近17年新疆干旱時(shí)空分布特征及影響因素

黃 靜,張 運(yùn),3*,汪明秀,王 芳,湯 志,何 好

1 安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 蕪湖 241003 2 資源環(huán)境與地理信息工程安徽省工程技術(shù)研究中心, 蕪湖 241003 3 自然災(zāi)害過(guò)程與防控安徽省省級(jí)重點(diǎn)研究室, 蕪湖 241003

干旱是一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害[1],具有波及范圍廣、發(fā)展速度緩慢、受災(zāi)面積大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)[2],將給農(nóng)業(yè)、林業(yè)以及社會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,并破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定,導(dǎo)致水文水分循環(huán)的不均衡性[3]。遙感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)地區(qū)的大面積、有效、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的旱情監(jiān)測(cè),使得對(duì)干旱區(qū)的旱情監(jiān)測(cè)有了突破性的轉(zhuǎn)變,主要的遙感監(jiān)測(cè)干旱的方法有熱慣量法[4]、作物缺水指數(shù)法[5]、標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)法[6]、標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散指數(shù)法[7]、溫度植被干旱指數(shù)法[8]和微波遙感法[9]等,其中溫度植被干旱指數(shù),是基于植被指數(shù)和地表溫度為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)來(lái)反映干旱狀況,對(duì)已發(fā)生旱災(zāi)的區(qū)域具有較好的解釋能力[10],由于溫度植被干旱指數(shù)是基于植被狀況來(lái)反映地區(qū)干旱,因此在無(wú)植被覆蓋或較低植被覆蓋區(qū)會(huì)出現(xiàn)無(wú)值現(xiàn)象。溫度植被干旱指數(shù)是Sandholt等[8]提出的簡(jiǎn)化的Ts-NDVI特征空間。許多學(xué)者利用溫度植被干旱指數(shù)法進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè),都取得了較好的研究效果[11- 13]。朱小強(qiáng)等[14]以MODIS溫度和植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)反演了TVDI,驗(yàn)證了TVDI可以有效地反映土壤水分,且精度較高,并認(rèn)為在新疆的艾比湖地區(qū)干旱狀態(tài)有加重趨勢(shì)。薄燕飛等[15]利用溫度植被干旱指數(shù)分析了2005—2014年河北省春季干旱時(shí)空變化特征,認(rèn)為TVDI可以很好地反映河北省春季干旱時(shí)空變化特征,并未對(duì)其進(jìn)行影響因素分析。陳斌等[16]證明了TVDI可以在時(shí)間上監(jiān)測(cè)旱情變化,同樣適用于草原地區(qū)。劉立文等[17]以MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了TVDI可以很好的反映吉林省的農(nóng)業(yè)干旱狀況,認(rèn)為不同時(shí)期采用不同的植被指數(shù)會(huì)有更好的反演結(jié)果。Liang等[18]利用MODIS數(shù)據(jù)來(lái)獲取TVDI,分析了2001—2010年中國(guó)干旱的時(shí)空分布狀況,采用相關(guān)分析進(jìn)行影響因素分析,認(rèn)為在中國(guó)北部及西北部干旱主要受日照時(shí)間所影響。姚春生等[19]利用MODIS數(shù)據(jù)獲取TVDI來(lái)反演新疆土壤濕度,以野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證,證明了TVDI可以用于新疆地區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)。NASA團(tuán)隊(duì)發(fā)布的MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)集,為溫度植被干旱指數(shù)模型提供了數(shù)據(jù)來(lái)源,其高時(shí)空分辨率、廣泛的覆蓋面積為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大范圍地區(qū)的干旱狀況提供了可能性,國(guó)內(nèi)學(xué)者基于MOD11和MOD13數(shù)據(jù)利用溫度植被干旱指數(shù)法,分析陜西省2000—2015年春季旱情時(shí)空分布,并取得了較好的研究結(jié)果[20]。吳欣睿等[21]采用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)松嫩平原的土壤濕度狀況進(jìn)行了時(shí)序研究,證明了MODIS數(shù)據(jù)反演出的TVDI與土壤相對(duì)濕度的總體上相關(guān)性較好。

