青岛大珠山杜鹃花初花期预报方法研究

饶莉娟 ,陈清峰, 李庆宝

(1.青岛市黄岛区气象局，山东 青岛 266400；2.山东省青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，山东 青岛 266100；3.山东省青岛市气象局，山东 青岛 266100)

0 引言

目前，赏花旅游逐渐成为人们回归自然的一种旅游时尚，以赏花为主题的地方节日在全国各地蓬勃发展。植物的花期受多方面因素的影响，年际变化大，有时甚至相差1个月有余[1]；准确的花期预报对主办方提早确定赏花节日期，准备活动物资和游客适时安排出游赏花具有重要意义。

植物的花期除了受品种、培育管理的影响外，气候条件是影响花期的重要因素[2-3]。近年来，气象工作者做了大量关于植物花期预报的研究工作，方法大致可分为以下四类：一是利用花期变化趋势与前期气候条件如光照、气温、降水等气象因子的相关性，寻求关键因子，建立花期预报方程[4-13]，这是最普遍也最常用的方法；二是根据不同植物花期的先后顺序，通过统计和相关回归分析建立花期的预报模型，即利用开花较早的植物来预测其后开花植物的花期[14-15]；三是物候预报法，根据植物不同物候期之间的相关性，利用前一物候来预测后一个物候期[16-17]；四是形态测量法，通过测量花芽重量、长轴与短轴的增长状况，建立花期预报模型[18-20]。

青岛西海岸南邻黄海，属温带季风气候，夏无酷暑，冬无严寒。大珠山杜鹃花风景区位于青岛西海岸东南沿海。万亩野生杜鹃花是青岛开花最早、赏花面积最大、最具观赏效果的花卉景观。自2006年起，每年在3月至4月间举办杜鹃花节，吸引大批省内外游客前来观赏。然而青岛大珠山杜鹃花花期仅有两周左右，但其初花期(大珠山珠山秀谷杜鹃花开花程度达30%的日期)相差最大可达28 d。景区管理方需早日确定开幕式日期，以便为杜鹃花节做好准备，这为杜鹃花期的准确预报提出了要求。因此，笔者利用黄岛区气象局地面气象观测资料以及杜鹃花初花期物候资料，结合前人工作基础，分别用回归分析方法、积温阈值预报方法和物候预报方法，尝试建立杜鹃花初花期预报模型，以期为青岛西海岸大珠山杜鹃花初花期预报服务提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

气象资料为黄岛区气象局国家一般气象站1994～2018年的观测资料，选取对植物生长影响最大的气温、日照、降水3个因子，其中气温包括日平均气温、旬平均气温、旬平均最高气温、旬平均最低气温、活动积温、有效积温等。1994～2014年杜鹃花初花期序列来自刘欢等[21]通过景区管理方提供的资料整理建立。

1.2 研究方法

1.2.1 回归模型预测法 首先采用相关分析筛选杜鹃初花期的相关气象因子，相关的气象因子主要从上年12月至本年3月的旬平均气温、旬平均最高气温、旬平均最低气温、旬日照时数、旬降水量、冬季气温中进行筛选。筛选出与杜鹃初花期相关性较高的多项气象因子，以此建立单项或多项杜鹃初花期预测回归模型，并对模型进行检验。

(1)

(2)

1.2.2 积温模型预测法 研究表明大部分植物开花前的积温对开花早晚有很大影响，植物不同生长时段需要的积温是相对固定的[22-24]。积温模型预测法即利用杜鹃初花时期的积温阈值来预报杜鹃花的初花期。

积温分为有效积温和活动积温，从什么时候开始计算积温、计算积温时的生物学下限温度是多少，对于不同植物来说是各不相同的。为确定杜鹃花积温的下限温度和起算日，利用1994～2014年间黄岛大监站日平均气温数据，分别选取下限温度1～10 ℃(间隔1 ℃)，起算日为上年12月1日至当年3月31日(间隔1 d，2月均按29 d计算)，计算从起算日至杜鹃花初花期有效积温和活动积温的方差，方差最小所对应的生物学下限温度和起算日即认为是杜鹃花计算积温的下限温度和起算日，此时的积温平均值即认为是杜鹃花初花期的积温阈值。

