彭 擎,王讓會(huì),*,蔣燁林,吳曉全

1 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,南京 210044 2 大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044

干旱作為一種持續(xù)性異常干燥天氣,會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)、林業(yè)的嚴(yán)重?fù)p失,造成生態(tài)系統(tǒng)的破壞和水文水分循環(huán)的不均衡性。干旱的嚴(yán)重程度取決于水分虧缺程度、持續(xù)時(shí)間以及受災(zāi)區(qū)域的大小[1]。在全球氣候變化的背景下,全球干旱化趨勢(shì)日益嚴(yán)重[2],干旱的動(dòng)態(tài)演替和大尺度范圍監(jiān)測(cè)成為全球變化研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。一些干旱指數(shù)依賴地面監(jiān)測(cè)獲取,一些通過(guò)能量平衡模型獲取,還有些干旱指數(shù)通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)單獨(dú)使用或結(jié)合能量平衡模型獲得[3- 4]。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取干旱指數(shù)通常使用多波段運(yùn)算而得。干旱狀況通常與植被狀態(tài)或蓋度相關(guān),而植被指數(shù)由衛(wèi)星的可見(jiàn)光和近紅外通道探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性或非線性組合獲得,能夠提供植被的生長(zhǎng)狀況和蓋度等信息[5],因此植被指數(shù)被廣泛應(yīng)用于干旱監(jiān)測(cè)與模擬。

NDVI是最常見(jiàn)植被指數(shù),Tucker等[6]和Choudhury等[7]發(fā)現(xiàn)NDVI可以作為識(shí)別和量化干旱區(qū)、半干旱區(qū)干旱擾動(dòng)的響應(yīng)因子。Kogan等[8]提出利用NDVI反演植被狀態(tài)指數(shù)(Vegetation Condition Index,VCI),成為最為廣泛應(yīng)用的一種干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù),同時(shí)許多研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用結(jié)果表明,應(yīng)用VCI表征干旱具有較好的效果[9- 11]。LST在一定程度上反映土壤含水量的變化狀況,揭示植被的潛在覆蓋量,而其熱反應(yīng)的敏感程度也有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)干旱發(fā)生時(shí)LST異常升高[12- 13]。kogan[14]將VCI歸一化方法應(yīng)用于LST得到溫度狀態(tài)指數(shù)(Temperature Condition Index,TCI),依據(jù)植被冠層或土壤表面溫度隨水分脅迫的增加而升高的原理來(lái)表征土壤水分狀態(tài)。單獨(dú)利用NDVI或LST進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè),無(wú)法全面、及時(shí)地顯現(xiàn)干旱的動(dòng)態(tài)變化,因此將NDVI與LST的空間特征相結(jié)合進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)能夠提高旱情監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。研究表明,NDVI與LST之間具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,通常當(dāng)?shù)乇碚羯p少,地表感熱通量增加,進(jìn)而導(dǎo)致地表溫度升高,而植被氣孔阻力是植被蒸騰作用的關(guān)鍵控制因素,土壤濕度是影響植被氣孔阻力和土壤蒸發(fā)的主要因素,因此NDVI與LST兩者之間的關(guān)系與土壤濕度密切相關(guān)[15]。

NDVI-LST空間像元散點(diǎn)圖的典型“三角形”或“梯形”分布被應(yīng)用于模擬土壤-植被-大氣蒸發(fā)和蒸騰的交互作用[16- 17]。NDVI的大小與生物量有關(guān),可以表示植被長(zhǎng)勢(shì)好壞,而LST變化與土壤的蒸發(fā)或植被蒸騰相關(guān),蒸騰量越小,LST越高,植被受到水分脅迫越嚴(yán)重。在干旱監(jiān)測(cè)方面,NDVI-LST的負(fù)相關(guān)關(guān)系受到了極大關(guān)注,在干旱狀態(tài)下,NDVI值通常比正常情況下低,土壤蒸發(fā)和植被蒸騰顯著,LST高于正常值。McVicar和Bierwirth[18]利用LST與NDVI的簡(jiǎn)單比例來(lái)研究干旱狀況。Kogan[14]提出利用VCI和TCI構(gòu)建VHI,VHI已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于干旱監(jiān)測(cè)、干旱嚴(yán)重程度及持續(xù)時(shí)間評(píng)估以及干旱早期預(yù)警等多方面[19- 20]。VHI的有效性依賴于NDVI-LST所對(duì)應(yīng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而對(duì)于NDVI-LST的長(zhǎng)時(shí)間尺度的時(shí)空狀況研究過(guò)程,NDVI-LST之間的關(guān)系并不是一成不變的,往往存在非負(fù)關(guān)系。其在溫暖季節(jié)存在強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)關(guān)系,而冬季則呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。關(guān)于NDVI-LST關(guān)系的全球分布研究表明[21- 22],干旱地區(qū)和中緯度地區(qū)呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系,熱帶和高緯度地區(qū)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。總體而言,在植被生長(zhǎng)受到能量(輻射、溫度)限制的地區(qū)NDVI-LST的相關(guān)關(guān)系趨勢(shì)為正。因此,VHI應(yīng)用是有限制的,只有在NDVI-LST呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系的時(shí)段和地區(qū)才能很好地用于干旱監(jiān)測(cè)。

