櫻花始花期預(yù)報(bào)方法

舒 斯，肖 玫，陳正洪,*

1 湖北省氣象服務(wù)中心,武漢 430205 2 武漢大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,武漢 430072

隨著人民生活水平的不斷提高,在滿足基礎(chǔ)需求以后,以精神需求為主導(dǎo)的旅游需求,越來越旺盛。其中,賞花游受到人們追捧。準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)觀賞植物的開花期可為公眾的出游安排提供指導(dǎo)。根據(jù)物候?qū)W理論,前期氣候條件如光、溫、水等對(duì)植物開花早晚有重要影響[1],其中氣溫是影響中國木本植物物候的主要因子[2-6],開花前期氣溫積累對(duì)開花期亦有重要影響[7],而且,根據(jù)生物學(xué)原理,前期積溫條件隨著時(shí)間推近,對(duì)花期影響越大。另外始花期受多種因子的影響,如開花前期累計(jì)日照情況等。

武漢大學(xué)櫻花聞名中外,每到櫻花盛開時(shí)節(jié),花雨紛飛,游人如織?？擅磕昊ㄆ谠缤聿灰?時(shí)長時(shí)短。武漢大學(xué)生物學(xué)院肖翊華教授等人自1947年起至今進(jìn)行了連續(xù)70年櫻花花期的觀測(cè),從未中斷,是一份難得的長序列物候氣候變化材料。并且,肖教授發(fā)現(xiàn)進(jìn)入1980年代櫻花開花期有提前的傾向,并根據(jù)十分有限的氣象資料和信息,推測(cè)此與全球氣候變暖尤其是持續(xù)暖冬有關(guān)。這與陜西楊凌最近10年日本櫻花花期比1980年代提早10天[8]以及在日本櫻花開花期明顯提前[9]的結(jié)論一致。另外,觀測(cè)表明[10],全球平均氣溫在1880—2012年期間升高了0.85℃,空間分布上以北半球中高緯度大陸升溫最明顯[11],同樣近幾十年中國地區(qū)也經(jīng)歷著以氣候變暖為主要特征的氣候變化[12-17]。氣候變化的原因一般包括自然強(qiáng)迫、氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變率和人類活動(dòng)(溫室氣體和氣溶膠排放、植被覆蓋和土地利用變化等)等?；陬愃拼罅磕M研究,IPCC(政府間氣候變化委員會(huì))AR5(第5次評(píng)估報(bào)告)指出[17],極有可能(95%以上信度)的是1951—2010年觀測(cè)到的全球平均表面溫度上升中,一半以上是由溫室氣體濃度的人為增加和其他人為強(qiáng)迫共同導(dǎo)致的。

始花期預(yù)報(bào)在旅游業(yè)有很大的實(shí)用價(jià)值。根據(jù)櫻花始花期預(yù)報(bào)方法研究[18-20],開展花期預(yù)報(bào),可以指導(dǎo)人們合理安排時(shí)間觀賞櫻花以及校方櫻花旅游的管理工作。氣溫與物候現(xiàn)象的相關(guān)性是利用物候?qū)W方法重建歷史溫度變化的基礎(chǔ)。對(duì)北半球中高緯度地區(qū)的研究表明[21],在影響植物物候期的諸多環(huán)境要素中(氣溫、光照、降水、養(yǎng)分等),氣溫所起作用最大[22]。一般來講,在一定范圍內(nèi),氣溫的升高可促進(jìn)酶的活性[23],使春季物候期提前[24],秋季物候期推遲[25],植物的生長期延長[26]。2008年陳正洪等[27]用武漢大學(xué)櫻園日本櫻花62年連續(xù)的花期資料研究了櫻花始花期、落花期、持續(xù)天數(shù)氣候變化特征,建立了始花期預(yù)報(bào)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(duì)異常早花有較好的模擬效果。植物的發(fā)育進(jìn)度主要不由物候現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的溫度決定,而是與過去一段時(shí)間內(nèi)溫度的累加值成比例,這一累加值被稱為植物完成發(fā)育期所需要的積溫[28]。同時(shí),一些植物需要一定的低溫條件打破休眠才能促進(jìn)芽(葉芽和花芽)的發(fā)育[29]。僅選取2月份平均氣溫預(yù)報(bào)始花期,需要等到2月底才能進(jìn)行預(yù)報(bào),而且每年只能預(yù)報(bào)一次,不能全面的考慮櫻花始花期前期氣溫的影響。另外,在陳正洪[27]研究基礎(chǔ)上,新累計(jì)了2009至2016年的花期資料,而且近幾年始花期提前沒有以前明顯,是否與近幾年霧霾影響有關(guān)呢？因此,十分有必要改進(jìn)始花期預(yù)報(bào)方程,本文將引入活動(dòng)積溫的概念,并加入日照時(shí)數(shù),進(jìn)一步研究櫻花始花期的預(yù)報(bào)方法,希望能有效地提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率, 更好的為公眾出游安排提供指導(dǎo)。

