清鎮(zhèn)市櫻花始花期預(yù)測分析

楊 濤，陳 宇，張 皓，蔡志穎

（1.貴陽市氣象局，貴州貴陽 550001；2.貴州省氣象服務(wù)中心，貴州貴陽5 500012；3.貴陽國家農(nóng)業(yè)氣象試驗站，貴州清鎮(zhèn) 551400；4.寧波市氣象局，浙江寧波 315099）

觀賞性植物的始花期預(yù)測已成為近年來倍受關(guān)注的焦點問題之一，植物物候期的變化與氣象條件密切相關(guān)。研究表明，諸多環(huán)境要素（溫度、降水、光照、風(fēng)速、養(yǎng)分等）都會影響植物物候期，其中溫度作用最大[1]。饒紅欣等利用谷城櫻花開花前1～2 月的最高溫度建立了始花期線性回歸方程，結(jié)果表明當(dāng)年1—2 月的平均最高氣溫升高1℃，櫻花始花期可提前2.4 d[2]。肖丹等對眉山晚櫻盛花期和氣溫進(jìn)行了相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，櫻花盛花期受上年11 月、12 月氣溫影響較小，與當(dāng)年1—3 月平均氣溫的相關(guān)性最高[3]。櫻花花期與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，開花前一段時間內(nèi)溫度越高，花期時序越短。陳正洪等用武漢大學(xué)櫻花園連續(xù)62 年的花期資料研究了櫻花始花期、落花期、持續(xù)天數(shù)的氣候變化特征，并建立了始花期預(yù)報模型，發(fā)現(xiàn)始花期與冬季及2 月平均氣溫密切相關(guān)，其中基于2 月平均氣溫的非線性模型對異?；ㄔ玳_有較好的模擬效果[4]。魏華兵等利用積溫方法研究了櫻花花期，發(fā)現(xiàn)下限溫度和不同起始日期都會影響花期積溫指標(biāo)[5]。

本文研究清鎮(zhèn)氣象條件對櫻花始花期的影響，以期為當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門提供服務(wù)決策依據(jù)，指導(dǎo)人們合理安排時間觀賞櫻花，助力鄉(xiāng)村旅游發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

清鎮(zhèn)市位于貴州省中部，東經(jīng)106°07′～106°33′，北緯26°21′～26°59′，總面積1 386.6 km2，屬北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，平均海拔1 200 m，年平均氣溫14.3 ℃，其中夏季平均氣溫22.7 ℃，年均降雨量1 168.9 mm，年均日照時數(shù)1 228.8 h。氣候溫和，舒適宜人，季風(fēng)明顯，總儲水量近20億立方米。清鎮(zhèn)櫻花園位于清鎮(zhèn)市紅楓湖上游，緊連貴安新區(qū)，共同占地1 300 余公頃的農(nóng)場，種植了近70 萬株名貴櫻花，其面積之廣，密度之大，享有“貴州最佳櫻花觀賞區(qū)”的美譽(yù)。每年3 月櫻花盛開時期都會吸引上百萬人參觀游覽，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于貴州省信息中心，選用清鎮(zhèn)市2013—2020 年逐日平均氣溫、最高氣溫、降水、日照時數(shù)、平均風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)，并采取調(diào)查及專業(yè)觀測方法，參照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》獲取了清鎮(zhèn)櫻花2013—2020年花期的相關(guān)資料。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)處理

首先將始花期、落花期轉(zhuǎn)換為日序數(shù)（每年1月1日記為1，1 月2 日記為2，……以此類推），其次計算始花期至落花期的持續(xù)天數(shù)作為花期天數(shù)，從而得到了始花期、落花期、花期天數(shù)等3 個物候期的完整時序資料。

1.3.2 積溫計算方法

櫻花花芽的發(fā)育與氣溫有關(guān)，櫻花花期的相關(guān)研究表明櫻花生長過程需要一定的總熱量，總熱量常用總積溫或有效積溫來表示[6]。對櫻花花開前期總熱量的表述，除了用日均有效積溫表示外，日本預(yù)測櫻花多利用日最高氣溫累加值的方法來表示并分析櫻花花期影響指標(biāo)。本研究采用一定溫度條件下的日平均氣溫或日最高氣溫表示，如下：

式（1）中，Q為花開前期所需一定條件的階段積溫，m為一定溫度條件下的發(fā)育歷期，T為發(fā)育歷期間的階段溫度值，c為影響發(fā)育的溫度閾值。

1.3.3 統(tǒng)計分析

應(yīng)用SPSS26.0、Excel 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，用相關(guān)分析法分析清鎮(zhèn)櫻花始花期與氣溫、日照、風(fēng)速等氣象因子的相關(guān)性，利用逐步回歸分析法找出對櫻花始花期有顯著影響的關(guān)鍵氣象因子并建立預(yù)報模型，其中2013—2020 年的資料用于模型建立與回測，2021年的資料則作為獨立樣本進(jìn)行了預(yù)測檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 清鎮(zhèn)櫻花花期特征分析

