櫻花始花期預報方法

舒 斯，肖 玫，陳正洪,*

1 湖北省氣象服務中心,武漢 430205 2 武漢大學資源與環境學院,武漢 430072

隨著人民生活水平的不斷提高,在滿足基礎需求以后,以精神需求為主導的旅游需求,越來越旺盛。其中,賞花游受到人們追捧。準確的預測觀賞植物的開花期可為公眾的出游安排提供指導。根據物候學理論,前期氣候條件如光、溫、水等對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開花期亦有重要影響[7],而且,根據生物學原理,前期積溫條件隨著時間推近,對花期影響越大。另外始花期受多種因子的影響,如開花前期累計日照情況等。

武漢大學櫻花聞名中外,每到櫻花盛開時節,花雨紛飛,游人如織?？擅磕昊ㄆ谠缤聿灰?時長時短。武漢大學生物學院肖翊華教授等人自1947年起至今進行了連續70年櫻花花期的觀測,從未中斷,是一份難得的長序列物候氣候變化材料。并且,肖教授發現進入1980年代櫻花開花期有提前的傾向,并根據十分有限的氣象資料和信息,推測此與全球氣候變暖尤其是持續暖冬有關。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]的結論一致。另外,觀測表明[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也經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迫、氣候系統的內部變率和人類活動(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)AR5(第5次評估報告)指出[17],極有可能(95%以上信度)的是1951—2010年觀測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迫共同導致的。

始花期預報在旅游業有很大的實用價值。根據櫻花始花期預報方法研究[18-20],開展花期預報,可以指導人們合理安排時間觀賞櫻花以及校方櫻花旅游的管理工作。氣溫與物候現象的相關性是利用物候學方法重建歷史溫度變化的基礎。對北半球中高緯度地區的研究表明[21],在影響植物物候期的諸多環境要素中(氣溫、光照、降水、養分等),氣溫所起作用最大[22]。一般來講,在一定范圍內,氣溫的升高可促進酶的活性[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]用武漢大學櫻園日本櫻花62年連續的花期資料研究了櫻花始花期、落花期、持續天數氣候變化特征,建立了始花期預報模型,發現始花期與冬季及2月平均氣溫密切相關,其中基于2月平均氣溫的非線性模型對異常早花有較好的模擬效果。植物的發育進度主要不由物候現象發生時的溫度決定,而是與過去一段時間內溫度的累加值成比例,這一累加值被稱為植物完成發育期所需要的積溫[28]。同時,一些植物需要一定的低溫條件打破休眠才能促進芽(葉芽和花芽)的發育[29]。僅選取2月份平均氣溫預報始花期,需要等到2月底才能進行預報,而且每年只能預報一次,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]研究基礎上,新累計了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呢？因此,十分有必要改進始花期預報方程,本文將引入活動積溫的概念,并加入日照時數,進一步研究櫻花始花期的預報方法,希望能有效地提高預報準確率, 更好的為公眾出游安排提供指導。

1 資料和方法

1.1 資料

本文使用櫻花始花期為武漢大學櫻園日本櫻花樹1981—2016年共36年觀測資料,始花期標準為每株樹有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、日照時數等。

1.2 方法

將始花期轉換為日序數(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,其中前30年資料用于建立預報模式,后6年資料用于預測效果的獨立樣本檢驗。本文首先計算日序數與前期積溫、累計日照時數的相關系數,選取預報因子,然后通過線性回歸的方法建立始花期預報方程。

2 櫻花始花期預報因子選取

2.1 始花期基本特征

圖1 櫻花始花期日序數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平均結果表明,武漢地區日本櫻花平均始花期的日序數是73.3,對應日期平年是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逐年變化與線性擬合結果,可以發現,1981年至2016年始花期日序數有兩個特點：一是呈緩慢減少趨勢,但變化趨勢不明顯；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定性程度,計算可以發現均方差較大,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與2月份平均氣溫逐年變化,可以發現,2月份平均氣溫后期(2000年以后)增長不明顯,且變率較大,這與始花期日序數后期變化相對應。

圖2 櫻花始花期日序數與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系

為了改進始花期預報方程,引入活動積溫的概念,始花期一般在3月中旬,早的出現在2月下旬,晚的出現在3月下旬,因此分別分析計算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℃活動積溫與始花期的相關性(表1),可以發現,櫻花始花期與前期積溫顯著負相關,與2月1日至3月15日積溫表現最為明顯,相關系數達到-0.816(圖3),其次是2月1日至3月5日積溫(圖3),相關系數為-0.798。

表1櫻花始花期與前期積溫相關關系(1981—2010年)

Table1Thecorrelationcoefficientbetweenfirst-floweringdatesforJapaneseCherryBlossomsinWuhanUniversityandaccumulatedtemperatureinthepreviousperiod(1981—2010)

