基于最佳回歸方法的丹東桃樹花期預(yù)報(bào)研究

董海濤 單璐璐 譚麗靜 吳歡峰 左曉強(qiáng)

摘要利用2005—2015年丹東河口桃樹花期物候觀測資料和寬甸國家基準(zhǔn)氣象站的氣象觀測資料，分析桃樹花期前的光、溫、濕等氣象要素與花期的相關(guān)系數(shù)，研究花期前任意時段的氣象要素平均值與花期的內(nèi)在關(guān)系，并根據(jù)相關(guān)系數(shù)的極值來確定預(yù)報(bào)因子，采用逐步回歸方法，建立桃樹花期預(yù)測模型。結(jié)果表明，花期預(yù)測模型擬合效果較好，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率滿足業(yè)務(wù)要求，及時為政府和果農(nóng)提供準(zhǔn)確的桃樹花期預(yù)報(bào)。

關(guān)鍵詞桃樹花期;預(yù)測;最佳回歸方法;丹東

中圖分類號S162文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611（2019）01-0232-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.068

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，以賞花為主題的節(jié)日在地方蓬勃興起。丹東河口位于寬甸滿族自治縣長甸鎮(zhèn)境內(nèi)，地處鴨綠江的下游，是我國燕紅桃的主要生產(chǎn)基地。每到春季萬畝桃花競相開放，場面蔚為壯觀。自2005年丹東已成功舉辦了十一屆“鴨綠江之春”桃花節(jié)旅游活動，每年吸引各地中外游客達(dá)數(shù)十萬人之多，經(jīng)濟(jì)效益顯著。適時開展花期預(yù)報(bào)成為氣象服務(wù)社會工作之一，針對地方政府舉辦桃花節(jié)活動的需求，及時提供氣象服務(wù)保障，對促進(jìn)地方旅游業(yè)發(fā)展有著十分重要意義。

物候模型是預(yù)測植物花期的有效方法，是基于植物對環(huán)境因子的響應(yīng)機(jī)理而建立的可以模擬植物生長發(fā)育的數(shù)學(xué)模型[1-2]。目前，許多學(xué)者建立了多種物候模型[3-8]，這些模型被歸納為靜態(tài)模型（統(tǒng)計(jì)模型）和動態(tài)模型（過程模型）。靜態(tài)模型是直接利用統(tǒng)計(jì)方法擬合物候期與氣象因子關(guān)系建立的物候模型[9-12]。動態(tài)模型是通過數(shù)學(xué)方法再現(xiàn)生物過程與環(huán)境關(guān)系，試圖從機(jī)制上探討物候期發(fā)生條件的模型。截至目前，物候模型已被成功用于重建過去氣候變化、預(yù)測物種分布范圍變化以及災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估等方面。

筆者采用靜態(tài)模型方法，分析1—4月氣溫、相對濕度、降水量、日照時數(shù)和地溫等氣象要素的任意時段累積值與桃樹花期的相關(guān)性，找出每個氣象要素正負(fù)相關(guān)系數(shù)極值，將其作為預(yù)報(bào)因子建立丹東河口桃樹花期預(yù)報(bào)模型，并探討預(yù)報(bào)模型的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1資料與方法

1.1物候資料

所用的物候資料是2005—2015年丹東市寬甸縣旅游局提供的桃樹花期序列物候觀測資料。桃樹觀測資料的品種、始花期如表1所示。根據(jù)中國物候觀測網(wǎng)的觀測標(biāo)準(zhǔn)，始花期定義為觀測植株上開始出現(xiàn)第1個完全開放的花朵日日期;盛花期定義為觀測的樹木上有50%以上的花蕾都展開花瓣的日期。

1.2氣象資料

所用氣象資料來源于丹東市寬甸縣氣象局國家基準(zhǔn)站2005—2015年地面氣象觀測資料，包括溫度、濕度、降水、日照、地溫等，所有的氣象資料都經(jīng)過了嚴(yán)格的人工質(zhì)量控制。