新疆地處亞歐大陸腹地,受全球氣候變化的影響較大,旱澇災(zāi)害日趨嚴(yán)峻。不少研究利用SPI(Standard Precipitation Index)、SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)、CI(Meteorological Drought Composite Index)、S(S Drought Index)、PDSI(Palmer Drought Severity Index)等[23- 27]干旱指數(shù)對(duì)全疆或局部地區(qū)進(jìn)行干旱特征分析,研究利用相關(guān)指數(shù)對(duì)新疆進(jìn)行干旱等級(jí)劃分,對(duì)不同年份各區(qū)域的干旱等級(jí)和面積變化進(jìn)行分析。而本研究利用MODIS數(shù)據(jù)集來(lái)計(jì)算新疆NDVI-LST的一般性關(guān)系,進(jìn)而進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)和評(píng)估,對(duì)生長(zhǎng)季不同時(shí)期氣象因子對(duì)NDVI-LST相關(guān)系數(shù)空間分布貢獻(xiàn)率進(jìn)行研究,同時(shí)探索不同植被覆蓋類(lèi)型下NDVI-LST相關(guān)系數(shù)變化規(guī)律,以期能夠?yàn)樾陆珊档臏?zhǔn)確監(jiān)測(cè)和制定干旱應(yīng)對(duì)措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆地處亞歐大陸中部(34°25′N(xiāo)—49°10′N(xiāo),73°40′E—96°23′E),位于我國(guó)西北邊陲,總面積為1.66×106km2,約占全國(guó)面積的1/6。新疆地形為山脈與盆地相間,北有阿爾泰山,南有昆侖山,中部天山貫穿全疆,將新疆分為南北兩個(gè)部分,南部為塔里木盆地,北部為準(zhǔn)格爾盆地。新疆地處內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,氣流受到高山阻隔而形成溫帶大陸性干旱氣候,年平均降水量約為159.0 mm,年均氣溫為9.8℃,年均日照時(shí)數(shù)為2751.4 h。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析,新疆歷年來(lái)發(fā)生多次干旱災(zāi)害,1950年至2000年期間有記載的干旱災(zāi)害次數(shù)為47次,且自20世紀(jì)80年代后開(kāi)始,特大干旱災(zāi)害發(fā)生頻次明顯增大[28]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 NDVI和LST數(shù)據(jù)

從中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)獲取自2000年至2015年生長(zhǎng)季(4—9月)新疆地區(qū)MOD13A2 NDVI,MOD11A2 LST產(chǎn)品數(shù)據(jù),空間分辨率為1 km×1 km,時(shí)間分辨率分別為16 d和8 d。利用MRT工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式與投影轉(zhuǎn)換,利用ENVI 5.1對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和裁剪,利用MVC法獲得月NDVI數(shù)據(jù)和地溫?cái)?shù)據(jù)。

2.2 氣象數(shù)據(jù)

根據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.ov. cn/index.jsp)提供的新疆59個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站2000—2015年的逐日氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù),以及13個(gè)站點(diǎn)的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù),整理得到生長(zhǎng)季的月數(shù)據(jù),利用IDW插值獲得與MODIS數(shù)據(jù)空間分辨率、投影一致的月降水量、月平均氣溫和月太陽(yáng)輻射的柵格圖。

圖1 新疆土地覆蓋與土地利用數(shù)據(jù)圖Fig.1 Land use and cover of Xinjiang

2.3 土地覆蓋與土地利用數(shù)據(jù)

