摘要
为提升武汉樱花花期预报模型的准确度，更好地做好樱花花期预报工作，利用武汉大学樱园日本樱花树始花期观测资料及同期气象资料，分析武汉大学樱花花期对武汉城市热岛效应的时空响应特征。结果显示，武汉市城市热岛效应从20世纪80年代末开始明显增强，冬季城市热岛增温率和增温贡献率自1988年后显著增加；城市热岛效应在武汉中心城区最高，由城市核心区向近郊区蔓延辐射，北部的黄陂、新洲等地几乎不受热岛效应的影响；武汉樱花花期对冬季城市热岛效应在时间和空间上都有明显响应，冬季平均气温5年滑动平均UHII每升高1 ℃，樱花始花期提前约2.8 d；位于市中心的汉口江滩、晴川假日酒店等赏花点为樱花最早开放的地区，较武汉大学花期提前1~2 d，东湖樱园、堤角公园等地则比武汉大学花期晚1~2 d。结果表明，城市热岛效应引起的温度升高提早了武汉樱花花期，强热岛效应区域的花期要早于弱热岛效应区域。
植物物候是气候和环境变化的重要指示器。城市热岛是伴随城市化过程产生的局地小气候的改变，城市热岛效应通过温度的变化直接影响植物物候，是城市中植物物候变化最主要的影响因子，温度通过影响植物细胞内酶的活性进而影响植物生长过程，导致植物物候发生改
关于植物物候对城市化过程的响应，国内外许多学者开展过相关研究，如利用长期地表植被观测资料及时间序列遥感影像定量分析不同城市化强度下植物物候的差
武汉属于亚热带季风气候，地貌类型多样，江河纵横、湖港交织、被称为“百湖之市”，局地小气候特征明显。研究发现，从20世纪80年代末开始，武汉气温呈现出显著增加的趋势，并且随着人口扩张和城市建筑面积的增加，武汉的城市热岛效应也在不断增
基于此，本研究通过分析武汉大学樱花花期对武汉城市热岛效应的时间响应特征，来测度樱花花期在空间上的分布规律，进一步提升樱花花期预报模型的准确度，以期为精准地预报樱花花期提供依据。
气象数据来源于气象大数据云平台（天擎），采用了武汉、新洲、黄陂、江夏和汉川5个国家气象站1961―2021年的气象观测数据（主要包括各站的日平均气温、最高和最低气温等），以及武汉市区域气象站建站至今的气温资料。武汉气象站点分布情况见
图1 武汉市气象站点分布
Fig.1 Distribution of meteorological stations in Wuhan
DEM数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/search）。空间分辨率90 m。行政边界、水体数据来源于全国地理信息资源目录服务系统（http：//www.webmap.cn/main.do？method=index）。利用Arcgis对所下载的高程、行政边界和水体等数据按照区域进行拼接、裁剪、提取等处理。
物候观测资料为1988―2022年武汉大学老斋舍（樱园）日本樱花（Cerasus yedoensis）始花期观测资料，始花期观测标准为每株树有3~5朵花开放。将始花期转换为日序数（day of the year， DOY），用于研究始花期对城市热岛效应的响应。
选取武汉站为城市站，黄陂、新洲、江夏和武汉周边的汉川4个气象站为乡村代表站。武汉站1951年建站以来经历了多次迁站，为了保证原始温度序列的质量，对各站点资料进行了订正，所有国家站资料统计开始年为1961年。
对气温资料序列中的非自然变点进行订正，订正方法如下：首先采用滑动t检验方法检验所有气温序列中的不连续点，通过历史沿革资料验证检测出来的不连续点附近是否受到迁站因素的影响。订正采用不连续点前后5 a平均值的差值作为补偿值。如果不连续点前后资料不足5 a，则取最长年份计算前后差值。最后将年补偿值线性插值到每个
图2 武汉站年平均气温（A）、冬季平均气温（B）、冬季平均最高（C）和最低（D）气温温度序列订正
Fig.2 Correction of annual average temperature（A）， winter average temperature（B）， winter average maximum（C） and minimum temperature（D） sequences in Wuhan station
作为城市代表站的武汉站，1961年以后迁站2次，其中2010年水平迁站8 km，迁站前后观测环境变化明显，对平均气温、平均最高和平均最低气温均有明显影响。利用滑动t检验检测出气温在2010年出现了突变，因此对其进行了非均一性订正。在订正过程中，为了更好地反映城市热岛效应，以2010年迁站前的观测资料为基准，将迁站后气温进行了订正。
4个乡村站中，汉川站和黄陂站自1961年以来从未迁过站，是2个非常有代表性的乡村站。新洲和江夏站虽然在1961年以后均有过迁站，但利用滑动t检验检测气温均未出现突变，因此4个乡村站气温资料均未订正。
1）城市热岛强度定义。城市热岛强度（urban heat island intensity，UHII）的计算方法采用城市站和乡村站气温的差值来表示，即：
