浙江茶葉春霜凍害的氣候變化特征分析

徐金勤， 邱新法， 曾 燕， 施國萍， 韋翔鴻

(1.南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇南京 210044； 2.江蘇省氣候中心，江蘇南京 210009；3.南京信息工程大學地理與遙感學院，江蘇南京 210044； 4.江蘇省丹陽市氣象局，江蘇丹陽 212300)

茶樹作為中國的一種特色經(jīng)濟作物，其栽培歷史悠久，具有較高的經(jīng)濟價值和生態(tài)效應。浙江省地處中國東南沿海的亞熱帶季風氣候區(qū)，其充足的光溫水等氣候資源為茶葉生產(chǎn)創(chuàng)造了優(yōu)越的環(huán)境。浙江除海島以外的各個地區(qū)基本上都有茶樹栽培，是中國綠茶的主要生產(chǎn)基地[1]。其中，春茶是浙江茶農(nóng)的主要收入來源之一，并且近年來浙江各地早生品種茶葉的種植面積不斷擴增[2]。但是，浙江省由于地處中低緯度的過渡地帶，加上地形復雜多樣，早春季節(jié)經(jīng)常會遭受大面積的霜凍災害和區(qū)域性極端凍害，這就導致其早春茶葉的品質(zhì)和產(chǎn)量下降，經(jīng)濟損失加大。在全球變暖的背景下，研究浙江省早春茶葉春霜凍害的時空演變規(guī)律，對于其茶葉生產(chǎn)布局的合理規(guī)劃和發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，關于浙江茶葉春霜凍害特征的研究相對較少，現(xiàn)有的研究[3-4]中也僅從霜凍日數(shù)上分析茶葉春霜凍害的發(fā)生規(guī)律。為此，本研究利用1971—2016年浙江全省62個氣象站的日最低氣溫觀測資料，構建霜凍強度指數(shù)，逐站統(tǒng)計和計算茶葉春霜凍害發(fā)生的日數(shù)、頻率和強度，詳細分析以上3個氣候致災因子的分布特征和變化趨勢，并基于ANUSPLIN(專用氣候數(shù)據(jù)空間插值軟件)引入海拔高程項，以此體現(xiàn)霜凍強度隨地形變化的特征。研究結(jié)果可為浙江省制定茶葉春霜凍害防御措施、區(qū)域結(jié)構調(diào)整和決策以及農(nóng)業(yè)保險理賠等提供一定的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

浙江省(27°03′～31°11′N，118°02′～123°08′E)地處中國東南沿海，地形復雜多樣，以山地和丘陵居多，約占全省面積的70.4%，平原和盆地次之，占23.2%，河流和湖泊占6.4%，耕地面積僅為208.17萬hm2，故有“七山一水兩分田”之說[5]。境內(nèi)地勢由東南向西北傾斜，西北部以中山丘陵居多，西南山地高峻，谷地幽深，主要山峰海拔高達千米以上，中部多為盆地，東部丘陵廣布，東北部和東南沿海以平原為主。浙江地屬亞熱帶季風氣候區(qū)，四季分明，年氣溫適中，光照較多，雨量豐沛，空氣濕潤，為茶葉生長提供了優(yōu)越的條件。

1.2 數(shù)據(jù)

氣象資料來源于浙江省氣候中心，為浙江省62個基本氣象站1971—2016年逐日最低氣溫觀測資料，包括各站點的經(jīng)緯度、海拔等地理屬性數(shù)據(jù)，氣象站點分布見圖1。地理信息數(shù)據(jù)包括浙江省行政區(qū)劃和分辨率為100 m×100 m的數(shù)字高程模型(digital elevation model，簡稱DEM)數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 茶葉春霜凍等級指標 早春(3、4月)氣溫回升較快，浙江省茶葉正處于生長期，此時大幅度降溫將會對茶葉生長造成很大的危害。本研究基于前人研究成果[3-6]，結(jié)合實際調(diào)研考察情況，將3、4月日最低氣溫(Tmin)≤4 ℃定義為茶葉春霜凍指標，并將其劃分為3個等級：輕度霜凍(2 ℃

