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江南华南茶树高温热害等级指标及分布特征.pdf
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1、书书书李欣,王培娟,唐俊贤,等江南华南茶树高温热害等级指标及分布特征应用气象学报,():江南华南茶树高温热害等级指标及分布特征李欣)王培娟)唐俊贤)王旗)李扬)霍治国)(中国气象科学研究院,北京 )(南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,南京 )摘要利用 年江南和华南茶区 个气象站的日最高气温数据和历史茶树高温热害灾情数据,采用灾情反演和 聚类分析方法,构建并验证江南和华南茶区茶树高温热害等级指标,分析茶树高温热害时空分布特征。结果表明:江南和华南茶区茶树轻度、中度、重度高温热害指标为连续 日最高气温的滑动平均值犜 的持续日数分别为、和超过,验证样本完全符合的准确率为 ,基本符合
2、的准确率为 ;江南和华南茶区茶树高温热害总次数呈波动变化,分别在 年和 年达到最低值,并在 年达到最高值;华南茶区相对于江南茶区高温热害次数更多,尤其是轻度茶树高温热害,且近 年华南茶区茶树高温热害次数增加趋势显著。关键词:茶树高温热害;等级指标;时空分布特征;江南和华南茶区引言我国是世界茶树栽种面积最大的国家,茶树资源丰富 。茶园面积和茶叶产量逐年增加,年全国茶园面积达 ,干毛茶总产量为 。世纪 年代以来,全球大部分地区极端高温事件发生的强度、频率及持续时间均显著增加 ,这对茶叶生产有很大影响。茶树作为亚热带经济作物,具有喜湿喜温不耐热的生物学特性 ,高温使茶树叶片被灼伤、甚至脱落,影响茶叶
3、品质与产量。因此,建立茶树高温热害等级指标,对于精细监测茶树高温热害状况、预防茶树因灾损失至关重要。高温强度与暴露在高温下的时间影响茶树遭受高温热害的程度,已有关于茶树高温热害等级指标的研究大多以不同高温阈值、不同高温持续时间或两个因子结合的方式定义茶树高温热害等级。陆健等对茶树幼苗及新梢进行不同温度处理,结果表明、处理下的茶树幼苗和新梢均分别出现轻度、中度和重度的热害变化。陈家金等 以极端最高气温 作为高温阈值,以不同持续高温日数划分等级作为评价福建茶树高温热害危险性的指标;杨菲等、陶瑶等、汪建军等、万璐等 综合考虑高温阈值与持续时间,将不同日最高气温阈值和不同阈值对应的持续时间作为江南等地
4、区茶树高温热害时空分析与风险区划的指标;中华人民共和国农业农村部发布的农业行业标准 建立的茶树高温热害等级指标,除了使用温度和持续时间还考虑茶树品种和空气相对湿度;陈思宁等 认为不同坡向导致温度与风速产生差异,影响茶树的受害程度,因此将坡向作为湖北茶树旱热害的评价因子,结合干燥度与温度分析湖北茶树遭受旱热害的空间分布。茶树在我国广泛种植,根据生态条件、生产历史、茶树类型等特点可分为江南茶区、江北茶区、西南茶 收到,收到再改稿。资助项目:国家重点研发计划课题(),国家自然科学基金项目()通信作者,邮箱:第 卷 第期 年月 应 用 气 象 学 报 ,区、华南茶区。目前,茶树高温热害等级指标和时空分
5、布的研究多集中在部分省份,、市,或江南茶区,但缺少对同样易受高温热害的华南茶区的研究。同时,前人研究在不同地区关注的茶树品种不同,周立永等 关注宜昌当地选育的早茶品种和福云号的高温热害受灾特点;周姣等 和郭水连等 分别对毕节市和宜春市种植的安吉白茶进行气候适应性分析;娄伟平等 将浙江省茶树品种分为个耐热性等级,分析不同耐热性茶树品种的高温热害风险。具体茶树品种的高温热害指标在特定研究区内适用性较好,但是在大范围农业气象灾害监测预警服务时,该高温热害指标的区域适用性则受到极大制约。因此,本研究基于气象数据和历史茶树高温热害灾情数据,使用历史灾情反演方法构建江南和华南茶区茶树高温热害样本,采用 聚
6、类分析方法划分茶树高温热害等级,构建适用于江南和华南茶区所有茶树品种的高温热害等级指标,揭示区域尺度茶树高温热害时空分布特征,以期客观理解江南和华南茶区茶树高温热害的发生区域、重现频率和严重程度,为灾害预警、风险评估及茶产业种植规划布局提供科学依据。数据与方法 研究区域江南 和 华 南 茶 区(,)(图)包括浙江、上海、江西、湖南、福建、广西、广东、海南、台湾的全域,以及江苏、安徽和湖北的南部。该区域位于亚热带及热带季风气候区内,年降水量为 ,平均气温为 ,适宜茶树生长,。夏季在西北太平洋副热带高压的控制 下,盛 行下 沉气 流,经 常 出 现持 续 高温天气 ,影响茶树的产量与品质。由于暂时