| （1） |
其中，为城市站的站点气温，为乡村站的站点气温。城市站的UHII即为城市站气温与所有乡村站平均气温的差值。
四季划分采用气候学的方法，春季为3~5月，夏季为6~8月，秋季为9~11月，冬季为12月至次年2月。在分析UHII强度趋势时，采用线性趋势拟合方法，利用最小二乘法计算一元一次方程回归系数，回归系数的大小可定量反映平均气温或UHII强度随时间的线性变换趋势。
2）城市热岛增温贡献率的定义。城市热岛增温速率定义为城市站和郊区站气温倾向率之差，单位是℃/10 a，该值<0时为凉岛效应。定义城市热岛增温贡献率=城市热岛增温速率/城市站气温倾向率，当对比站气温倾向率为负且热岛增温速率>0时，直接记为100
武汉站1961―2021年平均气温、平均最高和平均最低气温的城市热岛强度年变化结果显示（
图3 武汉站平均、平均最高和平均最低气温UHII年变化
Fig.3 Annual UHII variation of mean， mean maximum and mean minimum temperature in Wuhan station
为明确20世纪90年代以来武汉城市热岛强度的变化情况，分1961―2021年和1988―2021年2个时段分析武汉UHII的增温率和增温贡献率，结果显示（
图4 武汉平均气温、平均最高和最低气温城市热岛增温率（实心）和城市热岛贡献率（空心）
Fig.4 Urban heat island warming rate （solid） and urban heat island contribution rate （hollow） of mean temperature， mean maximum and minimum temperature in Wuhan
A：1961—2021年 From 1961 to 2021；B：1988—2021年 From 1988 to 2021.
从季节上看，1961―2021年间3种气温UHII的增温率均呈现春季增温最快、最显著；夏季增温贡献率最大，均超过了70%，秋季和春季其次，冬季最小。1988―2021年间冬季的增温率和增温贡献率都较前30 a显著增加，增温贡献率也为4个季节中最高，平均气温的UHII冬季增温贡献率达到55.7%，平均最低气温和平均最高气温的冬季增温贡献率分别为64.3%和21.1%，表明1988年以来冬季温度增加的原因很大程度上是由城市热岛效应的增强而引起的。
武汉冬季平均、冬季平均最高和冬季平均最低气温UHII年变化结果显示（
图5 武汉站冬季平均、冬季平均最高和平均最低气温UHII年变化
Fig.5 Annual UHII variation of winter average temperature， winter average maximum and minimum temperature in Wuhan station
武汉大学樱花花期主要受到冬季气温和2月气温的影
由
| 项目Items | 要素 Elements | 相关系数 Correlation coefficient |
|---|---|---|
|
樱花始花期日序数 The DOY of first-flowering date | 冬季平均气温UHII UHII of average winter temperature | -0.211 |
| 冬季平均最高气温UHII UHII of average maximum winter temperature | -0.248 | |
| 冬季平均最低气温UHII UHII of average minimum winter temperature | -0.193 | |
|
樱花始花期日序数5年滑动平均值 Five-year sliding average of the DOY of first-flowering date |
冬季平均气温UHII 5年滑动平均 Five-year sliding average UHII of average winter temperature |
-0.38 |
|
冬季平均最高气温UHII 5年滑动平均 Five-year sliding average UHII of average maximum winter temperature |
-0.48 | |
|
冬季平均最低气温UHII 5年滑动平均 Five-year sliding average UHII of average minimum winter temperature |
-0.39 |
注： *和**分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。Note： * and** indicates a significant difference at 0.05 and 0.01 levels respectively.
