相关性的一元线性回归模型弥补二者间的差异性。

2) 温湿度日变化趋势相同，相关性显著。以日均气温、日最高气温、日最低气温为温度日变化指标，以日相对湿度为湿度日变化指标，得到了水城县猕猴桃果园小气候与水城县国家气象站间关系模型。水城县猕猴桃果园小气候与水城县国家气象站间逐日平均温度、最高气温线性整体拟合度高，而日最低气温和日相对湿度整体拟合效果差，需建立分段函数模型。

3) 日最低气温和日相对湿度通过划分不同的范围，得到了较好的分段函数拟合模型。将水城县国家气象站日最低气温低于和高于猕猴桃果园的两种情况分别进行日最低温度线性回归拟合，将水城县国家气象站与猕猴桃果园日相对湿度差值范围分为<-10%、[-10%,10%]、(10%，20%]及>20% 4种情况，在4种情况分别进行日相对湿度的线性拟合，均获得了通过95%以上的置信区间显著性水平检验的拟合模型。

水城县国家气象站与米罗园区气象条件相关性模型的建立有利于当地精准的农业气象服务，今后应进一步开展多年间的气象指标分析，以得出其更精确的关系确模型应用于农业气象服务。