采用中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)提供的2010年新疆地區(qū)土地覆蓋與土地利用數(shù)據(jù)(LUCC),進(jìn)行重分類(lèi)獲得耕地、林地、草地、居民用地、未利用地、水域6種一級(jí)土地利用類(lèi)型(MODIS數(shù)據(jù)中水體植被指數(shù)小于0,被認(rèn)定為地表含水量100%,故分析數(shù)據(jù)時(shí)不考慮植被指數(shù)小于0的部分)。具體分布情況如圖1。

2.4 分析方法

NDVI與LST相關(guān)性分析。對(duì)MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行前期處理后,計(jì)算獲得多年生長(zhǎng)季初期(4—5月)、中期(6—7月)與末期(8—9月)NDVI與LST平均值空間分布圖。利用IDL進(jìn)行編程處理,獲得NDVI與LST生長(zhǎng)季3個(gè)時(shí)期像元對(duì)應(yīng)的密度散點(diǎn)圖,以及3個(gè)時(shí)期NDVI與LST相關(guān)系數(shù)分布圖。

對(duì)影響NDVI與LST相關(guān)系數(shù)的因子進(jìn)行分析。將生長(zhǎng)季初期、中期、末期的NDVI-LST相關(guān)系數(shù)分布圖與對(duì)應(yīng)時(shí)期氣溫、降水、太陽(yáng)輻射分布圖柵格轉(zhuǎn)點(diǎn),利用SPSS對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析[29]。

3 結(jié)果與分析

3.1 LST與NDVI的時(shí)空關(guān)系

根據(jù)生長(zhǎng)季不同時(shí)期NDVI多年均值分布圖(圖2a—2c)可知,新疆植被蓋度具有北疆遠(yuǎn)高于南疆、西部及西北部地區(qū)明顯高于東部及東南部地區(qū)的特征。NDVI高值出現(xiàn)在天山、阿爾泰山區(qū)域,表明該區(qū)域具有較好的植被覆蓋,NDVI最大值出現(xiàn)在伊犁河谷地區(qū)。生長(zhǎng)季中期、末期NDVI較高值區(qū)面積較生長(zhǎng)季初期有所增加。

由圖2g—2i知,研究區(qū)內(nèi)NDVI-LST的相關(guān)關(guān)系符合三角形/梯形特征,生長(zhǎng)季初期NDVI值主要集中在0—0.6,生長(zhǎng)季中期與末期NDVI范圍明顯增大,NDVI-LST所構(gòu)成的特征空間也向NDVI高值區(qū)擴(kuò)展?？傮w而言,NDVI-LST存在干、濕邊不同的變化趨勢(shì)：干邊區(qū)域NDVI與LST變化趨勢(shì)相反,而濕邊區(qū)域NDVI與LST具有相同變化趨勢(shì)。

由圖3可知,生長(zhǎng)季初期NDVI-LST呈現(xiàn)正相關(guān)占研究區(qū)41.781%,不(弱)相關(guān)占研究區(qū)38.031%,而負(fù)相關(guān)區(qū)域僅占20.188%。其中正相關(guān)主要分布在阿爾泰山、塔里木盆地區(qū)域,負(fù)相關(guān)區(qū)域主要為天山、昆侖山脈北部及準(zhǔn)格爾盆地等地區(qū)。生長(zhǎng)季中期,正相關(guān)占區(qū)域32.153%,不(弱)相關(guān)區(qū)域約為26.579%,負(fù)相關(guān)區(qū)域?yàn)?1.268%。相比生長(zhǎng)季初期負(fù)相關(guān)區(qū)域面積明顯增加,變化主要集中在天山山脈和阿爾金山區(qū)域,由初期的不(弱)相關(guān)與正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān),阿爾泰山部分區(qū)域也由正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān)。而生長(zhǎng)季末期,正相關(guān)區(qū)域約占研究區(qū)22.176%,不(弱)相關(guān)區(qū)域約占全疆38.748%,負(fù)相關(guān)區(qū)域占區(qū)域39.076%。其中,正相關(guān)與負(fù)相關(guān)區(qū)域面積均有所減少,由相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)椴?弱)相關(guān)區(qū)域,發(fā)生這些轉(zhuǎn)變的區(qū)域主要集中在準(zhǔn)格爾盆地、天山、塔里木盆地的部分地區(qū)。

