納雍珙桐始花期與氣候因子的相關(guān)性及預(yù)報(bào)模型

鄭 園，謝 明，成春麗，趙庭飛，周 庶，劉興平

(1.貴州省納雍縣氣象局，貴州 納雍 553300；2.貴州省畢節(jié)市氣象局，貴州 畢節(jié) 551700；3.貴州省織金縣氣象局，貴州 織金 552100；4.貴州納雍珙桐省級自然保護(hù)區(qū)管理局，貴州 納雍 553300)

珙桐是我國特有的第三紀(jì)孑遺植物，又名鴿子花樹，是一種落葉喬木，樹高可超過20 m，1999年被列為國家一級重點(diǎn)保護(hù)野生植物，有植物中的大熊貓之稱。作為我國獨(dú)有、世界著名的珍稀名貴觀賞植物，珙桐分布區(qū)氣候要求涼爽濕潤，年平均氣溫8.9～15℃，年降水量600～2 600 mm，>10℃的活動積溫2 897.0～5 153.3℃。其一般生長在海拔1 500～2 200 m潤濕的常綠闊葉與落葉闊葉混交林中，在我國主要生長在云貴川和湖北等地。根據(jù)貴州省林業(yè)科學(xué)研究院初步考察的結(jié)果顯示，納雍縣境內(nèi)自然分布有大量光葉珙桐，其面積達(dá)7 120 hm2，近100萬株，集中區(qū)平均1 hm2有50株左右，樹齡長者超過100 a，是目前世界上光葉珙桐自然分布面積最大、資源儲量最豐富的地區(qū)，在國內(nèi)尚屬罕見。因此，2013年納雍縣被中國野生植物保護(hù)協(xié)會授予中國珙桐之鄉(xiāng)稱號。

目前，對于珙桐的研究主要集中在種群結(jié)構(gòu)與數(shù)量動態(tài)、分子生物學(xué)、環(huán)境對生理生化的影響以及栽培繁殖等方面。羅世家[1]研究珙桐的遺傳多樣性與保護(hù)生物學(xué)；宋從文等[2]利用RAPD標(biāo)記研究天然珙桐群體的遺傳多樣性；馬宇飛等[3]研究了湖北七姊妹山珙桐的種群結(jié)構(gòu)。已有研究均未涉及珙桐花花期的預(yù)報(bào)。

準(zhǔn)確預(yù)測植物的花期具有重要作用，目前已有不少學(xué)者對此做出了大量研究。張玲等[4]利用氣象因子預(yù)測牡丹花花期。郭連云等[5]研究表明，影響梨樹始花期的主要因子是至3月底氣溫穩(wěn)定通過5℃的積溫值。張秀英等[6]研究發(fā)現(xiàn)，桃花始花期與花前2～3旬的平均旬積溫和平均最高旬積溫關(guān)系非常密切。萬漢蕓等[7]研究指出，百里杜鵑杜鵑花開花前期平均溫度越高日序數(shù)越小，則花期提前。車少靜等[8-9]分別對迎春花和銀杏花的花期進(jìn)行預(yù)測研究。已有的研究均認(rèn)為，溫度和日照對植物的花期影響較大，降水等因子影響略??；由此也發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)者對于花期的預(yù)報(bào)研究僅局限于氣象因子與花期的關(guān)系，再利用回歸分析或最小二乘法等方法建立花期預(yù)報(bào)模型，該預(yù)報(bào)模型對于花期預(yù)報(bào)的提前時間很短，且不能進(jìn)行滾動預(yù)報(bào)，實(shí)時更新。

