基于VCI的貴州省干旱時空變化特征分析及干旱區(qū)劃分

代仁麗，鐘九生

(貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550001)

旱災(zāi)是影響最為廣泛和造成損失最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，旱災(zāi)不僅會導(dǎo)致糧食產(chǎn)量和供水減少、生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化，極端和特重干旱甚至還會引起大量人口死亡和朝代更迭，其是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等的重要影響因素[1-2]。引起干旱發(fā)生發(fā)展的原因是多方面的，國內(nèi)學(xué)者對西南地區(qū)干旱的成因研究表明，其影響因素主要表現(xiàn)在溫度[3-4]、大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)[5-9]、青藏高原的作用[10-11]、土壤濕度和植被蓋度[12]、地形、地質(zhì)、地貌的特殊性和復(fù)雜性[13]等方面。

目前，計(jì)算干旱所采用的指標(biāo)可分為以降水和溫度等氣象因子為基礎(chǔ)的研究、以遙感監(jiān)測土壤含水量為基礎(chǔ)的研究和綜合氣象干旱指數(shù)(CI)三大類。干旱遙感監(jiān)測方法中Kogan等[14]提出的植被狀態(tài)指數(shù)(Vegetation Condition Index，VCI)計(jì)算較為簡便，可以提供高分辨率連續(xù)空間覆蓋的實(shí)時信息，直接從植被的生長狀況反映干旱情況[15]。2006年，朱驥[16]將植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)、溫度狀態(tài)指數(shù)(TCI)、植被溫度狀態(tài)指數(shù)(VTCI)3種遙感信息與土壤濕度指數(shù)進(jìn)行回歸分析，建立干旱遙感定量監(jiān)測模型，研究表明 VCI 在3種遙感干旱監(jiān)測指數(shù)中最適合監(jiān)測中國地區(qū)的干旱狀態(tài)。季民等[17]基于VCI指數(shù)研究青藏地區(qū)春旱的時空動態(tài)變化，結(jié)果表明青藏地區(qū)受季風(fēng)影響較小,橫斷山脈和祁連山地區(qū)干旱發(fā)生的頻率比較低，且多為輕中旱。沙莎等[18]在河南省進(jìn)行了植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)與多種氣象干旱指數(shù)的監(jiān)測對比試驗(yàn),表明VCI對河南氣象干旱有一定的指示作用和監(jiān)測能力。劉世杰等[19]基于植被狀態(tài)指數(shù)，對江蘇省干旱化特征及氣候驅(qū)動因素進(jìn)行分析，研究表明，氣候和相對濕度與VCI的相關(guān)性達(dá)極顯著水平，是影響江蘇省旱情的主要因素。

植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)能較好地反映水分脅迫狀態(tài)，不僅可以監(jiān)測和跟蹤區(qū)域干旱，還能描述植被時空變化，已成為了大規(guī)模遙感干旱監(jiān)測的理想數(shù)據(jù)，它的可靠性得到了大量數(shù)據(jù)的證明[17]。近年來，貴州省遭受到不同程度的干旱，導(dǎo)致糧食減產(chǎn)和生態(tài)破壞，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境極其脆弱[5,7]。因此，本文利用2001—2018年16天500 m分辨率的MODIS地表反射率數(shù)據(jù)，計(jì)算得到植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)，以VCI作為對干旱監(jiān)測指標(biāo)，研究貴州省的干旱為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)，提高生產(chǎn)力及水資源合理配置有重要意義。

1 研究區(qū)概況

貴州簡稱黔或貴，地處云貴高原，為典型的喀斯特低山丘陵地貌區(qū)，介于東經(jīng)103°36′～109°35′、北緯24°37′～29°13′之間，地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，平均海拔在1 100 m左右(圖1)。貴州省高原山地居多，素有“八山一水一分田”之說，人均耕地面積不到0.05 hm2，遠(yuǎn)低于全中國平均水平，土層厚、肥力高、水利條件好的耕地所占比重低[20]；貴州氣候溫暖濕潤，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，常年降雨量充沛，但時空分布不均，分布特點(diǎn)為南多北少、東多西少，全省多年平均降雨量為1 100～1 300 mm，光照條件差，大部地區(qū)年日照時數(shù)為1 200～1 600 h，分布特點(diǎn)為西多東少；受大氣環(huán)流及地形等影響，氣候不穩(wěn)定，災(zāi)害性天氣種類較多，干旱、秋風(fēng)、凝凍、冰雹等頻度大，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害嚴(yán)重[21-23]。

a)地形

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于美國 NASA 的 MODIS 植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù) MOD13A1，數(shù)據(jù)空間分辨率為500 m，時間分辨率為 16 d，時間范圍：2001 年1 月至2018 年12月。利用 MRT軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換，采用最大值合成法(MVC)獲得18年逐月 VCI數(shù)據(jù)，去除云、大氣和太陽高度角等產(chǎn)生的影響。

