鎮(zhèn)江地區(qū)茶園霜凍害等級預(yù)報模型研究

周勍 孔洋 胡丹丹

摘 要：利用鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)1951—2015年65年間地面氣象觀測資料和谷陽茶場2012—2016年3、4月份小氣候站觀測資料，研究鎮(zhèn)江地區(qū)霜凍害發(fā)生的氣候特征和茶園小氣候的變化特點(diǎn)，建立潛在夜間防霜的茶樹冠層極端最低氣溫和氣溫變化趨勢的預(yù)測模型，并結(jié)合茶樹霜凍害指標(biāo)，進(jìn)一步建立茶園霜凍害等級的預(yù)報預(yù)測系統(tǒng)，從而根據(jù)霜凍害等級，指導(dǎo)茶農(nóng)合理開展茶園霜凍的防范工作，有效降低霜凍危害給茶園造成的經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：茶樹;霜凍害;預(yù)報模型

中圖分類號 S572文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）17-0135-04

Research on the Forecast System of the Protection and Anti-damage Grades in Tea Garden

Zhou Qing1 et al.

（1Zhenjiang Meteorological Burea，Zhenjiang 212000，China）

Abstract：The climatic characteristics of frost hazards in Zhenjiang and the characteristics of changes in the small climate of tea gardens were studied by using the meteorological observations of the ground from 1951 to 2015 in Dantu District and the observation data of the sub-climate stations from March to April 2012 in Guyang Tea Farm.A prediction model of the extreme minimum temperature and temperature trend of the tea tree canopy with potential frost protection at night is established，and a forecasting and forecasting system of the tea garden frost damage level is further established based on the frost damage level.Effective reduction of the damage caused by frost to the tea garden.

Key words：Tea;Frostbite;Forecast system

1 前言

丘陵山區(qū)獨(dú)特的氣候條件非常有利于種植茶樹，特別是早春名優(yōu)茶的生產(chǎn)。鎮(zhèn)江地區(qū)依靠丘陵地形，近年來不斷發(fā)展茶業(yè)生產(chǎn)，茶樹種植面積不斷擴(kuò)張，目前已有面積超過4667hm2的茶園，年產(chǎn)茶葉近1400t，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值3億多元。其中以早春名優(yōu)茶的經(jīng)濟(jì)效益最高，因而鎮(zhèn)江地區(qū)種植的品種多為特早芽種“烏牛早”，早芽種“龍井43”、“福鼎大毫”等。然而，由于早春季節(jié)氣溫起伏大，茶樹容易受到霜凍危害，直接影響了春茶的產(chǎn)量和品質(zhì)。近些年來，由于倒春寒的屢次發(fā)生，接連而來的春季霜凍對早春茶的生長造成了極大的影響。比如，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(jì)損失達(dá)1500多萬元;2006年的2次倒春寒，使鎮(zhèn)江句容的茶葉虧損達(dá)2000多萬元;2007年春季受倒春寒影響，鎮(zhèn)江句容茶葉遭受了慘重?fù)p失，茶樹新芽耗損50%，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1800萬元;2008年的倒春寒，使鎮(zhèn)江句容成片茶園的茶芽終止生長，不但造成了產(chǎn)量縮減，品質(zhì)也大幅下降，采摘期推遲10d，給茶農(nóng)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失;2013年春季連續(xù)4次較重的霜凍天氣，使得鎮(zhèn)江面積約2000hm2的茶園遭受了嚴(yán)重影響，特別是特早芽種“烏牛早”和早芽種“龍井43號”等，除了有防霜保護(hù)的茶園以外，其余幾乎絕收，經(jīng)濟(jì)損失均超過15萬元/hm2?？梢钥闯?，低溫霜凍是影響茶樹生長的關(guān)鍵氣象災(zāi)害，對鎮(zhèn)江地區(qū)茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展構(gòu)成了阻礙。因此，做好早春霜凍的預(yù)測預(yù)報，指導(dǎo)茶園及時開展防護(hù)，及時有效地降低霜凍危害，減少經(jīng)濟(jì)損失，對鎮(zhèn)江地區(qū)茶葉產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)且穩(wěn)定發(fā)展有著重要的意義。

本文旨在通過對霜凍條件下茶園小氣候觀測數(shù)據(jù)的特征研究，以及歷年鎮(zhèn)江地區(qū)茶葉霜凍害發(fā)生程度的分析，確定茶園霜凍害防除等級，并利用茶園小氣候?qū)崨r結(jié)合氣象要素等進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，從而指導(dǎo)茶農(nóng)進(jìn)行早春的霜凍防御，達(dá)到降低霜凍災(zāi)害影響，提高茶葉品質(zhì)、產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益的目的[1-5]。

2 材料與方法

2.1 材料 利用丹徒區(qū)氣象局1951—2015年65年間地面氣象觀測資料，分析鎮(zhèn)江地區(qū)春季氣溫的大中尺度變化特征以及春季晚霜凍的發(fā)生特征;利用谷陽茶場2012—2016年3、4月份小氣候站觀測資料，分析春季茶園霜凍日的小氣候變化特征。