1 資料和方法

1.1 資料

本文使用櫻花始花期為武漢大學(xué)櫻園日本櫻花樹1981—2016年共36年觀測(cè)資料,始花期標(biāo)準(zhǔn)為每株樹有3—5朵花開放。氣象資料為武漢市氣象站同期逐日平均氣溫、日照時(shí)數(shù)等。

1.2 方法

將始花期轉(zhuǎn)換為日序數(shù)(1月1日記為1,1月2日記為2,……),從而得到36年完整始花期日序數(shù),其中前30年資料用于建立預(yù)報(bào)模式,后6年資料用于預(yù)測(cè)效果的獨(dú)立樣本檢驗(yàn)。本文首先計(jì)算日序數(shù)與前期積溫、累計(jì)日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù),選取預(yù)報(bào)因子,然后通過線性回歸的方法建立始花期預(yù)報(bào)方程。

2 櫻花始花期預(yù)報(bào)因子選取

2.1 始花期基本特征

圖1 櫻花始花期日序數(shù)逐年變化與線性擬合圖(1981—2016) Fig.1 The yearly change of days from the first day every year of first-flowering date for Japanese Cherry Blossoms and its linear fitting (1981—2016)

36 a平均結(jié)果表明,武漢地區(qū)日本櫻花平均始花期的日序數(shù)是73.3,對(duì)應(yīng)日期平年是3月14至15日,閏年為3月13至14日。最早為2月26日(2004年),此外3月5日前出現(xiàn)的還有3月2日(2007年)、3月3日(2016年)。最晚為3月28日(1985年),此外3月25日及以后出現(xiàn)的還有3月25日(1984年)、3月27日(2005年)、3月26日(2012年)。

圖1為1981年至2016年期間始花期日序數(shù)逐年變化與線性擬合結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),1981年至2016年始花期日序數(shù)有兩個(gè)特點(diǎn)：一是呈緩慢減少趨勢(shì),但變化趨勢(shì)不明顯；二是變率比較大,特別是2000年以后。均方差大小可以表示始花期的穩(wěn)定性程度,計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)均方差較大,最早與最晚可相差30d。

圖2為1981年至2016年期間始花期日序數(shù)與2月份平均氣溫逐年變化,可以發(fā)現(xiàn),2月份平均氣溫后期(2000年以后)增長不明顯,且變率較大,這與始花期日序數(shù)后期變化相對(duì)應(yīng)。

圖2 櫻花始花期日序數(shù)與2月份平均氣溫逐年變化(1981—2016)Fig.2 The yearly change of days from the first day every year of first-flowering date for Japanese Cherry Blossoms and average temperature in Feb (1981—2016)

2.2 始花期與前期積溫的關(guān)系

為了改進(jìn)始花期預(yù)報(bào)方程,引入活動(dòng)積溫的概念,始花期一般在3月中旬,早的出現(xiàn)在2月下旬,晚的出現(xiàn)在3月下旬,因此分別分析計(jì)算1月1日與2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日≥0℃活動(dòng)積溫與始花期的相關(guān)性(表1),可以發(fā)現(xiàn),櫻花始花期與前期積溫顯著負(fù)相關(guān),與2月1日至3月15日積溫表現(xiàn)最為明顯,相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.816(圖3),其次是2月1日至3月5日積溫(圖3),相關(guān)系數(shù)為-0.798。

表1櫻花始花期與前期積溫相關(guān)關(guān)系(1981—2010年)

Table1Thecorrelationcoefficientbetweenfirst-floweringdatesforJapaneseCherryBlossomsinWuhanUniversityandaccumulatedtemperatureinthepreviousperiod(1981—2010)

積溫Accumulatedtemperature相關(guān)系數(shù)Correlationcoefficient積溫Accumulatedtemperature相關(guān)系數(shù)Correlationcoefficient1月1日至2月25日(X1)-0．628??2月1日至3月5日(X6)-0．798??2月1日至2月25日(X2)-0．728??1月1日至3月10日(X7)-0．716??1月1日至2月底(X3)-0．671??2月1日至3月10日(X8)-0．786??2月1日至2月底(X4)-0．770??1月1日至3月15日(X9)-0．753??1月1日至3月5日(X5)-0．709??2月1日至3月15日(X10)-0．816??

