山东苹果始花期与气象因子的相关分析及预测模型

山东苹果始花期与气象因子的相关分析及预测模型 山东农业大学 山东苹果始花期与气象因子的相关分析及预测模型 学院 : 园艺科学与工程学院 专业班级 : 园 艺 X 班 届次 : 2 0 1 4 学生姓名 : XXX 学号 : 2010XXXX 指导教师 : XXX 教授 2014年 05 月 26日 1 目录 中文摘要 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 前言 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1 材料与方法 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 2 结果与分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 2.1 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 2.2 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 2.2.1 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 2.2.1.1 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 2.2.1.2 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 2.2.1.3 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 5 2.2.1.4 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 5 2.2.1.5 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 5 2.2.1.6 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 2.2.2 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 2.2.3 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 2.2.3.1 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 2.2.3.2 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 3 结论 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 4参考文献??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9 5致谢 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10 山东苹果始花期与气象因子的相关分析及预测模型 XXX (山东农业大学 园艺科学与工程学院 泰安 271000) 摘要:利用山东省聊城市1971~2012年的气象资料(上一年11月至3月)和苹果始花期的观测 资料，对苹果始花期的变化趋势及其与气象因子的相关性进行分析。结果表明，近42年来，受气候 变化影响，苹果始花期有明显的提前趋势，线性倾向率为1.956d/10a(通过了α=0.05水平的显著性 检验)。后期气象因子(2、3月)对苹果始花期的影响大，前期气象因子的影响相对较小。气温因 子影响大，与苹果始花期相关性达到极显著水平;日照时数因子次之，与苹果始花期显著相关;降 水量因子影响较小，未达到显著水平。通过对苹果始花期与118个气象因子(上一年11月至3月不 同时段的平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、降水量，平均气温稳定通过0?、5?和10? 的初日，冬季负积温、11月至翌年3月0?、5?和负积温、0?和5?初日至3月底积温，以及2、 3月不同时段平均气温大于0?和5?的天数)的相关性分析，筛选寻找影响始花期的关键因子，采 用逐步回归方法建立了苹果始花期的预测模型，通过检验模型效果良好，可为苹果始花期的预报提 供参考。 关键词:苹果始花期、相关分析、预测模型、气象因子 Correlation analysis and prediction model of Shandong apple early flowering season and meteorological factors XXX (College of Horticulture Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018) Abstract : Using the meteorological data of Shandong province in Liaocheng city during 1971~2012 (a year from November to March) and the observation data of Apple early flowering season to analyze the change trend of apple early flowering season and its correlation