許新惠，謝 菲*，周星宇

（1. 云南大學 資源環(huán)境與地科學學院，云南 昆明 650091；2.吉林師范大學，吉林 四平 136000）

3S技術支持的干旱空間特征研究

許新惠1，謝 菲1*，周星宇2

利用遙感影像獲取了植被覆蓋數(shù)據(jù)，結合氣象數(shù)據(jù)，運用地理信息技術和全球定位系統(tǒng)進行了干旱時空特征研究。同時，依據(jù)云南省普洱市10縣（區(qū)）10個氣象觀測站點1961～2010年50 a來逐月的降水量觀測資料，以ArcGIS10．1為主要分析平臺，Matlab、SPSS為輔助數(shù)據(jù)處理平臺，利用Mann-kendall法對降水量的時間序列進行了趨勢檢驗，并在Matlab和Excel中計算了降水量季、年尺度下的距平百分率，利用ArcGIS中的反距離權重插值法得到了降水量和降水量距平百分率的分布圖，最后結合降水量距平百分率的干旱等級劃分標準進行了干旱的強度分布。在干旱時空特征結論的基礎上，以思茅區(qū)為例，討論了降水量、溫度、高程、坡度、坡向、植被覆蓋率對干旱影響的相關性。研究結果表明：普洱市長期遭遇不同程度的干旱，在溫度、海拔高度、植被覆蓋率等諸多影響因素的作用下，形成了降水量南北少東西多，干旱發(fā)生率西北高東南低、春冬多夏秋少的局面。干旱易發(fā)地帶為景東、鎮(zhèn)源、孟連和西盟。

RS；GIS；GPS；氣象學；干旱特征研究

干旱是一種常見的自然災害，對人類生活各領域均有不同程度的負影響?，F(xiàn)在學術界公認的干旱定義包括氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱4 種,而當前在區(qū)域尺度范圍內(nèi)的干旱研究主要集中于氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱2個類型[1]。

云南省地形地貌復雜多變，水土流失極為嚴重，受天氣氣候變化、季風環(huán)流的不穩(wěn)定性和不同天氣系統(tǒng)的反復多重影響，是氣象災害的頻發(fā)地帶[2,3]。據(jù)統(tǒng)計，1950～1997年全省農(nóng)經(jīng)作物受旱面積高達1 479．41萬 hm2，平均每年有50%的縣（市）受到不同程度的干旱影響[4]。而在過去的2009～2010年云南曾遭遇百年一遇的全省性大旱災，在受災范圍、持續(xù)時間、造成損失等方面的嚴重性均為歷史少見。因此，政府和人民在反思中意識到了對干旱時空變化特征進行深入分析的必要性和做好旱情預警工作、全民抗旱的緊迫性[5-9]。

1 研究區(qū)概況

普洱市位于云貴高原的西南部，全區(qū)山地面積占98．3%， 海拔高度為376～3 306 m[10]，是云南省土地面積最大的行政區(qū)，也是地震多發(fā)和氣象災害頻繁的地區(qū)。全市轄9縣1區(qū)，9縣均為少數(shù)民族自治縣，居住著14個世居民族，其中少數(shù)民族人口占總?cè)丝诘?1%。

2 資料與方法

2.1 資料來源

數(shù)據(jù)的收集與處理是研究的基礎，數(shù)據(jù)的準確度和詳實程度決定研究成果的準確性。因此，選取數(shù)據(jù)時，首先要了解數(shù)據(jù)的類型、特點、來源和精度；其次要考察所選數(shù)據(jù)是否符合國家統(tǒng)一規(guī)范。本次研究使用的數(shù)據(jù)包括：①普洱市10個站點1961～2010年的逐月降水資料；②思茅區(qū)遙感影像圖。降水資料來自云南省氣象局，思茅區(qū)遙感影像圖為30 m分辨率的TM數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

本文選用降水量和降水量距平百分率（Pa）作為干旱強度分級的主要指標，以Mann-kendall法檢驗出研究區(qū)內(nèi)歷年降雨量的大體趨勢和變化情況，并運用反距離權重插值法分析干旱的空間變化特征，在ArcGIS10．1中繪制普洱市的干旱空間分布圖，最后在時空變化特征結論的基礎上進行干旱影響因子的相關分析，運用統(tǒng)計檢驗方法和歷史旱情資料分析相結合的方法確定致旱因素。

2.2.1 降水量距平百分率

降水量距平百分率是表征某時段降水量異常的方法之一，能直觀反映降水異常引起的干旱；在我國氣象日常業(yè)務中經(jīng)常使用，多用于評估月、季、年發(fā)生的干旱事件[11]，是計算方法最簡單、運用最廣泛的干旱特征分析方法之一，具有結果直觀等優(yōu)點。計算公式如下：

