成迪芳，程 路，黃鶴樓，嚴(yán)春風(fēng)，徐 梁

(1.寧波市海曙區(qū)氣象局，浙江 寧波 315000； 2.國家氣象中心，北京 海淀 100000；3.寧波市氣象局，浙江 寧波 315012；4.寧波市海曙區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)管理服務(wù)站，浙江 寧波 315000；5.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023)

櫻花是春季常見景觀樹種，花期約15 d，但是風(fēng)、雨天氣影響。寧波四明山是國內(nèi)知名櫻花苗木產(chǎn)區(qū)和賞櫻景區(qū)，以國內(nèi)主流品種中櫻“染井吉野”和晚櫻“關(guān)山”為主，每年賞櫻季吸引了大批游客前去觀賞。櫻花已成為四明山革命老區(qū)重要的脫貧致富樹，準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)櫻花花期對(duì)指導(dǎo)人們合理安排賞櫻時(shí)間、做好園區(qū)管理，助力鄉(xiāng)村振興和生態(tài)寧波建設(shè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義，也可為國內(nèi)櫻花旅游業(yè)提供借鑒作用。

根據(jù)物候?qū)W基本原理, 前期氣候條件對(duì)植物物候早晚有重要影響[1], 其中氣溫是影響中國木本植物物候的主要因子[2-3]。櫻花花期預(yù)報(bào)的主要方法一是基于月平均氣溫的趨勢分析法，即建立開花日序數(shù)與關(guān)鍵期平均氣溫的線性和非線性回歸方程；二是基于日平均氣溫的參數(shù)推算法。關(guān)于參數(shù)的確定方式有2種，一種是參數(shù)設(shè)定：假設(shè)達(dá)到某一物候現(xiàn)象所需積溫相對(duì)恒定，此積溫要求高于某一基本溫(即植物發(fā)育閾值)，初始日期自定；另一種是參數(shù)反算：先給出基本溫和起算日的備選范圍，然后對(duì)這2個(gè)參數(shù)備選值進(jìn)行組合而求得不同年份的有效積溫，再通過反推每年的物候期以預(yù)測與實(shí)際值的均方差(RMSE)最小來確定這2個(gè)參數(shù)。目前國際上流行的方法有以下幾種：美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)Ring 等[4]先根據(jù)基本溫和起算日的備選組合得到的預(yù)測時(shí)間和實(shí)際發(fā)生時(shí)間的RMSE，但是RMSE往往存在多個(gè)低谷，所以他們不得不根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷最佳的基本溫和起算日組合；韓國首爾大學(xué)的Ho等[5]先定義1月1日和2月1日2個(gè)起算日，然后設(shè)定不同的基本溫備選值，認(rèn)為能夠?qū)е露嗄暧行Хe溫標(biāo)準(zhǔn)誤差最小的基本溫即目標(biāo)基本溫，從而得到2個(gè)起算日下對(duì)應(yīng)的基本溫為5.5，5.8 ℃；日本岡山理科大學(xué)、岡山大學(xué)、東京大學(xué)幾位學(xué)者Ohashi 等[6]直接定義起算日和基本溫,定義基本溫為5 ℃；大阪大學(xué)的靑野靖之博士[7]利用溫度變換日數(shù)法來確定,根據(jù)一個(gè)溫動(dòng)態(tài)方程求得，只有起算日和溫動(dòng)態(tài)方程的一個(gè)參數(shù)Ea，根據(jù)多年平均的DTS(日DTS表示日平均氣溫轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)氣溫下日完成增長的數(shù)量比例的累積值)，預(yù)測與實(shí)際發(fā)生時(shí)間的RMSE最小狀態(tài)下的起算日和Ea即為目標(biāo)值。與延續(xù)國際傳統(tǒng)的方法稍有不同，由于觀測數(shù)據(jù)樣本少趨勢分析不明顯，本文采用積溫物候模型，即同時(shí)給出1組起算日和基本溫的備選值，通過比較各年活動(dòng)積溫在何時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差最小來確定參數(shù)，在找出積溫的年際變化關(guān)系后確定花期預(yù)報(bào)方程。

1 資料與方法

1.1 資料

選用四明山杖錫櫻花園物候觀測資料，觀測品種為中櫻“染井吉野”和晚櫻“關(guān)山”。該櫻花園位于寧波市海曙區(qū)西部山區(qū)，遠(yuǎn)離城區(qū)、工廠，無煙塵等有害氣體影響。地理位置在東經(jīng)121°8′—121°25′E，北緯29°43′—29°55′N，以砂性山地黃泥為主，腐殖質(zhì)含量豐富。最高海拔868 m，多為5%—15%緩坡種植，空氣流通、光照充足、排水良好，櫻花樹齡5—10 a，處于苗木生長的青壯期，樹體健壯，根系發(fā)達(dá)，病蟲害少，花色鮮艷，較具有代表性。

