塔里木盆地南緣草原植被覆蓋度與昆玉市春季沙塵天氣發(fā)生情況的相關(guān)關(guān)系初探

王少杰，彭 建，李剛勇

（新疆維吾爾自治區(qū)草原總站，烏魯木齊 830049）

1 研究背景

昆玉市在2016 年由國務(wù)院批復(fù)設(shè)立，具有重要的政治意義和戰(zhàn)略地位。昆玉市地處塔里木盆地西南緣，中心位置為37°12′39.87″N，79°17′28.73″W，市中心東臨和田市約70 km。 該地區(qū)氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶曰哪畾夂?，干旱少雨，其中春季（即三月至五月）多發(fā)生沙塵天氣，沙塵天氣在很大程度上影響了該地區(qū)居民的日常生產(chǎn)生活。

根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《沙塵天氣等級》（GB/T 20480-2017，2017 年5 月12 日發(fā)布，2017 年12 月1 日實(shí)施），沙塵天氣按照地面能見度被劃分為五個級別，依次為浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴以及特強(qiáng)沙塵暴，昆玉市春季發(fā)生的沙塵天氣多屬于浮塵、揚(yáng)沙以及沙塵暴[1]。 近年來，很多研究者發(fā)現(xiàn)沙塵天氣的發(fā)生情況與周邊地區(qū)的植被覆蓋度存在一定的相關(guān)性[2,3,4,5]。 塔里木盆地南緣以荒漠和草原為主，草原類型主要是低地草甸類，主要植物為蘆葦、花花柴、甘草以及苔草等。 本文旨在通過研究塔里木盆地南緣草原植被與昆玉市春季沙塵天氣發(fā)生情況的相關(guān)關(guān)系， 為今后完善昆玉市沙塵天氣的預(yù)測預(yù)報模型提供基礎(chǔ)資料，并為塔里木盆地南緣草原生態(tài)修復(fù)工作提供參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 草原的選取

根據(jù)實(shí)際情況，選取北緯36°30′00″～39°30′0.0″，東經(jīng)75°40′00″～89°40′00″范圍內(nèi)的塔里木盆地南緣草原植被作為研究對象，進(jìn)行植被覆蓋度的計(jì)算。

2.2 氣象數(shù)據(jù)的處理

昆玉市的歷史氣象數(shù)據(jù)來源于www.ip138.com 網(wǎng)站，時間范圍為2016 年3 月1 日至2019 年7 月16日，數(shù)據(jù)類型包含天氣及溫度。選取2016 年至2019 年每年三月至五月的氣象數(shù)據(jù)作為研究對象，將天氣數(shù)據(jù)劃分為非沙塵天氣、浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴（特強(qiáng)沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴以及沙塵暴均歸為沙塵暴一類）四類；如果某日天氣出現(xiàn)非沙塵天氣與沙塵天氣之間的變化，則將其歸為相應(yīng)的沙塵天氣（例如浮塵轉(zhuǎn)多云，歸為浮塵）；如果某日天氣出現(xiàn)不同級別沙塵天氣之間的變化，則將其歸為較嚴(yán)重的沙塵天氣（例如揚(yáng)沙轉(zhuǎn)浮塵，歸為揚(yáng)沙）。

2.3 植被覆蓋度的計(jì)算

計(jì)算植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC）的原數(shù)據(jù)為MODIS 系列產(chǎn)品中的植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13A3，該產(chǎn)品空間分辨率為1 km，數(shù)據(jù)的時間范圍為2016 年至2019 年每年的3 月至5 月。

利用MRT 軟件（MODIS Reprojection Tool）處理上述原數(shù)據(jù)，處理流程包括拼接以及重投影。 利用Arcmap 及ENVI 等軟件對圖像進(jìn)行裁剪和NDVI 值的優(yōu)化（負(fù)值歸零）。

采用被廣泛使用的像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度[6]，計(jì)算公式為：

上述公式中，F(xiàn)VC 為所求像元的植被覆蓋度，NDVI 為所求像元的歸一化植被指數(shù)，NDVIsoil為無植被覆蓋或者全裸土像元的NDVI 值，NDVIveg則為被植被完全覆蓋像元的NDVI 值。 NDVIsoil和NDVIveg的計(jì)算公式為：

上述公式中，F(xiàn)VCmax和FVCmin分別為研究區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度的最大值和最小值，NDVImax和NDVImin分別為影像像元的最大NDVI 值和最小NDVI 值。 如果研究區(qū)域內(nèi)，可以近似認(rèn)為FVCmax=100%，F(xiàn)VCmin=0%，那么植被覆蓋度的公式可以變換為：

上述公式中，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值， 置信度的選擇根據(jù)實(shí)際情況確定。

最終算出某一時間影像所有像元植被覆蓋度的加權(quán)平均值，進(jìn)行相關(guān)性和顯著性分析。

2.4 相關(guān)性和顯著性分析

利用SPSS 軟件進(jìn)行2016 年至2019 年春季塔里木盆地南緣草原植被植被覆蓋度與昆玉市沙塵天氣天數(shù)的相關(guān)性和顯著性分析。 相關(guān)雙變量分析時，選取Pearson 作為相關(guān)系數(shù)，置信區(qū)間水平為95%，將分析結(jié)果中的Pearson Correlation（相關(guān)系數(shù)）和Sig（即P 值）分別作為相關(guān)性和顯著性的評價指標(biāo)；相關(guān)系數(shù)的絕對值大小分別代表相關(guān)性的大小， 絕對值相關(guān)系數(shù)的正負(fù)分別代表正相關(guān)和負(fù)相關(guān)；Sig 小于0.05 時為有顯著性意義，Sig 大于0.05 時為無顯著性意義，見表1。

