譚 靜,陳正洪,*,肖 玫

1 湖北省氣象服務(wù)中心, 武漢 430205

2 武漢大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 武漢 430072

近年來,隨著人民生活水平的不斷提高,賞花游受到人們的喜愛,準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)觀賞植物的花期長(zhǎng)度對(duì)旅游業(yè)有很大的實(shí)用價(jià)值。武漢大學(xué)櫻花是武漢的一張“城市名片”,每到櫻花盛開時(shí)節(jié),眾多國(guó)內(nèi)外游客慕名前來賞花?？擅磕昊ㄆ谠缤聿灰?時(shí)長(zhǎng)時(shí)短,為游客和校方提供準(zhǔn)確的花期預(yù)報(bào)信息,有十分重要的意義。

許多研究發(fā)現(xiàn),北半球溫帶地區(qū),受氣候變化影響,植物春季物候期(例如現(xiàn)蕾期、始花期、萌芽期、展葉始期等)在近幾十年來普遍提前[1-4]。例如,Miller等的研究發(fā)現(xiàn)[5],近年來美國(guó)東北部地區(qū)草本和木本植物的始花期顯著提前,溫度每升高1℃,提前3—8d。在中國(guó),近50年東北和華北地區(qū)木本植物的始花期分別以-1.55d/10a和-2.22d/10a的速度提前[6]。近10年來西安地區(qū)42種植物的展葉期和始花期相比于1963—1996年分別平均提前了5.54d和10.20d[7]。這些物候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了明顯的影響,例如霜凍風(fēng)險(xiǎn)變化[8-9]、花期與傳粉者活動(dòng)時(shí)間的不匹配[10-11]、物種分布變化[12]、發(fā)育期變化[13-14]等。

根據(jù)物候?qū)W理論,前期氣候條件對(duì)植物開花早晚有重要影響[15],而開花期內(nèi)的光、溫、水等,則對(duì)花期長(zhǎng)度有直接影響,其中氣溫是影響中國(guó)木本植物物候的主要因子[16-22]。武漢大學(xué)生物學(xué)院肖翊華教授等人自1947年起至今進(jìn)行了連續(xù)72年櫻花花期的觀測(cè),從未中斷,是一份難得的長(zhǎng)序列物候氣候變化材料。目前,對(duì)于武漢大學(xué)櫻花始花期的預(yù)報(bào)已經(jīng)取得較大進(jìn)展,2008年陳正洪等[23]用武漢大學(xué)櫻園日本櫻花62年連續(xù)的花期資料研究了櫻花始花期、落花期、持續(xù)天數(shù)氣候變化特征,建立了始花期預(yù)報(bào)模型,發(fā)現(xiàn)始花期與冬季及2月平均氣溫密切相關(guān),其中基于2月平均氣溫的非線性模型對(duì)異常早花有較好的模擬效果。2017年舒斯等[24]在此基礎(chǔ)上,引入活動(dòng)積溫的概念,用其作為預(yù)報(bào)因子改進(jìn)了始花期預(yù)報(bào)方程,有效的提高了預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。時(shí)培建等[25]發(fā)現(xiàn)冬季低溫的升高會(huì)延遲開花時(shí)間,而早春氣溫的升高會(huì)直接導(dǎo)致開花時(shí)間的提前,兩者對(duì)櫻花初花期有相反的影響。

但目前現(xiàn)有研究多以不同植物種的始花期為研究對(duì)象,較少關(guān)注整個(gè)花期長(zhǎng)度的變化。有個(gè)別研究開始注意到花期長(zhǎng)度的變化,例如,英國(guó)根西島232種植物的花期長(zhǎng)度隨氣候變暖顯著縮短[26],而在其他區(qū)域則得到相反的結(jié)論。例如,對(duì)日本東京97個(gè)櫻花品種的研究表明大部分植物花期長(zhǎng)度呈延長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[27]。因此,在氣候變化背景下花期長(zhǎng)度將如何變化還有待深入研究。而對(duì)于武漢大學(xué)花期長(zhǎng)度的研究,2008年陳正洪等[23]發(fā)現(xiàn)武漢大學(xué)櫻花花期天數(shù)經(jīng)歷了緩升-急升的變化,轉(zhuǎn)折點(diǎn)在20世紀(jì)80年代中后期。但對(duì)櫻花花期長(zhǎng)度的預(yù)報(bào)等,并未展開詳細(xì)研究。