with meteorological factor. The results show that, affected by climate change, apple early flowering season significantly ahead of the trend in the past 42 years, linear trend rate of 1.956d/10a (through a significant test of alpha =0.05 level).Effect of late meteorological factors to apple early flowering season is big ,and effect of the meteorological factors is relatively small. The temperature factor have the greatest influence, and it is significantly correlated with apple early flowering season; sunshine duration factor which impact followed by temperature factor was significantly correlated with apple early flowering season; the precipitation factor which is smaller impact did not reach a significant level. By the correlation analysis between the apple early flowering season and 118 meteorological factors(the average temperature , maximum temperature, minimum temperature, 1 sunshine hours, rainfall in different periods last year, average temperature of 0 ?, 5 ? and the early days of 10 ?, winter negative accumulated temperature, November to next March 0 ?, 5 ? and the number of days accumulated negative, 0 ? and the beginning of May to the end of March 5 ? accumulated temperature, and days at different times in February and March the average temperature higher than 0 ? and 5 ?),screening to find the key factor and establish a predictive model of apple early flowering season by using stepwise regression method which works well and can provide a reference for the prediction of apple early flowering season. Key words: apple early flowering season, correlation analysis, forecasting model, meteorological factor 引言 物候现象的变化是生物节律对环境条件特别是气候变化最直观的反映。目前由于全球变暖带来的气温、降水和光照等气候要素变化，对物候产生的影响已成为不争的事实。温度是决定物候期迟早的主导因素，国内外许多学者面向不同地域、不同范围开展了相应的物候期与气象条件的关系研 [1-5],6,究工作，并取得了一些有意义的研究成果。Bradley 等对威斯康辛州不同植物物候期变化统 ,7,计分析指出，受气候变化影响，多种植物始花期有所提前。张福春应用积分回归法对北京春季的树木开花期与它前期气象因子的关系作了统计学分析，指出春季气温对开花期的迟早具有决定作用。 [8]毛明策等用“定日逆序的积温”法研究得出苹果初花期早晚与上年冬后的积温有负相关关系，其中与当年春季以来?5?积温关系最密切，用“非定日逆序的积温”法研究得出与花前266-277天(上年7月中下旬前后)的逆序积温有极显著的负相关关系，相关系数较稳定。当日平均气温为10?左 [9-10]右时苹果开始进入初花期。李晓川等利用自适应模糊神经推理系统对香梨始花期进行预报研究，用气温?10 ?初日、开春期、前冬平均气温来预测库尔勒香梨始花期，利用最小二乘法回归分析建 [11][12]立预测模型。陈汇林等利用费歇尔准则建立了荔枝花芽分化期预报模型。李美荣利用统计学方法建立了陕西果区苹果始花期预测模型。 苹果始花期是苹果生长中一个关键物候期主要受前期气候条件的影响，可预报性较强。研究开花期与气象条件的相互关系，对指导生产和相关研究都有一定的价值。目前，对山东省苹果始花期的预报模型研究上尚见有报道。本文旨在探讨苹果始花期与气象因子之间的关系，建立苹果始花期预报模型，为生产提供科学的参考依据。 1 资料与方法 采用山东省气象局提供的聊城1970~2012年11月至翌年3月的逐日平均气温、最高气温、最低气温、降水量和日照时数，以及聊城苹果花期物候资料。 