涟水县池塘水温变化特征及预报

陈 磊，朱晓晓，李国成，王 怡，葛佳艳

（涟水县气象局，江苏涟水 223400）

涟水县地处江苏省北部、淮河下游、淮安境内东北部，有“自古涟漪佳绝地”的美誉。境内河网密布，水乡特色浓郁，自然条件良好，适合水产品的种植、养殖。2020 年涟水县全县水产品种植养殖面积3 666.6 hm2，淡水产品产出1.8 万t，实现产值4.02 亿元。在水产种植养殖产业中，仍以露天作业环境为主，导致了该产业极易受到天气因素的影响和制约，天气条件对水产种植养殖业的影响巨大。

池塘水温是水产种植、养殖最重要的水环境要素，不仅水体中的溶解氧、pH、氨氮含量等多项要素和水温关系密切，而且水体中的各类鱼、虾、蟹和水生植物对水温都非常敏感，影响水生生物的生长和繁殖。为了准确预测水体温度的变化，科技工作者进行了大量的研究。倪玉红等［1］应用BP 神经网络对盱眙龙虾池塘夏季水温建立预报模型；张志勇等［2］利用数学统计方法，详细探讨了江苏省南部沿海养殖池塘水温变化规律；邓爱娟等［3］利用逐步回归法对洪湖地区水温进行了预报；杨文刚等［4］对湖北省池塘水温建立了预报模型；还有许多研究成果也运用在水温预报中［5-28］。本研究拟从涟水观测设备出发，监测池塘中水体温度的变化特征，挖掘其与气温的关系，为涟水县池塘水温预报提供可靠结论。

1 数据来源和处理方法

1.1 数据来源

水温资料包括50 cm 水温和80 cm 水温，来源于涟水县气象局建设的水体监测站（119°17＇54″E，33°46＇04″N），为了获得真实试验数据，该池塘不进行抽水、灌水、增氧等人工调节活动，水体监测站设置在面积为0.2 hm2的池塘内，池塘水深1.8～2.0 m，传感器距池塘岸3 m，水温监测设备为上海气象仪器厂有限公司生产的DZZ3 型水产养殖自动气象站。气温数据来源于涟水国家气象观测站，水体监测站和涟水国家气象观测站相距150 m。水温、气温资料的选用时间为2020 年3 月至2021 年2 月。

1.2 数据质控

气温数据资料完整准确，数据可用率100%。水温资料因设备断电维护，部分时段未采集数据，数据完整率为96.5%，缺测数据采用拉格朗日差值法补齐，处理后数据可用率为100%。

1.3 统计分析方法

水温、气温日平均值为当日20：00、08：00、14：00、02：00 的实测值的平均值。应用SPSS 22 软件进行Pearson 相关性分析。Pearson 相关系数计算公式如下。

用逐步回归法分别建立日平均水温、日最高水温、日最低水温与气温要素的预报模型。逐步回归法的具体步骤如下。

1）对p个回归自变量X1，X2，…，Xp，分别同因变量Y建立一元回归模型，

Y=β0+βiXi+∊,i=1,…,p

计算变量Xi，相应的回归系数的F检验统计量的值，记为，取其中的最大值，即

依此方法重复进行，每次从未引入回归模型的自变量中选取1 个，直到经检验没有变量引入为止。

2 结果与分析

2.1 水温与气温的变化规律

2.1.1 水温与气温的月变化规律 50 cm 和80 cm的水温的最大值均出现在8 月，分别为30.5 ℃和31.3 ℃；50 cm 和80 cm 水温最小值均出现在1 月，分别为8.9 ℃和4.2 ℃。2—8 月水温持续上升，9 月至次年1 月水温持续下降，与气温变化趋势一致。全年气温均低于水温，除7—9 月外，50 cm 水温均高于80 cm 水温（图1）。

图1 涟水县月平均水温和气温变化

2.1.2 水温与气温的日变化规律 白天空气和水受热辐射升温，由于水的比热容远大于空气，水体的升温速度小于空气，水温的变化幅度也小于空气，夜间空气辐射降温的幅度也大于水温变化的幅度，且日最高最低水温出现时间均落后于气温。气温日最大值出现在14∶00，为19.8 ℃，最小值出现在06∶00，为12.4 ℃；50 cm 水温日最大值出现在16∶00，为20.6 ℃，最小值出现在09∶00，为19.4 ℃；80 cm 水温日最大值出现在17∶00，为18.9 ℃，最小值出现在07∶00，为17.2 ℃。50 cm 水温平均值均高于80 cm水温平均值和气温平均值，80 cm 水温除11∶00 至16∶00 外，均高于气温（图2）。