觀測時(shí)間為2016—2020年每年的3—4月。

觀測項(xiàng)目為始花期，觀測標(biāo)準(zhǔn)為目測每株樹有5%的花開放。

氣象資料有2部分：一部分是來源于杖錫自動(dòng)氣象站(站號(hào)K2451)2016—2019年多年逐日平均氣溫資料序列，另一部分是2020年杖錫自動(dòng)氣象站1—3月逐日平均氣溫觀測數(shù)據(jù)和未來1—30 d智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

1.2 方法

1.2.1 活動(dòng)積溫概念與計(jì)算 積溫理論發(fā)展由來已久[8-9]，本文引用活動(dòng)積溫這一概念?；顒?dòng)積溫是指植物在某時(shí)期內(nèi)活動(dòng)溫度的總和，每種植物都有一個(gè)生長發(fā)育的下限溫度，這個(gè)下限溫度一般用日平均氣溫表示，這里簡稱基本溫?；顒?dòng)溫度即指大于等于基本溫的日平均溫度，因此活動(dòng)積溫可用以下公式表示，式(1)和式(2)所示：

(1)

(2)

其中，x0是積溫開始累積的時(shí)間，通常以日序來表示，例如，x0為31是指當(dāng)年的1月31日。Y是預(yù)測的植物物候期(日序)，Tx是第x日的日平均氣溫；D(Tx)是高于某界限溫度值的累積溫度，簡稱積溫。Tb是生長發(fā)育的下限溫度，即基本溫。Y是活動(dòng)積溫，當(dāng)Y達(dá)到完成發(fā)育所需的活動(dòng)積溫閾值，植物就達(dá)到所求物候期。

1.2.2 物候模型參數(shù)估計(jì) 使用物候期序列中所有年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)值估計(jì)。參數(shù)值估計(jì)采用最小標(biāo)準(zhǔn)差原則，假設(shè)有一組數(shù)值X1，X2，X3，……XN(皆為實(shí)數(shù))，其平均值(算術(shù)平均值)為μ，標(biāo)準(zhǔn)差σ的計(jì)算公式為：

式中，要求標(biāo)準(zhǔn)差σ最小。標(biāo)準(zhǔn)差在概率統(tǒng)計(jì)中最常使用作為統(tǒng)計(jì)分布程度上的測量依據(jù)，其定義是總體各單位標(biāo)準(zhǔn)值與其平均數(shù)離差平方的算術(shù)平均數(shù)的平方根，它反映組內(nèi)個(gè)體間的離散程度。

2 建立預(yù)報(bào)方程

2.1 基本溫的確定

為確定當(dāng)?shù)貦鸦ù杭緲湟夯亓鏖_始生命活動(dòng)的界限溫度，設(shè)置1月1日、2月1日、3月1日共3個(gè)積溫起算日期。從1—10 ℃每隔1 ℃作為櫻花活動(dòng)積溫的基本溫參考值，以5 d滑動(dòng)平均氣溫穩(wěn)定通過基本溫為起點(diǎn)，計(jì)算2016—2019年共4 a的活動(dòng)積溫平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。研究發(fā)現(xiàn)，中櫻品種(染井吉野)的標(biāo)準(zhǔn)差σ在4—5 ℃區(qū)間和8 ℃左右出現(xiàn)極小值，且4—5 ℃區(qū)間極小值最低(見圖1)。再將4—5 ℃區(qū)間以0.1 ℃為間隔，計(jì)算對(duì)應(yīng)活動(dòng)積溫及標(biāo)準(zhǔn)差，發(fā)現(xiàn)1月1日起算時(shí)積溫標(biāo)準(zhǔn)差最小值均出現(xiàn)在基本溫為4.5 ℃；2月1日起算時(shí)積溫標(biāo)準(zhǔn)差最小值均出現(xiàn)在基本溫為4.3 ℃時(shí)；3月1日起算時(shí)積溫標(biāo)準(zhǔn)差極小值均出現(xiàn)在基本溫為4.3,6.2 ℃時(shí)，其中4.3 ℃時(shí)并非最小值，可能原因與2月下旬平均氣溫已經(jīng)穩(wěn)定通過該基本溫有關(guān)，但受到植物生理特性的影響，仍然出現(xiàn)極小值現(xiàn)象。中櫻的基本溫研究表明，4.3 ℃是其品種特有的特征溫度，與起算日無關(guān)。

