基于最佳回归方法的丹东桃树花期预报研究

董海涛 单璐璐 谭丽静 吴欢峰 左晓强

摘要利用2005—2015年丹东河口桃树花期物候观测资料和宽甸国家基准气象站的气象观测资料，分析桃树花期前的光、温、湿等气象要素与花期的相关系数，研究花期前任意时段的气象要素平均值与花期的内在关系，并根据相关系数的极值来确定预报因子，采用逐步回归方法，建立桃树花期预测模型。结果表明，花期预测模型拟合效果较好，预报准确率满足业务要求，及时为政府和果农提供准确的桃树花期预报。

关键词桃树花期;预测;最佳回归方法;丹东

中图分类号S162文献标识码A

文章编号0517-6611（2019）01-0232-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.068

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

近年来，随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高，以赏花为主题的节日在地方蓬勃兴起。丹东河口位于宽甸满族自治县长甸镇境内，地处鸭绿江的下游，是我国燕红桃的主要生产基地。每到春季万亩桃花竞相开放，场面蔚为壮观。自2005年丹东已成功举办了十一届“鸭绿江之春”桃花节旅游活动，每年吸引各地中外游客达数十万人之多，经济效益显著。适时开展花期预报成为气象服务社会工作之一，针对地方政府举办桃花节活动的需求，及时提供气象服务保障，对促进地方旅游业发展有着十分重要意义。

物候模型是预测植物花期的有效方法，是基于植物对环境因子的响应机理而建立的可以模拟植物生长发育的数学模型[1-2]。目前，许多学者建立了多种物候模型[3-8]，这些模型被归纳为静态模型（统计模型）和动态模型（过程模型）。静态模型是直接利用统计方法拟合物候期与气象因子关系建立的物候模型[9-12]。动态模型是通过数学方法再现生物过程与环境关系，试图从机制上探讨物候期发生条件的模型。截至目前，物候模型已被成功用于重建过去气候变化、预测物种分布范围变化以及灾害风险评估等方面。

笔者采用静态模型方法，分析1—4月气温、相对湿度、降水量、日照时数和地温等气象要素的任意时段累积值与桃树花期的相关性，找出每个气象要素正负相关系数极值，将其作为预报因子建立丹东河口桃树花期预报模型，并探讨预报模型的实际应用价值。

1资料与方法

1.1物候资料

所用的物候资料是2005—2015年丹东市宽甸县旅游局提供的桃树花期序列物候观测资料。桃树观测资料的品种、始花期如表1所示。根据中国物候观测网的观测标准，始花期定义为观测植株上开始出现第1个完全开放的花朵日日期;盛花期定义为观测的树木上有50%以上的花蕾都展开花瓣的日期。

1.2气象资料

所用气象资料来源于丹东市宽甸县气象局国家基准站2005—2015年地面气象观测资料，包括温度、湿度、降水、日照、地温等，所有的气象资料都经过了严格的人工质量控制。

1.3资料处理

物候观测资料的桃树花期转化成日序，具体方法：1月1日定为花期日序的起始日，日序数为1，以此类推，如2月5日的日序数就是36;逐步回归分析时，气象观测资料用式（1）做标准化处理，以克服不同氣象因子量纲之间的差异。

xt=（Xt-）/δ（1）

式中，xt（t=1，…，n，为年序）为标准化气象因子序列，Xt为原始气象因子序列值，为原始气象因子序列平均值，δ为Xt的均方差。平均值是变量的瞬时值在给定时间间隔内的算术平均值。其公式如下：

=1NNi=1xi（2）

式中，N为气象要素个数，xi为气象要素实际值。均方差也即标准差，是各样本数据偏离平均数的距离，它是离均差平方和平均后的方根，能反映一个数据集的离散程度，其公式如下：

δ=1NNi=1（xi-）2（3）

同样，对桃花盛花期资料处理按式（4）做距平处理：

yt=Yt-（4）

式中，yt为桃花始花期距平序列值（正值为始花期晚于常年，负值为始花期早于常年），Yt为桃花盛花期日期序列值，为2005—2014年平均始花期（为5月6日）。

回归分析软件为IBMSPSS，是世界公认的专业化的标准统计软件之一，其操作简单、易学易懂、简单实用，在社会和自然科学研究领域提供丰富的统计产品与服务解决方案，用SPSS软件进行逐步回归，分析桃花盛花期与气象因子间的相关系数并建立预报模型，满足α=0.05的因子引入，α=0.10的因子剔除。