2.2 鎮(zhèn)江地區(qū)茶園霜凍害等級指標(biāo)的制定 由于浙江省種植的茶葉品種與本地相似，本文結(jié)合浙江省省級地方標(biāo)準(zhǔn)《茶樹霜凍等級》加以本地化，制定出《鎮(zhèn)江地區(qū)茶園霜凍防除等級》（表1）。

2.3 茶園霜凍害防除等級預(yù)報模型的建立 根據(jù)鎮(zhèn)江地區(qū)茶園霜凍害等級指標(biāo)，需要做出最低氣溫及持續(xù)時間的預(yù)測。

2.3.1 霜夜茶樹冠層最低氣溫預(yù)測 通過對2012—2015年4年間3、4月份的17次霜凍日的丹徒氣象站最低氣溫和谷陽茶場的茶樹冠層最低氣溫進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)有3次冠層溫度略高于丹徒氣象站最低氣溫，在0～0.3℃，占所有記錄的17.6%;其他均低于丹徒氣象站的最低氣溫，在0.3～2.8℃，占82.4%，其中偏低1.0℃以上的占71.4%。以丹徒氣象站最低氣溫T1為自變量，將谷陽茶場茶樹冠層最低氣溫T2與因變量進(jìn)行線性擬合，得出方程如下：T2=0.969*T1-0.923。實(shí)際應(yīng)用中，可以簡單的將預(yù)測中最低氣溫降低1℃作為預(yù)測茶樹冠層的最低氣溫。

2.3.2 霜夜茶樹冠層氣溫變化趨勢 預(yù)測3—4月日落時間在18：30左右，日出時間在6：00左右，我們選擇夜間降溫時段20—07時氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對2012年—2013年2年3—4月份出現(xiàn)的9次霜凍的夜間氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。結(jié)果顯示，采用自然對數(shù)函數(shù)模型能夠達(dá)到很好的效果，能夠滿足日常應(yīng)用需求（表2）。

計算公式為：

[Tx=a*lnx+b]

x為時間變量，自20時至07時的12個時次分別為[x=1、2、…、][12];[y];為任意時刻的氣溫;a、b為系數(shù)。

因此，本文利用自然對數(shù)函數(shù)模型預(yù)測潛在的霜夜氣溫變化，可由夜間任意2個時刻的溫度建立二元一次方程組求解當(dāng)夜系數(shù)a、b，從而計算夜間任意時刻的溫度。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)x=1時，[b]趨向于[T1]，也就是20時的最低溫度，[a=T12-T1ln12]，T12即07時的氣溫，默認(rèn)為當(dāng)日最低溫度，計算公式如下：

[Tx=T12-T1ln12*lnx+T1]

考慮到EC（歐洲中心天氣數(shù)值預(yù)報模式）的準(zhǔn)確率等因素的影響，實(shí)際應(yīng)用中，可以直接利用EC最低氣溫預(yù)報降低1℃作為茶樹冠層的最低氣溫預(yù)測值帶入模型計算。

2.3.3 茶園霜凍害防除等級預(yù)報系統(tǒng)構(gòu)建 由于茶葉萌芽后的抗寒能力明顯下降，結(jié)合霜夜茶樹冠層最低氣溫預(yù)測、霜夜茶樹冠層氣溫變化趨勢預(yù)測以及鎮(zhèn)江地區(qū)茶園霜凍防除等級指標(biāo)，系統(tǒng)建設(shè)如圖1所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 鎮(zhèn)江地區(qū)春季氣溫的大中尺度變化特征 鎮(zhèn)江地區(qū)氣候受全球氣溫變暖的影響，春季氣溫呈明顯升高的趨勢。選用線性方程對溫度序列進(jìn)行擬合，即y=a*x+b。其回歸系數(shù)a反映了溫度的趨勢變化，稱為氣溫的傾向率，*10表示氣溫每10年的變化。春季3—5月氣溫增長明顯，平均每10年溫度增加0.35℃。其中，3月份平均氣溫的年際變化最大，年際最大溫差達(dá)6.3℃，同時近20年間每5年就有一次大幅度的變化（圖2a）。

