近年來長江流域植被指數(shù)變化規(guī)律及氣候因素影響研究

于志磊，秦天玲，章數(shù)語，史婉麗

（中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京100038）

近年來長江流域植被指數(shù)變化規(guī)律及氣候因素影響研究

于志磊，秦天玲，章數(shù)語，史婉麗

（中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京100038）

基于2000—2011年長江流域MODIS數(shù)據(jù)以及流域內(nèi)204個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫和降水資料，以像元作為計(jì)算單元，運(yùn)用空間插值、相關(guān)分析等方法，以長江流域及其階梯分區(qū)為研究對(duì)象分析對(duì)應(yīng)植被NDVI、降水和氣溫的年際動(dòng)態(tài)及相關(guān)性，探究流域植被指數(shù)變化的主要影響因素。結(jié)果表明：（1）近年來長江流域植被NDVI時(shí)空變化規(guī)律顯著。時(shí)間上，NDVI平均值的變化大?。旱?階梯＞第3階梯＞長江流域＞第1階梯?？臻g上，長江流域植被NDVI階梯分區(qū)差異性顯著。（2）長江流域及其各階梯內(nèi)的降水與氣溫存在較強(qiáng)的時(shí)空可變性。（3）長江流域植被NDVI變化與降水量呈負(fù)相關(guān)，與氣溫呈顯著正相關(guān)。不同階梯內(nèi)，植被NDVI變化與降水基本上保持負(fù)相關(guān)，而與氣溫均呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)。近年來長江流域陸生生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋整體保持平穩(wěn)態(tài)勢(shì)；溫度是該流域植被生長更為重要的制約因子。

NDVI；降水；氣溫；長江流域；階梯分區(qū)；相關(guān)分析

1 研究背景

流域生態(tài)系統(tǒng)是尺度較大且綜合性更強(qiáng)的生態(tài)系統(tǒng)類型，具有由自然、社會(huì)與經(jīng)濟(jì)多組分耦合的復(fù)雜性，同時(shí)又因其特殊的發(fā)育條件與演化進(jìn)程，受到人為強(qiáng)烈而長期的干擾［1］。而植被，作為生態(tài)系統(tǒng)的存在之基，在生物化學(xué)循環(huán)和水循環(huán)中，都起到了重要作用［2-3］。而歸一化植被指數(shù)（Normal Difference Vegetation Index，簡稱NDVI）是目前最為常用的表征植被生長變化狀況的指數(shù)，能在較大時(shí)空尺度上反映植被覆蓋信息［4-6］。近年來，隨著全球氣溫持續(xù)升高以及人類活動(dòng)不斷加劇，長江流域的生態(tài)環(huán)境問題日漸突出，主要表現(xiàn)為草地退化、土地石漠化、水土流失、生物多樣性銳減，等［3，7］。長江流域作為我國第一大流域，其植被覆蓋在水土涵養(yǎng)、徑流調(diào)節(jié)等方面具有不可估量的作用［7］，是維系長江流域、毗鄰地區(qū)乃至全國生態(tài)平衡不可缺少的重要屏障。本研究從時(shí)效性上更新了植被NDVI數(shù)據(jù)，對(duì)典型流域（長江流域）近年植被生長狀況有了新的認(rèn)識(shí)，這對(duì)了解長江流域當(dāng)?shù)刂脖婚L勢(shì)情況，保護(hù)當(dāng)?shù)?、毗鄰地區(qū)乃至全國生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)的影響；同時(shí)，根據(jù)流域內(nèi)植被與降水、氣溫之間的相關(guān)性分析，對(duì)植被生長變化規(guī)律進(jìn)行歸因分析，從而為合理布置植被空間布局，優(yōu)化國土資源利用提供科學(xué)導(dǎo)向。