2结果与分析

2.1桃花花期与气象条件关系

2.1.1气温对花期的影响。

桃树开花前气象条件对花期早晚有很大影响，从温度角度看，主要受2个因子控制：一是需要一定低温打破花芽的自然休眠，即需冷量，果树需冷量得到满足完成自然休眠期，如果需冷量得不到满足，植物不能完成休眠全部过程，影响花期时间;二是开花前需要一定的积温才能萌芽开花，即需热量，这里包含着落叶果树对温度要求不同的2个重要时期，也是落叶果树提早开花的2个重要依据。以往研究证明[13-18]，气温在植物不同的物候生长发育期起到关键性和决定性作用。

从平均气温与桃树盛花期距平的相关系数（图1a和1b）可看出，图1b中相关系数有1个相对低值区，坐标为（61，30）处，积温起止日序61之后30d的累积时段的相对系数最小，对应大致观测日期2月1日—3月30日积温与盛花期距平负相关最显著，其相关系数r为-0.916。而在起始日序30～50、累积天数10～30d，出现正相关区域，也存在1个相对低值区，坐标为（44，2），其相关系数r为0.314，对应大致日期为1月14—15日的地面平均温度累积值。

平均最高温度的相关系数如图1c和图1d所示，在平均最高温度等值线分析区中，相关系数负相关有1个相对低值区，坐标为（71，20），其相关系数r为-0.897，对应大致日期为3月1—19日的地面平均最高温度值;而相关系数正相关也存在1个相对低值区，坐标为（67，1），其相关系数r为0.471，对应大致日期为3月7日的地面平均最高温度值。

平均最低温度的相关系数如图1e和图1f所示，在平均最低温度等值线分析区中，相关系数负相关有1个相对低值区，坐标为（60，30），其相关系数r为-0.934，对应大致日期为3月1—30日的地面平均最低温度值;而相关系数正相关也存在1个相对低值区，坐标为（54，1），其相关系数r为0.335，对应大致日期为2月24日的地面平均最低温度值。

综上所述，气温因子在观测日期日序60以后的累积积温与桃花盛花期距平表现出显著负相关，且随着花期的临近，相关系数越大;在观测日期日序44～67的累积积温与桃花盛花期距平表现出正相关，但相关性不显著。这与前人研究结果基本一致[10-13]，2月上旬前温度越高，盛花期距平值越大，旬平均温度影响桃树休眠期需冷量的累积，延迟花期;越接近花期相关系数越大，随着后期气温的逐步升高和花期的临近，温度将对桃树需热量迅速累积起到了关键性作用。

2.1.2湿度、日照和降水对花期的影响。

分析不同起始时段与桃花盛花期距平的相关性（图1a）发现，相关系数在观测日序53前均表现为正相关，有1个相对低值区，坐标为（8，34），其相关系数r为0.875，对应大致日期为1月8日—2月13日湿度累积值;而相关系数负相关也存在有1个相对低值区，坐标为（84，2），其相关系数r为-0.926，对应日期为3月14—15日湿度累积值。进一步证明了在2月中旬及前期低湿天气不利于（甚至抵消）桃花休眠期的需冷量的累积，延迟桃花盛花期时间。

植物在生长发育期过程中需要一定的热量促使其生长，这部分热量不仅来源于空气温度，还有太阳直接辐射的热量。该研究考虑桃树花期前太阳辐射的影响，引进日照时数作为预测因子进行分析，其相关系数如图2b所示，在日照等值线分析区中，相关系数负相关有1个相对低值区，坐标为（34，15），其相关系数r为-0.784，对应大致日期为2月2—17日累积日照时数;而相关系数正相关也存在1个相对低值区，坐标为（82，2），其相关系数r为0.907，对应大致日期为3月22—24日累积日照时数。

降水因子的引入与相对湿度一样是为了考察水分（侧重于土壤水分）对桃树花期的影响，降水因子取自人工观测定时降水量（1—3月降水需人工观测）。其相关系数如图2c所示，在降水等值线分析区中，相关系数负相关有1个相对低值区，坐标为（22，3），其相关系数r为-0.727，对应大致日期为1月22—25日累积降水量;而相关系数正相关也存在1个相对低值区，坐标为（35，2），其相关系数r为0.642，对应大致日期为2月3—4日累积降水量。

综上所述，湿度、降水和日照等气象要素与桃花盛花期距平的相关性分析均能找出正负相关极值区域，其中湿度相关性表现更为显著，临近花期负相关越大，间接反映了桃花盛花期前对湿度的需求，结合温度情况，3月后期高温高湿天气非常有利于桃花需热量的积累，同时1—2月的低温低湿天气不利桃树需冷量的积累，导致花期延迟，这与前人研究结论也基本相似[10-13]。