月動力延伸期預(yù)測模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)DERF 2.0在中國主要應(yīng)用于氣溫和降水的預(yù)測，其對氣溫的預(yù)測性能較降水好，該系統(tǒng)提供的大氣初始場采用NCEP一日4次的再分析資料，包括月平均資料和周平均資料，在資料能夠獲取的情況下使用最近的周平均資料。第二代月動力延伸預(yù)測模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)DERF 2.0從模式結(jié)果、分辨率等方面均可以應(yīng)用于實(shí)際預(yù)測業(yè)務(wù)。王文青等[10]利用DERF 2.0建立山東省延伸期天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，成功提前滾動預(yù)報(bào)全國第十一屆運(yùn)動會(濟(jì)南)開幕式天氣。何慧根等[11]研究指出，DERF 2.0模式對中國氣溫的總體預(yù)測效果較好，可明顯提升對氣溫的預(yù)測性能。

鑒于此，利用2012—2016年納雍縣珙桐始花期物候觀測資料和納雍國家一般站地面氣象資料，采用相關(guān)性分析法與月動力延伸預(yù)測模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)(DERF 2.0)相結(jié)合，研究珙桐始花期與氣溫、降水和日照等氣象因子的相關(guān)性，并建立珙桐始花期預(yù)報(bào)模型，以期為納雍縣珙桐自然保護(hù)區(qū)始花期準(zhǔn)確預(yù)報(bào)及其在旅游推介工作上的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

2012—2016年連續(xù)5 a珙桐始花期的物候觀測資料，以及相應(yīng)花期時段的氣溫、積溫、日照時數(shù)和降水量等氣象因子，資料來源于納雍縣林業(yè)局和納雍縣國家一般氣象站。

1.2 研究方法

1.2.1 珙桐始花期與氣象因子的相關(guān)性 利用2012—2016年連續(xù)5 a的珙桐始花期的物候觀測資料，先將始花期日期均轉(zhuǎn)換成距3月1日的實(shí)際日數(shù)[12]，再分析珙桐始花期日期序列與2012—2016年1—5月逐日氣溫穩(wěn)定通過12～17℃的日期序列、珙桐始花期與≥5℃積溫及初、終日和≥10℃積溫及初終日、日照時數(shù)、降水量的相關(guān)性，以確定影響始花期最關(guān)鍵的氣象因子。

1.2.2 模型建立與檢驗(yàn) 將分析得出的5日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過15℃和16℃作為預(yù)報(bào)指標(biāo)，采用DERF 2.0結(jié)合延伸期預(yù)報(bào)結(jié)論建立珙桐花始花期的預(yù)報(bào)模型，再對模型的預(yù)報(bào)分別做相關(guān)性分析之后確定主要預(yù)報(bào)指標(biāo)。該研究分析珙桐始花期與氣象因子的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，珙桐始花期關(guān)鍵影響因子為氣溫，在氣候延伸期預(yù)報(bào)結(jié)論的基礎(chǔ)上結(jié)合該預(yù)報(bào)因子，建立珙桐始花期預(yù)報(bào)模型，即從氣候延伸期溫度預(yù)報(bào)產(chǎn)品圖中讀取每5 d滾動制作未來40 d的逐10 d的氣溫?cái)?shù)據(jù)為延伸期溫度距平值；歷年平均氣溫由統(tǒng)計(jì)而得，將溫度距平值與歷史同期平均值相加即可得出所需要的延伸期溫度預(yù)報(bào)值。國家氣候中心氣候延伸期預(yù)測產(chǎn)品中預(yù)測起始日期為2014年，由其提供的每5 d滾動制作未來40 d的逐10 d的氣溫和降水延伸期氣候預(yù)測圖，為建立珙桐始花期預(yù)報(bào)模型提供極好的定量化預(yù)報(bào)依據(jù)。對模型的逐10 d氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)誤差±2℃為正確。由于氣候延伸期溫度預(yù)報(bào)產(chǎn)品提供的是10 d的平均溫度預(yù)報(bào)結(jié)果，珙桐花預(yù)報(bào)需要的是5 d平均溫度。為此，采用相似替代法，找出4月上旬分別與之對應(yīng)的第1至第6個滑動5 d平均溫度，將其替代逐10 d平均溫度。最后進(jìn)行珙桐始花期預(yù)報(bào)模型檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 珙桐始花期與氣象因子的相關(guān)性

