楊秀海，卓 嘎，2，羅 布

(1.西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所，西藏 拉薩 850000；2.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州 730020)

旱災(zāi)是我國(guó)農(nóng)業(yè)最主要的自然災(zāi)害，我國(guó)因干旱每年平均受災(zāi)面積達(dá)2 000萬(wàn)hm2，損失糧食占全國(guó)因?yàn)?zāi)害減產(chǎn)糧食的50%[1]。與其他自然災(zāi)害相比，它出現(xiàn)的頻率最高，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，影響的范圍最大，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的直接損失也最重[2]。眾所周知，土壤水的變化及區(qū)域差異不但對(duì)區(qū)域水文，而且通過(guò)植被、土壤等對(duì)氣候都有很大的影響。在全球土壤濕度計(jì)劃(Global Soil Wetness Project)中，土壤水已被作為專門(mén)的議題進(jìn)行探討和研究[3]，且已成為全球變化研究的重要焦點(diǎn)之一[4]。同時(shí)，區(qū)域尺度乃至全球尺度的土壤水分信息是陸面過(guò)程模式研究必不可少的一個(gè)參量，對(duì)改善區(qū)域及全球氣候模式預(yù)報(bào)結(jié)果、進(jìn)行農(nóng)作物旱情監(jiān)測(cè)及估產(chǎn)、自然和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的研究起重要作用[5]。經(jīng)典的土壤水分測(cè)量方法[6-7]主要有稱重法、中子水分探測(cè)法、快速烘干法、電阻法、時(shí)域反射法等，但因耗時(shí)費(fèi)力，難以滿足實(shí)時(shí)、大范圍監(jiān)測(cè)的需要。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，大面積土壤水分與旱情遙感監(jiān)測(cè)得到了廣泛應(yīng)用，該領(lǐng)域的探索與研究一直比較活躍[8-13]。王鵬新等[14-15]綜合應(yīng)用歸一化植被指數(shù)(NDVI) 和土地表面溫度( LST),利用條件植被溫度指數(shù)對(duì)陜西關(guān)中平原地區(qū)和美國(guó)大平原南部地區(qū)進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)，取得了較好效果。Sandholt等[16]在研究土壤濕度時(shí)發(fā)現(xiàn)，TS-NDVI的特征空間中有很多等值線，于是提出了溫度植被干旱指數(shù)(temperature-vegetation dryness index，TVDI)的概念。齊述華等[17-18]在2002-2005年期間，利用TVDI進(jìn)行了全國(guó)旱情監(jiān)測(cè)，研究表明，當(dāng)監(jiān)測(cè)范圍較大、區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜時(shí)，由NDVI-TS空間計(jì)算的TVDI評(píng)價(jià)干旱最合理。姚春生等[19]、張樹(shù)譽(yù)等[20]、盧遠(yuǎn)等[21]、康為民等[22]利用TVDI分別對(duì)新疆、陜西、廣西和貴州進(jìn)行了旱情分布研究，結(jié)果顯示，TVDI作為干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)，能較好地反映區(qū)域旱情分布和旱情發(fā)展過(guò)程。

我國(guó)西北地區(qū)(包括新疆、甘肅、寧夏、陜西、青海五省區(qū))深居歐亞大陸腹地，其西南側(cè)為青藏高原，受高原阻擋，海洋上的潮濕氣流很難到達(dá)。按氣候?qū)W干旱指數(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，此區(qū)83%的面積屬于干旱和半干旱區(qū)，是全國(guó)干旱最嚴(yán)重的地區(qū)[23]，也是全球氣候變化的敏感區(qū)域之一，受氣候變化影響較大[24-25]。同時(shí)，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境十分脆弱,在氣候變化和人為不利因素的干擾作用下極易引起生態(tài)退化[26-27]。農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境對(duì)氣候條件的依賴性極強(qiáng)，干旱缺水已成為制約西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)主要因素[28-29]。因此，對(duì)西北地區(qū)地表環(huán)境以及土壤水特征的系統(tǒng)研究，將有助于全面了解和預(yù)測(cè)西北地區(qū)旱情，為政府部門(mén)決策提供科學(xué)的參考依據(jù)，具有十分重要的理論意義以及應(yīng)用前景。

本研究利用2007年5-9月西北地區(qū)MODIS歸一化植被指數(shù)和地表溫度資料，從溫度植被旱情指數(shù)(TVDI)角度出發(fā)，闡明衛(wèi)星遙感資料對(duì)西北旱情監(jiān)測(cè)可行性、重要性以及存在的不足等問(wèn)題。

