基于MCI指數(shù)的安溪茶區(qū)氣象干旱特征分析*

陳 立 楊麗慧 潘 航 白 龍

(福建省氣候中心，福建 福州 350008)

1 概述

干旱是影響茶樹品質(zhì)下降的重要因子[1],它對茶樹的生長發(fā)育、葉片的生理生化特性均會產(chǎn)生不同程度的影響[2]。伍炳華等研究表明，在水分虧損時，會加快茶葉葉片衰老，影響茶葉的品質(zhì)質(zhì)量[3]。陳家金等指出，夏秋旱是福建茶樹生長發(fā)育的致災(zāi)因子之一，受旱災(zāi)的茶樹生長滯緩，使得芽葉瘦、嫩度差、苦味重，而本文研究的安溪茶區(qū)屬于夏秋旱的重災(zāi)區(qū)[4]。賴積強等[5]指出，高溫干旱、低溫凍害、暴雨洪澇是影響福建省松溪縣茶葉產(chǎn)品和品質(zhì)的重要原因；林江[6]也指出，干旱對壽寧縣和屏南縣高海拔地區(qū)茶葉生產(chǎn)產(chǎn)生了重要影響。

本文通過安溪國家氣象觀測站的逐日氣象資料計算的氣象干旱綜合指數(shù)(以下簡稱MCI指數(shù))來分析安溪茶區(qū)夏、秋、冬三季氣象干旱的氣候特征，為安溪縣茶農(nóng)科學(xué)防范干旱對鐵觀音品質(zhì)影響提供指導(dǎo)依據(jù)。

2 資料和方法

2.1 資料的選取

安溪國家氣象觀測站(以下簡稱安溪站)始建于1958 年9月26日(區(qū)站號58929，25°03′49″N，118°12′25″E，海拔高度130.6m，見表1)，位于安溪縣參內(nèi)鄉(xiāng)圓潭村茶葉公園山頂。

安溪縣鐵觀音茶場共建有氣象站6個(見表1)，其中3個為區(qū)域自動氣象站，包括西坪鎮(zhèn)松巖村魏蔭茶園、湖上鄉(xiāng)茶場和龍涓鄉(xiāng)舉源村茶園。3個為農(nóng)田小氣候站，包括西坪鎮(zhèn)珠洋村八馬茶園、感德鎮(zhèn)霞云村生態(tài)茶園和祥華鄉(xiāng)福洋村冠和茶園。3個區(qū)域自動站觀測開始時間均從2008年開始，F(xiàn)5407觀測起始時間最早(2008年1月4日)；3個農(nóng)田小氣候站開始時間均從2015年11月后開始，其中F5425觀測起始時間最早(2015年11月1日)。

表1 安溪茶區(qū)氣象站基本信息

圖1 安溪站及各茶區(qū)氣象站分布及地形圖

2.2 干旱指標(biāo)選取

氣象干旱是由于降水長期虧缺和近期虧缺綜合效應(yīng)的累加，長期以來，相關(guān)學(xué)者根據(jù)不同的研究對象和區(qū)域建立了不同的干旱指數(shù)(包括CI指數(shù)[7-8]、SPEI指數(shù)[9-10]、SPI指數(shù)[11-12]等)。國家氣候中心在多種干旱指數(shù)對比研究的基礎(chǔ)上，修訂了《氣象干旱等級》國家標(biāo)準(zhǔn)，改進并研制了氣象干旱綜合指數(shù)法，該標(biāo)準(zhǔn)已運用于福建氣象干旱的研究中[13]。因此，本文在干旱指標(biāo)上選取國家氣象干旱等級(GB/T 20481-2017)中的氣象干旱綜合指數(shù)[14](即MCI指數(shù))，考慮了近60d內(nèi)的有效降水(權(quán)重平均降水)和蒸發(fā)(相對濕潤度)的影響，以及季度尺度(近90d)和半年尺度(近150d)降水長期虧缺的影響，并考慮了不同季節(jié)、不同區(qū)域主要農(nóng)作物對土壤水分的敏感程度。根據(jù)各地區(qū)站點逐日監(jiān)測的MCI指數(shù)得出單站和區(qū)域干旱過程判別方法和標(biāo)準(zhǔn)。

