基于多源遙感數(shù)據(jù)的海河流域農(nóng)業(yè)干旱變化特征

趙麗萍

(山東省臨沂市蘭陵縣會(huì)寶嶺水庫管理處，山東 蘭陵 277712)

1 研究區(qū)概況

海河流域是山東省最大的河流之一。海河流域包括海河、灤河和徒駭馬頰河。海河流域水資源呈扇形分布，水資源總量較少，降水時(shí)空分布不均勻。流域總面積31.8×104km2，人均水資源占有量276 m3，僅為全國平均水平的13%。海河流域耕地灌溉面積常年大于7.4×106hm2，節(jié)水灌溉方式趨于多樣化。近年來，在人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展壓力和氣候的影響下，海河流域水資源衰減問題十分突出。同時(shí)，水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)惡化等問題，直接影響農(nóng)業(yè)水資源的利用。見圖1。

圖1 海河流域示意圖

2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

2.1 TRMM

本文采取2000-2016年TRMM 3B43數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集來自于NASA的熱帶降雨觀測衛(wèi)星，空間分辨率為0.25°，時(shí)間分辨率為月尺度。目前，許多學(xué)者已經(jīng)表明TRMM 數(shù)據(jù)集適用于我國眾多流域，并且在干旱評估方面也取得良好的效果[1]，但對于 TRMM 數(shù)據(jù)在海河流域的適用性分析較少。因此，選取2000-2016年TRMM 3B43 V7降水?dāng)?shù)據(jù)集，與流域內(nèi)13個(gè)氣象站點(diǎn)的降水量數(shù)據(jù)在年和月時(shí)間尺度上進(jìn)行精度驗(yàn)證。

降水量的規(guī)律見圖2。氣象站點(diǎn)年降水量與TRMM年降水量的相關(guān)性為0.81；月降水量上，二者的相關(guān)性為0.91，相關(guān)性較高，TRMM 3B43數(shù)據(jù)可以適用于海河流域。

圖2 氣象站點(diǎn)與TRMM 降水量散點(diǎn)圖

基于TRMM 3B43數(shù)據(jù)的海河流域年值降水量及其距平的時(shí)間變化過程見圖3。海河流域降水量呈現(xiàn)出總體下降的趨勢，10年內(nèi)共下降15.31 mm；在2016年降水量達(dá)到最小值為387.71 mm。2000-2016年，海河流域年均降水量為547.17 mm，在2003年降水量達(dá)到777.93 mm，超出平均值的42.19%。根據(jù)資料表明，該年海河流域出現(xiàn)較為嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。2011和2013年，降水量距平分別為19.95%和16%，而2012年降水量距平為-9.7%，海河流域降雨量時(shí)間分布不均勻，易造成旱澇災(zāi)害。

2.2 MODIS

本文選取MODIS 11A2的地表溫度數(shù)據(jù)(Land Surface Temperature, LST)和MODIS 13A2的歸一化植被指數(shù)(Normalized Differential Vegetation Index,NDVI)作為基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)，提取2000-2016年。地表溫度的采集時(shí)間為10天一個(gè)周期，為消除云層和降雨的影響，采用最大值合成法將 LST 和 NDVI 合成月數(shù)據(jù)[2]。兩種數(shù)據(jù)空間分辨率均為1 km。

圖3 基于TRMM數(shù)據(jù)的海河流域降水量年值及其距平變化過程

2.3 研究方法

2.3.1 植被狀態(tài)指數(shù)

近些年來，歸一化植被指數(shù)(Normalized Differential Vegetation Index，NDVI)不僅用來反映植被的生長狀況，也被眾多學(xué)者應(yīng)用于干旱評估方面[3]。為了反映不同天氣的變化情況，排除NDVI空間變化帶來的影響，Kogan(1990)提出了植被狀態(tài)指數(shù)，其計(jì)算公式如下[3]：

式中：VCIj是j時(shí)的植被狀態(tài)指數(shù)；NDVIj為j時(shí)的歸一化植被指數(shù)；NDVImax和NDVImin分別為多年第i個(gè)時(shí)期NDVI的最大值和最小值。