2.2 研究方法

2.2.1植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)

許多研究表明 NDVI時間序列能夠很好地反映植被覆蓋的時空變化，在干旱監(jiān)測與制圖、農(nóng)作物估產(chǎn)等方面得到廣泛應(yīng)用。但NDVI只能反映單因素對植被的影響，其對地理環(huán)境條件很敏感，不宜進(jìn)行跨區(qū)域的干旱監(jiān)測。為克服這一缺陷，Kogan等[14]在NDVI基礎(chǔ)上提出了植被狀態(tài)指數(shù)VCI：

(1)

式中 NDVIi——特定年第i個時期的NDVI值；NDVImax、NDVImin——多年第i個時期NDVI的最大和最小值。

VCI的取值范圍是[0，1]，VCI數(shù)值越低，表明植被生長狀況越差，干旱越嚴(yán)重。

2.2.2最大值合成法

采用國際通用的最大值合成法[15](MaxValueComposites，MVC)生成當(dāng)月的VCI值。該處理可以消除云、大氣以及太陽高度角等的部分影響。在本研究中，以16 d的VCI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用最大值合成法獲取月最大VCI：

VCIi=Max(VCIij)

(2)

VCIi是第i個月VCI值，VCIij是第i個月第j幅的VCI值，j的取值范圍是[1，2]。將一月2幅的VCI圖像通過波段運(yùn)算實(shí)現(xiàn)最大值合成，以2幅圖像中每一個像元的最大值代表該月的VCI值。依據(jù)前人研究[24-28]劃分干旱：重旱(VCI≤30)、中旱(3070)。

2.2.3一元回歸趨勢分析

一元回歸趨勢分析是對一組隨時間變化的變量進(jìn)行回歸分析的方法，預(yù)測其未來變化趨勢，基于Matlab的柵格數(shù)據(jù)一元線性回歸法[28]，計(jì)算公式如下：

(3)

式中θslope——回歸方程斜率，θslope>0，表示變量呈增加趨勢，θslope<0，表示變量有減少趨勢；n——監(jiān)測累積年數(shù)(n=18)；Ci——第i年的VCI值，i=1，2，3…n。

根據(jù)結(jié)果，參考孫親[15]的研究，將變化趨勢劃分等級，劃分結(jié)果見表1。

表1 VCI變化趨勢

3 結(jié)果與分析

3.1 季節(jié)、年際VCI趨勢分析

利用2001—2018年逐月VCI數(shù)據(jù)劃分為季節(jié)與年2個時間尺度，探究貴州省季節(jié)性與年干旱變化趨勢(圖2)。貴州省季節(jié)性與年均VCI變化趨勢整體表現(xiàn)為，西部地區(qū)減少趨勢大于東部地區(qū)，表明西部植被生長狀態(tài)較東部地區(qū)差，畢節(jié)、安順、六盤水及黔西南地區(qū)冬季與春季VCI變化趨勢最為顯著。夏季為植被的生長高峰期，因此VCI值變化不明顯。貴州省旱情隨時間的變化逐漸加劇，秋-冬季為植被枯萎季，VCI表現(xiàn)出明顯的減少趨勢。結(jié)合圖3、表2可得，貴州省季節(jié)性VCI與年均VCI變化趨勢均呈減少趨勢，但減少趨勢不顯著，與圖3所呈現(xiàn)內(nèi)容相吻合。2009—2010年的冬季(春季、夏季、秋季均出現(xiàn)低谷，但不明顯)VCI與年均VCI呈顯出明顯的低谷，經(jīng)查證與貴州省氣象災(zāi)害年鑒記錄一致[30]，符合2009—2010年貴州省大部分地區(qū)發(fā)生不同程度的干旱這一事實(shí)。