1.3資料處理

物候觀測資料的桃樹花期轉(zhuǎn)化成日序，具體方法：1月1日定為花期日序的起始日，日序數(shù)為1，以此類推，如2月5日的日序數(shù)就是36;逐步回歸分析時，氣象觀測資料用式（1）做標(biāo)準(zhǔn)化處理，以克服不同氣象因子量綱之間的差異。

xt=（Xt-）/δ（1）

式中，xt（t=1，…，n，為年序）為標(biāo)準(zhǔn)化氣象因子序列，Xt為原始?xì)庀笠蜃有蛄兄?，為原始?xì)庀笠蜃有蛄衅骄担臑閄t的均方差。平均值是變量的瞬時值在給定時間間隔內(nèi)的算術(shù)平均值。其公式如下：

=1NNi=1xi（2）

式中，N為氣象要素個數(shù)，xi為氣象要素實(shí)際值。均方差也即標(biāo)準(zhǔn)差，是各樣本數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)的距離，它是離均差平方和平均后的方根，能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度，其公式如下：

δ=1NNi=1（xi-）2（3）

同樣，對桃花盛花期資料處理按式（4）做距平處理：

yt=Yt-（4）

式中，yt為桃花始花期距平序列值（正值為始花期晚于常年，負(fù)值為始花期早于常年），Yt為桃花盛花期日期序列值，為2005—2014年平均始花期（為5月6日）。

回歸分析軟件為IBMSPSS，是世界公認(rèn)的專業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)軟件之一，其操作簡單、易學(xué)易懂、簡單實(shí)用，在社會和自然科學(xué)研究領(lǐng)域提供豐富的統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案，用SPSS軟件進(jìn)行逐步回歸，分析桃花盛花期與氣象因子間的相關(guān)系數(shù)并建立預(yù)報(bào)模型，滿足α=0.05的因子引入，α=0.10的因子剔除。

2結(jié)果與分析

2.1桃花花期與氣象條件關(guān)系

2.1.1氣溫對花期的影響。

桃樹開花前氣象條件對花期早晚有很大影響，從溫度角度看，主要受2個因子控制：一是需要一定低溫打破花芽的自然休眠，即需冷量，果樹需冷量得到滿足完成自然休眠期，如果需冷量得不到滿足，植物不能完成休眠全部過程，影響花期時間;二是開花前需要一定的積溫才能萌芽開花，即需熱量，這里包含著落葉果樹對溫度要求不同的2個重要時期，也是落葉果樹提早開花的2個重要依據(jù)。以往研究證明[13-18]，氣溫在植物不同的物候生長發(fā)育期起到關(guān)鍵性和決定性作用。

從平均氣溫與桃樹盛花期距平的相關(guān)系數(shù)（圖1a和1b）可看出，圖1b中相關(guān)系數(shù)有1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（61，30）處，積溫起止日序61之后30d的累積時段的相對系數(shù)最小，對應(yīng)大致觀測日期2月1日—3月30日積溫與盛花期距平負(fù)相關(guān)最顯著，其相關(guān)系數(shù)r為-0.916。而在起始日序30～50、累積天數(shù)10～30d，出現(xiàn)正相關(guān)區(qū)域，也存在1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（44，2），其相關(guān)系數(shù)r為0.314，對應(yīng)大致日期為1月14—15日的地面平均溫度累積值。

平均最高溫度的相關(guān)系數(shù)如圖1c和圖1d所示，在平均最高溫度等值線分析區(qū)中，相關(guān)系數(shù)負(fù)相關(guān)有1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（71，20），其相關(guān)系數(shù)r為-0.897，對應(yīng)大致日期為3月1—19日的地面平均最高溫度值;而相關(guān)系數(shù)正相關(guān)也存在1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（67，1），其相關(guān)系數(shù)r為0.471，對應(yīng)大致日期為3月7日的地面平均最高溫度值。