1 遙感旱情監(jiān)測(cè)方法及資料

在植被覆蓋不完全條件下，較高的土壤背景溫度會(huì)嚴(yán)重干擾土壤濕度信息，但結(jié)合光譜植被指數(shù)和陸表溫度的綜合信息監(jiān)測(cè)土壤濕度，可消除土壤背景的影響。比如TS-NDVI空間來(lái)監(jiān)測(cè)土壤濕度，能綜合可見(jiàn)光、近紅外和熱紅外波段的信息，有更好的適用性[17-18]。

TS-NDVI特征空間法獲取土壤濕度分兩種：一種是從TS-NDVI特征空間得到表征土壤濕度的指數(shù)；一種是建立TS、NDVI斜率和土壤濕度的關(guān)系來(lái)得到土壤濕度。TS、NDVI斜率和土壤濕度的關(guān)系受到眾多因素的影響，這些因素的影響很難用模型來(lái)描述，直接用斜率和土壤濕度關(guān)系來(lái)反演土壤濕度不能得到很好的結(jié)果，因而選擇了從TS-NDVI特征空間得到的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)來(lái)進(jìn)行土壤濕度反演。TVDI是直接從TS-NDVI特征空間得到的比值，能表征土壤濕度的分布特性，計(jì)算簡(jiǎn)單，適合對(duì)大范圍土壤濕度進(jìn)行反演；并且TS、NDVI數(shù)據(jù)很容易從遙感圖像中獲取，獲取的方法也很成熟。因此，采用TVDI方法對(duì)西北地區(qū)的土壤濕度進(jìn)行反演是可行的。

本研究采用TVDI方法對(duì)西北地區(qū)的土壤濕度進(jìn)行反演。TVDI依靠圖像數(shù)據(jù)由植被指數(shù)和地表溫度計(jì)算得到，其定義為：

(1)

TS，max=a1+b1×NDVI;

(2)

TS，min=a2+b2×NDVI。

(3)

式中，TS，max、TS，min分別表示當(dāng)NDVI為某一特定值時(shí)的最大和最小地表溫度，a1、b1、a2、b2是干、濕邊擬合方程的系數(shù)。

在干邊上TVDI=1，在濕邊上TVDI=0。對(duì)于每個(gè)像元，利用NDVI確定TS,max和TS,min，根據(jù)T在TS-NDVI梯形中的位置，計(jì)算TVDI。TVDI越大，土壤濕度越低，TVDI越小，土壤濕度越高。估計(jì)這些參數(shù)要求研究區(qū)域范圍足夠大，地表覆蓋種類豐富，土壤表層含水量變化明顯。

本研究中所使用的地表溫度和植被指數(shù)資料均來(lái)源于陸地過(guò)程數(shù)據(jù)分發(fā)中心[Land Processes DAAC (Distributed Active Archive Center)]，分別為2007年6-9月，我國(guó)西北區(qū)域的MOD11A2數(shù)據(jù)和MOD13A2數(shù)據(jù)，其中MOD11A2是8 d合成空間分辨率為1 km的陸地表面溫度產(chǎn)品,包含白天地表溫度、夜間地表溫度、31和32波段通道發(fā)射率等資料。MOD13A2是16 d合成空間分辨率為1 km的植被指數(shù)產(chǎn)品,包含NDVI、EVI、紅光、近紅外、中紅外、藍(lán)光等波段反射率以及其他輔助信息。

2 結(jié)果與分析

2.1TS-NDVI 特征空間分析 根據(jù)MODIS遙感資料獲得研究區(qū)域內(nèi)各像元的TS和NDVI值，分別構(gòu)建出每16 d一次的TS-NDVI特征空間散點(diǎn)圖(圖1)。在本研究時(shí)段共得到8張TS-NDVI特征空間散點(diǎn)圖，圖形基本一致，圖1僅為6月10-25日和9月14-29日的散點(diǎn)圖。TS-NDVI 散點(diǎn)圖基本上呈梯形，隨著植被指數(shù)的增加，最大地表溫度和最小地表溫度差值有減小的趨勢(shì)，且地面溫度的最大值、最小值與NDVI呈近似線性關(guān)系。由此特征空間確定干邊和濕邊方程，干邊斜率基本都小于0，而濕邊斜率大于0。