新疆位于中緯度地區(qū)的歐亞大陸腹地,是受全球變化影響最大的地區(qū)之一[22],受自然地理位置等因素影響,新疆干旱災(zāi)害頻發(fā),有學(xué)者也對(duì)新疆干旱的時(shí)空變化特征進(jìn)行研究[23- 24],但多是基于點(diǎn)數(shù)據(jù),或?qū)Χ虝r(shí)間序列進(jìn)行研究,對(duì)大規(guī)模長(zhǎng)期序列的監(jiān)測(cè)較少。因此,基于MOD11地表溫度、MOD13植被指數(shù)以及氣象資料,采用溫度植被干旱指數(shù)法,分析了新疆干旱的時(shí)空變化特征及其影響因素,可以為防治干旱提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1研究區(qū)與數(shù)據(jù)1.1研究區(qū)概況

圖1 新疆土地利用類型和氣象站點(diǎn)分布 Fig.1 Land use type and distribution of meteorological stations in Xinjiang Province

新疆位于中國(guó)西北邊陲,地理范圍介于 73°29′54″—96°23′3″E、 34°20′11″—49°10′55″N之間(圖1),土地面積為1640011.03km2[25],是中國(guó)占地面積第一大省區(qū)。全省地貌形態(tài)多樣,北部阿爾泰山,南部昆侖山-阿爾金山,天山橫貫于新疆中部,三大山脈之間是準(zhǔn)格爾盆地和塔里木盆地。受地理位置和地形影響,新疆是典型的溫帶大陸性氣候,夏季短暫,冬季漫長(zhǎng)而寒冷,冷熱差異較大。新疆土地利用類型以未利用土地為主,受地形和氣候因素的影響,新疆的耕地類型基本全為旱地,主要分布在各大綠洲和山前沖洪積扇地區(qū),主要耕作的作物類型為小麥、棉花、高粱及各種瓜果,其中新疆的經(jīng)濟(jì)作物棉花在全國(guó)占有重要地位。近17年來(lái),年均氣溫約為9.72℃,年均降雨量約為117.8mm。水資源匱乏,降雨量少,使得干旱成為新疆主要的自然災(zāi)害,且災(zāi)害范圍廣,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),成災(zāi)面積大,對(duì)社會(huì)及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)造成的損失較大[2]。

1.2 數(shù)據(jù)

地表溫度(Land Surface Temperature,LST)數(shù)據(jù)集(MOD11A2)是利用MODIS數(shù)據(jù)的第31波段和第32波段采用劈窗算法[26]反演的結(jié)果,空間分辨率1km,時(shí)間分辨率8天,是NASA MOD11數(shù)據(jù)的最新版本V006,本文使用的是新疆2000—2016年HDF格式的MOD11A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品,下載地址為http://www.ntsg.umt.edu/project/mod11。歸一化植被指數(shù)(Normailized Difference Vegetation Index,NDVI)用來(lái)反映植被生長(zhǎng)狀況,本文是用的是2000—2016年MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品(MOD13A2),為16天合成的1km空間分辨率數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)版本是V006,下載地址為 http://www.ntsg.umt.edu/project/mod13。利用MRT(MODIS Reprojection Tools)工具提取LST和NDVI數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)的拼接、裁剪以及投影轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理,采用均值合成法將LST8天數(shù)據(jù)產(chǎn)品合成16天產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)與NDVI像元柵格之間的匹配。

土地利用類型數(shù)據(jù)為2000年、2005年、2010年、2015年新疆維吾爾自治區(qū)1∶10萬(wàn)的土地覆蓋數(shù)據(jù)(圖1),來(lái)源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)字共享平臺(tái)(http://www.geodata.cn),依據(jù)新疆土地利用方式及分類精度需求,將研究區(qū)的土地利用類型合并為6個(gè)一級(jí)地類,分別為耕地、草地、林地、水域、城鎮(zhèn)用地和未利用土地。

氣溫和降雨數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)集是中國(guó)基準(zhǔn)、基本氣象站1951年以來(lái)中國(guó)各氣象基準(zhǔn)站的月值數(shù)據(jù)集,其中新疆境內(nèi)有68個(gè)氣象觀測(cè)站臺(tái),通過(guò)反距離權(quán)重法對(duì)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值成面狀數(shù)據(jù),空間分辨率為1km。土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集,其中新疆內(nèi)有52個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站點(diǎn),采樣深度包括10、20、50、70、100cm。諸如自然因素和人為因素等原因,導(dǎo)致土壤觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)是缺失的。在綜合了數(shù)據(jù)的連續(xù)有效性和國(guó)家指定的干旱檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)上,選擇2008年的6月與7月20cm土壤相對(duì)濕度觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)作為TVDI反演精度的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。氣溫、降雨以及土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/)。

