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濟作物，其栽培歷史悠久，具有較高的經濟價值和生態效應。浙江省地處中國東南沿海的亞熱帶季風氣候區，其充足的光溫水等氣候資源為茶葉生產創造了優越的環境。浙江除海島以外的各個地區基本上都有茶樹栽培，是中國綠茶的主要生產基地[1]。其中，春茶是浙江茶農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，早春季節經常會遭受大面積的霜凍災害和區域性極端凍害，這就導致其早春茶葉的品質和產量下降，經濟損失加大。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律，對于其茶葉生產布局的合理規劃和發展具有重要的現實意義。

目前，關于浙江茶葉春霜凍害特征的研究相對較少，現有的研究[3-4]中也僅從霜凍日數上分析茶葉春霜凍害的發生規律。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，逐站統計和計算茶葉春霜凍害發生的日數、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(專用氣候數據空間插值軟件)引入海拔高程項，以此體現霜凍強度隨地形變化的特征。研究結果可為浙江省制定茶葉春霜凍害防御措施、區域結構調整和決策以及農業保險理賠等提供一定的科學依據。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

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，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越的條件。

1.2 數據

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，包括各站點的經緯度、海拔等地理屬性數據，氣象站點分布見圖1。地理信息數據包括浙江省行政區劃和分辨率為100 m×100 m的數字高程模型(digital elevation model，簡稱DEM)數據。

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]，結合實際調研考察情況，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據曲面擬合的軟件[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變量，對日最低氣溫進行插值處理。

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

(1)

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

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]。為了統一規范和便于分析，定義霜凍強度指數(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(℃)，Imax和Imin分別表示日最低氣溫倒數的最大值(℃)和最小值(℃)。

2 結果與分析

2.1 茶葉春霜凍日數的時間變化分析

2.1.1 氣候趨勢分析 由圖2-a可見，浙江省春霜凍日數的氣候傾向率為(-1.97～0.13)d/10年，說明浙江省春霜凍日數大都呈現下降趨勢。除麗水和溫州部分地區呈現略微增加趨勢外，浙江省大部分地區霜凍日數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位于湖州、嘉興以及寧波和杭州的部分地區，氣候傾向率低于 -1.30 d/10年；衢州、麗水和溫州等浙南地區，以及舟山附近沿海地區的變化趨勢較小，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，浙江省其他地區霜凍日數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生日數隨時間呈振蕩式變化，在1996年過渡至1997年時，霜凍日數出現了急劇下降現象。近46年來，浙江省春霜凍日數總體表現為下降趨勢，以1996年為界，1971—1996年的平均春霜凍日數明顯高于1997—2016年，但從變化趨勢來看，1997年之后的霜凍日數又呈現出增加趨勢(1.35 d/10年)，尤其是2005年的春霜凍總日數達到了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在1996年發生了顯著突變，從一個相對偏多期躍變為一個相對偏少期。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發生突變。突變前(1971—1996)的平均年霜凍日數為7.97 d，突變后(1997—2016)的平均年霜凍日數為5.08 d，較突變前降低了2.89 d(圖3)。

2.2 茶葉春霜凍日數的空間分布

由圖5-a、圖5-b、圖5-c可見，輕度霜凍發生的日數明顯比其他2個級別要高，霜凍日數北多南少，浙北大部分地區以及溫州西南部的霜凍日數平均每年達3.65 d以上， 麗水的中南部和溫州地區的霜凍日數較低，平均低于2.64 d/年。中度霜凍日數的分布與輕度霜凍基本一致，高值區位于浙北，年平均不低于2.04 d，低值區主要位于溫州和麗水中東部地區，其霜凍日數年平均低于1.28 d。重度霜凍日數的高值區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域，在這些地區平均每年發生重度霜凍達1.11 d以上，溫州以及金衢盆地的霜凍日數較低，年均低于0.63 d。

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

2.3 茶葉春霜凍發生頻率的空間分布

由圖6可見，浙江全省輕度霜凍發生的頻率在54%以上，其中大部分地區的頻率達到87%以上，說明浙江全省遭受輕度霜凍的歷史頻率普遍較高。中度霜凍發生的頻率以溫州沿海地區最低，在51%以下，而在浙北和浙中的大部分地區，霜凍頻率高達81%以上。重度霜凍發生頻率的空間分布總體表現為北高南低、從東南向西北增大的趨勢，低值區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較高，在72%以上。

以Tmin≤4 ℃為茶葉春霜凍綜合指標，統計浙江省1971—2016年霜凍發生的頻率，如圖6-d所示，溫州沿海地區以及金衢盆地部分地區的頻率相對較低，在86%以下，除此之外的大部分地區高達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為北高南低的趨勢，強度較大的區域主要集中在浙西北、中東部地區以及衢杭西部高山區，強度指數達0.81以上；在湖州和嘉興北部、金衢盆地、麗水西南山區、溫州丘陵地帶，其強度指數為 0.65～0.81；低值區主要分布在浙南和金衢盆地部分地帶，強度指數低于0.53。

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

由圖7-c可見，重度霜凍的強度指數整體偏大，較低值僅分布在溫州東南沿海地區、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的強度指數最低，在0.57以下；除此之外的大部分地區其強度指數均高達0.71以上，尤其是浙西北和衢州西北部中山區、中東丘陵區以及浙南高山區，其強度指數不低于0.87，且部分山脈地區的強度指數高達0.93以上。

3 結論與討論

3.1 結論

在全球變暖的背景下，1971—2016年浙江省平均茶葉春霜凍總日數以-0.92 d/10年的傾向率極顯著降低(P<0.01)，在1996年出現突變，從一個相對偏多期躍變為一個相對偏少期。其中，1971—1996年的平均霜凍日數為7.97 d，1997—2016的霜凍日數呈現上升趨勢(1.35 d/10年)，平均霜凍日數為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的空間分布總體表現為北多南少，由東南向西北遞增的趨勢。輕度霜凍發生的日數比其他2個級別要高，各等級霜凍日數的空間分布基本一致，其中高值區主要分布在浙北和浙中東部地區的高山、丘陵地帶，低值區集中分布在浙東南以及金衢盆地，這種分布體現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生頻率普遍較高，除東南沿海以外，浙江省大部分地區發生霜凍的頻率高達95%以上。低、中度春霜凍發生頻率的空間分布與綜合春霜凍一致，其中，輕度霜凍發生頻率相對較高，全省皆在54%以上；重度霜凍發生頻率相對較低，空間分布總體表現為北高南低，從東南向西北增大的趨勢，低值區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，大部分地區的強度均高達0.71以上；低、中等級霜凍強度的高值區均集中位于浙西北、中東部的山地丘陵地帶，而浙東南沿海地區的強度較低。

3.2 討論

眾多學者研究認為，中國霜凍日數表現為一致的下降趨勢[13-14]。本研究也表明，近46年來浙江省早春霜凍日數總體表現為下降趨勢，但是其霜凍日數在1997年之后又呈現出增加趨勢。此外研究表明，霜凍日數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上升，但霜凍日數對其變化的響應卻呈現出階段性不同，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象。

本研究基于ANUSPLIN，引入海拔高程作為協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可以體現出地形海拔項的作用，進一步提高了結果的真實性和可靠性。總體來看，本研究從氣候致災角度出發，詳細分析了浙江省茶葉春霜凍發生日數、頻率和強度的時空變化特征，研究結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，浙江省部分地區的茶葉在春季到來之前已進入開采期，且浙江省南北地區的茶葉開采期也不盡一致，如浙南地區，在2月中下旬左右茶葉就已進入開采期，此時發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。