茶树春霜冻害发生规律分析及预警等级标准建立——以溧阳市茶园为例

钱半吨，徐玉琴，任义方，狄百花，孙庆飞

（1.溧阳市气象局，江苏溧阳 213300；2.溧阳市现代农业（茶叶）科技综合示范基地，江苏 溧阳 213300；3.江苏省气候中心，南京 210009；4.仪征市气象局，江苏 仪征 211400）

溧阳市是江苏省重点产茶区，茶园面积约4 000 hm2，其中白化茶种植面积约3 000 hm2。天目湖白茶作为溧阳茶叶的区域公用品牌，其价值逐年提升，至2020 年产值达12 亿元，已成为溧阳市茶产业发展支柱品牌。天目湖白茶每年仅采摘1 次，主要生产期为3—4 月。最主要气象灾害春霜冻害的发生会直接影响茶叶产量、品质及其经济价值。

茶树春霜冻害是指在早春时节，空气温度突然降至4 ℃以下危害茶树生长的农业气象灾害［1，2］。娄伟平等［3］研究发现，茶树遭遇“倒春寒”后，先是遭受低温冷害，在温度降到一定值以下遭受霜冻危害。茶树霜冻灾害的实质是低温引起细胞结冰［4］，当春季温度上升到茶芽萌动起始温度以上，器官生理代谢活动增强，一旦气温低于茶芽发育所需的下限温度［5］，茶树嫩芽叶细胞汁液开始结冰，原生质遭到机械破坏，使茶汁外溢红变，出现麻点，以致芽叶尖端呈“赤枯状”［6］，甚至造成茶树部分芽梢停止萌发和死亡，进而影响春茶的产量和质量。

为分析茶树春霜冻害变化特征，掌握春季茶树霜冻灾害发生条件，明确和建立茶树春霜冻害发生指标至关重要。Hao 等［7，8］利用人工气候室模拟茶树冷驯化、脱驯化和“倒春寒”冷胁迫发生条件，提出4 ℃是茶树开始遭受低温冷害的温度阈值。王培娟等［9］指出，江南茶区的春霜冻害通常出现在3 月上旬至4 月中旬，已萌发的新梢茶芽抗寒能力弱，当气温低于4 ℃时［10，11］，茶树嫩梢易遭受春霜冻危害［12］。茶树春霜冻对茶树生长的影响不仅需要考虑临界低温，还需要考虑低温持续时间，才能更准确地反映作物受冻程度［13］。霜冻强度是低温不断累积的结果［14，15］，研究表明，4 ℃低温胁迫12 h 会造成茶树叶片光系统、最大光化学效率等参数指标下降［16，17］。李仁忠等［18］应用人工气候箱开展低温胁迫控制试验，通过模拟不同低温和持续时间，结合历史灾情和茶园逐小时气温观测数据，提出了新的茶树春霜冻害等级标准。2018 年中国气象局发布实施了适用于江南茶区中小叶型的小时尺度《茶树霜冻害等级》气象行业标准［19］（以下简称行标）。该行标以逐小时最低气温及其持续时间为基础判定茶树不同春霜冻害等级。

基于茶树春霜冻害指标，已在茶树春霜冻害风险评估和气候变化分析等方面开展大量研究。徐金勤等［20］将3—4 月日最低气温低于4 ℃作为茶树早春霜冻的发生指标，分析了茶叶春霜冻害的气候变化特征；金志凤等［21］基于自然灾害风险形成机制，应用模糊数学法和加权指数求和法，对浙江省茶叶气象灾害进行风险区划。随着全球气候变暖，茶区春季“倒春寒”将更为频繁，茶树春霜冻害预警研究亟待开展［22］。由于常规预报数据最低气温只有日值，尚无小时值，结合行标，利用日最低气温作为茶叶春霜冻害预警气象指标，建立茶叶春霜冻害预警等级标准，对茶树春霜冻害进行预测［23，24］。不同地区茶园生长气象条件存在明显差异，在溧阳市结合茶园小气候特征，分析茶园春霜冻害发生规律及茶树春霜冻害预测等级方面研究仍较少，尤其在市县级气象部门开展茶园生产服务中，发现茶园布设的小气候观测站时间序列比较短，较难开展历史统计；气象要素预测在实际业务工作中，一般只预测气象要素日极值，较少预测气象要素小时极值。将茶园小气候观测数据的时间尺度进行延长，将春霜冻害等级判定标准的时间尺度进行放大，来适用于茶园春霜冻害规律分析和等级预测，是茶树生产服务研究中亟待解决的问题。