2 研究方法

2.1 溫度植被干旱指數(shù) TVDI

溫度植被干旱指數(shù)是Sandholt等[8]人在Price[27]和Carlson[28]研究的基礎(chǔ)上提出, TVDI模型可用于模擬研究區(qū)土壤干旱狀況,為科學(xué)研究干旱分布狀況提供了理論依據(jù)[19],其模型公式如下：

(1)

Dry=a+b×NDVI,Wet=c+d×NDVI

(2)

式中,TVDI值在0—1之間,值越小,表示該地區(qū)越濕潤(rùn),反之則干旱越嚴(yán)重,Ts是圖像像元的地表溫度,Dry表示特征空間的干邊,Wet表示特征空間的濕邊a、b、c、d分別為干邊和濕邊的線性擬合方程系數(shù)。

2.2 分析方法

2.2.1趨勢(shì)分析

利用線性傾向估算TVDI的時(shí)間趨勢(shì),隨著時(shí)間的變化,TVDI可表現(xiàn)為序列上升或下降趨勢(shì)、空間分布變化,采用趨勢(shì)分析法對(duì)2000—2016年TVDI年際變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,基于柵格像元的計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

式中,B為線性傾向值,TVDIi為第i年的溫度植被干旱指數(shù),t為年份,n=17,當(dāng)B>0時(shí),隨著時(shí)間t增加,TVDI呈上升趨勢(shì),反之,TVDI呈下降趨勢(shì),TVDIc為TVDI的變化率(%)。

2.2.2相關(guān)性分析

相關(guān)分析可以揭示兩個(gè)或兩個(gè)以上的要素間相互關(guān)系的密切程度,利用基于像元的相關(guān)分析法分別計(jì)算TVDI與氣溫、降雨的偏相關(guān)系數(shù),偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(5)

式中,Rxy,z表示固定自變量z之后因變量x與自變量y的偏相關(guān)系數(shù)。Rxy,Rxz,Ryz為兩變量的相關(guān)系數(shù),顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)法。

為了研究溫度植被干旱指數(shù)與降雨和氣溫之間的相關(guān)關(guān)系,采用復(fù)相關(guān)分析法,計(jì)算公式如下：

(6)

式中,Rx,yz表示因變量x和自變量y、z的復(fù)相關(guān)系數(shù),其相關(guān)性檢驗(yàn)采用F檢驗(yàn)法。

3 結(jié)果與分析

3.1 干旱檢測(cè)結(jié)果檢驗(yàn)

農(nóng)氣站點(diǎn)所測(cè)得的20cm土壤相對(duì)濕度被國(guó)家氣象局作為旱情的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[29],因此國(guó)內(nèi)學(xué)者[16,30]通過(guò)擬合溫度植被干旱指數(shù)TVDI與20cm土壤相對(duì)濕度的關(guān)系來(lái)測(cè)試TVDI監(jiān)測(cè)干旱的準(zhǔn)確性,結(jié)果表明,TVDI能夠有效地反映研究區(qū)的干旱情況。Sha等[31]證明了TVDI與20cm土壤相對(duì)濕度有很好的相關(guān)性。為了保證遙感數(shù)據(jù)檢測(cè)干旱狀況結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)基于MOD11和MOD13數(shù)據(jù)計(jì)算得到的溫度植被干旱指數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。圖2為2008年6月與7月新疆境內(nèi)有效的土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)23個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)與溫度植被干旱指數(shù)的擬合結(jié)果圖,由圖2可知：溫度植被干旱指數(shù)與土壤相對(duì)濕度之間有一定的線性關(guān)系。由TVDI與20cm土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析可知,兩者之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)Sig分別為0.015和0.002,通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn),因此,基于MOD11和MOD13數(shù)據(jù)計(jì)算的溫度植被干旱指數(shù)可用于新疆干旱監(jiān)測(cè)。為了定量描述以中等分辨率成像光譜儀的歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品和陸地表面溫度產(chǎn)品為基礎(chǔ)計(jì)算的溫度植被干旱指數(shù)和20cm土壤相對(duì)濕度所代表的干旱程度,以國(guó)家氣象局將土壤相對(duì)濕度劃分的農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[29,32],以及張順謙等[33]用溫度植被干旱指數(shù)劃分的干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),表1列出了按土壤相對(duì)濕度及溫度植被干旱指數(shù)劃分的干旱等級(jí)。

