黑龍江省大興安嶺地區(qū)植被生長與北極震蕩的關系

吳浩然，李繼紅

(東北林業(yè)大學 林學院，哈爾濱 150040)

黑龍江省大興安嶺地區(qū)植被生長與北極震蕩的關系

吳浩然，李繼紅*

(東北林業(yè)大學 林學院，哈爾濱 150040)

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)能夠較好的反映植被的生長狀況。根據(jù)2001-2015年NODIS/NDVI月值數(shù)據(jù)和北極震蕩數(shù)據(jù)，探究北極震蕩過程對黑龍江大興安嶺地區(qū)森林生長的影響，同時引入溫度因子，對這種影響的機制進行了初步探討，分析北極震蕩過程是如何影響黑龍江大興安嶺地區(qū)森林的生長。研究結果表明：黑龍江大興安嶺地區(qū)森林生長與數(shù)千里之外的北極震蕩過程具有較高的相關性。在生長季內(nèi)，3月的北極震蕩指數(shù)(AO)值和4月的NDVI值的決定系數(shù)為0.70，3月的北極震蕩指數(shù)(AO)值能夠解釋4月的NDVI值的70%的變化。此外，北極震蕩過程可以影響黑龍江大興安嶺地區(qū)的氣溫，而氣溫又能影響森林的生長，即北極震蕩過程可以通過影響黑龍江大興安嶺地區(qū)的氣溫進而影響黑龍江大興安嶺地區(qū)森林的生長。此研究為林業(yè)工作者提供了一個新穎的視角，對更好地管理和利用森林資源具有重要意義。

MODIS；北極震蕩；黑龍江大興安嶺；海洋過程

0 引言

森林生長在氣候變化中扮演重要角色，因為其對氣候變化存在潛在的反饋機制。另一方面，氣候變化也會直接通過改變森林生長環(huán)境的溫度、降水和日照輻射等因子來影響森林的生長[1]。黑龍江大興安嶺地區(qū)坐落于中國黑龍江省的東北部，區(qū)域內(nèi)有大量珍貴的森林資源，對該區(qū)域森林生長進行研究具有十分重要的意義。近年來，很多學者對黑龍江大興安嶺地區(qū)植被生長和氣候變化間的關系的進行了大量研究。國志興等利用1982至2006年黑龍江大興安嶺地區(qū)的NDVI數(shù)據(jù)和同期的氣象數(shù)據(jù)，對兩者之間的關系進行了研究[2]，研究發(fā)現(xiàn)黑龍江大興安嶺地區(qū)森林的生長與氣溫、降水存在較強的相關性，在一個溫暖濕潤的春季，黑龍江大興安嶺地區(qū)NDVI的平均值達到了0.45，這比在干旱寒冷的春季高約28.7%。李明澤等利用2000-2009年黑龍江大興安嶺地區(qū)的MODIS/NDVI月值數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，分析和檢測了該地區(qū)的NDVI年際變化及其與氣象因子的關系[3]，研究發(fā)現(xiàn)，當溫度在10～25 ℃時會促進森林NDVI增長，在5 ℃以下對NDVI變化無顯著影響。

北極震蕩是一種海洋動態(tài)過程，它能夠對幾千里外的陸地上的氣象過程產(chǎn)生影響[4-6]。Li等利用1982-2006年的NDVI數(shù)據(jù)和北大西洋震蕩(Northern Atlantic Oscillation，NAO)指數(shù)，探究了北半球高緯度地區(qū)植被生長與北大西洋震蕩之間的關系[7]，研究指出NAO能夠對北半球高緯度地區(qū)植被的生長產(chǎn)生影響。Gouveia等也研究了歐亞大陸的植被生長與NAO之間的關系，并且指出當NAO在冬季處于正相位時，通常會導致歐亞大陸的地區(qū)在接下來的春季氣溫較高，而較高的溫度又會促進春季植被的生長[8]。Li等使用經(jīng)驗正交函數(shù)(empirical orthogonal function，EOF)研究了這一問題并且得出了相同的結論[9]。

