镇江地区茶园霜冻害等级预报模型研究

周勍 孔洋 胡丹丹

摘 要：利用镇江市丹徒区1951—2015年65年间地面气象观测资料和谷阳茶场2012—2016年3、4月份小气候站观测资料，研究镇江地区霜冻害发生的气候特征和茶园小气候的变化特点，建立潜在夜间防霜的茶树冠层极端最低气温和气温变化趋势的预测模型，并结合茶树霜冻害指标，进一步建立茶园霜冻害等级的预报预测系统，从而根据霜冻害等级，指导茶农合理开展茶园霜冻的防范工作，有效降低霜冻危害给茶园造成的经济损失。

关键词：茶树;霜冻害;预报模型

中图分类号 S572文献标识码 A文章编号 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

丘陵山区独特的气候条件非常有利于种植茶树，特别是早春名优茶的生产。镇江地区依靠丘陵地形，近年来不断发展茶业生产，茶树种植面积不断扩张，目前已有面积超过4667hm2的茶园，年产茶叶近1400t，实现产值3亿多元。其中以早春名优茶的经济效益最高，因而镇江地区种植的品种多为特早芽种“乌牛早”，早芽种“龙井43”、“福鼎大毫”等。然而，由于早春季节气温起伏大，茶树容易受到霜冻危害，直接影响了春茶的产量和品质。近些年来，由于倒春寒的屡次发生，接连而来的春季霜冻对早春茶的生长造成了极大的影响。比如，2004年4月的倒春寒使镇江句容茶园损失名优茶58t，造成直接经济损失达1500多万元;2006年的2次倒春寒，使镇江句容的茶叶亏损达2000多万元;2007年春季受倒春寒影响，镇江句容茶叶遭受了惨重损失，茶树新芽耗损50%，直接经济损失达1800万元;2008年的倒春寒，使镇江句容成片茶园的茶芽终止生长，不但造成了产量缩减，品质也大幅下降，采摘期推迟10d，给茶农造成了巨大的经济损失;2013年春季连续4次较重的霜冻天气，使得镇江面积约2000hm2的茶园遭受了严重影响，特别是特早芽种“乌牛早”和早芽种“龙井43号”等，除了有防霜保护的茶园以外，其余几乎绝收，经济损失均超过15万元/hm2。可以看出，低温霜冻是影响茶树生长的关键气象灾害，对镇江地区茶叶产业的发展构成了阻碍。因此，做好早春霜冻的预测预报，指导茶园及时开展防护，及时有效地降低霜冻危害，减少经济损失，对镇江地区茶叶产业的可持续且穩定发展有着重要的意义。

本文旨在通过对霜冻条件下茶园小气候观测数据的特征研究，以及历年镇江地区茶叶霜冻害发生程度的分析，确定茶园霜冻害防除等级，并利用茶园小气候实况结合气象要素等进行预测预报，从而指导茶农进行早春的霜冻防御，达到降低霜冻灾害影响，提高茶叶品质、产量，增加经济效益的目的[1-5]。

2 材料与方法

2.1 材料 利用丹徒区气象局1951—2015年65年间地面气象观测资料，分析镇江地区春季气温的大中尺度变化特征以及春季晚霜冻的发生特征;利用谷阳茶场2012—2016年3、4月份小气候站观测资料，分析春季茶园霜冻日的小气候变化特征。

2.2 镇江地区茶园霜冻害等级指标的制定 由于浙江省种植的茶叶品种与本地相似，本文结合浙江省省级地方标准《茶树霜冻等级》加以本地化，制定出《镇江地区茶园霜冻防除等级》（表1）。

2.3 茶园霜冻害防除等级预报模型的建立 根据镇江地区茶园霜冻害等级指标，需要做出最低气温及持续时间的预测。

2.3.1 霜夜茶树冠层最低气温预测 通过对2012—2015年4年间3、4月份的17次霜冻日的丹徒气象站最低气温和谷阳茶场的茶树冠层最低气温进行对比分析，发现有3次冠层温度略高于丹徒气象站最低气温，在0～0.3℃，占所有记录的17.6%;其他均低于丹徒气象站的最低气温，在0.3～2.8℃，占82.4%，其中偏低1.0℃以上的占71.4%。以丹徒气象站最低气温T1为自变量，将谷阳茶场茶树冠层最低气温T2与因变量进行线性拟合，得出方程如下：T2=0.969*T1-0.923。实际应用中，可以简单的将预测中最低气温降低1℃作为预测茶树冠层的最低气温。

2.3.2 霜夜茶树冠层气温变化趋势 预测3—4月日落时间在18：30左右，日出时间在6：00左右，我们选择夜间降温时段20—07时气温数据进行分析，对2012年—2013年2年3—4月份出现的9次霜冻的夜间气温数据进行拟合。结果显示，采用自然对数函数模型能够达到很好的效果，能够满足日常应用需求（表2）。

计算公式为：

[Tx=a*lnx+b]

x为时间变量，自20时至07时的12个时次分别为[x=1、2、…、][12];[y];为任意时刻的气温;a、b为系数。

因此，本文利用自然对数函数模型预测潜在的霜夜气温变化，可由夜间任意2个时刻的温度建立二元一次方程组求解当夜系数a、b，从而计算夜间任意时刻的温度。实际应用中，当x=1时，[b]趋向于[T1]，也就是20时的最低温度，[a=T12-T1ln12]，T12即07时的气温，默认为当日最低温度，计算公式如下：