本文在此研究基礎(chǔ)上,新累計(jì)了2009至2018年的花期資料,對(duì)武漢大學(xué)櫻花花期長(zhǎng)度的預(yù)報(bào)方法開展研究,建立花期長(zhǎng)度預(yù)報(bào)方程,為后期順利開展花期長(zhǎng)度預(yù)報(bào)工作打下基礎(chǔ)。另外,通過對(duì)櫻花花期長(zhǎng)度的預(yù)報(bào),可為公眾合理安排出游時(shí)間提供指導(dǎo),也方便旅游部門和校方更高效的開展管理工作。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 資料

本文使用1979—2018年共40年武漢大學(xué)櫻園日本櫻花樹始花期和落花期的觀測(cè)資料。該校的櫻花以日本櫻花(即小日櫻花)為主,另有早櫻花、垂枝櫻花、晚櫻花等6種,觀測(cè)固定于日本櫻花(即小日櫻花,拉丁學(xué)名Prunus serrulata)。從武漢大學(xué)老齋舍(現(xiàn)櫻園)1939年栽植的28棵日本櫻花樹開始,1957、1985年曾補(bǔ)栽一部分,20世紀(jì)90年代后不斷進(jìn)行過補(bǔ)充、更新。

始花期標(biāo)準(zhǔn)為每株樹有3—5朵花開放,落花期標(biāo)準(zhǔn)為每株樹花落70%—80%。氣象資料為武漢市國(guó)家基準(zhǔn)站(東經(jīng)114°3′北緯30°36′,海拔高度23.6m)同期觀測(cè)的氣溫、日照時(shí)數(shù)等日值資料。

1.2 方法

將始花期和落花期轉(zhuǎn)換為日序數(shù)(day of the year, DOY),從而得到40年完整始花期和落花期日序數(shù),及逐年櫻花花期長(zhǎng)度。其中前37年用于建立預(yù)報(bào)模型,后3年資料用于預(yù)測(cè)效果的獨(dú)立樣本檢驗(yàn)。

本文首先計(jì)算花期長(zhǎng)度與始花期時(shí)間、開花期間平均(最高、最低)氣溫、溫度日較差、平均風(fēng)速、降水量及日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù),選取合適的預(yù)報(bào)因子,然后運(yùn)用單因子擬合、多因子回歸分析及主成分分析三種方法,用1979—2015年共37年資料建立櫻花花期預(yù)報(bào)方程,2016—2018年3年資料用于預(yù)測(cè)效果的獨(dú)立樣本檢驗(yàn)。

2 武漢大學(xué)櫻花花期變化特征

2.1 始花期和落花期的基本特征與變化趨勢(shì)分析

40a平均結(jié)果表明,武漢大學(xué)日本櫻花平均始花期的日序數(shù)是73.4,對(duì)應(yīng)日期是平年的3月14—15日,閏年的3月13—14日。其中開花最早為2月26日(2004年),最晚為3月31日(1980年)。此外3月5日前開花的還有3月2日(1989年、2007年)和3月3日(2016年)。

平均落花期的日序數(shù)是90.4,對(duì)應(yīng)日期是平年的3月31日—4月1日,閏年的3月30—31日。其中落花最早為3月17日(2004年),最晚為4月16日(1996年)。此外4月10日后落花的還有4月15日(1980年)和4月10日(1998年、1999年)。

