基于遙感DSI的新疆干旱特征分析

張喜成　徐長(zhǎng)春　宋佳　李曉菲

摘要：利用2000—2016年MODIS ET/PET和NDVI數(shù)據(jù)集構(gòu)建干旱嚴(yán)重指數(shù)（drought severity index，DSI）來監(jiān)測(cè)新疆干旱過程，分析其時(shí)空分布特征與變化趨勢(shì)，并利用實(shí)測(cè)農(nóng)業(yè)旱情資料[濕潤(rùn)指數(shù)（W）和植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）]與DSI做相關(guān)性分析，探討DSI在新疆地區(qū)的適用性。結(jié)果表明，新疆整體處于干旱狀況。全疆秋季干旱頻率最高，冬季最低。近十幾年新疆干旱趨勢(shì)減弱，干旱面積最大值出現(xiàn)在2008年，最小值出現(xiàn)在2016年。各季節(jié)內(nèi)南疆地區(qū)干旱趨勢(shì)減弱，夏季最為突出。北疆、天山地區(qū)干旱趨勢(shì)表現(xiàn)為夏季減弱，秋季增強(qiáng)。從幾種指標(biāo)的相關(guān)性來看，實(shí)測(cè)農(nóng)作物干旱面積與DSI監(jiān)測(cè)的干旱面積的相關(guān)性較高，決定系數(shù)達(dá)到0.67。北疆地區(qū)DSI-W、DSI-NPP相關(guān)性最高，決定系數(shù)分別達(dá)到0.69、0.62。在空間Pearson相關(guān)性上，DSI-W和DSI-NPP整體上均呈顯著正相關(guān)，分布比例分別占全疆面積的88%、86.65%，這有力地證明了DSI適用于新疆地區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)分析。

關(guān)鍵詞：DSI;干旱監(jiān)測(cè);時(shí)空分布;變化趨勢(shì);新疆;相關(guān)性分析

中圖分類號(hào)： S127;S423

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）02-0239-08

收稿日期：2018-10-14

作者簡(jiǎn)介：張喜成（1992—），男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士，主要從事干旱區(qū)綠洲資源環(huán)境遙感應(yīng)用分析研究。E-mail：18449815621@163.com。

通信作者：徐長(zhǎng)春，博士，副教授，主要從事干旱區(qū)氣候、水文與水資源研究。E-mail：xcc0110@163.com。

干旱是一種周期性發(fā)生的自然現(xiàn)象，它的發(fā)生過程復(fù)雜，通常表現(xiàn)為一種緩慢的自然災(zāi)害[1-3]。在所有自然災(zāi)害中，干旱是最復(fù)雜、最不易理解的，對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的影響較大[4-5]。根據(jù)國(guó)際災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，干旱發(fā)生次數(shù)僅占所有自然災(zāi)害的5%，但受災(zāi)人數(shù)卻高居首位，達(dá)到受災(zāi)人口總數(shù)的30%[6]。

隨著全球變暖和極端事件的頻繁發(fā)生，干旱災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與防御已引起人們的高度關(guān)注[7-8]。傳統(tǒng)的干旱指數(shù)一般是基于降水、氣溫等站點(diǎn)數(shù)據(jù)判斷其周邊區(qū)域干濕狀況，很難以點(diǎn)代面地反映整個(gè)區(qū)域干濕狀況的空間分布特征[9]。20世紀(jì)60年代以來，衛(wèi)星遙感技術(shù)飛速發(fā)展且完善，為大尺度、快速、多時(shí)相的干旱監(jiān)測(cè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[10]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開發(fā)出許多基于植被條件、地表溫度及兩者相結(jié)合的綜合遙感指標(biāo)[6]用以監(jiān)測(cè)干旱。雖然這些指標(biāo)對(duì)干旱監(jiān)測(cè)非常有用，但它們也有局限性。通常情況下，干旱事件與植被響應(yīng)之間存在時(shí)間滯后效應(yīng)，因此單靠歸一化值被指數(shù)（NDVI）也不能完全反映干旱信息。此外，由于凈輻射和風(fēng)速等氣象條件對(duì)地表溫度（LST）的影響[11]，也會(huì)影響其持續(xù)有效的干旱監(jiān)測(cè)能力。蒸散（ET）作為陸地水循環(huán)和能量循環(huán)的重要組成部分，與氣象干旱指數(shù)相比，更能直接和有效地描述生態(tài)系統(tǒng)水分狀況。2013年，Mu等基于中分辨率成像光譜儀（MODIS） ET/潛在蒸散量（PET）和NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品提出了一種干旱嚴(yán)重指數(shù)（drought severity index，DSI），并應(yīng)用于全球尺度干旱監(jiān)測(cè)，取得了良好的效果[12-15]。