1.3.2 基于ANUSPLIN的氣象要素插值 ANUSPLIN是一款專門針對氣候數(shù)據(jù)曲面擬合的軟件[9]，其基于薄盤光滑樣條理論，同時允許引進多元協(xié)變量線性子模型。同其他插值方法相比，ANUSPLIN可以較好地提高氣象要素的插值精度，并能夠反映氣象要素隨其影響因子的變化關系[10-11]。本研究基于ANUSPLIN平臺，引入海拔高程作為協(xié)變量，對日最低氣溫進行插值處理。

1.3.3 霜凍發(fā)生頻率和強度 將每年早春霜凍日數(shù)≥1 d視為有霜凍發(fā)生的年份，則各等級春霜凍發(fā)生頻率計算公式如下：

(1)

式中：i表示霜凍等級，Pi表示各級霜凍發(fā)生的頻率，ni表示各級早春霜凍次數(shù)≥1的年數(shù)，N為資料總年數(shù)。

本研究以最低氣溫表示霜凍強度，同一霜凍等級下最低氣溫越低表示其強度越強[12]。為了統(tǒng)一規(guī)范和便于分析，定義霜凍強度指數(shù)(AT)如下：

(2)

其中：

(3)

式中：Tmin表示日最低氣溫(℃)，I表示日最低氣溫的倒數(shù)(℃)，Imax和Imin分別表示日最低氣溫倒數(shù)的最大值(℃)和最小值(℃)。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶葉春霜凍日數(shù)的時間變化分析

2.1.1 氣候趨勢分析 由圖2-a可見，浙江省春霜凍日數(shù)的氣候傾向率為(-1.97～0.13)d/10年，說明浙江省春霜凍日數(shù)大都呈現(xiàn)下降趨勢。除麗水和溫州部分地區(qū)呈現(xiàn)略微增加趨勢外，浙江省大部分地區(qū)霜凍日數(shù)的氣候傾向率為負值，其降低趨勢由南向北增大，其中變化趨勢最大的地區(qū)位于湖州、嘉興以及寧波和杭州的部分地區(qū)，氣候傾向率低于 -1.30 d/10年；衢州、麗水和溫州等浙南地區(qū)，以及舟山附近沿海地區(qū)的變化趨勢較小，氣候傾向率為(-0.62～0.13)d/10年。此外，有近63%的站點通過了0.05的顯著性檢驗，除湖州、嘉興、杭州、紹興和寧波西部以及臺州和金華中東部地帶通過了0.05的顯著性檢驗外，浙江省其他地區(qū)霜凍日數(shù)的變化趨勢并不顯著(圖2-b)。就浙江省平均而言，1971—2016年春霜凍日數(shù)以 -0.92 d/10年 的趨勢極顯著降低(P<0.01)，46年間浙江省早春霜凍日數(shù)平均降低了4.23 d。

2.1.2 年際變化 由圖3可見，1971—2016年浙江省春霜凍總發(fā)生日數(shù)隨時間呈振蕩式變化，在1996年過渡至1997年時，霜凍日數(shù)出現(xiàn)了急劇下降現(xiàn)象。近46年來，浙江省春霜凍日數(shù)總體表現(xiàn)為下降趨勢，以1996年為界，1971—1996年的平均春霜凍日數(shù)明顯高于1997—2016年，但從變化趨勢來看，1997年之后的霜凍日數(shù)又呈現(xiàn)出增加趨勢(1.35 d/10年)，尤其是2005年的春霜凍總?cè)諗?shù)達到了11 d。

2.1.3 突變分析 由圖4-a可見，浙江省春霜凍日數(shù)的累計距平值在1971—1996年振蕩式上升，在1997—2016年波動式下降，于1996年出現(xiàn)累計距平的最大值。由滑動t檢驗(圖4-b)可知，浙江省總春霜凍日數(shù)在1996年發(fā)生了顯著突變，從一個相對偏多期躍變?yōu)橐粋€相對偏少期。由上述分析可知，累計距平法與滑動t檢驗法均表明在1996年浙江省早春霜凍日數(shù)發(fā)生突變。突變前(1971—1996)的平均年霜凍日數(shù)為7.97 d，突變后(1997—2016)的平均年霜凍日數(shù)為5.08 d，較突變前降低了2.89 d(圖3)。