MCI=Ka×(a×SPIW60+b×MI30+c×SPI90+d×SPI150)

(1)

式(1)中，Ka為季節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)，根據(jù)各地主要農(nóng)作物生長發(fā)育階段對土壤水分的敏感程度，確定不同季節(jié)的Ka系數(shù)。對于福建，根據(jù)GB/T 20481-2017[14]，5—8月Ka為1.2,11—12月和1—2月Ka為0.9，其余月份為1.0。

在混合式教學(xué)過程中，應(yīng)避免過于依賴多媒體，過于強調(diào)信息化手段的作用；信息化教學(xué)手段不能取代真實物理實驗情境；要依據(jù)學(xué)生的接受能力來科學(xué)使用信息技術(shù)及手段，并科學(xué)合理地設(shè)計課堂教學(xué)內(nèi)容。

SPIW60為近60天標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化處理計算方法參考GB/T 20481-2017[14]，式(2)中WAP代表權(quán)重累計降水量，單位為mm；式(3)中n表示某一時段的長度，單位為d；Pn為距離當(dāng)天前第n天的降水量，單位為mm。計算公式如下：

SPIW60=SPI(WAP)

(2)

(3)

MI30為近30d濕潤度指數(shù)，計算方法參考GB/T 20481-2017[14]。某段時間的降水量與同時段潛在蒸散量之差除以同時段潛在蒸散量得到的指數(shù)，主要涉及月平均氣溫及時段降水量。SPI90、SPI150為近90d和近150d標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，以氣象站觀測的降水量作為計算指數(shù)的依據(jù)。

a、b、c、d為SPIW60、MI30、SPI60和SPI150各項的經(jīng)驗權(quán)重系數(shù)，北方和西部地區(qū)分別取0.3、0.5、0.3和0.2，南方地區(qū)取0.5、0.6、0.2和0.1。對于福建安溪地區(qū)的4項權(quán)重系數(shù)，參考南方地區(qū)的參考指標(biāo)。由此可見，MCI指數(shù)與氣象站觀測的降水量和氣溫有關(guān)。MCI指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 MCI指數(shù)等級劃分

2.3 具體方法

安溪站位于安溪縣城(圖1)，與安溪主要茶區(qū)所在的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有一定距離，并且安溪茶區(qū)自動氣象站資料時間長度較短，其統(tǒng)計結(jié)果在氣候時間尺度上不具有代表性。再加上各茶區(qū)自動氣象站觀測期間均出現(xiàn)不同程度的缺測，導(dǎo)致資料存在不同程度的不完整性。綜合以上因素，安溪氣象站長年代統(tǒng)計得到的氣象干旱綜合監(jiān)測指數(shù)(MCI)是否能夠代表安溪各茶區(qū)的干旱氣候變化特征需進行評估。首先，分析安溪站與安溪6個茶區(qū)氣象站在干旱條件下MCI指數(shù)的相關(guān)性。其次，在相關(guān)性較好的情況下，運用具有較高統(tǒng)計意義的安溪國家氣象觀測站長年代計算的MCI指數(shù)進行統(tǒng)計。最后，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果運用正態(tài)化分布和MCI指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)等級(見表2)分析安溪茶區(qū)氣象干旱的變化特征。

3 結(jié)果分析

3.1 安溪站與各茶區(qū)氣象站相關(guān)性分析

安溪縣鐵觀音茶場已建的3個自動氣象站和3個農(nóng)田小氣候站可獲得每日的降水與氣溫。根據(jù)式(1)計算得到安溪站和安溪各茶區(qū)氣象站的MCI指數(shù)，將安溪站與上述6個茶區(qū)氣象站自建站以來至2020年2月干旱條件下夏、秋、冬三季的MCI指數(shù)進行相關(guān)性分析。

