青島大珠山杜鵑花初花期預報方法研究

饒莉娟 ,陳清峰, 李慶寶

(1.青島市黃島區氣象局，山東 青島 266400；2.山東省青島市氣象災害防御工程技術研究中心，山東 青島 266100；3.山東省青島市氣象局，山東 青島 266100)

0 引言

目前，賞花旅游逐漸成為人們回歸自然的一種旅游時尚，以賞花為主題的地方節日在全國各地蓬勃發展。植物的花期受多方面因素的影響，年際變化大，有時甚至相差1個月有余[1]；準確的花期預報對主辦方提早確定賞花節日期，準備活動物資和游客適時安排出游賞花具有重要意義。

植物的花期除了受品種、培育管理的影響外，氣候條件是影響花期的重要因素[2-3]。近年來，氣象工作者做了大量關于植物花期預報的研究工作，方法大致可分為以下四類：一是利用花期變化趨勢與前期氣候條件如光照、氣溫、降水等氣象因子的相關性，尋求關鍵因子，建立花期預報方程[4-13]，這是最普遍也最常用的方法；二是根據不同植物花期的先后順序，通過統計和相關回歸分析建立花期的預報模型，即利用開花較早的植物來預測其后開花植物的花期[14-15]；三是物候預報法，根據植物不同物候期之間的相關性，利用前一物候來預測后一個物候期[16-17]；四是形態測量法，通過測量花芽重量、長軸與短軸的增長狀況，建立花期預報模型[18-20]。

青島西海岸南鄰黃海，屬溫帶季風氣候，夏無酷暑，冬無嚴寒。大珠山杜鵑花風景區位于青島西海岸東南沿海。萬畝野生杜鵑花是青島開花最早、賞花面積最大、最具觀賞效果的花卉景觀。自2006年起，每年在3月至4月間舉辦杜鵑花節，吸引大批省內外游客前來觀賞。然而青島大珠山杜鵑花花期僅有兩周左右，但其初花期(大珠山珠山秀谷杜鵑花開花程度達30%的日期)相差最大可達28 d。景區管理方需早日確定開幕式日期，以便為杜鵑花節做好準備，這為杜鵑花期的準確預報提出了要求。因此，筆者利用黃島區氣象局地面氣象觀測資料以及杜鵑花初花期物候資料，結合前人工作基礎，分別用回歸分析方法、積溫閾值預報方法和物候預報方法，嘗試建立杜鵑花初花期預報模型，以期為青島西海岸大珠山杜鵑花初花期預報服務提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料為黃島區氣象局國家一般氣象站1994～2018年的觀測資料，選取對植物生長影響最大的氣溫、日照、降水3個因子，其中氣溫包括日平均氣溫、旬平均氣溫、旬平均最高氣溫、旬平均最低氣溫、活動積溫、有效積溫等。1994～2014年杜鵑花初花期序列來自劉歡等[21]通過景區管理方提供的資料整理建立。

1.2 研究方法

1.2.1 回歸模型預測法 首先采用相關分析篩選杜鵑初花期的相關氣象因子，相關的氣象因子主要從上年12月至本年3月的旬平均氣溫、旬平均最高氣溫、旬平均最低氣溫、旬日照時數、旬降水量、冬季氣溫中進行篩選。篩選出與杜鵑初花期相關性較高的多項氣象因子，以此建立單項或多項杜鵑初花期預測回歸模型，并對模型進行檢驗。

(1)

(2)

1.2.2 積溫模型預測法 研究表明大部分植物開花前的積溫對開花早晚有很大影響，植物不同生長時段需要的積溫是相對固定的[22-24]。積溫模型預測法即利用杜鵑初花時期的積溫閾值來預報杜鵑花的初花期。

積溫分為有效積溫和活動積溫，從什么時候開始計算積溫、計算積溫時的生物學下限溫度是多少，對于不同植物來說是各不相同的。為確定杜鵑花積溫的下限溫度和起算日，利用1994～2014年間黃島大監站日平均氣溫數據，分別選取下限溫度1～10 ℃(間隔1 ℃)，起算日為上年12月1日至當年3月31日(間隔1 d，2月均按29 d計算)，計算從起算日至杜鵑花初花期有效積溫和活動積溫的方差，方差最小所對應的生物學下限溫度和起算日即認為是杜鵑花計算積溫的下限溫度和起算日，此時的積溫平均值即認為是杜鵑花初花期的積溫閾值。

1.2.3 物候模型預測法 物候預測模型是通過植物的前一個物候期，來預測后一個物候期的預報方法。本文選取杜鵑花芽初步開放狀態作為起報物候期(物候期1)，將杜鵑初花期作為預報物候期(物候期2)，通過分析兩個物候期的關系來建立預報模型。