本研究以行标［19］为依据，以溧阳市现代农业（茶叶）科技综合示范基地茶园内自动站（烈山站）和溧阳国家基本气象站数据为基础，采用相关分析的方法，延长茶园观测资料序列，分析基地茶园春霜冻害发生规律，综合基地茶园春霜冻害实际，建立以日最低气温为气象指标的适用于整个溧阳市的茶园春霜冻害预警等级标准；构建不同茶区逐日最低气温预报模型，结合保险公司茶园春霜冻害发生实况，检验预警等级标准的准确性及适用性。通过对茶园春霜冻害发生规律的把握和春霜冻害等级预警的实现，以期保障春茶安全生产。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

溧阳市地处长江三角洲地区江苏省南部，位于北纬31°01′—31°41′，东经119°08′—119°36′。南北长59.06 km，东西宽45.14 km。境内有低山、丘陵、平原圩区等多种地貌类型，地势南、西、北3 面较高，腹部与东部较平。属亚热带季风气候，气候温和湿润，年平均相对湿度78%～85%，年平均气温16 ℃，年累积降水量1 146.7 mm，年累积日照时数1 873.5 h，是茶树生长适宜地区。天目湖白茶产区主要覆盖南山区域的天目山余脉（南山）和北山区域的茅山丘陵、缓坡岗地（北山）。

本研究选取基本站和区域自动站2 类气象观测站，其中基本站为溧阳国家基本气象站（以下简称溧阳站），建站时间长，数据质量高，2003 年起有逐小时气温数据；区域自动站包括横涧、平桥、天目湖、烈山、社渚、陶庄、永和7 站，区域自动站建站时间晚，2017 年起数据记录较为完整，数据可靠性较高，但距离茶区近，可以更精准地表征茶园茶树的生长气象条件。各站点分布情况见图1。

图1 溧阳各茶区区域自动站分布

1.2 数据来源

气象数据，2003—2021 年3—4 月溧阳站逐日最低气温、逐小时最低气温；2017—2021 年3—4 月7 个区域自动气象站烈山、横涧、平桥、天目湖、社渚、陶庄、永和站逐日最低气温、逐小时最低气温来源于常州市气象台。

茶园灾损数据，2017—2021 年溧阳茶园春霜冻害理赔数据，主要包括出险日期、受灾面积、赔付金额、种植地等。数据来源于中国人民财产保险股份有限公司常州市分公司（以下简称保险公司）。

1.3 研究方法

1.3.1 茶园气象资料延长方法 基于2017—2020年烈山站与溧阳站逐小时最低气温及日最低气温，采用SPSS 软件进行相关性分析，分别建立烈山站逐小时最低气温、日最低气温计算模型；利用溧阳站2003—2020 年3—4 月逐小时最低气温及逐日最低气温数据推算出相应时段茶园烈山站逐小时最低气温、逐日最低气温。

1.3.2 茶园春霜冻害判定方法 参考中国气象局发布实施的《茶树霜冻害等级》气象行业标准（表1），以茶园小时最低气温及持续时间为气象指标，将茶树春霜冻害分为轻度、中度、重度、特重4 个等级，统计分析烈山站茶园春霜冻害发生规律。

表1 茶树春霜冻害等级判定标准及受害症状

1.3.3 茶园春霜冻害预警等级标准确定 基于长时间序列的茶园站逐日最低气温观测数据，以逐小时最低气温和持续时间为标准判断的茶园春霜冻害等级作为实况，测算不同等级下茶树春霜冻害发生时所对应的日最低气温。划分不同低温区间统计茶园春霜冻害等级情况，并参考各等级下平均日最低气温的中心值，建立以日最低气温为气象指标的天目湖白茶春霜冻害等级预警标准。

1.3.4 茶园春霜冻害预警等级标准的检验 参考烈山站日最低气温计算模型建立方法，分别建立各茶区精细化低温预报模型，并通过典型春霜冻害年份分析的方法，对建立的以茶园日最低气温为气象指标的溧阳市茶园春霜冻害预警等级标准进行准确性及适用性检验。

2 结果与分析

2.1 茶园春霜冻害发生规律分析

2.1.1 茶园逐小时最低气温模型建立 利用回归分析方法对烈山站逐小时最低气温进行返演。通过烈山站与溧阳站逐小时最低气温相关性分析，皮尔逊相关系数均接近1。通过回归分析建立烈山站逐小时最低气温计算模型（表2），结果表明各回归方程均通过显著性检验（P＜0.01）。

表2 烈山站逐小时最低气温线性回归情况

2.1.2 茶园春霜冻害时间变化特征 利用以烈山站为代表的茶园逐小时最低气温模型，计算出茶园内2003—2020 年3—4 月逐小时最低气温，结合行标［19］判断茶园内不同等级春霜冻害不同时间尺度的发生规律。