積溫Accumulatedtemperature相關系數Correlationcoefficient積溫Accumulatedtemperature相關系數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

圖3 櫻花始花期日序數與2月1日至3月15日、2月1日至3月5日活動積溫點聚圖(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數的關系

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日累計日照時數與始花期的相關性(表2)?？梢园l現櫻花始花期與累計日照時數呈負相關,與2月1日至2月25累計日照時數表現最明顯,相關系數為-0.579,其次是2月1日至2月底累計日照時數。

表2櫻花始花期與前期累計日照時數相關關系(1981—2010年)

Table2Thecorrelationcoefficientbetweenfirst-floweringdatesforJapaneseCherryBlossomsinWuhanUniversityandsunshinedurationinthepreviousperiod(1981—2010)

日照時數Sunshineduration相關系數Correlationcoefficient日照時數Sunshineduration相關系數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,**表示通過0.01的顯著性檢驗

3 櫻花始花期預報

3.1 積溫預報櫻花始花期

櫻花始花期一般在3月中旬,早的出現在2月下旬,晚的出現在3月下旬。始花期與前期活動積溫呈顯著負相關,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個預報方程：

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年積溫預報櫻花始花期,并與實際觀測結果對比(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日預報方程,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(括號內表示去掉后6年中始花期早于預報時間年份后的平均絕對誤差)。

表3 櫻花始花期預報與檢驗(2011—2016年)

3.2 前期氣溫預報櫻花始花期

圖4 櫻花始花期日序數與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)

為了對比改進后的始花期預報方程的效果,重新用1981年至2010年30年資料建立前期2月份平均氣溫預報方程,線性擬合結果表明(圖4),2月份平均氣溫每升高1℃,日序數將減少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(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年預報櫻花始花期,并與實際觀測結果對比(表4),可以發現非線性擬合方程預報結果在異常早的2013、2016年預報明顯比線性方程效果好,這與陳正洪等[27]研究結果一致。對比前面積溫預報結果,可以發現,積溫預報的誤差比2月份平均氣溫預報的誤差更小,而且越接近始花期,積溫預報效果越好,這說明積溫預報能有效的改進了始花期預報方程。

表4 櫻花始花期預報與檢驗(2011—2016年)

3.3 多因子預報櫻花始花期

上述2.3中結果表明,2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日活動積溫、累計日照時數與始花期呈顯著負相關,將其加入預報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個預報方程(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年預報櫻花始花期,并與實際觀測結果對比(表5),可以發現,加入累計日照時數對預報結果有進一步改善,但相對積溫預報方程改善不是很明顯,大概在半天左右。

表5 櫻花始花期預報與檢驗(2011—2016年)

4 結論與討論

根據1981—2016年連續36年對武漢大學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年始花期日序數變化趨勢不明顯,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日活動積溫的關系,發現始花期與積溫相關性顯著。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日累計日照時數關系,發現始花期與2月1日至2月25日、2月底、3月5日、3月10日、3月15日累計日照時數呈顯著相關。

(3)通過引入活動積溫和累計日照時數改進始花期預報方程,可以發現,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日活動積溫建立的預報方程,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日預報方程,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,有效的改進了始花期預報方程。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日累計日照時數建立預報方程對預報結果改善不是很明顯。

最新研究指出[30]降溫和降水作用可能對春季植物物候學有復雜影響,這對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在2010年遷過站,經過分析發現氣溫與日照時數在2010年并無突變,所以本文直接使用,但根據最新研究成果,在遷站前后站點的遮擋率有了一定的改變[31],這是否對日照時數的相關結果有影響,需要進一步研究。

[1] 竺可楨, 宛敏謂. 物候學. 北京: 科學出版社, 1973.

[2] 張福春. 氣候變化對中國木本植物物候的可能影響. 地理學報, 1995(5): 402- 410.

[3] 徐雨晴, 陸佩玲, 于強. 氣候變化對我國刺槐、紫丁香始花期的影響. 北京林業大學學報, 2004, 26(6): 94- 97.

[4] 彭少麟, 劉強. 森林凋落物動態及其對全球變暖的響應. 生態學報, 2002, 22(9): 1534- 1544.

[5] 柳晶, 鄭有飛, 趙國強, 陳懷亮. 鄭州植物物候對氣候變化的響應. 生態學報, 2007, 27(4): 1471- 1479.

[6] 李秀芬, 朱教君, 王慶禮, 張金鑫, 祝成瑤, 劉雪峰, 劉利民. 森林低溫霜凍災害干擾研究綜述. 生態學報, 2013, 33(12): 3563- 3574.

[7] 劉中新, 朱慧麗, 李建平, 張維. 麻城龜峰山古杜鵑花期滾動預報方法探討. 氣象科技, 2016, 44(1): 130- 135.