7、缺少台湾省数据,因此本研究仅分析江南和华南茶区除台湾省以外的地区。本文插图中所涉及的国界和行政区域界线基于审图号为()号标准地图制作,底图无修改。图研究区域和气象站分布 应用气象学报 第 卷 数据 气象数据本文所用气象数据来自国家气象信息中心,经过严格的质量控制与订正,仅保留缺测值不超过的气象站,部分缺测值使用相邻两日的平均值替代,得到 年研究区内 个气象站逐日最高气温数据,用于计算各气象站全年发生的茶树高温热害。灾情数据灾情记录来自气象灾害管理系统、相关文献记载 、网络新闻报道等。共收集到 年 条茶树高温热害记录,包括茶树高温热害的时间、地点,其中 条灾情记录还包括茶树受灾情况。本研究将有茶
8、树受灾情况描述的灾情记录用于灾害等级指标验证,其余 条灾情记录用于等级指标构建。研究方法 指标构建 茶树高温热害样本构建灾害持续时间和灾害强度是量化极端天气过程影响程度的重要指标 ,以往研究已得到江南和华南茶区茶树高温热害的临界阈值为连续 日最高气温的滑动平均值犜 ,将日最高气温进行滑动平均处理可以反映持续高温对后续日期高温强度的影响,因此本文以持续日数作为划分高温热害等级指标的参数,在茶树高温热害临界阈值的基础上,重查茶树高温热害记录中犜 的持续日数,构建江南和华南茶区茶树高温热害持续日数历史样本集,用于等级指标的构建。聚类分析 聚类分析 是根据样本特征的相似度或距离远近将数据划分为若干组的
9、算法。可结合研究需要根据数据集自身特点对其进行分类,已在农作物区划指标、灾害等级指标划分等方面 得到广泛应用。本研究基于江南和华南茶区茶树高温热害持续日数,使用 聚类分析方法,将茶树高温热害等级划分为轻度、中度、重度级。指标验证 茶树高温热害验证样本构建对于有灾情描述的茶树高温热害记录,基于灾情反演方法,计算记录日期当日的茶树高温热害持续日数,并根据茶树高温热害轻度受害、中度受害和重度受害的灾情描述(表),划分样本等级。如 年月 日浙江德清茶园蓬面叶片出现萎蔫和干枯现象,甚至脱落。根据灾情描述,可以确定茶树已经达到重度受害等级,基于茶树高温热害阈值,计算 年月 日德清茶树高温热害的持续日数为,
10、由此得到“时间地点灾情等级高温热害持续时间”为“浙江德清 重度 ”的条茶树高温热害验证样本。表茶树高温热害灾情描述分级 犜 犪 犫 犾 犲犇 犲 狊 犮 狉 犻 狆 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犮 犾 犪 狊 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犺 犻 犵 犺狋 犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲犺 犲 犪 狋犱 犪 犿 犪 犵 犲狅 犳 狋 犲 犪狆 犾 犪 狀 狋 狊(犳 狉 狅 犿犚 犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲 )等级灾情描述轻度部分受灾、受损,受害茶树仅部分叶片出现变色、枯焦,茶枝上部芽叶仍呈现绿色中度成灾、部分绝收,受害茶树多数叶片变色、枯焦或脱落,但茶枝顶端叶片或茶芽虽
11、变色但尚未完全枯死重度大量减产、绝收,受害茶树叶片变色、枯焦脱落,且蓬面枝条已出现干枯甚至整株死亡 验证方法根据验证样本的高温热害持续日数,利用构建的茶树高温热害等级指标判断茶树高温热害等级,验证其与灾情描述等级是否一致。灾情描述等级与指标计算等级相同的记为完全符合,相差不超过级记为基本符合,相差级或有受害症状但指标判识为无灾均记为与实际灾情不符。茶树高温热害时空特征分析 高温热害次数茶树高温热害次数反映江南和华南茶区茶树高温热害的发生频率,次数越大、茶树高温热害发生越频繁。统计 年平均各气象站发生轻度、中度、重度不同等级高温热害次数,表征江南和华南茶区茶树高温热害发生频率的时间变化;统计各气
12、象站平均每 年发生轻度、中度、重度等级的茶树高温热害次数以及高温热害总次数,表示江南和华南茶区茶树高温热害频率的空间特征。趋势分析对 年江南和华南茶区各气象站茶树高温热害次数序列采用一元线性趋势分析方法,拟合年份和高温热害次数的线性关系,拟合方程的斜 率大于表示茶树高温热害次数呈增加趋势,反李欣,王培娟,唐俊贤,等江南和华南茶区茶树高温热害识别及阈值验证生态学杂志,待发表第期李欣等:江南华南茶树高温热害等级指标及分布特征之为减小趋势。使用犉检验判断拟合方程的显著性,显著性概率小于 记为显著,大于或等于 记为不显著。根据拟合方程系数和显著性,可将各气象站茶树高温热害次数的趋势分为显著增加、不显著