大興安嶺地區(qū)森林生長的年際變化與海洋過程，包括北冰洋震蕩、北大西洋震蕩等關系尚不明確，且之前學者在探究海洋過程對植被生長的影響時一般以半球尺度進行研究，尚缺乏在較小的尺度上對兩者的關系進行研究。因此，本研究采用黑龍江大興安嶺地區(qū)的2001-2015年的MODIS/NDVI數(shù)據(jù)和海洋過程數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)，對三者間的關系進行分析。通過本研究可以更好地了解黑龍江大興安嶺地區(qū)森林生長與海洋過程的關系，并進一步探究這種關系的機制，從而為林業(yè)部門提供一個全新的視角來對森林資源進行更好地管理和利用。

1 研究區(qū)概況

黑龍江大興安嶺地區(qū)位于中國黑龍江省東北部，地理坐標為121°11′～127°10′E，50°05′～53°34′N。黑龍江大興安嶺地區(qū)位置如圖1所示，面積約為3.32萬km2，包括漠河縣、塔河縣、呼瑪縣3個行政區(qū)[10]。該地區(qū)北臨俄羅斯，冬季到最低氣溫在零下30 ℃左右，夏季最高氣溫約為20 ℃。每年區(qū)域降水主要集中在4～8月，年降水總量約為500 mm。區(qū)域內(nèi)森林廣布，樹種主要以興安落葉松(Larixgmelinii)為主，樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、云杉(Piceaasperata)、白 樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(Quercusmongolica)和山楊(Populusdavidiana)等也有廣泛的分布。

圖1 黑龍江大興安嶺地區(qū)位置示意圖Fig.1 Geographic location of Daxinganling in Heilongjiang province

2 研究數(shù)據(jù)及方法

2.1 植被指數(shù)數(shù)據(jù)

NDVI數(shù)據(jù)能夠很好的反映植被的生長狀況[10-12]。本研究采用的NDVI數(shù)據(jù)是MODIS/NDVI月值數(shù)據(jù)，獲取時間段為2001-2015年，共180景。該套數(shù)據(jù)的空間分辨率是500m，時間分辨率是30d。NDVI數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http：//www.gscloud.cn)，數(shù)據(jù)提供方已對MODIS原始數(shù)據(jù)進行了幾何精校正，輻射校正和大氣校正等預處理，并且采用了最大值合成法(MVC)來進一步減少云、大氣和太陽高度角等的影響。采用ENVI5.2軟件，利用黑龍江大興安嶺地區(qū)的矢量邊界對180幅NDVI圖像進行裁剪，得到180幅黑龍江大興安嶺地區(qū)NDVI分布專題圖。圖2和圖3分別為黑龍江大興安嶺地區(qū)2009年3月和7月的NDVI分布情況。由圖2可知，黑龍江大興安嶺地區(qū)的NDVI值在3月分布在0～0.4之間，呈現(xiàn)出中間高，四周低的趨勢。與3月相比，7月黑龍江大興安嶺地區(qū)的大部分NDVI值比較高，集中在0.8以上。事實上，3月是一年中NDVI值最低的一個月，而7月是一年中最高的一個月。使用ENVI的統(tǒng)計工具，對180景NDVI月值數(shù)據(jù)進行了處理，對每一景數(shù)據(jù)求出整個區(qū)域的平均值，組成了黑龍江大興安嶺地區(qū)2001年至2015年NDVI月值的時間序列，結果如圖4所示。2001-2015年NDVI值具有明顯的周期性，即在一年中 3月NDVI值最低，之后NDVI值逐漸升高，7月達最大值，然后開始下降直至下一年的3月。值得注意的是，每一年的最高值差異不大，最低值卻變化很大。比如2003年的最低值約為0.40，是2004最低值0.10的約4倍。