2.1.3地温对花期的影响。

以往学者研究植物花期建模引入因子更多为气温、日照和降水等气象数据，很少将地面溫度作为预报因子与植物花期进行相关分析。该研究以地面温度作为因子与桃花盛花期距平进行单相关分析，结果如图3所示。

地面平均温度的相关系数如图3a和图3b所示，在平均温度等值线分析区中，相关系数负相关有1个相对低值区，坐标为（74，1），其相关系数r为-0.870，对应大致日期为3月14日的地面平均温度;而相关系数正相关也存在1个相对低值区，坐标为（13，2），其相关系数r为0.740，对应大致日期为1月13—14日累积地面平均温度值。

地面平均最高温度的相关系数如图3c和图3d所示，在平均最高温度等值线分析区中，相关系数负相关有1个相对低值区，坐标为（84，4），其相关系数r为-0.831，对应大致日期为3月24—27日的地面平均最高温度值;而相关系数正相关也存在1个相对低值区，坐标为（14，6），其相关系数r为0.821，对应大致日期为1月14—19日累积地面平均最高温度。

地面平均最低温度的相关系数如图3e和图3f所示，在平均最低温度等值线分析区中，相关系数均呈负相关，负相关有1个相对低值区，坐标为（57，3），其相关系数r为-0.843，对应大致日期为2月26日—3月1日的地面平均最低温度。

在地面温度因子分析中，地面平均温度和地面平均最低温度表现出与桃花盛花期距平显著相关，但平均地面温度的统计天数相对平均地面最低温度较少，平均地面温度负相关值最大，同时统计天数仅为1d，而地面平均最低温度正负相关性和统计天数都比较理想，地面平均最高温度只有负相关，且未达到显著水平。总体来说，平均地面最低温度相对与其他2个因子更好体现与桃花花期距平现象相关。

2.2预报模型

2.2.1预报因子的选择。

通过“2.1”桃花花期与气象条件的分析，其中气温因子在观测日期日序60以后的累积积温与桃花盛花期距平表现出显著负相关，且随着花期的临近，相关系数越大;在观测日期日序44～67的累积积温与桃花盛花期距平表现出正相关，但相关性不显著;相对湿度因子与桃花盛花期距平在84～85相关性显著，但预报因子的统计天数偏少，其正相关性表现更为理想，在观测日序8～34累积平均湿度与花期距平达显著水平，日照和降水因子表现不明显;地面温度因子中地面平均最低温度表现稍好一些，但回归分析中需综合分析各因子间相互影响，以及对桃花盛花期的影响比重较小。

总之，开花前温度的积累对桃花开花早晚影响特别大，累积积温充足，开花就早，反之就延迟花期;而相对湿度因子2月上旬前，地面温度因子1月中旬平均地面温度和平均最低地温，与桃花盛花期距平存在显著的正相关，影响着桃树休眠期需冷量的累积，温度越高，需冷量不足，延迟花期。从预报时效角度，每年桃树盛花期在5月6日前后，业务需要提前20d左右做出当年的盛花期预报。因此，选择1—3月气温、相对湿度和地面温度等气象数据中最佳相关因子作为预报备选因子进行建模使用。

2.2.2预报模型的建立。

利用SPSS统计分析软件对桃树盛花期距平与备选标准化气象因子进行逐步回归，得到桃树盛花期预报方程：

y=0.9-0.571x1+2.499x2-3.009x3-1.414x4（5）

式中，y为桃树盛花期距平;xi为标准化气象因子序列，其中，x1为气温因子（观测日序61～90累积平均值），x2相对湿度因子（观测日序8～41累积平均值），x3为平均最低温度因子（观测日序71～90累积平均值），x4为地面平均温度因子（观测日序74日平均值）。

该方程的R2=0.989，拟合回归方程平均方差521.836，剩余平方差3.064，总方差为524.900。

利用上述回归方程可以在3月31日前做出桃树盛花期预报，从模型入选的气象因子来看，3月平均温度、3月中旬平均最低温度和地面平均温度越低，温度积累不足，桃树盛花期距平值越大，盛花期时间越晚，反之盛花期距平越小，盛花期时间越早;1月中旬前平均相对湿度越小，天气越干燥，以及2月中旬平均最低温度越高，即2月中旬前低温低湿的天气有利于桃树休眠期需冷量的积累，盛花期距平越小，盛花期时间越早;反之较高空气的温度和湿度减少（甚至抵消）需冷量的积累，盛花期距平大，盛花期时间晚。

