用逐步趋近法确定南阳秋季丹桂开花低温预报指标.pdf

第 2 期 王宇翔等：用逐步趋近法确定南阳秋季丹桂开花低温预报指标 189 中国农业气象（Chinese Journal of Agrometeorology）2024 年doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2024.02.008 王宇翔,薛萌.用逐步趋近法确定南阳秋季丹桂开花低温预报指标J.中国农业气象,2024,45(2):189-200 用逐步趋近法确定南阳秋季丹桂开花低温预报指标*王宇翔1，薛 萌2（1.河南省南阳市气象局，南阳 473000；2.河南省内乡县气象局，内乡 474300）摘要：采摘、观赏桂花需要进行开花始期预报，基于 20162022 年南阳市丹桂开花全过程多批次的开花始期记录，依次统计每年第一批次开花前，以及上一批次开花结束至下一批次开花期间的日最高气温、日平均气温和日最低气温的最小值，从中挑出各自最大值作为各气温表达形式的低温日指标，根据低温日指标统计低温过程，将间隔时间较短的不连续的低温过程合并为一个低温过程，并与连续低温过程统一为合并低温过程进行分析，统计合并低温过程开始日和期间负有效积温，分析南阳丹桂开花始期与合并低温过程开始日的关系、开花批次属性与合并低温过程期间负有效积温的关系，用相关系数和一元线性回归法对预测结果进行检验。结果表明：（1）逐步趋近法确定南阳丹桂开花前低温指标以日最高气温效果最好，优于采用日平均气温和日最低气温的结果；（2）丹桂开花前低温日指标为日最高气温22.3；（3）丹桂开花前低温过程指标为，日最高气温22.3自然低温过程间隔日数1d 的合并低温过程，第 1 个日最高气温3.4d 时丹桂开花一次完成，3.4d 则丹桂开花不能一次完成，当再次出现日最高气温22.3后丹桂还将开花，直至日最高气温3.4d 丹桂才完成本开花季最后一次开花；（4）丹桂开花始期与低温过程的关系为，日最高气温22.3合并低温过程次序与丹桂开花批序一一对应，合并低温过程开始日后 413d 为丹桂开花始期，每一个日最高气温22.3合并低温过程开始日（X）与丹桂开花始期（Y）的一元回归方程为 Y=1.1255X+1.4683，二者呈极显著直线正相关关系。关键词：丹桂；多批次开花；逐步趋近法；低温指标；负有效积温；预报 Determination Forecast Index of Low-temperature before Flowering of Orange Osmanthus in Nanyang by Stepwise Approach Method WANG Yu-xiang1,XUE Meng2（1.Nanyang Meteorological Bureau in Henan Province,Nanyang 473000,China；2.Neixiang Meteorological Bureau in Henan Province,Neixiang 474300）Abstract:From 2016 to 2022,the flowering phenomenon of a orange Osmanthus tree in the courtyard Nanyang Meteorological Bureau had observed for 7 consecutive years.The observing was according to the Agricultural Meteorological Observation Code and Natural Phenology Volume woody plant flowering period observation standard,i.e.when the petals of one or several flowers on the observation tree begin to fully open,it is the beginning of flowering,and when the petals on the observation tree wither and fall off,leaving a very small number of flowers is recorded as the end of flowering.The first flowering period of Osmanthus fragrans in autumn is recorded as the first batch of flowering.The phenomenon of a second flowering after the first batch of orange Osmanthus blossomed is recorded as the second batch of orange Osmanthus blossoming,just like the first flowering period.After the second flowering of orange Osmanthus,it was observed that in some years,one or several flowers *收稿日期：20230403 基金项目：中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室应用技术研究基金（KM202354）第一作者联系方式：王宇翔，高级工程师，主要从事农业气象、气象防灾减灾研究，E-mail： 中 国 农 业 气 象 第 45 卷 190 on the observed orange Osmanthus tree had fully opened petals and withered and shed