即式中，Pi為時段的降水量；n為樣本數(shù)[11]。

2.2.2 Mann-kendall（非參數(shù)趨勢檢驗法）

Mann-kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，因其變量可以不具有正態(tài)分布的特征，因此適用于水文變量的趨勢檢驗[12,13]?？衫么朔椒ㄟM行降水量的時間和空間分布特征研究。原理如下：原假設H0為時間序列數(shù)據(jù)（x1，…，xn），代表n個獨立的、隨機變量同分布的樣本；備擇假設H1是雙側(cè)檢驗，對于所有的k，j≤n，且k≠j，xk和xj的分布是不相同的，檢驗的統(tǒng)計變量S計算公式如下：

其中，

S為正態(tài)分布，其均值為0，方差Var（S）=n（n-1）（2n+5）/18。當n＞10時，標準的正態(tài)統(tǒng)計變量計算公式如下：

在給定的α置信水平上，如果|Z|≥Z1-α，拒絕原假設，即在α置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。其變化趨勢的大小用β表示，計算如下：

β＞0，表示呈上升趨勢；β＜0，表示呈下降趨勢[8，9]。該方法是由世界氣象組織推薦的應用于實踐序列分析的方法，已經(jīng)廣泛應用于檢驗水文資料的趨勢成分[10]。

2.2.3 相關性分析

相關性分析是考察兩個變量之間線性關系的一種統(tǒng)計分析方法，通俗講就是衡量兩個或多個具備相關性的變量元素之間的相關密切程度的分析。相關性的元素之間需要存在一定的聯(lián)系或者概率才可以進行相關性分析，如本文中的溫度和降水量，經(jīng)驗上通常認為溫度高促進水分的蒸發(fā)量，水分的蒸發(fā)量和降水量之間又存在一定的關系，因此溫度和降水量具備一定的相關概率。

相關分析的主要計算公式為：

式中，rxy為要素x與y之間的相關系數(shù)；和分別表示兩個要素樣本值的平均值，即

相關系數(shù)取值范圍為[-1,1]，r＜0時所檢驗序列呈負相關；r＞0時呈正相關，絕對值越大，相關性越強。通常情況下通過以下取值范圍判斷變量的相關強度：取絕對值后，0～0．09為沒有相關性，0．1～0．3為弱相關，0．3～0．5為中等相關，0．5～1．0為強相關[14]。

3 普洱市干旱時空特征分析

3.1 普洱市干旱時間變化特征

Mann-kendall趨勢檢驗結果（表1）表明，除了西盟的降水量時間序列表現(xiàn)出顯著下降的趨勢外，其他站點數(shù)據(jù)大部分呈下降但不顯著的趨勢，僅有3個站點表現(xiàn)出上升趨勢，但不顯著。全市范圍內(nèi)來說，降水量表現(xiàn)為輕微的下降趨勢。

從全市的降水量趨勢圖來看（圖1），經(jīng)歷了5個以10 a為周期的波動變化，歷史最低降水值出現(xiàn)在2001～2002年期間，表明在2001全省性大旱災的背景下，普洱市也受到了極大的沖擊。2002年以后，普洱市降水量持續(xù)處于較低水平，這種情況又從2009年急轉(zhuǎn)直下，降水量以234．3 mm/a的速率急劇減少，迎來了五十年一遇的全省性大旱災。

表1 普洱市10個站點降水量序列的Mann-kendall趨勢檢驗結果表

圖1 普洱市降水量年均值趨勢圖

3.2 普洱市干旱空間分布特征

根據(jù)每個站的四季降水量距平百分率得出，普洱市主要干旱類型為春冬旱，并在普洱市歷年旱情和干旱概況中得到了驗證。表2給出了各站的降水量和降水量距平百分率的均值，結合兩者分析得出干旱類型。表3中的輕度以下和重度以下干旱發(fā)生頻率是根據(jù)各站的降水量距平百分率的季尺度旱情等級劃分標準統(tǒng)計而出。由此可見，景東、鎮(zhèn)源、孟連、思茅、墨江、景谷為普洱地區(qū)干旱發(fā)生頻率較高的地帶。

