樱花始花期预报方法

舒 斯，肖 玫，陈正洪,*

1 湖北省气象服务中心,武汉 430205 2 武汉大学资源与环境学院,武汉 430072

随着人民生活水平的不断提高,在满足基础需求以后,以精神需求为主导的旅游需求,越来越旺盛。其中,赏花游受到人们追捧。准确的预测观赏植物的开花期可为公众的出游安排提供指导。根据物候学理论,前期气候条件如光、温、水等对植物开花早晚有重要影响[1],其中气温是影响中国木本植物物候的主要因子[2-6],开花前期气温积累对开花期亦有重要影响[7],而且,根据生物学原理,前期积温条件随着时间推近,对花期影响越大。另外始花期受多种因子的影响,如开花前期累计日照情况等。

武汉大学樱花闻名中外,每到樱花盛开时节,花雨纷飞,游人如织。可每年花期早晚不一,时长时短。武汉大学生物学院肖翊华教授等人自1947年起至今进行了连续70年樱花花期的观测,从未中断,是一份难得的长序列物候气候变化材料。并且,肖教授发现进入1980年代樱花开花期有提前的倾向,并根据十分有限的气象资料和信息,推测此与全球气候变暖尤其是持续暖冬有关。这与陕西杨凌最近10年日本樱花花期比1980年代提早10天[8]以及在日本樱花开花期明显提前[9]的结论一致。另外,观测表明[10],全球平均气温在1880—2012年期间升高了0.85℃,空间分布上以北半球中高纬度大陆升温最明显[11],同样近几十年中国地区也经历着以气候变暖为主要特征的气候变化[12-17]。气候变化的原因一般包括自然强迫、气候系统的内部变率和人类活动(温室气体和气溶胶排放、植被覆盖和土地利用变化等)等。基于类似大量模拟研究,IPCC(政府间气候变化委员会)AR5(第5次评估报告)指出[17],极有可能(95%以上信度)的是1951—2010年观测到的全球平均表面温度上升中,一半以上是由温室气体浓度的人为增加和其他人为强迫共同导致的。

始花期预报在旅游业有很大的实用价值。根据樱花始花期预报方法研究[18-20],开展花期预报,可以指导人们合理安排时间观赏樱花以及校方樱花旅游的管理工作。气温与物候现象的相关性是利用物候学方法重建历史温度变化的基础。对北半球中高纬度地区的研究表明[21],在影响植物物候期的诸多环境要素中(气温、光照、降水、养分等),气温所起作用最大[22]。一般来讲,在一定范围内,气温的升高可促进酶的活性[23],使春季物候期提前[24],秋季物候期推迟[25],植物的生长期延长[26]。2008年陈正洪等[27]用武汉大学樱园日本樱花62年连续的花期资料研究了樱花始花期、落花期、持续天数气候变化特征,建立了始花期预报模型,发现始花期与冬季及2月平均气温密切相关,其中基于2月平均气温的非线性模型对异常早花有较好的模拟效果。植物的发育进度主要不由物候现象发生时的温度决定,而是与过去一段时间内温度的累加值成比例,这一累加值被称为植物完成发育期所需要的积温[28]。同时,一些植物需要一定的低温条件打破休眠才能促进芽(叶芽和花芽)的发育[29]。仅选取2月份平均气温预报始花期,需要等到2月底才能进行预报,而且每年只能预报一次,不能全面的考虑樱花始花期前期气温的影响。另外,在陈正洪[27]研究基础上,新累计了2009至2016年的花期资料,而且近几年始花期提前没有以前明显,是否与近几年雾霾影响有关呢？因此,十分有必要改进始花期预报方程,本文将引入活动积温的概念,并加入日照时数,进一步研究樱花始花期的预报方法,希望能有效地提高预报准确率, 更好的为公众出游安排提供指导。

1 资料和方法

1.1 资料

本文使用樱花始花期为武汉大学樱园日本樱花树1981—2016年共36年观测资料,始花期标准为每株树有3—5朵花开放。气象资料为武汉市气象站同期逐日平均气温、日照时数等。

1.2 方法

将始花期转换为日序数(1月1日记为1,1月2日记为2,……),从而得到36年完整始花期日序数,其中前30年资料用于建立预报模式,后6年资料用于预测效果的独立样本检验。本文首先计算日序数与前期积温、累计日照时数的相关系数,选取预报因子,然后通过线性回归的方法建立始花期预报方程。

2 樱花始花期预报因子选取

2.1 始花期基本特征

图1 樱花始花期日序数逐年变化与线性拟合图(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平均结果表明,武汉地区日本樱花平均始花期的日序数是73.3,对应日期平年是3月14至15日,闰年为3月13至14日。最早为2月26日(2004年),此外3月5日前出现的还有3月2日(2007年)、3月3日(2016年)。最晚为3月28日(1985年),此外3月25日及以后出现的还有3月25日(1984年)、3月27日(2005年)、3月26日(2012年)。

图1为1981年至2016年期间始花期日序数逐年变化与线性拟合结果,可以发现,1981年至2016年始花期日序数有两个特点：一是呈缓慢减少趋势,但变化趋势不明显；二是变率比较大,特别是2000年以后。均方差大小可以表示始花期的稳定性程度,计算可以发现均方差较大,最早与最晚可相差30d。

图2为1981年至2016年期间始花期日序数与2月份平均气温逐年变化,可以发现,2月份平均气温后期(2000年以后)增长不明显,且变率较大,这与始花期日序数后期变化相对应。