圖2 2008年6月與7月溫度植被干旱指數(shù)與土壤相對(duì)濕度的擬合Fig.2 Fit between TVDI and soil relative humidity in June and July, 2008

表1 干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.2 TVDI的空間分布特征

圖3 新疆2000—2016年平均干旱空間分布 Fig.3 Spatial distributions of average drought types in Xinjiang Province during 2000—2016

圖4 新疆2000—2016年TVDI變化百分率 Fig.4 Percentage change of TVDI in Xinjiang Province during 2000—2016

2000—2016年新疆近17年TVDI均值空間分布具有較強(qiáng)的地域分異性(圖3),呈現(xiàn)天山山脈以北及昆侖山脈地區(qū)較濕潤(rùn),塔里木盆地地區(qū)較干旱。就整體而言,新疆TVDI多年均值為0.751,處于中旱級(jí)別,盆地地區(qū)干旱狀況較嚴(yán)重,該地區(qū)降雨量少,植被稀疏,土壤涵養(yǎng)水分的能力較低,生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)能力弱,生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性易受到影響。其中：處于無(wú)旱等級(jí)的面積主要分布在阿勒泰山地區(qū)、天山地區(qū)以及昆侖山系地區(qū),多為耕地和草地分布區(qū)域,占新疆地域面積的12.75%。輕旱地區(qū)的面積主要分布在天山以北地區(qū)、克孜勒蘇柯?tīng)柨俗蔚貐^(qū)以及喀什南部、和田南部及巴音郭勒南部地區(qū),土地利用類型以草地和林地為主,占新疆地域面積的11.77%。中旱地區(qū)的面積占新疆地域面積8.33%,主要分布在卡拉瑪依,哈密北部,阿克蘇中北地區(qū),克孜勒蘇柯?tīng)柨俗蔚貐^(qū)以及喀什中南部、和田中南及巴音郭勒的中南部地區(qū)。重旱地區(qū)的面積占新疆地域面積11.65%,分布在塔里木盆地,吐魯番以及哈密中南部地區(qū)。特旱地區(qū)的面積占新疆地域面積6.23%,主要分布在巴音郭勒中部,吐魯番以及哈密南部。其中較濕潤(rùn)的地區(qū)主要特點(diǎn)是水資源相對(duì)較好,植被覆蓋度高,土壤涵水能力較好。從圖4中可以觀察到,2000—2016年新疆TVDI的變化百分率介于-34.57%—17.46%之間,年平均變化百分率為2.069%,大部分地區(qū)TVDI的變化百分率大于0,主要集中在在0—10%之間,占新疆地域面積的40.36%,主要分布在昆侖山系,天山地區(qū),吐魯番以及哈密地區(qū)；TVDI變化百分率處于-10%—0之間的面積占10.16%,主要分布在阿克蘇中東部,巴音郭勒西南部,表明該地區(qū)具有干旱減弱的趨勢(shì)；其中,TVDI變化百分率在10%以上的面積占0.15%,主要分布在伊犁哈薩克南部地區(qū),表明其干旱化傾向較為嚴(yán)重。

圖5 新疆各季節(jié)的TVDI空間分布Fig.5 Spatial distributions of TVDI in Xinjiang Province during seasons

