灞橋櫻桃始花期預(yù)測模型研究及應(yīng)用

劉延莉，張宏利，王一格，雷宇

（西安市灞橋區(qū)氣象局，西安 710038）

西安市灞橋區(qū)作為中國西北地區(qū)最大的櫻桃產(chǎn)業(yè)基地，目前種植面積達(dá)3 133 hm2，特別是白鹿原東的塬上塬下已成連片規(guī)模種植，有萬畝櫻桃谷之稱［1］。每年櫻桃花盛開時的景色頗有名氣，常有游人如織之場景。但每年櫻桃花開早晚、時長參差不齊，花期的不確定性一直困擾著旅游管理者及游客?；ㄆ陬A(yù)報有利于櫻桃種植戶應(yīng)用天氣預(yù)報及相應(yīng)技術(shù)使櫻桃花遲開或早開，從而避開災(zāi)害性天氣；有利于種植戶提前采取花期病蟲害防治、人工輔助或蜜蜂授粉及雜交育種等措施，從而提高櫻桃坐果率和品質(zhì)［2-4］。許多關(guān)于樹木物候期與氣候條件相關(guān)關(guān)系的研究表明，在北半球中高緯度地區(qū)影響樹木物候期的諸多環(huán)境要素（氣溫、降水、光照等）中，氣溫的作用最大［5，6］。Bradley等［7］對美國威斯康辛州不同樹木物候期統(tǒng)計分析后得出，受近幾十年氣候變暖影響，多種樹木始花期有所提前；陳匯林等［8］應(yīng)用費歇爾準(zhǔn)則組建了荔枝花芽分化期預(yù)測模型；李美榮［9］、劉紅等［10］分別利用數(shù)理統(tǒng)計新方法建立了陜西洛川塬區(qū)和安塞山地蘋果始花期預(yù)測模型；張倩等［11］、王存真等［12］、郭連云等［13］分別通過統(tǒng)計模型預(yù)報庫爾勒香梨盛花期、桂林桂花始花期和貴德縣梨樹始花期，研究表明用統(tǒng)計學(xué)方法對樹木開花期進(jìn)行預(yù)測預(yù)報是可行的。目前其他樹木的花期預(yù)報研究較多，但就櫻桃樹花期的研究較少。姜玉蓮［14］利用回歸分析法建立模型，預(yù)報大櫻桃的花期；尹文昱等［2］通過統(tǒng)計模式進(jìn)行大連地區(qū)大櫻桃始花期預(yù)報，未見西安灞橋櫻桃花期預(yù)報研究方面的動態(tài)與信息。本研究利用灞橋櫻桃、臨潼桃樹物候觀測資料和周邊國家站、區(qū)域站氣象資料，應(yīng)用相關(guān)分析法找出始花期的氣象影響指標(biāo)，采用偏最小二乘回歸分析方法，建立西安灞橋櫻桃始花期預(yù)測模型，以實現(xiàn)櫻桃花期有效預(yù)報及科學(xué)應(yīng)用。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料處理

1.1.1 資料來源

1）花期資料。使用2013—2020年西安市灞橋區(qū)席王街道辦事處毛西管區(qū)櫻桃始花期記錄資料，該地為灞橋櫻桃谷中心地帶，海拔高度510 m；使用2004—2020年西安市臨潼區(qū)秦陵街道辦事處磚房村桃樹始花期物候期觀測資料，該地為城鄉(xiāng)結(jié)合部的桃花園，海拔高度425 m。兩地相距20 km。

2）氣象資料。使用2004—2020年西安市藍(lán)田縣國家一般氣象站多要素氣象資料；使用西安市藍(lán)田縣華胥鎮(zhèn)自動氣象站氣溫、降水量氣象資料。兩地與灞橋區(qū)毛西管區(qū)櫻桃園直線距離分別為15、12 km，三地的海拔高度接近。

3）網(wǎng)格預(yù)報資料。網(wǎng)格預(yù)報資料源自國家氣象中心的網(wǎng)格預(yù)報服務(wù)平臺，最長預(yù)報時效為240 h，有氣溫、降水量等要素預(yù)報。經(jīng)過當(dāng)?shù)貧庀笈_解釋應(yīng)用后，完全能滿足灞橋櫻桃始花期預(yù)測模型中所需預(yù)報資料的要求。

1.1.2 資料處理方法始花期日序數(shù)：將1月1日日序數(shù)確定為1，開花日期轉(zhuǎn)化為日序數(shù)［15］，如始花期為2020年3月21日的日序數(shù)為81。同理，≥界限溫度（0、3、5、10℃等）初日的日序數(shù)計算也用此方法。

