湖北武漢地區(qū)典型池塘春夏季水溫預(yù)報(bào)

湖北武漢地區(qū)典型池塘春夏季水溫預(yù)報(bào)

0水溫與氣溫的關(guān)系首先，養(yǎng)魚(yú)。魚(yú)類生活在水中。它對(duì)水環(huán)境有一定的要求和適應(yīng)性，對(duì)水環(huán)境也有一定的影響，形成了復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。水體溫度是水生生物環(huán)境中最基本、也是最重要的因素之一,水溫的變化不僅直接影響魚(yú)類自身的生長(zhǎng)、繁殖、越冬,以及對(duì)疾病的抵抗等,同時(shí)也影響到水中的溶解氧含量、池塘的物質(zhì)循環(huán)速度等其他外界環(huán)境因子。因此,水溫在水產(chǎn)池塘養(yǎng)殖中具有舉足輕重的作用。水產(chǎn)養(yǎng)殖從繁殖、投飼、起捕、病害發(fā)生等全過(guò)程均與水溫有著十分密切的關(guān)系,各種漁事生產(chǎn)活動(dòng)都需要達(dá)到一定的溫度指標(biāo)才可以進(jìn)行。因此,對(duì)水溫的變化研究以及如何利用水溫預(yù)報(bào)進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)活動(dòng)指導(dǎo)就至關(guān)重要。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果都將水溫的主要影響因素都?xì)w結(jié)為氣溫,以水溫與氣溫之間的關(guān)系作為主要研究對(duì)象,如Mohseni和Stefan利用線性函數(shù)較好地描述了氣溫在0℃~20℃變化時(shí)水溫和氣溫的關(guān)系,氣溫變化范圍更大情況下則用“S”形曲線揭示了水溫與氣溫的關(guān)系。目前,關(guān)于海洋、湖泊、水庫(kù)等大型水體水溫的研究較多,如孫大明等研究了長(zhǎng)江上游水溫與氣溫的關(guān)系,并建立了關(guān)系模型;商兆堂等建立了關(guān)于近海岸海水溫度、沿海灘涂養(yǎng)殖池水溫與氣象站氣溫的關(guān)系;周詩(shī)賚等研究了黃海和東海春季的水溫分布特點(diǎn);董林矗等研究發(fā)現(xiàn),小規(guī)模溪流水溫與氣溫的關(guān)系用線性模型和Logistic模型較好擬合,且水溫-氣溫相關(guān)程度與水位值負(fù)相關(guān)。但是,關(guān)于大宗魚(yú)塘的溫度研究成果相對(duì)較少,杜堯東等研究了廣州地區(qū)冬季露天魚(yú)塘水溫特征和水溫預(yù)報(bào)模型;孫志芳對(duì)山東禹城不同深度魚(yú)塘的水溫狀況也進(jìn)行了分析,為當(dāng)?shù)貪O業(yè)生產(chǎn)起到了積極的指導(dǎo)和促進(jìn)作用;張德林等研究了上海地區(qū)設(shè)施魚(yú)塘冬春季水溫與氣溫的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。湖北省作為水產(chǎn)養(yǎng)殖大省之一,養(yǎng)殖水體溫度的研究對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖也有著不可忽視的重要作用。而春夏季是漁事生產(chǎn)活動(dòng)較為關(guān)鍵的時(shí)期,因此筆者主要研究了洪湖地區(qū)典型養(yǎng)殖魚(yú)塘春夏季的水體溫度變化特征和水溫的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),并進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證,以期為當(dāng)?shù)剡M(jìn)行魚(yú)苗繁殖孵化、苗種投放及浮頭泛塘預(yù)防、魚(yú)病防治等生產(chǎn)活動(dòng)提供預(yù)警預(yù)報(bào)和有效的服務(wù)指導(dǎo)。1材料和方法1.1其4型淡水池塘以1.2.2試驗(yàn)于2011—2012年的3—8月在湖北省洪湖市烏林鎮(zhèn)黃牛湖漁場(chǎng)中的一個(gè)方形魚(yú)塘(200m×60m)進(jìn)行。養(yǎng)殖平均水深1.3~1.5m,養(yǎng)殖模式為草魚(yú)、鰱混養(yǎng),是當(dāng)?shù)乇容^具代表性的大宗養(yǎng)殖魚(yú)塘。