湖北武漢地區(qū)典型池塘春夏季水溫預(yù)報

湖北武漢地區(qū)典型池塘春夏季水溫預(yù)報

0水溫與氣溫的關(guān)系首先，養(yǎng)魚。魚類生活在水中。它對水環(huán)境有一定的要求和適應(yīng)性，對水環(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類自身的生長、繁殖、越冬,以及對疾病的抵抗等,同時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)生等全過程均與水溫有著十分密切的關(guān)系,各種漁事生產(chǎn)活動都需要達到一定的溫度指標(biāo)才可以進行。因此,對水溫的變化研究以及如何利用水溫預(yù)報進行水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)活動指導(dǎo)就至關(guān)重要。近年來,國內(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、水庫等大型水體水溫的研究較多,如孫大明等研究了長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;周詩賚等研究了黃海和東海春季的水溫分布特點;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)于大宗魚塘的溫度研究成果相對較少,杜堯東等研究了廣州地區(qū)冬季露天魚塘水溫特征和水溫預(yù)報模型;孫志芳對山東禹城不同深度魚塘的水溫狀況也進行了分析,為當(dāng)?shù)貪O業(yè)生產(chǎn)起到了積極的指導(dǎo)和促進作用;張德林等研究了上海地區(qū)設(shè)施魚塘冬春季水溫與氣溫的統(tǒng)計關(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)活動較為關(guān)鍵的時期,因此筆者主要研究了洪湖地區(qū)典型養(yǎng)殖魚塘春夏季的水體溫度變化特征和水溫的預(yù)測預(yù)報,并進行結(jié)果驗證,以期為當(dāng)?shù)剡M行魚苗繁殖孵化、苗種投放及浮頭泛塘預(yù)防、魚病防治等生產(chǎn)活動提供預(yù)警預(yù)報和有效的服務(wù)指導(dǎo)。1材料和方法1.1其4型淡水池塘以1.2.2試驗于2011—2012年的3—8月在湖北省洪湖市烏林鎮(zhèn)黃牛湖漁場中的一個方形魚塘(200m×60m)進行。養(yǎng)殖平均水深1.3~1.5m,養(yǎng)殖模式為草魚、鰱混養(yǎng),是當(dāng)?shù)乇容^具代表性的大宗養(yǎng)殖魚塘。該魚塘根據(jù)漁業(yè)生產(chǎn)需要適時開設(shè)增氧機,但本研究數(shù)據(jù)分析時暫不考慮增氧機運作時對水溫的影響。1.2測試方法1.2.1資料來源及觀測水溫觀測設(shè)備來自江蘇無錫ZQZ-A自動分層水溫觀測儀,水溫觀測精度±0.1℃,已經(jīng)過校正,該設(shè)備安裝于距近岸邊約10m左右魚塘中。觀測深度設(shè)10、30、50、80、100cm共5層,自動水溫儀連續(xù)觀測,每小時記錄1次正點溫度、小時內(nèi)最高溫度和最低溫度,觀測和建模資料時段為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)等來自湖北省檔案館洪湖氣象觀測站。1.2.2水溫對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)報模型模擬值與實測水溫之間的標(biāo)準(zhǔn)差(StandardErroroftheEstimate,SEE)、平均絕對誤差(MeanAbsoluteError,MAE)和平均相對誤差(MeanAbsolutePecentageError,MAPE)來評價,計算分別見公式(1)~(3)。式中:Ei與Mi分別為模擬值與測定值,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,結(jié)果見表1。通過對比發(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,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較大,3、4月份兩者之差達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0.142~0.287℃。表層水溫日變幅在6月最大,達3.362℃,且6月表層與深層水溫的日變幅差異也是最大的,達到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行交叉分析,結(jié)果見表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)報因子,對當(dāng)日水溫進行預(yù)報。由于春夏季水溫有不同的變化特征,且春夏季的水溫關(guān)注點不一,春季主要關(guān)注水溫能否達到某一臨界值以上以開展繁殖孵化、投苗等相關(guān)漁事活動,關(guān)注水溫的極端低溫對漁業(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對養(yǎng)殖產(chǎn)生影響,加之春夏季魚類的活動層不同,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)報模型(見表3)、春季3—5月最低水溫預(yù)報模型(見表4)、夏季6—8月最高水溫預(yù)報模型(見表5)。由表3可知,模型的決定系數(shù)均達到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,對當(dāng)日平均水溫預(yù)報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,而AT1和ATx的回歸系數(shù)從淺層至深層則呈明顯遞增趨勢,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滯后性。由表4可知,春季最低水溫預(yù)報模型的決定系數(shù)均達到了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可知,當(dāng)日最低氣溫對淺表層的最低水溫影響相對較大。在實際應(yīng)用中,當(dāng)日最低氣溫的準(zhǔn)確預(yù)報對春季最低水溫預(yù)報至關(guān)重要。由表5可知,夏季最高水溫預(yù)報模型的決定系數(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)報模型稍差,但也達到了極顯著水平,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,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日的最高氣溫對較淺的水層相對較大,而對深層水溫影響則很小;前2日最高氣溫對當(dāng)日的最高水溫的貢獻則進一步削弱和減小。2.3日最低水溫模型的s1為了驗證建立的水溫預(yù)報模型是否可以應(yīng)用于業(yè)務(wù)運用,利用2011年5月和7月的逐日氣溫資料,對該魚塘逐層的5月最低水溫、平均水溫和7月平均水溫、最高水溫進行了模擬預(yù)報,對比結(jié)果見圖1~2。從模擬結(jié)果與對應(yīng)的實測水溫對比圖可看出,運用模型模擬的結(jié)果都達到了極顯著水平,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測水溫的決定系數(shù)R2達到0.87~0.90之間,日最低水溫模型的R2也達到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達到0.83~0.89。根據(jù)逐層水溫預(yù)報值與實測值散點在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),5月逐層平均水溫和最低水溫的預(yù)報與實測散點主要以在y=x線之上為主,而7月的平均水溫和最高水溫的預(yù)報與實測散點以在y=x線之下的點比在其之上略多。但通過對比發(fā)現(xiàn),無論是5月的平均水溫或最低水溫,其散點距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)果與實測水溫的標(biāo)準(zhǔn)差、平均絕對誤差和相對誤差都是最小的,模擬效果相對最好,而7月日平均水溫和最高水溫模擬效果相對較差。究其原因,由于夏季氣溫較高,漁民會加注塘水以降低水溫,保證池魚正常生長發(fā)育,加之夏季是浮頭泛塘高發(fā)期,漁民開設(shè)增氧機,而增氧機的攪動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降低表層水溫,減小表層與深層的水溫差異。但是總體看來,建立模型的平均相對誤差大部均在4%以內(nèi),表明該模型可以反映魚塘逐層水溫的變化情況,一定程度上可以用于魚塘春夏季水溫預(yù)報。3預(yù)報模型驗證(1)魚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塘水溫特征時也發(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)報因子,建立的春夏季平均水溫、春季日最低水溫預(yù)報模型的決定系數(shù)達到0.96~0.98,夏季日最高水溫預(yù)報模擬效果略差,但決定系數(shù)也達到0.84~0.87,顯著性檢驗也都達到了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。