圖 2 2009年3月黑龍江大興安嶺地區(qū)NDVI分布圖Fig.2 Distribution map of NDVI in Daxinganling in Heilongjiang province in March 2009

圖 3 2009年7月黑龍江大興安嶺地區(qū)NDVI分布圖Fig.3 Distribution map of NDVI in Daxinganling in Heilongjiang province in July 2009

2.2 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)包括黑龍江大興安嶺地區(qū)的漠河氣象站、塔河氣象站和新林氣象站的地面氣候標準值月值氣溫和降水數(shù)據(jù)。對氣象數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得到黑龍江大興安嶺地區(qū)的月平均氣溫。圖5描述了黑龍江大興安嶺地區(qū)的2001-2015年的月平均氣溫數(shù)據(jù)。與NDVI相似，平均氣溫也具有明顯的周期性。在一年內(nèi)，氣溫在1月達到最低值，然后逐漸升高，在7月達到最大值，隨后開始下降，直至下一年的1月。黑龍江大興安嶺地區(qū)1月的平均氣溫約為-26 ℃，夏季的平均溫度約為16 ℃，兩者相差約40 ℃。此外，夏季和冬季還存在明顯的年際變化特征。例如，在2011年夏季，氣溫達到了約18 ℃，這比2009年的夏季高了約5 ℃；在2002年冬季，氣溫達到了約-22 ℃，這比2012年冬季高了約8 ℃。

圖5 黑龍江大興安嶺地區(qū)2001-2015年月平均溫度 時間序列Fig.5 Time series of temperature over Daxinganling in Heilongjiang province between 2001 and 2015

2.3 海洋數(shù)據(jù)

北極震蕩是一個半球尺度的氣候變化過程，AO指數(shù)的大小代表其強弱。AO指數(shù)可以反映北半球的兩個區(qū)域的氣壓異常，其中一處位于北冰洋，而另一處位于北緯37°至北緯45°之間的區(qū)域[13-14]。當AO處于正相位時，北半球的冷空氣被限制在高緯度地區(qū)，從而導致北極地區(qū)變得更冷而北半球中緯度地區(qū)變的更加溫暖；當AO處于負相位時，北半球的冷空氣不再被限制在高緯度地區(qū)，而是南下到中緯度地區(qū)，從而導致北極地區(qū)變的更加溫暖而中緯度地區(qū)變得更加寒冷[15-17]。AO月值指數(shù)來源于美國國家氣象預測中(http：//www.cpc.ncep.noaa.gov/products)。圖6顯示了2001至2015年AO值的變化情況。15年間，AO在-4.4～2.4之間變化，年際間變化有很大不同。

圖6 2001-2015年逐月AO時間序列Fig.6 Time series of AO index between 2001 and 2015

2.4 研究方法

當AO出于正相位時，黑龍江大興安嶺地區(qū)的溫度通常會高于標準年份，而當AO處于負相位時，黑龍江大興安嶺地區(qū)則會變得比標準年份更寒冷。AO的變化可能影響研究區(qū)域的溫度變化，進而影響其森林的生長。因此，以2001-2015年黑龍江大興安嶺地區(qū)逐月的NDVI時間序列、溫度時間序列與AO時間序列數(shù)據(jù)為基礎數(shù)據(jù)，研究進行

AO對NDVI的影響。采用相關性分析的方法，分析每月的AO值與當月及之后月份的關系，并采用student’t 檢驗對結果進行驗證。同時引入黑龍江大興安嶺地區(qū)的月平均溫度變量，分析每月的AO對當月及以后月份的溫度的關系及每月的溫度對當月及以后月份的NDVI的關系，研究植被生長與北極震蕩的關系。

