灞橋櫻桃始花期預測模型研究及應用

劉延莉，張宏利，王一格，雷宇

（西安市灞橋區氣象局，西安 710038）

西安市灞橋區作為中國西北地區最大的櫻桃產業基地，目前種植面積達3 133 hm2，特別是白鹿原東的塬上塬下已成連片規模種植，有萬畝櫻桃谷之稱［1］。每年櫻桃花盛開時的景色頗有名氣，常有游人如織之場景。但每年櫻桃花開早晚、時長參差不齊，花期的不確定性一直困擾著旅游管理者及游客。花期預報有利于櫻桃種植戶應用天氣預報及相應技術使櫻桃花遲開或早開，從而避開災害性天氣；有利于種植戶提前采取花期病蟲害防治、人工輔助或蜜蜂授粉及雜交育種等措施，從而提高櫻桃坐果率和品質［2-4］。許多關于樹木物候期與氣候條件相關關系的研究表明，在北半球中高緯度地區影響樹木物候期的諸多環境要素（氣溫、降水、光照等）中，氣溫的作用最大［5，6］。Bradley等［7］對美國威斯康辛州不同樹木物候期統計分析后得出，受近幾十年氣候變暖影響，多種樹木始花期有所提前；陳匯林等［8］應用費歇爾準則組建了荔枝花芽分化期預測模型；李美榮［9］、劉紅等［10］分別利用數理統計新方法建立了陜西洛川塬區和安塞山地蘋果始花期預測模型；張倩等［11］、王存真等［12］、郭連云等［13］分別通過統計模型預報庫爾勒香梨盛花期、桂林桂花始花期和貴德縣梨樹始花期，研究表明用統計學方法對樹木開花期進行預測預報是可行的。目前其他樹木的花期預報研究較多，但就櫻桃樹花期的研究較少。姜玉蓮［14］利用回歸分析法建立模型，預報大櫻桃的花期；尹文昱等［2］通過統計模式進行大連地區大櫻桃始花期預報，未見西安灞橋櫻桃花期預報研究方面的動態與信息。本研究利用灞橋櫻桃、臨潼桃樹物候觀測資料和周邊國家站、區域站氣象資料，應用相關分析法找出始花期的氣象影響指標，采用偏最小二乘回歸分析方法，建立西安灞橋櫻桃始花期預測模型，以實現櫻桃花期有效預報及科學應用。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料處理

1.1.1 資料來源

1）花期資料。使用2013—2020年西安市灞橋區席王街道辦事處毛西管區櫻桃始花期記錄資料，該地為灞橋櫻桃谷中心地帶，海拔高度510 m；使用2004—2020年西安市臨潼區秦陵街道辦事處磚房村桃樹始花期物候期觀測資料，該地為城鄉結合部的桃花園，海拔高度425 m。兩地相距20 km。

2）氣象資料。使用2004—2020年西安市藍田縣國家一般氣象站多要素氣象資料；使用西安市藍田縣華胥鎮自動氣象站氣溫、降水量氣象資料。兩地與灞橋區毛西管區櫻桃園直線距離分別為15、12 km，三地的海拔高度接近。

3）網格預報資料。網格預報資料源自國家氣象中心的網格預報服務平臺，最長預報時效為240 h，有氣溫、降水量等要素預報。經過當地氣象臺解釋應用后，完全能滿足灞橋櫻桃始花期預測模型中所需預報資料的要求。

1.1.2 資料處理方法始花期日序數：將1月1日日序數確定為1，開花日期轉化為日序數［15］，如始花期為2020年3月21日的日序數為81。同理，≥界限溫度（0、3、5、10℃等）初日的日序數計算也用此方法。

櫻桃始花期數據序列：通過已有的灞橋櫻桃始花期與臨潼桃樹始花期資料，建立多項式回歸關系，延長櫻桃始花期的年份日序數，得出新的櫻桃始花期年份日序數序列。在確定櫻桃始花期數據序列時，使用實地櫻桃種植戶調查資料，對部分統計數據進行了訂正。2004—2018年數據用于建立預測模型，2019—2020年數據不參與建模，用于預測模型檢驗。

1.2 預報模型與檢驗方法

采用偏最小二乘回歸分析方法建立灞橋櫻桃始花期預測模型［16-18］。偏最小二乘回歸是一種較新型的多元因子數據統計分析方法，可以較好地解決自變量之間的多重相關性問題。模型檢驗時使用回代和預留年份比較法［19］。

2 結果與分析

2.1 櫻桃始花期變化特征分析

從數據資料來看，灞橋櫻桃始花期一般在3月25日，不同年份差異較大，最早的年份在3月20日（2014年）進入始花期，最晚的年份在4月4日（2011年）才進入始花期，二者相差15 d。2004—2020年灞橋櫻桃始花期日序數見圖1，由圖1可知，近17年灞橋櫻桃始花期變化有偏后的拋物線趨勢，有明顯的提早現象。偏度值和峰度值的計算表明，灞橋櫻桃始花期數據序列服從正態分布，故采取三分位法確定始花期偏早偏晚的指標值，得到2004—2020年始花期遲早年型（表1）。從表1可以看出，花期偏晚及正常年份規律不明顯，而花期偏早年份明顯偏多且多出現在近年。