櫻桃始花期數(shù)據(jù)序列：通過已有的灞橋櫻桃始花期與臨潼桃樹始花期資料，建立多項式回歸關(guān)系，延長櫻桃始花期的年份日序數(shù)，得出新的櫻桃始花期年份日序數(shù)序列。在確定櫻桃始花期數(shù)據(jù)序列時，使用實地櫻桃種植戶調(diào)查資料，對部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行了訂正。2004—2018年數(shù)據(jù)用于建立預(yù)測模型，2019—2020年數(shù)據(jù)不參與建模，用于預(yù)測模型檢驗。

1.2 預(yù)報模型與檢驗方法

采用偏最小二乘回歸分析方法建立灞橋櫻桃始花期預(yù)測模型［16-18］。偏最小二乘回歸是一種較新型的多元因子數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法，可以較好地解決自變量之間的多重相關(guān)性問題。模型檢驗時使用回代和預(yù)留年份比較法［19］。

2 結(jié)果與分析

2.1 櫻桃始花期變化特征分析

從數(shù)據(jù)資料來看，灞橋櫻桃始花期一般在3月25日，不同年份差異較大，最早的年份在3月20日（2014年）進(jìn)入始花期，最晚的年份在4月4日（2011年）才進(jìn)入始花期，二者相差15 d。2004—2020年灞橋櫻桃始花期日序數(shù)見圖1，由圖1可知，近17年灞橋櫻桃始花期變化有偏后的拋物線趨勢，有明顯的提早現(xiàn)象。偏度值和峰度值的計算表明，灞橋櫻桃始花期數(shù)據(jù)序列服從正態(tài)分布，故采取三分位法確定始花期偏早偏晚的指標(biāo)值，得到2004—2020年始花期遲早年型（表1）。從表1可以看出，花期偏晚及正常年份規(guī)律不明顯，而花期偏早年份明顯偏多且多出現(xiàn)在近年。

圖1 2004—2020年灞橋櫻桃始花期日序數(shù)

表1 灞橋櫻桃始花期遲早年型分布

2.2 櫻桃始花期預(yù)測模型的因子選擇

溫度、光照和水分是果樹重要的生存因子［20］。大田櫻桃是喜溫果樹，氣象因素中以溫度條件影響最大，各個生育期對溫度有不同要求［21］。大田櫻桃要求年均氣溫7~14℃，當(dāng)日均氣溫10℃左右時，花芽開始萌動，日均氣溫15℃左右開始開花［22］。因此，在選取30多個氣象因子時，主要側(cè)重于選取不同時段平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫及各界限溫度（0、3、5、10℃等）［23］初日等因子。運用相關(guān)分析法分析灞橋櫻桃始花期與所選氣象因素之間的相關(guān)性，選取相關(guān)性較高的氣象因子。

1）冬季氣溫。通過對2004—2018年灞橋櫻桃始花期與冬季（12月至翌年2月）平均氣溫進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)櫻桃始花期與冬季氣溫之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.493 8，P＜0.05。r為相關(guān)系數(shù)，P為達(dá)到檢驗顯著性水平的值，下同），即冬季氣溫越低，春季櫻桃始花期越晚。冬季氣溫異常可用冷冬或暖冬表示，因此，進(jìn)一步依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)［24，25］，得到冷冬年和暖冬年，通過分析冬季冷、暖年可以對春季櫻桃始花期早晚進(jìn)行定性預(yù)報，暖冬年櫻桃始花期為正?；蚱?，冷冬年櫻桃始花期為正常或偏晚。

2）≥5℃初日。界限溫度是標(biāo)志某些重要物候現(xiàn)象或農(nóng)事活動開始終止的溫度，其中≥5℃初日預(yù)示著早春作物播種、喜溫作物以及多數(shù)樹木開始生長［26］。灞橋櫻桃≥5℃初日年變化幅度較大，5 d平均氣溫達(dá)到5℃，櫻桃花芽開始發(fā)育，其初日出現(xiàn)的早晚反映了初春的熱量條件，影響櫻桃開花的早晚。灞橋櫻桃環(huán)境條件統(tǒng)計顯示，≥5℃初日平均為3月6日，最早出現(xiàn)在2013年2月21日，最晚出現(xiàn)在2006年3月16日。相關(guān)分析表明，灞橋櫻桃始花期與≥5℃初日日序數(shù)之間為顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.544 4，P＜0.05），即≥5℃初日早或晚直接影響花期的早或晚。