**表示通過0.01的顯著性檢驗(yàn)

圖3 櫻花始花期日序數(shù)與2月1日至3月15日、2月1日至3月5日活動(dòng)積溫點(diǎn)聚圖(1981—2010)Fig.3 Scatter plots between the first day every year of first-flowering date for Japanese Cherry Blossoms and active accumulated temperature from Feb. 1 to Mar. 15 and from Feb. 1 to Mar. 5 (1981—2010)

2.3 始花期與前期日照時(shí)數(shù)的關(guān)系

分別分析1月1日及2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日累計(jì)日照時(shí)數(shù)與始花期的相關(guān)性(表2)?？梢园l(fā)現(xiàn)櫻花始花期與累計(jì)日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān),與2月1日至2月25累計(jì)日照時(shí)數(shù)表現(xiàn)最明顯,相關(guān)系數(shù)為-0.579,其次是2月1日至2月底累計(jì)日照時(shí)數(shù)。

表2櫻花始花期與前期累計(jì)日照時(shí)數(shù)相關(guān)關(guān)系(1981—2010年)

Table2Thecorrelationcoefficientbetweenfirst-floweringdatesforJapaneseCherryBlossomsinWuhanUniversityandsunshinedurationinthepreviousperiod(1981—2010)

日照時(shí)數(shù)Sunshineduration相關(guān)系數(shù)Correlationcoefficient日照時(shí)數(shù)Sunshineduration相關(guān)系數(shù)Correlationcoefficient1月1日至2月25日(X11)-0．477??2月1日至3月5日(X16)-0．514??2月1日至2月25日(X12)-0．579??1月1日至3月10日(X17)-0．484??1月1日至2月底(X13)-0．482??2月1日至3月10日(X18)-0．540??2月1日至2月底(X14)-0．557??1月1日至3月15日(X19)-0．476??1月1日至3月5日(X15)-0．460?2月1日至3月15日(X20)-0．518??

*表示通過0.05的顯著性檢驗(yàn),**表示通過0.01的顯著性檢驗(yàn)

3 櫻花始花期預(yù)報(bào)

3.1 積溫預(yù)報(bào)櫻花始花期

櫻花始花期一般在3月中旬,早的出現(xiàn)在2月下旬,晚的出現(xiàn)在3月下旬。始花期與前期活動(dòng)積溫呈顯著負(fù)相關(guān),積溫值越高,花期越早,反之越遲。通過回歸分析,用1981—2010年30年1月1日與2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日活動(dòng)積溫分別建立櫻花始花期2月25日、2月底、3月5日、10日、15日共5個(gè)預(yù)報(bào)方程：

Y=0.016X1-0.122X2+88.593 (R2=0.536,sig<0.001)

(1)

Y=0.019X3-0.119X4+89.711 (R2=0.601,sig<0.001)

(2)

Y=0.013X5-0.106X6+93.295 (R2=0.641,sig<0.001)

(3)

Y=0.004X7-0.088X8+96.200 (R2=0.619,sig<0.001)

(4)

Y=0.002X9-0.081X10+99.782 (R2=0.666,sig<0.001)

(5)

用后6年2011—2016年積溫預(yù)報(bào)櫻花始花期,并與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果對(duì)比(表3),隨著花期的臨近,誤差越來越小,最小平均誤差3 d左右,而且使用3月10日與15日預(yù)報(bào)方程,去掉后6年中始花期早于3月10日的兩年,始花期的誤差在1 d左右(括號(hào)內(nèi)表示去掉后6年中始花期早于預(yù)報(bào)時(shí)間年份后的平均絕對(duì)誤差)。

表3 櫻花始花期預(yù)報(bào)與檢驗(yàn)(2011—2016年)

3.2 前期氣溫預(yù)報(bào)櫻花始花期

圖4 櫻花始花期日序數(shù)與2月平均氣溫線性、曲線擬合圖(1981—2010年)Fig.4 The yearly change of day every year of first-flowering date for Japanese Cherry Blossoms in Wuhan University and its correlation and linear fitting with average temperature in Feb.(1981—2010)

為了對(duì)比改進(jìn)后的始花期預(yù)報(bào)方程的效果,重新用1981年至2010年30年資料建立前期2月份平均氣溫預(yù)報(bào)方程,線性擬合結(jié)果表明(圖4),2月份平均氣溫每升高1℃,日序數(shù)將減少2.62 d,即開花提前2.62 d。而且用3次方程擬合比線性擬合效果更好[24]。