2 研究區(qū)域概況

長江干流總長度約6 300 km，是世界第三大河流。長江流域的地理位置為E90°32′8″—E121°54′9″，N24°27′41″—N35°45′10″，海拔介于1～7 076 m之間，高低海拔相差懸殊，且流域平均海拔為1 608.32 m（圖1）。作為我國第一大流域，從行政區(qū)劃角度，長江流域橫貫我國東、中、西部3大經(jīng)濟(jì)區(qū)共計(jì)19個(gè)?。ㄖ陛犑?、自治區(qū)），流域面積為17.81萬km2，約占我國陸地總面積的18.76%；從地形角度，長江流域橫跨我國西高東低3大階梯，流域內(nèi)的耕地面積超過48萬km2，約占我國耕地總面積的26.89%，是我國主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。長江流域是典型的季風(fēng)氣候流域，年降水量和氣溫時(shí)空分布極其不均；其多年（2000—2011年）平均年降水量為1 101.7 mm，多年（2000—2011年）平均氣溫為11.4℃。

圖1 長江流域DEM、河流水系及分區(qū)

3 數(shù)據(jù)來源及研究方法

3.1 植被（NDVI）數(shù)據(jù)以LPDAAC/NASA（The Land Processes Distributed Active Archive Center）所提供的中分辨率成像光譜儀MODIS合成的12年（2000—2011年）月尺度、空間分辨率為1 km的植被ND?VI柵格數(shù)據(jù)作為長江流域及其各分區(qū)內(nèi)植被長勢(shì)變化分析的主要數(shù)據(jù)源。

植被歸一化指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，簡稱NDVI）是目前應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù)，與植被的分布呈線性相關(guān)，是植被生長狀態(tài)和空間分布的最佳指示因子［3，8］。因此，基于MRT（Modis Reprojection Tool）對(duì)MODIS植被指數(shù)數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換，合成所需的月尺度下的NDVI柵格數(shù)據(jù)，利用長江流域矢量邊界裁切獲得每年月尺度序列的植被NDVI影像數(shù)據(jù)?；诿磕暝鲁叨认碌腘DVI數(shù)據(jù)計(jì)算獲取NDVI年值［9］，具體計(jì)算如下：

式中：i是月序號(hào)；NDVIi是第i月的植被指數(shù)值；n是一年的月數(shù)，n=12。

3.2 氣象數(shù)據(jù)依照中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的長江流域204個(gè)氣象站點(diǎn)近年（2000—2011年）日平均氣溫和日降水?dāng)?shù)據(jù)，利用Arc.GIS10.2計(jì)算各站點(diǎn)年氣溫值和年降水值，根據(jù)克里金插值方法［10］將氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)展布到長江流域上得到年尺度、空間分辨率為1 km的氣溫和降水柵格數(shù)據(jù)。

3.3 分區(qū)數(shù)據(jù)依據(jù)我國地勢(shì)的三級(jí)階梯分界，將長江流域劃分為3個(gè)分區(qū)，即第1階梯分區(qū)、第2階梯分區(qū)和第3階梯分區(qū)；基于ArcGIS10.2平臺(tái)，統(tǒng)計(jì)長江流域及不同分區(qū)內(nèi)植被NDVI變化、年降水量以及年氣溫均值作為該區(qū)的值。

3.4 相關(guān)性分析對(duì)長江流域及其3個(gè)分區(qū)內(nèi)植被NDVI與對(duì)應(yīng)氣象因素（降水、氣溫）之間的相關(guān)性進(jìn)行分析［10-12］，綜合分析長江流域及3個(gè)分區(qū)內(nèi)植被NDVI對(duì)氣候因子（主要是降水和氣溫）變化響應(yīng)。相關(guān)系數(shù)公式如下：

式中和分別代表兩因子樣本值的平均值，即，

需要指出的是，rxy是因子x和y之間的相關(guān)系數(shù)，表示不同兩因子間的相關(guān)性大小的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，該指標(biāo)的取值區(qū)間為［-1，1］。另外，rxy＞0為正相關(guān)，rxy＜0為負(fù)相關(guān)，且rxy的絕對(duì)值越大則表明x和y的相關(guān)性越密切。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 流域內(nèi)年平均NDVI的時(shí)空演變?nèi)鐖D2（a）所示，時(shí)間上，根據(jù)長江流域及其各分區(qū)內(nèi)植被NDVI的年內(nèi)平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2000—2011年長江流域及其不同分區(qū)內(nèi)植被ND?VI的年際變化特征顯著。NDVI平均值大小變化：第2階梯分區(qū)＞第3階梯分區(qū)＞長江流域＞第1階梯分區(qū)。長江流域NDVI平均值在0.5以上，整體呈現(xiàn)微增長趨勢(shì)。第2階梯分區(qū)內(nèi)的植被NDVI最大，基本保持在0.6以上，起伏變化基本與長江流域NDVI的變化保持一致，變幅較小。第3階梯分區(qū)內(nèi)的植被NDVI略低于第2階梯分區(qū)。第1階梯分區(qū)內(nèi)的植被NDVI基本維持在0.4左右，且在2005年至2008年變幅較大，出現(xiàn)峰值。

