任義方，王培娟，錢半噸，馬云波，孫慶飛

江蘇省不同風險區(qū)域春茶霜凍害特征分析*

任義方1，王培娟2**，錢半噸3，馬云波4，孫慶飛5

(1.江蘇省氣候中心，南京 210041；2.中國氣象科學研究院，北京 100081；3.溧陽市氣象局，溧陽 213300；4.丹陽市氣象局，丹陽 212300；5.儀征市氣象局，儀征 211400)

利用1981?2020年全球大氣再分析資料ERA5，基于表征茶樹霜凍害程度的氣象指標，構(gòu)建春茶霜凍監(jiān)測期風險指數(shù)（RI），選擇k均值聚類算法確定江蘇省春茶霜凍風險區(qū)劃，采用Mann-Kendall方法判識各霜凍風險區(qū)域氣候突變點，從逐日和逐小時尺度，評估氣候變化對區(qū)域內(nèi)春茶霜凍發(fā)生特征的影響。結(jié)果表明，江蘇春茶霜凍風險呈現(xiàn)西南低東北高的特征，低風險區(qū)和高風險區(qū)分別以輕度?中度和特重霜凍發(fā)生為主，平均發(fā)生頻率分別為11.91%和15.4%，平均終霜期分別呈現(xiàn)2.7d×10a?1和1.5d×10a?1的提前趨勢，RI分別呈現(xiàn)每10a降低0.024和0.015的趨勢。受氣候變化影響，逐日尺度上，低、高風險區(qū)域中，各等級春茶霜凍發(fā)生頻率和波動性明顯降低，且以特重霜凍降幅最為明顯；發(fā)生頻率分布形態(tài)由多峰型轉(zhuǎn)為單峰型和遞降型，高發(fā)時段集中在2月上旬-3月下旬；逐小時尺度上，各等級春茶霜凍發(fā)生頻率在一天內(nèi)基本呈現(xiàn)正弦分布，氣候突變后，輕度和中度?特重霜凍高發(fā)時段分別推遲2～4h和0～1h，中度?重度和特重霜凍高發(fā)時段分別集中在5：00?7：00和6：00?8：00。隨氣候變化，江蘇春茶霜凍發(fā)生呈現(xiàn)趨晚、趨弱、趨短和趨少的特征，但仍需積極應對。

江蘇；春茶；霜凍；風險評估；氣候變化

茶作為江蘇高效經(jīng)濟作物之一，多年來在農(nóng)業(yè)效益提高、生態(tài)環(huán)境改善以及鄉(xiāng)村振興發(fā)展等方面發(fā)揮了重要的作用。據(jù)《2022年中國茶葉產(chǎn)銷形勢報告》[1]統(tǒng)計，至2022年江蘇省茶園面積約為3.4萬hm2，茶樹總產(chǎn)量1.072萬t，產(chǎn)值33.09億元，其中春茶產(chǎn)量0.61萬t（占總產(chǎn)量57%），產(chǎn)值29.05億元（占總產(chǎn)值88%）。春茶相較于其它時節(jié)的茶樹，生長期間氣候適宜度最高，且經(jīng)過冬季休養(yǎng)生息，富含維生素和氨基酸，春茶茶樹品質(zhì)最好，經(jīng)濟效益最高，在茶樹生產(chǎn)中居重要地位。

茶樹屬露天生產(chǎn)，春茶生產(chǎn)中易出現(xiàn)霜凍、持續(xù)低溫陰雨、開采期氣溫驟升等多種類型的不利天氣過程，影響茶樹生產(chǎn)，其中霜凍是制約春茶生產(chǎn)的關鍵氣象災害，不僅會使茶樹開采期推遲，而且會導致茶樹嫩芽生長停滯甚至枯死，減產(chǎn)降質(zhì)[2]。氣候變化背景下，雖然霜凍強度呈現(xiàn)減弱、終霜凍期呈現(xiàn)提前的趨勢，但并不意味著茶樹春霜凍害一定減輕[3?4]。近年春霜凍害嚴重制約江蘇各地茶產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。2004年4月的倒春寒使鎮(zhèn)江句容茶園損失名優(yōu)茶58t，造成直接經(jīng)濟損失達1500多萬元[5]；2007年碧螺春大規(guī)模上市時間推遲了1周[5]；2013年5次低溫霜凍天氣給江蘇茶樹生產(chǎn)普遍帶來危害，優(yōu)質(zhì)茶產(chǎn)量下降，品質(zhì)降低，金壇、宜興等地茶樹減產(chǎn)30%～50%。為此，基于茶樹霜凍害指標開展氣候變化背景下茶樹霜凍害風險評估至關重要。