具體方程如下：

始花期日序數(shù)(Y)與2月份平均氣溫(X21)的回歸方程

Y=-2.6213X21+ 90.641 (R2= 0.5846,sig<0.001)

(6)

Y=-0.1658X213+ 3.6949X212-28.479X21+ 147.22

(R2= 0.6424,sig<0.001)

(7)

用后6年2010—2016年預(yù)報(bào)櫻花始花期,并與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果對(duì)比(表4),可以發(fā)現(xiàn)非線性擬合方程預(yù)報(bào)結(jié)果在異常早的2013、2016年預(yù)報(bào)明顯比線性方程效果好,這與陳正洪等[27]研究結(jié)果一致。對(duì)比前面積溫預(yù)報(bào)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),積溫預(yù)報(bào)的誤差比2月份平均氣溫預(yù)報(bào)的誤差更小,而且越接近始花期,積溫預(yù)報(bào)效果越好,這說明積溫預(yù)報(bào)能有效的改進(jìn)了始花期預(yù)報(bào)方程。

表4 櫻花始花期預(yù)報(bào)與檢驗(yàn)(2011—2016年)

3.3 多因子預(yù)報(bào)櫻花始花期

上述2.3中結(jié)果表明,2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日活動(dòng)積溫、累計(jì)日照時(shí)數(shù)與始花期呈顯著負(fù)相關(guān),將其加入預(yù)報(bào)方程建立新的始花期2月25日、2月底、3月5日、10日、15日共5個(gè)預(yù)報(bào)方程(用1981—2010年30年建立)：

Y=0.013X1-0.098X2-0.067X12+91.446 (R2=0.611,sig<0.001)

(8)

Y=0.009X3-0.092X4-0.051X14+92.710 (R2=0.655,sig<0.001)

(9)

Y=-0.0002X5-0.079X6-0.037X16+96.129 (R2=0.682,sig<0.001)

(10)

Y=-0.007X7-0.063X8-0.039X18+99.274 (R2=0.668,sig<0.001)

(11)

Y=-0.008X9-0.061X10-0.026X20+101.700 (R2=0.687,sig<0.001)

(12)

用后6年2011—2016年預(yù)報(bào)櫻花始花期,并與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果對(duì)比(表5),可以發(fā)現(xiàn),加入累計(jì)日照時(shí)數(shù)對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果有進(jìn)一步改善,但相對(duì)積溫預(yù)報(bào)方程改善不是很明顯,大概在半天左右。

表5 櫻花始花期預(yù)報(bào)與檢驗(yàn)(2011—2016年)

4 結(jié)論與討論

根據(jù)1981—2016年連續(xù)36年對(duì)武漢大學(xué)櫻園日本櫻花始花期的記錄資料及同期氣象資料的研究分析表明：

(1)櫻花平均始花期為3月14至15日(閏年為13至14日),這36年始花期日序數(shù)變化趨勢(shì)不明顯,變率比較大,特別是2000年以后。

(2)通過分析始花期與1月1日及2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日活動(dòng)積溫的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)始花期與積溫相關(guān)性顯著。通過分析始花期與1月1日及2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日累計(jì)日照時(shí)數(shù)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)始花期與2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日累計(jì)日照時(shí)數(shù)呈顯著相關(guān)。

(3)通過引入活動(dòng)積溫和累計(jì)日照時(shí)數(shù)改進(jìn)始花期預(yù)報(bào)方程,可以發(fā)現(xiàn),用1月1日與2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日活動(dòng)積溫建立的預(yù)報(bào)方程,隨著花期的臨近,誤差越來越小,最小平均誤差3天左右,而且使用3月10日與15日預(yù)報(bào)方程,去掉始花期早于3月10日的兩年,始花期的誤差在1天左右,有效的改進(jìn)了始花期預(yù)報(bào)方程。而加入2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日累計(jì)日照時(shí)數(shù)建立預(yù)報(bào)方程對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果改善不是很明顯。

最新研究指出[30]降溫和降水作用可能對(duì)春季植物物候?qū)W有復(fù)雜影響,這對(duì)改善物候模型有重要意義,因此,還需深入分析始花期前期降溫和降水作用的影響。另外,本文使用的資料站點(diǎn)在2010年遷過站,經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)氣溫與日照時(shí)數(shù)在2010年并無突變,所以本文直接使用,但根據(jù)最新研究成果,在遷站前后站點(diǎn)的遮擋率有了一定的改變[31],這是否對(duì)日照時(shí)數(shù)的相關(guān)結(jié)果有影響,需要進(jìn)一步研究。

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