曲學(xué)斌,金林雪,紅梅,越昆,趙子威

(1. 呼倫貝爾市氣象局,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008;2. 內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特010051)

干旱是中國(guó)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一,具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、災(zāi)害損失重等特點(diǎn)[1].有效的干旱監(jiān)測(cè)是抗旱減災(zāi)的基礎(chǔ),然而傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測(cè)主要依靠地面觀測(cè)建立的氣象干旱指數(shù)[2].受氣象站網(wǎng)密度限制,以及無法反映不同植被抗旱能力差異、灌溉設(shè)施投入及臨近水源情況等因素影響,精細(xì)化程度較差.隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的興起,遙感干旱監(jiān)測(cè)也得到快速發(fā)展,按所使用的數(shù)據(jù)源不同可分為光學(xué)遙感干旱監(jiān)測(cè)、高光譜遙感干旱監(jiān)測(cè)、微波遙感干旱監(jiān)測(cè)和多元數(shù)據(jù)綜合干旱監(jiān)測(cè)等[3],其中依靠光學(xué)遙感開展干旱監(jiān)測(cè)的技術(shù)相對(duì)成熟,數(shù)據(jù)源也最為豐富.常用的光學(xué)遙感干旱指數(shù)包括溫度狀態(tài)指數(shù)TCI[4]、植被狀態(tài)指數(shù)VCI[5]、溫度植被干旱指數(shù)TVDI[6]、植被供水指數(shù)VSWI[7]等.TCI基于陸面溫度LST建立,其算法與VCI相近,但由于地形地貌差異、衛(wèi)星過境時(shí)間和地表熱平流因素影響,LST存在不確定性.TVDI和VSWI都是基于歸一化植被指數(shù)NDVI和LST構(gòu)建的,適宜地形平坦、植被覆蓋度較高的地區(qū)和時(shí)段,但統(tǒng)計(jì)模型均受時(shí)空尺度限制,不同區(qū)域的監(jiān)測(cè)結(jié)果沒有時(shí)空可比性.VCI基于植被監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)時(shí)間序列,可以有效避免地理氣候和植被分布對(duì)干旱監(jiān)測(cè)的影響,適宜在大范圍的干旱監(jiān)測(cè)中使用.沙莎等[8]對(duì)比了幾種干旱指數(shù)在河南地區(qū)的監(jiān)測(cè)差異,表明VCI具有較強(qiáng)指示和監(jiān)測(cè)能力.LI等[9]在VCI的基礎(chǔ)上結(jié)合云光學(xué)厚度COT建立了適宜濕潤(rùn)區(qū)使用的云區(qū)干旱指數(shù)CRDI.LIANG等[10]利用NOAA/AVHRR遙感數(shù)據(jù)建立了中國(guó)區(qū)1981—2015年長(zhǎng)時(shí)間序列的VCI,并對(duì)長(zhǎng)期植被干旱時(shí)空分布特征進(jìn)行分析.相比基于NOAA的VCI指數(shù),基于MODIS的VCI指數(shù)具有更高的空間分辨率,其數(shù)據(jù)質(zhì)量更穩(wěn)定,且數(shù)據(jù)積累已超過了20 a,為今后VCI的干旱分析提供了更精準(zhǔn)、更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來源.

干旱是威脅內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)平衡和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展最主要的自然災(zāi)害,2004—2013年內(nèi)蒙古干旱災(zāi)害的直接經(jīng)濟(jì)損失占總氣象災(zāi)害損失的57%,受災(zāi)人口和面積均超過其他氣象災(zāi)害的總和.然而內(nèi)蒙古的氣象站網(wǎng)稀疏,氣象干旱監(jiān)測(cè)能力有限,遙感干旱監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)尚處于起步階段.通過前期對(duì)比4種遙感干旱指數(shù)在內(nèi)蒙古東部地區(qū)的監(jiān)測(cè)能力,已表明VCI在生長(zhǎng)季中、后期干旱監(jiān)測(cè)中具有明顯優(yōu)勢(shì)[11].因此文中擬利用VCI開展內(nèi)蒙古生長(zhǎng)季干旱變化及對(duì)氣候響應(yīng)分析,使其能有效促進(jìn)VCI干旱監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的開展,提升內(nèi)蒙古的干旱監(jiān)測(cè)能力,對(duì)抗旱減災(zāi)工作具有重要意義.