圖2 生長(zhǎng)季3個(gè)時(shí)期NDVI平均值(a—c),LST平均值(d—f)和NDVI-LST密度散點(diǎn)圖(g—i)Fig.2 Long-term average of NDVI for the three sub-periods of the growing seasons(a—c),(d—f) Long-term averages of LST and (g—i) density scatter-plots of LST & NDVI for the same sub-periods

圖3 生長(zhǎng)季3個(gè)時(shí)期NDVI-LST相關(guān)系數(shù)空間分布圖(a—c)和正相關(guān)(r>0.2),負(fù)相關(guān)(r<-0.2),不(弱)相關(guān)(-0.20.2), negative (r<-0.2), or insignificant (-0.2

3.2 氣象因子對(duì)NDVI-LST相關(guān)關(guān)系的驅(qū)動(dòng)

根據(jù)氣象因子空間分布情況與NDVI-LST相關(guān)關(guān)系分布可知,生長(zhǎng)季不同時(shí)期氣象因子對(duì)r的貢獻(xiàn)率各不相同。能量和水分為植被生長(zhǎng)的兩大限制性因子,而不同因子的限制情況隨植被生長(zhǎng)期發(fā)生改變。對(duì)生長(zhǎng)季初期、中期與末期的氣象因子太陽(yáng)輻射、氣溫、降水與NDVI-LST相關(guān)系數(shù)進(jìn)行多元線性回歸分析,回歸結(jié)果如表1。

由表1可知,生長(zhǎng)季3階段NDVI-LST的與氣象因子進(jìn)行回歸分析得到?jīng)Q定系數(shù)分別為0.531,0.562,0.587,表明氣象因子與NDVI-LST相關(guān)系數(shù)確有密切關(guān)系。從生長(zhǎng)季不同時(shí)期所構(gòu)建的回歸模型可知,生長(zhǎng)季初期,太陽(yáng)輻射是影響NDVI-LST相關(guān)關(guān)系的主要因子。在生長(zhǎng)季的中期和末期,氣溫與降水為影響NDVI-LST相關(guān)系數(shù)的主要?dú)庀笠蜃?。?duì)標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)β(表1)進(jìn)行分析,在生長(zhǎng)季中期和末期降水對(duì)r具有強(qiáng)烈的影響(β值分別為-2.144和-1.289)；其次分別為氣溫(β值分別為-1.757和-1.130)和太陽(yáng)輻射(β值分別為0.430和-0.195)；在生長(zhǎng)季中期降水的影響尤為明顯?？傮w來(lái)說(shuō),降水、太陽(yáng)輻射和氣溫的β值基本為負(fù)值,表明NDVI-LST的相關(guān)系數(shù)隨著降水、太陽(yáng)輻射和氣溫的增長(zhǎng)而降低。在整個(gè)生長(zhǎng)季中期與末期太陽(yáng)輻射的貢獻(xiàn)率最小,表明在研究區(qū)內(nèi),輻射水平較高,輻射不是限制植被生長(zhǎng)的重要因子。

如圖4所示生長(zhǎng)季初期的太陽(yáng)輻射總體低于生長(zhǎng)季中期與末期水平,且對(duì)比生長(zhǎng)季3個(gè)時(shí)期,在生長(zhǎng)季中期與末期阿爾泰山地區(qū)太陽(yáng)輻射值均高于初期,這既為生長(zhǎng)季初期NDVI-LST正相關(guān)區(qū)域明顯大于之后兩個(gè)時(shí)期的原因,也是阿爾泰山地區(qū)由生長(zhǎng)季初期的正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān)的原因。對(duì)于生長(zhǎng)季中期,盡管降水增加,但氣溫也明顯上升,蒸散增加,植被生長(zhǎng)受到水分的限制明顯,NDVI-LST負(fù)相關(guān)區(qū)域明顯增加。生長(zhǎng)季末期,由于氣溫的下降,與降水量的不斷補(bǔ)充,新疆旱情得到明顯緩解,NDVI-LST不相關(guān)區(qū)域明顯增加。

圖4 生長(zhǎng)季3個(gè)時(shí)期太陽(yáng)輻射、降水、氣溫空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of solar radiation, precipitation, and air temperature in three sub-periods of the growing season