由于受到季節(jié)性太陽(yáng)輻射、氣溫、降雨、地形、空氣濕度以及植被類型等多種因素影響,新疆不同季節(jié)TVDI的空間分布狀況差異顯著(圖5)。春季(3月至5月)TVDI的范圍在0.534—0.973之間,春季溫度逐漸回升,植物進(jìn)入返青生長(zhǎng)期,所需水分增加,從旱情的空間分布上看,阿勒泰山區(qū)、天山山區(qū)、昆侖山區(qū)較為濕潤(rùn),主要原因是高山積雪消融,給河流補(bǔ)給了水源,使得該地區(qū)水資源較為充足。夏季(6月至8月)TVDI的范圍為0.642—0.978,夏季氣溫高,降雨量少,且多為植被覆蓋密度較低的地區(qū),水分蒸發(fā)量大,是一年中干旱最為嚴(yán)重的季節(jié),從空間分布上看,除高海拔地區(qū)相對(duì)較為濕潤(rùn)以外,其他地區(qū)均處于重旱或特旱狀態(tài)。秋季(9月至11月)TVDI值在0.342—0.949之間,秋季氣溫下降,水分蒸發(fā)量降低,植被生長(zhǎng)所需水分減少,高海拔地區(qū)伴有降雪出現(xiàn),補(bǔ)給了水源,山區(qū)土壤含水量增加,TVDI值降低。冬季(12月至2月)TVDI值范圍為0.091—0.875,冬季氣溫最低,蒸騰作用弱,新疆部分地區(qū)受積雪補(bǔ)給水源,且植被多處于休眠狀態(tài),所需水份較低,是一年中濕潤(rùn)度最高且受干旱范圍面積最小的季節(jié),只有塔里木盆地的部分地區(qū)處于干旱狀態(tài)。綜上所述,天山以北地區(qū)易出現(xiàn)春旱和夏旱,天山以南地區(qū)易出現(xiàn)春旱、夏旱以及秋旱,塔里木盆地中部地區(qū)常年處于干旱狀態(tài),因大面積地區(qū)長(zhǎng)期處于較干旱地區(qū),新疆多為耐旱型經(jīng)濟(jì)作物。

3.3 TVDI的時(shí)間變化特征

多年間干旱一直是新疆最主要的自然災(zāi)害,通過(guò)統(tǒng)計(jì)新疆各市年際溫度植被干旱指數(shù)變化可知：TVDI呈現(xiàn)波動(dòng)減小趨勢(shì),多年均值為0.751,最大值在2013年,為0.777,最小值在2001年,為0.728,表明新疆整體上長(zhǎng)期處于中旱等級(jí)狀態(tài),生態(tài)環(huán)境較為脆弱。此外,根據(jù)新疆2000—2016年間各市的TVDI年際變化(圖6)可知,各市TVDI多年均值相差不大,由小到大依次為伊犁哈薩克(0.629)<阿勒泰(0.630)<博爾塔拉(0.652)<塔城(0.672)<烏魯木齊(0.675)<昌吉(0.680)<克孜勒蘇柯?tīng)柨俗?0.687)<克拉瑪依(0.756)<喀什(0.771)<巴音郭勒(0.780)<和田(0.781)<阿克蘇(0.786)<哈密(0.791)<吐魯番(0.827),新疆各市干旱狀況不同,大部分地區(qū)處于干旱狀態(tài),伊犁哈薩克、阿勒泰和博爾塔拉處于無(wú)旱狀態(tài),其中伊犁哈薩克的TVDI值最低,主要因?yàn)橐晾绻_克地處天山北部的伊犁河谷內(nèi),降雨量較為充沛,植被覆蓋度高,地域水資源較為豐富,使得該地區(qū)常年較為濕潤(rùn),塔城、烏魯木齊、昌吉和克孜勒蘇柯?tīng)柨俗翁幱谳p旱狀態(tài),耕地多分布在無(wú)旱和輕旱地區(qū),卡拉瑪依、喀什、巴音郭勒、和田、阿克蘇和哈密處于中旱狀態(tài),吐魯番TVDI值最高,處于重旱狀態(tài),主要因?yàn)橥卖敺仟?dú)特的暖溫帶大陸性干旱沙漠氣候,日照時(shí)間長(zhǎng),晝夜溫差大,降雨量低,水資源稀缺,植被覆蓋率低,極端的水分和氣候條件使得該地區(qū)常年較為干旱,其獨(dú)特的地理與氣候條件,在有限的耕地面積條件下,使得該地區(qū)的主要作物種植類型為復(fù)播和套種,主要的經(jīng)濟(jì)作物為棉花和瓜果類作物。

圖6 新疆各市TVDI年際變化Fig.6 Annual variations of TVDI of cities in Xinjiang Province during 2000—2016

