袁 沭,邢秀麗,居為民,*

1 南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210000 2 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210000

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出,1980—2012年,全球平均陸地和海洋表面溫度上升了0.85℃,氣候變化和人類活動(dòng)等因素將大幅增加未來極端干旱發(fā)生的可能性[1]。干旱是全球分布最廣泛、持續(xù)時(shí)間最長的自然災(zāi)害,全球干旱半干旱氣候區(qū)占陸地面積的30%以上,極大限制了人類的生存空間[2]。研究表明,長期和頻發(fā)的干旱,影響了環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和人類生活,干旱不僅嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn),還導(dǎo)致糧食短缺、人類健康惡化、貧窮、區(qū)域動(dòng)蕩、人口遷移和死亡[3]。在中國,干旱對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國常年農(nóng)作物受旱面積約0.20億—0.27億hm2,每年造成糧食損失達(dá)250億—300億kg[4]。

近幾十年來,學(xué)者們發(fā)展了許多基于氣象數(shù)據(jù)的干旱指數(shù),如帕默爾干旱程度指數(shù)PDSI(Palmer Drought Severity Index)[5]、干旱偵測指數(shù)RDI(Reconnaissance Drought Index)[6]、蒸散壓力指數(shù)ESI(Evaporative Stress Index)[7]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI(Standardized Precipitation Index)[8]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)[9]等。但是,這些指數(shù)僅能監(jiān)測氣象干旱,不能充分反應(yīng)干旱對(duì)植被的影響,在氣象站點(diǎn)分布稀疏的地區(qū),這些指數(shù)也難以有效監(jiān)測干旱[10—11]。隨著技術(shù)的發(fā)展,基于遙感數(shù)據(jù)的干旱指數(shù)不斷發(fā)展,很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)干旱指數(shù)的缺陷,可以有效監(jiān)測干旱對(duì)植被的影響[11—14]。

在早期,歸一化差異植被指數(shù)NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)被廣泛應(yīng)用于干旱監(jiān)測[15]。由于冠層光譜同時(shí)受葉片含水量和冠層結(jié)構(gòu)的影響,制約了NDVI監(jiān)測干旱的能力。為此,Kogan以NDVI為基礎(chǔ)提出了植被狀態(tài)指數(shù) (Vegetation Condition Index,VCI)[16—17]。國內(nèi)外的許多研究證明了VCI監(jiān)測干旱的能力[18—25]。由于干旱影響地表能量分配,地表溫度變化在一定程度上也可能反映干旱狀況[26—27],Kogan提出了基于地表溫度LST(Land Surface Temperature)的溫度狀態(tài)指數(shù) (Temperature Condition Index,TCI)[28]。為了集成VCI和TCI的優(yōu)勢,Kogan進(jìn)一步提出了植被健康指數(shù) (Vegetation Health Index,VHI)[29],該指數(shù)是VCI和TCI的線性組合,可以更好地監(jiān)測干旱[30—31]。為了更好地利用遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測干旱特征和量化干旱影響,這3個(gè)指數(shù)通常會(huì)同時(shí)使用[32—33],已成功應(yīng)用于全球多個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測、植被對(duì)干旱的敏感性評(píng)估和農(nóng)作物估產(chǎn)等[32, 34—37]。

由于全球變化和人類活動(dòng)的影響,近年來我國氣候和地表覆蓋發(fā)生了顯著變化,干旱發(fā)生的頻率和強(qiáng)度不斷增加,但是我國干旱變化趨勢及其對(duì)植被的影響尚不清楚。為此,本文利用MODIS遙感數(shù)據(jù)計(jì)算2003—2016年的干旱指數(shù)VHIs(VCI、TCI和VHI),揭示其時(shí)空變化特征;分析上述指數(shù)與年平均溫度、年降水量和地表覆蓋變化的相關(guān)性,評(píng)價(jià)其對(duì)氣候和地表覆蓋變化的響應(yīng)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域