圖1為1979年至2018年期間始花期和落花期日序數(shù)逐年變化,可以發(fā)現(xiàn),武漢大學(xué)日本櫻花的始花期和落花期日序數(shù)在1979年至2018年間呈提前趨勢(shì),但變化的趨勢(shì)不太明顯,且變率較大。

圖1 武漢大學(xué)櫻花始花期和落花期日序數(shù)逐年變化與線性擬合圖(1979—2018)

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告明確指出[28-29]：1998—2012年以來,全球地表溫度的線性增暖趨勢(shì)較之前的30—60年顯著減緩,說明氣候變暖自20世紀(jì)90年代中后期以來進(jìn)入了一個(gè)停滯期。因此我們以90年代中期的1995年為界限,分段進(jìn)行趨勢(shì)分析,以了解全球氣候變暖與櫻花花期長(zhǎng)度間是否存在相同規(guī)律。

始花期和落花期每10a基本特征見表1,可見平均始花期在20世紀(jì)90年代較80年代提前了5—6d,平均落花期提前了約1d左右。始花期和落花期的趨勢(shì)檢驗(yàn)見表2,可看出始花期在1979—1995年間提前趨勢(shì)較明顯,而進(jìn)入20世紀(jì)90年代末后,落花期略有提前,但趨勢(shì)不顯著,始花期的變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定,這與表1結(jié)果基本一致。均方差大小可以表示始花期和落花期的穩(wěn)定性程度,從表1結(jié)果可知,從20世紀(jì)90年代末開始至今,始花期變率較大,多數(shù)年始花期與平均日期可相差6—8d,落花期的變率較始花期略小,但與平均日期也相差5—6d。

表1 武漢大學(xué)櫻花始花期與落花期基本特征的逐年代差異與變化(1979—2018年)

表2 武漢大學(xué)櫻花始花期與落花期趨勢(shì)變化檢驗(yàn)(1979—2018年)

研究結(jié)果表明,櫻花始花期和落花期的停滯期與全球氣候變暖的停滯期高度吻合,說明全球氣候變暖對(duì)櫻花花期有較明顯的影響。

2.2 花期長(zhǎng)度的基本特征與變化趨勢(shì)分析

40a平均結(jié)果表明,武漢大學(xué)日本櫻花的平均花期長(zhǎng)度為18d。最短是9d(1984年),此外花期長(zhǎng)度不足12d還有10d(2012年)和11d(1990年、2005年、2014年)。最長(zhǎng)是36d(1996年),此外花期長(zhǎng)度超過25d的還有31d(1998年)和26d(1987年、1999年、2007年)。

圖2為1979—2018年花期長(zhǎng)度逐年變化與線性擬合結(jié)果。40a間,花期天數(shù)變率很大,但整體無明顯的增多或減少趨勢(shì)。

圖2 武漢大學(xué)櫻花花期長(zhǎng)度逐年變化與線性擬合圖(1979—2018)

花期長(zhǎng)度每10a基本特征見表3,可見平均花期在20世紀(jì)80年代末至90年代有明顯的增加,相比較其他年代,平均花期增長(zhǎng)了3—5d。

表3 武漢大學(xué)櫻花花期長(zhǎng)度基本特征的逐年代差異與變化(1979—2018年)

均方差大小可以表示花期的穩(wěn)定性程度,轉(zhuǎn)折點(diǎn)同樣出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代末至90年代,此10年間多數(shù)年花期與平均花期相差7—8d,最早與最晚也相差了25d,這10年間武漢大學(xué)櫻花的花期長(zhǎng)度是十分不穩(wěn)定的。近20a里,花期天數(shù)的均方差呈明顯下降的趨勢(shì),其中近10年均方差僅3.7d,即多數(shù)年與平均花期相差3—4d,說明近10年武漢大學(xué)櫻花每年的花期長(zhǎng)度還是較穩(wěn)定的。

