海鲈养殖溶氧量气象预报模型

吴志辉，周珍丹，吴楚辉，雷振亮

（珠海市斗门区气象局，广东珠海 519125）

“白蕉海鲈”属国家地理标志保护产品，是珠海市优质养殖品种，入选2020年第一批全国名特优新农产品名录。珠海市水产养殖历史悠久，如今已有超3万亩的海鲈养殖面积，约占全省产量的70%、全国产量的50%，为珠海赢得“中国海鲈之都”的美誉。

溶解氧含量（简称溶氧量）是水生生物维持生存的重要因素之一，也是水产养殖水质管理最关注的问题之一，更能反映出养殖水质的变化，而水质的好坏直接影响水生生物的生长及其产品品质［1］。《地理标志产品白蕉海鲈》（DB4404／T 2—2020）提到海鲈养殖的适宜水温7～33℃，水体溶氧量应在4 mg／L以上［2］，最适宜气温20～30℃［3］。适宜的溶氧量对海鲈生存、生长、品质、饲料利用率等非常重要。溶氧量浓度对海鲈饲料消耗、代谢率和能量消耗有强烈的影响，如果溶氧量低于3 mg／L，疾病很容易爆发，并会导致大量的鱼类死亡［4－5］。因此对海鲈养殖溶氧量进行监测、预测对于减少灾害损失具有重要意义。有不少学者对水产养殖与气象因子进行研究，巩沐歌等［6］通过研究池塘养殖环境中不同水层水质因子与气象因子组间的相关关系，得出对水质因子产生主要影响的气象因子是气温、气压、湿度和光照，不同水层水质因子受气象因子影响程度不同；宦娟［1］以水产养殖溶解氧为研究对象，拟搭建多尺度养殖环境物联网系统，探索运用机器学习方法建立多种溶解氧预测模型，实现快速响应的溶解氧在线预测应用，最终实现对水产养殖溶解氧在线监测、预测和调控管理。但针对海鲈养殖与气象因子的相关性及预报模型的相关研究较少，本研究结合珠海本地30多年养殖海鲈经验，收集整理海鲈养殖气象、水质数据以及海鲈因天气条件受灾情况进行基础研究，探讨气象因子对海鲈养殖池塘中溶氧量的影响，以期构建海鲈养殖溶氧量气象预报模型，预测未来不同天气条件下水中溶氧量变化趋势，为海鲈等渔业养殖气象服务提供科学技术支撑。

1 资料与方法

本研究使用资料包括2021年8月—2023年4月珠海市白蕉海鲈气象服务代表站逐小时水质资料和斗门国家气象观测站的气象资料。气象数据包括平均气温、平均气压、相对湿度、最大风速、最大风向、平均风速、日照、降雨量、最高气温、最低气温10个主要因素；水质数据包括溶氧量、水温、pH值3个主要因素；水质数据、近3年海鲈养殖受灾历史资料由珠海市斗门区河口渔业研究所提供。2021年8月—2022年7月的数据作为训练样本集，用于模型构建；2022年8月—2023年4月的数据用于检验。白蕉海鲈气象服务代表站直线距斗门国家气象观测站1 200 m。

本研究主要运用数理统计等方法对气象、水质数据进行整理分析，利用皮尔逊相关系数分析溶氧量与气象因子的相关性大小，逐步回归方法建立海鲈养殖溶氧量气象预报模型。

2 结果与分析

2.1 月变化

皮尔逊相关系数是用来描述两个变量间线性关系密切程度和相关方向的统计指标，其定义为两个变量之间的协方差和标准差的商。从表1可看出，全年各月变化趋势中，溶氧量与气压呈正相关，即气压高（低）时溶氧量同样为高（低）；溶氧量与最低气温、平均气温、最高气温、水温、平均风速呈负相关，即最低气温、平均气温、最高气温、水温、平均风速高（低）时溶氧量低（高），最低气温、平均气温、最高气温、水温、平均风速的最高值出现在7月，溶氧量最低值也出现在7月；这与袁圣［7］得出的结论相一致。溶氧量与日照时数、相对湿度、最大风速、降雨量、pH值、最大风向、最多风向、最多风向频率的相关系数没有通过显著性检验。

