董 磊，劉 艷，周西嘉，王鵬新，張樹譽，

(1.陜西省氣象局機關服務中心，西安 710014；2. 咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000；3.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京 100083；4.國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081；5.陜西省氣象局，西安 710014)

干旱是影響作物產(chǎn)量的重要因素之一，嚴重威脅水資源和糧食的安全。我國國土面積廣大，水資源分布不均，因此快速準確的干旱監(jiān)測對于我國的糧食生產(chǎn)非常重要。目前，歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，INDV)和地表溫度(land surface temperature，TLS)已成功用于全球干旱監(jiān)測。基于INDV和TLS，研究人員發(fā)現(xiàn)INDV和TLS的散點圖呈三角形或梯形分布，并且土壤含水量相同的點近似在一條直線上。根據(jù)此發(fā)現(xiàn)，王鵬新等[8]提出了條件植被溫度指數(shù)(vegetation temperature condition index，IVTC)，該指數(shù)能夠準確反映區(qū)域的相對干濕程度。為了獲得定量的IVTC干旱監(jiān)測結果，Sun等[9]進一步開發(fā)了基于多年遙感數(shù)據(jù)確定INDV-TLS散點圖中多年熱邊界和冷邊界的方法，進而得到多年可比較的定量干旱監(jiān)測指數(shù)。為了確定IVTC在不同時間尺度上的適用性，林巧等[10]分析了不同時間尺度IVTC與降水量和土壤含水量的相關性，結果表明旬尺度的IVTC的干旱監(jiān)測準確性最高。近20 a來，IVTC已成功用于陜西省關中平原、美國大平原、巴基斯坦旁遮普地區(qū)等區(qū)域的干旱監(jiān)測，這些研究的結果表明，IVTC與土壤含水量和累積降水量都有良好的相關性。

迄今為止，先進的甚高分辨率輻射計(advanced very high resolution radiometer，AVHRR)和中分辨率成像光譜儀(moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS)圖像已成功地應用于基于IVTC的干旱監(jiān)測，其中MODIS傳感器已運行了近 20 a仍在運行，亟需進一步開發(fā)基于新發(fā)射衛(wèi)星傳感器的IVTC計算方法并測試其干旱監(jiān)測能力。Sentinel-3A和-3B是由歐洲航天局(European Space Agency，ESA)開發(fā)并于近幾年發(fā)射的具有高時間分辨率的衛(wèi)星，搭載海洋和陸地彩色成像儀(ocean and land colour instrument，OLCI)以及海洋和陸地表面溫度輻射計(sea and land surface temperature radiometer，SLSTR)，具有與MODIS相似的空間分辨率(300～1 000 m)和時間分辨率(大約1.4 d)。Sentinel-3A衛(wèi)星產(chǎn)品自 2017年 9月8 日起可用，Sentinel-3B衛(wèi)星產(chǎn)品自2019年1月22日起可用。在撰寫本文時，只有兩年可以同時獲取Sentinel-3A和-3B產(chǎn)品。目前無法直接計算多年Sentinel-3IVTC并獲得定量的干旱監(jiān)測結果，因此有必要結合多年MODIS數(shù)據(jù)，分析基于多年MODIS數(shù)據(jù)來計算多年Sentinel-3IVTC的可行性。研究結合多年Terra MODIS 數(shù)據(jù)計算多年Sentinel-3IVTC的方法，并使用累積降水量數(shù)據(jù)測試多年Sentinel-3IVTC的干旱監(jiān)測能力。主要研究內(nèi)容包括：對比單年Sentinel-3IVTC和單年Terra MODISIVTC之間的一致性；結合多年Terra MODIS數(shù)據(jù)計算多年Sentinel-3IVTC，并與多年Terra MODISIVTC進行對比；建立多年Sentinel-3IVTC與累積降水量之間的線性回歸模型，進而檢驗多年Sentinel-3IVTC的干旱監(jiān)測能力。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)關中平原位于陜西省中部(106°22′～110°24′E，33°57′～35°39′N)，東西長約360 km，南北寬約80 km，平均海拔約500 m，地勢西部高、東部低。氣候屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫約13 ℃，年平均降水量在500～700 mm之間。區(qū)域內(nèi)四季分明，冬季寒冷干燥，春季少雨并常有春旱，夏季溫暖多雨，秋季氣溫變化幅度較大并且降水量在四季中僅次于夏季。在農(nóng)業(yè)方面，關中平原約70%的土地為耕地，主要包括谷物地、果園和蔬菜地。夏季之前，谷物地種植的主要作物是冬小麥。通常，關中平原的冬小麥在10月播種，次年6月上旬收獲。由于關中平原春季少雨并且氣溫逐漸升高，因此春季和夏季初期發(fā)生干旱的頻率較高。然而春季剛好處于冬小麥的拔節(jié)期和抽穗—灌漿期，為冬小麥生長和生產(chǎn)的關鍵時期，區(qū)域內(nèi)的降水量經(jīng)常難以滿足旱作農(nóng)田中冬小麥等作物在整個生育期的水分需求。目前，關中平原50%以上的農(nóng)田為旱田，干旱已成為關中平原地區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收的主要制約因素，在此期間進行作物長勢監(jiān)測對該地區(qū)的農(nóng)業(yè)管理非常重要。