[8] 羅佳. 陜西楊凌近30年來日本櫻花花期的演變及其指示意義. 西北農林科技大學學報: 自然科學版, 2007, 35(11): 165- 170.

[9] Omoto Y, Aono Y. Estimation of change in blooming dates of cherry flower by urban warming. Journal of Agricultural Meteorology, 1990, 46(3): 123- 129.

[10] 張冬峰, 高學杰, 羅勇, 夏軍, Giorgi F. RegCM4. 0對一個全球模式20世紀氣候變化試驗的中國區域降尺度: 溫室氣體和自然變率的貢獻. 科學通報, 2015, 60(17): 1631- 1642.

[11] Hartmann D L, Klein Tank A M G, Rusticucci M, Alexander L V, Br?nnimann S, Charabi Y, Dentener F J, Dlugokencky E J, Easterling D R, Kaplan A, Soden B J, Thorne P W, Wild M, Zhai P M. Observations: atmosphere and surface//Stocker T F, Qin D, Plattner G K, Tignor M, Allen S K, Boschung J, Nauels A, Xia Y, Bex V, Midgley P M, eds. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2013: 159- 254.

[12] Wang H J. The weakening of the Asian monsoon circulation after the end of 1970′s. Advances in Atmospheric Sciences, 2001, 18(3): 376- 386.

[13] Gong D Y, Ho C H. Shift in the summer rainfall over the Yangtze River valley in the late 1970s. Geophyssical Research Letters, 2002, 29(10): 78- 1- 78- 4.

[14] 施雅風, 沈永平, 胡汝驥. 西北氣候由暖干向暖濕轉型的信號、影響和前景初步探討. 冰川凍土, 2002, 24(3): 219- 226.

[15] 任國玉, 郭軍, 徐銘志, 初子瑩, 張莉, 鄒旭凱, 李慶祥, 劉小寧. 近50年中國地面氣候變化基本特征. 氣象學報, 2005, 63(6): 942- 956.

[16] Zhai P M, Zhang X B, Wan H, Pan X H. Trends in total precipitation and frequency of daily precipitation extremes over China. Journal of Climate, 2005, 18(7): 1096- 1108

[17] IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.

[18] 張愛英, 王煥炯, 戴君虎, 丁德平. 物候模型在北京觀賞植物開花期預測中的適用性. 應用氣象學報, 2014, 25(4): 483- 492.

[19] 張愛英, 張建華, 高迎新, 郭文利, 王煥炯. SW物候模型在北京櫻花始花期預測中的應用. 氣象科技, 2015, 43(2): 309- 313.

[20] Shi P J, Chen Z H, Yang Q P, Harris M K, Xiao M. Inuence of air temperature on therstowering date ofPrunusyedoensisMatsum. Ecology and Evolution, 2014, 4(3): 292- 299.

[21] 劉亞辰, 王煥炯, 戴君虎, 李同昇, 王紅麗, 陶澤興. 物候學方法在歷史氣候變化重建中的應用. 地理研究, 2014, 33(4): 603- 613.

[22] Sparks T H, Jeffree E P, Jeffree C E. An examination of the relationship between flowering times and temperature at the national scale using long-term phenological records from the UK. International Journal of Biometeorology, 2000, 44(2): 82- 87.

[23] Bonhomme R. Bases and limits to using′degree.day′ units. European Journal of Agronomy, 2000, 13(1): 1- 10.

[24] Beaubien E G, Freeland H J. Spring phenology trends in Alberta, Canada: Links to ocean temperature. International Journal of Biometeorology, 2000, 44(2): 53- 59.

[25] Bradley N L, Leopold A C, Ross J, Huffaker W. Phenological changes reflect climate change in Wisconsin. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1999, 96(17): 9701- 9704.

[26] Menzel A, Fabian P. Growing season extended in Europe. Nature, 1999, 397(6721): 659.

[27] 陳正洪, 肖玫, 陳璇. 櫻花花期變化特征及其與冬季氣溫變化的關系. 生態學報, 2008, 28(11): 5209- 5217.

[28] Hunter A F, Lechowicz M J. Predicting the timing of budburst in temperate trees. Journal of Applied Ecology, 1992, 29(3): 597- 604.

[29] H?nninen H. Effects of climatic change on trees from cool and temperate regions: An ecophysiological approach to modelling of bud burst phenology. Canadian Journal of Botany, 1995, 73(2): 183- 199.

[30] Fu Y S H, Piao S L, Zhao H F, Jeong S J, Wang X H, Vitasse Y, Ciais P, Janssens I A. Unexpected role of winter precipitation in determining heat requirement for spring vegetation green-up at northern middle and high latitudes. Global Change Biology, 2014, 20(12): 3743- 3755.

[31] 孫朋杰, 陳正洪, 陽威, 向芬,葉冬. 武漢氣象站周邊環境對日照觀測的影響. 太陽能學報：0254-0096(2017)02-0509-07