茶樹霜凍害指標是判斷霜凍害發(fā)生與否的依據(jù)，是開展茶樹霜凍害監(jiān)測預測、影響與風險評估等研究的基礎。按時間尺度主要分為日尺度和小時尺度兩大類開展研究。日尺度方面，大部分學者根據(jù)早春霜凍發(fā)生的實際情況，將日最低氣溫低于4℃作為茶樹遭受霜凍害發(fā)生指標[6?9]；也有部分學者將最低氣溫低于2℃作為指標[5]；小時尺度方面，研究者利用人工氣候箱開展低溫脅迫控制實驗，結(jié)合歷史典型年份茶樹春霜凍災情和茶園逐小時氣溫觀測數(shù)據(jù)，提出了適用于江南茶區(qū)的茶樹春霜凍害等級指標[10?12]。2017年中國氣象局發(fā)布實施了適用于江南茶區(qū)中小葉型的小時尺度《茶樹霜凍害等級》氣象行業(yè)標準[13]，該標準以逐小時最低氣溫及其持續(xù)時間來判定茶樹不同霜凍害等級以及對應新梢受損率。不同時間尺度的茶樹霜凍害指標在生產(chǎn)服務領域中各有優(yōu)勢，日尺度指標適用于長時間序列和大空間范圍進行分析，小時尺度指標更適用于短時間序列和局地小氣候區(qū)域分析。

基于茶樹霜凍害指標，開展茶樹春霜凍的時空分布特征以及氣候變化背景下的霜凍害風險評估研究主要從三大方面開展。第一方面，利用氣候變化趨勢分析方法，對不同區(qū)域的茶樹春霜凍（次數(shù)、開始結(jié)束時間等）的時間發(fā)生規(guī)律進行分析[14?15]；第二方面，利用氣候變量場時空結(jié)構(gòu)分離法[16]，對茶樹霜凍害（發(fā)生頻率、強度、日數(shù)等）的時空分布及變化特征進行分析[5, 10, 14]；第三方面，利用災害分析評估方法[17]，綜合茶樹品種、地形地勢、茶樹災害信息（受災面積、減產(chǎn)率、采摘量等），對春霜凍害發(fā)生風險性以及可能造成的損失開展定性或定量的影響評估。例如，基于茶園種植信息[18?19]，結(jié)合霜凍發(fā)生期間小氣候觀測預測、自動氣象站觀測，直接依據(jù)指標或構(gòu)建各類指數(shù)模型，包括茶樹經(jīng)濟損失評估模型[20?21]、春茶凍害定量評估模型[22?23]、茶樹氣象災害綜合指數(shù)模型[24]等，針對茶樹霜凍害典型過程開展精準定量的天氣條件影響分析、霜凍害等級預警，或者針對茶樹春霜凍害歷史發(fā)生規(guī)律開展風險等級劃分、損失影響評價等研究。

盡管在氣候變化大背景下中國區(qū)域霜凍呈現(xiàn)強度減弱、影響時段縮短的趨勢[25]，但是早春季節(jié)經(jīng)常會出現(xiàn)大面積霜凍災害和區(qū)域性極端凍害，且隨著各地早生品種茶樹的種植面積不斷擴大，茶樹霜凍害發(fā)生仍呈現(xiàn)頻發(fā)態(tài)勢。為探明江蘇茶樹霜凍害在氣候尺度上的發(fā)生規(guī)律，考慮到不同時間尺度茶樹霜凍害指標的應用優(yōu)勢，借鑒霜凍害風險評估分析方法，本研究利用江蘇格點化氣候資料，基于表征茶樹霜凍害程度的氣象指標，計算茶樹春霜凍害風險指數(shù)，劃分江蘇省春茶霜凍害不同風險區(qū)；分析茶樹霜凍害氣候變化趨勢，確定突變時間，進而從不同時間尺度分析氣候突變前后不同霜凍風險區(qū)內(nèi)春茶霜凍害的發(fā)生規(guī)律，以期為適應氣候變化，充分發(fā)揮江蘇茶樹種植的有利氣候條件，規(guī)避不利氣象災害影響，科學規(guī)劃茶園布局，促進茶產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象資料為江蘇省區(qū)域范圍1981?2020年最低氣溫，資料來源于歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）第五代全球大氣再分析資料ERA5數(shù)據(jù)集，其空間分辨率為 31km（約為 0.28°），時間分辨率為1小時。此套資料與國家基本氣象站和2010年初逐步建立的自動氣象觀測數(shù)據(jù)相比，其空間分辨率更高，逐小時氣象要素的時序更長。因此，可以更有效分析江蘇不同風險區(qū)域春茶霜凍害特征，探究氣候變化對茶樹霜凍害的影響。

