基于氣象條件下的牡丹花期預報預測研究

岳高峰,王麗萍,劉 麗 ,韓志強

(1.甘肅省臨夏州氣象局,甘肅 臨夏 731100；2.甘肅省臨夏市職教中心,甘肅 臨夏731100；3.甘肅省隴南市氣象局,甘肅 隴南746000；4.甘肅省臨夏州農業科學院,甘肅 臨夏 731100)

0 引言

牡丹歷來被奉為庭院珍品，享有花中之王的美譽，其雍容華貴的外形更是成為了富貴華麗的代名詞，再加上其品種豐富、花色澤艷、花香芬芳而令世人推崇[1]。牡丹在我國栽培種植可追溯到1500年前的南北朝。目前，牡丹在我國的東北、西北、東南，以及內蒙、臺灣省等地都有栽培和種植。牡丹具有很高的觀賞價值，花期為7～10 d，牡丹同時還具有藥用和食用價值。古人有詩句“庭前芍藥妖無格，池上芙蕖凈少情。唯有牡丹真國色，花開時節動京城。”來盛贊牡丹的美麗和風格。而現代盛行的大田和園林栽培種植牡丹技術使得牡丹觀光旅游產業異軍突起、大放異彩。國內的河南洛陽和山東菏澤都將牡丹作為市花，并形成了相當規模的以牡丹為主題的觀光旅游產業，如洛陽牡丹文化節和荷澤國際牡丹花會都是通過每年春季舉辦牡丹花會，吸引海內外眾多游客來賞花觀光和旅游，形成了當地重要的經濟支柱發展產業。

甘肅省臨夏市地處青藏高原和黃土高原的過渡地帶[2]，其獨特的氣候特征適宜于牡丹的栽培和種植，而當地的群眾歷來都有種植牡丹的習慣和愛好，主要以栽培種植紫斑牡丹為主。紫斑牡丹為僅次于中原牡丹的第二大牡丹種群，適宜生長在海拔1100～2800 m的山地區域。紫斑牡丹是由于在花瓣內面基部具有深紫色斑塊而得名，在西北很多地方都有栽培種植。近年來，臨夏市人民政府將牡丹旅游產業作為一張重點名牌來打造，加快牡丹旅游產業規模步伐，通過深入推進牡丹栽培種植技術，并在臨夏市南濱河路人工栽培種植了長達5 km的牡丹旅游觀光長廊，從2016年開始每年春季舉辦“牡丹文化旅游節”來吸引省內外的游客到此觀光旅游，極大地帶動和促進了當地經濟和文化的發展。

目前已經確認的牡丹有600多個品種[3]。每年的氣象條件不一樣，造成牡丹花期會出現提前或延遲，由于不能準確確定牡丹花期，這給“牡丹文化旅游節”的管理組織者帶來很大的考驗，有時也會遇到一些尷尬。如2017年，第二屆河州牡丹文化節于4月28日開幕，但當年牡丹花期推遲了8 d，盛花期到5月6日才開始，這令許多紛紛慕名而來的外地游客感到有些失望，也嚴重地影響了當地對外的影響力和美譽度，并造成了一定的經濟損失。因此，對牡丹花期進行準確的預報預測顯得很有必要。植物的花期預報預測主要有以下3種方法：(1)根據物候現象發生順序的相關規律，通過觀測記錄不同的物候現象，來對后面出現的物候現象(花期)進行預報預測；(2)通過持續對植物的芽生長情況進行測量和記錄，進而預報預測開花期；(3)選取相關的氣象因子建立模型，來對花期進行預報預測[4-9]。

利用物候現象發生順序和測量記錄芽生長進行花期的預報預測，往往需要有多年的平行觀測記錄資料來支撐，在可操作性上存在一定的局限。而利用選取不同的氣象因子，通過建立模型，對牡丹花期進行預報預測，則克服了以上2種預報預測方法的局限性。楊絨芳[10]、魏秀蘭[11]、劉波[12]、張菲[13]、張玲[14]和王泳梅[15]等諸多學者以氣象條件為基礎對牡丹花期預測進行過研究和嘗試，并取得了豐碩的研究成果和結論。但在實際預測中，牡丹花期預報預測還沒達到令人非常滿意的程度，目前仍然存在著牡丹花會與牡丹盛花期不相匹配的現象。因此，逐步完善牡丹花期預報預測水平和方法，突破瓶頸和短板，成為了壯大牡丹文化旅游產業發展中亟需解決的難題。影響牡丹開花的主要氣象因素有氣溫、光照、降雨、濕度、積溫和低溫霜凍等。本文通過選取氣溫、積溫、日照、空氣濕度等要素，對牡丹花期預報預測進行數學建模，利用逐步回歸方法剔除對花期影響小的要素，建立多元回歸預測模型方程。

1 材料與方法

1.1 數據來源

使用甘肅省臨夏州氣象局國家自動氣象觀測站1996～2015年共20年的逐日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、空氣相對濕度、降雨量、日照時數等氣象觀測資料。使用臨夏州農業科學院的2010～2017年牡丹物候觀測資料，包括牡丹的萌動期、芽膨大期、顯蕾期、翹蕾期、立蕾期、小風鈴期、大風鈴期、圓桃期、平桃期、初開期、普開期、盛開期、花謝期、顯葉期、展葉期、落葉期、芽分化期等17個物候期，并使用了2018年牡丹花期實地觀測記錄資料。