2 結果與分析

2.1 影響杜鵑花初花期的氣象因子分析

植物花期與前期溫度、光照條件、降水等氣象條件密切相關，其中溫度因子關系最為密切[25-26]。本研究對青島西海岸大珠山杜鵑花21年初花期與對應年份3月31日前至上年12月1日的旬氣象因子進行相關分析。

從初花期距平與標準化氣象因子的相關性(表1)可以看出，日照和降水量因子均未通過顯著性檢驗。這表明，日照與降水兩個因子對杜鵑花的初花期影響較小。而氣溫因子與杜鵑花初花期有較強的負相關性，其中與x11、x12、x53、x71和x92負相關達到顯著水平(P<0.05)。在2月中旬至3月下旬的15個溫度指標中，除x53、x71、x72和x92外，負相關均達到了極顯著的水平(P<0.01)；冬季平均氣溫與其也有很高的相關性，相關系數達-0.83。負相關表明，氣溫越高，杜鵑花初花期越早。

表1 初花期距平與標準化氣象因子間的相關系數

注：*表示通過0.05顯著性水平檢驗、**表示通過0.01顯著性水平檢驗；因子示例：x00為冬季平均氣溫，xa1為12月上旬平均氣溫。

2.2 回歸模型的建立

在1994～2014年中，杜鵑花最早初花期為3月17日(1999年)，為確保預報時效(起報日至初花期的時間間隔)，本文選取3月11日為起報日。利用3月上旬之前通過P=0.01顯著性檢驗的氣象因子做回歸分析，得到如下的初花期(距平)預報公式：

y=3.216x51+16.572x61-12.872x63-2.902x73-4.051x52-6.564x62-4.749x00

(3)

公式(3)中，y為初花期距平值，xij為標準化氣象因子，名稱見表1。將模型回代，預報方程對杜鵑花初花期擬合情況見圖1，擬合值與實際值間的相關系數為0.87，以±2 d為準，擬合準確率61.90%，平均絕對誤差2.9 d。

2.3 積溫預報方法結果分析

通過分析有效積溫和活動積溫方差(圖2和圖3)發現，當下限溫度為3 ℃、起算日為12月11日時，各年份初花期的有效積溫方差最小，為29，此時的平均有效積溫為152.6 ℃·d；當下限溫度為5 ℃、起算日為12月11日時，各年份初花期的活動積溫方差最小，為18，此時的平均活動積溫為221.0 ℃·d。活動積溫相比于有效積溫具有更明顯的變化趨勢，且其方差更小，由于方差大小表示花期的穩定性程度，差額越小表明花期與平均花期差距越小，所以采用起算日為12月11日，下限溫度為5 ℃的活動積溫更為合適。因此，考慮用221.0 ℃·d活動積溫值作為閾值，來確定杜鵑花初花期的日期(下文所提積溫均指活動積溫)。

積溫預報方法的預報時效與氣溫預報能力有關，能夠利用本地氣溫統計數據結合長期氣溫變化趨勢給出初花期的預報時間，并隨著時間的推移不斷對預報結果進行修正，在初花期前1周左右即能得出較為準確的初花期預報值。選取生物學下限溫度為5 ℃，以前一年12月11日為起算日，計算杜鵑花活動積溫達到221 ℃·d時的日期為預報初花期，與實際初花期的擬合情況見圖4。以±2 d為準，準確率為85.7%，平均絕對誤差1.4 d，誤差2 d及以內的有18 a，誤差1 d以內的有13 a。

2.4 物候預報方法結果分析

通過分析1994～2014年的歷史數據，物候期1至物候期2的平均時間為11.8 d，兩物候期之間的相關性為0.948，預報方式為：

y=0.824x-15.786

(4)

公式(4)中，y為物候期2(初花期)，x為物候期1的日期(將物候期1的日期轉化成距2月最后一天的距離，例如1代表3月1日，-1代表2月27日或28日，潤年時2月29日為0，28日為-1)。用公式(4)擬合樣本年杜鵑花初花期(圖5)，以±2 d為準，準確率為76.19%，平均絕對誤差1.9 d，誤差2 d及以內的有16 a，誤差1 d以內的有11 a。

圖1 回歸預報模型擬合結果

圖2 不同起算日和下限溫度的初花期有效積溫方差

根據相關分析可知溫度為影響杜鵑花初花期的主要氣象因子，因此考慮引入溫度對物候預報方程進行修正。在物候預報方法中，起報日至預報日的間隔長度，稱為芽可長度。發現物候期1后10 d的平均氣溫與芽可長度的相關系數為-0.958，具有很高的負相關性，因此，用起報日后10 d的平均氣溫對初花期預報值進行修正：