1.2 遙感數(shù)據(jù)與降水量數(shù)據(jù)

選取2020年3月上旬—5月下旬Sentinel-3數(shù)據(jù)，以及2000—2020年的Terra MODIS數(shù)據(jù)計算IVTC并進行干旱監(jiān)測。其中，Sentinel-3數(shù)據(jù)包括空間分辨率為300 m的Level-2 OLCI陸地產(chǎn)品(OL_2_LFR)和空間分辨率為1 000 m的Level-2 SLSTRTLS產(chǎn)品。Terra MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括空間分辨率為500 m的Terra MODIS反射率產(chǎn)品(MOD09GA)和空間分辨率為1 000 m的Terra MODISTLS產(chǎn)品(MOD11A1)，用于在計算多年Sentinel-3IVTC的過程中提供過去十幾年的干旱程度和冷、熱邊界，以及檢驗多年Sentinel-3IVTC的干旱監(jiān)測能力。在利用INDV和TLS數(shù)據(jù)計算IVTC的過程中，將Sentinel-3數(shù)據(jù)轉換為Lambert方位等積投影并重采樣為1 000 m空間分辨率，進而在相同空間尺度上計算IVTC。

關中平原研究區(qū)內(nèi)共有32個縣級氣象站。從中選取20個以旱作農(nóng)田為主的2020年3—5月的日降水量數(shù)據(jù)，用于評估多年Sentinel-3IVTC的干旱監(jiān)測能力。為了與旬尺度IVTC的時間尺度保持一致，參考Sun等[9]的方法，將日降水量數(shù)據(jù)處理為近20 d的累積降水量數(shù)據(jù)，并建立旬尺度多年Sentinel-3IVTC與過去20 d累積降水量之間的線性回歸模型。

1.3 多年Sentinel-3 IVTC干旱監(jiān)測方法

多年Sentinel-3IVTC干旱監(jiān)測包括兩部分(圖1)：Sentinel-3IVTC的計算和基于Sentinel-3IVTC的定量干旱監(jiān)測。首先，分別利用每日上午獲取的Sentinel-3 OLCI level-2產(chǎn)品和SLSTR level-2TLS產(chǎn)品計算每日INDV和TLS數(shù)據(jù)。為了減少太陽入射角、衛(wèi)星觀測角、軌道漂移以及云層和陰影的影響，使用最大值合成(maximum value composite, MVC)方法計算2020年3月上旬—5月下旬的旬尺度INDV和TLS，進而計算旬尺度的單年Sentinel-3IVTC。為了計算多年Sentinel-3IVTC，在單年Sentinel-3IVTC的基礎上結合多年的Terra MODIS數(shù)據(jù)，進而得到多年Sentinel-3IVTC。最后，通過將多年Sentinel-3IVTC與多年Terra MODISIVTC進行比較，并與過去20 d累積降水量數(shù)據(jù)建立線性回歸模型，進而評估多年Sentinel-3IVTC的干旱監(jiān)測能力。

圖1 多年Sentinel-3 IVTC計算和干旱監(jiān)測流程圖

1.3.1 Sentinel-3IVTC的計算IVTC的計算公式為

(1)

TLSmax(INDVi)=a+bINDVi，

(2)

(3)