圖1 不同起算日不同基本溫下的中櫻活動(dòng)積溫標(biāo)準(zhǔn)差

晚櫻(關(guān)山)相較中櫻而言，其基本溫特性與中櫻既具有共性、也具有特殊性(見圖2)。1月1日起算時(shí)積溫標(biāo)準(zhǔn)差最小值均出現(xiàn)在基本溫為4.3 ℃時(shí)，次小值為10.7 ℃；2月1日起算時(shí)，積溫標(biāo)準(zhǔn)差最小值均出現(xiàn)在基本溫為4.3 ℃時(shí)，次小值出現(xiàn)在10.5，10.6 ℃；3月1日起算時(shí)，積溫標(biāo)準(zhǔn)差極小值均出現(xiàn)在基本溫為10.5，10.6 ℃和4.3 ℃時(shí)，和中櫻類似的是4.3 ℃也非積溫標(biāo)準(zhǔn)差的最小值。晚櫻的基本溫研究發(fā)現(xiàn)，4.3，10.6 ℃是其品種特有的2個(gè)特征溫度，與起算日無關(guān)。

無論是中櫻還是晚櫻，不同起算日下均出現(xiàn)了特征溫度4.3 ℃。日本學(xué)者Ohashi等[6]認(rèn)為櫻花基本溫為5 ℃，首爾大學(xué)的Ho等[5]研究認(rèn)為櫻花基本溫為5.5 ℃。受地形地勢影響，不同海拔高度和坡向會(huì)造成溫度的差異性變化。結(jié)合之前研究，在采用當(dāng)前氣象觀測站監(jiān)測數(shù)據(jù)的前提下，認(rèn)為本地櫻花的基本溫為4.3 ℃。

圖2 不同起算日不同基本溫下的晚櫻活動(dòng)積溫標(biāo)準(zhǔn)差

2.2 冬季氣溫與活動(dòng)積溫的關(guān)系

定義日平均氣溫穩(wěn)定通過基本溫至始花期之間，大于等于基本溫的平均氣溫累計(jì)值為GDD(Growing Degree Days)。根據(jù)已有結(jié)果[10]，GDD在不同地點(diǎn)、不同年份間存在一定的差異，這與植物在冬季經(jīng)受的低溫刺激不同有關(guān)。在上年冬季氣溫更寒冷的地點(diǎn)或年份，對(duì)早春樹木萌動(dòng)至始花期的活動(dòng)積溫有直接影響，但不同品種對(duì)低溫的響應(yīng)并不明確。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為冬季低溫會(huì)延遲始花期，高溫導(dǎo)致提前開花。仲舒穎等[11]在研究中認(rèn)為萌動(dòng)至始花期積溫與冬季氣溫呈自然指數(shù)關(guān)系。張艷紅[12]在對(duì)杜鵑花始花期與溫度關(guān)系的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 杜鵑花開花對(duì)低溫的要求因種而異，早花品種對(duì)低溫要求較少，適當(dāng)?shù)蜏匮娱L了休眠期；晚花品種要求低溫多一些，充足低溫反而有利于提前開花；中花品種對(duì)溫度響應(yīng)更加復(fù)雜，適當(dāng)?shù)蜏貢?huì)提前開花，低溫過多則延遲開花。而儲(chǔ)吳樾等[13]的研究則認(rèn)為，低溫對(duì)海棠初花期的穩(wěn)定性有重要影響：早、中花期品種對(duì)低溫需求大些，且對(duì)休眠時(shí)間有嚴(yán)格限制，晚花品種間初花期的順序穩(wěn)定性要低些。

由于不能確定不同櫻花品種對(duì)冬季氣溫如何響應(yīng)，本文對(duì)中櫻(GDD中)和晚櫻(GDD晚)分開加以分析。對(duì)中櫻花期分析發(fā)現(xiàn)，其GDD中與休眠期氣溫T(氣溫低于基本溫時(shí)段，主要集中在上年12月至當(dāng)年2月第5候)呈線性關(guān)系并通過顯著性水平0.05的T檢驗(yàn)(見圖3)，且GDD中滿足方程:

GDD中=-41.3×T+370.9

圖3 中櫻始花期GDD與休眠期平均氣溫關(guān)系

對(duì)晚櫻花期分析發(fā)現(xiàn)，GDD晚與休眠期氣溫T同樣呈線性關(guān)系，且通過顯著性水平0.05的T檢驗(yàn)(見圖4)，GDD晚滿足方程:

GDD晚=-42.3×T+530.7

圖4 晚櫻始花期GDD與休眠期平均氣溫關(guān)系

通過對(duì)中櫻和晚櫻GDD與休眠期氣溫T的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，休眠期氣溫與GDD成負(fù)相關(guān)，休眠期氣溫每升高1 ℃，櫻花初春綻放所需有效積溫將減少約41—43 ℃；晚櫻與中櫻相比，從花芽萌動(dòng)到開花所需有效積溫多160 ℃。上述結(jié)果受限于觀測數(shù)據(jù)樣本容量，仍需繼續(xù)增加觀測以提升GDD與休眠期氣溫T關(guān)系的準(zhǔn)確性。

