曾 波, 諶 蕓, 肖國杰

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225;2.國家氣象中心,北京100081)

歸一化植被指數(shù)(NDVI)被廣泛用于植被覆蓋的定量研究。許多學(xué)者基于NDVI資料從不同角度研究了植被覆蓋變化及其與氣候因子的關(guān)系：有的研究區(qū)[1-3]植被總體保持原狀,有的研究區(qū)[4-6]植被覆蓋增加,局部有所退化;氣候因子與植被存在一定相關(guān)性,不同區(qū)域不同氣候因子與植被的相關(guān)性有所差異[6-11];降水對植被的影響存在一定的滯后效應(yīng)[3-4,12],謝國輝等[13]研究天山北坡植被指數(shù)則認(rèn)為,研究區(qū)植被受氣溫和降水的復(fù)合影響。

川西高原為青藏高原東南緣和橫斷山脈的一部分,平均海拔在3500米以上,季節(jié)和晝夜溫差大,地質(zhì)環(huán)境典型,地表生態(tài)脆弱,研究川西高原植被及其與氣候因子的相關(guān)性對于學(xué)術(shù)界和發(fā)展四川經(jīng)濟(jì)和旅游業(yè)都比較重要。張永恒等[14]研究了西南地區(qū)植被與氣候關(guān)系,但沒有涉及周期變化,陳權(quán)亮等[15]研究了川西高原植被和陸面溫度變化,但沒有涉及植被和氣候的相關(guān)性分析。川西高原NDVI和氣候因子的變化特征,相關(guān)性及周期變化是怎樣一個狀況?文中將對該地區(qū)的植被和氣候的時空變化和其相關(guān)性情況進(jìn)行研究討論。

1 資料和方法

圖1 14個站點(diǎn)分布

選取的川西高原位于青藏高原東南部(97°E～104°E,27°N～34°N),是南水北調(diào)西線一期工程的引水區(qū),面積近50000km2,該地區(qū)海拔4600m以上主要為高寒草甸及高山寒漠草甸,海拔4600m以下以草原為主,同時部分地區(qū)有灌木林、喬木林等[16]。在高原,由于站點(diǎn)稀少,直接測植被要素值很難,但衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供了一個能夠很方便、快捷、準(zhǔn)確了解植被覆蓋變化情況的渠道。歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)被定義為：

式(1)中 CH1和 CH2分別代表可見光(0.58～0.68μ m)通道和近紅外通道(0.725～1.00μ m)。 -1≤NDVI≤1,負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等,對可見光高反射;0表示有巖石或裸土等,正值越大表示植被覆蓋越好。資料采用已插值的美國國家航天航空局(NASA)的NOAA-AVHRR的 NDVI,空間分辨率為0.25°×0.25°,區(qū)域?yàn)?03.875°E～97.125°E,34.625°N ～27.875°N,時間范圍為1982年1月～2002年12月;此外選取川西高原14個氣象站點(diǎn)(圖1)的月平均氣溫和月降水總量資料。研究者[4-5,17]根據(jù)不同因素將植被覆蓋度進(jìn)行了分類,研究方法有趨勢系數(shù)[18],皮爾遜相關(guān)、偏相關(guān)和滯后相關(guān)、Morlet小波分析等。

2 川西高原植被變化變化特征

2.1 NDVI的時間變化特征

圖2是NDVI的時間序列圖,由圖可知：NDVI總體呈增加趨勢,年均值在0.32～0.35變化,其中20世紀(jì)80年代和90年代初期年均值較小,90年代的NDVI年均值相對80年代波動較劇烈。

2.2 NDVI空間變化特征

通過NDVI、氣溫、降水21年均值(表1)對比劃分川西高原四季可以更具體地了解它們的空間變化。根據(jù)均值大小,氣候上將四季分為12～2月(冬季),3～5月(春季),6～8月(夏季),9～11月(秋季),但從NDVI的角度將四季分為1～3月(冬季),4～6月(春季),7～9月(夏季),10～12月(秋季)。這樣計(jì)算3個量時,氣候方面就有20年值(1982年1月和2月及 2002年3月～12月剔除),NDVI有21年值(1982年1月～2002年12月)。

