桦树花粉的短距离扩散

《Agricultural and Forest Meteorology》：Short-distance dispersion of birch pollen

该研究在2024年北海道Ebeisu孤立桦树林下游设置花粉收集器，结合气象观测与YOLOv5机器学习算法，发现200米下游处花粉浓度峰值显著，日变化与气温呈正相关（p<0.05），风速相关性较弱（p=0.08）。数值模拟显示温度梯度主导花粉沉积，但模拟浓度较实际高约30%。研究为高分辨率花粉预报模型提供校准依据。

　　

山根敏和 | 猪津正 | 川野淳 | 佐藤卓人 | 日坂宏之

三井咨询公司，日本东京

摘要

本研究旨在通过实地观察获取白桦花粉沉积数据的基本信息，以便进行高分辨率、精确的花粉建模。2024年花粉传播高峰期，在日本北海道江别町的一片孤立的白桦树林下方及三个下风向位置安装了简单的花粉收集器。同时，在这些地点进行了气象观测。采集到的白桦花粉样本通过显微镜进行成像处理。我们应用了机器学习算法“YOLO”v5对图像进行了自动计数。结果显示，花粉浓度在距离树林200米处的位置最高，并且在所有距离上都观察到了昼夜变化。下游地区的花粉浓度与气温存在显著相关性，而与风速的相关性则较为不明显。尽管模拟结果显示花粉主要沉积在树林附近，但大涡模拟结果支持了观测结果。

引言

白桦花粉是许多亚北极气候区春季花粉症的主要诱因。在东北亚地区，Betula platyphylla var japonica Hara这种白桦树广泛分布。白桦花粉症的症状包括流鼻涕、打喷嚏、眼睛发痒以及对蔷薇科水果的口腔过敏。据估计，日本札幌市的患者数量达数十万（Baba和Nakae，2008年）。虽然抗过敏药物可以有效缓解花粉症症状，但最基本的方法是避免接触花粉。为此，需要根据可靠的预测信息提前了解花粉的释放时间、地点和数量。

已有研究表明，花粉释放量可能与日照时间和气温的昼夜变化有关（Fehér和Járai-Komlódi，1998年；Inatsu等人，2021年）。此外，已知白桦花粉的传播时间从4月持续到6月（Bricchi等人，2000年；Skjoth等人，2007年）。札幌市北海道公共卫生研究所的花粉监测数据显示，白桦花粉的总释放量存在周期性变化（Kobayashi等人，2013年）。此外，根据前一年的雄性花序数量可以预测总花粉量（Ranta等人，2008年）。因此，这些总体关系使得天气预报中的花粉信息仅限于城市层面的定性描述。

Sovief等人（2006年）首次提出了一个包含花粉释放、传播和沉积过程的白桦花粉模型。他们利用卫星数据估算了白桦树的分布，并根据风速、气温和相对湿度建立了排放过程模型，成功模拟了欧洲地区的花粉传播情况（Sovief等人，2013年）。然而，由于白桦花粉主要沉积在树木附近，上述模型中的50公里水平分辨率不足以考虑城市区域中特定白桦林的影响。最近，Inatsu等人（2021年）通过密集的实地调查绘制了札幌市城区100米分辨率的白桦树分布图，为高精度花粉模拟提供了重要依据。在他们的研究中，花粉释放和沉积过程被简化处理，因为目前尚不清楚具体的释放量和沉积机制（这些过程可能受气象条件影响）。Inatsu等人（2014年）指出，在北海道，昼夜温差是影响白桦花粉数量的主要气象因素。但由于缺乏亚日尺度上的观测数据（不仅针对白桦花粉，也适用于其他植物），气象驱动的花粉通量仍不明确。此外，整个季节内的总花粉释放量也尚未确定，经气象校正后的花粉通量仍缺乏深入理解。因此，花粉释放对气象因素的敏感性需要通过实地观测来验证。

本文旨在通过观测了解触发白桦花粉短期释放的环境条件及其主要沉积位置，并利用理想化的数值模拟准确再现这些过程。我们选择了北海道江别町一个理想环境——在该地区，花粉传播季节期间风向与白桦树林垂直。在晴朗温暖的日子里，我们每隔三小时（夜间除外）在树木下风向的多个位置收集干燥沉积的花粉，并借助机器学习技术对图像中的花粉进行计数，同时结合气象数据进行分析。此外，我们还模拟了类似观测条件下的花粉传播情况。

气象数据

我们使用了日本气象厅（JMA）提供的自动气象数据采集系统（AMeDAS）和中尺度模型分析（MANL）数据。AMEDAS是一个在日本境内大约20公里间隔布设的气象观测网络，能够实时传输测量数据。MANL则是基于JMA的中尺度模型预报和观测数据生成的网格化数据。AMEDAS数据集包含从日本时间09:00开始的10分钟间隔数据

天气概况

2024年4月26日和27日，北海道受到太平洋一侧的反气旋影响，天空晴朗，风向主要为南风或东南风（天气图未显示）。图S2展示了基于JMA中尺度分析MANL的北海道中部温度和风的水平分布情况。温度呈现出明显的昼夜变化特征：4月27日下午札幌市中心的温度达到了28°C（图S2e），比26日高出约3°C

讨论

我们在一个理想条件下进行了花粉收集：花粉源与风向垂直。这有助于清晰了解花粉在源附近的传播动态。由于目标区域的白桦树高度与周围建筑物相当，因此从树木释放的花粉不太可能扩散到远处。相比之下，由于白桦树的特点...

结论

在理想化环境中（即白桦树与风向垂直排列的情况下）进行的实地观测表明，花粉主要沉积在距离树林200米处的位置。该处的花粉数量表现出明显的昼夜变化，且与气温呈正相关。这一结论得到了使用City-LES模型（Kusaka等人，2024年）在类似条件下的模拟结果的支持。模拟结果显示...

资金来源

本研究得到了北海道天气预报和技术开发研究领域的支持（由北海道天气技术中心有限公司提供资助）。

数据获取

如需，我们可以提供处理后的数据。

作者贡献声明

山根敏和：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件开发、方法论设计、数据整理。猪津正：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、方法论设计、数据整理、资金筹措、概念构思。川野淳：撰写 – 审稿与编辑、资源调配、方法论设计、数据整理。佐藤卓人：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、方法论设计。日坂宏之：撰写 – 审稿与编辑