分别以冬季UHII的五年滑动平均值（X1）、冬季平均最高气温UHII的5年滑动平均值（X2）和冬季平均最低气温UHII的5年滑动平均值（X3）为因变量，建立了3个樱花始花期5年滑动平均值的单因子拟合方程，结果如下：
| （2） |
| （3） |
| （4） |
从上述拟合方程可知，热岛强度越强的地方，开花时间越早。冬季平均气温的5年滑动UHII每升高1 ℃，樱花始花期提前约2.8 d；冬季平均最高气温的5年滑动UHII每升高1 ℃，樱花始花期提前约9 d；冬季平均最低气温的5年滑动UHII每升高1 ℃，樱花始花期提前约1.8 d。
武汉市气象站点布设十分密集，通过各区域气象站的气温观测资料，可以计算出各站点气温的UHII值，从而对武汉城市热岛的空间分布进行分析。根据区域气象站2017―2021年冬季平均气温UHII的平均值，绘制武汉城市热岛强度空间分布图。
由
图6 武汉市2017—2021年冬季热岛强度空间分布
Fig.6 Spatial distribution of heat island intensity in winter of Wuhan from 2017 to 2021
樱花作为武汉市的一张城市名片，颇负盛名，目前武汉全市种植的樱花树已超过50万株，赏樱点众多。根据武汉市文化和旅游局联合长江日报的推荐结果，选择了具有代表性且热度较高的14个观赏点，结合绘制的武汉市主要赏樱点热岛强度分布（
图7 武汉市主要赏樱点热岛强度分布
Fig.7 Distribution of heat island intensity of the main cherry blossoms places in Wuhan
武汉市主要赏樱点 The major cherry blossoms places in Wuhan | 花期（与武汉大学相比）Flowering duration (Compared with Wuhan University) |
|---|---|
| 晴川假日酒店 Holiday Inn Riverside |
花期约提前1~2 d The flowering duration is about 1‒2 d earlier than the flowering period of Wuhan University |
| 汉口江滩樱花园 Cherry blossom garden in Hankou River Beach | |
| 西北湖绿化广场 Northwest Lake Green Square | |
| 王家墩公园 Wangjiadun Park | |
| 武汉园博园 Wuhan Garden Expo |
花期基本一致 The flowering duration is basically consistent with the flowering period of Wuhan University |
| 青山公园 Qingshan Park | |
| 东湖樱园 Cherry blossom garden in East Lake |
花期约晚1~2 d The flowering duration is about 1‒2 d later than the flowering period ofWuhan University |
| 堤角公园 Dijiao Park | |
| 武汉花博汇 Wuhan Flower Expo | |
| 江夏青春村樱花园 Cherry blossom garden in Jiangxia Qingchun Village | |
| 金融港中路 Financial Port Middle Road | |
| 木兰花谷 Flower Valley in Mulan |
花期约晚4~5 d The flowering duration is about 4‒5 d later than the flowering period ofWuhan University |
| 清凉寨 Qingliang Village |
花期约晚8~9 d The flowering duration is about 8‒9 d later than Wuhan University |
| 锦里沟 Jinli Valley |
以武汉大学樱花始花期为参照，对武汉市14个主要赏樱点的始花期情况进行了预测。由
由于大部分赏樱点并未开展过定时定点的人工观测，缺少物候观测资料，为了检验上述结论是否正确，根据实地调研结果结合新闻报道和社交媒体搜索结果，确定了武汉部分代表性赏樱点2022年的始花期时间，并与武汉大学2022年始花期进行对比（
武汉市主要赏樱点 The major cherry blossoms places in Wuhan | 2022年樱花始花期Flowering duration in 2022 | 与武汉大学花期相比 Compare with Wuhan University |
|---|---|---|
| 武汉大学 Wuhan University | 03-11 | |
| 汉口江滩樱花园 Cherry blossom garden in Hankou River Beach | 03-10 | 早1 d 1 d earlier |
| 武汉园博园 Wuhan Garden Expo | 03-11 | 基本一致 Basically consistent |
| 东湖樱园 Cherry blossom garden in East Lake | 03-11 | 基本一致 Basically consistent |
| 江夏青春村樱花园 Cherry blossom garden in Jiangxia Qingchun Village | 03-13 | 晚2 d 2 d later |
| 木兰花谷 Flower Valley in Mulan | 03-17 | 晚6 d 6 d later |
| 锦里沟Jinli Valley | 03-19 | 晚8 d 8 d later |
本研究利用1961―2021年武汉及周边5个国家气象站点的气象资料，分析了武汉市61年间城市热岛强度的变化趋势，并根据1988―2021年武汉大学樱花始花期的物候观测资料及同期气象资料，研究了樱花花期对冬季城市热岛效应的时空响应，发现武汉城市热岛效应从20世纪80年代末期开始明显增强，至2004年前后达到峰值，随后的6 a（2004―2009年）呈略微下降后波动上升的趋势，这一结论与多位学者对武汉城市热岛效应的研究结果一
1988年武汉城市热岛效应明显增强以来，樱花花期与冬季城市热岛指数间呈明显负相关，即城市热岛效应对武汉大学樱花花期有明显的提前效应。这一结论与相关研究中关于城市热岛对植物花期影响的研究结果一
虽然高程、降水、日照等影响因子对植物物候的影响作用也是不可忽略的，但热岛效应对温度的影响要明显强于高程变化对温度的影响。前期的研究结果表明，武汉大学樱花花期对温度的敏感程度要明显高于其他气象要
尽管本研究在一定程度上揭示了武汉樱花对城市内部热岛效应的响应特征，在一定程度上填补了樱花预报研究在空间分布上的空缺，但热岛效应不仅仅体现在温度的差异，还包括湿度、下垫面性质、城市地表径流等方面的变化，物候的影响因素也不仅限于温度，降水、湿度、辐射及极端天气过程等也会对其造成一定的影响。除温度以外，其他城市小气候的变化对植物物候的影响、除樱花外其他植物物候对城市热岛的响应情况及未来物候变化是否会随着热岛强度的增加而持续变化，是否存在变化的阈值，这些问题都值得未来进一步探讨。
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