3 武漢大學(xué)櫻花花期長(zhǎng)度預(yù)報(bào)因子選取

為了建立櫻花花期長(zhǎng)度預(yù)報(bào)方程,對(duì)櫻花花期長(zhǎng)度與始花期日序數(shù)、氣溫(最高最低氣溫、溫度日較差)、風(fēng)速、降水量、日照時(shí)數(shù)等氣象要素的相關(guān)性進(jìn)行了分析,找出關(guān)鍵影響因子。

櫻花花期長(zhǎng)度與始花期日序數(shù)呈負(fù)相關(guān),即開花時(shí)間越早,花期越長(zhǎng)；與開花期間平均氣溫、開花期間最高平均氣溫、最低平均氣溫和溫度日較差平均值呈負(fù)相關(guān),說明在開花期內(nèi),平均氣溫和平均最高氣溫值越高,平均溫度日較差值越大,花期越短；開花期內(nèi)平均最低氣溫值越低,花期則越長(zhǎng),即在櫻花開花期間,高溫有縮短花期的效果,而低溫的“保鮮”效果則有利于延長(zhǎng)花期。花期長(zhǎng)度與開花期內(nèi)降水總量呈正相關(guān),說明降水越多,花期越長(zhǎng)。與開花期內(nèi)平均極大風(fēng)速值、平均降水量和日照時(shí)數(shù)等無明顯相關(guān)性。

表4 武漢大學(xué)櫻花花期長(zhǎng)度與各氣象要素相關(guān)系數(shù)(1979—2018)

4 櫻花花期長(zhǎng)度預(yù)報(bào)方程的建立及結(jié)果分析

4.1 擬合分析

4.1.1單因子擬合

為了分析各不同氣象要素對(duì)櫻花花期長(zhǎng)度的影響,分別以1979—2015年共37年的始花期日序數(shù)(X1)、總降水量(X2)、開花期間平均氣溫(X3)、開花期間最高氣溫平均值(X4)、開花期間最低氣溫平均值(X5)和開花期間溫度日較差平均值(X6)為預(yù)報(bào)因子,建立了6個(gè)櫻花花期長(zhǎng)度單因子擬合方程,結(jié)果如下：

Y=50.453-0.439X1(R2=0.296,sig<0.001)

(1)

Y=13.8+0.066X2(R2=0.28,sig<0.001)

(2)

Y=30.105-0.956X3(R2=0.177,sig<0.001)

(3)

Y=32.649-0.845X4(R2=0.209,sig<0.001)

(4)

Y=26.821-0.978X5(R2=0.13,sig<0.001)

(5)

Y=28.77-1.299X6(R2=0.148,sig<0.001)

(6)

以2016—2018年的X1-X6為預(yù)報(bào)因子預(yù)報(bào)櫻花花期長(zhǎng)度,并與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果對(duì)比(表5)。

表5 武漢大學(xué)櫻花花期長(zhǎng)度預(yù)報(bào)與檢驗(yàn)(2016—2018)

4.1.2綜合考慮氣溫為預(yù)報(bào)因子

綜合考慮溫度對(duì)櫻花花期長(zhǎng)度的影響,利用上述四個(gè)溫度相關(guān)的因子X3-X6建立了多因子花期長(zhǎng)度預(yù)報(bào)方程：

Y=33.128+0.121X3+64.196X4-65.026X5-65.305X6(R2=0.21,sig<0.001)

(7)

2016—2018年溫度值預(yù)報(bào)櫻花花期長(zhǎng)度,并與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果對(duì)比(表6)。

表6 武漢大學(xué)櫻花花期長(zhǎng)度預(yù)報(bào)與檢驗(yàn)(綜合考慮氣溫為預(yù)報(bào)因子)(2016—2018)