中國位于亞洲東部,緊鄰太平洋西岸,氣候和地形復(fù)雜多變[38],地勢西高東低且呈階梯狀分布,高原與山地是主要的地形地貌,約占國土面積的60%。地形的復(fù)雜多變導(dǎo)致了氣候的豐富多樣,中國有6個(gè)氣候帶,其中溫帶與亞熱帶地區(qū)就占據(jù)了全國的71%,中國東部地區(qū)多為季風(fēng)氣候,雨熱同期,冬季的大陸性季風(fēng)寒冷干燥,夏季的海洋季風(fēng)濕熱多雨,青藏高原海拔高,形成了獨(dú)特的高山氣候,位于內(nèi)陸的西北部地區(qū),多為干旱氣候。本文的研究區(qū)域包括了中國大陸、臺(tái)灣島和海南島(圖1)。為了比較不同氣候帶干旱特征對(duì)氣候因子和地表覆蓋變化的響應(yīng)情況,將研究區(qū)分為北溫帶、中溫帶、南溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶、北熱帶、中熱帶和高原氣候區(qū)9個(gè)氣候帶。氣候帶劃分如圖1所示。

圖1 中國各氣候帶區(qū)域及氣象站點(diǎn)位置 Fig.1 Locations of climatic zones and meteorological stations in China

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

研究使用的數(shù)據(jù)包括:(1)氣象數(shù)據(jù)、(2)氣候帶數(shù)據(jù)、(3)基于MODIS 地表溫度(LST)數(shù)據(jù)生成的逐日平均LST、(4)MODIS NDVI、(5)馬里蘭大學(xué)生成的裸土、低矮植被和樹木覆蓋度數(shù)據(jù)、(6)標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)數(shù)據(jù)和(7)土壤濕度(SM)遙感數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。氣象數(shù)據(jù)(氣溫、降水)由氣象站點(diǎn)(圖1)觀測數(shù)據(jù)插值生成;氣候帶數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心,下載地址為https://www.resdc.cn;SPEI數(shù)據(jù)來源于東安格利亞大學(xué)氣候研究中心,下載地址為https://spei.csic.es/database.html;SM遙感數(shù)據(jù)來自于歐空局“氣候變化倡議”項(xiàng)目(ESA CCI)提供的全球土壤濕度被動(dòng)微波融合數(shù)據(jù)集,下載地址為https://esa-soilmoisture-cci.org/data。

表1 使用數(shù)據(jù)的描述

利用MODIS官網(wǎng)提供的MRT軟件以及ArcGIS軟件等,對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行了拼接、重投影和裁剪等預(yù)處理,為與植被覆蓋度數(shù)據(jù)的空間分辨率一致,將上述數(shù)據(jù)的空間分辨率統(tǒng)一至0.05°。月度數(shù)據(jù)取平均得到年度數(shù)據(jù),年度數(shù)據(jù)取平均得到整個(gè)時(shí)期的均值。

2 研究方法

2.1 基于遙感數(shù)據(jù)的干旱指數(shù)

使用的基于遙感數(shù)據(jù)的干旱指數(shù)(VCI、TCI和VHI)等級(jí)劃分如表2所示。TCI、VCI和VHI的具體計(jì)算方法如下:

表2 干旱指數(shù)等級(jí)的劃分[47—48]

(1)

(2)

VHI=α×VCI+(1-α)×TCI

(3)

式中,i、j和k分別表示第i個(gè)像元、第j個(gè)月份和第k個(gè)年份;max和min分別表示對(duì)應(yīng)像元的多年最大值和最小值;α表示權(quán)重因子,在實(shí)際應(yīng)用中一般將其固定為0.5[46]。

3個(gè)月(SPEI3)和6個(gè)月的SPEI(SPEI6)是有效的氣象干旱指數(shù)[9],SMCI能夠有效地指示土壤水分不足而導(dǎo)致的干旱[46]。采用逐月的3個(gè)月和 6個(gè)月時(shí)間尺度SPEI以及SM遙感數(shù)據(jù)計(jì)算的土壤濕度狀態(tài)指數(shù)(SMCI)評(píng)價(jià)上述3個(gè)干旱指數(shù)監(jiān)測干旱的能力。其中SMCI計(jì)算為:

(4)

式中,SMijk為第i個(gè)像元、第j個(gè)月份和第k個(gè)年份的土壤濕度;SMijmax和SMijmin分別為i個(gè)像元、第j個(gè)月份土壤濕度的多年最大值和最小值。

2.2 干旱頻率

根據(jù)表2和以下公式,計(jì)算了14a區(qū)域內(nèi)發(fā)生中度及以上干旱發(fā)生的頻率。

(5)

