基于MCI指数的安溪茶区气象干旱特征分析*

2022-07-05杨丽慧

海峡科学 2022年5期

陈立杨丽慧潘航白龙

(福建省气候中心，福建福州 350008)

1 概述

干旱是影响茶树品质下降的重要因子[1],它对茶树的生长发育、叶片的生理生化特性均会产生不同程度的影响[2]。伍炳华等研究表明，在水分亏损时，会加快茶叶叶片衰老，影响茶叶的品质质量[3]。陈家金等指出，夏秋旱是福建茶树生长发育的致灾因子之一，受旱灾的茶树生长滞缓，使得芽叶瘦、嫩度差、苦味重，而本文研究的安溪茶区属于夏秋旱的重灾区[4]。赖积强等[5]指出，高温干旱、低温冻害、暴雨洪涝是影响福建省松溪县茶叶产品和品质的重要原因；林江[6]也指出，干旱对寿宁县和屏南县高海拔地区茶叶生产产生了重要影响。

本文通过安溪国家气象观测站的逐日气象资料计算的气象干旱综合指数(以下简称MCI指数)来分析安溪茶区夏、秋、冬三季气象干旱的气候特征，为安溪县茶农科学防范干旱对铁观音品质影响提供指导依据。

2 资料和方法

2.1 资料的选取

安溪国家气象观测站(以下简称安溪站)始建于1958 年9月26日(区站号58929，25°03′49″N，118°12′25″E，海拔高度130.6m，见表1)，位于安溪县参内乡圆潭村茶叶公园山顶。

安溪县铁观音茶场共建有气象站6个(见表1)，其中3个为区域自动气象站，包括西坪镇松岩村魏荫茶园、湖上乡茶场和龙涓乡举源村茶园。3个为农田小气候站，包括西坪镇珠洋村八马茶园、感德镇霞云村生态茶园和祥华乡福洋村冠和茶园。3个区域自动站观测开始时间均从2008年开始，F5407观测起始时间最早(2008年1月4日)；3个农田小气候站开始时间均从2015年11月后开始，其中F5425观测起始时间最早(2015年11月1日)。

表1 安溪茶区气象站基本信息

图1 安溪站及各茶区气象站分布及地形图

2.2 干旱指标选取

气象干旱是由于降水长期亏缺和近期亏缺综合效应的累加，长期以来，相关学者根据不同的研究对象和区域建立了不同的干旱指数(包括CI指数[7-8]、SPEI指数[9-10]、SPI指数[11-12]等)。国家气候中心在多种干旱指数对比研究的基础上，修订了《气象干旱等级》国家标准，改进并研制了气象干旱综合指数法，该标准已运用于福建气象干旱的研究中[13]。因此，本文在干旱指标上选取国家气象干旱等级(GB/T 20481-2017)中的气象干旱综合指数[14](即MCI指数)，考虑了近60d内的有效降水(权重平均降水)和蒸发(相对湿润度)的影响，以及季度尺度(近90d)和半年尺度(近150d)降水长期亏缺的影响，并考虑了不同季节、不同区域主要农作物对土壤水分的敏感程度。根据各地区站点逐日监测的MCI指数得出单站和区域干旱过程判别方法和标准。

MCI=Ka×(a×SPIW60+b×MI30+c×SPI90+d×SPI150)

(1)

式(1)中，Ka为季节调节系数，根据各地主要农作物生长发育阶段对土壤水分的敏感程度，确定不同季节的Ka系数。对于福建，根据GB/T 20481-2017[14]，5—8月Ka为1.2,11—12月和1—2月Ka为0.9，其余月份为1.0。

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SPIW60为近60天标准化权重降水指数，标准化处理计算方法参考GB/T 20481-2017[14]，式(2)中WAP代表权重累计降水量，单位为mm；式(3)中n表示某一时段的长度，单位为d；Pn为距离当天前第n天的降水量，单位为mm。计算公式如下：

SPIW60=SPI(WAP)

(2)

(3)

MI30为近30d湿润度指数，计算方法参考GB/T 20481-2017[14]。某段时间的降水量与同时段潜在蒸散量之差除以同时段潜在蒸散量得到的指数，主要涉及月平均气温及时段降水量。SPI90、SPI150为近90d和近150d标准化降水指数，以气象站观测的降水量作为计算指数的依据。

a、b、c、d为SPIW60、MI30、SPI60和SPI150各项的经验权重系数，北方和西部地区分别取0.3、0.5、0.3和0.2，南方地区取0.5、0.6、0.2和0.1。对于福建安溪地区的4项权重系数，参考南方地区的参考指标。由此可见，MCI指数与气象站观测的降水量和气温有关。MCI指数等级划分标准见表2。

表2 MCI指数等级划分

2.3 具体方法

安溪站位于安溪县城(图1)，与安溪主要茶区所在的乡镇有一定距离，并且安溪茶区自动气象站资料时间长度较短，其统计结果在气候时间尺度上不具有代表性。再加上各茶区自动气象站观测期间均出现不同程度的缺测，导致资料存在不同程度的不完整性。综合以上因素，安溪气象站长年代统计得到的气象干旱综合监测指数(MCI)是否能够代表安溪各茶区的干旱气候变化特征需进行评估。首先，分析安溪站与安溪6个茶区气象站在干旱条件下MCI指数的相关性。其次，在相关性较好的情况下，运用具有较高统计意义的安溪国家气象观测站长年代计算的MCI指数进行统计。最后，根据统计结果运用正态化分布和MCI指数标准等级(见表2)分析安溪茶区气象干旱的变化特征。