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古地處東亞中緯度內(nèi)陸(97°12′—126°04′E,37°24′—53°23′N),地形狹長(zhǎng),總面積約為1.18×106km2,占全國(guó)總面積的12.1%,共分為12個(gè)盟市.內(nèi)蒙古的地表覆蓋以草原為主,呼倫貝爾市中部為大興安嶺森林,在大興安嶺兩麓、通遼市和赤峰市的東部、巴彥淖爾市黃河灌區(qū)等地為耕地,巴彥淖爾市西部、鄂爾多斯市北部和阿拉善盟是植被稀少的荒漠區(qū)[12].

1.2 VCI計(jì)算方法

VCI的算法主要建立在NDVI的基礎(chǔ)上,它可以很好地反映非冬眠期的植被對(duì)干旱的響應(yīng)[13],其計(jì)算公式為

(1)

式中:NDVImax,NDVImin分別為給定地區(qū)同一時(shí)段的多年最大和最小NDVI值;VCI的取值為0～100,其值越小,干旱越嚴(yán)重.根據(jù)VCI的算法可知,在研究區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)的VCI時(shí)間變化序列的最小值和最大值均為0和100,其干旱監(jiān)測(cè)能力與研究期長(zhǎng)短關(guān)系密切.

1.3 數(shù)據(jù)來源

結(jié)合可獲取的遙感資料時(shí)長(zhǎng)和內(nèi)蒙古植被生長(zhǎng)特點(diǎn),研究期設(shè)定為2000—2021年5—9月內(nèi)蒙古植被生長(zhǎng)季.計(jì)算VCI所用的NDVI數(shù)據(jù),來自美國(guó)國(guó)家航空航天局提供的MOD13A3數(shù)據(jù)集,通過最大值合成法獲取的逐月遙感植被產(chǎn)品,空間分辨率為1 km.氣象數(shù)據(jù)采用內(nèi)蒙古境內(nèi)118個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站2000—2021年生長(zhǎng)季的降水量和平均氣溫,通過反距離權(quán)重法插值成與VCI相同空間分辨率的柵格數(shù)據(jù).

1.4 分析方法

VCI的變化趨勢(shì)分析主要采用Sen趨勢(shì)分析法,與一元線性回歸方法相比,該方法對(duì)植被干旱反映更為敏感,具有受異常值影響小,不需要數(shù)據(jù)服從某種特定分布等諸多優(yōu)勢(shì),其計(jì)算公式為

(2)

式中:S為VCI變化趨勢(shì);median為數(shù)據(jù)序列中位數(shù)計(jì)算符號(hào);i,j為VCI的年份,VCIi和VCIj分別表示第i,j年對(duì)應(yīng)的NDVI值.當(dāng)S>0時(shí)說明NDVI呈增長(zhǎng)趨勢(shì),反之則為下降趨勢(shì),Sen變化趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)采用M-K方法.

VCI的變化穩(wěn)定性使用變異系數(shù)C進(jìn)行分析,其數(shù)值越大表明VCI的波動(dòng)越大,干旱越不穩(wěn)定,反之則表明干旱整體穩(wěn)定,計(jì)算公式為

(3)

由于氣溫和降水本身存在一定的相關(guān)性,因此VCI對(duì)氣溫、降水的響應(yīng)分析采用偏相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行分析,其計(jì)算公式為

(4)