将苹果始花期转化为日序数(从每年的4月1日记为1，4月2日记为2„„，余类推)，从而得到始花期42年的完整时间序列。统计计算聊城1971-2012年11月至翌年3月不同时段的平均气温、最高气温、最低气温、降水量和日照时数，平均气温稳定通过0?、5?和10?的初日，冬季负积温、11月至翌年3月0?、5?和负积温、0?和5?初日至3月底积温，以及2、3月不同时段平 2 均气温大于0?和5?的天数。对上述百余个气象因子与苹果始花期日序数进行相关分析，计算相关系数，找出影响苹果始花期的关键气象因子。采用基于Matlab语言的逐步回归分析方法建立苹果始花期的预测模型，采用预报和回代方法进行模型验证。其中，1971~2010年的数据用于模型建立，2011和2012年的数据用于预报模型检验，不参与建模。 2 结果与分析 2.1 苹果始花期变化特征分析 苹果始花期物候资料表明，聊城苹果平均始花期为4月12~13日，花期持续时间为一周左右。不同年份进入始花期的时间差异较大，最早为3月25日(2005年)，最晚为4月27日(1984年)，两者相差33天。从线性趋势拟合结果看(图1(a))，近42年来苹果始花期呈明显的提前趋势，其 (a)y = -0.1956x + 16.643302R = 0.109625 20 15 10 5始花期日序数0Days squence of the first flowing-5date-10 年份1971Year1973197519771979 19811983 198519871989(b)1991201993199515199710199952001200302005-520072009-10始花期日序数距平值2011-15Days sequence of the first flowing date anomaly-20 年份1971Year1973 1975 1977 图1 1971~2012年聊城苹果始花期日序数变化及距平 1979 1981Fig.1 Change (a) and anomaly (b) of the days sequence of the first flowing date of apple in Liaocheng from 1971~2012 1983 1985线性倾向率为-1.956d/10a，变异系数r=0.3524(通过了α=0.05水平的显著性检验)。70年代，苹果1987 1989始花期没有明显的变化倾向，围绕趋势线上下波动。80年代，苹果始花期较晚，自90年代以来始 1991花期提前，尤其是进入21世纪提前趋势明显，而近两年苹果始花期出现推迟的现象。计算苹果始花1993 3 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 期日序数的偏度值和峰度值，结果表明苹果始花期服从正态分布，采用三分位法确定花期偏早偏晚的阈值，设定?T<-0.43σ为花期偏早，?T>0.43σ为花期偏晚，其余为正常年份，?T为苹果始花期日序数距平值，σ为标准差。近42年苹果始花期迟早年型的统计结果见表1，花期偏晚年有14年，多发生在20世纪80年代，花期偏早年有11a，多发生在21世纪，占72%， 20世纪90年代多为正常年。 表1 1971~2012年聊城苹果始花期迟早年型 Table 1 the cold and warm years of Qixia, Yiyuan and Guanxian 年代 years 年型 type 年份year 1971~1979 偏早年 Earlier year 1977 偏晚年 Later year 1971、1976、1979 — 1980~1989 偏早年 Earlier year 偏晚年 Later year 1980、1981、1982、1983、1984、1985、1988 1990~1999 偏早年 Earlier year 1994、1997 偏晚年 Later year 1991、1996 2000~2012 偏早年 Earlier year 2000、2001、2002、2004、2005、2006、2007、2008 偏晚年 Later year 2003、2011 2.2 始花期预测模型的建立 2.2.1 因子选择 由上述统计分析可得，山东省苹果始花期多在4月上中旬，近42年来仅2005和2006两年出现在3月底。业务上要求提前20天对始花期做出预报，虽然学者研究结果表明越临近花期气象因子的相关性越高，影响越大，但从预报的时效性考虑，本文气象因子的研究时段取到3月底，因此可在3月中旬，通过气象预报得到气象因子预测值，从而对当年苹果始花期做出预报。 2.2.1.1气温 对聊城1971~2012年11月至翌年3月不同时段(冬季、逐月、2月和3月逐旬、2月各旬至3月底)的平均气温、最高气温、最低气温与苹果始花期日序数进行相关分析，结果表明，平均气温、最高气温和最低气温三各气象因子与始花期相关性最高的时段分别为3月、2月下旬至3月和3月，相关系数分别为-0.613、-0.625和-0.545，均为极显著的负相关(通过α=0.01水平的显著性检验)。与苹果始花期日序数相关性达到显著水平的各时段如表2所示。 2.2.1.2日照时数 对聊城1971~2012年11月至翌年3月不同时段(冬季、逐月、2月和3月逐旬、2月各旬至3月底)的日照时数与苹果始花期日序数进行相关分析，结果表明，1月、2月下旬和3月下旬的日照时数与苹果始花期的相关性较高，与苹果始花期日序数的相关系数分别为0.324，-0.316和-0.312(均通过α=0.05水平的显著性检验)，1月日照时数与苹果始花期呈显著地正相关，2月下旬和3月下旬日照时数与苹果始花期呈显著地负相关。 