1.2 指標確定及數據處理

溫度是影響牡丹花期的重要因素[10]。不同的物候期對氣溫的敏感度也不同，在小風鈴期和圓桃期對氣溫最為敏感。如果在這2個物候階段出現寒潮降溫天氣，牡丹的花蕾就會遭受到一定程度的損傷，即使后面經歷相對較高的氣溫時段，也會對牡丹的花期造成影響。深秋至冬季低溫時，牡丹經歷休眠期，當第二年春季日氣溫接近3 ℃時，牡丹開始解除休眠并開始萌芽。據觀測，臨夏市的紫斑牡丹在氣溫接近3 ℃時，解除休眠并開始萌動；氣溫大于5 ℃時開始展葉；氣溫大于15 ℃時開始開花。因此選取3 ℃為牡丹萌芽起始溫度，選取日氣溫穩定通過3 ℃為花芽萌動起始日。據1996～2015年氣象觀測資料顯示，臨夏市平均氣溫穩定通過3 ℃的日期為3月3日。因此選取日平均氣溫3 ℃為預報起始溫度，選取3月3日為預報起始日期，預報因子取到4月23日。

積溫也是影響牡丹花期的重要因素之一。牡丹花期所需的溫度達到要求，同時還要所經歷的積溫也要達到要求。否則，牡丹也不會立即開花，而是會延遲，直到積溫達到所需的要求。據監測，臨夏市的紫斑牡丹花期前所需的有效積溫為350 ℃·d。

水分是影響植物生長的重要因素。牡丹為喜蔭耐旱植物，當地正常的降雨量就能滿足其所需水分。因此選取每日空氣相對濕度為研究指標。牡丹為喜光植物，每天6.5 h以上的日照完全可以滿足其所需光照的需求。因此，選取日照時數大于6.5 h以上的時間為日照指標。

在確定了預報指標因子后(表1)，用Excel 2003軟件對選取的4個氣象指標數據進行標準化和無量綱化處理，以消除不同指標存在不同量綱的問題。

表1 牡丹花期各主要指標

2 研究方法

2.1 基于氣象條件的花期預測研究現狀

對于植物花期的預報，很多學者選取氣象因子進行預測研究，而氣溫和積溫成為了重要影響因子。車少靜等[5]通過分析迎春花花期與氣溫的相關性，發現氣溫的高低與迎春花花期的早晚有很好的對應關系，并通過選取氣溫為預報因子進行預報預測，取得了很好的效果。劉紅等[9]利用蘋果初花前50 d各旬氣溫積算值與初花期的相關性進行分析，結果表明：蘋果初花期前4旬旬平均氣溫積算值和旬最高氣溫積算值與初花日相關性顯著。通過對用相關顯著的氣溫積算值預測蘋果花期。楊芳絨等[10]對牡丹花期進行了研究，發現2月10日之后的旬平均氣溫和有效積溫對花期的預報預測有很好的對應關系；氣溫穩定上升時有利于牡丹花期，反之花期有可能提前或推后，甚至遭受到損害。魏秀蘭等[11]研究發現，在2月牡丹萌動期之前，氣溫、降雨和光照等氣象條件對花期的影響不明顯，花期前的2～4月中旬的溫度與牡丹花期密切相關，決定著花期的早晚和盛衰。任憲威等[17]選取北京120種植物，進行30年(1951～1980年)物候研究分析，得出了氣溫成為了決定植物物候期發育遲早的關鍵因素。李軍[18]對桃樹始花期與氣象條件進行了分析研究，發現桃樹的始花期基本與日平均氣溫穩定通過10 ℃相吻合，并以此研究結果為依據對上海2005年桃始花期進行預報預測，得到了很好的效果。國內還有很多學者[19-27]對植物開花期進行了深入研究和分析，并取得了顯著的研究成果和結論。

2.2 主成分分析法

主成分分析法(PCA)又稱為主分量分析法，它是一種通過降維技術把多個變量化為少數幾個主成分(即綜合變量)的多元統計方法，這些主成分能夠反映原始變量的大部分信息，通過表示為原始變量的線性組合。

研究顯示，由于牡丹花期與單個氣象因子的線性關系并不顯著，而且氣溫、有效積溫、濕度、光照要素之間互相影響較大，這就需要進一步找出對花期貢獻率大的主要因子。利用Excel 2003軟件對所選取的4個因子進行標準化處理，并對之后的因子進行主成分分析，得出各主成分系數(表2)，統計出各個主成分的貢獻率(表3)。

表2中第一主分和第二主成分的貢獻率之和占第一、第二、第三、第四主成分的80.2%，因此選擇第一和第二主成分。在表2中，第一個因子(旬平均氣溫)與第一主成分呈負相關，系數最大；第二個因子(有效積溫)與第一主成分為負相關，系數絕對值為次大。而第二主成分中，第二個因子(有效積溫)和第三個因子(平均日照時數)占主要影響，且第二個因子為正相關，第三個因子為負相關。