新疆各地(州)TVDI年內(nèi)月變化有明顯的波動(dòng)(圖7),各地(州)年內(nèi)溫度植被干旱指TVDI整體上呈現(xiàn)先增加后減小的“單峰型”趨勢(shì),1—2月緩慢增加,2—4月急劇上升,在4月達(dá)到年內(nèi)峰值,4—8月小幅波動(dòng)保持平穩(wěn),8—10月緩慢下降,10—12月呈急劇降低的趨勢(shì),具有明顯的季節(jié)差異性。究其原因,1—4月溫度逐漸回升,蒸散量增加,植物逐漸進(jìn)入返青期,生長(zhǎng)所需的水分達(dá)到最大,從而導(dǎo)致土壤含水量降低,TVDI值增加；4—8月溫度上升至全年的最大值,蒸散量增加,土壤含水量蒸發(fā)量達(dá)到最大,但新疆境內(nèi)高山上的積雪消融,給河流進(jìn)行水源補(bǔ)給,使得土壤含水量達(dá)到一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)；8—12月溫度逐漸降低,蒸散量降低,植物生長(zhǎng)所需水分減少,土壤含水量增大,TVDI值降低。

圖7 新疆各市TVDI年內(nèi)月變化Fig.7 Monthly variations of TVDI of cities in Xinjiang Province

3.4 土地利用類型干旱及干旱類型變化分析

圖8 新疆2000—2016年不同土地利用類型TVDI變化 Fig.8 Annual variations of TVDI over difference types of land use in Xinjiang Province during 2000—2015

通過(guò)對(duì)新疆2000—2015年不同土地利用類型TVDI均值變化(圖8)進(jìn)行分析可知,新疆不同土地利用類型的TVDI變化情況整體上呈現(xiàn)波動(dòng)增加的趨勢(shì),除林地外,林地呈現(xiàn)波動(dòng)減小的趨勢(shì),不同土地利用類型的TVDI均值差異明顯,表現(xiàn)為林地(0.678)<草地(0.697)<建筑用地(0.739)<耕地(0.741)。新疆地區(qū)水資源匱乏,耕地的作物類型主要以小麥、棉花、高粱等為季節(jié)性人為種植植被,建筑用地的綠化植被也為人為種植植被,且耕地一般在建筑用地周圍,受人類活動(dòng)影響較大,就地勢(shì)、地形、水資源等自然環(huán)境條件而言相對(duì)一致,耕地和建筑用地的生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,相對(duì)較弱,土壤涵養(yǎng)水分的能力弱,相對(duì)較為干旱,不同土地利用類型干旱化傾向較為嚴(yán)重的是草地,每年增長(zhǎng)量0.0005,林地逐漸趨于較濕潤(rùn)狀態(tài),干旱狀況減輕,林地多分布在海拔較高地區(qū),水資源較豐富,每年的變化量與草地相同,就對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性而言,林地的土壤涵養(yǎng)水分能力比草地較高,有利于減弱干旱環(huán)境的脆弱性。

新疆不同土地利用類型的TVDI年內(nèi)變化整體上呈現(xiàn)先降低后增加的單峰趨勢(shì)(圖9),受區(qū)域地理環(huán)境及自然氣候狀況的影響,不同土地利用類型年內(nèi)的TVDI值變化趨于一致。其中未利用土地以沙地、戈壁和裸巖石礫地為主,主要分布在北疆準(zhǔn)格爾盆地的古爾班通古特沙漠、南疆塔里木盆地的塔克拉瑪干沙漠和東部的庫(kù)木塔格沙漠等地,氣候極端惡劣,全年除冬季,氣溫低,水份蒸發(fā)量少,處于無(wú)旱狀況,春夏秋三季皆因氣候和下墊面因素的影響處于干旱狀態(tài)。因受地形及資源環(huán)境的限制,耕地的干旱化傾向,加重了對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的影響,就耕地類型而言,水資源的合理調(diào)配需求更為突出。

圖9 不同土地利用類型TVDI年內(nèi)變化Fig.9 Monthly variations of TVDI of difference land use types

圖10 2000、2008和2016年干旱類型面積統(tǒng)計(jì)Fig.10 The areas of drought types in 2000,2008 and 2016