茶樹農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要包括江蘇省各市茶樹種植分布及面積情況（圖1）。江蘇省農(nóng)林廳園藝處[26]根據(jù)茶樹種植地域分布，將江蘇茶樹生產(chǎn)區(qū)域劃分為三個茶區(qū)，即環(huán)太湖低山丘陵茶區(qū)（主要包括蘇州、無錫和常州等地），寧鎮(zhèn)揚丘陵茶區(qū)（主要包括南京、鎮(zhèn)江和揚州等地）和連云港茶區(qū)（主要包括贛榆和云臺等地），各茶區(qū)種植面積占比分別為24%、69%和7%。結(jié)合江蘇三大茶區(qū)和各市茶樹種植面積可以看出，長江以南地區(qū)是環(huán)太湖低山丘陵茶區(qū)和寧鎮(zhèn)揚丘陵南部茶區(qū)的主要生產(chǎn)區(qū)域，長江以北地區(qū)是寧鎮(zhèn)揚丘陵北部茶區(qū)和連云港茶區(qū)的主要生產(chǎn)區(qū)域。

圖1 江蘇省茶樹種植面積和區(qū)域分布（2020年）

1.2 研究方法

1.2.1 春茶霜凍指標和監(jiān)測期

霜凍在秋冬季以及春季均會出現(xiàn)，但主要出現(xiàn)在深秋?初春。霜凍害按照發(fā)生時間可分為春霜凍和秋霜凍。其中，春霜凍（晚霜凍或終霜凍）的發(fā)生，會對春茶萌動生長造成不利影響。以往研究中發(fā)現(xiàn)，當茶樹所在地上空1.5m處最低氣溫達到0℃時茶樹會遭受霜凍，實際工作中，由于茶樹種植在山區(qū)且茶園站點稀少，目前茶園生產(chǎn)氣象服務主要依據(jù)國家基本氣象站觀測，考慮到基本氣象站所代表區(qū)域與茶園小氣候的差異性，一般以日（小時）最低氣溫低于4℃作為霜凍開始指標[5?9]。ERA5數(shù)據(jù)集各格點空間分辨率為 31km（約為 0.28°），其所代表的空間區(qū)域范圍與國家基本氣象站基本相當。為了更加準確反映茶樹早春受凍情況，綜合江蘇省茶樹春霜凍受災實況資料，分別以日最低氣溫（Tdmin）和小時最低氣溫（Thmin）≤4℃作為不同時間尺度霜凍發(fā)生指標，根據(jù)茶樹受災程度劃分等級（表1）。

參考穩(wěn)定通過溫度界限的概念[27]，選擇5日滑動方法確定茶樹春霜凍監(jiān)測的結(jié)束時段。首先，將各格點上逐小時數(shù)據(jù)處理為逐日數(shù)據(jù)后，逐年求算5日滑動平均，確定歷年日最低氣溫Tdmin≤4℃的最長一段時期，取其最后一天作為歷年終霜日，以歷年終霜日的最大值作為春霜凍監(jiān)測期的結(jié)束時間。分析發(fā)現(xiàn)江蘇區(qū)域最晚終霜期在4月下旬，因此，將4月30日作為春霜凍監(jiān)測的結(jié)束時間（ODend）。此外，江蘇茶樹萌動時間普遍在2月下旬?3月上旬，特早生品種在2月上旬萌動，將2月1日作為春霜凍監(jiān)測期的開始時間（ODbeg）。

表1 春茶霜凍等級劃分標準

注：Tmin指日（或小時）最低氣溫（℃）。

Note: Tminis the daily (or hourly) minimum air temperature(℃).

1.2.2 春茶霜凍風險指數(shù)和區(qū)劃

一直到殯儀館，凌薇都沒機會跟梁誠單獨說上話。大家靜靜地站在黑幔翻飛的空曠大廳，等待焚化爐燃起火焰，仿佛那是一道神圣的儀式，會將逝去的人送去天堂。

基于茶樹春霜凍發(fā)生強度等級、頻率和茶芽受害情況，定義春霜凍監(jiān)測期風險指數(shù)，以客觀反映致災因子風險性大小及其對茶樹生產(chǎn)可能造成的影響程度，即

式中，RIj為江蘇區(qū)域內(nèi)第j個格點的春茶霜凍風險指數(shù)；Pjk為各格點40a茶樹春霜凍監(jiān)測期內(nèi)對應不同霜凍等級強度k的出現(xiàn)頻率，根據(jù)表1，k按照霜凍等級從輕到重分別取值為1、2、3、4；Ijk為各格點以日最低氣溫判定的不同霜凍等級強度造成的茶樹芽葉受害率。根據(jù)表1的劃分結(jié)果，將Ij1、Ij2、Ij3和Ij4分別設為10%、35%、65%和90%。將Pjk和Ijk換算成小數(shù)后，求算春茶霜凍風險指數(shù)RIj。