式中,f為干旱頻率,m為發(fā)生中度及以上干旱的月數(shù),n為2003—2016年的總月數(shù)(n=168)。

2.3 變化趨勢分析

利用普通最小二乘回歸(OLS)和F統(tǒng)計(jì)量確定干旱指數(shù)變化趨勢:

(6)

式中,n表示年份總數(shù)(n=14)。DIi代表第i年的干旱指數(shù)平均值,SLOPE>0表示增加趨勢;反之,SLOPE<0表示降低趨勢。

2.4 計(jì)算干旱指數(shù)對(duì)溫度和降水變化的響應(yīng)

利用年干旱指數(shù)與溫度和降水之間的偏相關(guān)系數(shù)表示干旱指數(shù)對(duì)氣候變化的響應(yīng)。偏相關(guān)分析通常用于分析在剔除其他因素的影響后,兩個(gè)變量之間的關(guān)系[49]。利用下式計(jì)算干旱指數(shù)與年平均溫度和年降水量之間的偏相關(guān)系數(shù):

(7)

式中,RXY,Z為控制Z條件下X與Y之間的偏相關(guān)系數(shù),rij為i與j的相關(guān)系數(shù)。RXY,Z>0,表示在Z不變條件下,Y隨X的增大而增大,反之亦然。

如干旱指數(shù)與溫度/降水量之間的偏相關(guān)系數(shù)大于0,表示溫度/降水量上升導(dǎo)致干旱指數(shù)增大、干旱減輕;干旱指數(shù)與溫度/降水量之間的偏相關(guān)系數(shù)小于0,表示溫度/降水量上升導(dǎo)致干旱指數(shù)降低、干旱加重。

2.5 計(jì)算干旱對(duì)地表覆蓋變化的響應(yīng)

為了分析干旱指數(shù)對(duì)地表覆蓋變化的響應(yīng),將生成的SLOPE圖與地表覆蓋變化率(裸土、低矮植被和樹木覆蓋度變化率)圖疊加,計(jì)算9×9移動(dòng)窗口內(nèi)共81個(gè)格點(diǎn)SLOPE分別與裸土覆蓋度變化率、低矮植被覆蓋度變化率和樹木覆蓋度變化率的相關(guān)系數(shù),分析干旱指數(shù)對(duì)地表覆蓋變化的響應(yīng)。相關(guān)系數(shù)大于零表示覆蓋度的上升導(dǎo)致干旱指數(shù)增大。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 干旱指數(shù)時(shí)空變化特征

3.1.1干旱頻率空間分布

利用月干旱指數(shù)計(jì)算的月干旱發(fā)生頻率分布如圖2所示。利用TCI、VCI和VHI計(jì)算的研究區(qū)內(nèi)月干旱發(fā)生頻率的平均值分別是27%、28%和19%,表明14年中有20%—30%的月份發(fā)生了中度及以上干旱?；赥CI的結(jié)果表明,5.4%的區(qū)域干旱發(fā)生頻率低于20%,主要位于高原氣候區(qū)和中溫帶的東北部;67.4%的區(qū)域干旱發(fā)生頻率介于20%—30%之間;在27.2%的區(qū)域干旱頻率高于30%,主要分布在中溫帶中部、南溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶等部分地區(qū),干旱發(fā)生頻率高于50%的區(qū)域分布不足1%;基于VCI的結(jié)果表明,65.7%的區(qū)域干旱頻率低于30%;28.0%的區(qū)域干旱頻率介于30%—40%,主要位于我國中溫帶和南溫帶的大部分地區(qū);干旱頻率高于40%的區(qū)域占6.3%,分布在中溫帶的中部和西北部以及南溫帶的部分地區(qū)?；赩HI的計(jì)算的干旱發(fā)生頻率低于TCI和VCI,在74.4%的區(qū)域干旱頻率低于20%;在24.4%的區(qū)域干旱發(fā)生頻率介于20%—30%之間,分布于中溫帶中部、南溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶和南亞熱帶等部分地區(qū);干旱頻率高于30%的區(qū)域僅占1.2%,位于中溫帶中部及其西北部。