was recorded as the third batch of flowering.Seldomly,the fourth batch of flowering was observed and recorded until no further flowering occurred.From 2016 to 2022,the flowering number of batches of orange Osmanthus flowering in the autumn of Nanyang every year and the initial flowering period and attributes of each batch of flowering were totally different.First,from the aspects of number and attributes of flowering batches,only one batch of flowers was bloomed per year from 2016 to 2019,which was completed at one time,and the 1st batch was also the last batch.From 2020 to 2022,2-4 batches was bloomed every year,of which the 2nd batch in 2020,the 4th batch in 2021,and the 3rd batch in 2022 are the last batch.The 1st batch in 2020,the 1st to 3rd batch in 2021,the 1st and 2nd batches in 2022 are not the last batch.From the beginning of each batch of flowering,the earliest is August 25 and the latest is October 19.According to previous studies,as a plant that blooms in autumn,the flowering of Osmanthus is caused by the gradual decrease in temperature to a certain limit.Then,each batch of Osmanthus flowers has at least 1 day of low-temperature process that temperature below this limit,Osmanthus blooming cannot be completed at one time must be the previous low-temperature process did not meet all the conditions that should be achieved,and there is at least 1 day of low-temperature process that temperature below this limit again,and it blooms again.As long as the temperature values of each batch before flowering are statistically analyzed in turn,we can gradually approach to finding this limit.With this boundary,the low-temperature process can be counted,so as to find out the conditions that should be met when all flowers bloom compared with the flowering situation of Osmanthus.Daily temperature values include daily average temperature,daily minimum temperature and daily maximum temperature,which respectively express the average situation and range of daily temperature fluctuation,and should be analyzed to identify their respective functions.This article is based on years of continuous observation records of the multiple batches flowering phenomenon of orange Osmanthus in Nanyang,the minimum temperature values with daily maximum temperature,daily average temperature,daily minimum temperature before the first batch of flowering each year be counted in sequence,the minimum temperature values with daily maximum temperature,daily average temperature,daily minimum temperature