2.2 茶葉春霜凍日數(shù)的空間分布

由圖5-a、圖5-b、圖5-c可見，輕度霜凍發(fā)生的日數(shù)明顯比其他2個級別要高，霜凍日數(shù)北多南少，浙北大部分地區(qū)以及溫州西南部的霜凍日數(shù)平均每年達3.65 d以上， 麗水的中南部和溫州地區(qū)的霜凍日數(shù)較低，平均低于2.64 d/年。中度霜凍日數(shù)的分布與輕度霜凍基本一致，高值區(qū)位于浙北，年平均不低于2.04 d，低值區(qū)主要位于溫州和麗水中東部地區(qū)，其霜凍日數(shù)年平均低于1.28 d。重度霜凍日數(shù)的高值區(qū)主要分布在浙西北部和浙中東部的高山、丘陵地帶，以及溫州西南部的南雁蕩山區(qū)域，在這些地區(qū)平均每年發(fā)生重度霜凍達1.11 d以上，溫州以及金衢盆地的霜凍日數(shù)較低，年均低于0.63 d。

從總春霜凍日數(shù)的空間分布來看(圖5-d)，霜凍日數(shù)北多南少，由東南向西北遞增，這種分布體現(xiàn)了其緯度和地形地勢的分布特征。其中，高值區(qū)主要分布在浙北和浙中東部地區(qū)，尤其是緯度和海拔均較高的西北地區(qū)，平均每年的霜凍總?cè)諗?shù)達到了8.90 d以上；在緯度較低的溫州西南部也出現(xiàn)了一個相對高值區(qū)，平均每年達6.66 d以上，這主要是由于其地處南雁蕩山區(qū)域，海拔相對較高所致。低值區(qū)主要分布在溫州以及麗水西南部，平均每年霜凍日數(shù)低于4.52 d。

2.3 茶葉春霜凍發(fā)生頻率的空間分布

由圖6可見，浙江全省輕度霜凍發(fā)生的頻率在54%以上，其中大部分地區(qū)的頻率達到87%以上，說明浙江全省遭受輕度霜凍的歷史頻率普遍較高。中度霜凍發(fā)生的頻率以溫州沿海地區(qū)最低，在51%以下，而在浙北和浙中的大部分地區(qū)，霜凍頻率高達81%以上。重度霜凍發(fā)生頻率的空間分布總體表現(xiàn)為北高南低、從東南向西北增大的趨勢，低值區(qū)主要集中在浙南以及金衢盆地，頻率低于38%，浙北、浙中東部及溫州西南部地區(qū)較高，在72%以上。

以Tmin≤4 ℃為茶葉春霜凍綜合指標，統(tǒng)計浙江省1971—2016年霜凍發(fā)生的頻率，如圖6-d所示，溫州沿海地區(qū)以及金衢盆地部分地區(qū)的頻率相對較低，在86%以下，除此之外的大部分地區(qū)高達95%以上。

2.4 茶葉春霜凍強度的空間分布

基于ANUSPLIN對最低氣溫插值，借助前面介紹的數(shù)理方法，得到如圖7所示的浙江省茶葉各等級春霜凍強度指數(shù)精細化分布空間圖。

由圖7-a可見，浙江省茶葉輕度霜凍強度整體表現(xiàn)為北高南低的趨勢，強度較大的區(qū)域主要集中在浙西北、中東部地區(qū)以及衢杭西部高山區(qū)，強度指數(shù)達0.81以上；在湖州和嘉興北部、金衢盆地、麗水西南山區(qū)、溫州丘陵地帶，其強度指數(shù)為 0.65～0.81；低值區(qū)主要分布在浙南和金衢盆地部分地帶，強度指數(shù)低于0.53。

由中度霜凍強度指數(shù)的空間分布(圖7-b)可見，其強度指數(shù)較大值主要分布在浙江西北部和中東部地區(qū)，高達0.83以上；麗水西南部存在1個相對高值區(qū)，其強度指數(shù)為 0.64～0.83；浙江省東南部以及衢州西北部的強度指數(shù)相對較低，在0.52以下。

