基于時間序列GLASS LAI數(shù)據(jù)的四川省干旱特征研究

李蕾　劉素紅　周兆明　周公器

摘 要：利用我國自主生產(chǎn)的葉面積指數(shù)產(chǎn)品GLASS LAI定義葉面積指數(shù)距平百分率作為干旱指標，對四川省2006年夏季發(fā)生的干旱事件進行分析，將結(jié)果與基于降水距平百分率識別的干旱特征進行比較。結(jié)果表明GLASS LAI可以反映干旱分布及嚴重程度，在東部盆地的效果要優(yōu)于西部山區(qū)的效果，在東部盆地，葉面積指數(shù)距平對旱情嚴重程度的反應(yīng)偏輕。由于葉面積指數(shù)變化受地形影響嚴重，在以后的工作中，可以將高程作為一個參數(shù)設(shè)計葉面積指數(shù)干旱指標，也可以與其它數(shù)據(jù)結(jié)合，構(gòu)造綜合干旱指標，以提高干旱特征識別精度。

關(guān)鍵詞：干旱 時間序列 GLASS LAI 葉面積指數(shù)距平百分率

中圖分類號：P461 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）007-123-02

1 引言

目前，干旱已經(jīng)成為全世界范圍內(nèi)普遍發(fā)生的自然災(zāi)害，它作為一種氣象災(zāi)害，長期困擾著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。近年來，隨之工農(nóng)業(yè)發(fā)展，我國干旱發(fā)生的頻率以及危害程度都有所加重，已經(jīng)成為了制約我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的最大瓶頸。因此，干旱動態(tài)和大范圍的監(jiān)測對保障國家糧食安全和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

最開始主要是利用降水、氣溫等氣象資料，借助數(shù)學方法建立多種干旱指標實現(xiàn)對干旱的監(jiān)測，如降水距平百分率，帕默爾干旱指數(shù)等。近年來隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，其宏觀、實時的優(yōu)勢為干旱監(jiān)測開辟了新的途徑。眾多研究人員利用不同的植被指數(shù)、能量平衡原理等實現(xiàn)了對干旱的監(jiān)測，并取得一系列成果。

葉面積指數(shù)（LAI）作為陸地植被的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，相較于NDVI，EVI等植被指數(shù)更能定量的反映植物的長勢信息。GLASS LAI是我國863重點項目“全球陸表特征參量產(chǎn)品生產(chǎn)與應(yīng)用”生產(chǎn)所得，屬于我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)，時空和空間精度都要優(yōu)于其他同類產(chǎn)品，且在生產(chǎn)時進行了去云雪影，填補缺失值以及濾波等處理工作，在實際應(yīng)用的時候可以減少一些可能增加誤差的預(yù)處理。如果將它應(yīng)用到干旱特征研究中，能夠提高對干旱特征認識的準確性，這對我國遙感數(shù)據(jù)的實際應(yīng)用具有極大推動作用，且對我國的生態(tài)保護有很大的積極作用。本文利用GLASS LAI數(shù)據(jù)定義葉面積指數(shù)距平作為干旱指標，對研究區(qū)的干旱事件進行監(jiān)測，與降水距平百分率獲得的結(jié)果進行比較，驗證GLASS LAI在干旱特征研究中的有效性。

2 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

四川省地勢西高東低，由西北向西南傾斜。以龍門山-大涼山一線為界，東部為四川盆地及盆緣山地，西部為川西高山高原及川西南山地。境內(nèi)最低海拔僅70余米，與海拔最高處相差7400米以上，地表起伏懸殊。

2006年四川省大部分地區(qū)發(fā)生了夏旱連伏旱，是四川省有記載以來最為嚴重的特大干旱。這次干旱持續(xù)時間長，影響范圍廣，旱情波及省內(nèi)21個州市，139個縣市區(qū)。大部分地區(qū)伏旱期長達50天，重災(zāi)區(qū)主要分布在盆地中東部。其中，南充、遂寧、廣安等地旱情最為嚴重，伏旱期長達70天。

2.2.1 GLASS LAI數(shù)據(jù)

GLASS LAI數(shù)據(jù)是國家863重點項目“全球陸表特征參量產(chǎn)品生產(chǎn)與應(yīng)用研究”發(fā)布的30年（1982-2011年）葉面積指數(shù)遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，時間分辨率為8天，1982年至1999年的葉面積指數(shù)產(chǎn)品基于AVHRR數(shù)據(jù)生產(chǎn)，空間分辨率為5公里？公里；2000年至2011年的葉面積指數(shù)產(chǎn)品基于MODIS數(shù)據(jù)生產(chǎn)，空間分辨率為1公里？公里，經(jīng)過國際通用站點測量數(shù)據(jù)驗證，其驗證精度優(yōu)于MODIS葉面積指數(shù)標準產(chǎn)品，經(jīng)過嚴格的質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)具有時間序列上連續(xù)、空間上完整等優(yōu)勢。

2.2.2 氣象站點降水數(shù)據(jù)

本文選用的降水數(shù)據(jù)集由中國氣象局提供，它主要包括分布在中國大陸區(qū)域的756個氣象站點的日降水數(shù)據(jù)，時間跨度為1951-2009年。這些站點大部分分布在中國的中部和東部地區(qū)，在新疆，青海和西藏等西部地區(qū)分布較為稀少。四川省共分布著遂寧，南充，雅安等53個氣象站點。