圖2 根據(jù)2003—2016年TCI、VCI和VHI確定的月干旱頻率分布Fig.2 Frequency of monthly drought determined according to TCI, VCI and VHI from 2003 to 2016TCI:溫度狀態(tài)指數(shù) Temperature condition index; VCI:植被狀態(tài)指數(shù) Vegetation condition index; VHI:植被健康指數(shù) Vegetation health index

3.1.2干旱指數(shù)變化趨勢

利用方程6逐像元診斷干旱指數(shù)年平均值的時(shí)間變化特征。根據(jù)計(jì)算的斜率(SLOPE)和顯著水平,將干旱指數(shù)的變化趨勢分為以下七類:(1)極顯著下降(SLOPE<0,P≤0.01),(2)中度顯著下降(SLOPE <0,0.010.1),(5)輕度顯著上升(SLOPE>,0.050,0.010,P≤0.01)[50]。TCI的趨勢表明(圖3),13.8%的區(qū)域TCI顯著下降,中度顯著下降區(qū)域?yàn)?.6%,輕度顯著下降區(qū)域?yàn)?.9%,顯著下降的區(qū)域主要位于中溫帶中部、南溫帶東部和高原氣候區(qū)的部分地區(qū),表明這些地區(qū)在14年中干旱程度加劇。1.3%的區(qū)域TCI顯著上升,輕度顯著上升的區(qū)域?yàn)?.8%,顯著上升趨勢出現(xiàn)在中溫帶的東北部和中亞熱帶的部分地區(qū)。在北溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶等區(qū)域TCI趨勢不顯著;

圖3 2003—2016年TCI、VCI和VHI的變化趨勢分布。空值為不顯著區(qū)域Fig.3 Temporal trends of TCI, VCI and VHI from 2003 to 2016. The null values indicate insignificant temporal trends

圖3顯示在2003—2016期間,66.3%的區(qū)域顯著VCI上升,其中47.2%區(qū)域的VCI呈現(xiàn)極顯著上升,12.9%的區(qū)域VCI中度顯著上升。VCI顯著上升的區(qū)域主要是位于北溫帶、東部的南溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶和南亞熱帶的大部分地區(qū),表明這些地區(qū)的干旱有所減輕;VCI僅在1.6%的區(qū)域顯著下降,呈零星分布。中溫帶東北部和高原氣候區(qū)中部等地區(qū)14年內(nèi)VCI未發(fā)生顯著變化;與VCI相似,14年間VHI在41.7%的區(qū)域顯著上升(圖3),VHI極顯著上升的區(qū)域?yàn)?2.6%,中度顯著上升的區(qū)域?yàn)?2.3%。在3.1%的區(qū)域VHI呈顯著下降趨勢,極顯著下降區(qū)域?yàn)?.9%,中度顯著區(qū)域下降為1.1%。

3.2 干旱對(duì)氣候變化的響應(yīng)

3.2.1干旱指數(shù)對(duì)溫度變化的響應(yīng)

利用公式7計(jì)算了干旱指數(shù)年平均值與年平均溫度和年降水量的偏相關(guān)系數(shù),為避免地表覆蓋變化的影響,剔除了14年內(nèi)植被覆蓋變化率超過±3%的區(qū)域。干旱指數(shù)對(duì)溫度變化響應(yīng)的空間分布和不同氣候區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。在23.4%的區(qū)域TCI對(duì)氣溫為負(fù)相關(guān),分布在中溫帶、南溫帶、北亞熱帶和高原氣候區(qū)中部等地區(qū),其余大部分區(qū)域不顯著。除中亞熱帶東部以外,VHI對(duì)氣溫為負(fù)相關(guān),2.9%的區(qū)域達(dá)到了P<0.05的顯著水平,表明氣溫升高會(huì)導(dǎo)致該指數(shù)降低。而VCI對(duì)氣溫主要為正相關(guān),但只有2.3%的區(qū)域達(dá)到了P<0.05的顯著水平?？傮w而言,在所有的氣候區(qū),TCI和VHI對(duì)氣溫呈現(xiàn)出一致的顯著負(fù)相關(guān),表明溫度升高會(huì)導(dǎo)致干旱加劇;然而,除中熱帶外,VCI對(duì)氣溫的變化均為正相關(guān)。