3）春季氣溫。春季大氣和地面溫度回升，當(dāng)達(dá)到櫻桃花開的溫度條件時櫻桃花開放。若此時遭遇倒春寒天氣，會對櫻桃花芽造成傷害。日均溫＜12℃會影響櫻桃開花授粉，日極端最低溫＜0℃時，櫻桃花柱頭會有凍害發(fā)生［21］。對灞橋櫻桃始花期與2—3月不同時段平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫進(jìn)行相關(guān)分析，得到櫻桃始花期與春季氣溫（以3月上中旬平均氣溫為代表）存在較顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.489 8，P＜0.05），即春季氣溫偏高、偏低時，櫻桃花期偏早、偏晚。

2.3 模型的建立與檢驗

2.3.1 模型構(gòu)建應(yīng)用灞橋櫻桃2004—2018年始花期和冬季氣溫（12月至翌年2月平均氣溫）、≥5℃初日日序數(shù)和春季氣溫（3月上中旬平均氣溫）統(tǒng)計資料，采用偏最小二乘回歸分析方法，建立灞橋櫻桃始花期預(yù)測模型。

式中，Y為櫻桃始花期，X1為冬季氣溫（12月至翌年2月平均氣溫），X2為≥5℃初日日序數(shù)，X3為春季氣溫（3月上中旬平均氣溫）。

在上述模型中，統(tǒng)計量F=4.76，當(dāng)顯著性水平α=0.05時，F(xiàn)0.05（3，11）=3.59，F(xiàn)>F0.05，因此認(rèn)為，模型在α=0.05水平上具有顯著性［27］，建?？尚?。

2.3.2 回代檢驗用灞橋櫻桃始花期日序數(shù)的觀測和擬合序列值繪制效果圖（圖2），由圖2可以看出，所有點都能在圖的趨勢線附近均勻分布，模型的觀測值與擬合值差異較小，呈現(xiàn)較好的擬合效果。

圖2 灞橋櫻桃始花期預(yù)測效果

2.3.3 模型檢驗對2019、2020年灞橋櫻桃始花期進(jìn)行檢驗，結(jié)果見表2。由表2可知，模型基本預(yù)測出當(dāng)年灞橋櫻桃始花期的出現(xiàn)時間，預(yù)報誤差在3 d之內(nèi)。

表2 灞橋2019、2020年櫻桃始花期預(yù)測結(jié)果

3 小結(jié)與討論

通過創(chuàng)建灞橋櫻桃物候觀測及周圍環(huán)境氣象數(shù)據(jù)庫，對灞橋櫻桃始花期進(jìn)行系統(tǒng)分析、預(yù)測建模及檢驗，得出以下結(jié)論。

1）采用已有的灞橋櫻桃始花期與臨潼桃花始花期資料，建立多項式回歸關(guān)系，延長櫻桃始花期的年份日序數(shù)，得出新的櫻桃始花期年份日序數(shù)序列，分析顯示，2004—2020年灞橋櫻桃始花期變化有偏后的拋物線趨勢，為明顯的提早現(xiàn)象。

2）選取諸多灞橋櫻桃周圍環(huán)境氣象因子，利用相關(guān)分析法，分析灞橋櫻桃始花期與所選氣象因素之間的相關(guān)性，篩選出冬季氣溫、≥5℃初日、春季氣溫3個氣象因子。結(jié)果表明，冬季氣溫、春季氣溫與灞橋櫻桃始花期呈較大的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即氣溫偏高、偏低時，花期偏早、偏晚；≥5℃初日與灞橋櫻桃始花期呈較大的正相關(guān)關(guān)系，≥5℃初日偏早、偏晚時，花期偏早、偏晚。

3）應(yīng)用偏最小二乘回歸分析方法建立灞橋櫻桃始花期預(yù)測模型，通過回代及預(yù)測檢驗，誤差在3 d以內(nèi)，預(yù)測效果較為理想。此模型應(yīng)用灞橋櫻桃前期的氣象因子資料，結(jié)合后期的網(wǎng)格預(yù)報資料，可以較好地預(yù)測灞橋櫻桃始花期，其實用性、簡捷性較強。

本研究所用資料年代僅有較短的17年，雖然所用氣象資料站址離櫻桃物候觀測地很近，但仍有距離，故分析及結(jié)論還有待進(jìn)一步驗證。