圖3是NDVI 4個季節(jié)21年均值的空間分布,春季整個川西高原植被基本都處于生長階段,石渠NDVI值相對較小;夏季整個川西高原覆蓋良好(若爾蓋附近覆蓋最好),局部(主要為川西高原西南部)覆蓋差;秋季高原北部覆蓋最差;冬季高原覆蓋總體比秋季差。

為了更清晰的分析川西高原各個區(qū)域NDVI變化趨勢,用趨勢系數(shù)[18]分析4個季節(jié)的NDVI(圖4)。從圖4可以看出：春季大部分地區(qū)為線性增加趨勢,其中西部增加比東部明顯;夏季東部和南部是減小趨勢,且越往東減小越明顯;秋季北部線性減小趨勢,南部線性增加趨勢;冬季川西高原整體呈增加趨勢,南部增加比北部明顯。

圖2 1982～2002年NDVI變化

表1 1982～2002年月均降水量、氣溫和NDVI

圖3 1982～2002年的NDVI空間分布

圖4 1982～2002年的NDVI趨勢系數(shù)

2.3 NDVI的周期變化

用Morlet小波分析NDVI的周期變化,如圖5所示。NDVI的明顯主要振蕩周期為4～5年和10年,其中大尺度周期經(jīng)歷了減少-增加-減少過程,而4～5年振蕩周期在1985～1991年和1996～2002年表現(xiàn)最明顯,在1994～2002年時間段增加中有減少,減少中有增加。

3 氣候變化特征分析

圖5 NDVI的Morlet小波分析

3.1 氣溫和降水的時間變化特征

圖6和圖7分別是氣溫和降水量的時間序列變化。從圖6和圖7可以看到,在整個全球氣溫上升的大背景下,川西高原21年來的氣溫整體呈上升趨勢,20世紀(jì)80年代初期和90年代初期氣溫均值相對較低,90年代相對80年代波動較劇烈,這與前面分析的NDVI變化趨勢較一致;整體看降水量沒有明顯增加趨勢,80年代的降水量波動不大,而90年代的降水量波動幅度較大,這一點(diǎn)和氣溫的波動相似,由此看90年代的氣候相對80年代波動大。

圖6 1982～2002年氣溫變化

圖7 1982～2002年降水量變化

對14個站氣溫和降水做趨勢系數(shù)(表2)分析,進(jìn)一步了解氣溫和降水的變化。從表中可以看出,多數(shù)站四季氣溫基本線性增加趨勢,這與前面分析的氣溫序列變化一致;春季降水線性增加趨勢,這可能與氣溫升高冰雪融化有關(guān),其他3季有些站增加有些站減少。

表2 14個站氣溫和降水的趨勢系數(shù)

3.2 氣溫和降水周期變化

用Morlet小波分析了降水和氣溫的周期變化,如圖8和9所示。降水主要振蕩周期是5年和10年,其中10年時間尺度與李海東等[19]發(fā)現(xiàn)雅魯藏布江中游河谷地區(qū)準(zhǔn)11年周期結(jié)論基本一致,文中10年時間尺度在1987～2000年經(jīng)歷了明顯的增加-減少-增加過程變化,而處于2002年的降水減少線未閉合,說明2002年及后面幾年可能處于降水減少階段,5年的時間尺度在1987～1996年較明顯;氣溫的主要振蕩周期是4年和10～12年,其中大尺度時間經(jīng)歷了減少-增加-減少-增加,1993～2001年的4年時間尺度明顯,在這個時間階段內(nèi)大的時間尺度又包括了小的時間尺度,增加中包含了減少的時間尺度。3個量在這21年的時間尺度分析中有非常接近的大時間尺度和小時間尺度,這可能說明3個量之間存在一定相關(guān)性。