丁達(dá)一副沮喪的樣子，頭都懶得抬起來，任由臉朝下埋在地上。盡管希望渺茫，他還是忍不住問道：“鏡心羽衣，你呢？你也像壺天曉一樣，把我看透了嗎？你們智能生物都是這樣先斬后奏嗎？”

圖4 年TCI、VCI和VHI與溫度偏相關(guān)的空間分布(空白區(qū)為相關(guān)性不顯著區(qū)域)和偏相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.4 Partial correlations of annual TCI, VCI and VHI with temperature (Areas without significant correlations are masked with white color) and statistical results of partial correlations

3.2.2干旱指數(shù)對(duì)降水變化的響應(yīng)

干旱指數(shù)與年降水量的偏相關(guān)系數(shù)空間分布及不同氣候區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。TCI、VCI和VHI對(duì)降水響應(yīng)的表現(xiàn)較為一致。在2.5%的區(qū)域內(nèi)TCI對(duì)降水為正相關(guān),主要分布在中溫帶東部、中亞熱帶東部和高原氣候區(qū)等地;TCI對(duì)降水的負(fù)相關(guān)主要分布在南溫帶和北亞熱帶,但比例低于0.5%。VCI和VHI對(duì)降水響應(yīng)的分布相似,除南溫帶和高原氣候區(qū)部分地區(qū)對(duì)降水為負(fù)相關(guān)以外,在其他氣候區(qū)內(nèi)VCI和VHI對(duì)降水為正相關(guān),比例分別為4.6%和5.5%?？傮w而言,在所有的氣候區(qū),VCI和VHI對(duì)降水變化表現(xiàn)出一致的正相關(guān),降水的增多有利于促進(jìn)植被生長從而緩解干旱;而在南溫帶、北亞熱帶和北熱帶,TCI對(duì)降水變化表現(xiàn)為負(fù)相關(guān),除中熱帶TCI對(duì)降水變化的響應(yīng)不顯著以外,其余地區(qū)為正相關(guān)。作為綜合干旱指數(shù),VHI在不同的氣候區(qū)表現(xiàn)出一致的對(duì)氣溫的負(fù)相關(guān)和對(duì)降水的正相關(guān),穩(wěn)定性明顯優(yōu)于TCI和VCI。

圖5 年TCI、VCI和VHI與降水偏相關(guān)的空間分布(空白區(qū)為相關(guān)性不顯著區(qū)域)和偏相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Partial correlations of annual TCI, VCI and VHI with precipitation (Areas without significant correlations are masked with white color) and statistical results of partial correlations

3.3 干旱對(duì)地表覆蓋變化的響應(yīng)

3.3.1地表覆蓋變化特征

2003—2016年中國裸土、低矮植被和樹木覆蓋變化情況如圖6所示,地表覆蓋變化主要表現(xiàn)為裸土的減少和植被的增加。其中,64.2%的地區(qū)裸土比例下降,18.7%的地區(qū)裸土覆蓋率沒有發(fā)生變化;低矮植被覆蓋率上升和下降的區(qū)域分別占46.0%和47.0%;樹木覆蓋率在47.0%的地區(qū)升高, 在46.3%的地區(qū)沒有變化。在北溫帶、中溫帶的東北部、西北部南溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶中和南亞熱帶的大部分地區(qū),樹木覆蓋率的增加來自于裸土與低矮植被覆蓋率的減少。在中溫帶的中部、西北部的南溫帶和高原氣候區(qū)的大部分地區(qū),這些地區(qū)樹木覆蓋率沒有發(fā)生變化,主要反映為裸土和低矮植被之間的相互轉(zhuǎn)化,其中高原氣候區(qū)的中部、中溫帶的中部和西北部南溫帶等部分地區(qū)由裸土轉(zhuǎn)變?yōu)榈桶脖?其余地區(qū)整體上表現(xiàn)為低矮植被向裸土的轉(zhuǎn)變。而在南溫帶的東部和北亞熱帶東部等沿海地區(qū),受城市擴(kuò)張的影響,裸土替代了植被。其余區(qū)域主要表現(xiàn)為樹木向裸土或低矮植被的轉(zhuǎn)變。

3.3.2干旱指數(shù)對(duì)地表覆蓋變化的響應(yīng)