3 結果與分析

3.1NDVI與溫度的關系分析

為了研究溫度對植被活動的影響，利用黑龍江大興安嶺地區(qū)的平均氣溫數(shù)據(jù)和區(qū)域平均NDVI數(shù)據(jù)進行相關性分析，結果見表1。在3個不同的時期，溫度與NDVI都有很強的相關性。第一個是在生長期(3月和4月)，3月的溫度可以解釋35%的3月的NDVI的變化和45%的4月的NDVI的變化，4月的溫度可以解釋50%的4月的NDVI的變化。第二個鼎盛期(6月和7月)，在這一時期，NDVI的變化與溫度顯著相關。其中，5月的氣溫能夠解釋5月的NDVI的變化的48%和6月NDVI變化的62%； 6月的溫度能夠解釋7月的NDVI變化的50%，而7月的溫度則能夠解釋其變化的69%。第三個時期是衰退期(9月和10月)，在這一時期，10月的NDVI變化與5至10月的溫度都有較強的相關關系，相似的特征也能夠在11月的NDVI上發(fā)現(xiàn)。以4月的溫度異常和NDVI的關系為例，圖7顯示了這兩者之間的關系。當溫度從零度升至7度時，NDVI值從0.35升至0.50，增加的速度為0.023 ℃。

表1 溫度與NDVI的R2結果分布Tab.1 R2 between temperature and NDVI

注：* 為p< 0.05；橫坐標變量為每月的溫度；縱坐標為每月的NDVI

3.2AO與溫度之間的關系分析

表2顯示了AO與溫度間R2的結果分布。在春季，AO與溫度間存在顯著的相關關系。2月-4月兩者間的R2在0.30～0.61間變化。例如，2月的AO值能夠解釋3月溫度變化的61%。而3月的

AO值與3月、4月的氣溫間有顯著的相關關系。由表2可知，AO對黑龍江大興安嶺地區(qū)溫度的影響有1個月的滯后期。圖8顯示了3月的AO值與4月的溫度的散點圖。由圖8可知，3月的AO能夠解釋4月溫度變化的28%，顯著性水平為0.05。

圖8 黑龍江大興安嶺地區(qū)2001-2015年3月AO值與 4月平均溫度散點圖及擬合結果Fig.8 Scatterplots of the spatially averaged March AO and the April temperature shown over Daxinganling in Heilongjiang province from 2001 to 2015，with a least squares fit to the data表2 溫度與AO的R2結果分布Tab.2 R2 between temperature and NDVI

月份12345678910111210.210.210.210.210.210.130.010.010.010.020.240.0020.39*0.61*0.30*0.000.000.250.20.010.080.040.0430.32*0.28*0.000.030.110.050.050.020.130.0140.34*0.180.000.260.57*0.110.130.040.0950.000.200.010.040.030.000.010.32*60.000.020.000.020.070.000.0070.010.110.010.120.000.0080.10.140.210.000.0090.060.040.110.00100.250.130.02110.190.26120.08

注：* 為p< 0.05；橫坐標變量為每月的AO；縱坐標為每月的溫度

3.3AO與NDVI的關系分析

3月的AO值能夠解釋4月的NDVI值的70%的變化(表3)。然而，在其他月份兩者之間卻沒有顯著的關系，這是因為AO主要影響春季的溫度變化(見表2)。圖9為3月的溫度與4月的NDVI的散點圖。由圖9可知，3月的AO值可以解釋4月的NDVI值70%的變化，顯著性水平為0.01。研究結果表明，3月的溫度能夠影響研究區(qū)域的3月和4月的溫度，溫度則能進一步影響研究區(qū)域NDVI的變化。AO能夠通過影響黑龍江大興安嶺地區(qū)的溫度，進而影響黑龍江大興安嶺地區(qū)森林的生長，但影響約有一個月的延遲?；诒狙芯康臄?shù)據(jù)得出的結論Cho等人的結論相同[21-22]。