表1 月平均溶氧量与各气象要素的相关性检验结果

由图1可以看出，溶氧量与气压月变化趋势一致（图1a），溶氧量与气压最低值均出现在7月，主要是由于夏季水温高，虽然浮游植物光合作用产生的氧较多，但水中耗氧因子也多，因而水中溶氧量低；秋、冬季节，水温低，耗氧因子少（如水生生物的呼吸少），故水中溶氧量偏高。另外，水温与气温的月变化趋势一致（图1b）。

图1 溶氧量与气压（a）、水温与气温（b）的月变化趋势

2.2 日变化

由图2a可看出气压与溶氧量日变化趋势不一致。一天中溶氧量在06：00—08：00（北京时，下同）最低，15：00—17：00最高，即最小值通常出现在早晨日出之前，最大值则出现在下午日落之前。早上日出后的白天，溶氧量从最小值逐渐升高，至日落前达最大值；而在日落后的整个黑夜，溶氧量则从最大值不断降低，到早晨日出前又达到最小值。其原因在于日出之后，表层水中浮游植物开始进行光合作用并释放出大量氧气，使水中增氧作用超过耗氧作用，白天随着溶解氧的不断升高，在日落之前便积累到最大值；而日落之后水中浮游植物不仅不能进行光合作用释放氧气，反而要进行呼吸消耗氧气，使水中耗氧作用大大超过增氧作用，从而使溶氧量达到最小值。06：00—08：00溶氧量最低，鱼塘中此时极易出现鲈鱼因缺氧造成的浮头现象，这与潘荣庆研究得出的结论相一致［3］。气压日变化指一天内气压高低的周期性变化，气压日变化的特点是在一天中有一个最高值和一个次高值，一个最低值和一个次低值；其中最高值出现在09：00—10：00，次高值出现在21：00—22：00；最低值出现在15：00—16：00，次低值出现在03：00—04：00。从日变化（图2b）趋势来看，水温和气温日变化趋势一致，水温日变化幅度较气温缓和，水温日较差1.2℃，气温日较差4.1℃；一天当中水温、气温最低值均出现在06：00；而最高值水温比气温滞后，气温出现在14：00—15：00，水温出现在15：00—16：00。

图2 溶氧量与气压（a）、水温与气温（b）的日变化

2.3 溶氧量与气象因子关系

根据邓玉娇等［8］、黄永平等［9］的研究表明，溶氧量与气象因子关联系数越大，溶氧量与这种环境因素越密切相关。海鲈养殖过程中出现缺氧浮头或泛塘现象最大程度与海鲈养殖水体中溶氧量的变化关系密切。为深入研究影响溶氧量的气象因子，将2021年8月—2022年7月逐时平均气温、平均气压、相对湿度、最大风速、最多风向、平均风速、日照、降雨量、最高气温、最低气温与溶氧量进行相关性分析，并从结构中选取呈显著性相关并有明显生物学意义的关键因子共5个，均达到0.01显著性水平检验（表略），其中最低气温、平均气温、平均气压、最高气温、相对湿度是影响溶氧量最关键的气象因子，除平均气压与溶氧量呈正相关外，其余4个关键气象因子与溶氧量呈负相关，这与2.1节月变化分析结果不同点是溶氧量与平均风速相关度不高，反而与相对湿度相关度高。

2.4 海鲈养殖溶氧量气象预报模型

将2021年8月—2022年7月逐时溶氧量与最低气温、平均气温、平均气压、最高气温、相对湿度5个最关键气象因子做逐步回归［10－12］，得到拟合预报方程如式（1）所示。

其中，D0为拟合的海鲈养殖溶氧量（mg／L）；tmin为时最低气温（℃）；t为时平均气温（℃）；p为时平均气压（hPa）；tmax为时最高气温（℃）；U为时相对湿度（%）。