為研究干旱對(duì)地表覆蓋變化的響應(yīng)特征,分析了不同裸土和植被覆蓋度變化范圍內(nèi)三個(gè)干旱指數(shù)的變化趨勢,結(jié)果表明(圖7),總體而言,裸土覆蓋率的降低和樹木覆蓋率的增加導(dǎo)致干旱指數(shù)增大趨勢越明顯,干旱減輕;而裸土覆蓋率的增加和樹木覆蓋率的減少可能會(huì)導(dǎo)致干旱指數(shù)降低的趨勢越明顯,干旱加劇。

圖7 樹木及裸土覆蓋變化對(duì)VHIs趨勢的聯(lián)合影響Fig.7 Combined effects of tree and bare ground cover changes on VHIs trends

為探究在各氣候帶內(nèi)干旱對(duì)地表覆蓋變化的響應(yīng)情況,計(jì)算了干旱指數(shù)變化趨勢與裸土覆蓋度、低矮植被覆蓋度和樹木覆蓋度變化率之間的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果如圖8所示,VCI、TCI和VHI的變化趨勢均與裸土比例變化率負(fù)相關(guān),即裸土比例的增加/減少會(huì)導(dǎo)致干旱指數(shù)的降低/上升、干旱的加重/減弱。除VHI在高原氣候區(qū)與樹木覆蓋變化率負(fù)相關(guān)以外,三個(gè)干旱指數(shù)的變化趨勢與樹木覆蓋度變化率正相關(guān),樹木覆蓋度增大會(huì)導(dǎo)致干旱指數(shù)上升。干旱指數(shù)對(duì)低矮植被覆蓋度變化的響應(yīng)在不同氣候區(qū)存在差異,在中溫帶和南溫帶,干旱指數(shù)的變化趨勢與低矮植被覆蓋度正相關(guān),低矮植被覆蓋的上升會(huì)導(dǎo)致干旱指數(shù)的增大;而在北溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶和南亞熱帶等地區(qū),干旱指數(shù)的變化趨勢與低矮植被覆蓋度負(fù)相關(guān),低矮植被覆蓋的上升會(huì)導(dǎo)致干旱指數(shù)的降低;在高原氣候區(qū),VCI和VHI的變化趨勢與低矮植被覆蓋度正相關(guān)。干旱指數(shù)對(duì)低矮植被覆蓋度變化的響應(yīng)取決于低矮植被覆蓋度的變化是由于裸土還是樹木的轉(zhuǎn)變有關(guān)。

圖8 不同氣候帶內(nèi)VHIs變化趨勢對(duì)裸土、低矮植被和樹木覆蓋度變化的響應(yīng)Fig.8 Response of VHIs trends to changes of bare ground, nontree vegetation and tree cover changes in different climatic zones

4 討論

4.1 干旱指數(shù)與SPEI和SMCI的比較

圖9展示了TCI、VCI和VHI分別與SPEI3、SPEI6和SMCI年平均值的相關(guān)性。TCI與SPEI3、SPEI6和SMCI在大部分區(qū)域呈正相關(guān),P<0.1的面積比例分別為44.0%、45.8%和21.6%;P<0.05的面積分別占34.1%、35.9%和15.0%,主要分布在北溫帶、中溫帶東北部、中亞熱帶東部和高原氣候區(qū)等部分地區(qū)。VCI與SPEI3、SPEI6和SMCI的相關(guān)性較弱,P<0.1的正相關(guān)面積比例分別為15.5%、18.0%和14.7%;P<0.05的正相關(guān)面積比例分別為10.5%、12.2%和10.0%,主要分布在亞熱帶地區(qū)。VCI與SPEI3、SPEI6和SMCI負(fù)相關(guān)達(dá)到P<0.1顯著水平的面積比例分別為5.3%、5.2%和4.9%;達(dá)到P<0.05的面積比例分別為3.1%、3.0%和3.3%,主要分布于中溫帶東北部、南溫帶和高原氣候區(qū)的部分地區(qū)。在大部分區(qū)域,VHI與SPEI3、SPEI6和SMCI正相關(guān),達(dá)到P<0.1顯著水平的面積比例分別為40.6%、44.5%和26.6%;達(dá)到P<0.05顯著水平的面積比例分別為29.9%、34.0%和19.8%。