該魚(yú)塘根據(jù)漁業(yè)生產(chǎn)需要適時(shí)開(kāi)設(shè)增氧機(jī),但本研究數(shù)據(jù)分析時(shí)暫不考慮增氧機(jī)運(yùn)作時(shí)對(duì)水溫的影響。1.2測(cè)試方法1.2.1資料來(lái)源及觀測(cè)水溫觀測(cè)設(shè)備來(lái)自江蘇無(wú)錫ZQZ-A自動(dòng)分層水溫觀測(cè)儀,水溫觀測(cè)精度±0.1℃,已經(jīng)過(guò)校正,該設(shè)備安裝于距近岸邊約10m左右魚(yú)塘中。觀測(cè)深度設(shè)10、30、50、80、100cm共5層,自動(dòng)水溫儀連續(xù)觀測(cè),每小時(shí)記錄1次正點(diǎn)溫度、小時(shí)內(nèi)最高溫度和最低溫度,觀測(cè)和建模資料時(shí)段為2011—2012年的3—8月,按氣象意義上的季節(jié)劃分為春季(3—5月)和夏季(6—8月),驗(yàn)證資料選用2011年的5月和7月。同步氣象資料(逐日氣溫、最低氣溫和最高氣溫)等來(lái)自湖北省檔案館洪湖氣象觀測(cè)站。1.2.2水溫對(duì)氣溫要素的模型分析采用交叉相關(guān)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(guān)關(guān)系,應(yīng)用SAS9.0逐步回歸法篩選出與水溫預(yù)報(bào)關(guān)系密切的氣溫要素,并建立水溫與氣溫要素之間的關(guān)系模型。1.2.3模型誤差分析模型誤差用建立的水溫預(yù)報(bào)模型模擬值與實(shí)測(cè)水溫之間的標(biāo)準(zhǔn)差(StandardErroroftheEstimate,SEE)、平均絕對(duì)誤差(MeanAbsoluteError,MAE)和平均相對(duì)誤差(MeanAbsolutePecentageError,MAPE)來(lái)評(píng)價(jià),計(jì)算分別見(jiàn)公式(1)~(3)。式中:Ei與Mi分別為模擬值與測(cè)定值,n為樣本數(shù)。2結(jié)果與分析2.1權(quán)利條件與典型水溫的日變化將各月的逐層深度的平均最高水溫、平均最低水溫和日較差分別作了統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),不同深度的水溫日較差隨深度的增加呈減小的趨勢(shì),10cm水溫日變幅較大,在2.323℃~3.362℃之間,平均約2.840℃,而100cm水溫日變幅平均不超過(guò)2.210℃,平均約1.611℃,表明水位越深,日變化越小,表層水溫變化幅度較大,深層水溫更趨于穩(wěn)定。張志勇在研究江蘇南部沿海池塘水溫時(shí)也發(fā)現(xiàn)了相同的規(guī)律。春季表層最高水溫與深層最高水溫差異相對(duì)較大,3、4月份兩者之差達(dá)1.936~1.959℃,而夏季則明顯較小,7、8月兩者之差僅0.723~0.891℃。最低水溫各層差異很小,3月差異僅0.020~0.116℃,其他月份差異也不過(guò)0.142~0.287℃。表層水溫日變幅在6月最大,達(dá)3.362℃,且6月表層與深層水溫的日變幅差異也是最大的,達(dá)到1.854℃,而在7、8月,表層與深層水溫日變幅差異僅0.523~0.690℃。2.2自變量與最低水溫預(yù)報(bào)模型水溫變化與氣溫有很好的一致性,這在很多研究中已有定論[9,10,11,12,13,14,15],將逐日水溫與前1~5日的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫進(jìn)行交叉分析,結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果顯示,各層水溫與當(dāng)日、前1日、前2日、前3日的氣溫相關(guān)系數(shù)較大,大部分達(dá)到了0.80~0.95,而與第4日、第5日氣溫的相關(guān)系數(shù)則相對(duì)較小,一般在0.78以下。因此,可以選取當(dāng)日與前1~3日的日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫作為預(yù)報(bào)因子,對(duì)當(dāng)日水溫進(jìn)行預(yù)報(bào)。