圖3 始花期日序數(shù)(X1)、降水量(X2)、溫度(X3-X6)與花期長(zhǎng)度的離散圖

4.2 多因子回歸分析

綜合考慮始花期日序數(shù)(X1)、降水量(X2)、溫度(X3-X6)等因素的影響,建立多因子花期長(zhǎng)度預(yù)報(bào)方程：

Y=42.932-0.295X1+0.042X2+0.532X3-74.774X4+73.94X5+74.183X6(R2=0.455,sig<0.001)

(8)

用2016—2018年觀測(cè)值預(yù)報(bào)櫻花花期長(zhǎng)度,并與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果對(duì)比(表7)。

4.3 主成分分析

在進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析時(shí),有可能由于各氣象要素之間的多重共線性引起較大誤差,因此考慮使用主成分分析方法來減少變量個(gè)數(shù),同時(shí)消除多重共線性。主成分分析是對(duì)變量共性的一種提取,用降維分析技術(shù)來解釋原變量的協(xié)方差結(jié)構(gòu)。因此選用了主成分分析的方法來進(jìn)行預(yù)報(bào)模型的建立,與線性模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以達(dá)到更準(zhǔn)確預(yù)報(bào)櫻花花期長(zhǎng)度的目的。主成分分析結(jié)果中成分1和成分2的特征值大于1,合計(jì)能解釋77.215%的方差,所以提取了成分1和2作為主成分。

將1979—2015年始花期日序數(shù)(X1)、降水量(X2)、溫度(X3-X6)6個(gè)因子進(jìn)行主成分回歸,建立了預(yù)報(bào)方程。

Y=23.141-0.058X1+0.062X2-0.106X3-0.108X4-0.095X5-0.08X6(R2=0.37,sig<0.001)

(9)

用2016—2018年觀測(cè)值預(yù)報(bào)櫻花花期長(zhǎng)度,并與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果對(duì)比(表8)。

表8 武漢大學(xué)櫻花花期長(zhǎng)度預(yù)報(bào)與檢驗(yàn)(主成分分析)(2016—2018)

由上述結(jié)果可知,3種模型均可對(duì)櫻花花期長(zhǎng)度進(jìn)行有效預(yù)報(bào),綜合比較上述各模型預(yù)報(bào)結(jié)果,除始花期單因子擬合模型外,各模型預(yù)報(bào)的平均絕對(duì)誤差都在3d以內(nèi),整體預(yù)報(bào)效果較好。

所有模型中,預(yù)報(bào)效果最好的為主成分回歸模型、降水單因子擬合模型和多因子櫻花花期長(zhǎng)度回歸模型,三者的平均絕對(duì)誤差為1.49、1.5和1.56,說明上述3種模型對(duì)櫻花花期長(zhǎng)度有較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)效果。

5 討論

本文研究了武漢大學(xué)日本櫻花始花期和落花期及花期長(zhǎng)度的變化規(guī)律,并分析了各氣象要素與花期長(zhǎng)度之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)花期長(zhǎng)度與始花期、溫度和降水都有一定的關(guān)系,其中溫度是對(duì)花期長(zhǎng)度影響最大的非生物因素。櫻花花期長(zhǎng)度與始花期日序數(shù)呈負(fù)相關(guān),即開花時(shí)間越早,花期長(zhǎng)度越長(zhǎng)。這是由于在大多數(shù)情況下,在同樣升溫的情形下,始花期比落花期提前更多,從而使得花期長(zhǎng)度更長(zhǎng)。造成這一現(xiàn)象的原因是更早的物候期比晚的物候期對(duì)溫度變化的響應(yīng)更敏感[30-33]。而各溫度因子皆與花期長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān),說明開花期內(nèi),平均氣溫和平均最高氣溫值越高,平均溫度日較差值越大,花期越短；開花期內(nèi)平均最低氣溫值越低,花期則越長(zhǎng)。即在櫻花開花期間,高溫有縮短花期的效果,而低溫的“保鮮”效果則有利于延長(zhǎng)花期。除溫度外,降水也對(duì)花期長(zhǎng)度有顯著影響,兩者呈正相關(guān),說明花期內(nèi)降水越多,花期越長(zhǎng),這可能也是由于降水導(dǎo)致的降溫對(duì)花期有一定的延長(zhǎng)效果。其實(shí)在花期內(nèi),當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)、強(qiáng)降水、降雪等惡劣天氣時(shí),會(huì)加大植物維持花朵開放的成本,從而使植物減少花的壽命或者花期持續(xù)的時(shí)間[34]。