茶园春霜冻害日变化特征结果见图2。由图2可知，有87.8%的春霜冻害出现在3 月15 日（含）前，由于此时处于冬春季交替时期，冷空气影响仍然较为频繁，其中轻度、中度、重度春霜冻害平均发生概率分别为57.4%、34.7%、7.9%；3 月15 日后，基础温度较高，虽有冷空气入侵，但最低气温基本在3 ℃以上，且持续时间较短，因此春霜冻害发生次数较少，多为轻度春霜冻害，仅有1 次达到中度春霜冻害；进入4 月，春霜冻害发生次数仅有2 次，最晚发生时间为4 月14 日。2003—2020 年整个关键生产期间（3—4 月），轻度、中度、重度春霜冻害分别累积出现71、36、8 次，发生概率分别为61.7%、31.3%、7.0%，无特重春霜冻害发生。

图2 2003—2020 年茶园春霜冻害日变化情况

茶园春霜冻害年变化特征结果见图3。由图3可知，2003—2020 年3—4 月共发生115 次春霜冻害，平均每年发生次数为6.4 次，整体呈下降趋势为3 次∕10 年。其中，轻度春霜冻害每年均有发生；中度春霜冻害出现15 次，年发生频率为83.3%，重度春霜冻害出现5 次，年发生频率为27.8%。2015 年后春霜冻害发生次数相对减少，但仍有中度春霜冻害发生。

图3 2003—2020 年茶园春霜冻害年变化情况

2.2 茶树春霜冻害预警等级标准建立

2.2.1 茶园逐日最低气温模型建立 从2017—2020 年3—4 月烈山站与溧阳站逐日最低气温的相关性分析结果发现，两站逐日最低气温皮尔逊相关系数为0.977，呈极强正相关。通过回归分析建立烈山站逐日最低气温计算模型（图4），方程通过显著性检验（P＜0.01）。

图4 烈山站日最低气温与溧阳站日最低气温关系

式中，T烈山min为烈山站日最低气温；Tmin为溧阳站日最低气温。

由式（1）可知，烈山站日最低气温始终较溧阳站日最低气温低，这可能与烈山站海拔高度（25.0 m）较溧阳站（5.9 m）高或与茶园小气候因素有关。

2.2.2 茶园春霜冻害预警等级划分 根据式（1）中以烈山站为代表的茶园逐日最低气温模型，计算得出烈山站2003—2020 年3—4 月日最低气温，利用茶园被延长时间序列的逐小时最低气温，以行标［19］为依据判定的春霜冻害等级程度作为实况，划分7 个不同低温区间，统计烈山站茶园茶树不同霜冻害等级在不同低温区间中的发生次数。

从统计结果分析发现（表3），轻度春霜冻害主要集中在0～1 ℃、1～2 ℃、2～3 ℃、3～4 ℃这4 个温度区间，平均发生概率分别为32.0%、97.0%、69.0%、4.0%，在1～3 ℃低温区间中发生的次数最多，共发生61 次，发生概率为81.3%；中度春霜冻害主要集中在-2～-1 ℃、-1～0 ℃、0～1 ℃、1～2 ℃这4 个温度区间，平均发生概率分别为33.3%、100.0%、68.0%、3.0%，在-1～1 ℃低温区间中发生的次数最多，共发生32 次，发生概率为80.0%；重度春霜冻害主要集中在-3～-2 ℃、-2～-1 ℃这2 个温度区间，平均发生概率分别为100.0%、66.7%，在-3～-1 ℃低温区间中发生的次数最多，共发生8 次，发生概率为72.7%；未出现低于-3 ℃天气，亦无特重春霜冻害发生。轻度、中度、重度春霜冻害主要发生温度区间分别为1～3 ℃、-1～1 ℃、-3～-1 ℃。

表3 不同低温区间下春霜冻害发生情况 （单位：次）

综合不同等级春霜冻害在不同低温区间出现频次以及各等级下日最低气温的中心值，根据保险公司多年针对茶树霜冻灾害出险日期、赔付金额、受灾面积和茶树实际受害情况，以及霜冻当日临近区域自动站日最低气温，最终确定以日最低气温为气象指标的溧阳市天目湖白茶春霜冻害预警等级标准见表4。

表4 溧阳市天目湖白茶春霜冻害预警等级标准

2.3 茶园春霜冻害预警等级准确性检验

2.3.1 各茶区逐日低温模型建立 以溧阳站逐日最低气温为自变量，以各茶区站点（横涧、平桥、天目湖、社渚、陶庄、永和）逐日最低气温为因变量，进行相关性分析（图5）。溧阳站与各茶区站点逐日最低气温的皮尔逊系数均接近1，通过线性回归分析，建立各茶区站点逐日最低气温模型（表5），各回归方程均通过显著性检验（P＜0.01）。