模型Model參數(shù)值Parameter values降水Precipitation太陽(yáng)輻射Radiation氣溫Air temperature4—5月 April—MayR2Coefficient of determination0.529標(biāo)準(zhǔn)誤差Standard error0.301B(系數(shù))Regression coefficient-0.040-0.014-0.148顯著性SignificanceP<0.000P<0.003P<0.000P<0.000β(標(biāo)準(zhǔn)系數(shù))Standardized regression coefficient-0.457-0.639-0.4856—7月 June—JulyR2Coefficient of determination0.564標(biāo)準(zhǔn)誤差Standard error0.311B(系數(shù))Regression coefficient-0.1510.018-0.425顯著性SignificanceP<0.000P<0.000P<0.001P<0.000β(標(biāo)準(zhǔn)系數(shù))Standardized regression coefficient-2.1440.430-1.7578—9月 August—SeptemberR2Coefficient of determination0.587標(biāo)準(zhǔn)誤差Standard error0.261B(系數(shù))Regression coefficient-0.117-0.010-0.245顯著性SignificanceP<0.000P<0.000P<0.021P<0.000β(標(biāo)準(zhǔn)系數(shù))Standardized regression coefficient-1.289-0.195-1.130

3.3 NDVI-LST與LUCC相關(guān)關(guān)系

植被覆蓋狀況是影響NDVI-LST相關(guān)關(guān)系的另一因子。分析不同LUCC類(lèi)型對(duì)NDVI-LST相關(guān)關(guān)系的影響有助提高干旱監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。表2列出了生長(zhǎng)季初期、中期和末期不同LUCC類(lèi)型下NDVI-LST正相關(guān)、負(fù)相關(guān)、不(弱)相關(guān)系數(shù)所占的百分比。

表2 生長(zhǎng)季不同時(shí)期不同地類(lèi)的正、負(fù)、不(弱)相關(guān)系數(shù)百分比

在生長(zhǎng)季初期,草地、林地NDVI-LST的相關(guān)性區(qū)域分別占其總面積的67.164%和70.818%。耕地、居民用地與未利用地分別有56.561%,54.831%,59.594%的區(qū)域NDVI-LST具有相關(guān)性。其中,草地、林地分別有42.055%,57.918%的面積具有正相關(guān)關(guān)系,該區(qū)域植被覆蓋度較高,且該時(shí)期影響植被生長(zhǎng)的主要因子為太陽(yáng)輻射,故大部分區(qū)域NDVI-LST呈現(xiàn)正相關(guān)。而耕地由于人為干擾的作用,作物生長(zhǎng)所受限制相對(duì)較少,僅有17.422%的區(qū)域NDVI-LST的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)正相關(guān)。居民用地受到人為活動(dòng)影響較大,人工綠地的建立等使得NDVI-LST的相關(guān)關(guān)系在該區(qū)域變化較為復(fù)雜[29]。未利用地區(qū)植被覆蓋較少,影響NDVI-LST相關(guān)關(guān)系的因素主要是地表蒸散所改變的土壤水分含量。其中干旱的未利用地區(qū)(水分含量低)具有低NDVI和高LST值；而富含水分的未利用地區(qū)(水分含量較高)具有低NDVI和低LST值。總體來(lái)看,新疆大部分地區(qū)NDVI-LST相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)為正相關(guān),這與VHI依據(jù)的基本假設(shè)不相符合,故該時(shí)段無(wú)法有效應(yīng)用VHI進(jìn)行干旱狀況評(píng)估。

在生長(zhǎng)季中期,草地、林地、耕地分別有58.485%、60.138%、84.109%的區(qū)域LST與NDVI具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。由多元回歸分析可知,在此時(shí)期輻射不是植被生長(zhǎng)的主要限制因子。對(duì)于植被覆蓋較佳區(qū)域,該時(shí)期氣溫升高導(dǎo)致植被蒸散增加,同時(shí)土壤水分蒸發(fā)量增加,LST降低,土壤濕度降低,植被生長(zhǎng)受到水分限制；對(duì)于未利用地區(qū)植被覆蓋度低,植被蒸散少甚至沒(méi)有,LST變化只與土壤水分蒸發(fā)相關(guān)；因此草地、林地、耕地植被覆蓋較多的區(qū)域LST與NDVI呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,而未利用地區(qū)NDVI-LST的負(fù)相關(guān)區(qū)域面積較少。在此時(shí)期,VHI可以有效的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)地區(qū)及其他高植被覆蓋地區(qū)。