根據(jù)2013—2020年清鎮(zhèn)櫻花的物候資料，發(fā)現(xiàn)清鎮(zhèn)櫻花始花期平均日序為68.6 d，對應(yīng)日期為3 月8—9 日，平均盛花期為3 月14 日，平均落花期為3 月26日，平均花期可達(dá)17.6 d。清鎮(zhèn)櫻花始花期最早為2013 年3 月5 日，最晚為2017 年3 月14 日，變幅長達(dá)9 d。借助均方差的大小判定始花期的穩(wěn)定性程度[7]，發(fā)現(xiàn)櫻花始花期日序數(shù)均方差為3.2，超過63%的年份均偏離平均始花期2 d 以上，這表明清鎮(zhèn)櫻花始花期近8年來并不穩(wěn)定。

2.2 櫻花始花期與氣象因子的關(guān)系

2.2.1 影響櫻花始花期的氣象因子

將清鎮(zhèn)歷年1、2 月的日平均氣象資料換算成逐旬并逐一進(jìn)行相關(guān)性分析。表1 為清鎮(zhèn)櫻花始花期序列與各氣象因子的相關(guān)系數(shù)，可以看出氣溫是影響櫻花花期的主要氣象因子，其中1月中旬、2月下旬平均氣溫，1月下旬日照時數(shù)，2月最高氣溫與櫻花始花期呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.72、-0.83、-0.73、-0.76，尤其是2 月下旬最高氣溫與櫻花花期的相關(guān)性達(dá)極顯著水平（a=0.01），這表明清鎮(zhèn)櫻花開花前，2月下旬的氣溫對花期影響最大，即2月下旬的最高氣溫越高，櫻花開花越早。從表中可以看出降水量、平均風(fēng)速和最大風(fēng)速均未通過顯著性檢驗，這表明此三項氣象因子對清鎮(zhèn)櫻花的始花期影響較小。

表1 始花期日序與各氣象因子的相關(guān)系數(shù)

2.2.2 清鎮(zhèn)櫻花花期預(yù)報模型建立

通過以上分析，從各氣象因子中挑選出與始花期日序數(shù)最相關(guān)的2 個氣象因子，利用SPSS 26.0 軟件對始花期日序數(shù)與氣象因子進(jìn)行逐步回歸分析，從而得到了清鎮(zhèn)始花期預(yù)報模型：

公式（2）中，Y表示始花期日序數(shù)，X1表示2月下旬平均氣溫，X2表示2 月下旬最高氣溫。方程通過了0.05顯著性檢驗，即回歸方程有效。

2.2.3 模型檢驗與預(yù)測檢驗

用2013—2020 年氣象資料對所建立的花期預(yù)報方程進(jìn)行回測，以驗證模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明模型擬合值與實際觀測值差異較小，絕對誤差平均為1.0 d，最大誤差為3 d（見圖1）。利用清鎮(zhèn)櫻花始花期預(yù)測模型，將2021 年的各預(yù)測因子代入得到Y(jié)值為65，換算成日期，得出2021 年清鎮(zhèn)櫻花始花期為3 月6 日，與實際觀測日期3 月4 日相差2 d，在允許誤差范圍內(nèi)。

圖1 回歸預(yù)報模型擬合結(jié)果

2.3 櫻花始花期與前期積溫

2.3.1 清鎮(zhèn)櫻花花期預(yù)報模型建立

大多數(shù)植物開花前的積溫會在一定程度上影響花期早晚，而植物不同生長階段所需要的積溫是相對固定的，積溫模型預(yù)測法就是利用櫻花始花期所需要的積溫，檢驗是否達(dá)到閾值。不同地方、不同植物始花期所需積溫閾值各不相同。利用2013—2020年間清鎮(zhèn)逐日氣象數(shù)據(jù)，選取下限溫度0、3、5 ℃和日最高氣溫，起算時間為1 月1 日、1 月15 日、2 月1 日至當(dāng)年始花期日，分別計算從起始日期到始花期的活動積溫值。表2 為清鎮(zhèn)櫻花始花期序列的各積溫平均值。方差大小可表示花期的穩(wěn)定性程度[8]，差值越小，表明花期與平均花期差距越小，結(jié)果越穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)1月15 日最高溫度累積平均值方差最小為542.3。因此采用起算日為1 月15 日、日最高溫度累積溫度來確定櫻花始花期更為合適。具體指標(biāo)為1 月15 日起，當(dāng)日最高溫度累積值≥611.8 ℃時，這天即為清鎮(zhèn)櫻花開花日。