该方程R＝0.596，F＝538.310，方程通过0.01显著性水平检验；在24 h预报时效范围内。

2.5 海鲈养殖溶氧量预报

利用式（1）计算出2022年11—12月各日逐时溶氧量，采用平均绝对误差、均方根误差分析方法［13］对模型溶氧量预报进行检验。

其中，G为溶氧量预测值（mg／L）；O为观测站点实测值（mg／L）。

通过检验分析，模型得出的2022年11—12月各日逐时溶氧量预报平均绝对误差0.69 mg／L，均方根误差0.87 mg／L，预测效果良好。

结合多年海鲈养殖气象服务经验，重点对高温炎热、连续阴雨寡照、冷空气过程等灾害性天气或转折性天气进行检验。分别对2022年8月22—24日（图3a）和27—28日（图3b）出现的高温炎热天气进行各日逐时溶氧量预报检验，平均绝对误差1.89 mg／L、均方根误差1.94 mg／L；高温天气过程准确率偏低，需收集更多相关个例，在今后服务和检验中不断优化预报模型。分别对2023年2月4—12日（图3c）和3月27—31日（图3d）出现的连续阴雨寡照天气进行各日逐时溶氧量预报检验，平均绝对误差0.44 mg／L、均方根误差0.55 mg／L；主要是连续阴雨天气过程各要素波动不大，预测值变化幅度不大，故准确率较高。分别对2022年11月30日—12月3日（图3e）和12月12—18日（图3f）出现的冷空气过程进行各日逐时溶氧量预报检验，平均绝对误差0.97 mg／L、均方根误差1.09 mg／L。从两次冷空气过程检验分析来看，溶氧量实测值与预测值变化趋势基本一致，尤其是12月12—18日的冷空气过程降温幅度小，变化趋势一致性明显，过程溶氧量最低值均出现在12月16日17：00；当冷空气过程影响降温幅度大时，溶氧量预测值偏高，如11月30日11：00与29日同期相比降温幅度6℃以上（图3e冷空气过程），溶氧量实测值由7 mg／L降到5 mg／L，预测值却是5.9到6.7 mg／L，未能直观地反映出降温幅度大时对溶氧量的影响程度。存在较大误差的原因是拟合预报方程计算得出的预测值对于转折性天气效果欠佳，需在今后服务过程中不断积累数据和经验，以期提高模型的准确性。

图3 不同天气过程逐时溶氧量实测值与预测值的分布

3 结论

1）从各月变化趋势来看，溶氧量与气压呈正相关，即气压高（低）时溶氧量同样为高（低）；溶氧量与最低气温、平均气温、最高气温、水温、平均风速呈负相关，即最低气温、平均气温、最高气温、水温、平均风速高（低）时溶氧量低（高）。

2）从日变化特征来看，气压与溶氧量日变化趋势不一致。全天24 h中溶氧量06：00—08：00最低，15：00—17：00最高。气压日变化在一天中有一个最高值和一个次高值，一个最低值和一个次低值；最高值出现在09：00—10：00，次高值出现在21：00—22：00；最低值出现在15：00—16：00，次低值出现在03：00—04：00。

3）逐时最低气温、平均气温、平均气压、最高气温、相对湿度是影响溶氧量最关键的气象因子，除平均气压与溶氧量呈正相关外，其余4个关键气象因子与溶氧量呈负相关。

4）基于5个关键气象因子建立海鲈养殖溶氧量气象预报模型，模拟得出的2022年11—12月各日逐时溶氧量，平均绝对误差0.69 mg／L，均方根误差0.87 mg／L，预测效果良好，符合海鲈养殖实际，该方法也易于在日常服务中使用。模型对高温炎热、连续阴雨寡照、冷空气过程等进行检验，高温炎热过程平均绝对误差1.89 mg／L、均方根误差1.94 mg／L，连续阴雨寡照天气过程平均绝对误差0.44 mg／L、均方根误差0.55 mg／L，冷空气过程平均绝对误差0.97 mg／L、均方根误差1.09 mg／L，整体预测效果良好，对连续阴雨寡照天气的检验效果最优；受冷空气过程影响降温幅度大时，溶氧量预测值偏高，未能直观地反映出明显降温天气对溶氧量的影响程度。