表1 相關(guān)雙變量分析結(jié)果意義列表

3 結(jié) 果

通過計(jì)算，得到了研究時間范圍和空間范圍內(nèi)，植被覆蓋度和天氣情況的統(tǒng)計(jì)表（表2）。

從空間范圍來看，塔里木盆地南緣草原植被的覆蓋度總體上呈現(xiàn)西高東低的情況；不同年份相同月份的覆蓋度均呈現(xiàn)這一特征；同一年份不同月份的覆蓋度也呈現(xiàn)出西高東低的情況；昆玉市所處區(qū)域的覆蓋度較高。 從時間范圍來看，塔里木盆地南緣草原植被不同年份的3 月、4 月以及5 月的覆蓋度呈現(xiàn)高低高的情況，即3 月的覆蓋度高于5 月的覆蓋度，5 月的覆蓋度高于4 月的覆蓋度；這一情況可以通過對比相應(yīng)月份的覆蓋度加權(quán)平均值進(jìn)行量化；3 月的覆蓋度在37.9028%至40.3414%的范圍內(nèi)， 從2016 年2019 年呈現(xiàn)逐年上升的趨勢；4 月的覆蓋度在23.1687%至27.7716%的范圍內(nèi)，從2016 年2019 年呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，2018 年達(dá)到最大值，2019 年有所下降；5 月的覆蓋度在30.3497%至32.3795%的范圍內(nèi)，從2016 年2019 年表現(xiàn)為不規(guī)則的變化。

表2 2016 年至2019 年春季塔里木盆地南緣草原植被覆蓋度及昆玉市沙塵天氣天數(shù)統(tǒng)計(jì)表

將氣象數(shù)據(jù)按照非沙塵天氣、浮塵、揚(yáng)沙以及沙塵暴進(jìn)行發(fā)生天數(shù)的統(tǒng)計(jì)，時間為2016 年至2019 年每年三月至五月。 從數(shù)據(jù)來看，3 月的沙塵暴天氣天數(shù)均為0，3 月的非沙塵天氣天數(shù)一般高于4 月及5月（2016 年除外）；3 月的非沙塵天氣天數(shù)平均為18.75 d，4 月的非沙塵天氣天數(shù)平均為13.5 d，5 月的非沙塵天氣天數(shù)平均為14 d，3 月非沙塵天氣天數(shù)的平均值多于5 月，而5 月多于4 月；通過對不同年份之間春季（3 月至5 月）的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，2016 年的非沙塵天氣天數(shù)為42 d，2017 年非沙塵天氣天數(shù)為59 d，2018 年非沙塵天氣天數(shù)為44 d，2019 年非沙塵天氣天數(shù)為40 d， 其中2017 年春季非沙塵天氣天數(shù)明顯高于其他年份。

利用SPSS 軟件進(jìn)行相關(guān)性和顯著性分析，結(jié)果表明，沙塵暴天氣天數(shù)與植被覆蓋度存在顯著性意義上的相關(guān)性，呈負(fù)相關(guān)，即春季塔里木盆地南緣草原植被覆蓋度越高，昆玉市春季沙塵暴天氣的發(fā)生天數(shù)越少；揚(yáng)沙天氣天數(shù)與植被覆蓋度存在中等負(fù)相關(guān)，但不顯著；浮塵天氣天數(shù)與植被覆蓋度無相關(guān)性，無顯著性；非沙塵天氣天數(shù)與植被覆蓋度存在正相關(guān)，相關(guān)性強(qiáng)，具有顯著性意義，即春季塔里木盆地南緣草原植被覆蓋度越高，昆玉市春季非沙塵暴天氣的發(fā)生天數(shù)越多，見表3。

表3 相關(guān)雙變量分析結(jié)果

4 討 論

從分析結(jié)果來看，沙塵天氣的發(fā)生情況與植被覆蓋度存在一定的聯(lián)系。 其中沙塵暴天氣及非沙塵天氣的發(fā)生天數(shù)與植被覆蓋度密切相關(guān)； 其中沙塵暴天氣天數(shù)與植被覆蓋度存在顯著性意義上的相關(guān)性，呈負(fù)相關(guān)；非沙塵天氣天數(shù)與植被覆蓋度存在顯著性意義上的相關(guān)性，呈正相關(guān)。影響沙塵天氣發(fā)生的因素有很多，包括地表風(fēng)沙情況、風(fēng)力、風(fēng)向、降水量以及本研究中涉及到的植被覆蓋度等多種因素[1]；本研究從植被覆蓋度的角度展開研究， 研究結(jié)果在一定程度上表明春季塔里木盆地南緣草原植被覆蓋度越高，昆玉市春季的天氣情況越好，這說明在當(dāng)?shù)丶爸苓厖^(qū)域開展草原生態(tài)修復(fù)工作（包括補(bǔ)播改良、圍欄禁牧等等措施）是具有良好的生態(tài)效益和社會效益的，而且是非常有必要的；草原生態(tài)修復(fù)工作將有助于加強(qiáng)當(dāng)?shù)刂紊彻ぷ?，改善?dāng)?shù)厝司迎h(huán)境，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定。

但沙塵天氣的形成是與多因素有關(guān)，本研究角度單一，不夠全面，后續(xù)研究將從草原類型、植被種類以及草原土壤類型和土壤理化性質(zhì)等角度進(jìn)行深入探索。