利用新疆2000年、2008年和2016年干旱類型分布圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到2000年—2016年間干旱類型變化情況,各干旱類型占地面積相差不多,如圖10所示,無(wú)旱類型、中旱類型、重旱類型以及特旱類型均發(fā)生顯著性變化,輕旱類型面積總體變化較小,無(wú)旱類型面積整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì),中旱類型、重旱類型以及特旱類型面積呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。如表2所示： 2000年至2016年新疆干旱類型轉(zhuǎn)移總面積為551087.95km2,占新疆地域總面積33.60%,其中中旱等級(jí)轉(zhuǎn)移面積最多,轉(zhuǎn)移面積為178077.99km2,主要轉(zhuǎn)移為輕旱等級(jí)和重旱等級(jí),分別占中旱等級(jí)轉(zhuǎn)移總面積40.98%和50.17%,無(wú)旱等級(jí)轉(zhuǎn)移面積最少,轉(zhuǎn)移面積為39861.37km2,主要轉(zhuǎn)移為輕旱等級(jí),占無(wú)旱等級(jí)轉(zhuǎn)移面積96.33%。新疆近17年干旱類型轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在輕旱類型與無(wú)旱類型,輕旱類型與中旱類型,重旱類型與中旱類型,重旱類型與特旱類型,主要是以無(wú)旱類型轉(zhuǎn)入和輕旱類型、中旱類型、重旱類型、特旱類型轉(zhuǎn)出為主要特點(diǎn)的干旱類型轉(zhuǎn)移。

表2 新疆干旱類型變化轉(zhuǎn)移面積矩陣/km2

“*”表示未發(fā)生類型轉(zhuǎn)變,“—”表示無(wú)數(shù)值或者數(shù)值很小

3.5 TVDI變化的影響因素分析

新疆2000—2016年均降雨量在14.8—531.5mm之間,多年均值為117.8mm,2000—2016年均降雨量逐漸增加,變化率為1.38mm/a；降雨量從新疆北部到南部呈現(xiàn)減小趨勢(shì),分布不均,阿勒泰山區(qū)和天山地區(qū)的降雨較多,尤其是伊犁哈薩克和烏魯木齊地區(qū),降雨量最多,塔里木盆地地區(qū)降雨較少。新疆近17年的平均氣溫在-3.35—16.02℃之間,多年均值為9.72℃,氣溫呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì),變化率為-0.036℃/a,氣溫多年平均空間分布呈現(xiàn)分布不均的現(xiàn)象,氣溫較低的地區(qū)分布在阿勒泰山區(qū)以及天山地區(qū),新疆中部盆地地區(qū)的氣溫較高。

以逐像元計(jì)算所獲取的2000— 2016年的TVDI與年均降雨量、年均氣溫的偏相關(guān)系數(shù)(圖11)來(lái)定量分析氣象因子對(duì)溫度植被干旱指數(shù)TVDI的影響,其中,溫度植被干旱指數(shù)TVDI對(duì)氣象因子的響應(yīng)表現(xiàn)出顯著的空間差異性。TVDI與年均降雨量的偏相關(guān)系數(shù)介于-0.896—0.892之間(圖11),統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,TVDI與年均降雨量呈正相關(guān)相關(guān)的面積占總面積的68.13%,主要分布在天山以北的北疆區(qū)域和昆侖山脈周邊區(qū)域,呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要集中在吐魯番和巴音郭勒東北部地區(qū)；通過(guò)對(duì)偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)表明,研究區(qū)有17.07%的區(qū)域通過(guò)了P<0.01水平的t顯著性檢驗(yàn),多分布在山系及山系周邊地區(qū)和巴音郭勒地州。由TVDI與年氣溫之間的偏相關(guān)空間分布特征(圖11)可知,TVDI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)介于-0.869—0.78之間,其中呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的面積占總面積的31.33%,主要集中分布在克孜勒蘇柯?tīng)柨俗?、伊犁哈薩克中部、博爾塔拉西部、克拉瑪依、巴音郭勒西北部以及哈密地區(qū),而正相關(guān)區(qū)域集中分布在山系等高海拔地區(qū)；對(duì)TVDI-氣溫的偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),有0.06%的區(qū)域通過(guò)了P<0.01水平的t顯著性檢驗(yàn),零星分布在各河流及山系周邊地區(qū)。TVDI與降雨-氣溫的復(fù)相關(guān)空間分布狀況如圖11所示,TVDI與氣象因子的復(fù)相關(guān)系數(shù)集中在0—0.898之間,復(fù)相關(guān)性較強(qiáng)的區(qū)域分布在昆侖山脈、阿克蘇中北部、哈密東部及烏魯木齊地區(qū),采用F檢驗(yàn)法對(duì)復(fù)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn),有1.85%通過(guò)了P<0.05的顯著性檢驗(yàn),多零星分布在山區(qū)、哈密東部部分及烏魯木齊區(qū)域,該區(qū)域多為山麓及河流周邊地區(qū),水資源相對(duì)較多,草地覆蓋密度高,受氣溫、降雨影響較為顯著。