between the previous batch of flowering and the current batch of flowering be calculated in sequence when the second and subsequent batches of flowering each year.Their respective maximum values selected as that daily index of low-temperature in each expression form of temperature,statistics of natural low-temperature process according to daily index of low-temperature,merge the discontinuous natural low-temperature process with short intervals into one combined low-temperature process,after the start date and negative effective accumulated temperature of the combined low-temperature process are calculated,analyze the relationship between the beginning of flowering of orange Osmanthus and the start date of the combined low-temperature process,as well as the relationship between the attributes of each batch of flowering and the negative effective accumulated temperature during the combined low-temperature process,the index of low-temperature before flowering which can be used for forecasting the flowering period of each batch of orange Osmanthus to be determined.Tested by correlation coefficients and univariate linear regression methods,the results showed that:(1)the method of stepwise approach method is used to determine the index of low-temperature before flowering of orange Osmanthus in Nanyang,the best effect is to use the daily maximum temperature,which is better than using the daily average temperature and daily minimum temperature.(2)The daily index of low-temperature before flowering of orange Osmanthus is the daily maximum temperature 22.3.(3)The process index of low-temperature before flowering of orange Osmanthus is the daily maximum temperature 22.3 natural low-temperature process interval days 1d merged into one combined low-temperature process,when the negative effective accumulated temperature during the daily maximum temperature 3.4d,the orange Osmanthus flowering once completed,when the negative effective accumulated 第 2 期 王宇翔等：用逐步趋近法确定南阳秋季丹桂开花低温预报指标 191temperature during the daily maximum temperature 22.3 combined low-temperature process 3.4d,the 1st batch of orange Osmanthus flowering is not the last batch,if the daily maximum temperature 22.3 again,orange Osmanthus will bloom again,until the negative effective accumulated temperature during the daily maximum temperature 3.4d,the orange Osmanthus flowering is the last batch.