嘉陵江流域NDVI年季變化特征及其與氣象因子的關(guān)系

王 剛，張行南，2，劉揚揚，夏達忠，2

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇南京 210098;2.河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇南京 210098)

氣候變化被認為是引發(fā)植被變化最主要的原因。歸一化差值植被指數(shù)(normalized different vegetation index，NDVI)是植物生長狀態(tài)和植被空間分布的指示因子，在一定程度上能代表地表植被覆蓋變化情況，因而研究氣象因子與NDVI的關(guān)系具有重要意義。20世紀90年代以來，國內(nèi)在NDVI與氣象因子相關(guān)關(guān)系方面進行了很多研究。劉綠柳等［1-2］研究了黃河流域不同植被類型的NDVI變化規(guī)律及其與降雨、氣溫的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明不同季節(jié)中不同的植被類型和氣象因子有一定的相關(guān)關(guān)系，流域內(nèi)草地、灌木的NDVI與降雨、氣溫相關(guān)關(guān)系顯著。王宏等［3-4］在研究東北森林不同植被類型與NDVI和氣象因子的相關(guān)關(guān)系時得出氣象因子是NDVI動態(tài)變化主要原因的結(jié)論，降雨是影響東北森林不同植被類型NDVI的主要因素。劉曉帆等［5］在研究老哈河流域NDVI與氣象因子相關(guān)關(guān)系中得出，月NDVI與氣溫、降雨之間有顯著正相關(guān)關(guān)系。王海軍等［6］研究西北干旱區(qū)NDVI對氣候變化的響應，結(jié)果表明西北地區(qū)年均NDVI與氣溫呈顯著正相關(guān)。Mao等［7］研究貴州地區(qū)NDVI與氣候變化的相關(guān)關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，氣溫和NDVI變化有著顯著關(guān)系。Potter等［8］研究發(fā)現(xiàn)氣象因子和NDVI有密切相關(guān)性，并且降雨、氣溫與NDVI的相關(guān)關(guān)系有一定的時滯性。此外，還有一些學者研究了水分與植被覆蓋的關(guān)系［9-10］。

以上研究在探討氣象因子對NDVI動態(tài)變化的作用時，主要選取氣溫和降雨作為氣象因子，對其他氣象因子考慮較少。然而日照對植被的生長也有重大的影響，且各個氣象因子之間存在一定的相互影響。在計算各個氣象因子與NDVI的相關(guān)關(guān)系中，應消除其他氣象因子對NDVI的影響。嘉陵江流域是長江流域重點產(chǎn)沙區(qū)之一，本文在分析嘉陵江流域NDVI變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用偏相關(guān)方法分析嘉陵江流域NDVI與氣溫、降雨以及日照時數(shù)的相關(guān)關(guān)系，揭示嘉陵江流域氣溫、降雨、日照時數(shù)對NDVI的驅(qū)動作用，并對NDVI與氣象因子以季為時滯時間間隔進行時滯相關(guān)分析。

1 研究區(qū)概況

嘉陵江發(fā)源于秦嶺南麓，向西南流經(jīng)陜西、甘肅、四川、重慶4省市，于重慶市朝天門碼頭注入長江。嘉陵江流域位于東經(jīng) 102°35'36″～109°01'08″，北緯29°17'30″～34°28'11″，流域面積約 16 萬 km2，占長江流域面積的9%，是長江水系流域面積最大的支流。流域內(nèi)地勢起伏劇烈，水資源充沛。

嘉陵江流域大部分地區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風氣候。多年平均最高氣溫為19.4℃，最低氣溫為4.3℃。在嘉陵江中下段的盆地地區(qū)，冬季溫暖多霧，霜雪少見;上游段山區(qū)則冬季寒冷，霜雪較多。春夏季節(jié)，流域內(nèi)降雨自東向西移動;若遇季風弱而遲，則西部常形成春旱和初夏干旱天氣。

流域上游為黃土區(qū)，中下游為紫紅色頁巖區(qū)。由于上游黃土區(qū)土質(zhì)疏松，中下游又易于風化，再加上岸坡很陡，墾耕過度，造成坡面侵蝕強烈，流域水土流失嚴重，侵蝕面積占流域面積的52.14%，是長江各大支流中水土流失較嚴重的地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 NDVI資料

GIMMS數(shù)據(jù)集的NDVI數(shù)據(jù)來自于美國國家航天航空局(NASA)全球監(jiān)測與模型研究組(global inventor modeling and mapping studies，GIMMS)發(fā)布的半月最大值合成(maximum value composites，MVC)數(shù)據(jù)［11］?？臻g分辨率為8 km×8 km，時間序列為1982年1月至2006年12月每15 d合成的NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)考慮了全球范圍內(nèi)各種因素對NDVI值的影響，并進行了衛(wèi)星傳感器不穩(wěn)定性校正，大氣氣溶膠、水蒸氣及云層覆蓋的影響校正，太陽天頂角和觀測角度的校正以及火山氣溶膠的校正，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2 氣象資料