4 表2 苹果始花期日序数与不同时段气温因子的相关系数 Table 2 Correlation index between days sequence of the first flowing date of apple and the temperature factors in different periods 平均气温 最高气温 最低气温 average temperature maximum temperature minimum temperature 3月 -0.613** -0.620** -0.545** Mar. 3月上旬 -0.483** -0.441** -0.456** Early in Ma. 3月中旬 — — -0.316* Mid-Mar. 3月下旬 -0.487** -0.462** -0.470** Late in Mar. 1月~3月 -0.470** -0.375* -0.464** Jun. ~ Mar. 2月~3月 -0.484** -0.484** -0.439** Feb. ~ Mar. 2月中旬~3月 -0.560** -0.589** -0.478** Mid-Feb. ~ Mar 2月下旬~3月 -0.590** -0.625** -0.502** Late in Feb. ~ Mar. 3月上中旬 -0.493** -0.497** -0.444** Early to mid in Mar. 3月中下旬 -0.485** -0.451** -0.454** Mid to late in Mar. 注:*为通过0.05显著水平检验，**为通过0.01显著水平检验 Note:* is through 0.05 significant level test, ** is through 0.01 significant level test 2.2.1.3 降水量 对聊城1971~2012年11月至翌年3月不同时段(冬季、逐月、2月和3月逐旬、2月各旬至3月底)的降水量与苹果始花期日序数进行相关分析，结果表明，3月下旬降水量与苹果始花期日序数相关性最高，相关系数为0.279，但未达到显著水平。 2.2.1.4 主要界限温度初日 计算聊城1971~2012年稳定通过0?、5?和10?的初日(即连续5日平均气温稳定通过且大于0?、5?和10?的日期)，并对其与苹果始花期日序数进行相关分析，结果表明，稳定通过10?的初日与苹果始花期相关性最高，呈极显著的正相关，相关系数为0.478(通过α=0.01水平的显著性检验)，其次为5?的初日，相关系数为0.371(通过α=0.05水平的显著性检验)，0?的初日与苹果始花期相关性最低，相关系数为-0.097，未达到显著水平。 2.2.1.5 积温 计算聊城1971~2012年11月至翌年3月积温、0?、5?、10?和负积温，以及0?初日至3月底和5?初日至3月底积温，并对其与苹果始花期日序数进行相关分析。结果表明，除负积温，其他积温因子均与苹果始花期表现出极显著的负相关，相关系数见表3。其中，0?初日至3月底的积 5 温与苹果始花期的相关性最高，相关系数为-0.555。 表3苹果始花期日序数与积温的相关系数 Table 3 Correlation index between days sequence of the first flowing date of apple and the accumulated temperature 相关系数 correlation index 11月-3月积温 -0.441** accumulated temperature from Nov. to Mar. 0?积温 -0.478** accumulated temperature above 0? 5?积温 -0.493** accumulated temperature above 5? 10?积温 -0.405** accumulated temperature above 10? 0?初日-3月底积温 accumulated temperature from the beginning of 0 ? to -0.555** Mar. 5?初日-3月底积温 accumulated temperature from the beginning of 0 ? to -0.542** Mar. 注: **为通过0.01显著水平检验 Note: ** is through 0.01 significant level test ?的天数 2.2.1.6 不同时段平均气温大于0?、5?和10 计数聊城1971~2012年2月和3月不同时段平均气温大于0?、5?和10?的天数，并对其与苹果始花期日序数进行相关分析，相关系数见表4。 2.2.2模型建立 选取上述分析中与苹果始花期日序数相关性达到显著水平的各因子，采用基于Matlab语言的逐步回归分析方法建立苹果始花期的预测模型，选择最优模型，得到苹果始花期的预报方程: Y=-230.813-0.311T+12.645d+0.063r-0.129r-3.186T1122 式中，Y为苹果始花期日序数， T为2月下旬~3月的最高气温， d为3月中下旬大于0?的天数，1 r为1月日照时数，r为2月下旬日照时数，T为2月下旬~3月平均气温。 122 2方程的R=0.968，F=101.428，远大于F(63.19)，拟合方程的回归平方差为1928.672，剩余0.01 平方差为129.381，总平方差为2057.975。 利用该模型可在3月对苹果始花期做出预报，从式中可以看出，2月下旬~3月的最高气温和平均气温越高、2月下旬日照时数越大，苹果始花期日序数越小，即始花期提前;而1月日照时数越大，始花期日序数则越大，即花期延后。 