圖1 2007年6月10-25日、9月14-29日西北地區(qū)TS-NDVI特征空間

2.2特征空間干濕邊的確定 利用TS-NDVI特征空間中的相應(yīng)最大和最小陸地表面溫度,回歸擬合可獲得干邊和濕邊方程，但特征空間中的最大、最小陸地表面溫度并非一條直線。因此，如何選擇像元進(jìn)行回歸擬合獲得合適的干濕邊方程需要研究。研究表明，NDVI對(duì)土壤背景的變化較敏感，當(dāng)NDVI小于0時(shí)，地表主要為水體、云或雪,可認(rèn)為地表的濕度為100%；當(dāng)植被覆蓋度低于20%時(shí)，NDVI值對(duì)區(qū)域內(nèi)的植被很難有指示意義；當(dāng)植被覆蓋度大于80%時(shí),NDVI值增加延緩而呈現(xiàn)飽和狀態(tài),對(duì)植被檢測(cè)靈敏度下降。西北地區(qū)屬于干旱和半干旱氣候區(qū)，長(zhǎng)年干燥少雨。從地表狀況來(lái)看，有大片的沙漠、荒漠、戈壁等基本無(wú)植被覆蓋的區(qū)域，這部分地區(qū)的NDVI多在0.2以下，未進(jìn)行TVDI的計(jì)算，因此旱情分析中不包括這些區(qū)域，主要包括新疆南部的和田地區(qū)、巴音郭勒蒙古自治州、吐魯番地區(qū)、哈密地區(qū)、青海省西部的柴達(dá)木盆地、甘肅省西部敦煌-嘉峪關(guān)一帶(圖中白色部分)。因此，在擬合干濕邊方程時(shí)，綜合考慮，選擇處于中間范圍的NDVI。

按照上述原則，分別計(jì)算了2007年5月25日-9月30日我國(guó)西北地區(qū)每16 d的TS-NDVI特征空間的干邊和濕邊方程(表1)。

2.3TVDI的空間分布特征 利用表1中的干邊和濕邊方程，根據(jù)式(1)，分別計(jì)算不同時(shí)間各像元的TVDI值。以TVDI值作為不同土壤濕度分級(jí)指標(biāo)，將土壤濕度劃分為5 級(jí)[19，21]，分別是：濕潤(rùn)(0.0

表1 TS-NDVI特征空間的干邊和濕邊方程

如TVDI等級(jí)圖(圖2)所示，2007年6月、8月我國(guó)西北地區(qū)的旱情等級(jí)變化不大，在新疆天山一帶、陜西省中部和南部、以及甘肅南部與青海交界一帶重旱區(qū)有所增加，但所占面積都非常小。其次，青海中部輕旱范圍增大。其他區(qū)域變化均不明顯。

2.4旱情面積分布分析 從濕潤(rùn)、正常、輕旱、中旱和重旱這5個(gè)等級(jí)的面積分布(圖3)分析，2007年6-9月，西北地區(qū)中旱所占的比重較大，約為所監(jiān)測(cè)面積的40%左右；重旱面積很小，僅占到1%左右；濕潤(rùn)、正常和輕旱面積相差不大，都在20%左右。從時(shí)間變化上來(lái)看，這5個(gè)旱情等級(jí)的面積變化都較小，總的特點(diǎn)是到了9月份，重旱、中旱和濕潤(rùn)面積都下降，旱情減輕，這可能與9月下旬，西北局部地區(qū)出現(xiàn)連陰雨天氣有關(guān)。

圖2 西北地區(qū)TVDI等級(jí)圖

圖3 2007年6-9月各TVDI旱情等級(jí)占所監(jiān)測(cè)面積的百分比

2.5遙感分析與TRMM資料的對(duì)比 根據(jù)同期旱澇氣候分析[30]和TRMM資料分析可知，2007年6-9月，我國(guó)西北地區(qū)沒(méi)有發(fā)生較大范圍或較長(zhǎng)時(shí)間的嚴(yán)重旱情，中等以下的旱情主要發(fā)生在新疆西部、甘肅中南部、寧夏大部、陜北、青海東北部等地，與TVDI的分析結(jié)果較為一致。

TRMM衛(wèi)星是為研究熱帶降水而專門(mén)研制的, 能夠提供全球格點(diǎn)降水資料。在實(shí)際應(yīng)用中表明, 其對(duì)中低緯陸地降水亦具有較好的觀測(cè)能力[31-32]。本研究選取同期TRMM/3B42 資料(數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)NASA 的Goddard DAAC，分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間步長(zhǎng)3 h)與遙感監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行比較。

TRMM資料顯示(圖略)，我國(guó)西北地區(qū)2007年6-9月的降水主要集中在青海東部和陜西南部地區(qū)，其他區(qū)域沒(méi)有太大范圍的降水。逐時(shí)段對(duì)比的結(jié)果表明，甘肅、寧夏、陜西，尤其是陜南，TRMM資料和遙感資料結(jié)果較為一致，青海東部TRMM資料顯示有降水，但遙感資料顯示基本上為中旱區(qū)，不太相符。新疆面積較大，但遙感監(jiān)測(cè)的有效區(qū)域較小，天山一帶由于存在長(zhǎng)年積雪區(qū)，遙感監(jiān)測(cè)顯示這一帶基本上沒(méi)有旱情，應(yīng)與實(shí)際較符，而TRMM降水資料顯示，這一區(qū)域降水很少。圖4為同時(shí)段TRMM資料和遙感資料對(duì)比情況(其他時(shí)段略)。圖4遙感資料中，2007年6月26日-7月11日，西北地區(qū)陜西中南部、甘肅南部、青海南部有100～300 mm的降水；同樣，圖4 TRMM資料中，除青海南部有重旱，與降水分析不符外，其他區(qū)域基本上相一致，降水多的區(qū)域，旱情較輕。