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局，為1951—2006年全國752個基本、基準地面氣象觀測站及自動站的日志數(shù)據(jù)集，包括氣溫、降雨、日照時數(shù)和風速等數(shù)據(jù)。本文采用1982—2006年嘉陵江流域14個站點以及與嘉陵江流域臨近的6個站點的逐日氣象數(shù)據(jù)，包括日平均降雨量、日平均氣溫和日照時數(shù)等。氣象站點分布見圖1。

圖1 嘉陵江流域及其臨近氣象站點分布Fig.1 Jialing River Basin and meteorological stations

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理過程中，為了盡量消除云的影響，旬NDVI值采用國際上通用的MVC法獲取，并針對氣溶膠的影響對數(shù)據(jù)進行了大氣校正處理。在15 dNDVI值的基礎(chǔ)上，采用MVC法，得到研究區(qū)逐月NDVI值;對NDVI值求平均，得到春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)的季均和年均NDVI值。

根據(jù)20個氣象站點的氣象數(shù)據(jù)，在Gis軟件中采用泰森多邊形法對20個氣象站點的逐日降雨量、日平均氣溫及日照時數(shù)進行處理，得到嘉陵江流域的面降雨量、日平均氣溫及日照時數(shù)。對日平均氣溫進行逐季平均和逐年平均，得到春、夏、秋、冬的季均氣溫和年均氣溫。對逐日的面降雨量和日照時數(shù)進行逐季和逐年累積，得到春、夏、秋、冬的季降雨量、季日照時數(shù)和年降雨量、年日照時數(shù)。

3 分析方法

為了研究嘉陵江流域1982—2006年NDVI值升降的定量程度，需計算NDVI趨勢系數(shù)ryt。ryt定義為n年時間序列與自然序列的相關(guān)系數(shù):

式中:n——年數(shù);yi——第i年的要素值;——樣均值。ryt的正負反映了要素值在n年內(nèi)的線性增減趨勢［12］。

4 結(jié)果分析

4.1 年際NDVI值變化及其與氣象因子的關(guān)系

計算表明，嘉陵江流域25 a年均NDVI值整體上呈緩慢增加的趨勢，見圖2，這與劉洪皓等［13］的結(jié)論一致，說明嘉陵江流域植被覆蓋變化向好的方向發(fā)展。其中 NDVI最大值出現(xiàn)在2006年，最小值出現(xiàn)在1994年。最大值出現(xiàn)的年份也是年均氣溫和年日照時數(shù)最大的一年。

為了定量分析25 a來嘉陵江流域年際NDVI值對年降雨量、年均氣溫以及年日照時數(shù)的敏感性，運用統(tǒng)計分析方法，計算流域年均NDVI值與年降雨量、年均氣溫和年日照時數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)。

計算結(jié)果表明，年均NDVI值與年降雨量、年均氣溫和年日照時數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)都是正值，年均氣溫與年均NDVI值的相關(guān)系數(shù)較大，為0.405，年日照時數(shù)與年均NDVI值的偏相關(guān)系數(shù)為0.249，年降雨量和年均NDVI值的偏相關(guān)系數(shù)為0.202，表明年降雨量、年均氣溫和年日照時數(shù)都對嘉陵江流域植被的生長起促進作用，其中年均氣溫對年均NDVI值的敏感性最高，說明氣溫是影響嘉陵江流域植被生長的主要因素。

4.2 NDVI季節(jié)變化及其與氣象因子的相關(guān)分析

不同季節(jié)植被的覆蓋率不同，說明不同季節(jié)的NDVI值具有差異性。本文分析了1982—2006年嘉陵江流域每個季節(jié)NDVI值的變化趨勢，春、夏、秋、冬的ryt分別為0.587 9，-0.140 8，0.119 5，0.179 6。由此可以看出，不同季節(jié)嘉陵江流域NDVI值變化程度各不相同，春季NDVI值上升最大，植被覆蓋在春季改善最好，夏季NDVI有減小的趨勢，秋、冬季節(jié)NDVI值略有上升，但變化均不大。

本文采用偏相關(guān)系數(shù)和時滯偏相關(guān)系數(shù)來分析季降雨量、季平均氣溫和季日照時數(shù)對嘉陵江流域季平均NDVI值的影響，見表1。

從季降雨量與各個季節(jié)平均NDVI值的相關(guān)關(guān)系來看，夏季降雨量與季平均NDVI值的相關(guān)性最好，其偏相關(guān)系數(shù)和時滯偏相關(guān)系數(shù)最大，這是由于夏季植物的生長需要大量的水分，因而降雨越多，植被生長越好。春、秋、冬季降雨量與季平均NDVI值的相關(guān)性并不是很好，則是因為這些季節(jié)不是植物主要的生長季節(jié)，嘉陵江流域又雨水充足，故而雨水對植被的影響不是很大。

圖2 嘉陵江流域1982—2006年年均NDVI值隨時間變化Fig.2 Variation of annual average NDVI in Jialing River Basin during period from 1982 to 2006

表1 不同季節(jié)NDVI平均值與氣象因子的偏相關(guān)系數(shù)和時滯偏相關(guān)系數(shù)Table 1 Partial correlation coefficients and lag partial correlation coefficients between seasonal average NDVI and meteorological factors