圖8 降水的Morlet小波分析

圖9 氣溫的Morlet小波分析

4 NDVI和氣候的相關(guān)性

眾所周知,植物的生長離不開最基本的氣象條件：水和溫度。許多學(xué)者采用不同的方法及資料研究NDVI和氣候因子的相關(guān)性,得到的相關(guān)程度不盡相同,對此從基本相關(guān)(皮爾遜相關(guān))出發(fā),采用偏相關(guān)(排除在其他變量的影響下計(jì)算變量間的相關(guān)系數(shù)),滯后1個月和滯后2個月相關(guān)對比來探討川西高原植被和氣候的相關(guān)性,如表3所示(*表示超過置信度水平0.05的檢驗(yàn))。做相關(guān)性研究時,由于資料樣本量21少于30,所以采用無偏相關(guān)系數(shù)加以校正。從表3中可以看到,春初和夏末的降水與NDVI負(fù)相關(guān)顯著,冬末春初降水和NDVI滯后正相關(guān)顯著;冬末春初的氣溫和NDVI正相關(guān)顯著,冬末春初NDVI和氣溫滯后正相關(guān)顯著,而夏初NDVI和氣溫滯后負(fù)相關(guān)顯著。NDVI與降水和氣溫的偏相關(guān)絕對值比皮爾遜相關(guān)的絕對值偏小一些,但值的正負(fù)一致。NDVI和氣溫,除5、6、7、10月之外,無論哪種相關(guān)都是正相關(guān),這就是說氣溫和NDVI基本是正相關(guān)的,但當(dāng)氣溫上升到一定值時,高原植被和氣溫的相關(guān)性不大或者負(fù)相關(guān);NDVI和降水,除春季有一定正相關(guān),其他三個季節(jié)都是負(fù)相關(guān),滯后1～2個月春夏冬季基本正相關(guān),說明NDVI對降水的反應(yīng)存在一定的滯后性。此外對生長期(21年4～10月)147個月的相關(guān)性分析得出：NDVI和降水的相關(guān)性為0.651,NDVI和氣溫相關(guān)性為0.798。綜合以上分析來看,川西高原有些地區(qū)NDVI和氣候因子相關(guān)性大,有些地區(qū)小甚至負(fù)相關(guān);不同季節(jié)相關(guān)性有所差異;高原NDVI與氣溫的相關(guān)性比與降水大,NDVI對降水有一定滯后效應(yīng)。

表3 NDVI和氣候因子的月相關(guān)性

5 結(jié)論與討論

(1)1982～2002年川西高原植被覆蓋度總體有所增加,不同地區(qū)增加幅度不同,氣溫上升明顯,降水基本無變化,NDVI變化趨勢和氣溫變化趨勢較一致;NDVI不同季節(jié)不同區(qū)域增加和減少趨勢不同;NDVI和降水趨勢系數(shù)因季節(jié)、區(qū)域不同而有所增減,從總體看氣溫線性增加趨勢。

(2)人為干擾也能引起NDVI值的變化,若采用數(shù)據(jù)分辨率較大,短期內(nèi)人為干擾引起的NDVI值變化表現(xiàn)不明顯,故大多數(shù)或所有類型的NDVI的變化一般都是由氣候因子引起的[21]。因此,在不考慮其他因素的條件下(如人為因素),NDVI與氣溫的相關(guān)性比與降水的相關(guān)性大,說明在川西高原地區(qū)氣溫是植被生長的主導(dǎo)因子,降水是植被生長的重要因子;NDVI對降水有一定的滯后效應(yīng)。

(3)川西高原NDVI周期約10年和5年左右,降水和氣溫周期也是類此變化,氣溫在未來可能為增加趨勢,降水為減少趨勢,NDVI短時間內(nèi)可能處于增加趨勢;NDVI和氣溫及降水之間大的時間尺度接近,短的時間尺度也很接近,進(jìn)一步說明了這3個量之間存在一定相關(guān)性。

致謝：感謝成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院的范光洲老師提供相關(guān)氣象資料。

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