3 方法與結(jié)果

本文在對四川省2006年干旱事件的研究中，分別計算降水距平百分率與葉面積指數(shù)距平，將兩種方法獲取的干旱特征與實際情況相比較，考察GLASS LAI數(shù)據(jù)在干旱特征研究應(yīng)用中的可用性。

3.1 降水距平百分率-Pa

降水距平百分率是表征某時段降水量異常的方法之一，可以反映由于降水異常引起的干旱，本文利用降水距平百分率（Pa）的大小來作為干旱輕重的指標，并根據(jù)四川降水實際對降水距平百分率等級進行調(diào)整，確定月尺度干旱判定指標。其計算公式為：

（1）

式中：P為某時段降水量，P為計算時段同時期氣候平均降水量。

根據(jù)降水距平百分率獲取的干旱分布圖見圖1。

3.2 葉面積指數(shù)距平百分率-DLAI

LAI受到水分影響十分明顯，降水豐沛，則LAI高；干旱少雨，則LAI低。時間序列上的LAI平均值可以反映出土壤水分狀況，缺水時，植被生長受到抑制，造成當時LAI值較正常值偏低，本文定義了葉面積指數(shù)距平百分率反映土壤偏旱或偏濕的程度，用來確定各地的旱情等級。

葉面積指數(shù)距平百分率（DLAI）由GLASS LAI數(shù)據(jù)直接計算獲得，計算公式如下：

DLAI= （2）

其中，為2006年第i時刻的LAI值，作為背景參考值是2000年-2010年第i時刻的LAI平均值。按照正距平到負距平關(guān)系，劃分為濕潤到特旱。

根據(jù)葉面積指數(shù)距平百分率獲取的干旱分布圖見圖2。

3.3 結(jié)論

從圖1（a）可以看出，在2006年6月，四川省東北部區(qū)域降水偏少，南充、雅安和廣元附近地區(qū)旱情嚴重，四川省西部山區(qū)降水充沛；從圖2（a）可以看出葉面積指數(shù)距平指示的干旱區(qū)域主要分布在四川盆地西北邊緣地帶，主要集中在廣元，閬中，雅安，樂山附近，西部山區(qū)也呈現(xiàn)出干旱的狀況。

從圖1（b）可以看出，7月旱情嚴重區(qū)域東移，集中在遂寧，南充和資陽附近，盆地西北邊緣旱情緩解，西部山區(qū)輕旱區(qū)面積擴大；從圖2（b） 可以看出葉面積指數(shù)距平指示的干旱區(qū)域逐漸向東部轉(zhuǎn)移，集中在了盆地的東部和南部，廣元等地旱情緩解。與6月比較，中部旱區(qū)面積擴大，但嚴重程度下降。

從圖1（c）可以看出，8月旱情加重，除北部小區(qū)域濕潤外，四川省其它地方處于干旱狀態(tài)，尤其是東部區(qū)域的重旱區(qū)面積擴大，西部山區(qū)的旱情也有加重的趨勢；從圖2（c） 可以知道葉面積指數(shù)距平顯示四川省旱區(qū)整體有擴大的趨勢，且中、東部旱情在8月逐漸看出，四川省西北部石渠站點附近出現(xiàn)新的重旱區(qū)。

通過葉面積指數(shù)距平百分率與降水距平百分率兩種指標的比較，基于GLASS LAI數(shù)據(jù)的葉面積指數(shù)距平百分率可以反映四川省2006年夏季的這次干旱事件，東部地區(qū)旱情的識別準確度要高于西部山區(qū)，在東部盆地，葉面積指數(shù)距平對旱情嚴重程度的反應(yīng)偏輕。對于降水距平百分率顯示濕潤的西部山區(qū)，葉面積指數(shù)距平也反應(yīng)為干旱，可能是降水數(shù)據(jù)插值造成的。在計算降水距平百分率時，先用簡單克里金插值法將離散的氣象站點數(shù)據(jù)進行了插值處理，這種插值法僅考慮二維空間內(nèi)的分布，沒有考慮高程的影響，而氣象數(shù)據(jù)的實際分布不僅受經(jīng)緯度的影響，同時受高程影響。四川省東西部高差較大，且在西部山區(qū)存在雪山，地形對降水實際分布影響更大，這就造成了插值結(jié)果有效性偏低。

4 總結(jié)

降水距平百分率和葉面積指數(shù)百分率在指示干旱時，基本可以很好的匹配。對于有些降水距平百分率和葉面積指數(shù)反映結(jié)果不一致的現(xiàn)象，可能原因是：降水分辨率較為粗糙，且在計算降水距平百分率時先對降水數(shù)據(jù)進行了插值計算，降水數(shù)據(jù)的分布除受經(jīng)緯度的影響外，受高程影響也較大，但是在插值時沒有將高程的影響考慮進去，造成在高差較大區(qū)域插值結(jié)果有效性降低，這就造成在指示干旱時存在一定誤差?？傮w上來說，可以應(yīng)用GLASS LAI數(shù)據(jù)對干旱特征進行研究。

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