由于春夏季水溫有不同的變化特征,且春夏季的水溫關(guān)注點(diǎn)不一,春季主要關(guān)注水溫能否達(dá)到某一臨界值以上以開(kāi)展繁殖孵化、投苗等相關(guān)漁事活動(dòng),關(guān)注水溫的極端低溫對(duì)漁業(yè)生產(chǎn)的影響,而夏季則主要關(guān)注高溫是否在某一臨界值以下,關(guān)注水溫的極端高溫是否會(huì)對(duì)養(yǎng)殖產(chǎn)生影響,加之春夏季魚(yú)類的活動(dòng)層不同,據(jù)此,采用逐步回歸法分別建立了逐層春夏季平均水溫預(yù)報(bào)模型(見(jiàn)表3)、春季3—5月最低水溫預(yù)報(bào)模型(見(jiàn)表4)、夏季6—8月最高水溫預(yù)報(bào)模型(見(jiàn)表5)。由表3可知,模型的決定系數(shù)均達(dá)到0.96以上,具有較高的精度。模型中AT、AT1n、AT2、AT2x、AT3僅出現(xiàn)了0~1次,而ATx、ATn、AT1、AT1x、AT2n、AT3x、AT3n在模型中出現(xiàn)了4~5次,表明當(dāng)日的最高氣溫、最低氣溫以及前1日的平均氣溫、最高氣溫、前2日的最低氣溫、前3日的最高氣溫和最低氣溫比較能影響當(dāng)日的平均水溫值。從模型回歸系數(shù)值可以看出,對(duì)當(dāng)日平均水溫預(yù)報(bào)影響最大的因子是前1日的平均氣溫和最高氣溫,其次是當(dāng)日的最高氣溫和最低氣溫。由表3可明顯看出,ATx和ATn的回歸系數(shù)從淺層至深層明顯呈遞減趨勢(shì),而AT1和ATx的回歸系數(shù)從淺層至深層則呈明顯遞增趨勢(shì),表明淺層水溫較深層更容易受到當(dāng)日的氣溫影響,而深層水溫則更易受到前1日氣溫的影響,體現(xiàn)了深層水溫變化的相對(duì)滯后性。由表4可知,春季最低水溫預(yù)報(bào)模型的決定系數(shù)均達(dá)到了0.97以上,模擬效果較好,模型中ATx、AT1x、AT1n、AT2x、AT3x僅出現(xiàn)了0~1次,AT2、AT2n、AT3、AT3n出現(xiàn)了2~3次,而AT、ATn、AT1均出現(xiàn)了5次,表明與春季最低水溫關(guān)系最為密切的因子是當(dāng)日的平均氣溫和最低氣溫,以及前1日平均氣溫。從以上因子的回歸系數(shù)值可以看出,總體上ATn的回歸系數(shù)數(shù)值最大,其次是AT,表明當(dāng)日最低氣溫和平均氣溫對(duì)當(dāng)日的最低水溫影響最大,且從ATn的回歸系數(shù)值總體呈不明顯的遞減趨勢(shì)可知,當(dāng)日最低氣溫對(duì)淺表層的最低水溫影響相對(duì)較大。在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)日最低氣溫的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)對(duì)春季最低水溫預(yù)報(bào)至關(guān)重要。由表5可知,夏季最高水溫預(yù)報(bào)模型的決定系數(shù)在0.84~0.87,模擬效果較春夏季平均水溫和春季最低水溫預(yù)報(bào)模型稍差,但也達(dá)到了極顯著水平,具有較好的模擬效果,模型中ATn、AT1n、AT2、AT2n、AT3、AT3n僅出現(xiàn)了0~1次,AT、AT1、AT3x出現(xiàn)了2~3次,而ATx、AT1x、AT2x出現(xiàn)了4~5次,表明與夏季最高水溫關(guān)系最為密切的因子是逐日的最高氣溫,且其中ATx的回歸系數(shù)隨著水層的加深呈顯著減小趨勢(shì),注意到在10cm和30cm水層AT的模型回歸系數(shù)為負(fù)值,而該2層最高水溫預(yù)報(bào)模型中ATx與其他水層相比明顯較大,AT的負(fù)值系數(shù)很大程度上削弱了ATx的影響;其次是AT1x、AT2x,從該因子出現(xiàn)的水層和數(shù)值可以看出,前1日的最高氣溫對(duì)較淺的水層相對(duì)較大,而對(duì)深層水溫影響則很小;前2日最高氣溫對(duì)當(dāng)日的最高水溫的貢獻(xiàn)則進(jìn)一步削弱和減小。2.3日最低水溫模型的s1為了驗(yàn)證建立的水溫預(yù)報(bào)模型是否可以應(yīng)用于業(yè)務(wù)運(yùn)用,利用2011年5月和7月的逐日氣溫資料,對(duì)該魚(yú)塘逐層的5月最低水溫、平均水溫和7月平均水溫、最高水溫進(jìn)行了模擬預(yù)報(bào),對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖1~2。