Δy=-1.0228T+8.3592

(5)

公式(5)中，Δy為公式(4)預報誤差修正值，T為物候期1后10 d的平均氣溫。目前氣象預報技術已經能對10 d內的氣溫進行較為準確預報，假設氣溫預報完全準確，則利用公式(5)可以得到修正后的杜鵑花初花期序列，以±2 d為準，準確率高達90.48%(圖6)，平均絕對誤差1.3 d，誤差2 d及以內的有19 a。

圖3 不同起算日和下限溫度的初花期活動積溫方差

圖4 積溫閾值預報方法擬合結果

2.5 3種預報方法驗證分析

分別用以上3種方法預報2015～2018年大珠山杜鵑花初花期，結果見表2。其中回歸模型預報方法起報日為3月11日，預報時效均在2周以上；考慮到積溫預報和物候預報方法中均有溫度預報這個不確定因子，預報結論隨著時間推移在不斷修正，表2為實際開花日前10 d兩種方法得出的預報結論。

圖5 物候預報方法擬合結果

圖6 修正后物候預報方法擬合結果

從表2可以看出，3種預報方法均能給出相對準確的杜鵑花初花期預報結論，回歸模型預報方法和物候預報方法預報誤差均在2 d以內，預報效果較好。積溫預報方法在2015、2016年預報誤差為1 d，預報準確； 2017年積溫預報初花期較實際初花期提前2 d，2018年積溫預報初花期推后3 d。

總體來看，僅積溫預報方法在2018年預報誤差大于2 d，初步分析其原因，積溫預報方法中存在溫度這個不確定性因子，預報2018年3月26日有一次冷空氣過程，但實際冷空氣強度較小，降溫幅度小于預期，且3月27日后溫度大幅回升，因而預報溫度低于實際溫度，導致預報初花期晚于實際初花期。

表2 3種預報方法檢驗結果月/日

為進一步驗證預報效果，用實測溫度替代積溫預報方法和物候預報方法中預報溫度，發現物候預報初花期沒有變化(物候預報方法中溫度為起報日后10 d的平均氣溫，預報與實測變化不大)；積溫預報方法在2015、2016年初花期預報沒有變化，2018年實測積溫計算初花期為3月30日(與實際初花期誤差為2 d)，但2017年實測積溫計算初花期為3月23日，與實際初花期出現4 d的誤差。

積溫預報方法在2017年出現較大偏差，分析2015～2018年3月份(截止到杜鵑花初花期)氣溫變化趨勢(圖7)，發現2017年3月份氣溫變化較為平穩，氣溫均在9 ℃以下，其余年份在初花期前均存在氣溫的大幅躍升(達12 ℃以上)。溫度快速升高，生理生化反應加快，生長發育加速，有利于花芽的快速開放。當然，也可能是本研究未考慮到的其它因子對杜鵑花初花期產生了影響，我們將在后續工作中進一步驗證積溫對杜鵑花初花期的影響。

圖7 2015～2018年3月1日至杜鵑花初花期氣溫變化趨勢

3 結論與討論

氣溫為影響大珠山杜鵑花初花期的主要氣象因子，日照與降水兩個因子對杜鵑花的初花期影響較小。本研究提出的3種預報方法均能對大珠山杜鵑花初花期做出較為準確的預報；回歸預報模型擬合準確率61.90%，平均絕對誤差2.9 d；積溫預報方法準確率為85.7%，平均絕對誤差1.5 d；物候預報方法在傳統物候預報方法的基礎上引入了溫度修正，準確率高達90.48%，平均絕對誤差1.3 d。

對于2015～2018年的初花期預報，回歸模型預報方法和物候預報方法預報誤差均在2 d以內，而積溫預報方法在2017年出現較大偏差，其余年份預報較為準確。 實際應用過程中將3種預報方法結合起來，可在杜鵑花初花期前10 d左右給出較為準確的預報結論。

常規預報方法起報日為3月11日，預報時效能夠達到2周以上；積溫預報方法可以從前一年的12月11日以后的任意一天作為起報日，并可隨著時間的推移不斷對預報結果進行修正，但受限于氣象預報現狀，其預報時效及預報準確率與氣溫預報能力有關。物候預報方法的起報日為花芽初步開放日，預報平均時效為11.8 d；結合氣溫對物候預報方法進行修正，雖然引入不確定因子，但考慮氣溫為影響杜鵑花初花期的主要因子，此種修正有助于提高預報準確性。