納雍珙桐始花期與氣候因子的相關性及預報模型

鄭 園，謝 明，成春麗，趙庭飛，周 庶，劉興平

(1.貴州省納雍縣氣象局，貴州 納雍 553300；2.貴州省畢節市氣象局，貴州 畢節 551700；3.貴州省織金縣氣象局，貴州 織金 552100；4.貴州納雍珙桐省級自然保護區管理局，貴州 納雍 553300)

珙桐是我國特有的第三紀孑遺植物，又名鴿子花樹，是一種落葉喬木，樹高可超過20 m，1999年被列為國家一級重點保護野生植物，有植物中的大熊貓之稱。作為我國獨有、世界著名的珍稀名貴觀賞植物，珙桐分布區氣候要求涼爽濕潤，年平均氣溫8.9～15℃，年降水量600～2 600 mm，>10℃的活動積溫2 897.0～5 153.3℃。其一般生長在海拔1 500～2 200 m潤濕的常綠闊葉與落葉闊葉混交林中，在我國主要生長在云貴川和湖北等地。根據貴州省林業科學研究院初步考察的結果顯示，納雍縣境內自然分布有大量光葉珙桐，其面積達7 120 hm2，近100萬株，集中區平均1 hm2有50株左右，樹齡長者超過100 a，是目前世界上光葉珙桐自然分布面積最大、資源儲量最豐富的地區，在國內尚屬罕見。因此，2013年納雍縣被中國野生植物保護協會授予中國珙桐之鄉稱號。

目前，對于珙桐的研究主要集中在種群結構與數量動態、分子生物學、環境對生理生化的影響以及栽培繁殖等方面。羅世家[1]研究珙桐的遺傳多樣性與保護生物學；宋從文等[2]利用RAPD標記研究天然珙桐群體的遺傳多樣性；馬宇飛等[3]研究了湖北七姊妹山珙桐的種群結構。已有研究均未涉及珙桐花花期的預報。

準確預測植物的花期具有重要作用，目前已有不少學者對此做出了大量研究。張玲等[4]利用氣象因子預測牡丹花花期。郭連云等[5]研究表明，影響梨樹始花期的主要因子是至3月底氣溫穩定通過5℃的積溫值。張秀英等[6]研究發現，桃花始花期與花前2～3旬的平均旬積溫和平均最高旬積溫關系非常密切。萬漢蕓等[7]研究指出，百里杜鵑杜鵑花開花前期平均溫度越高日序數越小，則花期提前。車少靜等[8-9]分別對迎春花和銀杏花的花期進行預測研究。已有的研究均認為，溫度和日照對植物的花期影響較大，降水等因子影響略小；由此也發現，大多數學者對于花期的預報研究僅局限于氣象因子與花期的關系，再利用回歸分析或最小二乘法等方法建立花期預報模型，該預報模型對于花期預報的提前時間很短，且不能進行滾動預報，實時更新。

月動力延伸期預測模式業務系統DERF 2.0在中國主要應用于氣溫和降水的預測，其對氣溫的預測性能較降水好，該系統提供的大氣初始場采用NCEP一日4次的再分析資料，包括月平均資料和周平均資料，在資料能夠獲取的情況下使用最近的周平均資料。第二代月動力延伸預測模式業務系統DERF 2.0從模式結果、分辨率等方面均可以應用于實際預測業務。王文青等[10]利用DERF 2.0建立山東省延伸期天氣預報業務系統，成功提前滾動預報全國第十一屆運動會(濟南)開幕式天氣。何慧根等[11]研究指出，DERF 2.0模式對中國氣溫的總體預測效果較好，可明顯提升對氣溫的預測性能。

鑒于此，利用2012—2016年納雍縣珙桐始花期物候觀測資料和納雍國家一般站地面氣象資料，采用相關性分析法與月動力延伸預測模式業務系統(DERF 2.0)相結合，研究珙桐始花期與氣溫、降水和日照等氣象因子的相關性，并建立珙桐始花期預報模型，以期為納雍縣珙桐自然保護區始花期準確預報及其在旅游推介工作上的應用提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

