Prediction of Spring Flowering Timing in Forested Area in 2023

산림지역에서의 2023년 봄철 꽃나무 개화시기 예측

Changes in flowering time due to weather fluctuations impact plant growth and ecosystem dynamics. Accurate prediction of flowering timing is crucial for effective forest ecosystem management. This study uses a process-based model to predict flowering timing in 2023 for five major tree species in Korean forests. Models are developed based on nine years (2009-2017) of flowering data for Abeliophyllum distichum, Robinia pseudoacacia, Rhododendron schlippenbachii, Rhododendron yedoense f. poukhanense, and Sorbus commixta, distributed across 28 regions in the country, including mountains. Weather data from the Automatic Mountain Meteorology Observation System (AMOS) and the Korea Meteorological Administration (KMA) are utilized as inputs for the models. The Single Triangle Degree Days (STDD) and Growing Degree Days (GDD) models, known for their superior performance, are employed to predict flowering dates. Daily temperature readings at a 1 km spatial resolution are obtained by merging AMOS and KMA data. To improve prediction accuracy nationwide, random forest machine learning is used to generate region-specific correction coefficients. Applying these coefficients results in minimal prediction errors, particularly for Abeliophyllum distichum, Robinia pseudoacacia, and Rhododendron schlippenbachii, with root mean square errors (RMSEs) of 1.2, 0.6, and 1.2 days, respectively. Model performance is evaluated using ten random sampling tests per species, selecting the model with the highest R². The models with applied correction coefficients achieve R² values ranging from 0.07 to 0.7, except for Sorbus commixta, and exhibit a final explanatory power of 0.75-0.9. This study provides valuable insights into seasonal changes in plant phenology, aiding in identifying honey harvesting seasons affected by abnormal weather conditions, such as those of Robinia pseudoacacia. Detailed information on flowering timing for various plant species and regions enhances understanding of the climate-plant phenology relationship.

이상기상으로 인한 봄꽃 개화 시기의 변화는 식물의 생장기간 뿐 아니라 생물계절을 포함한 생태계의 모든 측면에 영향을 미친다. 따라서 봄꽃 개화 시기를 예측하는 것은 산림 생태계의 효과적인 관리에 필수적이다. 본 연구에서는 464곳의 산림에서 수집된 날씨정보를 기반으로 대한민국 산림의 대표적인 5가지 수종(미선나무, 아까시나무, 철쭉, 산철쭉, 마가목)의 2023년 개화 시기를 예측하기 위해 과정 기반 모형을 사용하였다. 이를 위해 28개 지역의 9년간(2009-2017) 개화 시기 자료를 활용하여 모형을 개발하였다. 개화 시기는 식물의 세 개 이상의 위치에서 처음으로 꽃이 피는 것을 기준으로 측정되었다. 본 연구에서는 STDD와 GDD 과정 기반 모형을 사용하여 개화 시기를 예측하였으며, 두 모형 모두 일반적으로 우수한 성능을 보였다. 과정 기반 모형의 주요 입력변수인 날씨 자료는 산악기상관측시스템과 기상청에서 제공하는 기온 정보를 융합하여 1km의 공간 해상도로 일 단위 기온 자료를 생성하였다. 지역별 보정 계수를 생산하고 적용하기 위해 랜덤포레스트 기계 학습을 활용하여 STDD와 GDD 모형을 기반으로 예측 정확도를 개선하였다. 결과적으로 보정 계수가 적용될 때 대부분의 수종에서 개화 시기의 예측 오차가 작았으며, 특히, 미선나무, 아까시나무, 철쭉에서 평균제곱근오차가 각각 1.2, 0.6, 1.2일로 매우 낮았다. 모형 성능을 평가하기 위해 10회의 무작위 샘플링 테스트를 실시하고, 최적의 결정계수 값을 가진 모형을 선택하여 모형의 성능을 평가하였다. 그 결과, 마가목을 제외한 모든 수종에서 보정 계수가 적용된 모형에서 결정계수가 최소 0.07에서 최대 0.7 증가하였으며 최종적으로 75%에서 90%의 설명력을 가졌다. 이를 기반으로 수종별 보정 계수를 산출하였으며, 1km 해상도의 전국 단위 개화시기예측 지도를 제작하였다. 본 연구는 식물의 계절 변화에 대한 자료로 활용될 것으로 예상되며, 수종 및 지역별로 개화 시기를 상세히 설명하여 기후 변화로 인한 계절 변화를 연구하는 데에 유용할 것으로 기대된다. 또한 우리나라 산림의 주요 수종에 대한 정확도 높은 개화 시기 예측 서비스는 산림 방문객들의 산림 경험 만족도를 크게 높일 수 있으며, 양봉업 등 임업 종사자들의 경제적 향상에 기여할 것으로 기대된다.