平均最低溫度的相關(guān)系數(shù)如圖1e和圖1f所示，在平均最低溫度等值線分析區(qū)中，相關(guān)系數(shù)負(fù)相關(guān)有1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（60，30），其相關(guān)系數(shù)r為-0.934，對應(yīng)大致日期為3月1—30日的地面平均最低溫度值;而相關(guān)系數(shù)正相關(guān)也存在1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（54，1），其相關(guān)系數(shù)r為0.335，對應(yīng)大致日期為2月24日的地面平均最低溫度值。

綜上所述，氣溫因子在觀測日期日序60以后的累積積溫與桃花盛花期距平表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)，且隨著花期的臨近，相關(guān)系數(shù)越大;在觀測日期日序44～67的累積積溫與桃花盛花期距平表現(xiàn)出正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。這與前人研究結(jié)果基本一致[10-13]，2月上旬前溫度越高，盛花期距平值越大，旬平均溫度影響桃樹休眠期需冷量的累積，延遲花期;越接近花期相關(guān)系數(shù)越大，隨著后期氣溫的逐步升高和花期的臨近，溫度將對桃樹需熱量迅速累積起到了關(guān)鍵性作用。

2.1.2濕度、日照和降水對花期的影響。

分析不同起始時段與桃花盛花期距平的相關(guān)性（圖1a）發(fā)現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)在觀測日序53前均表現(xiàn)為正相關(guān)，有1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（8，34），其相關(guān)系數(shù)r為0.875，對應(yīng)大致日期為1月8日—2月13日濕度累積值;而相關(guān)系數(shù)負(fù)相關(guān)也存在有1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（84，2），其相關(guān)系數(shù)r為-0.926，對應(yīng)日期為3月14—15日濕度累積值。進(jìn)一步證明了在2月中旬及前期低濕天氣不利于（甚至抵消）桃花休眠期的需冷量的累積，延遲桃花盛花期時間。

植物在生長發(fā)育期過程中需要一定的熱量促使其生長，這部分熱量不僅來源于空氣溫度，還有太陽直接輻射的熱量。該研究考慮桃樹花期前太陽輻射的影響，引進(jìn)日照時數(shù)作為預(yù)測因子進(jìn)行分析，其相關(guān)系數(shù)如圖2b所示，在日照等值線分析區(qū)中，相關(guān)系數(shù)負(fù)相關(guān)有1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（34，15），其相關(guān)系數(shù)r為-0.784，對應(yīng)大致日期為2月2—17日累積日照時數(shù);而相關(guān)系數(shù)正相關(guān)也存在1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（82，2），其相關(guān)系數(shù)r為0.907，對應(yīng)大致日期為3月22—24日累積日照時數(shù)。

降水因子的引入與相對濕度一樣是為了考察水分（側(cè)重于土壤水分）對桃樹花期的影響，降水因子取自人工觀測定時降水量（1—3月降水需人工觀測）。其相關(guān)系數(shù)如圖2c所示，在降水等值線分析區(qū)中，相關(guān)系數(shù)負(fù)相關(guān)有1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（22，3），其相關(guān)系數(shù)r為-0.727，對應(yīng)大致日期為1月22—25日累積降水量;而相關(guān)系數(shù)正相關(guān)也存在1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（35，2），其相關(guān)系數(shù)r為0.642，對應(yīng)大致日期為2月3—4日累積降水量。

綜上所述，濕度、降水和日照等氣象要素與桃花盛花期距平的相關(guān)性分析均能找出正負(fù)相關(guān)極值區(qū)域，其中濕度相關(guān)性表現(xiàn)更為顯著，臨近花期負(fù)相關(guān)越大，間接反映了桃花盛花期前對濕度的需求，結(jié)合溫度情況，3月后期高溫高濕天氣非常有利于桃花需熱量的積累，同時1—2月的低溫低濕天氣不利桃樹需冷量的積累，導(dǎo)致花期延遲，這與前人研究結(jié)論也基本相似[10-13]。