利用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和GIS空間分析以及屬性數(shù)據(jù)庫操作功能，選取覆蓋江蘇省區(qū)域的格點化風險度指數(shù)作為聚類樣本變量，采用歐式距離（euclidean distance）作為研究樣品疏密程度（差別大?。┲笜耍x擇k均值聚類算法（k-means clustering algorithm）[28?29]，進行江蘇茶樹春霜凍風險區(qū)劃。利用簇內(nèi)平均相似度（即組內(nèi)誤差平方 Sum of Sqared Error, SSE）評價聚類質(zhì)量，隨著聚類簇數(shù)的增加，SSE會逐步降低。當達到最優(yōu)聚類簇數(shù)后，SSE的變化趨于穩(wěn)定且處于低值。對聚類算法評價指標進行分析，結(jié)果表明將春茶霜凍風險指數(shù)分為兩類時，SSE = 0.18，且后續(xù)隨著分類數(shù)量的增加，SSE趨于穩(wěn)定。為此，按照風險指數(shù)RI大小，以0.2為界將江蘇茶區(qū)劃分為2個風險等級，分別對應春茶霜凍的低風險區(qū)和高風險區(qū)，即0≤RI＜0.2和0.2≤RI＜0.4。

1.2.3 氣候突變年確定

用Mann-Kendall方法（M-K）對40a春茶霜凍風險指數(shù)突變特征進行分析和檢測，進而分析在氣候突變前后各區(qū)域春茶霜凍的變化特征。M-K法是一種氣候診斷與預測技術，可判斷氣候序列中是否存在氣候突變及突變發(fā)生的時間[16]。

對于m（m=40）個樣本量的時間序列春茶霜凍風險指數(shù)RI，構(gòu)建秩序列，即

式中

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量為

給定顯著性水平后，繪制UFz和UBz曲線。如果UFz和UBz兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，則交點對應時間即為突變開始時間。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Python 3.7對氣象數(shù)據(jù)進行處理，春茶霜凍風險區(qū)劃分析與空間分布制圖分別采用SPSS 24.0和ArcGIS 10.2、Python 3.7，柱狀圖和折線圖等則采用Microsoft Excel。

2 結(jié)果與分析

2.1 江蘇春茶霜凍害風險區(qū)域劃分

根據(jù)春茶霜凍風險指數(shù)及其劃分標準，得到江蘇春茶霜凍害風險區(qū)劃結(jié)果見圖2。由圖可見，春茶霜凍害低風險區(qū)主要分布在沿江蘇南和江淮之間的西部地區(qū)，高風險區(qū)主要位于淮北和江淮之間的中東部地區(qū)，春茶霜凍風險總體呈現(xiàn)西南低東北高的特征。

表2給出了不同區(qū)域春茶霜凍風險評估因子統(tǒng)計結(jié)果。結(jié)合圖3江蘇春茶不同級別霜凍害發(fā)生頻率空間分布情況，分析發(fā)現(xiàn)，在低風險等級區(qū)域內(nèi)，茶樹春霜凍平均風險指數(shù)為0.15，以輕度?中度霜凍發(fā)生為主，平均發(fā)生頻率為11.91%，重度?特重度霜凍平均發(fā)生頻率僅6.75%；終霜期出現(xiàn)時間跨度較大，從3月16日持續(xù)至4月2日，平均霜凍期為3月27日。在高風險等級區(qū)域內(nèi)，茶樹春霜凍平均風險指數(shù)為0.26，以特重度霜凍發(fā)生為主，發(fā)生頻率為15.4%，輕度?中度霜凍平均發(fā)生頻率為12.7%，重度霜凍發(fā)生頻率為10.29%；終霜期出現(xiàn)時間可持續(xù)近一個月，即2月23日?3月26日，平均霜凍期為3月16日?？傮w來看，低風險等級區(qū)域茶樹春霜凍風險指數(shù)小，對茶樹采摘量及其品質(zhì)影響小；高風險等級區(qū)域內(nèi)茶樹春霜凍風險指數(shù)大，對茶樹采摘量及其品質(zhì)影響大。

圖2 江蘇春茶霜凍風險指數(shù)(RI,a)和風險區(qū)劃分結(jié)果(b)

注：基于1981?2020年ERA5數(shù)據(jù)集0.28°×0.28°格點數(shù)據(jù)。下同。

Note:Based on ERA5 data set 0.28°× 0.28°grid point from 1981 to 2020. The same as below.

表2 不同區(qū)域春茶霜凍風險評估因子統(tǒng)計結(jié)果

圖3 不同級別春茶霜凍害發(fā)生頻率空間分布（1981?2020年數(shù)據(jù)）

2.2 不同風險區(qū)域春茶霜凍指數(shù)突變分析

基于春茶霜凍風險區(qū)劃結(jié)果，計算不同風險區(qū)內(nèi)逐年平均春茶終霜期和霜凍風險指數(shù)，分析春茶終霜期和霜凍風險指數(shù)的逐年變化動態(tài)及其趨勢（圖4和圖5a）。由圖4可見，1981?2020年，江蘇春茶最早、最晚和平均終霜期出現(xiàn)時間均呈提前趨勢，其中最早終霜期提前趨勢最明顯，達3d·10a?1以上；在江蘇春茶霜凍低風險區(qū)和高風險區(qū)，平均終霜期出現(xiàn)時間分別以2.7d·10a?1和1.5d·10a?1的速率呈提前趨勢。