表2 主成分分析系數

表3 主成分的貢獻率

綜合表2和表3分析，剔除掉日平均相對濕度因子，將預報因子壓縮為3個，即：旬平均氣溫、有效積溫和平均日照時數。而在表1中，由于第一主成分和第二主成分中占主要影響的前2名因子中均包含有效積溫，因此將有效積溫作為重點因子進行觀察。

2.3 逐步回歸分析

為了驗證旬平均氣溫、有效積溫和平均日照時數與牡丹花期的關系，采用逐步回歸分析方法挑選對牡丹花期相關性最高的因子。

首先對旬平均氣溫、有效積溫、平均日照時數和日平均相對濕度4個因子建立模型，并進行顯著性分析，得出模型參數和置信區間分布(表4)。通過逐步剔除因子，使用有效積溫和氣溫2個因子開展建模進行顯著性分析，得出模型參數和置信區間分布(表5)。

表4 4個因子模型置信區間

表5 積溫和氣溫因子模型置信區間

經過比較，在建立模型中選取4個因子作為預報要素，模型顯著性并不理想。而依次剔除不同的因子后，發現當保留旬平均氣溫和有效積溫時，模型顯著性為最強。比對表4和表5，使用4個預報因子時F值為1.653；而使用旬平均氣溫和有效積溫進行預報時，F值為4.235。因此，只使用旬平均氣溫和有效積溫因子進行花期預報比使用4個因子進行預報的效果更加顯著。

2.4 建立預報模型

綜上考慮，采用旬平均氣溫和有效積溫作為牡丹花期預報預測的主要因子指標。臨夏市紫斑牡丹解除休眠日期為2月23日左右，萌動期為3月3日左右，將3 ℃作為預報起始氣溫，由于當地氣溫穩定通過3 ℃的日期在3月3日左右，選取3月3日至牡丹盛花期(開花率達60%)所經歷的日數作為預報變量(Y), 選取3月3日至氣溫穩定通過3 ℃的首日日數作為第一個指標(X1)，選取氣溫穩定通過3℃的首日至有效積溫穩定通過350 ℃·d的日數作為第二個指標(X2)。臨夏市開展牡丹文化節時間為每年4月28日左右，因此選取預報因子截止4月23日，可以進行5 d及以上的預報。選取實際氣溫穩定通過3 ℃的首日至4月23日旬平均氣溫之和為第三個指標(X3)。使用臨夏州農業科學院的2010～2017年牡丹花期觀測記錄和2018年牡丹花期實際觀測記錄，以及對應當年氣象觀測資料，對Y、X1、X2、X3進行回歸分析，建立花期預報預測模型：

Y=204.3621-1.8544X1-2.4236X2-0.9834X3+0.04262X1X2

2.5 模型檢驗

2.5.1 牡丹花期預報預測檢驗 使用花期預報預測回歸方程對2010～2018年牡丹花期進行預報預測，除了2013年預報誤差為4 d，2015年預報誤差3 d，其余年份誤差均≤2 d。根據現有資料進行預報預測檢驗，誤差≤2 d的花期預報預測準確率為77.8%；誤差≤3 d的準確率為88.9%；誤差≤4 d的準確率為100%。

2.5.2 置信度檢驗 設定置信度為α=0.95條件下，對建立的花期預報預測模型進行2011～2018年牡丹花期預報預測的區間估計，9年中有7年的實際開花期均在α=0.95的置信區間內，牡丹實際盛花期與模型預報預測花期最多相差4 d，相差2 d的預測結果占到77.8%，相差3 d的預測結果占88.9%。

3 結論

(1)臨夏市栽培種植的紫斑牡丹在2月23日左右解除休眠，在春季氣溫為3 ℃時開始萌動，而當地日平均氣溫穩定通過3 ℃的在3月3日之后。

(2)選取對影響牡丹花期的旬平均氣溫、有效積溫、光照和空氣相對濕度等氣象因子，進行主成分分析和逐步回歸分析，發現日平均氣溫穩定通過3 ℃之后的氣溫和有效積溫對牡丹花期影響最顯著。這與之前學者研究得出的氣溫是影響牡丹花期的重要因素、氣溫和有效積溫是花期預測的重要指標的結論相一致。通過進一步選取氣溫和有效積溫作為牡丹花期的預報因子并建立預報模型：

Y=204.3621-1.8544X1-2.4236X2-0.9834X3+0.04262X1X2

(3)對牡丹花期預報預測模型進行檢驗，在置信度取α=0.95的條件下，牡丹實際盛花期與模型預報預測花期最多相差4 d，相差2 d的預報預測結果準確率為77.8%，相差3 d的預報預測結果準確率為88.9%。

(4)牡丹花期為7～10 d，而模型預報預測最大誤差在4 d以內，因此，花期預報模型的可靠性和可信度都是有保障的，它為臨夏市開展牡丹花期預報提供了基礎，為開展河州牡丹文化節的組織都提供了決策依據。