如何推测每年樱花节开幕的日子?数学模型提供参考依据

北京晚报 2017/4/3

樱花何时开 科技早知道

“花期和气象条件有着密切的关系,尤其是和气温的关系最大。”北京市气象服务中心气象服务首席张爱英告诉记者,这里的气温并不是人们平时所理解的气温到多少摄氏度就开花了这么简单,而是与前期积温也称“累积温度”关系密切,当气温累积到一个阈值的时候,植物就开花了。

每年3月,北京市气象部门都会为玉渊潭公园预测樱花开花期,由此推测每年樱花节开幕的准确日子。张爱英说,这一预测是基于科学的数学模型,这种模型是植物对环境因子的响应机理而建立的可模拟植物生长发育的数学模型。为验证模型的准确性,她和同事们曾进行了实验,选取北京地区的三种代表性植物:玉渊潭的杭州早樱、密云农业气象试验站的白玉兰、颐和园的山桃,研究这三种植物的始花期和盛花期等物候观测资料与气象因素之间的关系。结果发现这一模型在北京地区这三种植物开花期预测中误差最低,适用性最高。其中在模拟杭州早樱的始花期方面精度高达93.5%。

从物候资料来看,杭州早樱的最早始花期3月14日,出现在2002年,最晚始花期为4月8日,出现在2010年。常年平均始花期为3月27日。因此至少提前10天进行预测才能收到较好的预测效果。

2014年张爱英和同事们从3月4日即开始预测试验,之后根据天气和气温预测的变化进行滚动预测,以进一步跟进修正预测结果。随着逐渐接近始花期,进一步滚动订正预测结果后得出结论:3月24到25日前后,积温将达到131.7℃,玉渊潭公园的杭州早樱将进入始花期。

预测结果出来了,与实际情况相比如何呢,事实上,2014年玉渊潭杭州早樱始花期为3月22日,但这是在玉渊潭公园管理部门为杭州早樱采取了保温措施的条件下造成的。若剔除人为影响因素,自然条件下杭州早樱的始花期要晚1至2天,即3月23至24日左右。因此,在不考虑人为影响因素的情况下,提前10天预测的结果(3月27日)和实况值的偏差为3至4天,而提前一周左右预测的结果(3月25日)和实况值的偏差为1至2天。

张爱英说,预测结果和实况存在偏差的关键原因是始花期前日平均气温的预报与实况值存在一定的偏差。气温预报的特点之一是预测的时效越短(预测日越接近始花期),日平均气温预测的准确率越高,所以提前一周预测的准确率要高于10天预测的准确率。如果剔除气温预报准确率的问题,预测的杭州早樱始花期在3月24日,和实况值基本吻合。

“因此在未来10天日平均气温准确预报的基础上,用这一模型可以较成功地预测玉渊潭公园杭州早樱的始花期,预测日期与实况值基本吻合。而提高临近10天日平均气温预报的准确率仍是我们要做的关键工作。”

从历史记录看,杭州早樱的始花期出现在3月14日到4月8日,而2014年的始花期在3月23日到24日,较常年的3月27日明显偏早,进一步分析发现,与2014年3月14日到3月24日气温快速上升,比常年同期明显偏高(偏高4至5℃)的结果是相符的。

北京市气象服务中心已连续多年向北京玉渊潭公园提供樱花开花期气象服务专报,随着气象预测水平的提升,基于科学模型基础上的杭州早樱始花期预测成功率也在不断提高,为樱花节的时间安排提供了科学的参考依据。张爱英说,今年他们又收到了玉渊潭公园发来的感谢信。

气温如何变 小花很敏感

众所周知,时节推移、气候变化一定会对动植物的生长产生影响,这就是“物候”,长期关注“物候学”的中科院地理研究所张福春研究员说,物候现象是温度、降水、日照、土壤等多种环境因子影响以及植物本身生理生态特性的综合反映。其中每个环境因子的波动都可对物候期的早迟带来影响。如春季树木开花现象,一般说花芽在前一年夏末秋初就已经形成,经历了上年夏末的高温,冬季的严寒、休眠和春季的回暖,才迎来发芽开花的日子。

著名气象学家竺可桢对物候就非常重视,从1950年起在长达二十多年的时间里对北海公园的冰融、山桃始花、紫丁香始花、柳飞絮、燕始见和布谷鸟始鸣等物候现象进行了系统观测。1962年以后,中科院地理所又在北京颐和园等地按竺可桢传下来的统一的观测方法进行了系统的物候观测,并持续至今。

根据当时的物候记录,1962年北京的山桃、杏花、苹果、榆叶梅、西府海棠、丁香、刺槐的花期比1961年迟十天左右,比1960年迟五六天。根据这些物候观测资料,可以判断北京地区1962年农业季节来得较晚。而那年春初种的花生等作物仍然是按照往年日期播种的,结果受到低温的损害。如果能注意到物候延迟,选择适宜的播种日期,这种损失就可能避免。

在前人的物候记录基础上,北京林业大学张学霞博士对北京春季物候与气候变化之间的关系进行了研究,她发现,北京春季物候现象具有顺序性、相关性、同步性的特点,因此可以用某一种春季物候指标的变化分布规律,她选择了与其他物候现象关系最为密切的山桃始花进行研究。结果发现,春季物候的早晚和春季气温相关:温度升高,物候期提前;气温降低,物候期推后。影响山桃始花物候期的主导气候因子是三月份的气温。进一步研究发现,在同等增、降温幅度情况下, 因降温而导致的物候期推迟幅度较因增温而导致物候期提前幅度小,也就是说,如果一段时间降温后只要气温回升明显,山桃开花的时间并不受太大影响。

根据已公布的近百年全球气候变暖的分析数据,未来50年全球变暖态势显著,假设未来北京以同样幅度增温,未来气候变暖对北京春季植物物候期的影响可以根据山桃始花物候期对温度的回归模型给出预测:未来平均气温每增高1℃,北京春季物候提前2.8天到3.6天。(记者 蔡文清)

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