2012—2016年連續5 a珙桐始花期的物候觀測資料，以及相應花期時段的氣溫、積溫、日照時數和降水量等氣象因子，資料來源于納雍縣林業局和納雍縣國家一般氣象站。

1.2 研究方法

1.2.1 珙桐始花期與氣象因子的相關性 利用2012—2016年連續5 a的珙桐始花期的物候觀測資料，先將始花期日期均轉換成距3月1日的實際日數[12]，再分析珙桐始花期日期序列與2012—2016年1—5月逐日氣溫穩定通過12～17℃的日期序列、珙桐始花期與≥5℃積溫及初、終日和≥10℃積溫及初終日、日照時數、降水量的相關性，以確定影響始花期最關鍵的氣象因子。

1.2.2 模型建立與檢驗 將分析得出的5日滑動平均氣溫穩定通過15℃和16℃作為預報指標，采用DERF 2.0結合延伸期預報結論建立珙桐花始花期的預報模型，再對模型的預報分別做相關性分析之后確定主要預報指標。該研究分析珙桐始花期與氣象因子的相關性發現，珙桐始花期關鍵影響因子為氣溫，在氣候延伸期預報結論的基礎上結合該預報因子，建立珙桐始花期預報模型，即從氣候延伸期溫度預報產品圖中讀取每5 d滾動制作未來40 d的逐10 d的氣溫數據為延伸期溫度距平值；歷年平均氣溫由統計而得，將溫度距平值與歷史同期平均值相加即可得出所需要的延伸期溫度預報值。國家氣候中心氣候延伸期預測產品中預測起始日期為2014年，由其提供的每5 d滾動制作未來40 d的逐10 d的氣溫和降水延伸期氣候預測圖，為建立珙桐始花期預報模型提供極好的定量化預報依據。對模型的逐10 d氣溫預報準確率進行檢驗，檢驗標準誤差±2℃為正確。由于氣候延伸期溫度預報產品提供的是10 d的平均溫度預報結果，珙桐花預報需要的是5 d平均溫度。為此，采用相似替代法，找出4月上旬分別與之對應的第1至第6個滑動5 d平均溫度，將其替代逐10 d平均溫度。最后進行珙桐始花期預報模型檢驗。

2 結果與分析

2.1 珙桐始花期與氣象因子的相關性

2.1.1 氣溫 從表1可見，雖然珙桐始花期與滑動6～10日平均氣溫穩定通過12～14℃的相關性大多通過顯著性檢驗，但相關性較小；而平均氣溫穩定通過16～17℃的相關性雖然理想，但是大多未能通過顯著性檢驗。其中，滑動5日平均氣溫與穩定通過15℃的相關系數為-0.513，與穩定通過16℃的相關系數為-0.952，且二者均通過顯著性檢驗(α=0.05)。

表1 珙桐始花期日期與氣溫滑動平均的相關性Table 1 Correlation between early flowering period of D.involucrate and temperature moving average

注：*表示通過顯著性檢驗(α=0.05)，下同。
Note: * indicates significance of difference atP<0.05 level.The same below.

2.1.2 臨界溫度及其初終日和積溫 珙桐始花期與≥5℃積溫的相關系數為0.774，與≥10℃積溫的相關系數為0.938，均通過顯著性檢驗(α=0.05)，表明，與≥10℃積溫呈顯著正相關且相關性較好。與≥5℃積溫初日的相關系數為0.698，與≥10℃積溫初日的相關系數為0.931，均未通過顯著性檢驗(α=0.05)，表明，與≥10℃積溫初日呈正相關關系但不顯著。與≥5℃積溫終日的相關系數為0.730，與≥10℃積溫終日的相關系數為-0.757，均通過顯著性檢驗(α=0.05)，表明，與≥10℃積溫終日呈顯著負相關且相關性較好。

2.1.3 日照時數和降水量 由表2可見，珙桐始花期與4月初至始花期時的日照時數相關系數為0.923，呈正相關但不顯著(α=0.05)；與2月和3月日照時數的相關系數分別為0.225和0.534，均呈顯著正相關(α=0.05)。珙桐始花期與1—4月降水量的相關系數分別為0.039、0.222、-0.28和0.328，其中，與1月、2月和4月的降水量呈顯著正相關(α=0.05)，與3月降水量呈負相關但不顯著。

表2 珙桐始花期日期與日照時數和降水量的相關性Table 2 Correlations between early flowering date of D.involucrate and sunshine duration, precipitation