1.2.3 物候模型预测法 物候预测模型是通过植物的前一个物候期，来预测后一个物候期的预报方法。本文选取杜鹃花芽初步开放状态作为起报物候期(物候期1)，将杜鹃初花期作为预报物候期(物候期2)，通过分析两个物候期的关系来建立预报模型。

2 结果与分析

2.1 影响杜鹃花初花期的气象因子分析

植物花期与前期温度、光照条件、降水等气象条件密切相关，其中温度因子关系最为密切[25-26]。本研究对青岛西海岸大珠山杜鹃花21年初花期与对应年份3月31日前至上年12月1日的旬气象因子进行相关分析。

从初花期距平与标准化气象因子的相关性(表1)可以看出，日照和降水量因子均未通过显著性检验。这表明，日照与降水两个因子对杜鹃花的初花期影响较小。而气温因子与杜鹃花初花期有较强的负相关性，其中与x11、x12、x53、x71和x92负相关达到显著水平(P<0.05)。在2月中旬至3月下旬的15个温度指标中，除x53、x71、x72和x92外，负相关均达到了极显著的水平(P<0.01)；冬季平均气温与其也有很高的相关性，相关系数达-0.83。负相关表明，气温越高，杜鹃花初花期越早。

表1 初花期距平与标准化气象因子间的相关系数

注：*表示通过0.05显著性水平检验、**表示通过0.01显著性水平检验；因子示例：x00为冬季平均气温，xa1为12月上旬平均气温。

2.2 回归模型的建立

在1994～2014年中，杜鹃花最早初花期为3月17日(1999年)，为确保预报时效(起报日至初花期的时间间隔)，本文选取3月11日为起报日。利用3月上旬之前通过P=0.01显著性检验的气象因子做回归分析，得到如下的初花期(距平)预报公式：

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

(3)

公式(3)中，y为初花期距平值，xij为标准化气象因子，名称见表1。将模型回代，预报方程对杜鹃花初花期拟合情况见图1，拟合值与实际值间的相关系数为0.87，以±2 d为准，拟合准确率61.90%，平均绝对误差2.9 d。

2.3 积温预报方法结果分析

通过分析有效积温和活动积温方差(图2和图3)发现，当下限温度为3 ℃、起算日为12月11日时，各年份初花期的有效积温方差最小，为29，此时的平均有效积温为152.6 ℃·d；当下限温度为5 ℃、起算日为12月11日时，各年份初花期的活动积温方差最小，为18，此时的平均活动积温为221.0 ℃·d。活动积温相比于有效积温具有更明显的变化趋势，且其方差更小，由于方差大小表示花期的稳定性程度，差额越小表明花期与平均花期差距越小，所以采用起算日为12月11日，下限温度为5 ℃的活动积温更为合适。因此，考虑用221.0 ℃·d活动积温值作为阈值，来确定杜鹃花初花期的日期(下文所提积温均指活动积温)。

积温预报方法的预报时效与气温预报能力有关，能够利用本地气温统计数据结合长期气温变化趋势给出初花期的预报时间，并随着时间的推移不断对预报结果进行修正，在初花期前1周左右即能得出较为准确的初花期预报值。选取生物学下限温度为5 ℃，以前一年12月11日为起算日，计算杜鹃花活动积温达到221 ℃·d时的日期为预报初花期，与实际初花期的拟合情况见图4。以±2 d为准，准确率为85.7%，平均绝对误差1.4 d，误差2 d及以内的有18 a，误差1 d以内的有13 a。

2.4 物候预报方法结果分析

通过分析1994～2014年的历史数据，物候期1至物候期2的平均时间为11.8 d，两物候期之间的相关性为0.948，预报方式为：

y=0.824x-15.786

(4)

公式(4)中，y为物候期2(初花期)，x为物候期1的日期(将物候期1的日期转化成距2月最后一天的距离，例如1代表3月1日，-1代表2月27日或28日，润年时2月29日为0，28日为-1)。用公式(4)拟合样本年杜鹃花初花期(图5)，以±2 d为准，准确率为76.19%，平均绝对误差1.9 d，误差2 d及以内的有16 a，误差1 d以内的有11 a。

图1 回归预报模型拟合结果

图2 不同起算日和下限温度的初花期有效积温方差

根据相关分析可知温度为影响杜鹃花初花期的主要气象因子，因此考虑引入温度对物候预报方程进行修正。在物候预报方法中，起报日至预报日的间隔长度，称为芽可长度。发现物候期1后10 d的平均气温与芽可长度的相关系数为-0.958，具有很高的负相关性，因此，用起报日后10 d的平均气温对初花期预报值进行修正：