生長(zhǎng)季末期,各土地利用類(lèi)型正、負(fù)相關(guān)系數(shù)百分比相對(duì)于中期均有減少,而不(弱)相關(guān)百分比增加,其中未利用地區(qū)增加高達(dá)15.801%。通過(guò)生長(zhǎng)季初期、中期、末期LST與NDVI相關(guān)系數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),塔克拉瑪干沙漠腹地地區(qū)LST與NDVI的相關(guān)系數(shù)一直保持為正,這是由于該區(qū)域植被稀疏、降水稀少,影響NDVI-LST關(guān)系的關(guān)鍵因子為土壤水分,水分的增減主要受氣溫影響。而天山大部分區(qū)域,植被蓋度高,NDVI-LST相關(guān)關(guān)系與植被生長(zhǎng)狀況密切相關(guān),影響植被生長(zhǎng)的主要因子為降水量,故生長(zhǎng)季整個(gè)時(shí)期,大部分區(qū)域LST與NDVI呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4 討論

一些研究表明[21- 22,30],當(dāng)植被生長(zhǎng)受到水分限制時(shí),NDVI-LST往往呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系；當(dāng)植被生長(zhǎng)受到能量限制時(shí),NDVI-LST往往呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。VHI的構(gòu)建是以NDVI-LST的負(fù)相關(guān)關(guān)系為基礎(chǔ),故在受水分限制的區(qū)域內(nèi)應(yīng)用VHI去研究植被受干旱的影響具有較好的適用性。在植被生長(zhǎng)受到能量限制的區(qū)域,NDVI-LST具有正相關(guān)關(guān)系,依據(jù)VHI判斷植被受到干旱的影響程度將會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。LST與NDVI無(wú)相關(guān)性的區(qū)域,無(wú)法有效獲取VHI的正確結(jié)果,不能夠利用VHI對(duì)植被受干旱的影響程度進(jìn)行判斷。

LST的決定性因子為地表土壤水分與植被覆蓋狀況[31- 32],人工非滲透表面與植被稀疏地區(qū)(裸地)植被覆蓋極低,且地表水分含量稀少,缺乏有效的蒸騰作用,無(wú)法有效利用NDVI-LST相關(guān)關(guān)系判斷干旱狀況,且該類(lèi)區(qū)域水分狀況受氣溫影響明顯,當(dāng)溫度上升,由于缺乏植被的降溫作用,LST較植被覆蓋度高的區(qū)域上升明顯。因此考慮利用其他相關(guān)指數(shù)判斷干旱狀況,如利用歸一化水汽指數(shù)(Normalized Difference Moisture Index,NDMI)與LST的相關(guān)關(guān)系,分析判斷城市與裸地區(qū)域的干旱狀況更為有效[33]。對(duì)裸地干旱狀況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè),有助于依據(jù)其動(dòng)態(tài)變化狀況進(jìn)一步了解荒漠區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況變化,為減緩荒漠化程度提供科學(xué)依據(jù)。

目前,許多基于NDVI-LST具有負(fù)相關(guān)關(guān)系提出的若干植被健康和干旱指數(shù)(如植被供水指數(shù)(Vegetation Supply Water Index,VSWI)、VHI等)在干旱監(jiān)測(cè)中獲得廣泛應(yīng)用[24- 35],但利用該類(lèi)指數(shù)進(jìn)行研究,都是假定水分始終是植被生長(zhǎng)的限制因子,忽略了其他因素(輻射、氣溫)對(duì)植被生長(zhǎng)的限制,可能在分析中存在誤判。研究表明,在生長(zhǎng)季初期限制新疆植被生長(zhǎng)的重要因子為輻射,這與相關(guān)指數(shù)的前提假設(shè)相違背,因此在該時(shí)期需要從其他角度進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè),即便在觀測(cè)到NDVI-LST負(fù)相關(guān)的區(qū)域也需要長(zhǎng)時(shí)間考察驗(yàn)證,最終確認(rèn)影響NDVI-LST相關(guān)關(guān)系的因子后使用合適的干旱指數(shù)。由于溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓等氣候因素所引起的大氣干旱,可以考慮利用改進(jìn)的PDSI、SPEI-PM指數(shù)、CI[36- 38]等進(jìn)行干旱狀況評(píng)價(jià),同時(shí)亦可考慮將氣象類(lèi)干旱指數(shù)與遙感類(lèi)干旱指數(shù)結(jié)合使用,如選取3類(lèi)氣象干旱指數(shù)(降水距平百分率、SPI、相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)(Relative Moisture Index,MI))與2類(lèi)遙感干旱指數(shù)(VWSI、NDVI)與實(shí)測(cè)土壤濕度進(jìn)行相關(guān)分析,選取相關(guān)系數(shù)最高的氣象干旱指數(shù)與植被干旱指數(shù)共同構(gòu)建綜合干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)[39]。