由圖7-c可見，重度霜凍的強度指數(shù)整體偏大，較低值僅分布在溫州東南沿海地區(qū)、金衢盆地以及紹興、寧波北部的平原地帶，其中溫州東南沿海和金衢盆地部分地區(qū)的強度指數(shù)最低，在0.57以下；除此之外的大部分地區(qū)其強度指數(shù)均高達0.71以上，尤其是浙西北和衢州西北部中山區(qū)、中東丘陵區(qū)以及浙南高山區(qū)，其強度指數(shù)不低于0.87，且部分山脈地區(qū)的強度指數(shù)高達0.93以上。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

在全球變暖的背景下，1971—2016年浙江省平均茶葉春霜凍總?cè)諗?shù)以-0.92 d/10年的傾向率極顯著降低(P<0.01)，在1996年出現(xiàn)突變，從一個相對偏多期躍變?yōu)橐粋€相對偏少期。其中，1971—1996年的平均霜凍日數(shù)為7.97 d，1997—2016的霜凍日數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(1.35 d/10年)，平均霜凍日數(shù)為5.08 d，較突變前降低了2.89 d。

浙江省近幾十年春霜凍日數(shù)的空間分布總體表現(xiàn)為北多南少，由東南向西北遞增的趨勢。輕度霜凍發(fā)生的日數(shù)比其他2個級別要高，各等級霜凍日數(shù)的空間分布基本一致，其中高值區(qū)主要分布在浙北和浙中東部地區(qū)的高山、丘陵地帶，低值區(qū)集中分布在浙東南以及金衢盆地，這種分布體現(xiàn)了其緯度和地形地勢特征。

總體來看，浙江省茶葉春霜凍害發(fā)生頻率普遍較高，除東南沿海以外，浙江省大部分地區(qū)發(fā)生霜凍的頻率高達95%以上。低、中度春霜凍發(fā)生頻率的空間分布與綜合春霜凍一致，其中，輕度霜凍發(fā)生頻率相對較高，全省皆在54%以上；重度霜凍發(fā)生頻率相對較低，空間分布總體表現(xiàn)為北高南低，從東南向西北增大的趨勢，低值區(qū)主要集中在浙南以及金衢盆地，頻率低于38%，浙北和浙中東部及溫州西南部地區(qū)較高，在72%以上。

浙江省茶葉重度春霜凍的強度整體偏大，除溫州東南部、金衢盆地以及紹興、寧波北部的平原地帶，大部分地區(qū)的強度均高達0.71以上；低、中等級霜凍強度的高值區(qū)均集中位于浙西北、中東部的山地丘陵地帶，而浙東南沿海地區(qū)的強度較低。

3.2 討論

眾多學者研究認為，中國霜凍日數(shù)表現(xiàn)為一致的下降趨勢[13-14]。本研究也表明，近46年來浙江省早春霜凍日數(shù)總體表現(xiàn)為下降趨勢，但是其霜凍日數(shù)在1997年之后又呈現(xiàn)出增加趨勢。此外研究表明，霜凍日數(shù)與最低氣溫之間存在極為密切的關系[15]，在全球變暖的大背景下，浙江省1971—2016年的最低氣溫隨時間持續(xù)上升，但霜凍日數(shù)對其變化的響應卻呈現(xiàn)出階段性不同，這是一個非常值得關注和探討的問題。同時這也說明浙江省的茶葉春霜凍預警和防御工作目前仍需進一步加強，以應對這種春霜凍害的特殊氣候響應現(xiàn)象。

本研究基于ANUSPLIN，引入海拔高程作為協(xié)變量對最低氣溫進行插值，一方面可以提高其插值精度，另一方面，基于最低氣溫得到的霜凍強度指數(shù)可以體現(xiàn)出地形海拔項的作用，進一步提高了結(jié)果的真實性和可靠性?？傮w來看，本研究從氣候致災角度出發(fā)，詳細分析了浙江省茶葉春霜凍發(fā)生日數(shù)、頻率和強度的時空變化特征，研究結(jié)果可為浙江省大尺度的茶葉春霜凍害防御工作提供一定的科學參考。但是，浙江省部分地區(qū)的茶葉在春季到來之前已進入開采期，且浙江省南北地區(qū)的茶葉開采期也不盡一致，如浙南地區(qū)，在2月中下旬左右茶葉就已進入開采期，此時發(fā)生霜凍也會對茶葉生長造成一定危害。因此，在未來研究中將會進一步考慮茶葉采摘期的問題，以期為茶葉春霜凍害進行更為精準化的氣候變化特征評估。