空間上，選取植被NDVI多年平均值展布到空間上，如圖2（b）。從空間分布上可以看出，長江流域及其不同分區(qū)內(nèi)植被NDVI階梯差異性顯著，且階梯分區(qū)的分界處植被NDVI變化走勢(shì)基本與地勢(shì)階梯分界線保持一致。各階梯分區(qū)內(nèi)植被NDVI空間變化與其年際變化規(guī)律類似，第2階梯分區(qū)＞第3階梯分區(qū)＞第1階梯分區(qū)。各階梯分區(qū)內(nèi)植被NDVI也具有一定程度上的空間差異性：第1階梯分區(qū)內(nèi)植被NDVI自西至東依次由低到高變化，第2階梯分區(qū)內(nèi)植被NDVI分布相對(duì)均勻，最高達(dá)0.8以上，第3階梯分區(qū)內(nèi)植被NDVI分布整體降低，局部地區(qū)較高。

圖2 長江流域及不同階梯分區(qū)的年均NDVI變化及空間分布

4.2 流域內(nèi)年平均氣溫、年平均降水的時(shí)空動(dòng)態(tài)長江流域及其不同階梯分區(qū)年均氣溫、年均降水的年際變化如圖3，降水與氣溫存在較強(qiáng)的時(shí)空可變性，與先前的研究結(jié)果相吻合［13］。從圖3（a）可見，氣溫年際動(dòng)態(tài)變化相對(duì)平穩(wěn)；不同分區(qū)內(nèi)的氣溫變化：第3階梯分區(qū)＞第2階梯分區(qū)＞長江流域＞第1階梯分區(qū)。長江流域平均溫度基本保持在11℃左右，最低平均溫度為10.90℃，最高平均溫度為11.89℃。第3階梯分區(qū)內(nèi)年際平均氣溫保持在16.45℃～17.41℃之間，氣溫相對(duì)較高。第2階梯分區(qū)內(nèi)的氣溫變化范圍為13.63℃～14.58℃。第1階梯分區(qū)氣溫波動(dòng)相對(duì)較大，呈現(xiàn)一定的升溫趨勢(shì)，波動(dòng)范圍保持在0.33℃～1.81℃之間。

從圖3（b）可見，降水年際波動(dòng)變化顯著；不同分區(qū)內(nèi)的降水變化：第3階梯分區(qū)＞第2階梯分區(qū)、長江流域＞第1階梯分區(qū)。長江流域整體降水動(dòng)態(tài)變化與第2階梯分區(qū)內(nèi)的降水動(dòng)態(tài)變化基本保持一致，降水量在1 000 mm左右。第3階梯分區(qū)內(nèi)的年際平均降水基本維持在1 333.76 mm左右，在2002年與2010年出現(xiàn)降水極值，降水量分別為1 706.47 mm和1 616.92 mm。第1階梯分區(qū)內(nèi)年際降水量明顯最小，降水量在626.06 mm上下浮動(dòng)。

空間上，多年平均氣溫空間分布如圖4（a）所示，氣溫東高西低的特征顯著，不同階梯分區(qū)間的氣溫分界線與地勢(shì)階梯界線基本相吻合。階梯內(nèi)氣溫分布各具特征，第1階梯分區(qū)內(nèi)氣溫普遍偏低；第3階梯分區(qū)內(nèi)氣溫普遍較高；第2階梯分區(qū)內(nèi)氣溫分布不均，其中四川盆地氣溫較高，周邊地區(qū)氣溫相對(duì)較低。多年平均降水空間分布如圖4（b）所示，其空間分布特性與多年平均氣溫空間分布基本保持一致，東部多雨西部少雨態(tài)勢(shì)顯著。不同階梯分區(qū)的分界線處降水量多變，第1階梯分區(qū)和第2階梯分區(qū)的過渡區(qū)降水量變異性顯著，而第2階梯分區(qū)和第3階梯分區(qū)之間的過渡區(qū)降水量分異性不顯著。分析原因，氣溫與降水的時(shí)空多變，受地勢(shì)海拔變化的影響顯著。