新疆作為我國(guó)典型的干旱半干旱區(qū)，由于其特殊的地理位置，氣候環(huán)境惡劣、水資源短缺且時(shí)空分布不均、季節(jié)性供需矛盾大，導(dǎo)致新疆干旱頻率較高。干旱災(zāi)害已成為新疆缺水地區(qū)農(nóng)牧業(yè)最主要的自然災(zāi)害之一。因此，分析新疆地區(qū)干旱狀況及其時(shí)空變化特征，對(duì)新疆旱情預(yù)防、農(nóng)業(yè)灌溉措施制定及作物結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的參考價(jià)值。近年來，研究者對(duì)新疆地區(qū)頻繁的旱情進(jìn)行了研究。羅青紅等基于濕潤(rùn)指數(shù)分析了新疆甘家湖地表干濕狀況變化趨勢(shì)[16];鄧興耀等分析了我國(guó)西北干旱區(qū)蒸散發(fā)時(shí)空動(dòng)態(tài)特征[17];許玉忠等基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）分析了新疆干旱時(shí)空分布[18]。但DSI目前在新疆地區(qū)尚無應(yīng)用案例，在我國(guó)區(qū)域的應(yīng)用案例也較少。

本研究以新疆地區(qū)為研究區(qū)，采用2000—2016年MODIS產(chǎn)品NDVI和ET/PET數(shù)據(jù)集，構(gòu)建干旱嚴(yán)重指數(shù)，分析2000—2016年新疆干旱特征時(shí)空動(dòng)態(tài)，并利用實(shí)測(cè)農(nóng)作物旱災(zāi)面積、濕潤(rùn)指數(shù)（W）和植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）與DSI進(jìn)行相關(guān)分析，探討DSI在新疆干旱監(jiān)測(cè)中的適用性。

1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)地處我國(guó)西北邊陲，位于73°20′～96°25′E，34°15′～49°10′N之間。境內(nèi)東西向伸展三大山系，北部阿爾泰山，南部昆侖山，天山山脈橫亙中部，分割形成準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地，形成了獨(dú)特的山體、綠洲、盆地相間的地貌格局（圖1）。新疆遠(yuǎn)離海洋，三面環(huán)山，屬典型的大陸性干旱氣候。全疆年降水量少且時(shí)空分布不均，其中北疆年降水量為 150～200 mm，南疆不足100 mm，蒸發(fā)量為2 000～2 500 mm，干旱程度為4～16[19]。目前，干旱已成為影響新疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要自然災(zāi)害，選擇新疆地區(qū)進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)具有一定的典型性和代表性。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源研究中使用的遙感數(shù)據(jù)為MOD13 NDVI產(chǎn)品（https：//lpdaac.usgs.gov/）、MOD17 NPP產(chǎn)品（http：//files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD17/）和MOD16 ET/PET產(chǎn)品（http：//files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD16/）。時(shí)間分辨率統(tǒng)一為年和月，空間分辨率為1 km×1 km。使用MRT（M reprojection tool）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、重投影，并在ArcGIS、ENVI等軟件中進(jìn)行裁剪、剔除無效值等預(yù)處理，最終形成2000—2016年的時(shí)間序列數(shù)據(jù)集。

DEM數(shù)據(jù)為SRTM3（Shuttle Radar Topography Mission），空間分辨率為90 m×90 m，來自中國(guó)科學(xué)院數(shù)據(jù)云（http：//www.csdb.cn/）。

降水和農(nóng)作物干旱數(shù)據(jù)分別來自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）和中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部（http：//zzys.agri.gov.cn/zaiqing.aspx）。

其中，NPP作為植被生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換和傳遞的基礎(chǔ)，直接反映了植被在自然條件下自身的生產(chǎn)能力，同時(shí)也能夠有效地響應(yīng)氣候與環(huán)境變化[20]。農(nóng)作物干旱數(shù)據(jù)可以從實(shí)際角度反映一個(gè)地區(qū)的干旱狀況，在本研究中作為輔助數(shù)據(jù)用于分析DSI在新疆干旱監(jiān)測(cè)中的適用性。