式中:下角標(biāo)1代表VCI,2和3則代表氣溫(或降水),R12和R13為VCI與氣溫(或降水)的相關(guān)系數(shù),R23為氣溫與降水的相關(guān)系數(shù),R12(3)則為VCI與氣溫(或降水)在排除降水(或氣溫)影響后的偏相關(guān)系數(shù).R12(3)的正負(fù)分別代表了正相關(guān)與負(fù)相關(guān),對(duì)照相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表,當(dāng)R12(3)通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)時(shí)達(dá)到顯著,通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn)時(shí)達(dá)到極顯著.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 VCI的時(shí)空分布

內(nèi)蒙古生長(zhǎng)季VCI的平均值為50.0,呼倫貝爾市西部、通遼市南部到赤峰市東部、錫林郭勒盟西北部至陰山以北賀蘭山以西、鄂爾多斯市中南部地區(qū)的VCI均值小于50.0,屬于干旱的相對(duì)高發(fā)區(qū).各盟市生長(zhǎng)季平均VCI的時(shí)間變化如圖1所示,VCI呈緩慢增加趨勢(shì).東部盟市中,由于呼倫貝爾市境內(nèi)大興安嶺森林對(duì)全市平均VCI具有穩(wěn)定作用,變化相對(duì)平緩,其他3個(gè)盟市生長(zhǎng)季VCI變化有較高一致性.彭建[14]對(duì)內(nèi)蒙古東部干旱的研究表明,2000年以后干旱最重為2007年,與VCI監(jiān)測(cè)結(jié)果大致相同.中部4個(gè)盟市在2012年以前VCI的變化一致性較高,之后呼和浩特市的VCI變化與其他3個(gè)盟市差異增加.中部在2001,2007,2010年VCI明顯降低,有嚴(yán)重干旱發(fā)生,而2003,2013,2018年VCI較高,干旱影響不大,與白慶坤等[15]對(duì)蒙古高原草地干旱的研究結(jié)果基本一致.西部4個(gè)盟市生長(zhǎng)季VCI的最低值均出現(xiàn)在2001年,主要干旱年份與中部盟市接近.3個(gè)區(qū)域相比東部和西部盟市的VCI增加趨勢(shì)較為明顯,中部盟市VCI則以波動(dòng)為主.

圖1 2000—2021年內(nèi)蒙古及各盟市生長(zhǎng)季VCI的年變化

2.2 VCI的變化趨勢(shì)

2000—2021年,內(nèi)蒙古生長(zhǎng)季VCI的Sen變化趨勢(shì)S和M-K檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.生長(zhǎng)季VCI的平均年變化傾向率為1.8 /a,干旱情況明顯改善.各盟市中鄂爾多斯市的平均年傾向率最高(3.0 /a),通遼市次之(2.5 /a),最低為錫林郭勒盟(1.3 /a),呼倫貝爾市次之(1.4 /a).顯著性檢驗(yàn)表明,生長(zhǎng)季VCI呈增加趨勢(shì)的面積占比達(dá)到內(nèi)蒙古總面積的92.4%,極顯著增加為35.6%,顯著增加為15.8%,顯著和極顯著減少的面積占比僅為0.9%.從分布上,VCI顯著和極顯著增加的區(qū)域主要位于內(nèi)蒙古東西兩側(cè),東部VCI增加區(qū)域主要位于呼倫貝爾市大興安嶺及以東地區(qū)、興安盟以南至赤峰市一帶;西部主要位于陰山以南烏蘭察布市以西的地區(qū).VCI的顯著增加區(qū)與滑永春等[16]對(duì)內(nèi)蒙古植被顯著增長(zhǎng)區(qū)域的分析高度吻合.不顯著增加區(qū)主要位于呼倫貝爾草原和錫林郭勒盟至包頭市東部一帶,以草原植被為主.顯著減少區(qū)主要位于阿拉善盟西北部荒漠區(qū).

圖2 2000—2021年內(nèi)蒙古生長(zhǎng)季VCI的變化趨勢(shì)

內(nèi)蒙古各盟市生長(zhǎng)季各月的VCI變化趨勢(shì)Sm和顯著性檢驗(yàn)如表1所示.