2.3.2 溫度條件指數(shù)

造成地表干旱的最重要因素就是地表的溫度，地表溫度越高，作物越容易受到水分脅迫產(chǎn)生干旱。溫度升高后，植物的蒸騰作用降低，地表感熱通量增加，導(dǎo)致溫度繼續(xù)升高。基于這個(gè)原理，Kogan(1995)提出了溫度條件指數(shù)的定義，其計(jì)算公式如下[4]：

式中：TCIj為日期j的溫度條件指數(shù)；LSTj為日期j的地表溫度；LSTmax和LSTmin分別為多年第i個(gè)時(shí)期LST的最大值和最小值。

TCI強(qiáng)調(diào)了溫度與作物生長的關(guān)系，即高溫對作物生長不利。當(dāng)水分缺乏伴隨著高溫出現(xiàn)時(shí)，就可以確定由于熱效應(yīng)導(dǎo)致作物健康的微小變化。

2.3.3 歸一化旱情綜合指數(shù)

Rhee(2010)提出基于VI、LST和TRMM數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而得到適用于干旱區(qū)和濕潤區(qū)的歸一化旱情綜合指數(shù)(Scaled Drought Condition Index，SDCI)[5]，計(jì)算公式如下：

SDCI=0.25×VCI+0.25×TCI+0.5PCI

本文計(jì)算所采用的TRMM數(shù)據(jù)為3個(gè)月時(shí)間尺度的 TRMM 數(shù)據(jù)。TRMM 為降水速率，單位為 mm/hr；TRMMmax和 TRMMmin分別為降水速率最大值和最小值。權(quán)重的選擇來自于Rhee的研究，選取在濕潤區(qū)和干旱區(qū)均能達(dá)到良好評估效果的一組權(quán)重進(jìn)行計(jì)算和分析。SDCI的旱澇等級分布見表1。

表1 SDCI旱澇等級分布表

3 研究結(jié)果

3.1 基于植被狀態(tài)指數(shù)的時(shí)空演變特征

3.1.1 年際變化

提取海河流域 2000-2016年的歸一化植被指數(shù)NDVI，并計(jì)算植被狀態(tài)指數(shù)(Vegetation Condition Index，VCI)。年際變化見圖4。

在21世紀(jì)初，我國開始大力實(shí)行退耕還林政策，海河流域也著手實(shí)行，大部分地區(qū)開始制定封山育林政策、修建生態(tài)恢復(fù)工程。這些工程的實(shí)施使得原本由稀疏農(nóng)作物或草地覆蓋的坡耕地、旱地丘陵區(qū)和中低覆蓋度草地被林地或草地所代替。林地和草地較為茂密，植被覆蓋度大。因林木生長周期較短尚未成林，所以在2000年VCI值相對較低；2001年措施初見成效，整體情況有所好轉(zhuǎn)，所以VCI值由2000年的19.96躍升到2001年的30；在2002年達(dá)到43.96。VCI年值呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的另一個(gè)原因可能是由于在2000年之后農(nóng)作物產(chǎn)量持續(xù)增加。

圖4 海河流域VCI均值和最小值時(shí)間變化

3.1.2 季節(jié)變化

統(tǒng)計(jì)分析 2000-2016 年海河流域不同季節(jié)的VCI值年際變化過程，結(jié)果見圖5。由圖5中可知，海河流域季節(jié)VCI值均呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢。夏季上升趨勢最大，其次是秋季和春季，冬季上升趨勢最小。

1) 春季：平均每10年上升17.82且相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.63。VCI值在2000和2011年取得最小值，分別為14.58和28.24。這是因?yàn)橥烁€林、封山育林等工程還未明顯見效，在2002年VCI值躍到62.87，之后維持在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。在2011年VCI值為39.21，這可能是由于在2011年海河流域發(fā)生春旱，使糧食產(chǎn)量有所下降，從而影響了VCI值的明顯下降。

2) 夏季：平均每10年上升24.91且相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.87。在2010-2016年間，夏季VCI值波動(dòng)較大，海河流域降雨量主要集中在6-9月份，降雨量的多少直接影響植被和作物生長，從而直接影響VCI的年際變化。2016年海河流域降水量為389.74 mm，降水量距平為-28.77，降水量的減少抑制了植被和作物的生長，導(dǎo)致VCI值大幅度下降。