(4)The relationship between the beginning of flowering of orange Osmanthus and the low-temperature process is as follows:the sequence of daily maximum temperature 22.3 combined low-temperature process corresponds to the batch sequence of flowering of orange Osmanthus,the beginning of flowering of orange Osmanthus was 4-13d after the start date of the combined low-temperature process,the specific flowering date Y is predicted by the univariate regression equation that the factor X be the start date of each combined low-temperature process with daily maximum temperature 22.3,and Y=1.1255X+1.4683,which is a very significant positive correlation linear relationship.Key words:Orange Osmanthus;Multiple batches of flowering;Stepwise approach method;Index of low-temperature;Negative effective accumulated temperature;Forecast 桂花Osmanthus fragrans(Thunb.)Lour.作为中国十大传统名花之一，以其常绿、花香的特性，成为优良的园林树种被广为种植，深受人们喜爱。一个原因是“桂”音同“贵”，所以在中国传统文化中，桂花成为富贵和美好的象征，自古以来作为庭院吉祥树木被广泛应用1。古典园林中，桂花的配置手法包括对植两株桂花树的“双桂当庭”或称“双桂流芳”，将桂花和玉兰对植的“金玉满堂”，将玉兰、海棠、牡丹和桂花四种植物相配布置于庭院之中的“玉堂富贵”2。内乡县衙博物馆夫子院内西侧的元代桂花树和东侧的清代南天竺栽在一起，取“竺”和“桂”的谐音，意为“主贵”之意。另一个原因是“桂”形似“圭”而得名。圭文化与繁衍生育的蛙崇拜有关，因此，“桂”也有生生不灭的象征意义。古人认为月亮上有吴刚伐不倒的桂花树，与桂花常有开花后再次开花的多批次开花特性，跟其他季节的开花植物特性明显不同有一定的关系。研究桂花开花与气象条件关系的规律不仅具有农业气象学的科学意义，也有与中国传统文化相关的社会学意义。国内很多学者对桂花开花与气象条件的关系进行了研究，杨康民等3最早研究桂花开花期与气候因素关系，温度方面具体指标为花前 10d 平均气温和花前旬间最低气温。郝日明等413研究基本也都沿续这个思路，研究方法上改进为开花前取 5d、7d 或 10d滑动气温平均值，花前时间延长至 15 周等，阙欣欣等11以花蕾出现期与初次寒露风出现日期相对应进行研究。以往研究都认为桂花开花前需要一定的低温条件，但其明显的不足在于，一是只针对桂花第一批次开花进行研究得到低温指标，未涉及第二批次及以后各批次开花的低温指标；二是低温指标大多采用平均气温和最低气温14，没有对最高气温进行研究；三是处理方法上取旬尺度或多日滑动平均值确定低温指标，过滤掉了日尺度上的气温信息。桂花作为秋季开花的植物，其开花是气温逐步降低到一定界限引起的15。开花前至少 1d 气温低于界限温度是开花的必要条件，有些情况下，所有花蕾不能在第一批次全部开花，如果低温过程不能满足全部花蕾开花的条件，则再次出现至少 1d 气温在这个界限之下的低温过程，还会再次开花。因此，依次统计分析每一批次开花前日气温数值，就能逐步趋近于找到这个引起开花的气温界限，依据这个气温界限统计低温过程，从而与桂花开花对比找到全部花蕾开完应达到的条件；日气温数值包括日平均气温、日最低气温和日最高气温，分别表达了 1 日内气温波动的平均属性和波动范围。秋季开花的桂花根据花色划分，有丹桂、金桂和银桂三个种类14，本研究基于对南阳丹桂（Orange Osmanthus）开花现象的多年连续观测记录，依次统计每年第一批次开花前，以及上一批次开花结束下一批次开花期间的日最高气温、日平均气温和日最低气温的最小值，从中选取各自最大值作为各气温表达形式的低温日指标，根据低温日指标统计低温过程，把间隔时间较短的不连续低温过程合并为一个低温过程，与连续低温过程一并分析，统计合并低温过程开始日和期间负有效积温，分析南阳丹桂开花始期与低温过程开始日的关系、开花批次属性与低温过程期间负有 中 国 农 业 气 象 第 45 卷 192 效积温的关系，从而确定可用于每一批次丹桂开花期预报的开花前低温指标，为丹桂开花期预报提供技术支撑，满足桂花采摘、观赏的需要。1 资料与方法 1.1 资料及其来源 丹桂树位于南阳市气象局院内，周围空旷无遮挡。2012 年移栽时树龄已超过 10a，开花期观测年限为 20162022 年，观测遵照农业气象观测规范自然物候分册木本植物开花期始期的物候标准16进行，当“观测树上有一朵或同时几朵花的花瓣开始完全开放，即为开花始期”，当“观测树上的花瓣凋谢脱落留有极少数的花”记为开花末期，秋季丹桂第 1 次开花始期开花末期记为第 1 批次开花。观测表明，第1批次开花后有些年份有第二次开花的现象，按相同方法观测记录第 2、3、4 批次开花，直至再也不出现开花现象。因此，南阳丹桂开花有一年仅开花1 批次，也有一年开花多批次；每一开花批次属性可分为最后一批次开花和非最后一批次开花。选取各年各批次开花始期进行研究，并将开花始期数值化处理，以 8 月 1 日为 1，8 月 2 日为 2，以此类推，9 月 1 日为 32。开花始期原始日期数据用于对比分析，数值化处理的开花始期用于回归、相关分析。