從相關(guān)性結(jié)果來看(見表3)，西坪八馬與安溪站的干旱指數(shù)相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達到了0.729；其次為感德霞云，相關(guān)系數(shù)0.708；相關(guān)系數(shù)較低的為魏蔭茶園和湖上鄉(xiāng)，相關(guān)系數(shù)分別為0.633和0.620。

表3 干旱時安溪站與各茶區(qū)氣象站MCI指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

綜上所述，安溪各茶區(qū)氣象站與MCI指數(shù)相關(guān)性較高，吻合性較好。因此安溪站得到的長年代MCI指數(shù)變化趨勢能夠代表安溪6個茶區(qū)干旱災(zāi)害的氣候變化特征。

3.2 極端干旱

本文采用長時間序列的安溪站日降水量和日平均氣溫，計算1961年6月至2020年2月安溪站夏、秋、冬三季逐日的MCI指數(shù)，得出MCI指數(shù)的日平均值(μ)以及標(biāo)準(zhǔn)差(σ)。運用正態(tài)分布方法定義在(μ-1.96σ，μ+1.96σ)區(qū)間上的MCI指數(shù)為正常值，區(qū)間外則定義為異常值(出現(xiàn)的概率不超過0.05)，最低氣溫低于μ-1.96σ定義為異常低值。

安溪MCI干旱指數(shù)平均值0.40，最小值為-2.90(1991年6月17日)，標(biāo)準(zhǔn)差1.29。結(jié)合圖2中MCI干旱指數(shù)的頻率分布可以看出，安溪站MCI指數(shù)頻率出現(xiàn)次數(shù)最多的主要集中在-0.5～0.5，占總數(shù)的30.20%；其次是集中在0.5～1以及-1～-0.5之間，分別占總數(shù)的13.32%和12.72%。通過正態(tài)分布曲線的規(guī)律，得出了安溪氣象站MCI干旱指數(shù)異常低值為低于-2.12。因此可將MCI指數(shù)低于-2.12定義為安溪縣極端干旱事件。

安溪極端干旱事件均發(fā)生在1983年后，除1987年10月17—23日、1996年2月14—17日出現(xiàn)極端干旱外，安溪極端干旱事件均出現(xiàn)在夏季的6—8月。

圖2 1961—2020年安溪站夏、秋、冬三季MCI指數(shù)頻率分布及正態(tài)分布曲線

3.3 MCI指數(shù)年際變化特征

依據(jù)MCI指數(shù)輕旱、中旱、重旱和特旱的四個量化等級的劃分(見表2)，通過統(tǒng)計每年夏秋季及冬季出現(xiàn)的干旱日數(shù)來分析安溪旱災(zāi)的氣候特征。

統(tǒng)計1961年6月至2020年2月安溪干旱日數(shù)(夏秋冬旱)的年際變化特征。從圖3可以看出，安溪干旱日數(shù)呈緩慢遞增趨勢，20世紀70年代年干旱日數(shù)較少，年干旱日數(shù)超過130d的日數(shù)均出現(xiàn)在20世紀80年代后，干旱日數(shù)最多時期出現(xiàn)在1995年6月至1996年2月的181d。

圖3 安溪站1961年6月至2020年2月干旱日數(shù)(夏秋旱及冬旱)時間變化特征

圖4是安溪夏、秋、冬三季不同等級干旱日數(shù)的時間變化特征。從干旱嚴重程度上看，安溪站重旱以上的十年平均日數(shù)較高值均出現(xiàn)在20世紀80年代后，1971—1980年十年間重旱以上的日數(shù)僅為1.2d，重旱以上日數(shù)次少值出現(xiàn)在1961—1970年，可見20世紀80年代后安溪干旱嚴重程度明顯增加。安溪站1983年前均未出現(xiàn)特旱現(xiàn)象，2001—2010年十年間出現(xiàn)特旱日數(shù)最多，年平均特旱日數(shù)5.8d。從年份上來看，2003年6月至2004年2月出現(xiàn)的特旱日數(shù)最多，達27d。重旱1981—1990年間最多，平均16.7d，其次為2001—2010年，平均13.1d，重旱日數(shù)出現(xiàn)的最多年份為2017年6月至2018年2月，共出現(xiàn)54d。