图2 涟水县小时平均水温和气温变化

2.2 水温预报模型的建立与检验

2.2.1 水温预报模型 由于水产种植、养殖主要发生在春、夏、秋3 季，冬季水温预报的意义不大，本研究仅探讨研究了春、夏、秋3 季的预报模型。划定3—5 月为春季，6—8 月为夏季，9—11 月为秋季，12月至次年2 月为冬季。

60～90 cm 是一般养殖池塘淡水鱼生长发育、产卵繁殖的主要活动范围，也可以代表池塘水温的整体状况，在2 层水温中采用80 cm 水温来建立预报模型。根据水温与气温的变化规律发现，水温与气温的变化趋势相近，但水温的变化相对滞后于气温，因此选取当日和前1～5 d 的平均气温、最高气温、最低气温作为平均水温、最高水温、最低水温进行相关性分析。为方便表达，分别用T、TMAX、TMIN表示当日平均水温、最高水温和最低水温，T0、TMAX0、TMIN0分别表示当日平均气温、最高气温和最低气温，T1、TMAX1、TMIN1分别表示前1 d 平均气温、最高气温和最低气温，T2、TMAX2、TMIN2分别表示前2 d 平均气温、最高气温和最低气温，T5、TMAX5、TMIN5分别表示前5 d 平均气温、最高气温和最低气温。

水温与气温的相关系数见表1。由表1 可知，除夏季最低水温外，T0与其他水温的相关系数均大于0.831；T1与各季节水温的相关系数均大于0.884；TMIN0与水温相关系数均大于0.816；T、TMAX、TMIN与T0、TMIN0和T1的关系最为紧密。

表1 水温与气温的相关系数

选取相关系数最大的前5 项气温要素作为平均水温、最高水温、最低水温的预报因子，通过多元逐步回归建立水温预报模型如下。

春季平均水温T=0.392×T0+0.231×T1+0.293×T2+4.268

春季最高水温TMAX=0.595×T0+0.240×T1+0.282×T2-0.196×TMIN0+4.538

春季最低水温TMIN=0.316×T0+0.277×T1+0.311×T2+3.368

夏季平均水温T=0.325×T0+0.355×T1+0.325×TMIN2+3.215

夏季最高水温TMAX=0.363×T0+0.345×T1+0.233×TMIN1+5.588

夏季最低水温TMIN=0.384×T1+0.354×TMIN0+0.264×TMIN2+3.370

秋季平均水温T=0.372×T0+0.287×T1+0.400×T3+1.699

秋季最高水温TMAX=0.409×T0+0.263×T1+0.408×T3+2.126

秋季最低水温TMIN=0.368×T0+0.281×T1+0.391×T3+1.383

2.2.2 预报模型检验 根据得出的预报模型，计算出春、夏、秋3 个季节平均水温、最高水温和最低水温的预测值，实测水温值与模拟水温值能较好地线性拟合，可直观地看出散点分布在直线两侧，春季水温的平均值、最大值、最低值与实测值的相关系数均大于0.94，夏季水温的平均值、最大值、最低值与实测值的相关系数均大于0.87，秋季水温的平均值、最大值、最低值与实测值的相关系数均大于0.97，表明各预报模型的水温预测值均与实测值的相关性较好（图3）。

图3 预报水温和实测水温对比

对实测值和预报值进行误差分析，结果见表2。由表2 可知，春、夏、秋3 季的平均水温、最高水温、最低水温的预报模拟值与实测值的平均绝对误差在0.62～0.89 ℃，平均相对误差在2.16%～4.92%。建立的水温预报模型对平均水温、最高水温、最低水温的预测值也可达到较高的精度，可用于短期和中长期水温预报。

表2 预报水温和实测水温误差对比

3 小结

1）1 年中池塘水温最高值出现在8 月，最低值出现在1 月，月变化趋势稳定。池塘水温与气温变化相关性较高，呈正相关关系，但变化幅度小于气温，变化时间滞后于气温。

2）当日平均水温、最高水温、最低水温与当日平均气温、当日最低气温和前1 d 平均气温的关系最为紧密。

3）以气温为预报变量，建立春、夏、秋3 季平均水温、最高水温、最低水温预报模型，得到的模拟值与实测值相关系数均大于0.87，具有较好的预报精度，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1 ℃，相对误差小于5%，模拟效果较好，可以为当地水产种植养殖提供科学可靠的水温气象预报服务。

池塘水温的预测模拟受池塘大小、深浅和周边环境等因素影响较大。本研究结论仅可作为当地环境下的池塘水温预测，除相关定性结论外，不宜外推直接应用到其他地区环境下的池塘水温预报。