氣候變化也對(duì)櫻花花期有直接影響,IPCC第五次評(píng)估報(bào)告明確指出[28-29],氣候變暖自20世紀(jì)90年代中后期以來進(jìn)入了一個(gè)停滯期。而分析結(jié)果表明,櫻花始花期和落花期的停滯期與全球氣候變暖的停滯期高度吻合,說明全球氣候變暖對(duì)櫻花花期有較明顯的影響。

總體來說,由于櫻花始花期和花期長(zhǎng)度受氣象因素影響較大,且影響較復(fù)雜,在花期不同階段會(huì)有不同影響,因此,還需要通過深入分析開花期間惡劣天氣條件的影響,提高模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

開展櫻花花期長(zhǎng)度的預(yù)報(bào)工作,對(duì)旅游部門合理籌備安排櫻花節(jié)、游客合理安排觀賞時(shí)間都具有較大參考價(jià)值,后期會(huì)將預(yù)報(bào)模型運(yùn)用到實(shí)際旅游氣象服務(wù)工作中,更好的開展旅游氣象服務(wù)工作。

6 結(jié)論

本文根據(jù)1979—2018年連續(xù)40年對(duì)武漢大學(xué)櫻園日本櫻花始花期和落花期的記錄資料及同期氣象資料,對(duì)櫻花花期變化規(guī)律及各氣象要素與花期長(zhǎng)度的關(guān)系進(jìn)行了分析,建立了櫻花花期長(zhǎng)度預(yù)報(bào)模型。主要結(jié)論有：

(1)武漢大學(xué)日本櫻花的始花期與落花期在20世紀(jì)80—90年代期間有明顯的提前,從20世紀(jì)90年代末開始至今,始花期與落花期變化趨勢(shì)不明顯,與全球氣候變化停滯期相吻合。但變率較大,多數(shù)年始花期與平均日期可相差6—8d,落花期的變率較始花期略小,但于平均日期也相差5—6d。40年間花期長(zhǎng)度變率很大,整體無明顯的增多或減少的趨勢(shì)。

(2)武漢大學(xué)日本櫻花的平均始花期為3月14—15日(閏年3月13—14日),落花期為3月31日—4月1日(閏年3月30—31日),平均花期長(zhǎng)度為18d。

(3)通過分析櫻花花期長(zhǎng)度與各氣象要素和始花期的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)花期長(zhǎng)度與當(dāng)年始花期日序數(shù)呈負(fù)相關(guān),與開花期間平均氣溫、開花期間最高平均氣溫、最低平均氣溫和溫度日較差平均值呈負(fù)相關(guān),與開花期間總降水量呈正相關(guān)。與開花期內(nèi)平均極大風(fēng)速值、平均降水量和日照時(shí)數(shù)等無明顯相關(guān)性。

(4)利用1979—2015年共37年觀測(cè)資料,建立了單因子擬合、多因子回歸分析和主成分分析模型,對(duì)武漢大學(xué)櫻花花期長(zhǎng)度進(jìn)行了預(yù)報(bào),用2016—2018年3年資料用于預(yù)測(cè)效果的獨(dú)立樣本檢驗(yàn)。通過對(duì)模型的檢驗(yàn),取得了較好的試驗(yàn)效果,具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值。其中主成分回歸模型、降水單因子擬合模型和多因子櫻花花期長(zhǎng)度回歸模型預(yù)報(bào)效果最好,平均絕對(duì)誤差在1.5d左右。