圖4 不同風險區(qū)春茶霜凍的終霜期年際變化

圖5 不同風險區(qū)霜凍風險指數(shù)年變化(a)及其M-K檢驗結(jié)果(b)

2.3 不同風險區(qū)春茶霜凍害高發(fā)日期分析

春茶霜凍風險指數(shù)能夠指示不同強度等級霜凍出現(xiàn)頻率及其可能造成的芽葉受害率的綜合影響，結(jié)合不同風險區(qū)域春茶霜凍的突變年份，分析氣候突變前后各風險區(qū)域內(nèi)不同等級春茶霜凍害的逐日發(fā)生頻率，量化高峰時段。

江蘇不同春茶霜凍風險區(qū)域內(nèi)氣候突變前后不同等級春茶霜凍發(fā)生頻率的逐日變化動態(tài)見圖6。由圖可見，氣候突變前后，高、低風險區(qū)域內(nèi)各等級春茶霜凍發(fā)生頻率分布形態(tài)和量值大小存在明顯差異。氣候突變前，各等級春茶霜凍發(fā)生頻率分布形態(tài)均呈多峰型；氣候突變后，輕度?中度和重度?特重春茶霜凍發(fā)生頻次分布形態(tài)基本呈一致的單峰型和遞降型，各等級春茶霜凍發(fā)生頻率和波動性明顯降低，且以特重霜凍發(fā)生頻率降低幅度最為明顯。

統(tǒng)計氣候突變前后高、低風險區(qū)域監(jiān)測期間春茶不同等級霜凍逐日發(fā)生頻率（Frqd1、Frqd2、Frqd3和Frqd4）的均值和標準差，分析春茶霜凍發(fā)生特征和高發(fā)時段的變化規(guī)律，結(jié)果見表3。由表可知，低風險區(qū)在氣候突變前后均以輕度?中度霜凍為主，平均發(fā)生頻率分別為13.7%和11.4%，重度?特重霜凍平均發(fā)生頻率分別為8.7%和6.3%；高風險區(qū)在氣候突變前后均以特重霜凍為主，平均發(fā)生頻率分別為19.2%和13.8%，輕度?重度霜凍平均發(fā)生頻率基本相當，在12.0%左右。

由表3給出的各等級春茶霜凍發(fā)生頻率在不同區(qū)域的差異性來看，氣候突變前后輕度霜凍在高、低風險區(qū)內(nèi)的發(fā)生頻率基本相當；氣候突變后，中度?重度霜凍在高、低風險區(qū)的發(fā)生頻率差異加大，特重霜凍發(fā)生頻率的區(qū)域性差異明顯減小，主要是其在高風險區(qū)發(fā)生頻率降低5%以上。

由表3給出的各區(qū)域不同等級春茶霜凍高峰時段起止時間來看，氣候突變前，高低風險區(qū)域各等級霜凍存在多個高發(fā)時段，分布較為零散。氣候突變后，低風險區(qū)域中，輕度、中度、重度和特重霜凍高發(fā)時段分別出現(xiàn)在2月中旬?3月上旬、2月上旬?3月上旬、2月上旬?中旬和2月上旬?中旬；高風險區(qū)域中，輕度、中度、重度和特重霜凍高發(fā)時段分別在2月下旬?3月下旬、2月中旬?3月上旬、2月上旬?3月上旬和2月上旬?中旬。可見，高低風險區(qū)域內(nèi)春茶霜凍害等級越大，則發(fā)生時間相對越早。

圖6 高(a)低(b)風險區(qū)氣候突變前(1)后(2)不同等級春茶霜凍發(fā)生頻率堆積圖

表3 按日尺度分區(qū)統(tǒng)計氣候突變前后各級春茶霜凍害發(fā)生頻率（均值±標準差）和高峰時段

注：Frqd1、Frqd2、Frqd3和Frqd4分別為按日尺度數(shù)據(jù)統(tǒng)計的不同風險區(qū)域內(nèi)氣候突變前后輕度、中度、重度和特重四個等級春茶霜凍發(fā)生頻率。

Note: Frqd1, Frqd2, Frqd3and Frqd4are the frequency of slight, moderate, severe, and extra severe spring tea frost before and after the climate mutation in different risk areas, respectively. Frequencies are counted on daily scale data.