從整體上看，季平均NDVI值與季平均氣溫在各個季節(jié)的偏相關(guān)系數(shù)都高于季平均NDVI值與季降雨量以及季日照時數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)，說明氣溫是影響嘉陵江流域植被生長的主要因素。從季平均氣溫與季平均NDVI值的相關(guān)性上看，其偏相關(guān)系數(shù)大體為負值，尤其是在夏季，其負的相關(guān)性更加明顯，而年均NDVI值與年均氣溫的偏相關(guān)系數(shù)為正值。這主要是因為植被的最佳生長溫度在一段溫度內(nèi)波動，溫度過高或者過低都影響植被的生長，故而夏季季平均NDVI值與季平均氣溫呈負的相關(guān)性。

季日照時數(shù)與季平均NDVI值的偏相關(guān)系數(shù)較好，都為正值，說明一定的日照時數(shù)總能很好地促進植物的生長。從表1可以看出，春季日照時數(shù)與季平均NDVI值的偏相關(guān)性最好，這是由于春季是植物開始生長的季節(jié)，而春季的日照時數(shù)不是很多，故而植物在春季對日照時數(shù)較為敏感。

從表1還可以看出，不同季節(jié)NDVI值和氣象因子的敏感性也不相同。春季平均NDVI值與季降雨量以及季日照時數(shù)的時滯偏相關(guān)系數(shù)較小，而與季平均氣溫時滯相關(guān)性以及季日照時數(shù)的零時滯相關(guān)關(guān)系較顯著，說明在春季，植物的生長受上個季節(jié)氣溫的影響較大，氣溫的累積效果和本季的日照時間對植物的生長都起到一定的促進作用。夏季平均NDVI值與季降雨量的相關(guān)關(guān)系較為顯著，從表1可以看出季平均NDVI值與季降雨量的零時滯相關(guān)關(guān)系以及時滯相關(guān)關(guān)系都較好，這在一定程度上說明春季和夏季的降雨都對植被的改善起到促進作用。夏季平均氣溫與季NDVI值的零時滯偏相關(guān)系數(shù)和時滯偏相關(guān)系數(shù)為負值，這是由于嘉陵江流域有一部分植被為非喜溫植被，夏季溫度過高，反而影響了植物的生長。秋季平均NDVI值與氣溫的時滯相關(guān)關(guān)系以及日照時數(shù)的零時滯相關(guān)關(guān)系更顯著，表明在秋季，植被一方面受上個季度氣溫的影響較大，另一方面也受本季的日照影響較大。冬季平均NDVI值與各個氣象因子的相關(guān)關(guān)系基本都為正相關(guān)，與各個氣象因子的相關(guān)系數(shù)也基本相同，這是由于:(a)冬季流域內(nèi)降雨、氣溫以及日照時數(shù)都達到最小，植物的生長需要更多的降雨、更高的溫度以及更長的日照，從而在表1中表現(xiàn)出冬季平均NDVI值與各個氣象因子呈正相關(guān)。(b)冬季并不是植物生長旺盛的季節(jié)，因而平均NDVI值對各個氣象因子的敏感性不是很強，故而與各個氣象因子的相關(guān)系數(shù)基本相同，且各個偏相關(guān)系數(shù)不大。

5 結(jié) 論

a.1982—2006年嘉陵江流域年均NDVI值總體上呈增長趨勢，表明嘉陵江流域植被覆蓋率有所提高。在春季、秋季和冬季，NDVI值呈增大趨勢，其中春季NDVI值增大趨勢最明顯，夏季NDVI值有一定減小趨勢。

b.流域年際NDVI值與年降雨量、年均氣溫和年日照時數(shù)都呈正相關(guān)，其中和氣溫的相關(guān)系數(shù)最高，其偏相關(guān)系數(shù)為0.405，降雨量和日照時數(shù)與NDVI值的偏相關(guān)系數(shù)在0.2左右，表明嘉陵江流域氣溫是影響植被變化的主要自然因素。

c.嘉陵江流域季平均NDVI值隨氣溫、降雨量的變化存在滯后現(xiàn)象，尤其是春、夏、秋季。日照時數(shù)和NDVI值相關(guān)關(guān)系在各個季節(jié)中都較穩(wěn)定，變化不大。春季，嘉陵江流域植被受上季度氣溫和本季度日照時數(shù)影響較大。夏季，植被的生長受氣溫、降雨量、日照時數(shù)的影響都較大，NDVI值隨氣溫、降雨量和日照時數(shù)的變化都存在明顯滯后現(xiàn)象。秋季，植被受日照時數(shù)影響較為明顯，同時隨氣溫的變化存在滯后現(xiàn)象。冬季，不處于植被的生長期，因而NDVI值與氣溫、降雨、日照時數(shù)的相關(guān)性都不明顯。

d.本文研究嘉陵江流域氣象因子與NDVI值相關(guān)關(guān)系時，主要選取降雨量、氣溫以及日照時數(shù)3個氣象因子，忽略了其他氣象因子對NDVI值影響。因此，研究氣象因子對NDVI值變化的貢獻率成為進一步分析氣象因子與NDVI值關(guān)系的重要問題。

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