表2 普洱市10個站點的降水量和降水量距平百分率均值表

表3 普洱市10個站點50 a間輕度和重度以下干旱發(fā)生頻率/次

降水量和降水量距平百分率插值所得的結果相似，發(fā)生干旱可能性較大的地區(qū)均為景東、鎮(zhèn)沅、墨江北部、景谷、寧洱和普洱北部地區(qū)（因其降水量較其他地區(qū)稀少，而降水量距平百分率指標較其他地區(qū)偏低，因此認為這些地區(qū)是可能發(fā)生干旱的區(qū)域），與根據(jù)干旱發(fā)生頻率所得出的結論一致。又由于水文、氣象因素皆受干濕季的制約，加之降水量的變化與季節(jié)有密不可分的聯(lián)系，對降雨量距平百分率的四季分別插值，結果顯示：春季的最嚴重程度達到中度，鎮(zhèn)源地區(qū)為中度干旱，景東、瀾滄、孟連和墨江、景谷的部分區(qū)域為輕度干旱；夏季除墨江和思茅有輕度干旱發(fā)生，其余地區(qū)均無旱；秋季除景東有輕旱現(xiàn)象發(fā)生外，其余地區(qū)無旱；冬季出現(xiàn)了較豐富的干旱等級，其中西盟達到了特大干旱程度，以景東、西盟為中心擴散的區(qū)域（包括鎮(zhèn)源和瀾滄部分地區(qū)）也均為干旱程度較嚴重的地帶（圖2）。

圖2 普洱市四季干旱強度分布圖

4 干旱影響因素分析

由于干旱的發(fā)生與地理位置、海拔高度、坡度、坡向各大水系距離遠近、地表植被覆蓋水平、溫室效應等因素均存在一定的關聯(lián)度，因此本文選取了適用于小范圍內(nèi)研究的海拔高度、坡度、坡向、降水、溫度和植被六大因素進行相關性討論。

4.1 降水量與溫度

國際《氣象干旱等級》把氣象干旱定義為“某時段由于蒸發(fā)量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺現(xiàn)象，是其他專業(yè)性干旱研究和業(yè)務的基礎”，由定義可知干旱的形成和降水量有直接關系。在中國降水量等值線分布地圖上，以200 mm作為干旱區(qū)和半干旱區(qū)的分界線，可見降水量的多少可以成為判斷干旱級別的指標之一，降水量稀少持續(xù)的時間越長或連續(xù)無降水量的時間越久，則干旱越嚴重。

對普洱市思茅區(qū)的降水量和溫度的相關性進行分析得出，年降水量與溫度呈弱逆相關關系，相關系數(shù)為-0．175，未通過α=0.05的顯著性水平檢驗。通過圖3可以明顯看出降水量和溫度的大體走勢，降水量呈逐年下降趨勢而溫度呈逐年上升趨勢，印證了相關檢驗的弱逆相關關系結論，而這種關系達到最顯著的時期是在2009年附近，這個時期溫度達到了歷史最高，而降水量也到了一個相對較低的水平，歷史資料也顯示2009～2010年期間思茅區(qū)經(jīng)歷了五十年一遇的重大干旱。從歷史資料出發(fā)，2009～2010年大旱之前一次嚴重干旱發(fā)生在2001年，由圖4可以看出2001～2002年之間的一個降水量的大波動，急劇減少的降水量和逐年上升的溫度是形成干旱的不可忽略的原因。

4.2 海拔高度

普洱市境內(nèi)群山起伏，海拔高度在376～3 306 m之間，而海拔對于干旱的影響可初步斷定為通過溫度間接影響（海拔每上升1 000 m溫度下降6℃）。對普洱市10個站點的降水量和海拔高度的相關性進行分析得出，年均降水量和高程呈強正相關關系，相關系數(shù)為0．616，未通過α=0.05的顯著性檢驗。通過圖4可以明顯看出，兩者間大致呈同消同長的關系，幾個降水量偏低的重旱區(qū)景東、孟連、景谷海拔高度都相對較低。

趙蓉等在天山西部地區(qū)的干旱指數(shù)演變特征中得出海拔高程每增高100 m，干旱指數(shù)下降0．22的結論[15]，又因干旱指數(shù)越大，氣象干旱程度越強烈，推出干旱與高程之間的負相關關系：海拔越高，則干旱程度減輕；反之，則干旱程度越嚴重，與相關性檢驗結論一致。

圖4 不同站點降水量年均值和海拔高度的標準化數(shù)值趨勢圖

4.3 植被覆蓋率

本文利用遙感影像獲取了植被覆蓋數(shù)據(jù)。同時，利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）與植被覆蓋度的關系模型[16,17]，對思茅區(qū)2009～2012年的植被覆蓋進行了比較研究。結果表明：發(fā)生連旱后的植被覆蓋率較連旱前的確發(fā)生了一定程度的退化，即對于思茅區(qū)而言，植被覆蓋率變化與干旱有顯著關系（圖5）。

圖5 思茅區(qū)2009年和2013年植被覆蓋度圖

4.4 其他因素

在5種單項氣象干旱指標中，土壤濕度干旱指數(shù)是以土壤含水量來衡量干旱程度的，根據(jù)土壤的含水量、保水的能力可直接反映干旱的程度。而坡向、坡度、坡位等地形因子正是通過影響土壤含水量而影響干旱的形成[18]。氣象學上認為坡度、坡向與降水量的關系需加入風向討論，即迎風坡和背風坡會形成差異顯著的降水量景觀：由于背風坡盛行下沉氣流而增溫導致難成云致雨，降水較少，較易形成干旱氣候，而迎風坡恰好相反。