2.1.1 氣溫 從表1可見，雖然珙桐始花期與滑動6～10日平均氣溫穩(wěn)定通過12～14℃的相關(guān)性大多通過顯著性檢驗(yàn)，但相關(guān)性較??；而平均氣溫穩(wěn)定通過16～17℃的相關(guān)性雖然理想，但是大多未能通過顯著性檢驗(yàn)。其中，滑動5日平均氣溫與穩(wěn)定通過15℃的相關(guān)系數(shù)為-0.513，與穩(wěn)定通過16℃的相關(guān)系數(shù)為-0.952，且二者均通過顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)。

表1 珙桐始花期日期與氣溫滑動平均的相關(guān)性Table 1 Correlation between early flowering period of D.involucrate and temperature moving average

注：*表示通過顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，下同。
Note: * indicates significance of difference atP<0.05 level.The same below.

2.1.2 臨界溫度及其初終日和積溫 珙桐始花期與≥5℃積溫的相關(guān)系數(shù)為0.774，與≥10℃積溫的相關(guān)系數(shù)為0.938，均通過顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，表明，與≥10℃積溫呈顯著正相關(guān)且相關(guān)性較好。與≥5℃積溫初日的相關(guān)系數(shù)為0.698，與≥10℃積溫初日的相關(guān)系數(shù)為0.931，均未通過顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，表明，與≥10℃積溫初日呈正相關(guān)關(guān)系但不顯著。與≥5℃積溫終日的相關(guān)系數(shù)為0.730，與≥10℃積溫終日的相關(guān)系數(shù)為-0.757，均通過顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，表明，與≥10℃積溫終日呈顯著負(fù)相關(guān)且相關(guān)性較好。

2.1.3 日照時數(shù)和降水量 由表2可見，珙桐始花期與4月初至始花期時的日照時數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.923，呈正相關(guān)但不顯著(α=0.05)；與2月和3月日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.225和0.534，均呈顯著正相關(guān)(α=0.05)。珙桐始花期與1—4月降水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.039、0.222、-0.28和0.328，其中，與1月、2月和4月的降水量呈顯著正相關(guān)(α=0.05)，與3月降水量呈負(fù)相關(guān)但不顯著。

表2 珙桐始花期日期與日照時數(shù)和降水量的相關(guān)性Table 2 Correlations between early flowering date of D.involucrate and sunshine duration, precipitation

綜上所述，日照時數(shù)和降水量與珙桐始花期的相關(guān)性較弱，影響較小，而與滑動5日平均氣溫穩(wěn)定通過15℃及16℃呈顯著負(fù)相關(guān)，相對于與≥10℃積溫及積溫終日的相關(guān)性而言，氣溫與珙桐始花期的相關(guān)性最高，可以將其作為珙桐始花期的預(yù)報(bào)因子。

2.2 預(yù)報(bào)模型的建立與模型檢驗(yàn)

2.2.1 DERF 2.0模型的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率 由收集到的珙桐始花期物候期資料可知，珙桐始花期一般在3-5月，因此計(jì)算出其相應(yīng)年份的DERF 2.0的氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，從表3看出，2014—2016年3—5月氣溫預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率均>50%，特別是在珙桐始花期預(yù)測最重要的4月，平均準(zhǔn)確率為75.6%，為珙桐始花期預(yù)報(bào)提供了有力的氣候趨勢預(yù)測數(shù)據(jù)支撐。說明，國家氣候中心發(fā)布的延伸期預(yù)報(bào)產(chǎn)品具有很好的業(yè)務(wù)應(yīng)用價值，為長期氣候趨勢預(yù)測從傳統(tǒng)的定性預(yù)報(bào)向定量預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變奠定了基礎(chǔ)。

表3 2014—2016年納雍縣延伸期氣溫預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率Table 3 Precision rate of temperature forecast during the elongating period in Nayong County during 2014—2016 %