圖9 年干旱指數(shù)TCI、VCI、VHI與SPEI3、SPEI6、SMCI相關(guān)性的空間分布,空值為不顯著(P>0.1)區(qū)域Fig.9 Spatial distribution of correlations of annual mean TCI, VCI and VHI with SPEI3, SPEI6, and SMCI. The null values indicate insignificant correlations(P>0.1) SPEI:標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù) Standardized precipitation evapotranspiration index; SMCI:土壤濕度狀態(tài)指數(shù) Soil moisture condition index

表3 不同指數(shù)計(jì)算的不同氣候區(qū)中度及以上月干旱發(fā)生頻率平均值/%

圖10 根據(jù)2003—2016年SPEI3、SPEI6和SMCI確定的月干旱頻率分布Fig.10 Frequency of monthly drought determined according to SPEI3, SPEI6 and SMCI from 2003 to 2016

4.2 干旱指數(shù)的變化特征

3個(gè)干旱指數(shù)的變化趨勢并不一致,VCI與VHI變化趨勢的空間分布基本相似,但與TCI存在較大的差異(圖3)。人工植樹造林改善了我國的植被覆蓋情況,表現(xiàn)為NDVI的顯著增大[51],從而導(dǎo)致全國大部分地區(qū)的VCI明顯上升。在全球變暖的背景下我國氣溫顯著增加,從而會(huì)導(dǎo)致地面溫度的上升和TCI的降低[51];在VCI明顯上升的地區(qū),植被覆蓋度增大,部分抵償氣溫升高導(dǎo)致的地表溫度上升,氣溫和植被覆蓋度變化的共同作用使得TCI變化趨勢不明顯。VHI是VCI和TCI的平均值,在VCI明顯增大、TCI變化趨勢不明顯的地區(qū),VHI與VCI的變化趨勢相似。相反,在TCI明顯降低、VCI變化趨勢不明顯的地區(qū),VHI與TCI的變化趨勢相近。

VCI和VHI的變化趨勢表明,2003—2016年期間我國大部分地區(qū)的干旱有所緩解,在南亞熱帶、中亞熱帶、中溫帶中部和北亞熱帶大部分地區(qū)尤為明顯;但在南溫帶東部和高原氣候區(qū)的部分地區(qū),干旱有所加劇。TCI指示,我國西部的部分地區(qū)在2003—2016年期間的干旱有所加劇。3個(gè)干旱指數(shù)的變化趨勢共同指示出我國南溫帶、中溫帶和高原氣候區(qū)等部分地區(qū)變得更干燥,與圖2中干旱頻率較高的區(qū)域相吻合,表明發(fā)生極端干旱的可能性和頻率相比其他區(qū)域會(huì)更高。

4.3 氣候變化對(duì)干旱指數(shù)的影響

在全球變暖的背景下,氣候變化引起的干旱可能會(huì)變得更加頻繁,這給生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了巨大威脅[52],研究表明,區(qū)域氣候變暖和水資源缺乏所引起的干旱是造成樹木死亡率明顯增加的主要原因[53—54]。溫度的升高會(huì)導(dǎo)致植被蒸散增加,而植被的蒸騰過程需要從土壤中獲取水分,土壤缺水會(huì)使得植物根系受損和氣孔阻力增加,導(dǎo)致蒸騰減少,從而減弱光合作用,由此阻礙植物生長[55]。植被對(duì)溫度的負(fù)響應(yīng)關(guān)系早在上世紀(jì)就已有學(xué)者提出[56],且這種關(guān)系與植被蒸騰和土壤濕度密不可分[57—58],這與圖4中TCI和VHI對(duì)溫度變化的負(fù)相關(guān)結(jié)果相符合。然而,研究表明植被對(duì)溫度的響應(yīng)存在空間異質(zhì)性。在中國大部分地區(qū),VCI與溫度的偏相關(guān)系數(shù)大于0,說明溫度升高促進(jìn)了植被生長、導(dǎo)致VCI增大[59—60]。