綜上所述，日照時數和降水量與珙桐始花期的相關性較弱，影響較小，而與滑動5日平均氣溫穩定通過15℃及16℃呈顯著負相關，相對于與≥10℃積溫及積溫終日的相關性而言，氣溫與珙桐始花期的相關性最高，可以將其作為珙桐始花期的預報因子。

2.2 預報模型的建立與模型檢驗

2.2.1 DERF 2.0模型的預報準確率 由收集到的珙桐始花期物候期資料可知，珙桐始花期一般在3-5月，因此計算出其相應年份的DERF 2.0的氣溫預報準確率，從表3看出，2014—2016年3—5月氣溫預報的準確率均>50%，特別是在珙桐始花期預測最重要的4月，平均準確率為75.6%，為珙桐始花期預報提供了有力的氣候趨勢預測數據支撐。說明，國家氣候中心發布的延伸期預報產品具有很好的業務應用價值，為長期氣候趨勢預測從傳統的定性預報向定量預報轉變奠定了基礎。

表3 2014—2016年納雍縣延伸期氣溫預報的準確率Table 3 Precision rate of temperature forecast during the elongating period in Nayong County during 2014—2016 %

2.2.2 珙桐始花期預報模型檢驗 珙桐始花期模型中利用的是滑動5日平均氣溫穩定通過15℃時的溫度作為預報指標，但是由于DERF 2.0提供的數據為逐10 d的氣溫，因此對其進行數據轉換處理。從表4可見，經數據轉換后10 d平均氣溫接近第4個5 d平均氣溫，因此，可以采用10 d平均氣溫代替5 d平均氣溫，將始花期確定為10 d通過臨界指標第4個5 d的中間1天為珙桐花始花期。按此標準，得出2014—2017年珙桐花始花期在氣溫穩定通過15℃時分別為4月11日、4月16日、4月6日、4月16日，穩定通過16℃時為4月16日、4月21日、4月11日、4月21日。經相關性分析，珙桐始花期與氣溫穩定通過15℃和16℃預報值之間呈顯著正相關，其相關系數分別為0.958和0.672(α=0.05)。因此，選擇氣溫穩定通過15℃作為珙桐始花期的預報因子。考慮到始花期預報是使用10 d替代5 d資料，將始花期預報與實際時間在正負5日內都計為正確。由表5看出，氣溫穩定通過15℃的珙桐始花期預報最大誤差為4 d，最小誤差為1 d，平均誤差為3 d，準確率為100%；提前預報時間平均為40.8 d。氣溫穩定通過16℃的預報最大誤差為9d，最小誤差為4 d，誤差平均為7.5 d，準確率為25%；提前預報時間平均為28.5 d。從圖1可見，對穩定通過15℃和16℃始花期實際值與預報值進行擬合，氣溫穩定通過15℃預報值與實際值差異較小，說明，通過15℃的擬合比通過16℃的效果好。

表4 畢節市8個觀測站4月上旬的10 d平均氣溫與滑動5 d平均氣溫Table 4 10 d moving average temperature and 5 d moving average temperature recorded by 8 meteorological stations during the first ten-day period of April in Bijie City ℃

表5 2014—2017年氣溫穩定通過15℃和16℃時的珙桐始花期預報Table 5 Forecast of D.involucrate early flowering period when the daily temperature is steadily above 15℃ and 16℃ during 2014—2017

圖 1 氣溫穩定通過15℃和16℃珙桐始花期實際值與預報值的擬合曲線Fig.1 Fitted curves between actual value and forecast value of D.involucrate early flowering period when the daily temperature is steadily above 15℃ and 16℃

3 結論與討論

納雍縣珙桐始花期與5日滑動平均氣溫、降水和日照等氣象因子的相關性分析表明，珙桐始花期與氣溫的相關性較好，其中，選擇滑動5日平均氣溫穩定通過15℃作為花期預報指標最好。應用月動力延伸預測模式業務系統(DERF 2.0)預報產品建立珙桐始花期預報模型，模型最長可以提前30 d得出預報結論，且預報準確率為100%。對推動納雍珙桐自然保護區旅游業發展意義重大。

目前收集到的納雍珙桐始花期資料較短，還需收集更長時段的花期資料，對預報模型進行檢驗和優化，從而進一步提高珙桐始花期預報精確度，減少預報誤差。