安溪中旱出現(xiàn)最多的時間段為20世紀80年代，平均中旱日數(shù)35.2 d；輕旱出現(xiàn)最多的時間段為20世紀90年代，平均輕旱日數(shù)42.8d。

圖4 安溪站不同等級干旱日數(shù)年代際變化特征

從1961—2020年安溪夏、秋、冬三季的MCI指數(shù)月分布特征看出(見表4)，安溪冬季旱災(zāi)的占比最高(12月至次年2月)，占比41.1%，其次是秋季，夏季干旱日數(shù)相對偏少。從6月至次年2月的分布來看，12月旱災(zāi)的占比最高，占比達17.2%，其次為11月的16.7%和1月的14.1%。

表4 1961—2020年安溪站夏、秋、冬季各月干旱發(fā)生頻率

雖然安溪冬季干旱發(fā)生的頻率最高，但從圖5可以看出，特旱主要出現(xiàn)在夏季，其中7月發(fā)生頻率高達40.8%；冬季特旱日數(shù)較少，秋季的9月、11月和冬季的1月均未發(fā)生特旱。重旱以秋、冬季發(fā)生的頻率較高，冬季(12月、1月和2月)發(fā)生重旱的頻率達36.4%。輕旱和中旱在10月至次年的2月期間發(fā)生頻率較高。

圖5 1961—2020年安溪站夏、秋、冬三季不同干旱等級MCI指數(shù)的月季分布

3.4 干旱持續(xù)時間

統(tǒng)計安溪建站以來持續(xù)時間超過30d的連旱事件，得到20世紀80年代后安溪連旱事件頻率達68.5%。從連旱事件發(fā)生的季節(jié)尺度上看，安溪連旱主要發(fā)生在秋季和冬季，發(fā)生頻率高達77.7%。其中秋冬連旱占比最高，發(fā)生頻率達37.0%；其次為冬季連旱的25.9%；夏季連旱、秋季連旱的發(fā)生頻率分別為16.7%和14.8%；夏秋連旱發(fā)生頻率最少，僅為5.6%。

分析1961—2020年安溪站夏、秋、冬季(6月至次年2月)各干旱等級的持續(xù)時間(見表5)，其中，特旱持續(xù)時間最長達24d，出現(xiàn)時間為2003年7月12日至8月4日，屬夏季連旱；重旱持續(xù)時間最長的是發(fā)生在2017年9月24日至11月12日，持續(xù)時間達50d；中旱持續(xù)時間最長的是發(fā)生在1984年10月13日至12月10日，持續(xù)時間達59d；輕旱持續(xù)時間達41d，從1966年10月3日持續(xù)到11月12日。

表5 1961—2020年安溪各等級干旱過程最長持續(xù)日數(shù)

4 結(jié)論

①安溪各茶區(qū)自動氣象站氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)指數(shù)與安溪站相關(guān)性較高，吻合性較好。因此安溪站長年代得到的MCI指數(shù)能夠符合安溪6個茶區(qū)的干旱氣候變化特征。

②運用正態(tài)分布方法統(tǒng)計1961—2020年安溪站夏、秋、冬三季(6月—次年2月)逐日的MCI指數(shù)，得到當(dāng)MCI指數(shù)低于-2.12時，安溪干旱程度異常嚴重。安溪極端干旱事件均出現(xiàn)在20世紀80年代后。

③從年代際分布特征上看，安溪干旱日數(shù)(夏秋冬旱)呈緩慢遞增趨勢，20世紀80年代后安溪干旱嚴重程度明顯增加。從季節(jié)分布上看，安溪冬季出現(xiàn)干旱的天數(shù)最多，特旱天數(shù)在夏季最多，持續(xù)性干旱事件主要發(fā)生在秋冬季。

④20世紀80年代后安溪極端干旱事件和連旱事件頻發(fā)，近年尤其需要關(guān)注夏季極端干旱和秋冬季長時間的持續(xù)干旱對安溪鐵觀音品質(zhì)和產(chǎn)量造成的影響。