2.2 研究方法

2.2.1 干旱嚴(yán)重指數(shù) DSI由Mu等于2013年提出，綜合考慮了NDVI、ET/PET等 2個(gè)基本要素[12]。其中，NDVI描述植被的光合作用以及生長(zhǎng)狀態(tài)，ET/PET反映植被的水分脅迫狀況，通過兩者累加能綜合反映干旱狀況。相比于其他干旱指數(shù)，DSI具有潛在的優(yōu)勢(shì)。具體算法：

2.2.2 濕潤(rùn)指數(shù)（W） 地表濕潤(rùn)指數(shù)是近年來應(yīng)用相對(duì)較多的一個(gè)綜合性干旱指標(biāo)，因其同時(shí)考慮大氣降水和地表蒸發(fā)潛力2個(gè)物理參量對(duì)地表干濕的影響，對(duì)干旱監(jiān)測(cè)具有良好的效果。地表濕潤(rùn)指數(shù)干濕等級(jí)劃分參考申雙和等的文獻(xiàn)[21]。具體算法：

3 結(jié)果與分析

3.1 新疆干旱過程監(jiān)測(cè)

采用2000—2016年NDVI和ET/PET數(shù)據(jù)集構(gòu)建DSI，用于監(jiān)測(cè)新疆干旱過程（圖2）。從DSI監(jiān)測(cè)結(jié)果看，新疆干旱狀況時(shí)空變異性轉(zhuǎn)大。2000—2016年多數(shù)年份新疆處于干旱狀態(tài)，多數(shù)地區(qū)DSI介于-1.5～-0.3之間。特別是2001年、2008年、2012年和2014年，DSI低至-3.8～-3.3，全疆出現(xiàn)嚴(yán)重干旱。其中，2008年最為嚴(yán)重，據(jù)史料記載，2008年新疆發(fā)生春夏秋連旱，旱情僅次于1974年，是歷史上第2個(gè)嚴(yán)重干旱年，造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)10億元以上，18.7萬km2草場(chǎng)干枯。

3.2 新疆干旱特征的空間分布

根據(jù)DSI的大小將干旱等級(jí)分為6級(jí)，統(tǒng)計(jì)分析新疆年均干旱面積比例（表1）。全疆干旱面積（占比為40.08%）大于濕潤(rùn)面積（占比為36.65%），其中初期、輕度干旱面積所占比例較大。表明新疆雖然整體上處于干旱狀況，但干旱強(qiáng)度適中。各亞區(qū)內(nèi)干旱面積比例表現(xiàn)為北疆（40.97%）>南疆（40.55%）>天山（38.33%）。結(jié)合2000—2016年新疆干旱等級(jí)眾數(shù)（出現(xiàn)頻率最多的值）空間分布（圖3-a）可知，新疆干旱區(qū)多出現(xiàn)在塔城地區(qū)、昌吉回族自治州中部地區(qū)以及阿勒泰地區(qū)南部、克孜勒蘇柯克孜自治州、若羌縣、和田縣等。濕潤(rùn)區(qū)多出現(xiàn)在伊犁地區(qū)、阿勒泰地區(qū)北部等。

結(jié)合圖4與圖3-b，從不同季節(jié)角度進(jìn)一步分析新疆干旱空間分布特征?？傮w上，南疆各季節(jié)干旱面積最大（占比為39.12%～43.80%），出現(xiàn)頻率最高。北疆地區(qū)不同季節(jié)干旱面積比例表現(xiàn)為秋季（41.71%）>夏季（40.34%）>春季（39.07%）>冬季（34.94%）;天山地區(qū)干旱面積比例也是秋季最大（40.93%），冬季最?。?6.32%）。除伊犁地區(qū)與阿勒泰北部地區(qū)外，全疆整體上秋季干旱頻率最高，夏季次之。冬季全疆濕潤(rùn)頻率最高，尤其昌吉回族自治州中部地區(qū)與阿勒泰西南地區(qū)最為明顯。

3.3 新疆干旱特征的時(shí)間變化趨勢(shì)