表1 2000—2021年生長(zhǎng)季各月內(nèi)蒙古盟市VCI的變化趨勢(shì)

各盟市各月平均VCI的變化趨勢(shì)均為正值,其中東部盟市除赤峰市外VCI的年變化傾向率最高均為7月(赤峰市為5月),中部盟市除包頭市外VCI的年變化傾向率最高均為9月,中部的包頭市和西部盟市VCI的年變化傾向率最高為5月或6月.顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯市各月的VCI增長(zhǎng)均達(dá)到極顯著水平,通遼市各月均達(dá)到顯著水平,在“三北”防護(hù)林建設(shè)、京津冀風(fēng)沙源治理、退耕還林還草、圍封保育等人類正向干擾活動(dòng)的影響下,通遼市、赤峰市等東南部靠近京津冀地區(qū)和西部草原荒漠過度帶的植被狀況持續(xù)改善,抗旱能力顯著提升.內(nèi)蒙古中部和東北部地區(qū)的呼倫貝爾市、錫林郭勒盟、烏蘭察布市、包頭市和巴彥淖爾市各月VCI變化趨勢(shì)均不顯著,需關(guān)注上述地區(qū)的生態(tài)修復(fù)和防旱抗旱能力建設(shè).

內(nèi)蒙古生長(zhǎng)季各月VCI的變異系數(shù)C見圖3.5—6月VCI變異系數(shù)相對(duì)較高的區(qū)域主要位于東部盟市和錫林郭勒盟東部植被以草原和耕地為主的區(qū)域,表明該地區(qū)春末夏初干旱發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高.7—8月,VCI變異系數(shù)較高的區(qū)域明顯向西移動(dòng),主要位于錫林郭勒盟西部、烏蘭察布市北部、包頭市北部、巴彥淖爾市北部等地,夏中夏末干旱風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高.9月VCI變異系數(shù)較高的區(qū)域數(shù)值在減小,但范圍明顯增加.從VCI變異系數(shù)的平均值分析,5月VCI變異系數(shù)的平均值最高(0.65),其次為6月(0.59)和9月(0.58),8月VCI變異系數(shù)的平均值最低(0.55).可見內(nèi)蒙古春末夏初的干旱風(fēng)險(xiǎn)最高,其次為秋季干旱,由于內(nèi)蒙古的主汛期一般在7月中下旬至8月上旬,該時(shí)段是內(nèi)蒙古年內(nèi)降水相對(duì)集中的時(shí)期,干旱風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低.

圖3 2000—2021年內(nèi)蒙古生長(zhǎng)季各月VCI的變異系數(shù)分布

2.3 VCI與氣溫、降水的相關(guān)性

2000—2021年內(nèi)蒙古生長(zhǎng)季平均氣溫為18.8 ℃,以波動(dòng)為主,線性變化趨勢(shì)不明顯;平均降水量為270.6 mm,以3.9 mm/a的傾向率在極顯著增加.由于降水發(fā)生時(shí)常會(huì)引起氣溫下降,兩者間存在明顯負(fù)相關(guān),因此VCI與氣溫、降水的相關(guān)性分析采用偏相關(guān)分析法,以排除兩個(gè)氣象要素間相關(guān)性對(duì)分析結(jié)果的影響,偏相關(guān)系數(shù)的空間分布如圖4所示.