NDVI-LST在新疆干旱的使用中具有適用性,一方面新疆地域遼闊,植被蓋度和土壤水分變化范圍較大,符合NDVI-LST特征空間概念的基本原理[13- 15]；另一方面新疆總體海拔位置較高,太陽(yáng)輻射資源豐富,是中國(guó)輻射資源僅次于西藏的地區(qū)[40]?？傮w而言,能量不是限制新疆植被生長(zhǎng)的最重要因素,故大多數(shù)情況下利用NDVI-LST評(píng)估新疆干旱具有可行性。西北其他相對(duì)海拔高度較低的地區(qū),如陜西地區(qū)太陽(yáng)輻射相對(duì)較低[41],可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)刂脖簧L(zhǎng)造成限制,故在該類(lèi)區(qū)域應(yīng)用NDVI-LST時(shí),需進(jìn)一步研究判斷植被生長(zhǎng)的限制因子,才能更為準(zhǔn)確的進(jìn)行干旱評(píng)估。近年來(lái),隨著全球氣候變化,干旱區(qū)域開(kāi)始由干旱半干旱地區(qū)向濕潤(rùn)地區(qū)發(fā)展,許多學(xué)者對(duì)西南干旱進(jìn)行了分析研究,多種干旱指數(shù)也被廣泛應(yīng)用[42- 44]。由于西南地區(qū)的獨(dú)特地理位置與氣候背景,植被資源豐富、蓋度佳,植被蓋度跳躍小,故利用NDVI-LST對(duì)該區(qū)域進(jìn)行干旱狀況監(jiān)測(cè),效果不佳。

5 結(jié)論

對(duì)新疆2000—2015年生長(zhǎng)季3階段LST,NDVI空間分布及相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析,利用利用多元線性回歸分析分析不同時(shí)期影響NDVI-LST相關(guān)關(guān)系的氣象因子,分析不同LUCC類(lèi)型NDVI-LST相關(guān)關(guān)系的時(shí)空變化特征,得出以下結(jié)論：

(1)生長(zhǎng)季3時(shí)期LST與NDVI均存在顯著相關(guān)關(guān)系,生長(zhǎng)季初期、中期、末期具有相關(guān)性的區(qū)域分別占新疆61.969%、73.421%、61.252%,可依據(jù)兩者的關(guān)系對(duì)新疆生長(zhǎng)季干旱狀況進(jìn)行分析。研究表明在生長(zhǎng)季過(guò)程中,從初期到中期新疆干旱情況日益嚴(yán)重,而末期新疆干旱狀況有所緩解。

(2)生長(zhǎng)季新疆地區(qū)NDVI-LST相關(guān)關(guān)系受氣象因子、季節(jié)和植被蓋度影響。生長(zhǎng)季初期主要因子影響因子為太陽(yáng)輻射,中期與末期主要影響因子為氣溫與降水。草地、林地、耕地等高植被覆蓋區(qū)大NDVI-LST相關(guān)關(guān)系與植被狀況密切相關(guān)。未利用地區(qū)與居民用地區(qū)植被稀少,NDVI-LST相關(guān)關(guān)系與土壤水分狀況直接關(guān)聯(lián)。通過(guò)對(duì)r的變化規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因子分析,能夠更好地對(duì)新疆干旱進(jìn)行評(píng)估。

(3)生長(zhǎng)季中期基于NDVI-LST經(jīng)驗(yàn)關(guān)系利用VHI對(duì)新疆大部分地區(qū)的植被健康和干旱進(jìn)行監(jiān)測(cè)是有效的,但對(duì)于生長(zhǎng)季初期和末期的應(yīng)用效果不佳,需要進(jìn)行類(lèi)似和互補(bǔ)研究。在研究過(guò)程中,確認(rèn)影響NDVI-LST相關(guān)關(guān)系的因子后,使用合適干旱指數(shù)能夠更加有效地提升干旱監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。