降水的增加在導(dǎo)致地表溫度降低的同時(shí),促使土壤水分上升,有利于植被生長[61]。圖5表明,在大部分區(qū)域3個(gè)干旱指數(shù)與降水量之間顯著正相關(guān)。但是,在南溫帶、北亞熱帶和北熱帶的部分地區(qū),主要位于華北平原的東部地區(qū),TCI與降水量負(fù)相關(guān)。根據(jù)TCI的計(jì)算公式可見,溫度上升、TCI下降[28],而地表溫度取決于區(qū)域植被覆蓋和地表土壤水分狀況,降水的減少經(jīng)常伴隨著輻射的增加和氣溫的上升,在有灌溉或濕潤地區(qū),植被覆蓋度反而會(huì)上升,導(dǎo)致地表溫度的降低。在地表溫度與降水量變化趨勢一致的地區(qū),TCI難以有效監(jiān)測干旱狀況[61—62]。

4.4 地表覆蓋變化對(duì)干旱指數(shù)的影響

氣候變化和人類活動(dòng)等因素所導(dǎo)致的地表覆蓋變化對(duì)區(qū)域內(nèi)干旱的影響巨大[63—64]。裸土轉(zhuǎn)變?yōu)橹脖?會(huì)導(dǎo)致地表反射率的降低和凈太陽輻射的升高,從而導(dǎo)致潛熱和顯熱的增大。且植被覆蓋的地表面相對(duì)于裸土覆蓋的地表面粗糙度更大,湍流更強(qiáng),空氣和水汽混合動(dòng)力阻力更小[65],蒸騰的增加會(huì)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)大氣濕度的上升,從而改變當(dāng)?shù)亟邓退倪^程[66]。

總體而言,如圖7和8所示,在大部分區(qū)域裸土覆蓋率的降低和樹木覆蓋率的增加會(huì)導(dǎo)致地表溫度的降低、NDVI的上升和干旱指數(shù)的增大,這與許多研究結(jié)果一致[67—70]。研究表明,1982—2020年期間高原氣候區(qū)的大部分區(qū)域NDVI顯著上升、其東部及南部部分區(qū)域的NDVI下降[71]。本文分析發(fā)現(xiàn),在高原氣候區(qū)內(nèi),樹木的覆蓋度降低、而低矮植被的覆蓋度明顯上升,大面積低矮植被的增加導(dǎo)致該地區(qū)NDVI顯著上升,使得樹木覆蓋度與VCI和VHI的負(fù)相關(guān),有別于其他氣候區(qū)。

5 結(jié)論

基于氣溫、降水及多源遙感數(shù)據(jù),采用趨勢分析和偏相關(guān)分析方法,本文研究了2003—2016年中國3個(gè)干旱指數(shù)的時(shí)空變化特征、干旱發(fā)生的頻率以及干旱指數(shù)對(duì)氣候和地表覆蓋變化的響應(yīng)。主要結(jié)論如下:

2003—2016年期間,中國大部分地區(qū)的月干旱發(fā)生頻率為20%—30%,其中中溫帶中部和南溫帶部分地區(qū)的干旱頻率更高。干旱指數(shù)的變化趨勢表明,大部分區(qū)域的干旱緩解和局部的干旱加劇。干旱緩解主要分布在北溫帶、中溫帶的東北部、北亞熱帶、中亞熱帶和南亞熱帶的大部分地區(qū)。而干旱加劇的區(qū)域主要分布在南溫帶、北亞熱帶等沿海地區(qū)以及高原氣候區(qū)的部分地區(qū)。

大多數(shù)氣候區(qū)內(nèi),干旱指數(shù)對(duì)溫度的響應(yīng)不一致,溫度上升會(huì)導(dǎo)致TCI和VHI降低(干旱加重)、VCI的上升(干旱減輕)。所以,利用這3個(gè)指數(shù)監(jiān)測溫度上升導(dǎo)致的干旱時(shí)會(huì)得出不一致的結(jié)論。在大部分區(qū)域,3個(gè)干旱指數(shù)與降水量正相關(guān),他們在監(jiān)測降水減少導(dǎo)致的干旱時(shí)有較好的一致性。裸土覆蓋率降低和樹木覆蓋率上升會(huì)導(dǎo)致干旱指數(shù)的上升,而低矮植被覆蓋率變化的對(duì)干旱指數(shù)的影響存在空間差異,取決于低矮植被覆蓋度的變化是源于裸土還是樹木覆蓋度的變化。在利用基于遙感的干旱指數(shù)監(jiān)測干旱時(shí),要考慮地表覆蓋變化的作用。