將2000—2016年新疆干旱面積比例作一元線性回歸分析（圖5），結(jié)合新疆年際、季節(jié)DSI變化趨勢(shì)（圖6），分析新疆地區(qū)干旱狀況隨時(shí)間趨勢(shì)變化特征。17年間，全疆干旱面積比例波動(dòng)較大，整體上呈下降趨勢(shì)，變化率為-1.35%/年，尤其在2009年之后下降趨勢(shì)更為明顯。全疆干旱情況表現(xiàn)為輕度干旱（-0.34%/年）>適度干旱（-0.33%/年）>初期干旱（-0.26%/年）>嚴(yán)重干旱（-0.23%/年）>極端干旱（-0.18%/年）。各亞區(qū)干旱面積也呈減小趨勢(shì)，變化率且現(xiàn)為南疆（-3.05%/年）>北疆（-1.51%/年）>天山（-0.11%/年）。

由圖6可知，DSI整體上以輕微增加為主，表明新疆整體上干旱趨勢(shì)減弱，趨向濕潤(rùn)化，但變化速率較慢。天山山地、阿爾泰山山地、塔城地區(qū)呈減小趨勢(shì)，其中，天山山地減小趨勢(shì)最為明顯，表明這些地區(qū)干旱程度加重。從季節(jié)變化趨勢(shì)分布可知，各季節(jié)南疆地區(qū)DSI整體上呈增加趨勢(shì)，干旱趨勢(shì)減弱趨向濕潤(rùn)化，夏季最為明顯。天山山地地區(qū)整體呈減小趨勢(shì)，干旱程度加重，秋季最為明顯。北疆地區(qū)夏季呈增加趨勢(shì)，干旱程度減弱，其他季節(jié)都呈減小趨勢(shì)，秋冬兩季干旱程度增加最為明顯。

3.4 DSI在新疆的適用性分析

DSI是由NDVI和ET/PET數(shù)據(jù)構(gòu)建，其中ET/PET數(shù)據(jù)在新疆地區(qū)已經(jīng)利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到廣泛驗(yàn)證[17，22]，NDVI數(shù)據(jù)也在新疆地區(qū)取得較好的應(yīng)用成果[23-25]。因此，DSI從數(shù)據(jù)精度方面適用于新疆地區(qū)。

其次，分別利用2000—2016年新疆農(nóng)作物旱災(zāi)面積（s）、年降水量（p）與DSI監(jiān)測(cè)的干旱面積（y）及濕潤(rùn)指數(shù)（W）、NPP從時(shí)間變化趨勢(shì)一致性和相關(guān)性上評(píng)價(jià)其在新疆地區(qū)的適用性（圖7）。

實(shí)測(cè)農(nóng)作物干旱面積與DSI監(jiān)測(cè)的干旱面積變化趨勢(shì)一致，兩者相關(guān)性較高，決定系數(shù)達(dá)到0.67。

降水量與DSI監(jiān)測(cè)的干旱面積相關(guān)性較高，決定系數(shù)0.63。北疆、南疆地區(qū)的W、NPP、DSI變化趨勢(shì)保持較好的一致性，天山地區(qū)少數(shù)年份三者變化趨勢(shì)一致性較差。從3種指標(biāo)的相關(guān)性來看，北疆地區(qū)相關(guān)性最高，DSI-W、DSI-NPP的決定系數(shù)分別達(dá)到0.69、0.62;南疆地區(qū)3種指標(biāo)的相關(guān)性良好，DSI-NPP、DSI-W的決定系數(shù)分別達(dá)到0.69、0.53;天山地區(qū)相關(guān)性較差。

最后通過計(jì)算濕潤(rùn)指數(shù)（W）、NPP、DSI逐像元空間Pearson相關(guān)系數(shù)（圖8），進(jìn)一步分析DSI在新疆的適宜性。結(jié)果顯示，DSI-W和DSI-NPP整體上都呈顯著正相關(guān)，分別占全疆面積的88%、86.65%，說明DSI在干旱監(jiān)測(cè)方面具有較大的應(yīng)用潛力。

綜上，DSI與濕潤(rùn)指數(shù)（W）、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）在時(shí)間變化趨勢(shì)和空間分布上都具有顯著的相關(guān)性，有力地證明了DSI適用于新疆干旱監(jiān)測(cè)。

4 討論

本研究中用DSI監(jiān)測(cè)干旱面積與實(shí)測(cè)農(nóng)作物旱災(zāi)面積相關(guān)性較高，結(jié)合黃健熙等的研究發(fā)現(xiàn)，DSI在農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)方面相較于帕爾默干旱指數(shù)（PDSI）更為準(zhǔn)確，且能較好地反映農(nóng)業(yè)干旱的空間差異性和時(shí)間演變性[1，26]。說明DSI在農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)方面具有較大的應(yīng)用潛力。新疆地區(qū)夏秋兩季干旱較為嚴(yán)重，此時(shí)正值農(nóng)作物生長(zhǎng)期，對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)造成一定影響。因此，本研究對(duì)新疆農(nóng)作物旱情預(yù)防和灌溉措施制定提供了一定的參考價(jià)值。