總而言之，造成干旱的因素是多種多樣的，自然因素是人類無法控制的，但人為因素是可以通過人類樹立自制、環(huán)保思想來盡可能避免的。

5 結 語

1）普洱市的干旱時空特征為：時間上，普洱市的各站點降水數(shù)據(jù)均有不同程度的下降趨勢，干旱事件多年來均有發(fā)生，按頻率劃分，景東、景谷、鎮(zhèn)源、孟連、思茅、墨江為多發(fā)地帶。全市來看，以50 a為尺度普洱市平均每10 a經(jīng)歷一次或一次以上重大干旱，21世紀以后的重大干旱發(fā)生頻率激增，發(fā)生年份為2001年、2005年、2009年和2010年?？臻g上，普洱市北部（景東、鎮(zhèn)源、墨江北和景谷北）為干旱發(fā)生概率大且程度較嚴重區(qū)域，北部往中西（瀾滄、孟連）方向為易發(fā)生輕到中度干旱區(qū)域，而東部（江城）為雨量充足區(qū)，干旱的發(fā)生概率極小。

2）普洱市的干旱影響因素有：干旱的發(fā)生存在其普遍性，通過相關性統(tǒng)計分析，溫度、海拔高度與降水量表現(xiàn)出相關性，間接與干旱事件的形成有關，植被覆蓋率與干旱事件互為因果。

[1] 譚學志,粟曉玲,邵東國．基于SPI的陜西關中地區(qū)氣象干旱時空特征分析[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2011,29(2)∶224-226

[2] 陶云,鄭建萌,黃瑋,等．云南春末夏初干旱的氣候特征[J]．自然災害學報,2009,18(1)∶125-132

[3] 王宇．云南省農(nóng)業(yè)氣候資源及區(qū)劃[M]．北京：氣候出版社,1990

[4] 解明恩,程建剛,范菠．云南氣象災害的時空分布規(guī)律[J]．自然災害學報,2004,13(5)∶40-47

[5] 馮穎．氣象專家解讀云南干旱[N]．中國氣象報, 2012-03-06(003)

[6] 劉楊梅,黃英,王杰．云南省滇中地區(qū)氣象干旱特征分析[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學,2012,40(18)∶9 799-9 801

[7] 閆峰,王艷嬌,吳波．近50年河北省干旱時空分布特征[J]．地理研究,2010,29(3)∶423-430

[8] 周晉紅,李麗平,秦愛民．山西氣象干旱指標的確定及干旱氣候變化研究[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2010,28(3)∶241-247

[9] 馬建琴,韓曦,夏軍,等．甘肅省氣象干旱的多尺度時空變化綜合分析[J]．水電能源科學,2013,31(6)∶29-32

[10] 陳瑩,陳興偉．福建省近50年旱澇時空特征演變[J]．自然災害學報,2011,20(3)∶57-62

[11] 韓海濤,胡文超,陳學君,等．三種氣象干旱指標的應用比較研究[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2009,27(1)∶237-241

[12] SL424-2008．旱情等級標準[S]．

[13] 康淑媛,張勃,柳景峰,等．基于Mann-kendall法的張掖市降水量時空分布規(guī)律分析[J]．資源科學,2009,31(3)∶501-508

[14] 徐建華．計量地理學[M]． 北京∶高等教育出版社,2006

[15] 夏依木拉提·艾依達爾艾力,趙蓉．天山西部地區(qū)近50年干旱指數(shù)的演變特征[J]．中國水利水電科學研究院學報,2010(2)∶88-106

[16] 崔振才．水資源與水文分析計算[M]．北京∶中國水利水電出版社,2004

[17] 徐娜,丁建麗,劉海霞．基于NDVI和LSMM的干旱區(qū)植被信息提取研究——以新疆吐魯番市為例[J]．測繪與空間地理信息,2012,35(7)∶52-57

[18] 何其華,何永華．干旱半干旱區(qū)山地土壤水分動態(tài)變化[J]．山地學報,2003,21(2)∶149-156

本 刊 聲 明

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（本刊編輯部）

P208

B

1672-4623（2016）01-0053-05

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.016

許新惠，碩士，副研究員，主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)工作。

2014-12-22。

項目來源：教育部“春暉計劃”科研資助項目（Z2012051）；云南大學資源環(huán)境與地球科學學院科研資助項目（2013CG006，2014JC004）；云南省教育廳科學研究基金資助項目（2015Y004）。（*為通訊作者）