2.2.2 珙桐始花期預(yù)報(bào)模型檢驗(yàn) 珙桐始花期模型中利用的是滑動5日平均氣溫穩(wěn)定通過15℃時的溫度作為預(yù)報(bào)指標(biāo)，但是由于DERF 2.0提供的數(shù)據(jù)為逐10 d的氣溫，因此對其進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。從表4可見，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后10 d平均氣溫接近第4個5 d平均氣溫，因此，可以采用10 d平均氣溫代替5 d平均氣溫，將始花期確定為10 d通過臨界指標(biāo)第4個5 d的中間1天為珙桐花始花期。按此標(biāo)準(zhǔn)，得出2014—2017年珙桐花始花期在氣溫穩(wěn)定通過15℃時分別為4月11日、4月16日、4月6日、4月16日，穩(wěn)定通過16℃時為4月16日、4月21日、4月11日、4月21日。經(jīng)相關(guān)性分析，珙桐始花期與氣溫穩(wěn)定通過15℃和16℃預(yù)報(bào)值之間呈顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.958和0.672(α=0.05)。因此，選擇氣溫穩(wěn)定通過15℃作為珙桐始花期的預(yù)報(bào)因子?？紤]到始花期預(yù)報(bào)是使用10 d替代5 d資料，將始花期預(yù)報(bào)與實(shí)際時間在正負(fù)5日內(nèi)都計(jì)為正確。由表5看出，氣溫穩(wěn)定通過15℃的珙桐始花期預(yù)報(bào)最大誤差為4 d，最小誤差為1 d，平均誤差為3 d，準(zhǔn)確率為100%；提前預(yù)報(bào)時間平均為40.8 d。氣溫穩(wěn)定通過16℃的預(yù)報(bào)最大誤差為9d，最小誤差為4 d，誤差平均為7.5 d，準(zhǔn)確率為25%；提前預(yù)報(bào)時間平均為28.5 d。從圖1可見，對穩(wěn)定通過15℃和16℃始花期實(shí)際值與預(yù)報(bào)值進(jìn)行擬合，氣溫穩(wěn)定通過15℃預(yù)報(bào)值與實(shí)際值差異較小，說明，通過15℃的擬合比通過16℃的效果好。

表4 畢節(jié)市8個觀測站4月上旬的10 d平均氣溫與滑動5 d平均氣溫Table 4 10 d moving average temperature and 5 d moving average temperature recorded by 8 meteorological stations during the first ten-day period of April in Bijie City ℃

表5 2014—2017年氣溫穩(wěn)定通過15℃和16℃時的珙桐始花期預(yù)報(bào)Table 5 Forecast of D.involucrate early flowering period when the daily temperature is steadily above 15℃ and 16℃ during 2014—2017

圖 1 氣溫穩(wěn)定通過15℃和16℃珙桐始花期實(shí)際值與預(yù)報(bào)值的擬合曲線Fig.1 Fitted curves between actual value and forecast value of D.involucrate early flowering period when the daily temperature is steadily above 15℃ and 16℃

3 結(jié)論與討論

納雍縣珙桐始花期與5日滑動平均氣溫、降水和日照等氣象因子的相關(guān)性分析表明，珙桐始花期與氣溫的相關(guān)性較好，其中，選擇滑動5日平均氣溫穩(wěn)定通過15℃作為花期預(yù)報(bào)指標(biāo)最好。應(yīng)用月動力延伸預(yù)測模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)(DERF 2.0)預(yù)報(bào)產(chǎn)品建立珙桐始花期預(yù)報(bào)模型，模型最長可以提前30 d得出預(yù)報(bào)結(jié)論，且預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為100%。對推動納雍珙桐自然保護(hù)區(qū)旅游業(yè)發(fā)展意義重大。

目前收集到的納雍珙桐始花期資料較短，還需收集更長時段的花期資料，對預(yù)報(bào)模型進(jìn)行檢驗(yàn)和優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高珙桐始花期預(yù)報(bào)精確度，減少預(yù)報(bào)誤差。