圖3 長江流域及不同階梯分區(qū)的多年平均氣溫和降水變化（2000—2011年）

圖4 長江流域及不同階梯分區(qū)的多年平均氣溫和降水的空間分布（2000—2011年）

4.3 年平均植被NDVI與降水、氣溫之間的相關(guān)性長江流域植被NDVI與降水量、氣溫之間的相關(guān)性分析結(jié)果如表1。分析表明，長江流域植被NDVI與降水量呈負(fù)相關(guān)，與氣溫呈正相關(guān)，且前者相關(guān)性不顯著，后者相關(guān)性顯著。長江流域植被覆蓋對(duì)氣溫的響應(yīng)明顯大于其對(duì)降水量的要求，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相吻合［7］。分析原因可能是由于長江流域自身水量豐沛，所以植被生長對(duì)降水量的要求相對(duì)較低，而對(duì)氣溫的要求則偏高。第1階梯分區(qū)內(nèi)植被NDVI與降水量呈負(fù)相關(guān)，與氣溫呈正相關(guān)。該階梯分區(qū)的地勢(shì)海拔較高，平均在4 005.23 km左右，因此，植被生長對(duì)氣溫的要求高于對(duì)降水的要求。氣溫對(duì)該區(qū)域植被的生長具有一定的限制性，也與其他學(xué)者的研究結(jié)果相吻合［10］。第2階梯分區(qū)內(nèi)植被NDVI與降水量呈負(fù)相關(guān)，與氣溫呈顯著正相關(guān)。該階梯分區(qū)海拔驟降，平均在1 092.06 m左右，故而與第1階梯分區(qū)相比較，對(duì)氣溫的要求降低；同時(shí)該區(qū)域內(nèi)水系豐富，水量充沛，植被對(duì)降水的要求相關(guān)性也隨之降低。第3階梯分區(qū)內(nèi)，植被NDVI與降水量呈現(xiàn)微弱的正相關(guān)，其原因可能是該區(qū)域人類活動(dòng)劇烈，隨之社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，生產(chǎn)、生活用水量顯著高于生態(tài)用水量，故而該地區(qū)植被NDVI對(duì)降水量呈現(xiàn)出一定需求；與氣溫呈顯著正相關(guān)。

表1 相關(guān)性檢驗(yàn)

5 結(jié)論

基于2000-2011年的MODIS/NDVI數(shù)據(jù)和氣象資料，結(jié)合長江流域階梯區(qū)劃，分析了長江流域及其各階梯分區(qū)內(nèi)植被NDVI、降水和氣溫之間的年際動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和相關(guān)性特點(diǎn)，具體結(jié)論如下：

（1）近年來，長江流域植被NDVI時(shí)空演替規(guī)律性顯著。時(shí)間上，植被NDVI平均值大小變化為：第2階梯分區(qū)＞第3階梯分區(qū)＞長江流域＞第1階梯分區(qū)?？臻g上，長江流域植被NDVI呈現(xiàn)出顯著的階梯差異性，且階梯分區(qū)的分界處植被NDVI變化走勢(shì)基本與階梯分界線保持一致。

（2）長江流域及其各階梯分區(qū)內(nèi)的降水與氣溫存在較強(qiáng)的時(shí)空可變性。時(shí)間上，氣溫年際變動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，降水年際波動(dòng)顯著；空間上，氣溫東高西低，降水東多西少的特點(diǎn)顯著，不同階梯分區(qū)內(nèi)的氣溫和降水分界線與地勢(shì)階梯界線基本相吻合。

（3）長江流域植被NDVI與降水量呈負(fù)相關(guān)，與氣溫呈正相關(guān)，前者相關(guān)性不顯著，后者相關(guān)性顯著。不同階梯分區(qū)內(nèi)，植被NDVI與降水基本上保持負(fù)相關(guān)，而與氣溫均呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)。

總得來說，氣溫是長江流域植被生長的制約性因子，由于該流域水系豐富、水量豐沛，故而降水對(duì)該流域內(nèi)植被生長的制約性偏低。

［1］李春艷，鄧玉林.我國流域生態(tài)系統(tǒng)退化研究進(jìn)展［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2009，28（3）：535-541.