圖1 2004—2020年灞橋櫻桃始花期日序數

表1 灞橋櫻桃始花期遲早年型分布

2.2 櫻桃始花期預測模型的因子選擇

溫度、光照和水分是果樹重要的生存因子［20］。大田櫻桃是喜溫果樹，氣象因素中以溫度條件影響最大，各個生育期對溫度有不同要求［21］。大田櫻桃要求年均氣溫7~14℃，當日均氣溫10℃左右時，花芽開始萌動，日均氣溫15℃左右開始開花［22］。因此，在選取30多個氣象因子時，主要側重于選取不同時段平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫及各界限溫度（0、3、5、10℃等）［23］初日等因子。運用相關分析法分析灞橋櫻桃始花期與所選氣象因素之間的相關性，選取相關性較高的氣象因子。

1）冬季氣溫。通過對2004—2018年灞橋櫻桃始花期與冬季（12月至翌年2月）平均氣溫進行相關分析，發現櫻桃始花期與冬季氣溫之間呈顯著的負相關關系（r=-0.493 8，P＜0.05。r為相關系數，P為達到檢驗顯著性水平的值，下同），即冬季氣溫越低，春季櫻桃始花期越晚。冬季氣溫異常可用冷冬或暖冬表示，因此，進一步依據國家標準［24，25］，得到冷冬年和暖冬年，通過分析冬季冷、暖年可以對春季櫻桃始花期早晚進行定性預報，暖冬年櫻桃始花期為正常或偏早，冷冬年櫻桃始花期為正常或偏晚。

2）≥5℃初日。界限溫度是標志某些重要物候現象或農事活動開始終止的溫度，其中≥5℃初日預示著早春作物播種、喜溫作物以及多數樹木開始生長［26］。灞橋櫻桃≥5℃初日年變化幅度較大，5 d平均氣溫達到5℃，櫻桃花芽開始發育，其初日出現的早晚反映了初春的熱量條件，影響櫻桃開花的早晚。灞橋櫻桃環境條件統計顯示，≥5℃初日平均為3月6日，最早出現在2013年2月21日，最晚出現在2006年3月16日。相關分析表明，灞橋櫻桃始花期與≥5℃初日日序數之間為顯著的正相關關系（r=0.544 4，P＜0.05），即≥5℃初日早或晚直接影響花期的早或晚。

3）春季氣溫。春季大氣和地面溫度回升，當達到櫻桃花開的溫度條件時櫻桃花開放。若此時遭遇倒春寒天氣，會對櫻桃花芽造成傷害。日均溫＜12℃會影響櫻桃開花授粉，日極端最低溫＜0℃時，櫻桃花柱頭會有凍害發生［21］。對灞橋櫻桃始花期與2—3月不同時段平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫進行相關分析，得到櫻桃始花期與春季氣溫（以3月上中旬平均氣溫為代表）存在較顯著的負相關關系（r=-0.489 8，P＜0.05），即春季氣溫偏高、偏低時，櫻桃花期偏早、偏晚。

2.3 模型的建立與檢驗

2.3.1 模型構建應用灞橋櫻桃2004—2018年始花期和冬季氣溫（12月至翌年2月平均氣溫）、≥5℃初日日序數和春季氣溫（3月上中旬平均氣溫）統計資料，采用偏最小二乘回歸分析方法，建立灞橋櫻桃始花期預測模型。

式中，Y為櫻桃始花期，X1為冬季氣溫（12月至翌年2月平均氣溫），X2為≥5℃初日日序數，X3為春季氣溫（3月上中旬平均氣溫）。

在上述模型中，統計量F=4.76，當顯著性水平α=0.05時，F0.05（3，11）=3.59，F>F0.05，因此認為，模型在α=0.05水平上具有顯著性［27］，建模可行。

2.3.2 回代檢驗用灞橋櫻桃始花期日序數的觀測和擬合序列值繪制效果圖（圖2），由圖2可以看出，所有點都能在圖的趨勢線附近均勻分布，模型的觀測值與擬合值差異較小，呈現較好的擬合效果。

圖2 灞橋櫻桃始花期預測效果

2.3.3 模型檢驗對2019、2020年灞橋櫻桃始花期進行檢驗，結果見表2。由表2可知，模型基本預測出當年灞橋櫻桃始花期的出現時間，預報誤差在3 d之內。

表2 灞橋2019、2020年櫻桃始花期預測結果

3 小結與討論

通過創建灞橋櫻桃物候觀測及周圍環境氣象數據庫，對灞橋櫻桃始花期進行系統分析、預測建模及檢驗，得出以下結論。

1）采用已有的灞橋櫻桃始花期與臨潼桃花始花期資料，建立多項式回歸關系，延長櫻桃始花期的年份日序數，得出新的櫻桃始花期年份日序數序列，分析顯示，2004—2020年灞橋櫻桃始花期變化有偏后的拋物線趨勢，為明顯的提早現象。

2）選取諸多灞橋櫻桃周圍環境氣象因子，利用相關分析法，分析灞橋櫻桃始花期與所選氣象因素之間的相關性，篩選出冬季氣溫、≥5℃初日、春季氣溫3個氣象因子。結果表明，冬季氣溫、春季氣溫與灞橋櫻桃始花期呈較大的負相關關系，即氣溫偏高、偏低時，花期偏早、偏晚；≥5℃初日與灞橋櫻桃始花期呈較大的正相關關系，≥5℃初日偏早、偏晚時，花期偏早、偏晚。

3）應用偏最小二乘回歸分析方法建立灞橋櫻桃始花期預測模型，通過回代及預測檢驗，誤差在3 d以內，預測效果較為理想。此模型應用灞橋櫻桃前期的氣象因子資料，結合后期的網格預報資料，可以較好地預測灞橋櫻桃始花期，其實用性、簡捷性較強。

本研究所用資料年代僅有較短的17年，雖然所用氣象資料站址離櫻桃物候觀測地很近，但仍有距離，故分析及結論還有待進一步驗證。