從模擬結(jié)果與對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)水溫對(duì)比圖可看出,運(yùn)用模型模擬的結(jié)果都達(dá)到了極顯著水平,且5月模擬效果較7月效果好,5月日平均水溫模擬模型與實(shí)測(cè)水溫的決定系數(shù)R2達(dá)到0.87~0.90之間,日最低水溫模型的R2也達(dá)到0.85~0.88;7月的日平均水溫模型的R2稍低,為0.75~0.80,日最高水溫模型效果較好,R2達(dá)到0.83~0.89。根據(jù)逐層水溫預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值散點(diǎn)在y=x線兩側(cè)的分布,可明顯看出散點(diǎn)分布在該直線兩側(cè),5月逐層平均水溫和最低水溫的預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)散點(diǎn)主要以在y=x線之上為主,而7月的平均水溫和最高水溫的預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)散點(diǎn)以在y=x線之下的點(diǎn)比在其之上略多。但通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),無(wú)論是5月的平均水溫或最低水溫,其散點(diǎn)距y=x線的距離均較7月的平均水溫或最高水溫為短,同樣表明5月的水溫模擬效果較7月好。由表6可知,5月日平均水溫模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)水溫的標(biāo)準(zhǔn)差、平均絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差都是最小的,模擬效果相對(duì)最好,而7月日平均水溫和最高水溫模擬效果相對(duì)較差。究其原因,由于夏季氣溫較高,漁民會(huì)加注塘水以降低水溫,保證池魚(yú)正常生長(zhǎng)發(fā)育,加之夏季是浮頭泛塘高發(fā)期,漁民開(kāi)設(shè)增氧機(jī),而增氧機(jī)的攪動(dòng)一方面可以給深層增氧,一方面還能起到將上下層水溫混合平衡的作用,這種作用一定程度上會(huì)降低表層水溫,減小表層與深層的水溫差異。但是總體看來(lái),建立模型的平均相對(duì)誤差大部均在4%以內(nèi),表明該模型可以反映魚(yú)塘逐層水溫的變化情況,一定程度上可以用于魚(yú)塘春夏季水溫預(yù)報(bào)。3預(yù)報(bào)模型驗(yàn)證(1)魚(yú)塘水溫隨氣溫變化而變化,表層水溫比深層水溫日變幅大,深層水溫更趨于穩(wěn)定,但春夏季水溫也有著不同的變化規(guī)律,一般在春季,表層與深層水溫差異較大,而夏季差別則相對(duì)較小,表層水溫在夏季6月的日變幅最大,與深層水溫的差異也最大,而7、8月表層與深層水溫日變幅差異則較小。(2)水溫與氣溫之間的相關(guān)分析結(jié)果表明,水溫與當(dāng)日、前1~3日的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫關(guān)系較為密切,杜堯東等、張德林等在研究廣州和上海冬季和春季魚(yú)塘水溫特征時(shí)也發(fā)現(xiàn)水溫與氣溫關(guān)系密切,尤其是當(dāng)日和前1~3日的氣溫,與本研究結(jié)論一致。以這些要素為預(yù)報(bào)因子,建立的春夏季平均水溫、春季日最低水溫預(yù)報(bào)模型的決定系數(shù)達(dá)到0.96~0.98,夏季日最高水溫預(yù)報(bào)模擬效果略差,但決定系數(shù)也達(dá)到0.84~0.87,顯著性檢驗(yàn)也都達(dá)到了0.001的極顯著水平。從建立的水溫模型可知,與春夏季當(dāng)日平均水溫影響最大的因子是前1日的平均氣溫和最高氣溫,其次,是當(dāng)日最高和最低氣溫,且淺層水溫較深層更易于受到當(dāng)日氣溫的影響,而深層水溫則有一定的滯后性,更易受前1日氣溫的影響;春季當(dāng)日最低水溫與當(dāng)日平均氣溫和最低氣溫、以及前1日平均氣溫關(guān)系最為密切,且當(dāng)日最低氣溫對(duì)淺層最低水溫影響最大;夏季當(dāng)日最高水溫與逐日最高氣溫關(guān)系密切,尤其是當(dāng)日最高氣溫,且淺層更易受當(dāng)日最高氣溫的影響而變化。