逐日气温资料来源于南阳市气象站，与试验观测点直线距离 8km，海拔相差不大，故不作经纬度和海拔订正。逐日气温资料包括日最高气温(Tmax)、日平均气温(TA)和日最低气温(Tmin)。1.2 气象资料统计方法 1.2.1 低温日指标确定（1）用第 1 批次开花初步确定低温日指标。假设丹桂开花前低温日指标为 T，丹桂开花前的日气温（包括日最高气温、日平均气温和日最低气温）最小值为 t，那么一定满足 tT。统计第 1 年丹桂第 1 批次开花前的日气温最小值为 t11，第 2 年丹桂第 1 批次开花前的日气温最小值为 t12，第 m 年丹桂第1 批次开花前的日气温最小值为 t1m，那么 t11、t12、t1m中的最大值 t1M最接近于 T，将 t1M+0.1记作 tM，作为丹桂开花前的低温日指标 T 的初步值。（2）用第 2 批次及以后各批次开花日气温最低值的观测结果对 tM进行调整。统计所有第 2 批次开花年份第 1 批次开花末期第 2 批次开花始期的日气温指标最小值（包括日最高气温、日平均气温和日最低气温），如果其中的最大值 t2MtM则把 tM调整为 t2M+0.1，否则不做调整。依此统计第 3 批次开花、第 4 批次开花的日气温 t3M、t4M，并以相同原则确定 tM调整与否。（3）把经过多批次观测调整后或无需调整的 tM确定为低温日指标 T。1.2.2 低温日确定 当日气温值（包括日最高气温、日平均气温和日最低气温）小于低温日指标 T 时，该日确定为低温日。1.2.3 自然低温过程统计 单独一个低温日或多个连续低温日分别统计为一个自然低温过程。自然低温过程开始日为自然低温过程中的第一个低温日，结束日为自然低温过程中的最后一个低温日。两个自然低温过程间隔日数为前一个自然低温过程结束日后一个自然低温过程开始日相隔的天数。1.2.4 自然低温过程合并的最大间隔日数确定 如果丹桂第 1 批次开花前只有 1 个自然低温过程，则直接作为第 1 个合并低温过程，如果某一年丹桂第 1 批次开花前有多个自然低温过程则把这些自然低温过程合并为第 1 个合并低温过程，统计第 1个合并低温过程的开始日和结束日，所有第 1 批次开花前被合并自然低温过程间隔日数最大值为 L1；同样，所有第 2 批次开花的年份，第 1 个合并低温过程后至第 2 批次开花始期前只有 1 个自然低温过程，则直接作为第 2 个合并低温过程，如果有多个自然低温过程则把这些自然低温过程合并为第 2 个合并低温过程，统计第 2 个合并低温过程开始日和结束日，所有第 2 批次开花前被合并自然低温过程间隔日数最大值为 L2。依此进行所有第 3 批次、第 4批次开花前低温过程的合并，相应统计第 3 个、第 4个合并低温过程开始日和结束日，以及被合并自然低温过程间隔日数最大值为 L3、L4。将 L1、L2、L3、L4中的最大值作为进行自然低温过程合并的自然低温过程间隔日数 L。1.2.5 合并低温过程统计 将间隔日数L 的两个自然低温过程作为一个合并低温过程。与前或后自然低温过程间隔日数均大于L的自然低温过程本身作为一个合并低温过程。合并低温过程的开始日为最前一个被合并自然低温过程的开始日，合并低温过程的结束日为最后第 2 期 王宇翔等：用逐步趋近法确定南阳秋季丹桂开花低温预报指标 193一个被合并自然低温过程的结束日。1.2.6 低温过程负有效积温计算 低温过程负有效积温1718综合反映了低温过程日数和低温过程中的气温值低温指标的累计程度，其计算式定义为 nii 1KT-t)（若tiT,则Tti=0 （1）式中，K为低温过程负有效积温，n为低温过程日数，T为低温日指标，ti为低温过程期间逐日气温值（包括日最高气温、日平均气温和日最低气温）。1.3 操作步骤 第一步，确定低温日指标。第二步，确定低温过程指标。（1）统计低温日、自然低温过程、合并低温过程。（2）统计合并低温过程期间负有效积温。（3）对比分析丹桂一年仅开花1批次的年份与一年开花多批次的年份第1批次开花前第1个合并低温过程期间负有效积温的差异，确定丹桂是否多批次开花的低温过程指标。（4）对比分析丹桂开花第2批次及以后各批次中最后一批次开花与非最后一批次开花开花前合并低温过程期间负有效积温的差异，确定丹桂是否为最后一批次开花的低温过程指标。（5）根据（3）、（4）对比确定的丹桂是否为多批次开花的低温过程指标、是否为最后一批次开花的低温过程指标，综合确定丹桂开花批次属性的低温过程指标。第三步，低温日指标的验证。把历年丹桂第1批次开花始期与第1个低温日日期进行对比、相关分析，以是否通过显著性检验为标准对低温日指标进行验证。把所有开花批序的开花始期与相应次序低温过程开始日进行一元回归及相关分析，以是否通过显著性检验为标准对低温日指标进行验证。1.4 数据处理 数据处理及制图均使用Excel2010进行。2 结果与分析 2.1 南阳秋季丹桂开花期调查结果分析 由表1可见，20162022年南阳历年秋季丹桂开花批次和每一批次开花始期、属性明显不同，从开花批数和开花批次属性来看，20162019年每年仅开花1批次，为一次性完成，第1批次开花即为最后一批次；20202022年每年开花24批次，其中，2020年第2批次、2021年第4批次、2022年第3批次开花为最后一批次。调查期间(7a间)第1批次开花日期平均为9月12日，最早为8月25日，最晚为10月3日，最早最晚相差39d；2020年后多批次开花期间，最后一批次开花日期最早为9月25日，最晚为10月19日，最早最晚相差44d。可见，历年南阳秋季丹桂开花时间主要集中在8月下旬10月上旬。因此，确定丹桂开花前低温指标时，日气温统计的时段选取8月1日10月20日。2.2 基于日最高气温的丹桂开花低温预报指标 2.2.1 开花前日低温指标 图1为20162022年丹桂每年各批次开花前日最高气温最小值。