3 结果分析

3.1 安溪站与各茶区气象站相关性分析

安溪县铁观音茶场已建的3个自动气象站和3个农田小气候站可获得每日的降水与气温。根据式(1)计算得到安溪站和安溪各茶区气象站的MCI指数，将安溪站与上述6个茶区气象站自建站以来至2020年2月干旱条件下夏、秋、冬三季的MCI指数进行相关性分析。

从相关性结果来看(见表3)，西坪八马与安溪站的干旱指数相关性最好，相关系数达到了0.729；其次为感德霞云，相关系数0.708；相关系数较低的为魏荫茶园和湖上乡，相关系数分别为0.633和0.620。

表3 干旱时安溪站与各茶区气象站MCI指数的相关系数

综上所述，安溪各茶区气象站与MCI指数相关性较高，吻合性较好。因此安溪站得到的长年代MCI指数变化趋势能够代表安溪6个茶区干旱灾害的气候变化特征。

3.2 极端干旱

本文采用长时间序列的安溪站日降水量和日平均气温，计算1961年6月至2020年2月安溪站夏、秋、冬三季逐日的MCI指数，得出MCI指数的日平均值(μ)以及标准差(σ)。运用正态分布方法定义在(μ-1.96σ，μ+1.96σ)区间上的MCI指数为正常值，区间外则定义为异常值(出现的概率不超过0.05)，最低气温低于μ-1.96σ定义为异常低值。

安溪MCI干旱指数平均值0.40，最小值为-2.90(1991年6月17日)，标准差1.29。结合图2中MCI干旱指数的频率分布可以看出，安溪站MCI指数频率出现次数最多的主要集中在-0.5～0.5，占总数的30.20%；其次是集中在0.5～1以及-1～-0.5之间，分别占总数的13.32%和12.72%。通过正态分布曲线的规律，得出了安溪气象站MCI干旱指数异常低值为低于-2.12。因此可将MCI指数低于-2.12定义为安溪县极端干旱事件。

安溪极端干旱事件均发生在1983年后，除1987年10月17—23日、1996年2月14—17日出现极端干旱外，安溪极端干旱事件均出现在夏季的6—8月。

图2 1961—2020年安溪站夏、秋、冬三季MCI指数频率分布及正态分布曲线

3.3 MCI指数年际变化特征

依据MCI指数轻旱、中旱、重旱和特旱的四个量化等级的划分(见表2)，通过统计每年夏秋季及冬季出现的干旱日数来分析安溪旱灾的气候特征。

统计1961年6月至2020年2月安溪干旱日数(夏秋冬旱)的年际变化特征。从图3可以看出，安溪干旱日数呈缓慢递增趋势，20世纪70年代年干旱日数较少，年干旱日数超过130d的日数均出现在20世纪80年代后，干旱日数最多时期出现在1995年6月至1996年2月的181d。

图3 安溪站1961年6月至2020年2月干旱日数(夏秋旱及冬旱)时间变化特征

图4是安溪夏、秋、冬三季不同等级干旱日数的时间变化特征。从干旱严重程度上看，安溪站重旱以上的十年平均日数较高值均出现在20世纪80年代后，1971—1980年十年间重旱以上的日数仅为1.2d，重旱以上日数次少值出现在1961—1970年，可见20世纪80年代后安溪干旱严重程度明显增加。安溪站1983年前均未出现特旱现象，2001—2010年十年间出现特旱日数最多，年平均特旱日数5.8d。从年份上来看，2003年6月至2004年2月出现的特旱日数最多，达27d。重旱1981—1990年间最多，平均16.7d，其次为2001—2010年，平均13.1d，重旱日数出现的最多年份为2017年6月至2018年2月，共出现54d。

安溪中旱出现最多的时间段为20世纪80年代，平均中旱日数35.2 d；轻旱出现最多的时间段为20世纪90年代，平均轻旱日数42.8d。

图4 安溪站不同等级干旱日数年代际变化特征

从1961—2020年安溪夏、秋、冬三季的MCI指数月分布特征看出(见表4)，安溪冬季旱灾的占比最高(12月至次年2月)，占比41.1%，其次是秋季，夏季干旱日数相对偏少。从6月至次年2月的分布来看，12月旱灾的占比最高，占比达17.2%，其次为11月的16.7%和1月的14.1%。

表4 1961—2020年安溪站夏、秋、冬季各月干旱发生频率

虽然安溪冬季干旱发生的频率最高，但从图5可以看出，特旱主要出现在夏季，其中7月发生频率高达40.8%；冬季特旱日数较少，秋季的9月、11月和冬季的1月均未发生特旱。重旱以秋、冬季发生的频率较高，冬季(12月、1月和2月)发生重旱的频率达36.4%。轻旱和中旱在10月至次年的2月期间发生频率较高。

图5 1961—2020年安溪站夏、秋、冬三季不同干旱等级MCI指数的月季分布

3.4 干旱持续时间

统计安溪建站以来持续时间超过30d的连旱事件，得到20世纪80年代后安溪连旱事件频率达68.5%。从连旱事件发生的季节尺度上看，安溪连旱主要发生在秋季和冬季，发生频率高达77.7%。其中秋冬连旱占比最高，发生频率达37.0%；其次为冬季连旱的25.9%；夏季连旱、秋季连旱的发生频率分别为16.7%和14.8%；夏秋连旱发生频率最少，仅为5.6%。

分析1961—2020年安溪站夏、秋、冬季(6月至次年2月)各干旱等级的持续时间(见表5)，其中，特旱持续时间最长达24d，出现时间为2003年7月12日至8月4日，属夏季连旱；重旱持续时间最长的是发生在2017年9月24日至11月12日，持续时间达50d；中旱持续时间最长的是发生在1984年10月13日至12月10日，持续时间达59d；轻旱持续时间达41d，从1966年10月3日持续到11月12日。