图2 樱花始花期日序数与2月份平均气温逐年变化(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 始花期与前期积温的关系

为了改进始花期预报方程,引入活动积温的概念,始花期一般在3月中旬,早的出现在2月下旬,晚的出现在3月下旬,因此分别分析计算1月1日与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℃活动积温与始花期的相关性(表1),可以发现,樱花始花期与前期积温显著负相关,与2月1日至3月15日积温表现最为明显,相关系数达到-0.816(图3),其次是2月1日至3月5日积温(图3),相关系数为-0.798。

表1樱花始花期与前期积温相关关系(1981—2010年)

Table1Thecorrelationcoefficientbetweenfirst-floweringdatesforJapaneseCherryBlossomsinWuhanUniversityandaccumulatedtemperatureinthepreviousperiod(1981—2010)

积温Accumulatedtemperature相关系数Correlationcoefficient积温Accumulatedtemperature相关系数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∗∗

**表示通过0.01的显著性检验

图3 樱花始花期日序数与2月1日至3月15日、2月1日至3月5日活动积温点聚图(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 始花期与前期日照时数的关系

分别分析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日累计日照时数与始花期的相关性(表2)。可以发现樱花始花期与累计日照时数呈负相关,与2月1日至2月25累计日照时数表现最明显,相关系数为-0.579,其次是2月1日至2月底累计日照时数。

表2樱花始花期与前期累计日照时数相关关系(1981—2010年)

Table2Thecorrelationcoefficientbetweenfirst-floweringdatesforJapaneseCherryBlossomsinWuhanUniversityandsunshinedurationinthepreviousperiod(1981—2010)

日照时数Sunshineduration相关系数Correlationcoefficient日照时数Sunshineduration相关系数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∗∗

*表示通过0.05的显著性检验,**表示通过0.01的显著性检验

3 樱花始花期预报

3.1 积温预报樱花始花期

樱花始花期一般在3月中旬,早的出现在2月下旬,晚的出现在3月下旬。始花期与前期活动积温呈显著负相关,积温值越高,花期越早,反之越迟。通过回归分析,用1981—2010年30年1月1日与2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日活动积温分别建立樱花始花期2月25日、2月底、3月5日、10日、15日共5个预报方程：

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年积温预报樱花始花期,并与实际观测结果对比(表3),随着花期的临近,误差越来越小,最小平均误差3 d左右,而且使用3月10日与15日预报方程,去掉后6年中始花期早于3月10日的两年,始花期的误差在1 d左右(括号内表示去掉后6年中始花期早于预报时间年份后的平均绝对误差)。

表3 樱花始花期预报与检验(2011—2016年)

3.2 前期气温预报樱花始花期

图4 樱花始花期日序数与2月平均气温线性、曲线拟合图(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)

为了对比改进后的始花期预报方程的效果,重新用1981年至2010年30年资料建立前期2月份平均气温预报方程,线性拟合结果表明(图4),2月份平均气温每升高1℃,日序数将减少2.62 d,即开花提前2.62 d。而且用3次方程拟合比线性拟合效果更好[24]。

具体方程如下：

始花期日序数(Y)与2月份平均气温(X21)的回归方程

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年预报樱花始花期,并与实际观测结果对比(表4),可以发现非线性拟合方程预报结果在异常早的2013、2016年预报明显比线性方程效果好,这与陈正洪等[27]研究结果一致。对比前面积温预报结果,可以发现,积温预报的误差比2月份平均气温预报的误差更小,而且越接近始花期,积温预报效果越好,这说明积温预报能有效的改进了始花期预报方程。

表4 樱花始花期预报与检验(2011—2016年)

3.3 多因子预报樱花始花期

上述2.3中结果表明,2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日活动积温、累计日照时数与始花期呈显著负相关,将其加入预报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个预报方程(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年预报樱花始花期,并与实际观测结果对比(表5),可以发现,加入累计日照时数对预报结果有进一步改善,但相对积温预报方程改善不是很明显,大概在半天左右。

表5 樱花始花期预报与检验(2011—2016年)

4 结论与讨论

根据1981—2016年连续36年对武汉大学樱园日本樱花始花期的记录资料及同期气象资料的研究分析表明：

(1)樱花平均始花期为3月14至15日(闰年为13至14日),这36年始花期日序数变化趋势不明显,变率比较大,特别是2000年以后。

(2)通过分析始花期与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日活动积温的关系,发现始花期与积温相关性显著。通过分析始花期与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日累计日照时数关系,发现始花期与2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日累计日照时数呈显著相关。

(3)通过引入活动积温和累计日照时数改进始花期预报方程,可以发现,用1月1日与2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日活动积温建立的预报方程,随着花期的临近,误差越来越小,最小平均误差3天左右,而且使用3月10日与15日预报方程,去掉始花期早于3月10日的两年,始花期的误差在1天左右,有效的改进了始花期预报方程。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日累计日照时数建立预报方程对预报结果改善不是很明显。

最新研究指出[30]降温和降水作用可能对春季植物物候学有复杂影响,这对改善物候模型有重要意义,因此,还需深入分析始花期前期降温和降水作用的影响。另外,本文使用的资料站点在2010年迁过站,经过分析发现气温与日照时数在2010年并无突变,所以本文直接使用,但根据最新研究成果,在迁站前后站点的遮挡率有了一定的改变[31],这是否对日照时数的相关结果有影响,需要进一步研究。

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