2.3 建立始花期預(yù)報(bào)方法

第1步，計(jì)算冬季櫻樹休眠期平均氣溫，并通過回歸方程計(jì)算中櫻、晚櫻開花所需積溫GDD0。

第2步，自2月下旬起，計(jì)算氣溫穩(wěn)定通過基本溫4.3 ℃的日期，以及穩(wěn)定通過后每日累計(jì)的有效平均溫度。其中平均溫度采用觀測數(shù)據(jù)加未來1—30 d智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)?？紤]到目前30 d智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)無日平均氣溫預(yù)報(bào)，故采用最高、最低氣溫預(yù)報(bào)進(jìn)行訂正獲得。結(jié)合歷史同期數(shù)據(jù)獲得日平均氣溫?cái)M合方程為：

日平均氣溫T= 0.518 8 ×(Tmax+Tmin)+ 0.60

第3步，判斷最新預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)下，積溫GDD滿足目標(biāo)積溫GDD0的日期，即為櫻花花期的始花期。實(shí)際服務(wù)時(shí)，可結(jié)合最新智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)更新預(yù)報(bào)結(jié)論。

2.4 2020年始花期預(yù)測檢驗(yàn)

2020年2月18日為日平均氣溫穩(wěn)定通過基本溫4.3 ℃的日期。中櫻品種冬季越冬期間(2019年11月26日—2020年2月18日)平均氣溫為5.015 ℃，根據(jù)推演公式計(jì)算得到從萌動(dòng)到開花的積溫為163.8 ℃。3月6日經(jīng)實(shí)況觀測和智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)計(jì)算，預(yù)計(jì)達(dá)到目標(biāo)積溫(165.7 ℃)的日期為2020年3月12日，實(shí)際觀測到的始花期為3月15日，偏差3 d。

2020年晚櫻品種越冬期間平均氣溫為5.015 ℃，根據(jù)推演公式計(jì)算從萌動(dòng)到開花的積溫為319.8 ℃。3月25日經(jīng)實(shí)況觀測和智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)計(jì)算，預(yù)計(jì)達(dá)到目標(biāo)積溫(329.8 ℃)的日期為4月3日，實(shí)際觀測到的始花期為4月4日，偏差 1 d。

3 結(jié)論與討論

本文選用積溫模型，通過標(biāo)準(zhǔn)差最小來確定參數(shù)基本溫和起算日，然后找出積溫和冬季休眠期氣溫的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算所需積溫。前人一般設(shè)定從起算日到始花期的積溫恒定，以多年平均活動(dòng)積溫作為指標(biāo)，或者從起算日到實(shí)際開花日的累積溫度的日平均值恒定，來作為始花期的臨界值。本文參考文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，積溫在不同地點(diǎn)、不同年份間存在一定的差異，這與植物在冬季經(jīng)受的低溫刺激不同有關(guān)，櫻花等作物冬季存在休眠期，該時(shí)段內(nèi)的氣溫對(duì)萌動(dòng)至始花期的活動(dòng)積溫存在影響，且不同花期的櫻花對(duì)氣溫的響應(yīng)是不一致的。因此研究了櫻花對(duì)低溫的響應(yīng)情況，故對(duì)積溫和冬季休眠期氣溫作了相關(guān)分析，根據(jù)冬季氣溫情況確定了萌動(dòng)至始花期的活動(dòng)積溫。

(1)根據(jù)模型計(jì)算，2020年中櫻花期預(yù)報(bào)較實(shí)際觀測值偏差3 d，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有待進(jìn)一步提高；晚櫻花期預(yù)報(bào)較實(shí)際觀測值偏差1 d，可用于花期預(yù)報(bào)和服務(wù)。

(2)受限于觀測數(shù)據(jù)樣本容量，模型計(jì)算中GDD與休眠期氣溫T關(guān)系的準(zhǔn)確性還不太高，需在今后通過繼續(xù)觀測和計(jì)算來提升，以及考慮隨著觀測數(shù)據(jù)樣本容量的增加使用非線性動(dòng)態(tài)方程替換線性模型。

(3)高溫、干旱、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣可能對(duì)始花期有一定影響，后續(xù)還可以考慮在模型中加入多氣象要素的綜合影響。

(4)確定參數(shù)基本溫和起算日時(shí)，積溫標(biāo)準(zhǔn)差極小值出現(xiàn)在8，10.6 ℃，可能表明這2個(gè)溫度值一方面與櫻花生理特征有關(guān)，另一方面也代表了其自身品種的特性。

(5)本文未對(duì)花期持續(xù)時(shí)間和落花期建立預(yù)報(bào)模型，有待進(jìn)一步研究。