2.4 不同風險區(qū)域春茶霜凍害高發(fā)時段分析

江蘇省不同風險區(qū)域內(nèi)氣候突變前后各等級春茶霜凍發(fā)生頻率逐小時變化結(jié)果（Frqh1、Frqh2、Frqh3、Frqh4）見圖7。由圖可見，在高、低風險區(qū)域中，各等級春茶霜凍發(fā)生頻率均基本呈現(xiàn)正弦分布形態(tài)，且除輕度霜凍高發(fā)時段變化較大外，中度?特重霜凍出現(xiàn)高峰時段均較為一致。

以發(fā)生頻率最高時間前后1h作為各等級春茶霜凍高發(fā)時段，不同風險區(qū)域內(nèi)在氣候突變前后不同等級春茶霜凍小時尺度發(fā)生特征的統(tǒng)計情況見表4。分析發(fā)現(xiàn)，氣候突變后各風險區(qū)，輕度霜凍高發(fā)時段推遲2～4h，低風險區(qū)域由原來的3：00?5：00推遲到5：00?7：00，高風險區(qū)域由原來的0：00?2：00推遲到4：00?6：00。中?特重霜凍高發(fā)時段基本保持不變或推遲1h，在氣候突變前后各風險區(qū)的高發(fā)時段分別集中在5：00?7：00和6：00?8：00。

圖7 氣候突變前后低風險區(qū)(a)和高風險區(qū)(b)各等級春茶霜凍發(fā)生頻率逐小時變化

Fig. 7 Hourly variation of occurrence frequency of spring tea frost at different levels in low risk areas(a) and high risk areas(b) before and after climate mutation

注：Frqh1、Frqh2、Frqh3和Frqh4分別為按小時尺度數(shù)據(jù)統(tǒng)計的不同風險區(qū)域內(nèi)氣候突變前后輕度、中度、重度和特重四個等級春茶霜凍發(fā)生頻率。

Note: Frqh1, Frqh2, Frqh3and Frqh4are the frequency of slight, moderate, severe, and extra severe spring tea frost before and after the climate mutation in different risk areas, respectively. Frequencies are counted on hourly scale data.

由表4分析氣候突變前后不同風險區(qū)域各等級春茶霜凍高峰時段平均頻率值發(fā)現(xiàn)，氣候突變后，高、低風險區(qū)域內(nèi)各等級春茶霜凍發(fā)生頻率均明顯降低。低風險區(qū)域輕度、中度、重度和特重霜凍高發(fā)時段頻率均值分別為11.2%、9.3%、6.0%和4.8%，與氣候突變前相比，降幅分別為19.8%、24.9%、20.3%和31.3%；高風險區(qū)域輕度、中度、重度和特重霜凍高發(fā)時段頻率均值分別為12.3%、11.5%、8.9%和11.6%，對應降幅分別為6.4%、11.2%、15.9%和26.7%。可見，氣候突變后各風險區(qū)域均以特重霜凍發(fā)生頻率降低最為明顯。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）江蘇春茶霜凍低風險區(qū)主要分布在沿江蘇南與江淮之間的西部地區(qū)，覆蓋環(huán)太湖低山丘陵茶區(qū)、寧鎮(zhèn)揚丘陵茶區(qū)，以輕度?中度霜凍發(fā)生為主，平均發(fā)生頻率為11.91%；高風險區(qū)主要分布在淮北與江淮之間的中東部地區(qū)，覆蓋連云港茶區(qū)，以特重度霜凍發(fā)生為主，發(fā)生頻率為15.4%。

（2）江蘇春茶霜凍高低風險區(qū)域內(nèi)不同等級春茶霜凍影響呈結(jié)束時間提前、發(fā)生強度減弱、發(fā)生頻率降低的態(tài)勢。過去40a江蘇春茶霜凍低風險和高風險區(qū)域，平均終霜期出現(xiàn)時間分別呈現(xiàn)2.7d×10a?1和1.5d×10a?1的提前趨勢，春茶霜凍風險指數(shù)分別呈現(xiàn)0.024×10a?1和0.015×10a?1的降低趨勢，且在20世紀90年代前后出現(xiàn)突變。

（3）氣候突變前后，逐日尺度江蘇春茶霜凍輕度?中度和重度?特重春茶霜凍發(fā)生頻率分布形態(tài)由多峰型轉(zhuǎn)為單峰型和遞降型，高發(fā)時段集中在2月上旬?3月下旬；逐小時尺度輕度霜凍高發(fā)時段推遲2～4h，中度?特重霜凍高發(fā)時段基本保持不變或推遲1h。各級春茶霜凍高發(fā)時段主要集中在5：00? 8：00，發(fā)生頻率降幅為6.4%～31.3%，且以特重霜凍降低最為明顯。