近十幾年新疆干旱面積呈減少趨勢(shì)，南疆最為明顯。這與許玉忠等基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）指數(shù)[18]、潘淑坤等基于干旱指數(shù)[27]、劉星含等基于MODIS-TVDI指數(shù)在新疆干旱監(jiān)測(cè)研究[28]中的變化趨勢(shì)一致。干旱受降水、蒸散發(fā)、土地覆蓋變化的綜合影響。近年來全球變暖，北冰洋冰川、天山冰川大量消融，增加了新疆大氣中的水汽含量，導(dǎo)致新疆降水量呈輕微增加趨勢(shì)，變化率為2 mm/年。其次，2000年以來新疆大部分地區(qū)蒸散發(fā)有輕微的減少趨勢(shì)，變化率為-0.93 mm/年[17]。這可能是近十幾年新疆干旱面積減少的主要原因。本研究結(jié)論為認(rèn)識(shí)新疆干旱變化動(dòng)態(tài)添加了新的依據(jù)。

DSI目前基于經(jīng)驗(yàn)采用0.5為ET/PET與NDVI的權(quán)重系數(shù)，沒考慮二者各自在時(shí)空上對(duì)干旱貢獻(xiàn)度的差異。NDVI對(duì)干旱響應(yīng)存在一定的時(shí)間滯后性，而土壤濕度體現(xiàn)了地表降水和蒸散的綜合效應(yīng)，是干旱監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)之一[29]。后續(xù)研究應(yīng)結(jié)合土壤濕度數(shù)據(jù)鏈接NDVI與ET/PET，提高三者對(duì)干旱響應(yīng)的同步性，并進(jìn)一步研究三者各自在時(shí)空上對(duì)干旱貢獻(xiàn)度的差異，以此為依據(jù)調(diào)整三者的權(quán)重系數(shù)，優(yōu)化DSI，提高其對(duì)干旱監(jiān)測(cè)的精確性。

5 結(jié)論

（1）本研究通過MODIS NDVI和ET/PET數(shù)據(jù)集，構(gòu)建干旱嚴(yán)重指數(shù)（DSI），分析新疆2000—2016年干旱狀況的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征，結(jié)果與前人采用其他干旱指數(shù)取得的成果[27-28，30-31]基本一致。

（2）空間分布特征：新疆整體上處于干旱狀況，以輕旱、中旱為主。干旱出現(xiàn)頻率最多的地區(qū)為塔城地區(qū)、昌吉回族自治州中部地區(qū)、阿勒泰地區(qū)南部、克孜勒蘇柯克孜自治州、若羌縣、和田縣等。全疆干旱頻率秋季最高，冬季最低。

（3）時(shí)間變化趨勢(shì)：近十幾年新疆干旱面積整體上呈減少趨勢(shì)，2009年之后減少趨勢(shì)更為明顯。干旱面積最大值出現(xiàn)在2008年，最小值出現(xiàn)在2016年。各季節(jié)內(nèi)南疆地區(qū)干旱趨勢(shì)減弱，夏季最

為突出。北疆地區(qū)夏季干旱趨勢(shì)減弱，秋冬兩季干旱趨勢(shì)明顯增強(qiáng)。天山山地整體上干旱趨勢(shì)增強(qiáng)，秋季最為明顯。

（4）適用性分析：DSI基礎(chǔ)構(gòu)成數(shù)據(jù)ET/PET以及NDVI廣泛應(yīng)用于新疆地區(qū)，數(shù)據(jù)精度已得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。實(shí)測(cè)農(nóng)作物旱災(zāi)面積、降水量與DSI相關(guān)性較高。濕潤(rùn)指數(shù)（W）、NPP與DSI在時(shí)間變化趨勢(shì)上具有較高的一致性和相關(guān)性。在空間Pearson相關(guān)性上，整體上也呈顯著相關(guān)，這有力地證明了DSI在干旱監(jiān)測(cè)方面具有較大的應(yīng)用潛力，適用于新疆地區(qū)。

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