[Tx=T12-T1ln12*lnx+T1]

考虑到EC（欧洲中心天气数值预报模式）的准确率等因素的影响，实际应用中，可以直接利用EC最低气温预报降低1℃作为茶树冠层的最低气温预测值带入模型计算。

2.3.3 茶园霜冻害防除等级预报系统构建 由于茶叶萌芽后的抗寒能力明显下降，结合霜夜茶树冠层最低气温预测、霜夜茶树冠层气温变化趋势预测以及镇江地区茶园霜冻防除等级指标，系统建设如图1所示。

3 结果与分析

3.1 镇江地区春季气温的大中尺度变化特征 镇江地区气候受全球气温变暖的影响，春季气温呈明显升高的趋势。选用线性方程对温度序列进行拟合，即y=a*x+b。其回归系数a反映了温度的趋势变化，称为气温的倾向率，*10表示气温每10年的变化。春季3—5月气温增长明显，平均每10年温度增加0.35℃。其中，3月份平均气温的年际变化最大，年际最大温差达6.3℃，同时近20年间每5年就有一次大幅度的变化（图2a）。

一般认为茶树的生物学最低温度为10℃，连续5d日平均气温达到此温度，茶芽开始萌发。日平均气温连续5d≥10℃的平均日期为3月23日，年代际变化呈现提前趋势，且近20年明显提前（图2b）。利用镇江丹徒区地面观测资料，分析镇江地区1952—2015年64年间的晚霜冻发生资料，数据选取对茶树霜冻危害影响最强的3—4月份这一时间段。在此期间，共发生了280次霜冻危害，平均每年发生4.4次，其中1952年、1953年、1992年、2003年4年未发生晚霜冻，故在年份上发生的概率约为93.75%。3月份发生晚霜冻次数占89.7%，4月份发生晚霜冻次数占10.3%。发生初霜冻危害的平均日期为3月13日，最早日期为3月1日。最晚日期为4月12日，最早和最晚日期间隔为42d。可见，春季气温上升使得茶芽萌发期提前，在带来更多经济效益的同时，也使得茶树遭受霜冻害的风险大大提高。

3.2 春季茶园气温的小尺度变化 利用谷阳茶场2014年3月8日20时至3月9日20时当天的小气候数据进行分析。

3.2.1 春季茶园气温日变化 考虑到茶树高度一般在0.8～1.2m，1m气温更接近茶树冠层，研究发现：20时至07时气温平稳下落，最低气温在6时左右;7时以后开始受到太阳辐射关系，气温明显上升，最高气温出现在15时左右;17—19时降温显著。昼夜温差比较大，最高与最低气温的差距可达到15.6℃（图3a）。

3.2.2 茶园气温空间变化 丘陵茶园不但要注意温度与时间上的变化规律，还要结合丘陵茶园实际空间特征进行分析，受地形地势的影响，区域空间上小气候存在差异。茶叶冠层气温最低，10m气温与茶叶冠层（1m）气温温差在3.0℃～3.7℃，温差最大值出现在6时左右;6～10m的温差明显小于1～5m的温差。茶叶冠层的气温变幅最大，气温变幅随高度增加减小（图3b）。另外，江苏大学李萍萍教授等对早春晴朗无风夜间茶园不同地形温度进行了比较分析，地形对气温的影响较大，高低起伏较大的地方气温变化较大。茶园平地地形起伏较小，气温变化也较小;北坡低洼地形起伏较大，气温变化也较大。地势的高低也直接影响温度，平地地势较高，冷空气流动畅通，夜晚逆温程度较低，霜冻较轻;北坡地势低洼，冷空气较重容易沉积，夜晚气温最低，霜冻最重。坡向的不同直接导致受光時间和太阳辐射强度差异，从而影响茶园小气候的变化。晴天南坡地形获得的太阳辐射总量多，温度较高;而北坡获得的太阳辐射总量少，温度则较低[6]。在空间变化上由于受地形地势的影响，丘陵茶园空间气温分布不均，坡形、坡向、空间高度上差异明显，坡形上以北坡温度偏低、坡向上以坡底温度最低，空间高度上以茶树冠层附近最低，因此，利用茶树冠层温度（1m气温）更为准确。

3.3 茶园霜冻害防除等级预报系统的应用与检验 由于受到EC（欧洲中心天气数值预报模式）历史数据限制，仅对2016年3月14日、3月15日、3月26日出现的3次霜冻天气夜间气温数据进行检验（图4）。36个样本数据中，误差均在±2.0℃范围内。其中有35个数据误差在±1.5℃范围内，占97.2%;25个数据误差在±1.0℃范围内，占69.4%。判定的霜冻害等级均与实际结果基本相符。可见，该模型基本能够满足实际应用的需要。

4 结论与讨论

（1）镇江地区春季气温平均每10年增加0.35℃。其中3月份平均气温的年际变化最大，年际最大温差达6.3℃，同时近20年间每5年就有一次大幅度的变化。受此影响，近年来茶树萌动始期亦呈现提前的趋势，且近20年提前明显。

（2）镇江地区1952—2015年64年间3—4月份共发生了280次霜冻危害，平均每年发生4.4次，其中1952年、1953年、1992年、2003年未发生晚霜冻，故在年份上发生的概率约为93.75%。3月份发生晚霜冻的次数占89.7%，4月份发生晚霜冻的次数占10.3%。发生初霜冻危害的平均日期为3月13日，最早的日期为3月1日，最晚的日期为4月12日，最早和最晚日期间隔为42d。