表3 AO與NDVI的R2結果分布Tab.3 R2 between AO and NDVI

注：* 為p< 0.05；橫坐標變量為每月的AO；縱坐標為每月的NDVI

圖9 黑龍江大興安嶺地區(qū)2001-2015年3月 AO值與4月NDVI散點圖及擬合結果Fig.9 Scatterplots of the spatially averaged April NDVI and the March AO is shown over Daxinganling in Heilongjiang province from 2001 to 2015，with a least squares fit to the data

4 結果與討論

本研究分析2010-2015年15年間的NDVI，氣象數(shù)據(jù)和北極震蕩月值數(shù)據(jù)，采用回歸分析、相關分析等方法，對三者之間的關系進行了分析，結果發(fā)現(xiàn)北極震蕩過程對黑龍江大興安嶺地區(qū)的森林生長過程有顯著的影響。3月的AO可以解釋4月的NDVI值70%的變化。并對這一影響機制進行了初步的分析：當AO處于正相位時，黑龍江大興安嶺地區(qū)的溫度一般會高于正常年份；當AO處于負相位時，黑龍江大興安嶺地區(qū)則會比正常年份更溫暖。而溫度則是影響黑龍江大興安嶺地區(qū)森林生長最重要的氣象因子。因此，AO主要通過影響黑龍江大興安嶺地區(qū)的氣溫，來影響其森林生長。探究AO對森林的生長問題對森林資源的建設和保護具有十分重要的意義。

對這種影響的機制的探討還處于認識階段。當AO處于負相位時，北極的冷空氣不在被局限在北極地區(qū)，它將南下進入北半球中高緯度地區(qū)(包括黑龍江大興安嶺)，使這些地區(qū)的氣溫降低，進而影響這些地區(qū)的森林生長。但是，在AO處于負相位時冷空氣影響的范圍并不確定，即它不一定影響某一地區(qū)。將在接下來的研究中進一步探究這種影響的機制。此外，其它海洋過程，比如厄爾尼諾和北大西洋震蕩，也有可能對黑龍江大興安嶺地區(qū)的森林生長產(chǎn)生影響，這些問題都有待進一步的研究。

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Effects of Arctic Oscillation on the Vegetation Growth OverDaxinganling in Heilongjiang Province

Wu Haoran，Li Jihong*

(School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040).

Normalized difference vegetation index(NDVI)can reflect the condition of vegetation growth.Using the monthly data of MODIS/NDVI between 2001 and 2015，contemporaneous data of temperature and Arctic Oscillation(AO)index，we investigate the influence of Arctic Oscillation process on the forest growth of Daxinganling in Heilongjiang province.Furthermore，the meteorological factors are introduced.The mechanism of this effect is discussed，and the influence of Arctic Oscillation on the growth of forest in Daxinganling in Heilongjiang province is analyzed.The results show that the growth of forest in Daxinganling in Heilongjiang province is related toAO，which is away from it at thousands of miles.During the growing season，theAOin March was able to account for 70% of theNDVIchange in April.In addition，the Arctic oscillation process can affect the temperature in Daxinganling in Heilongjiang province and the temperature can affect the growth of forests，so the Arctic oscillation process can affect the growth of forests in this area affected by the temperature.This study provides a new perspective for forestry workers to management and utilization of forest resources of great significance.

MODIS；Arctic Oscillation；Daxinganling in Heilongjiang province；Oceanic processes

2017-03-25

黑龍江省博士后基金資助(LBH-Z10279)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(2572014CB20)；哈爾濱市科技局應用技術研究與開發(fā)項目(2015RQQXJ071)

吳浩然，碩士研究生，研究方向：定量遙感。

*通信作者：李繼紅，博士，副教授，研究方向：定量遙感。E-mail：jihonglee2011@gmail.com

吳浩然，李繼紅.黑龍江省大興安嶺地區(qū)植被生長與北極震蕩的關系.森林工程，2017，33(3)：18-23.

S 152；S 718.5

A

1001-005X(2017)03-0018-06