圖4 2007年6月26日-7月11日遙感資料和TRMM資料對(duì)比情況

3 討論

TVDI分析顯示，2007年5月25日-9月30日，我國(guó)西北地區(qū)雖然沒(méi)有發(fā)生大面積、較嚴(yán)重的旱情，但有較長(zhǎng)時(shí)間和較大范圍的輕旱到中旱。旱區(qū)主要集中在南部山區(qū)和中部干旱區(qū)的南部一帶；整體來(lái)看，青海省基本上都有不同程度的旱情，東部較為明顯，在監(jiān)測(cè)的4個(gè)月時(shí)間中，局部地區(qū)還發(fā)生過(guò)重旱；陜西省的旱情變化是西北5個(gè)省中最大的，尤其是關(guān)中平原和陜南的秦巴山地，6月下旬和8月這兩個(gè)區(qū)域較旱。同期旱澇氣候分析[30]和TRMM降水資料表明，該時(shí)段，我國(guó)西北地區(qū)沒(méi)有發(fā)生較大范圍或較長(zhǎng)時(shí)間的嚴(yán)重旱情，中等以下的旱情主要發(fā)生在新疆西部、甘肅中南部、寧夏大部、陜北、青海東北部等地，與TVDI的分析結(jié)果較為一致。2007年氣候分析表明，陜西省全年降水屬正常[33]，但1月份，降水偏少3～8成[34]；5月上中旬，寧夏、甘肅東部發(fā)生了較為嚴(yán)重的旱情，降水較常年同期偏少8成以上[34]。青海全省大部分地區(qū)降水偏多1～5成，5月下旬-6月上旬，局部地區(qū)發(fā)生輕旱[35]。2006年7月中旬至2007年8月底，由于降水持續(xù)偏少、氣溫持續(xù)偏高，新疆阿勒泰地區(qū)東部和南疆大部出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的干旱[36]。從以上分析可以看出,研究時(shí)段內(nèi),除新疆的重旱沒(méi)有太好的監(jiān)測(cè)外，TVDI對(duì)其他旱情的監(jiān)測(cè)還是比較有效的。

從濕潤(rùn)、正常、輕旱、中旱和重旱這5個(gè)等級(jí)的面積分布分析，2007年6-9月，西北地區(qū)中旱所占的比重較大，重旱面積很小，從時(shí)間變化上來(lái)看，這5個(gè)旱情等級(jí)的面積變化都較小，總的特點(diǎn)是到了9月份，重旱、中旱和濕潤(rùn)面積都下降，旱情減輕，這可能與9月下旬，西北局部地區(qū)出現(xiàn)連陰雨天氣有關(guān)。

TVDI反映的是土壤濕度，對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，更為有效。土壤濕度與TS-NDVI斜率存在一定的定量關(guān)系，TVDI對(duì)于大面積干旱監(jiān)測(cè)、旱情變化評(píng)估是可行的[19-22]，并且具有快速、及時(shí)、宏觀等優(yōu)勢(shì)，但由于像元在TS-NDVI 特征空間位置受到諸多因素的影響，從而影響圖像反映的植被生長(zhǎng)狀況信息。本研究中植被覆蓋率是通過(guò)對(duì)NDVI的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)，也沒(méi)有考慮視角等對(duì)NDVI和TS影響，會(huì)給結(jié)果帶來(lái)一些誤差，這種誤差對(duì)旱情判識(shí)的影響還有待于進(jìn)一步深入研究。另外，本研究中所用衛(wèi)星遙感資料均為16 d合成的，土壤水分變化與降水存在很大的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在實(shí)際應(yīng)用中，如果能夠利用遙感資料進(jìn)行實(shí)時(shí)旱情監(jiān)測(cè)，則實(shí)用性更強(qiáng)。常規(guī)的氣候干旱等級(jí)方法是建立在各站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，穩(wěn)定可靠。但對(duì)于西北這樣面積大、站點(diǎn)少的區(qū)域，對(duì)于大范圍的旱情監(jiān)測(cè)和評(píng)估缺乏代表性。因此，將TVDI方法和常規(guī)氣象監(jiān)測(cè)結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，應(yīng)該是該區(qū)域旱情監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向。

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