徐金勤， 邱新法， 曾 燕， 施國(guó)萍， 韋翔鴻

(1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)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(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇南京 210044； 4.江蘇省丹陽(yáng)市氣象局，江蘇丹陽(yáng) 212300)

茶樹(shù)作為中國(guó)的一種特色經(jīng)濟(jì)作物，其栽培歷史悠久，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)效應(yīng)。浙江省地處中國(guó)東南沿海的亞熱帶季風(fēng)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(gè)地區(qū)基本上都有茶樹(shù)栽培，是中國(guó)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(lái)源之一，并且近年來(lái)浙江各地早生品種茶葉的種植面積不斷擴(kuò)增[2]。但是，浙江省由于地處中低緯度的過(guò)渡地帶，加上地形復(fù)雜多樣，早春季節(jié)經(jīng)常會(huì)遭受大面積的霜凍災(zāi)害和區(qū)域性極端凍害，這就導(dǎo)致其早春茶葉的品質(zhì)和產(chǎn)量下降，經(jīng)濟(jì)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(shí)空演變規(guī)律，對(duì)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(shí)意義。

目前，關(guān)于浙江茶葉春霜凍害特征的研究相對(duì)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(gè)氣象站的日最低氣溫觀測(cè)資料，構(gòu)建霜凍強(qiáng)度指數(shù)，逐站統(tǒng)計(jì)和計(jì)算茶葉春霜凍害發(fā)生的日數(shù)、頻率和強(qiáng)度，詳細(xì)分析以上3個(gè)氣候致災(zāi)因子的分布特征和變化趨勢(shì)，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(xiàng)，以此體現(xiàn)霜凍強(qiáng)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(gòu)調(diào)整和決策以及農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)理賠等提供一定的科學(xué)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(guó)東南沿海，地形復(fù)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(wàn)hm2，故有“七山一水兩分田”之說(shuō)[5]。境內(nèi)地勢(shì)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(dá)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(fēng)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(rùn)，為茶葉生長(zhǎng)提供了優(yōu)越的條件。

1.2 數(shù)據(jù)

氣象資料來(lái)源于浙江省氣候中心，為浙江省62個(gè)基本氣象站1971—2016年逐日最低氣溫觀測(cè)資料，包括各站點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔等地理屬性數(shù)據(jù)，氣象站點(diǎn)分布見(jiàn)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(jiǎn)稱DEM)數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 茶葉春霜凍等級(jí)指標(biāo) 早春(3、4月)氣溫回升較快，浙江省茶葉正處于生長(zhǎng)期，此時(shí)大幅度降溫將會(huì)對(duì)茶葉生長(zhǎng)造成很大的危害。本研究基于前人研究成果[3-6]，結(jié)合實(shí)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(biāo)，并將其劃分為3個(gè)等級(jí)：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(duì)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(shí)允許引進(jìn)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(guān)系[10-11]。本研究基于ANUSPLIN平臺(tái)，引入海拔高程作為協(xié)變量，對(duì)日最低氣溫進(jìn)行插值處理。

1.3.3 霜凍發(fā)生頻率和強(qiáng)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(jí)春霜凍發(fā)生頻率計(jì)算公式如下：

(1)

式中：i表示霜凍等級(jí)，Pi表示各級(jí)霜凍發(fā)生的頻率，ni表示各級(jí)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(qiáng)度，同一霜凍等級(jí)下最低氣溫越低表示其強(qiáng)度越強(qiáng)[12]。為了統(tǒng)一規(guī)范和便于分析，定義霜凍強(qiáng)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(shí)間變化分析

2.1.1 氣候趨勢(shì)分析 由圖2-a可見(jiàn)，浙江省春霜凍日數(shù)的氣候傾向率為(-1.97～0.13)d/10年，說(shuō)明浙江省春霜凍日數(shù)大都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。除麗水和溫州部分地區(qū)呈現(xiàn)略微增加趨勢(shì)外，浙江省大部分地區(qū)霜凍日數(shù)的氣候傾向率為負(fù)值，其降低趨勢(shì)由南向北增大，其中變化趨勢(shì)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(shì)較小，氣候傾向率為(-0.62～0.13)d/10年。此外，有近63%的站點(diǎn)通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)，除湖州、嘉興、杭州、紹興和寧波西部以及臺(tái)州和金華中東部地帶通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)外，浙江省其他地區(qū)霜凍日數(shù)的變化趨勢(shì)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(shì)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(jiàn)，1971—2016年浙江省春霜凍總發(fā)生日數(shù)隨時(shí)間呈振蕩式變化，在1996年過(guò)渡至1997年時(shí)，霜凍日數(shù)出現(xiàn)了急劇下降現(xiàn)象。近46年來(lái)，浙江省春霜凍日數(shù)總體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，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(shì)來(lái)看，1997年之后的霜凍日數(shù)又呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)(1.35 d/10年)，尤其是2005年的春霜凍總?cè)諗?shù)達(dá)到了11 d。