13、增加、不显著减少和显著减少。结果分析 茶树高温热害等级指标 等级指标构建基于江南和华南茶区茶树高温热害临界阈值,重新判识茶树高温热害灾情记录,得到 年共 条江南和华南茶区茶树高温热害持续时间记录。利用 聚类分析工具,将江南和华南茶区的茶树高温热害持续时间样本分为轻度、中度和重度等级,得到江南和华南茶区茶树高温热害等级指标为犜 持续 为轻度高温热害,持续 为中度高温热害,超过 则达到重度高温热害。等级指标的验证基于有灾情描述的茶树高温热害记录构建茶树高温热害验证样本,验证等级指标的准确性(表)。在 个验证样本中,个样本描述等级与指标划分的等级完全符合,准确率为 ;个样本的描述等级与指标划分等级相
14、差级,基本符合的准确率为 。表明基于茶树高温热害持续日数并利用 聚类分析方法划分茶树高温热害等级指标对于实际灾情的判识准确性较好。表茶树高温热害等级指标验证样本的数量及验证结果犜 犪 犫 犾 犲犖 狌 犿 犫 犲 狉狅 犳 狏 犪 犾 犻 犱 犪 狋 犻 狅 狀狊 犪 犿 狆 犾 犲 狊犪 狀 犱狏 犲 狉 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳犵 狉 犪 犱 犲 犻 狀 犱 犲 狓狅 犳犺 犻 犵 犺狋 犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲犺 犲 犪 狋犱 犪 犿 犪 犵 犲狅 犳 狋 犲 犪狆 犾 犪 狀 狋 狊灾情等级验证结果完全符合基本符合与实际灾情不符样
15、本量轻度中度重度 样本量 指标判识结果与实际灾情不符的两条记录分别位于福建霞浦和浙江平阳,绘制两地灾情记录之前连续 日最高气温滑动平均值变化图(图)。根据灾情记录,年月日福建霞浦茶园达到中度高温热害,但指标判识显示当地仅在月 日发生了持续高温热害,达到轻度热害等级,月日当天并未发生茶树高温热害(图),可能是由于实际上轻度高温热害未缓解,导致指标判识与灾情记录不符。同样,浙江平阳在 年月 日记录发生了重度高温热害,而指标判识显示月 日前仅连续达到高温热害阈值,与实际灾情记录不符。但月 日月日平阳遭遇持续 的高温热害过程,这可能是导致灾情记录比指标判识灾情严重的原因。图 年福建霞浦和浙江平阳连续
16、日最高气温滑动平均值 应用气象学报 第 卷 江南和华南茶区茶树高温热害次数时空特征 高温热害次数时间变化特征图为 年江南和华南茶区各气象站发生不同等级茶树高温热害次数的时间序列。由图可知,江南茶区轻度茶树高温热害每年均有发生,年平均次数为 次,有年未发生中度茶树高温热害,年平均次数为 次,年未发生重度高温热害,年平均次数为 次。总次数最低值出现在 年,为 次,最高值出现在 年,为 次。华南茶区轻度茶树高温热害每年均有发生,年平均次数为 次,仅有年未发生中度茶树高温热害,年平均次数为 次,年未发生重度高温热害,年平均次数为 次。总次数最低值出现在 年,为 次,最高值出现在 年,为 次。华南茶区平
17、均轻度高温热害次数均值与江南茶区接近,中度和重度热害次数均值均低于江南茶区。图 年江南和华南茶区茶树高温热害次数 高温热害次数空间变化特征图为江南和华南茶区的高温热害次数分布。由图可知,江南茶区轻度高温热害次数为 次(),呈现中间高、两边低的特征,高图江南和华南茶区不同等级茶树高温热害次数分布特征 第期李欣等:江南华南茶树高温热害等级指标及分布特征续图值主要位于江西和湖南的大部分地区,低值主要位于湖北西南部,江苏南部和沿海地区,个气象站未发生过高温热害,站次比为。华南茶区轻度高温热害次数呈现内陆高、沿海低的特征,最高值出现在广西崇左,为 次(),最低值出现在广东惠来,为 次(),个气象站未发生
18、过轻度高温热害,站次比为。江南茶区中度高温热害次数除江西和浙江部分气象站外绝大多数不超过次(),有 个气象站未发生中度高温热害,站次比为。华南茶区未发生中度高温热害的气象站多分布在沿海地区,共 个站,站次比为 ,发生中度高温热害的除福建、广东和海南的部分气象站外均未超过次()。江南茶区有 个气象站未发生重度高温热害,站次比为 ,主要分布在湖北西南部和浙江沿海;华南茶区有 个气象站未发生重度高温热害,站次比达到 。从高温热害总次数看,江南茶区呈南高北低特征,江西为高温热害最频发的地区;华南茶区为北高南低,福建高温热害发生次数最多。高温热害次数变化趋势图为江南和华南茶区的高温热害次数变化趋势。由图
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