表2 始花期序列的各積溫平均值及方差

2.3.2 模型檢驗與預(yù)測檢驗

用2013—2020 年清鎮(zhèn)逐日氣象數(shù)據(jù)，將每年1 月15日至始花期序列對各積溫模型進(jìn)行回測，算出歷年櫻花期的擬合日期，將擬合日期減去實際日期的絕對值，得出模型的擬合差異。結(jié)果表明（見表3），1 月15 日至櫻花始花期的0、3、5 ℃有效積溫及最高溫度累積預(yù)報的始花期平均絕對誤差分別為2.8 d、3.8 d、2.1 d、1.5 d，其中最高溫度累積模型預(yù)報誤差天數(shù)最小。從圖2 可以看出，其擬合結(jié)果與實際結(jié)果誤差最大值為3 d，差距為2 d 之內(nèi)的預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)88%。這表明最高溫度積溫預(yù)報模型對清鎮(zhèn)櫻花始花期預(yù)測有良好的擬合效果。利用清鎮(zhèn)櫻花始花期預(yù)測模型，預(yù)測2021 年櫻花始花期為3 月4 日，與實際觀測日期3月4日符合，預(yù)測效果良好。

表3 清鎮(zhèn)櫻花2013—2020年始花期積溫模型預(yù)報誤差 單位：d

圖2 積溫預(yù)報模型擬合結(jié)果

2.4 特早、特遲開花年份的氣候分析

通過對清鎮(zhèn)櫻花開花特早年（2013 年）、特遲年份（2017 年）與近30 年（1991—2020 年）氣象條件分析，發(fā)現(xiàn)2013 年1—3 月的平均氣溫和最高氣溫明顯偏高，尤其是2 月的平均氣溫、最高氣溫、日照時數(shù)較歷史同期偏高32%、22%、19.7%，降水偏少47.6%，有利于清鎮(zhèn)櫻花始花期提前。分析2017 年的氣象資料，發(fā)現(xiàn)2 月下旬的平均氣溫、最高氣溫、日照時數(shù)較歷史同期偏低35.8%、26.2%、50.3%，降水偏多，濕度偏大，從而導(dǎo)致櫻花花期推遲。

3 小結(jié)

本文對清鎮(zhèn)櫻花始花期與氣象因子的相關(guān)性進(jìn)行了分析，建立了櫻花始花期預(yù)測的線性回歸方程，同時利用積溫方法建立櫻花始花期預(yù)測指標(biāo)，并進(jìn)行了回測檢驗及2021年始花期預(yù)測。

1）清鎮(zhèn)櫻花始花期平均日序為68.6 d，對應(yīng)日期為3 月8—9 日，平均盛花期為3 月14 日，平均落花期為3 月26 日。清鎮(zhèn)櫻花始花期最早為3 月5 日，最晚為3月14日，變幅長達(dá)9 d。

2）清鎮(zhèn)櫻花始花期與1 月中旬、2 月下旬平均氣溫，1 月下旬日照時數(shù)和2 月下旬、2 月最高氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；利用相關(guān)氣象因子建立了回歸模型，模型擬合值與實際觀測值差異較小，平均絕對誤差為1.0 d，最大誤差為3 d。

3）清鎮(zhèn)櫻花始花期積溫模型具體指標(biāo)為自1月15日起，當(dāng)日最高溫度累積值≥611.8 ℃時，這天即為清鎮(zhèn)櫻花始花期，利用該指標(biāo)驗證2013—2020年清鎮(zhèn)櫻花始花期預(yù)報平均誤差天數(shù)為1.5 d，誤差較小。因此，該指標(biāo)可在未來清鎮(zhèn)櫻花始花期預(yù)報服務(wù)中使用。

4）通過對清鎮(zhèn)櫻花開花特早年和特遲年的氣候分析，發(fā)現(xiàn)特早年1—3月平均氣溫和最高氣溫明顯偏高，特別是2 月氣溫偏高、日照偏多，有利于櫻花始花期提前；特遲年2 月下旬氣溫偏低、日照偏少、降雨偏多，導(dǎo)致花期推遲。

櫻花始花期受到多種因素的影響，除氣象因素外，櫻花生長環(huán)境也有很大的影響。如果預(yù)測花期前一周的氣溫發(fā)生劇烈波動，花期不穩(wěn)定性將大大增加。目前已有的清鎮(zhèn)櫻花物候觀測資料不多，需進(jìn)一步觀測、收集更多櫻花花期樣本資料，繼續(xù)優(yōu)化預(yù)測模型，提高花期預(yù)報準(zhǔn)確率。