表4 苹果始花期日序数与不同气温时段天数的相关系数 6 Table 4 Correlation index between days sequence of the first flowing date of apple and number of days in different periods >0?天数 >5?天数 >10?天数 number of days above 0? number of days above 5? number of days above 10? 2月~3月 — -0.544** -0.557** Feb. ~ Mar. 2月中旬~3月 — -0.552** -0.555** Mid-Feb. ~ Mar 2月下旬~3月 — -0.541** -0.558** Late in Feb. ~ Mar. 3月 — -0.569** -0.573** Mar. 3月中下旬 -0.472** -0.468** -0.510** Mid to late in Mar. 3月下旬 \ -0.376** -0.536** Late in Mar. 注:*为通过0.05显著水平检验，**为通过0.01显著水平检验 Note:* is through 0.05 significant level test, ** is through 0.01 significant level test 2.2.3模型检验 2.2.3.1 回代检验 利用1971-2010年聊城气象数据回代检验当年苹果始花期，拟合结果如图2所示，表明苹果始花期年际变化较大，但拟合效果较好，预测值与实际值的相关系数为0.973。将预测值与观测值进行对比已验证模型的精度，误差值见表5，预测值与观测值差值为负表示预测花期早于实际观测花期，为正表示预测花期晚于实际花期。结果表明，该模型的平均绝对误差为1.3天，最大误差为预测值 30拟合值 实际值25 20 15 10 5 0始花期日序数距平值 Days sequence of the first flowing-5date anomaly -10 年份 Year1971 1973 1975 1977图2 1971~2010苹果始花期实际观测与拟合值 1979Fig. 2 Actual observed value and fitted value of the first flowing date of apple 1981 1983提前5天(失败)，有两年。其中有10年没有误差，占25%。预报始花期与实际花期相差1天的有1985 16年，所占比率达到40%，相差2~3天的有12年，达到30%。 1987 1989 1991 1993 19957 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 表5 苹果始花期回代检验结果与实际观测值比较 Table 5 Test results of the first flowing date of apple comparing with the actual observed value 预测与实际差值 年份 -5 1980、1984 -2 1974、1977、1979、1981、1982 -1 1972、1992、1998、2000、2004、2006 0 1971、1973、1985、1986、1990、1995、1996、2001、2008、2010 1 1976、1983、1989、1991、1994、2002、2003、2005、2007、2009 2 1975、1988、1993、1999 3 1978、1987、1997 2.2.3.2 预报检验 对2011和2012年苹果始花期进行预报检验，2011年预测苹果始花期为4月19日，实际观测日期也为4月18日，预测花期比实际花期提前1天;2012年预测苹果始花期为4月14日，实际观测日期也为4月14日，没有误差，故模型可用。 3 结论 (1)经统计分析苹果始花期服从正态分布，年际之间变化较大。近42年来，山东省苹果始花期呈明显的提前趋势，线性倾向率为1.956d/10a，进入21世纪以来变化趋势尤为显著。 (2)苹果始花期的早晚主要受花期前气象因素的控制。对近42年来(上一年11月至3月)不同时段气象观测资料与苹果始花期进行相关分析，结果表明，后期(2、3月)各气象因子的影响程度大于前期。其中，温度因子对苹果始花期的影响最大，2、3月份各时段的平均气温、最高气温和最低气温均与苹果始花期呈显著的负相关;日照时数的影响力次之，降水量的影响最小，且其值与苹果始花期日序数的相关性未达到显著水平。 (3)采用逐步回归方法建立了苹果始花期的预测模型，Y =-230.813-0.311T+12.645d+0.063r-0.129r-3.186T，式中，Y为苹果始花期日序数， T为2月下旬11221~3月的最高气温， d为3月中下旬大于0?的天数，r为1月日照时数，r为2月下旬日照时数，12 T为2月下旬~3月平均气温。利用该模型可在3月对当年苹果始花期做出预报，经检验模型预测效2 果较好，预测值与实测值相差不大，相关系数高，有较高的精度和稳定性。 (4)计算模型的构建仅考虑了开花前期的气温，日照时数、降水量及其相关气象因素，而没有考虑气温变化率和地温等因素的影响，在下一步研究中有待完善，以增加模型的稳定性和精度。 8 参考文献 [1] 韩超，郑景云，葛全胜.中国华北地区近40年物候春季变化[J].中国农业气象，2007，28(2):113-117. 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