其中，TLSmax(INDVi)和TLSmin(INDVi)分別代表INDVi對應的最大TLS和最小TLS，分別稱為熱邊界和冷邊界。TLS(INDVi)代表INDVi對應的TLS。a、b，a′、b′為系數(shù)，根據(jù)土壤含水量從萎蔫含水量到田間持水量的研究區(qū)估算得到。

由于面積較小區(qū)域的干旱程度在短期內(nèi)可能無法包含極度干旱和濕潤，因此基于單年熱邊界和冷邊界計算的IVTC(以下稱為單年IVTC)只能反映相對干濕狀況。基于多年熱邊界和冷邊界計算的IVTC(以下稱為多年IVTC)可以反映多年間的干旱程度。由于研究區(qū)在多年內(nèi)更加有可能包含極度干旱和濕潤，因此多年IVTC是一種可以進行不同年間對比的定量干旱監(jiān)測結果。根據(jù)Sun等[9]的方法確定用于計算IVTC的熱邊界和冷邊界。對于單年Sentinel-3IVTC的計算，使用2020年研究期間的各旬MVCINDV和TLS確定每旬的熱邊界和冷邊界。對于多年Terra MODISIVTC的計算，使用多年各旬的MVCINDV和TLS確定每旬的熱邊界，使用多年的MVCINDV和多年的最大-最小值合成TLS確定冷邊界[9]。對于多年Sentinel-3IVTC的計算，如果單年Terra MODISIVTC與多年Terra MODISIVTC之間存在顯著的線性相關性，并且單年Sentinel-3IVTC與單年Terra MODISIVTC之間不存在明顯的系統(tǒng)偏差，則可以根據(jù)二者之間的線性回歸模型將單年Sentinel-3IVTC轉換為多年Sentinel-3IVTC。

1.3.2 Sentinel-3IVTC與累積降水量相關性檢驗 建立2020年3—5月各旬的多年Sentinel-3IVTC與近20 d累積降水量之間的線性回歸模型，用于評估多年Sentinel-3IVTC的定量干旱監(jiān)測能力。利用決定系數(shù)(R2)對多年Sentinel-3IVTC與累積降水量之間的相關性進行描述。此外，使用假設檢驗對線性回歸分析中樣本的代表性進行評估。在假設檢驗中，P用于反映樣本之間的差異由抽樣誤差引起的概率。通常，當P<0.05時，可認為相關性顯著；當P<0.01時，可認為相關性非常顯著。

2 結果與討論

2.1 單年Sentinel-3 IVTC與單年Terra MODIS IVTC的對比分析

按照1.3.1節(jié)的方法分別計算單年Sentinel-3IVTC和單年Terra MODISIVTC。表1為研究時期內(nèi)各旬單年Sentinel-3IVTC與單年Terra MODISIVTC的R2和平均偏差。在研究時期的各旬，單年Sentinel-3IVTC和單年Terra MODISIVTC之間的R2在0.19～0.57之間，表明二者之間存在一定的隨機偏差，這種隨機偏差可能與Sentinel-3和Terra衛(wèi)星的過境日期和時間不同有關。然而，單年Sentinel-3IVTC和單年Terra MODISIVTC之間的平均偏差的絕對值非常接近于0，表明單年Sentinel-3IVTC與單年Terra MODISIVTC之間的系統(tǒng)偏差較小，因此單年Sentinel-3IVTC與單年Terra MODISIVTC之間的均方根誤差主要來自二者的隨機偏差。

表1 2020年3—5月關中平原單年Sentinel-3 IVTC和單年Terra MODIS IVTC的一致性檢驗

2.2 多年Sentinel-3 IVTC與多年Terra MODIS IVTC的對比分析

按照1.3.1節(jié)的方法計算多年Terra MODISIVTC。表2為研究時期內(nèi)各旬單年Terra MODISIVTC與多年Terra MODISIVTC的線性關系和R2。在研究時期的各旬，二者之間的R2在0.84～0.99之間，表明單年Terra MODISIVTC與多年Terra MODISIVTC之間具有較高的線性相關性。由于單年Sentinel-3IVTC與單年Terra MODISIVTC之間的系統(tǒng)偏差較小，因此單年Terra MODISIVTC與多年Terra MODISIVTC之間的線性回歸模型可以用于將單年Sentinel-3IVTC轉換為多年Sentinel-3IVTC。