3.2 討論

（1）春茶霜凍發(fā)生的氣候特征及影響。氣候變化背景下區(qū)域內(nèi)春季最低氣溫呈明顯上升趨勢[30]，是春茶霜凍害影響時間縮短、程度降低的關鍵影響因素。從過去40a江蘇春茶霜凍終霜期出現(xiàn)時間、春茶霜凍風險指數(shù)年變化及其氣候傾向率分析發(fā)現(xiàn)，低風險和高風險區(qū)域，平均終霜期出現(xiàn)時間分別呈現(xiàn)1.5～2.7d×10a?1提前趨勢，春茶霜凍風險指數(shù)分別呈現(xiàn)每10a降低0.015～0.024的趨勢，且在20世紀90年代前后出現(xiàn)突變。該結(jié)論與張旭暉等[31]研究發(fā)現(xiàn)江蘇省春季霜凍結(jié)束時間顯著提早、春霜凍日數(shù)顯著減少、終霜凍期均在20世紀90年代后期從相對偏多期躍變?yōu)橄鄬ζ倨诘慕Y(jié)論一致。然而，春茶霜凍害的趨早結(jié)束和趨弱發(fā)生，并不意味著春霜凍害對茶樹實際損失一定減輕。一方面，隨著特早生、早生茶樹良種引入推廣，春茶萌芽日趨提早，同時隨著春季氣溫快速回升并呈上升趨勢，茶樹芽葉快速萌發(fā)且自身生育進程呈現(xiàn)提早趨勢，即茶樹對霜凍的敏感階段相應提前；另一方面受極端氣候事件增多的影響，仍存在茶樹采摘期遭受嚴重霜凍，對茶樹生產(chǎn)造成極大危害的可能性。因此，在氣候變暖時期，農(nóng)業(yè)部門調(diào)整生產(chǎn)布局、安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時仍需警惕春霜凍害。

（2）春茶霜凍的發(fā)生規(guī)律及管理策略。通過對春茶霜凍風險分布特征和氣候變化背景下各區(qū)域春茶霜凍發(fā)生規(guī)律的把控，可有效確定春茶霜凍防控關鍵區(qū)域、關鍵時間節(jié)點。霜凍害的發(fā)生會導致茶樹生理生化指標發(fā)生變化，茶樹葉片細胞膜結(jié)構(gòu)和功能出現(xiàn)損傷，進而導致葉片形態(tài)、茶芽萌動萌發(fā)時間、內(nèi)含物質(zhì)（茶多酚、氨基酸和咖啡堿等）發(fā)生變化[32]，降低茶樹產(chǎn)量和品質(zhì)?；诮K春茶霜凍風險區(qū)劃結(jié)果，開展春茶霜凍風險評估發(fā)現(xiàn)，各等級春茶霜凍高發(fā)時段在2月上旬?3月下旬且霜凍害等級越重發(fā)生時間越早，日尺度霜凍高發(fā)時間集中在5：00?8：00。其中，日尺度霜凍高發(fā)時間與婁偉平[33]對晴天下不同形態(tài)茶樹冠層溫度最低值出現(xiàn)在6：00前后的結(jié)果對應較好，即霜凍強發(fā)時間與高發(fā)時段具有較好的重合性。江蘇三大茶區(qū)已建茶園可以結(jié)合各等級春茶霜凍常發(fā)時段，做好長期管理設施建設和物資儲備。同時，霜凍害防御過程中，結(jié)合春茶霜凍發(fā)生的日變化特征，加強晨間霜凍防護管理，依據(jù)霜凍等級由輕至重的發(fā)生特征和實際冷空氣降溫預警信息，通過覆蓋、噴水和噴灑化學保護劑等方式防御霜凍。

（3）春茶霜凍監(jiān)測期的不確定性及重要性。茶樹萌動萌發(fā)期間霜凍的發(fā)生，輕則造成芽葉焦灼、茶樹生育進程遲緩、茶樹開采期推遲，重則造成已萌發(fā)的芽葉成片焦枯，嚴重影響名優(yōu)茶的質(zhì)量和產(chǎn)量。因此，在春茶霜凍風險區(qū)劃評估過程中，春茶霜凍監(jiān)測期的確定至關重要，尤其是監(jiān)測開始期的判定對春茶早期霜凍害的防御具有重要意義。實際生產(chǎn)中不同茶樹品種的茶芽萌動期差異較大，結(jié)合江蘇茶樹主栽品種和萌動早晚時間，可將江蘇茶樹品種分為特早生、早生種和中晚生種三大類。本研究采用特早生品種普遍萌動期2月1日作為監(jiān)測開始時間，與各地春茶實際可能遭受霜凍影響的開始時間存在一定偏差。從氣象要素的空間差異性來看，各類茶樹品種在各地的萌動萌發(fā)存在差異且有規(guī)律可循。在氣候變暖茶樹萌動萌發(fā)期可能提前的情況下，未來可以結(jié)合不同茶樹品種萌動的氣象條件和氣象要素的精細化監(jiān)測結(jié)果，引入物候模型[34?35]，求算各地茶芽萌動期，以精準確定霜凍監(jiān)測的開始時間，實現(xiàn)春茶霜凍的精確監(jiān)測與評估[36]。