［2］Schimel D S.Terrestrial biogeochemical cycles：Global estimate with remote［J］.Remote sensing of Environ?ment，1995，51：49-56.

［3］于秀娟，燕琴，劉正軍，等.三江源區(qū)植被覆蓋度的定量估算與動(dòng)態(tài)變化研究［J］.長江流域資源與環(huán)境，2013，22（1）：66-74.

［4］Carlson T N，Ripley D A.On the relation between NDVI，fractional vegetation cover，and leaf area index［J］.Re?mote Sensing of Environment，1997，62（3）：241-252.

［5］Zhou L，Tucker C J，Kaufmann R K，et al.Variations in northern vegetation activity inferred from satellite data of vegetation index during 1981 to 1999［J］.Journal of Geophysical Research.Atmospheres（1984-2012），2001，106（D17）：20069-20083.

［6］李輝霞，劉國華，傅伯杰.基于NDVI的三江源地區(qū)植被生長對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)研究［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31（19）：5495-5504.

［7］白淑英，王莉，史建橋.長江流域NDVI對(duì)氣候變化響應(yīng)的時(shí)滯效應(yīng)［J］.中國農(nóng)業(yè)氣象，2012，33（4）：579-586.

［8］Lunetta R S，Knight J F，Ediriwickrema J，et al.Land-cover change detection using multi-temporal MODIS ND?VI data［J］.Remote Sensing of Environment，2006，105：142-154.

［9］姜麗光，姚治君，王蕊，等.金沙江梯級(jí)水電開發(fā)區(qū)NDVI時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因子研究［J］.資源科學(xué)，2014，36（11）：2431-2441.

［10］劉少華，嚴(yán)登華，史曉亮，等.中國植被NDVI與氣候因子的年際變化及相關(guān)性研究［J］.干旱區(qū)地理，2014，37（3）：480-489.

［11］毛德華，王宗明，宋開山，等.東北多年凍土區(qū)植被NDVI變化及其對(duì)氣候變化和土地覆被變化的響應(yīng)［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2011，31（2）：283-292.

［12］孫紅雨，王常耀，牛錚，等.中國植被覆蓋變化及其與氣候要素關(guān)系—基于NOAA時(shí)間序列數(shù)據(jù)［J］.遙感學(xué)報(bào)，1998，2（3）：204-210.

［13］仙魏，邵懷勇.長江上游安寧河流域植被生長變化對(duì)氣候條件的響應(yīng)［J］.國土資源遙感，2015，27（3）：108-113.

temswith Applications，2010，37（2）：1784-1789.

Vibration parameter development prediction of pumped storage unit based on VMD

FAN Yulin1，GUI Zhonghua1，WANG Mingfang1，AN Xueli2
（1.Technology Center State Grid Xinyuan Company LTD.，Beijing100161，China；
2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China）

A vibration parameter development prediction method of pumped storage unit based on moving least square response surface（MLSRS）and variational mode decomposition（VMD）is proposed.The ML?SRS is adopted to construct health condition assessment model of pumped storage unit vibration parameter. Then VMD method is applied to decompose nonlinear vibration parameter time series of unit into several stable components.According to different features of each component，LS-SVM or GM（1，1）is selected to predict them respectively.Finally，predicted results of each component are added up to obtain the pre?dicted results of original vibration parameter time series.The results of real vibration data show that the pre?diction model is effective and of high-accuracy.

pumped storage unit；vibration parameter；development prediction；moving least square response surface；variational mode decomposition

P461.7

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.05.008

1672-3031（2016）05-0362-05

（責(zé)任編輯：楊虹）

2016-01-27

科技惠民計(jì)劃項(xiàng)目“南水北調(diào)中線工程丹江口庫區(qū)鄖縣面源污染治理與飲水安全保障綜合示范”

于志磊（1989-），女，山東濰坊人，碩士生，主要從事區(qū)域生態(tài)水文方面的研究。E-mail：yuzhilei569@sina.com

秦天玲（1986-），女，山東淄博人，博士，高級(jí)工程師，主要從事水文水資源及生態(tài)水文等方面的研究。

E-mail：tianling406@163.com