表2 關中平原單年Terra MODIS IVTC與多年Terra MODIS IVTC的線性回歸模型與R2

利用表2中單年Terra MODISIVTC與多年Terra MODISIVTC的線性回歸模型計算研究時期各旬多年Sentinel-3IVTC。表3為多年Sentinel-3IVTC與多年Terra MODISIVTC之間的R2和平均偏差。多年Sentinel-3IVTC與多年Terra MODISIVTC之間的R2在0.18～0.50之間，表明多年Sentinel-3IVTC與多年Terra MODISIVTC之間的隨機偏差較大。然而，多年Sentinel-3IVTC和多年Terra MODISIVTC之間的平均偏差的絕對值非常小，均不超過0.02，表明多年Sentinel-3IVTC與多年Terra MODISIVTC之間的系統(tǒng)偏差較小，二者反映的研究區(qū)整體干旱程度基本相同。

表3 關中平原多年Sentinel-3 IVTC與多年Terra MODIS IVTC的一致性檢驗

圖2為使用表2所示的線性回歸模型計算的研究時期各旬多年Sentinel-3IVTC，可以看出，關中平原西部和中部冬小麥種植區(qū)的干旱程度在整個研究區(qū)內(nèi)相對較低，尤其在4月上旬—5月上旬之間。多年Sentinel-3IVTC反映的干旱分布狀況與先前基于多年Terra MODISIVTC的干旱監(jiān)測結果[9-10]基本相同，表明結合多年Terra MODIS數(shù)據(jù)計算的多年Sentinel-3IVTC能夠準確地反映關中平原地干旱分布狀況。此外，2020年3月上旬—下旬，多年Sentinel-3IVTC整體逐漸減小，反映研究區(qū)干旱程度逐漸加深；3月下旬—4月中旬，多年Sentinel-3IVTC整體明顯增大，反映此時研究區(qū)內(nèi)降水量增加，干旱明顯緩解；多年Sentinel-3IVTC從4月下旬開始整體減小，并且在5月上旬達到研究時期的最小值，反映研究區(qū)的干旱程度從4月下旬開始逐漸加深，降水量明顯減少，并在5月上旬發(fā)生比較嚴重的干旱，在5月中旬得到緩解。

圖2 關中平原旬尺度多年Sentinel-3 IVTC

2.3 多年Sentinel-3 IVTC與累積降水量的相關性分析

利用累積降水量數(shù)據(jù)對多年Sentinel-3IVTC的干旱監(jiān)測結果進行檢驗。在研究時期內(nèi)，由于3月上旬、3月中旬和4月下旬可用的Sentinel-3數(shù)據(jù)較多，并且計算的多年Sentinel-3IVTC整體變化較大，選擇以上3個旬的多年Sentinel-3IVTC與過去20 d累積降水量建立線性回歸模型(圖3)。從圖中可以看出，旬尺度的多年Sentinel-3IVTC與過去20 d的累積降水量具有顯著相關性(R2=0.65，P<0.01)，與林巧等[10]和Khan等[11]的研究結果類似。結果表明，多年Sentinel-3IVTC可以為陜西省關中平原提供接近實時的干旱監(jiān)測結果。

圖3 多年Sentinel-3 IVTC與過去20 d累積降水量的線性回歸模型與R2

3 結論

在單年Sentinel-3IVTC的基礎上，利用單年Terra MODISIVTC與多年Terra MODISIVTC之間的線性回歸模型計算多年Sentinel-3IVTC是可行的，并且計算的多年Sentinel-3IVTC與多年Terra MODISIVTC之間沒有明顯的系統(tǒng)偏差。此外，使用本文提出的方法計算的多年Sentinel-3IVTC與過去20 d累積降水量具有顯著的線性相關關系(P<0.01)，R2達到0.65，表明多年Sentinel-3IVTC可以近實時地反映陜西省關中平原的定量干旱結果，該結果與前人基于MODIS數(shù)據(jù)的多年IVTC定量干旱監(jiān)測精度基本一致。因此，本文提出的方法為基于近幾年發(fā)射的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行多年IVTC定量干旱監(jiān)測提供了可行的方案。隨著Sentinel-3數(shù)據(jù)量的增加，將進一步研究單獨基于Sentinel-3數(shù)據(jù)的多年IVTC計算方法，并與本文結合Terra MODIS數(shù)據(jù)的多年Sentinel-3IVTC計算方法進行對比分析。