圖11 2000—2016年氣象因子變化對(duì)TVDI的影響Fig.11 Effects of climate factors change on TVDI in Xinjiang Province during 2000—2016

由2000—2016年的氣溫、降雨量變化趨勢(shì)以及TVDI年際變化趨勢(shì)可知,新疆年均降雨量呈現(xiàn)增加趨勢(shì),年均氣溫呈現(xiàn)減低趨勢(shì),年際TVDI卻呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),具有干旱化的傾向,從TVDI的驅(qū)動(dòng)因子分布狀況(圖11)中可以看出,研究區(qū)內(nèi)大部分的干旱影響因子是受非氣象因子的驅(qū)動(dòng),受氣溫和降雨的影響較低,主要是因?yàn)?新疆深處亞歐大陸腹地,近17年來(lái),雖然降雨量呈現(xiàn)增加趨勢(shì),但年均降雨量?jī)H為117.8mm,無(wú)法深程度的補(bǔ)給水源,氣溫雖呈現(xiàn)波動(dòng)減小的趨勢(shì),但變化率每年在0.036℃,沒(méi)有大幅度變化,使得研究區(qū)內(nèi)的水分蒸發(fā)量減小甚微,由此可知,新疆地區(qū)氣溫及降雨量的變化對(duì)TVDI影響較低,區(qū)域位置及氣候類型等非氣象因子對(duì)TVDI影響較高。

4 結(jié)論

利用MOD11和MOD13數(shù)據(jù)反演溫度植被干旱指數(shù)TVDI,結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和農(nóng)氣數(shù)據(jù),分析了新疆干旱時(shí)空分布特征及氣象因子對(duì)其的影響,主要結(jié)論如下：

1)反演出的溫度植被干旱指數(shù)與農(nóng)氣站點(diǎn)觀測(cè)的土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明MOD11和MOD13數(shù)據(jù)反演溫度植被干旱指數(shù)可用于新疆干旱監(jiān)測(cè)。

2)在2000—2016年17年間,新疆TVDI空間分布具有較強(qiáng)的地域分異性,呈現(xiàn)北部、南部較濕潤(rùn),中部干旱趨勢(shì)。受地形、氣溫、降雨、風(fēng)速等多種因素影響,干旱主要發(fā)生的季節(jié)在春季、夏季以及秋初,主要以重旱和特旱為主,不同季節(jié)的干旱程度大小為：夏季>春季>秋季>冬季。

3)2000—2016年新疆TVDI年內(nèi)變化呈現(xiàn)單峰型趨勢(shì),具有明顯的季節(jié)差異,最小值在1月,最大值在6月,各市TVDI年內(nèi)有明顯的波動(dòng)變化。其中,天山以北地區(qū)易出現(xiàn)春旱和夏旱,天山以南地區(qū)易出現(xiàn)春旱、夏旱以及秋旱,塔里木盆地中部地區(qū)常年處于干旱狀態(tài)。

4)不同土地利用類型多年間TVDI均值差異明顯,草地干旱化傾向較為嚴(yán)重。不同土地利用類型的TVDI年內(nèi)變化整體上呈現(xiàn)先降低后增加的單峰趨勢(shì),受地形及資源環(huán)境的限制,耕地的干旱化傾向,加重了對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的影響。干旱類型轉(zhuǎn)移的主要特點(diǎn)為無(wú)旱類型轉(zhuǎn)入和輕旱類型、中旱類型、重旱類型、特旱類型轉(zhuǎn)出。

5)近17年間降雨量呈現(xiàn)增加趨勢(shì),但年均降雨量?jī)H為117.8mm,無(wú)法深程度的補(bǔ)給水源,氣溫雖呈現(xiàn)波動(dòng)減小的趨勢(shì),但年變化率為0.036℃,沒(méi)有大幅度變化,使得研究區(qū)內(nèi)的水分蒸發(fā)量減小甚微,說(shuō)明新疆地區(qū)氣溫及降雨量的變化對(duì)TVDI影響較低,區(qū)域位置及氣候類型等非氣象因子對(duì)TVDI影響較高。