3) 秋季：平均每10年上升18.82且相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.77。2005年VCI值為39.83，小于2004年的41.74和2006年的55.62。這可能是由于在2005年6-10月份海河流域發(fā)生強(qiáng)降雨事件，洪澇災(zāi)害的影響導(dǎo)致VCI值的下降。2008年VCI值為45.81，明顯小于2007年的52.71和2009年的54.87，且2008年海河流域降水量為444.77 mm，降水量距平為-18.71。降水量的減少容易導(dǎo)致農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生，從而導(dǎo)致VCI值的減小。在2012年發(fā)生同樣情況，2012年降水量距平為-9.71。降水量的過多或者過少都會(huì)抑制農(nóng)作物生長。

圖5 海河流域2000-2016年VCI值季節(jié)變化過程

4) 冬季：平均每10年上升14.05且相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.66。VCI值在32.7～64.45之間波動(dòng)，這是由于海河流域在每年10月份至次年5月份為冬小麥的生長季，所以海河流域冬季VCI值與其他季節(jié)VCI值相差不大。2007年VCI值為37.74，而2007年夏糧產(chǎn)量相對較低，可能是由于產(chǎn)量的降低影響了VCI值的變化。

3.2 基于溫度條件指數(shù)的時(shí)空演變特征

從時(shí)間分布來看，TCI多年均值呈現(xiàn)上升趨勢，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.67，范圍在36.58～72.2之間波動(dòng)，最大值在2012年，最小值在2002年。TCI最小值在8.17～24.7之間波動(dòng)，最大值在2014年，最小值在2013年，且最小值呈現(xiàn)多年上升趨勢，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96；溫度升高可能對農(nóng)作物產(chǎn)量造成一定影響。TCI最大值在65.06～96.27之間波動(dòng)，最大值在2012年，最小值在2002年，且呈現(xiàn)多年上升趨勢，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.93。從TCI值變化來看，流域最值、最大值、最小值均呈現(xiàn)多年上升趨勢，表明海河流域地表溫度逐年升高，可能對農(nóng)業(yè)干旱有所影響。見圖6。

圖6 海河流域 2000-2016 年TCI最值和均值時(shí)間變化

3.3 基于歸一化旱情綜合指數(shù)的時(shí)空演變特征

在圖7中，SDCI年值在0.31～0.552之間，在2000年取得最小值，發(fā)生中度干旱事件；在2003年取得最大值，無干旱事件發(fā)生；除2003年外，均值大約在0.4左右波動(dòng)。SDCI年最大值在0.457～0.696之間，分別在2004和2003年取得最值。SDCI年最小值在0.129～0.452之間，分別在2013和2003年取得最值；基本在0.54左右波動(dòng)。SDCI年均值、最大值和最小值均在不同程度呈現(xiàn)下降趨勢。

圖7 海河流域2000-2016年SDCI最大值、最小值和均值的變化過程

采用M-K突變檢驗(yàn)方法，分析海河流域2000-2016年SDCI值時(shí)間突變特征，其結(jié)果見圖8。除2000年外，所有年份SDCI值均呈現(xiàn)上升趨勢且2003年上升趨勢顯著；17年間，UF和UB無相交點(diǎn)，表明沒有突變年份。

圖8 海河流域2000-2016年SDCI值M-K突變檢驗(yàn)

4 結(jié) 論

本文首先對TRMM 3B43數(shù)據(jù)在海河流域的精度進(jìn)行驗(yàn)證，然后基于歸一化植被指數(shù)、地表溫度數(shù)據(jù)和降雨數(shù)據(jù)分別進(jìn)行計(jì)算，得到植被狀態(tài)指數(shù)、溫度條件指數(shù)和歸一化降水指數(shù)，并將該3種指數(shù)相結(jié)合而形成歸一化旱情綜合指數(shù)，通過該指數(shù)來評估海河流域農(nóng)業(yè)干旱時(shí)空演變特征。