Δy=-1.0228T+8.3592

(5)

公式(5)中，Δy为公式(4)预报误差修正值，T为物候期1后10 d的平均气温。目前气象预报技术已经能对10 d内的气温进行较为准确预报，假设气温预报完全准确，则利用公式(5)可以得到修正后的杜鹃花初花期序列，以±2 d为准，准确率高达90.48%(图6)，平均绝对误差1.3 d，误差2 d及以内的有19 a。

图3 不同起算日和下限温度的初花期活动积温方差

图4 积温阈值预报方法拟合结果

2.5 3种预报方法验证分析

分别用以上3种方法预报2015～2018年大珠山杜鹃花初花期，结果见表2。其中回归模型预报方法起报日为3月11日，预报时效均在2周以上；考虑到积温预报和物候预报方法中均有温度预报这个不确定因子，预报结论随着时间推移在不断修正，表2为实际开花日前10 d两种方法得出的预报结论。

图5 物候预报方法拟合结果

图6 修正后物候预报方法拟合结果

从表2可以看出，3种预报方法均能给出相对准确的杜鹃花初花期预报结论，回归模型预报方法和物候预报方法预报误差均在2 d以内，预报效果较好。积温预报方法在2015、2016年预报误差为1 d，预报准确； 2017年积温预报初花期较实际初花期提前2 d，2018年积温预报初花期推后3 d。

总体来看，仅积温预报方法在2018年预报误差大于2 d，初步分析其原因，积温预报方法中存在温度这个不确定性因子，预报2018年3月26日有一次冷空气过程，但实际冷空气强度较小，降温幅度小于预期，且3月27日后温度大幅回升，因而预报温度低于实际温度，导致预报初花期晚于实际初花期。

表2 3种预报方法检验结果月/日

为进一步验证预报效果，用实测温度替代积温预报方法和物候预报方法中预报温度，发现物候预报初花期没有变化(物候预报方法中温度为起报日后10 d的平均气温，预报与实测变化不大)；积温预报方法在2015、2016年初花期预报没有变化，2018年实测积温计算初花期为3月30日(与实际初花期误差为2 d)，但2017年实测积温计算初花期为3月23日，与实际初花期出现4 d的误差。

积温预报方法在2017年出现较大偏差，分析2015～2018年3月份(截止到杜鹃花初花期)气温变化趋势(图7)，发现2017年3月份气温变化较为平稳，气温均在9 ℃以下，其余年份在初花期前均存在气温的大幅跃升(达12 ℃以上)。温度快速升高，生理生化反应加快，生长发育加速，有利于花芽的快速开放。当然，也可能是本研究未考虑到的其它因子对杜鹃花初花期产生了影响，我们将在后续工作中进一步验证积温对杜鹃花初花期的影响。

图7 2015～2018年3月1日至杜鹃花初花期气温变化趋势

3 结论与讨论

气温为影响大珠山杜鹃花初花期的主要气象因子，日照与降水两个因子对杜鹃花的初花期影响较小。本研究提出的3种预报方法均能对大珠山杜鹃花初花期做出较为准确的预报；回归预报模型拟合准确率61.90%，平均绝对误差2.9 d；积温预报方法准确率为85.7%，平均绝对误差1.5 d；物候预报方法在传统物候预报方法的基础上引入了温度修正，准确率高达90.48%，平均绝对误差1.3 d。

对于2015～2018年的初花期预报，回归模型预报方法和物候预报方法预报误差均在2 d以内，而积温预报方法在2017年出现较大偏差，其余年份预报较为准确。 实际应用过程中将3种预报方法结合起来，可在杜鹃花初花期前10 d左右给出较为准确的预报结论。

常规预报方法起报日为3月11日，预报时效能够达到2周以上；积温预报方法可以从前一年的12月11日以后的任意一天作为起报日，并可随着时间的推移不断对预报结果进行修正，但受限于气象预报现状，其预报时效及预报准确率与气温预报能力有关。物候预报方法的起报日为花芽初步开放日，预报平均时效为11.8 d；结合气温对物候预报方法进行修正，虽然引入不确定因子，但考虑气温为影响杜鹃花初花期的主要因子，此种修正有助于提高预报准确性。