2.1.3 突變分析 由圖4-a可見(jiàn)，浙江省春霜凍日數(shù)的累計(jì)距平值在1971—1996年振蕩式上升，在1997—2016年波動(dòng)式下降，于1996年出現(xiàn)累計(jì)距平的最大值。由滑動(dòng)t檢驗(yàn)(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(gè)相對(duì)偏多期躍變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)偏少期。由上述分析可知，累計(jì)距平法與滑動(dòng)t檢驗(yàn)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(jiàn)，輕度霜凍發(fā)生的日數(shù)明顯比其他2個(gè)級(jí)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(dá)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(dá)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(lái)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(shì)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(dá)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(gè)相對(duì)高值區(qū)，平均每年達(dá)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(duì)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(jiàn)，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(dá)到87%以上，說(shuō)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(dá)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(shì)，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(biāo)，統(tǒng)計(jì)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(duì)較低，在86%以下，除此之外的大部分地區(qū)高達(dá)95%以上。

2.4 茶葉春霜凍強(qiáng)度的空間分布

基于ANUSPLIN對(duì)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(jí)春霜凍強(qiáng)度指數(shù)精細(xì)化分布空間圖。

由圖7-a可見(jiàn)，浙江省茶葉輕度霜凍強(qiáng)度整體表現(xiàn)為北高南低的趨勢(shì)，強(qiáng)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(qiáng)度指數(shù)達(dá)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(qiáng)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(qiáng)度指數(shù)低于0.53。

由中度霜凍強(qiáng)度指數(shù)的空間分布(圖7-b)可見(jiàn)，其強(qiáng)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(dá)0.83以上；麗水西南部存在1個(gè)相對(duì)高值區(qū)，其強(qiáng)度指數(shù)為 0.64～0.83；浙江省東南部以及衢州西北部的強(qiáng)度指數(shù)相對(duì)較低，在0.52以下。

由圖7-c可見(jiàn)，重度霜凍的強(qiáng)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(qiáng)度指數(shù)最低，在0.57以下；除此之外的大部分地區(qū)其強(qiáng)度指數(shù)均高達(dá)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(qiáng)度指數(shù)不低于0.87，且部分山脈地區(qū)的強(qiáng)度指數(shù)高達(dá)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(gè)相對(duì)偏多期躍變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)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(shì)(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(shì)。輕度霜凍發(fā)生的日數(shù)比其他2個(gè)級(jí)別要高，各等級(jí)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(shì)特征。

總體來(lái)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(dá)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(duì)較高，全省皆在54%以上；重度霜凍發(fā)生頻率相對(duì)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(shì)，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(qiáng)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(qiáng)度均高達(dá)0.71以上；低、中等級(jí)霜凍強(qiáng)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(qiáng)度較低。

3.2 討論

眾多學(xué)者研究認(rèn)為，中國(guó)霜凍日數(shù)表現(xiàn)為一致的下降趨勢(shì)[13-14]。本研究也表明，近46年來(lái)浙江省早春霜凍日數(shù)總體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，但是其霜凍日數(shù)在1997年之后又呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。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(guān)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(shí)間持續(xù)上升，但霜凍日數(shù)對(duì)其變化的響應(yīng)卻呈現(xiàn)出階段性不同，這是一個(gè)非常值得關(guān)注和探討的問(wèn)題。同時(shí)這也說(shuō)明浙江省的茶葉春霜凍預(yù)警和防御工作目前仍需進(jìn)一步加強(qiáng)，以應(yīng)對(duì)這種春霜凍害的特殊氣候響應(yīng)現(xiàn)象。

本研究基于ANUSPLIN，引入海拔高程作為協(xié)變量對(duì)最低氣溫進(jìn)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(qiáng)度指數(shù)可以體現(xiàn)出地形海拔項(xiàng)的作用，進(jìn)一步提高了結(jié)果的真實(shí)性和可靠性?？傮w來(lái)看，本研究從氣候致災(zāi)角度出發(fā)，詳細(xì)分析了浙江省茶葉春霜凍發(fā)生日數(shù)、頻率和強(qiáng)度的時(shí)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(xué)參考。但是，浙江省部分地區(qū)的茶葉在春季到來(lái)之前已進(jìn)入開(kāi)采期，且浙江省南北地區(qū)的茶葉開(kāi)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(jìn)入開(kāi)采期，此時(shí)發(fā)生霜凍也會(huì)對(duì)茶葉生長(zhǎng)造成一定危害。因此，在未來(lái)研究中將會(huì)進(jìn)一步考慮茶葉采摘期的問(wèn)題，以期為茶葉春霜凍害進(jìn)行更為精準(zhǔn)化的氣候變化特征評(píng)估。