圖4 2000—2021年內(nèi)蒙古生長(zhǎng)季VCI與氣溫、降水的偏相關(guān)性

內(nèi)蒙古生長(zhǎng)季VCI與氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)的面積占全區(qū)總面積的25.0%,主要位于除錫林郭勒盟中部以外的草原區(qū),呈顯著負(fù)相關(guān)和不顯著負(fù)相關(guān)的面積占比分別為3.8%和20.2%,主要位于鄂爾多斯市以西的荒漠區(qū);VCI與氣溫呈極顯著正相關(guān)的面積占比為17.2%,主要位于呼倫貝爾市大興安嶺林區(qū)等地,對(duì)于中高緯度森林而言,高溫誘發(fā)干旱的可能性不大且植被生長(zhǎng)受熱量不足脅迫明顯,因此該地區(qū)VCI與氣溫呈正相關(guān).生長(zhǎng)季VCI與降水呈顯著和極顯著正相關(guān)的面積占比達(dá)72.2%,占據(jù)了內(nèi)蒙古中東部大部分地區(qū),VCI與降水呈不顯著正相關(guān)的面積占20.9%,主要位于巴彥淖爾黃河農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)、阿拉善盟西北部荒漠區(qū)以及大興安嶺山脊林區(qū),而VCI與降水呈負(fù)相關(guān)的面積占比僅為6.9%,其中達(dá)到顯著和極顯著的面積占比僅為1.2%,零星分布在阿拉善盟和呼倫貝爾市北部.可見降水偏少是誘發(fā)內(nèi)蒙古干旱發(fā)生的決定性氣象要素,高溫主要在草原干旱發(fā)生過程中起重要作用.

3 討 論

利用衛(wèi)星遙感技術(shù)建立的干旱指數(shù),可以將傳統(tǒng)的“點(diǎn)”測(cè)量拓展到“面”信息,具有范圍大、精度高等優(yōu)勢(shì),更能直觀反映出農(nóng)牧業(yè)實(shí)際受災(zāi)情況及干旱在氣候、人類活動(dòng)等因素影響下的變化趨勢(shì)[17].目前遙感干旱指數(shù)的推廣和業(yè)務(wù)化應(yīng)用仍存在一些亟待解決的問題.首先,遙感植被干旱指數(shù)缺乏類似《氣象干旱等級(jí)》(GB/T 20481—2017)的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),缺乏統(tǒng)一的指數(shù)算法和等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn).其次,很多遙感植被干旱指數(shù)需要長(zhǎng)時(shí)間序列的NDVI數(shù)據(jù),但每顆衛(wèi)星的壽命有限,未來如何消除不同衛(wèi)星產(chǎn)品的系統(tǒng)偏差,將多源衛(wèi)星融合使用,構(gòu)建長(zhǎng)時(shí)間序列的NDVI數(shù)據(jù)集,將成為VCI長(zhǎng)期業(yè)務(wù)應(yīng)用的關(guān)鍵.

4 結(jié) 論

1) 內(nèi)蒙古生長(zhǎng)季VCI的平均值在50.0左右,呼倫貝爾市西部、通遼市南部到赤峰市東部、錫林郭勒盟西北部至陰山以北賀蘭山以西、鄂爾多斯市中南部地區(qū)為干旱多發(fā)區(qū).VCI的干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果與前人的研究具有較高一致性,但能更好地反映出生態(tài)環(huán)境改善所帶來的抗旱能力提升.

2) 2000—2021年內(nèi)蒙古的VCI整體呈上升趨勢(shì),主要上升區(qū)位于內(nèi)蒙古的東南部農(nóng)牧交錯(cuò)帶和西部草原與荒漠過渡區(qū),在“三北”防護(hù)林工程、京津冀風(fēng)沙源治理等人類正向干擾下,內(nèi)蒙古的植被抗旱能力明顯提升.根據(jù)變異系數(shù)的分析可知春末夏初內(nèi)蒙古東部地區(qū)的干旱風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高,隨著夏季到來,干旱高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向西移動(dòng)至內(nèi)蒙古中部地區(qū),秋季干旱風(fēng)險(xiǎn)范圍增大但強(qiáng)度相對(duì)減小.

3) 內(nèi)蒙古72.2%的地區(qū)VCI與降水呈顯著和極顯著正相關(guān),降水是影響內(nèi)蒙古干旱發(fā)生的決定性氣象因素.28.8%的地區(qū)VCI與氣溫呈顯著和極顯著負(fù)相關(guān),主要位于呼倫貝爾市西部至錫林郭勒盟東部、錫林郭勒盟西部至包頭市南部一帶的草原區(qū),高溫與草原干旱的發(fā)生關(guān)系密切.