表5 溧阳各茶区站点日最低气温与溧阳站日最低气温线性回归情况

图5 各站日最低气温与溧阳站日最低气温的关系

通过模型分析，山区茶园小气候站逐日最低气温普遍较溧阳站逐日最低气温偏低，其中，南山片区横涧地区逐日最低气温最低，与溧阳站温差近2 ℃；平桥、陶庄次之，与溧阳站温差近1 ℃；永和与溧阳站温差在0.5 ℃左右。临近大型水体地区（天目湖、社渚），日最低气温与溧阳站基本一致。各茶区日最低气温不同的原因除海拔高度外，与区域自动站地理位置也相关。

2.3.2 各茶区春霜冻害实例验证 以2020 年3 月28 日、2021 年3 月23 日2 次春霜冻害过程为例，开展溧阳市茶叶春霜冻害精细化预警检验。2020 年3 月28 日溧阳出现了降雪天气，48 h 降温幅度达16.3 ℃，溧阳站日最低气温为1.1 ℃，各茶区4 ℃以下低温大部分出现在4：00—11：00，低温持续6～9 h（图6），此时，正值天目湖白茶开采期，大部分茶园遭受冻害，茶叶减产、品质下降。2021年3月23日溧阳地区48 h 降温幅度达7 ℃左右，溧阳站日最低气温为2.5 ℃，各茶区4 ℃以下低温均出现在夜间，日最低气温出现在6：00—7：00，持续3～11 h，全市大部分茶园遭受春霜冻害，根据保险公司出险记录，2021年3 月23 日茶园受损面积共达2.1 hm2，平均受损率为26%，而2020 年3 月28 日由于出现降雪天气，保险公司判定不在春霜冻范围内，无出险理赔数据。

图6 2020 年3 月28 日逐 小时 最低 气温 和2021 年3 月23 日逐小时最低气温

利用各茶区日最低气温计算模型（表5）及茶园春霜冻害预警等级标准（表4），对各茶园春霜冻害预警等级与实况进行对比，分析发现，2020 年3 月28日仅陶庄春霜冻害预警等级与实际不符，其余均一致，准确率为85.7%；2021 年3 月23 日除天目湖、永和未出现春霜冻害，其余茶区判定结果与实际情况一致，准确率达71.4%（表6）。

表6 2 次春霜冻害过程模型预警与实际比较情况

3 小结与讨论

3.1 小结

本研究通过延长烈山站相关历史数据，结合中国气象局发布实施的《茶树霜冻害等级》气象行业标准分析发现，2003—2020 年烈山站茶园各等级春霜冻害共发生115 次，平均每年发生次数为6.4 次，整体呈下降趋势，这可能与全球气候变暖有关。其中有87.8%春霜冻害出现在3 月15 日（含）之前，最晚春霜冻害出现在4 月中旬，因此3 月上中旬为防范春霜冻害重点时段，但4 月中旬前仍需做好春霜冻害的防范工作。

本研究根据不同等级春霜冻害在不同低温区间出现频次，参考各等级下日最低气温的中心值，同时，根据保险公司多年针对茶树霜冻灾害支付给各农户的理赔金额和茶树实际受害状况，确定以茶园日最低气温为气象指标的适用于溧阳市天目湖白茶春霜冻害预警等级标准，经实例检验，准确率在71.4%以上，适用性较好，能够较好地预测各茶区春霜冻害等级。

3.2 讨论

本研究在建立霜冻害等级判定标准时，所用的茶园2003—2020 年春霜冻害实况基于茶园站逐小时最低气温预测模型，并根据逐小时最低气温和持续时间判定的结果，具有一定误差性，后续通过茶园逐年积累霜冻发生实况资料，对其进行修正。基于常规天气要素逐日预报能力，将霜冻害等级判定标准的时间尺度进行放大，以日最低气温为气象指标制定的溧阳市天目湖白茶春霜冻害预警等级标准，可提前给出春霜冻害预警等级。随着数值预报技术及预报员预报能力的不断提高，可以对茶园逐小时最低气温进行预测，从而根据行标进行更为精确的预警，提高春霜冻害预警能力。

区域自动站较国家基本站离茶园更近，在一定程度上更好地体现茶园小气候特征，但由于存在种植坡度、坡向、海拔高度以及茶园管理方式的差异性，区域自动站采集到的气象信息仍不能完全准确代表茶园各处的最低气温。茶农茶企需根据区域站日最低气温监测预测结果，综合茶园自身因素，来判断茶园发生春霜冻害的可能性，以便采取防御措施。

通过春霜冻害气象预警，便于保险公司提前预判春霜冻害发生地区及春霜冻害等级，从而多渠道进行霜冻害预警；灾害发生后，便于保险公司快速高效开展理赔工作。当预测茶园将出现春霜冻害时，茶农茶企可通过喷灌、覆盖、烟熏等方式防范茶园春霜冻害；若茶树已遭受冻害，应及早整枝修剪，复壮树冠，以减轻冻害造成的损失，尽快恢复茶树生机。