由图可见，丹桂20162022年每年第1批次开花前日最高气温最小值为18.222.1，其中的最大值tM1M为2020年22.1，初步确定TMM为22.2；20202022年每年第2批次开花前日最高气温最小值为16.722.1，其中的tM2M最大值为2022年22.1，小于TMM值22.2，故TMM不做调整，仍为22.2；20212022年第3批次开花前日最高气温最小值为14.822.2，其中的tM3M最大值为2021年22.2，等于TMM值，故把TMM调整为 表 1 20162022 年南阳丹桂历年各批次开花始期（月日）Table 1 Start date of each batches flowering of orange Osmanthus in Nanyang from 2016 to 2022（mm-dd）年份 Year 第 1 批次 1st batch 第 2 批次 2nd batch 第 3 批次 3rd batch 第 4 批次 4th batch 2016 1003 无 No 无 No 无 No 2017 0905 无 No 无 No 无 No 2018 0923 无 No 无 No 无 No 2019 0922 无 No 无 No 无 No 2020 0825 0928 无 No 无 No 2021 0902 0924 1004 1019 2022 0905 1001 1017 无 No 中 国 农 业 气 象 第45卷 194 图1 20162022 年南阳丹桂各批次开花前日最高气温（Tmax）最小值变化 Fig.1 Variation of the minimum of the daily maximum temperature(Tmax)before the flowering of each batch of orange Osmanthus in Nanyang from 2016 to 2022 tM3M+0.1=22.3；2021年第4批次开花前日最高气温最小值为14.4，其中的最大值tM4M为14.4，小于TMM值22.3，故TMM不做调整，仍为22.3。最终确定丹桂开花前日最高气温低温日指标TM为22.3。2.2.2 开花前低温过程指标 从表2可以看出，所有日最高气温22.3合并低温过程中只有3个为合并低温过程，其他10个均为自然低温过程；被合并的自然低温过程数均为2个，被合并的自然低温过程间隔日数均为1d，同时，所有年份每年日最高气温22.3合并低温过程次序与丹桂开花批序一一对应。由表还可知，所有合并低温过程中最高气温22.3的低温日数为115d，其中，非最后一批次开花前的低温日数为12d，最后一批次开花前的为215d。所有每年丹桂开花仅1批次的年份，第1个日最高气温22.3合并低温过程期间负有效积温在3.49.4d；所有每年丹桂开花24批次的年份，第1个日最高气温22.3合并低温过程期间负有效积温在0.23.4d。所有丹桂最后一批次开花前日最高气温22.3合并低温过程期间负有效积温在3.461.5d，所有丹桂非最后一批次开花前日最高气温22.3合并低温过程期间负有效积温数值在0.13.4d。丹桂开花一次性完成和最后一批次开花前日最高气温3.4d，非一次性完成和非最后一批次开花前日最高气温22.3合并低温过程指标是负有效积温 表 2 历年各批次丹桂开花前日最高气温 Tmax22.3合并低温过程统计 Table 2 Statistical of combined low-temperature process with Tmax 22.3 before flowering of each batch 合并低温过程 Combined low-temperature process 年份 Year 次序 Order 开始日(月日)Start date(mm-dd)结束日(月日)End date(mm-dd)低温日数 Days of low-temperature process(d)负有效积温 Negative effective accumulated temperature(d)No.1 No.2(d)2016 1 0925 0928 3 4.2 2 1 2017 1 0830 0903 5 9.4 1 0 2018 1 0917 0920 4 3.4 1 0 2019 1 0916 0917 2 5.3 1 0 1 0821 0821 1 0.2 1 0 2020 2 0921 0922 2 8.9 1 0 1 0828 0829 2 1.4 1 0 2 0918 0919 2 1.2 1 0 3 0926 0926 1 0.1 1 0 2021 4 1005 1019 15 96.8 2 1 1 0828 0830 2 3.4 2 1 2 0924 0924 1 0.2 1 0 2022 3 1004 1013 10 53.9 1 0 注：No.1 为被合并自然低温过程个数，No.2 为被合并自然低温过程间隔日数最大值。下同。Note:No.1 is the numbers of natural low-temperature processes that have been merged,No.2 is the maximum number of days between natural low-temperature processes that have been merged.The same as below.第2期 王宇翔等：用逐步趋近法确定南阳秋季丹桂开花低温预报指标 1953.4d，两组负有效积温数值范围无交叉，因此，以上负有效积温数值范围可以确定为低温过程日最高气温指标。2.2.3 低温指标验证 从图2可以看出，20162022年南阳丹桂第1批次开花始期与第1次日最高气温22.3日期基本同步，二者相差48d，两者的相关系数为0.9961，通过了0.001水平的显著性检验。图 2 丹桂第 1 批次开花始期与第 1 个日最高气温22.3合并低温过程开始日的时间序列对比 Fig.2 Comparison