2.1.3地溫對花期的影響。

以往學(xué)者研究植物花期建模引入因子更多為氣溫、日照和降水等氣象數(shù)據(jù)，很少將地面溫度作為預(yù)報(bào)因子與植物花期進(jìn)行相關(guān)分析。該研究以地面溫度作為因子與桃花盛花期距平進(jìn)行單相關(guān)分析，結(jié)果如圖3所示。

地面平均溫度的相關(guān)系數(shù)如圖3a和圖3b所示，在平均溫度等值線分析區(qū)中，相關(guān)系數(shù)負(fù)相關(guān)有1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（74，1），其相關(guān)系數(shù)r為-0.870，對應(yīng)大致日期為3月14日的地面平均溫度;而相關(guān)系數(shù)正相關(guān)也存在1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（13，2），其相關(guān)系數(shù)r為0.740，對應(yīng)大致日期為1月13—14日累積地面平均溫度值。

地面平均最高溫度的相關(guān)系數(shù)如圖3c和圖3d所示，在平均最高溫度等值線分析區(qū)中，相關(guān)系數(shù)負(fù)相關(guān)有1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（84，4），其相關(guān)系數(shù)r為-0.831，對應(yīng)大致日期為3月24—27日的地面平均最高溫度值;而相關(guān)系數(shù)正相關(guān)也存在1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（14，6），其相關(guān)系數(shù)r為0.821，對應(yīng)大致日期為1月14—19日累積地面平均最高溫度。

地面平均最低溫度的相關(guān)系數(shù)如圖3e和圖3f所示，在平均最低溫度等值線分析區(qū)中，相關(guān)系數(shù)均呈負(fù)相關(guān)，負(fù)相關(guān)有1個相對低值區(qū)，坐標(biāo)為（57，3），其相關(guān)系數(shù)r為-0.843，對應(yīng)大致日期為2月26日—3月1日的地面平均最低溫度。

在地面溫度因子分析中，地面平均溫度和地面平均最低溫度表現(xiàn)出與桃花盛花期距平顯著相關(guān)，但平均地面溫度的統(tǒng)計(jì)天數(shù)相對平均地面最低溫度較少，平均地面溫度負(fù)相關(guān)值最大，同時統(tǒng)計(jì)天數(shù)僅為1d，而地面平均最低溫度正負(fù)相關(guān)性和統(tǒng)計(jì)天數(shù)都比較理想，地面平均最高溫度只有負(fù)相關(guān)，且未達(dá)到顯著水平?？傮w來說，平均地面最低溫度相對與其他2個因子更好體現(xiàn)與桃花花期距平現(xiàn)象相關(guān)。

2.2預(yù)報(bào)模型

2.2.1預(yù)報(bào)因子的選擇。

通過“2.1”桃花花期與氣象條件的分析，其中氣溫因子在觀測日期日序60以后的累積積溫與桃花盛花期距平表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)，且隨著花期的臨近，相關(guān)系數(shù)越大;在觀測日期日序44～67的累積積溫與桃花盛花期距平表現(xiàn)出正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著;相對濕度因子與桃花盛花期距平在84～85相關(guān)性顯著，但預(yù)報(bào)因子的統(tǒng)計(jì)天數(shù)偏少，其正相關(guān)性表現(xiàn)更為理想，在觀測日序8～34累積平均濕度與花期距平達(dá)顯著水平，日照和降水因子表現(xiàn)不明顯;地面溫度因子中地面平均最低溫度表現(xiàn)稍好一些，但回歸分析中需綜合分析各因子間相互影響，以及對桃花盛花期的影響比重較小。

總之，開花前溫度的積累對桃花開花早晚影響特別大，累積積溫充足，開花就早，反之就延遲花期;而相對濕度因子2月上旬前，地面溫度因子1月中旬平均地面溫度和平均最低地溫，與桃花盛花期距平存在顯著的正相關(guān)，影響著桃樹休眠期需冷量的累積，溫度越高，需冷量不足，延遲花期。從預(yù)報(bào)時效角度，每年桃樹盛花期在5月6日前后，業(yè)務(wù)需要提前20d左右做出當(dāng)年的盛花期預(yù)報(bào)。因此，選擇1—3月氣溫、相對濕度和地面溫度等氣象數(shù)據(jù)中最佳相關(guān)因子作為預(yù)報(bào)備選因子進(jìn)行建模使用。