（4）春茶霜凍風險區(qū)劃應用與不足。本研究綜合考慮茶樹萌動至終霜期間不同強度等級霜凍出現(xiàn)幾率及其可能造成的芽葉受害率的影響，構(gòu)建春茶霜凍風險指數(shù)，開展霜凍害風險區(qū)劃評估，較好地從霜凍發(fā)生的氣象角度給出了春茶霜凍發(fā)生高低風險區(qū)分布情況及其氣候變化特征，具有生產(chǎn)指導意義。例如，高風險區(qū)域中，若需拓展茶園面積，可根據(jù)區(qū)域內(nèi)春茶霜凍發(fā)生特征和變化規(guī)律，適當引入晚生品種，將茶樹萌動時間控制在2月下旬之后，避開嚴重霜凍的高發(fā)時段。低風險區(qū)域與當前茶樹主栽區(qū)和春茶氣候高適宜區(qū)相吻合[37]，茶樹種植面積占比高達93%，掌握低風險區(qū)域內(nèi)氣候突變后不同等級春茶霜凍逐日和逐時發(fā)生規(guī)律，可為茶樹生產(chǎn)布局、優(yōu)化茶園管理提供參考。此外，基于春茶霜凍害風險區(qū)劃結(jié)果，可實現(xiàn)保費、費率等保險單關鍵要素的差異化設置，也為氣象指數(shù)保險產(chǎn)品在春茶霜凍發(fā)生風險領域的應用奠定了基礎[38]。

完備的災害風險區(qū)劃研究需要從致災因子風險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體易損性和抗災能力四個角度去衡量。實際生產(chǎn)中，霜凍對春茶造成的損失，不僅與春茶霜凍強度有關，還與茶園地貌地形和茶園管理水平、栽培技術、茶樹品種及所處生長階段等因素等相關。未來，可融合遙感和地理信息技術提取茶園地理特征，根據(jù)不同品種茶樹茶芽萌發(fā)規(guī)律以及茶樹采摘量、經(jīng)濟效益等信息，開展精細化的春茶霜凍風險區(qū)劃和評估研究[39]。

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Analysis on Characteristics of Spring Tea Frost Damage in Different Risk Areas in Jiangsu Province

REN Yi-fang1, WANG Pei-juan2, QIAN Ban-dun3, MA Yun-bo4, SUN Qin-fei5

(1.Jiangsu Climate Center, Nanjing 210041, China; 2.Chinese Academy of Meteorological Science, Beijing 100081; 3.Liyang Meteorological Bureau, Liyang 213300; 4.Danyang Meteorological Bureau, Danyang 212300; 5. Yizheng Meteorological Bureau, Yizheng 211400)

Using global atmospheric reanalysis data ERA5 from 1981 to 2020, based on the meteorological indicators representing the degree of tea frost damage, the risk index (RI) during the spring frost monitoring period in Jiangsu province was constructed. The k-means clustering algorithm was selected to realize the spring tea frost risk zoning. Based on that, the Mann-Kendall method was applied to identify the climatic abrupt change points in each frost risk region, the impacts of climate change on the occurrence characteristics of spring tea frost in different risk areas were assessed by the daily and hourly scales, separately. The result showed that the frost risk of spring tea in Jiangsu province was characterized by "low in the southwest and high in the northeast". Light to moderate frost and extremely severe frost mainly occurred in low-risk area and high-risk area, with an average frequency of 11.91% and 15.4%, respectively. In the low-risk and high-risk areas, the average appearance times of the frost ending date showed an advance trend of 2.7d×10y?1and 1.5d×10y?1, while RI value showed a decreasing trend of 0.024 and 0.015 per 10 years, respectively. Influenced by climate change, in terms of daily time scale, the occurrence frequency and volatility of spring tea frost at all levels during the monitoring period in low-risk and high-risk areas were significantly reduced, especially in the case of severe frost. The distribution patterns of occurrence frequency of spring tea frost at all levels changed from the type of multi peak to the type of single peak with descending trend, while still having different peak times, but mainly concentrated in the first ten days of February to the last ten days of March. From the hourly time scale, the occurrence frequency of spring tea frost at all levels basically presented a "sinusoidal" distribution pattern. After climate change, the high incidence period of mild frost was delayed for two to four hours, and that of moderate to severe frost was basically unchanged or delayed for one hour, and the high incidence period of moderate to severe frost and extra severe frost were concentrated at 5：00?7：00 and 6：00?8：00 respectively in the morning for each risk region. With the climate change, the spring tea frost in Jiangsu was characterized by "later, weaker, shorter and fewer", which still needed to be actively addressed.

Jiangsu；Spring tea；Frost；Risk assessment；Climate change

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.09.006

任義方,王培娟,錢半噸,等.江蘇省不同風險區(qū)域春茶霜凍害特征分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2023,44(9):820-833

2022?10?06

國家重點研發(fā)計劃（2019YFD1002203）

王培娟，博士，研究員，研究方向為農(nóng)業(yè)氣象災害，E-mail：wangpj@cma.gov.cn

任義方，E-mail：renyifang2006@126.com