2.2.3预报模型的检验。

利用所建的花期预报模型拟合河口桃树盛花期，结果表明桃树盛花期年际变化较大，但模型的拟合率较高。

将模型回代，模拟样本年桃树盛花期（表2），拟合值与实际值相关系数0.997，平均误差0.4d，最大相差为1d有4年，其他没有误差有6年，预报模型对桃树盛花期有非常好的拟合作用。

2.2.4试报。

以2015年作為独立样本，将气象因子代入花期预报模型，预测2015年丹东宽甸河口桃花盛花期5月3日，当年桃花实际盛花期5月2日。

3结论

（1）建立的桃树盛花期预报模型对样本有较高的拟合和较好的预报效果，具有重要的应用价值。

（2）桃树（1—3月）不同时段气象因子对盛花期的影响表现为后期影响大，前期影响较小;气温和湿度影响较大，日照和降水等因子影响相对较小，地温虽与桃树盛花期距平有一定的相关性并达到显著水平，但对模型方程的贡献率不如气温和湿度;桃树开花前需要一定的温度积累，高温低湿盛花期越早，反之盛花期越晚。

（3）通过桃树盛花期与气象因子标准化的单相关分析，气温和湿度与桃树盛花期相关性较强，说明桃树盛花期早晚与这些气象因子的变化比较敏感，但并不意味着其他气象因子的影响不重要。

（4）宽甸国家基本气象站与河口桃花生产基地地理上有一定的距离，使气象数据不能准确代表河口桃花实际天气状

况，只能是相对值。若想使模型模更好地模拟花期接近实测

值，可在河口桃花区域内建立物候观测气象站，以获得更具代表性气象资料。

参考文献

[1]李荣平，周广胜，王笑影，等.不同物候模拟对东北地区作物发育期模拟对比分析[J].气象与科学学报，2012，28（3）：25-30.

[2]韩小梅，申双和.物候模型研究进展[J].生态学杂志，2008，27（1）：89-95.

[3]王焕炯，戴君虎，葛全胜.1952～2007年中国白蜡树春季物候时空变化分析[J].中国科学：地球科学，2012，42（5）：701-710.

[4]SARVASR.Investigationsontheannualcycleofdevelopmentofforesttrees.Ⅱ.Autumndormancyandwinterdormancy[J].Metsantutkimuslaitoksenjulkaisuja，1974，84（1）：1-101.

[5]CHUINEI，COURP，ROUSSEAUDD.Fittingmodelspredictingdatesoffloweringoftemperatezonetreesusingsimulatedannealing[J].Plant，cell&environment，1998，21（5）：455-466.

[6]张爱英，张建华，高迎新，等.SW物候模型在北京樱花始花期预测中的应用[J].气象科技，2015，43（2）：309-313.

[7]张爱英，王焕炯，戴君虎，等.物候模型在北京观赏植物开花期预测中的适用性[J].应用气象学报，2014，25（4）：483-492.

[8]李荣平，周广胜，王笑影，等.不同物候模型对东北地区作物发育期模拟对比分析[J].气象与环境学报，2012，28（3）：25-30.

[9]刘流，甘一忠.桃花迟早年型的冬季气候特点及花期预测[J].气象，2006，32（1）：113-116.

[10]王晓默，李宪光，董宁，等.济宁桃花盛花期预报模式[J].农学学报，2014，4（12）：104-106.

[11]姚日升，涂小萍，丁烨毅，等.宁波桃树花期预报方法[J].气象科技，2014，42（1）：180-186.

[12]车少静，赵士林，智利辉.迎春始花期预报方法的研究[J].中国农业气象，2004，25（3）：70-73.

[13]张利华，任曙霞，张永强，等.梨树始花期预报[J].气象科技，2012，40（3）：485-488.

[14]孔凡忠，刘继敏，孔莉，等.菏泽牡丹初花期的中长期预报模型[J].中国农业气象，2011，32（1）：115-121.

[15]李美荣，杜继稳，李星敏，等.陕西果区苹果始花期预测模型[J].中国农业气象，2009，30（3）：417-420.

[16]李晓川，陶辉，张士明，等.气候变化对库尔勒香梨始花期的影响及其预测模型[J].中国农业气象，2012，33（1）：119-123.

[17]吴炫柯，段毅强，李家文，等.桂花盛花期预报方法初探[J].安徽农业科学，2007，35（27）：8482，8484.

[18]云文丽，乌达巴拉.呼和浩特市紫丁香盛花期预报模式的研究[J].安徽农业科学，2008，36（31）：13618-13619，13628.

安徽农业科学，J.AnhuiAgric.Sci.2019，47（1）：239-241，269