2.2.2預(yù)報(bào)模型的建立。

利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對桃樹盛花期距平與備選標(biāo)準(zhǔn)化氣象因子進(jìn)行逐步回歸，得到桃樹盛花期預(yù)報(bào)方程：

y=0.9-0.571x1+2.499x2-3.009x3-1.414x4（5）

式中，y為桃樹盛花期距平;xi為標(biāo)準(zhǔn)化氣象因子序列，其中，x1為氣溫因子（觀測日序61～90累積平均值），x2相對濕度因子（觀測日序8～41累積平均值），x3為平均最低溫度因子（觀測日序71～90累積平均值），x4為地面平均溫度因子（觀測日序74日平均值）。

該方程的R2=0.989，擬合回歸方程平均方差521.836，剩余平方差3.064，總方差為524.900。

利用上述回歸方程可以在3月31日前做出桃樹盛花期預(yù)報(bào)，從模型入選的氣象因子來看，3月平均溫度、3月中旬平均最低溫度和地面平均溫度越低，溫度積累不足，桃樹盛花期距平值越大，盛花期時間越晚，反之盛花期距平越小，盛花期時間越早;1月中旬前平均相對濕度越小，天氣越干燥，以及2月中旬平均最低溫度越高，即2月中旬前低溫低濕的天氣有利于桃樹休眠期需冷量的積累，盛花期距平越小，盛花期時間越早;反之較高空氣的溫度和濕度減少（甚至抵消）需冷量的積累，盛花期距平大，盛花期時間晚。

2.2.3預(yù)報(bào)模型的檢驗(yàn)。

利用所建的花期預(yù)報(bào)模型擬合河口桃樹盛花期，結(jié)果表明桃樹盛花期年際變化較大，但模型的擬合率較高。

將模型回代，模擬樣本年桃樹盛花期（表2），擬合值與實(shí)際值相關(guān)系數(shù)0.997，平均誤差0.4d，最大相差為1d有4年，其他沒有誤差有6年，預(yù)報(bào)模型對桃樹盛花期有非常好的擬合作用。

2.2.4試報(bào)。

以2015年作為獨(dú)立樣本，將氣象因子代入花期預(yù)報(bào)模型，預(yù)測2015年丹東寬甸河口桃花盛花期5月3日，當(dāng)年桃花實(shí)際盛花期5月2日。

3結(jié)論

（1）建立的桃樹盛花期預(yù)報(bào)模型對樣本有較高的擬合和較好的預(yù)報(bào)效果，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

（2）桃樹（1—3月）不同時段氣象因子對盛花期的影響表現(xiàn)為后期影響大，前期影響較小;氣溫和濕度影響較大，日照和降水等因子影響相對較小，地溫雖與桃樹盛花期距平有一定的相關(guān)性并達(dá)到顯著水平，但對模型方程的貢獻(xiàn)率不如氣溫和濕度;桃樹開花前需要一定的溫度積累，高溫低濕盛花期越早，反之盛花期越晚。

（3）通過桃樹盛花期與氣象因子標(biāo)準(zhǔn)化的單相關(guān)分析，氣溫和濕度與桃樹盛花期相關(guān)性較強(qiáng)，說明桃樹盛花期早晚與這些氣象因子的變化比較敏感，但并不意味著其他氣象因子的影響不重要。

（4）寬甸國家基本氣象站與河口桃花生產(chǎn)基地地理上有一定的距離，使氣象數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確代表河口桃花實(shí)際天氣狀

況，只能是相對值。若想使模型模更好地模擬花期接近實(shí)測

值，可在河口桃花區(qū)域內(nèi)建立物候觀測氣象站，以獲得更具代表性氣象資料。

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