1887年2月2日，宾夕法尼亚州的潘克苏陶尼市民向一只土拨鼠请教，以预测春天的到来，这标志着第一次正式的土拨鼠日庆祝活动。尽管我们的季节预测能力仍然有限，但最近的研究有望显著提高季节预测的可靠性。
1887年2月2日，在宾夕法尼亚州的潘克苏陶尼，当地人求助于一只大型啮齿动物，以预测春天的到来，标志着首届土拨鼠日庆祝活动的开始。佛罗里达自然历史博物馆生物多样性信息学策展人罗布·古拉尔尼克认为，自那时以来，我们预测季节变化的能力并没有显著提高。
“我们无法像预报天气那样准确预测春天是否会早来或晚到，”他说。
天气影响季节的开始和结束，但同样重要的是了解植物和动物如何应对这些变化，这一领域称为物候学。虽然气象学家可以可靠地预测几个月以后的温度，但预测树木何时将在不同栖息地开始长叶子常常让科学家困惑。
气候变化等问题的复杂性进一步使这些预测变得复杂。
然而，最近在期刊《环境与地球通讯》中发表的一项研究旨在使季节预测变得不那么令人生畏且更加可靠。研究人员改进了现有的物候预测方法，并引入了一种指标，以衡量特定区域春季温度上升的速度。这一进展使他们能够预测过去150年间叶子和花的生长时间变化。
美国的植物物种现在开花的时间比一个半世纪前提前了三到四周。
这一重大发现源于重新发现一份过时的19世纪报告，该报告包含关于美国东部各种植物和动物的丰富物候数据。这组数据代表了史密森学会早期通过志愿者贡献组织的跟踪美国生物模式的尝试，使其成为该国第一个基于物候学的公民科学项目。
以历史生长数据为基准，作者通过预测1850年代到17年后的植物生长时间变化来验证他们的方程式。随后，他们将这些预测与当代数据进行比较，以评估其准确性。
美国国家物候网络主任、该研究的共同作者特蕾莎·克里敏斯在撰写关于物候学的章节时发现了这份旧报告。“我发现这份旧文件数据丰富。大多数引用的报告只是摘要，”她说。
该报告源于史密森学会设立的一个简短的公民科学倡议，旨在观察季节变化，并由美国专利局发行了两卷。第二卷详细说明了植物和动物数据，由于内战期间产生大量官方文件，出版延迟。出版后，报告包含了从密歇根州到佛罗里达州，甚至西至加利福尼亚州的植物生长信息。
“这是我们拥有的最大规模物候数据集，过去与现在的差异是显著的，”古拉尔尼克指出。
为了验证他们的发现，作者首先分析了历史数据集中植物的生长周期，并与过去十年中对18种植物物种的观察进行比较。他们预计会出现气候变化带来的变化，但被观察到的差异程度震惊了他们。
“所有18种植物都展示了更早的叶子生长和开花模式，”克里敏斯解释道。“平均而言，这些事件发生的时间比过去提前了三周以上，某些物种的开花时间甚至提前超过一个月。”
全球变暖导致春天更早和夏天延长这一点是众所周知的，但在如此长的时间内确认这一点是罕见的，因为缺乏历史数据。
春季的升温速度影响植物叶子和花卉的发育时间。
然而，并非美国东部的每个地区或每个物种在过去175年中经历了相同程度的变化。例如，东北部的物候学进展比东南部更为显著。传统的用于预测叶子生长和开花的方程在解释这些不同趋势时遇到了困难。
通常，科学家利用两个关键因素来预测物候学：植物的地理位置和它们对温暖天气的需求。虽然这种方法对某些特定物种在有限区域内有效，但对于整个森林春天何时到来的广泛变化，这种方法的有效性较差。
这一挑战通常归因于物种之间以及物种内部的重大变异。
例如，一棵枫树的反应与橡树不同，即使是同一种橡树，根据其地理位置的不同也会有所差异。
气候变化带来了进一步的复杂性。
“不仅物种间存在差异，且不同纬度的升温速率也不同。高纬度地区的升温速度更快，”共同作者、佛罗里达大学佛罗里达医学昆虫学实验室助理教授林赛·坎贝尔指出。
尽管如此，即使考虑到这些升温速率的差异，一些模式仍然令人困惑。例如，红枫通常是北美东部最早开花的植物之一，它们在冬末和早春产生艳丽的红色花朵，而粉色杜鹃花则在仲春时期开花。然而，在某些情况下，通常开花较晚的杜鹃可能在与早开花的枫树生长在相同纬度时先开花。
古拉尔尼克推测可能有一个缺失的元素可以澄清这些趋势。他建议向植物的位置和温度需求中增加“升温速度”的测量，以指示春季温度上升的速度。靠近大型水体的地区在春季升温较慢，因为水的升温速度比空气慢，并且保持热量的时间更长，这通常导致冬季气候更加温和。古拉尔尼克在纸上产生了初步想法，并与克里敏斯和坎贝尔合作，完善了这一概念，开发了一种将升温速度与温暖需求相结合的模型，以预测物候学。
为了验证这一概念，两名实习生米凯拉·基斯和卡洛琳·戴维斯对史密森报告的历史数据进行了数字化处理。共同作者、佛罗里达大学生物系研究生艾琳·格雷迪整理了通过公民科学家收集的现代数据，这些数据可以通过iNaturalist和国家物候网络获得。
在分析数据后，他们的直觉得到了验证。包括升温速度的预测与观察到的模式很好地吻合。
此外，这一方法为以前无法解释的模式提供了合理的解释，例如晚开花的植物超过早开花植物。在温度快速升高的地区，通常在较晚开花的粉色杜鹃花可能在一个温度上升较慢的区域开花，早于与之相比的枫树。
在生态系统周期预测中的精确度提高可能有助于保护者在规划工作中的努力。古拉尔尼克指出，随着气候变化导致全球温度的持续上升，植物和动物物种不仅在调整它们的时间表，还在改变它们的地理分布。
“我曾对我们预测世界未来样貌的能力感到怀疑，但我相信通过采用更全面的方法并理解基本过程，我们正在取得进展。这样做将帮助我们更好地管理我们仍然拥有的生物多样性，”他总结道。