一般認(rèn)為茶樹的生物學(xué)最低溫度為10℃，連續(xù)5d日平均氣溫達(dá)到此溫度，茶芽開始萌發(fā)。日平均氣溫連續(xù)5d≥10℃的平均日期為3月23日，年代際變化呈現(xiàn)提前趨勢，且近20年明顯提前（圖2b）。利用鎮(zhèn)江丹徒區(qū)地面觀測資料，分析鎮(zhèn)江地區(qū)1952—2015年64年間的晚霜凍發(fā)生資料，數(shù)據(jù)選取對茶樹霜凍危害影響最強(qiáng)的3—4月份這一時間段。在此期間，共發(fā)生了280次霜凍危害，平均每年發(fā)生4.4次，其中1952年、1953年、1992年、2003年4年未發(fā)生晚霜凍，故在年份上發(fā)生的概率約為93.75%。3月份發(fā)生晚霜凍次數(shù)占89.7%，4月份發(fā)生晚霜凍次數(shù)占10.3%。發(fā)生初霜凍危害的平均日期為3月13日，最早日期為3月1日。最晚日期為4月12日，最早和最晚日期間隔為42d?？梢?，春季氣溫上升使得茶芽萌發(fā)期提前，在帶來更多經(jīng)濟(jì)效益的同時，也使得茶樹遭受霜凍害的風(fēng)險大大提高。

3.2 春季茶園氣溫的小尺度變化 利用谷陽茶場2014年3月8日20時至3月9日20時當(dāng)天的小氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.2.1 春季茶園氣溫日變化 考慮到茶樹高度一般在0.8～1.2m，1m氣溫更接近茶樹冠層，研究發(fā)現(xiàn)：20時至07時氣溫平穩(wěn)下落，最低氣溫在6時左右;7時以后開始受到太陽輻射關(guān)系，氣溫明顯上升，最高氣溫出現(xiàn)在15時左右;17—19時降溫顯著。晝夜溫差比較大，最高與最低氣溫的差距可達(dá)到15.6℃（圖3a）。

3.2.2 茶園氣溫空間變化 丘陵茶園不但要注意溫度與時間上的變化規(guī)律，還要結(jié)合丘陵茶園實(shí)際空間特征進(jìn)行分析，受地形地勢的影響，區(qū)域空間上小氣候存在差異。茶葉冠層氣溫最低，10m氣溫與茶葉冠層（1m）氣溫溫差在3.0℃～3.7℃，溫差最大值出現(xiàn)在6時左右;6～10m的溫差明顯小于1～5m的溫差。茶葉冠層的氣溫變幅最大，氣溫變幅隨高度增加減小（圖3b）。另外，江蘇大學(xué)李萍萍教授等對早春晴朗無風(fēng)夜間茶園不同地形溫度進(jìn)行了比較分析，地形對氣溫的影響較大，高低起伏較大的地方氣溫變化較大。茶園平地地形起伏較小，氣溫變化也較小;北坡低洼地形起伏較大，氣溫變化也較大。地勢的高低也直接影響溫度，平地地勢較高，冷空氣流動暢通，夜晚逆溫程度較低，霜凍較輕;北坡地勢低洼，冷空氣較重容易沉積，夜晚氣溫最低，霜凍最重。坡向的不同直接導(dǎo)致受光時間和太陽輻射強(qiáng)度差異，從而影響茶園小氣候的變化。晴天南坡地形獲得的太陽輻射總量多，溫度較高;而北坡獲得的太陽輻射總量少，溫度則較低[6]。在空間變化上由于受地形地勢的影響，丘陵茶園空間氣溫分布不均，坡形、坡向、空間高度上差異明顯，坡形上以北坡溫度偏低、坡向上以坡底溫度最低，空間高度上以茶樹冠層附近最低，因此，利用茶樹冠層溫度（1m氣溫）更為準(zhǔn)確。

3.3 茶園霜凍害防除等級預(yù)報系統(tǒng)的應(yīng)用與檢驗 由于受到EC（歐洲中心天氣數(shù)值預(yù)報模式）歷史數(shù)據(jù)限制，僅對2016年3月14日、3月15日、3月26日出現(xiàn)的3次霜凍天氣夜間氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗（圖4）。36個樣本數(shù)據(jù)中，誤差均在±2.0℃范圍內(nèi)。其中有35個數(shù)據(jù)誤差在±1.5℃范圍內(nèi)，占97.2%;25個數(shù)據(jù)誤差在±1.0℃范圍內(nèi)，占69.4%。判定的霜凍害等級均與實(shí)際結(jié)果基本相符?？梢?，該模型基本能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

4 結(jié)論與討論

（1）鎮(zhèn)江地區(qū)春季氣溫平均每10年增加0.35℃。其中3月份平均氣溫的年際變化最大，年際最大溫差達(dá)6.3℃，同時近20年間每5年就有一次大幅度的變化。受此影響，近年來茶樹萌動始期亦呈現(xiàn)提前的趨勢，且近20年提前明顯。

（2）鎮(zhèn)江地區(qū)1952—2015年64年間3—4月份共發(fā)生了280次霜凍危害，平均每年發(fā)生4.4次，其中1952年、1953年、1992年、2003年未發(fā)生晚霜凍，故在年份上發(fā)生的概率約為93.75%。3月份發(fā)生晚霜凍的次數(shù)占89.7%，4月份發(fā)生晚霜凍的次數(shù)占10.3%。發(fā)生初霜凍危害的平均日期為3月13日，最早的日期為3月1日，最晚的日期為4月12日，最早和最晚日期間隔為42d。