a)春季

a)春季

表2 貴州省VCI季節(jié)、年際變化趨勢面積統(tǒng)計(jì) 單位：km2

貴州省在春、夏、秋、冬季及年均的VCI減少面積分布占總面積的31.6%、8.8%、36.8%、28.9%、23.8%。春、秋季VCI減少面積最多，表明在春、秋季植被生長狀態(tài)較差。夏季VCI表現(xiàn)出輕微增加趨勢，主要分布于貴陽市南部、銅仁及黔東南的中部地區(qū)。年均VCI在2005年呈明顯增長趨勢，查詢氣象記錄可知，2005年貴州省全年降水高出歷年同期降水的30%。貴州省旱情隨時間的變化逐漸加劇，主要分布于畢節(jié)、六盤水、安順地區(qū)及黔西南西部、遵義北部，這些地區(qū)為貴州省喀斯特石漠化地區(qū)，植被覆蓋差，石漠化嚴(yán)重，水土流失嚴(yán)重，易形成季節(jié)性干旱。

3.2 干旱等級與干旱頻率分析

為進(jìn)一步探究貴州省的干旱特征，劃分干旱等級及統(tǒng)計(jì)干旱頻率，通過研究可得，貴州省干旱等級及頻率分布特征表現(xiàn)為：重旱及中旱主要發(fā)生在喀斯特地區(qū)，非喀斯特區(qū)干旱強(qiáng)度低于喀斯特地區(qū)，干旱高頻發(fā)生區(qū)以喀斯特地區(qū)為主，低頻位于非喀斯特區(qū)。圖4中，春季以輕旱為主，其中重旱主要發(fā)生在畢節(jié)西部，中旱發(fā)生在畢節(jié)、六盤水、黔西南、安順及貴陽南部地區(qū)；夏季，貴州省基本無旱，輕旱發(fā)生區(qū)與春季重旱發(fā)生區(qū)一致；秋季以輕旱為主，無旱區(qū)主要為貴州省非喀斯特區(qū)；冬季以中旱為主，輕旱主要發(fā)生在黔東南、遵義中部、黔西南與六盤水南部地區(qū)，重旱主要發(fā)生在畢節(jié)、遵義及貴陽市南部地區(qū)；年際整體來看，貴州省以輕旱為主，重旱發(fā)生區(qū)為喀斯特地區(qū)。

a)春季

結(jié)合表3、圖4—5可得，春季、秋季及冬季為貴州省干旱的高發(fā)期，全省干旱程度以輕旱為主且頻發(fā)，各等級干旱低發(fā)區(qū)以非喀斯特區(qū)為主。輕旱發(fā)生面積在不同時間段分別占總發(fā)生干旱區(qū)面積的百分比為：春季(82.5%)、夏季(98.1%)、秋季(94.3%)、冬季(12.3%)、年際(92.9%)。春季全省發(fā)生干旱的頻率大于76%，夏季輕旱和重旱發(fā)生區(qū)的干旱發(fā)生頻率大于51%，秋季輕旱及中旱發(fā)生區(qū)的干旱發(fā)生頻率也大于76%，冬季為全省中旱高頻發(fā)生時間段。由年際干旱強(qiáng)度及干旱頻率分析得，貴州省的干旱以輕旱為主，且全省為輕旱頻發(fā)區(qū)。

表3 貴州省季節(jié)、年際干旱等級面積統(tǒng)計(jì) 單位：km2

a)春季

3.3 干旱區(qū)劃分

根據(jù)已劃分的季節(jié)尺度VCI的干旱等級，利用ArcGIS強(qiáng)大的空間分析能力，劃分貴州省季節(jié)性干旱區(qū)(圖6)。三季連旱即為春—夏—秋、夏—秋—冬、秋—冬—春，3個連續(xù)的季節(jié)在同一地區(qū)發(fā)生干旱；單季干旱即為同一地區(qū)2個連續(xù)季節(jié)不同時發(fā)生干旱；季節(jié)性連旱即為同一地區(qū)連續(xù)2個季節(jié)均發(fā)生干旱。由圖6可得，貴州省喀斯特地區(qū)易發(fā)生季節(jié)性連旱與三季連旱，植被覆蓋良好的非喀斯特區(qū)以單季干旱為主，究其原因?yàn)榭λ固氐貐^(qū)植被覆蓋較差，土地石漠化較為嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，影響植被生長狀態(tài)因素較多，植被生長狀況良好的非喀斯特地區(qū)，干旱主要受氣象因素的影響。統(tǒng)計(jì)分析得，單季干旱、季節(jié)性干旱及三季連旱發(fā)生干旱區(qū)的面積分布占全省總面積的18.6%、19.4%及61.9%。

圖6 2001—2018年貴州省干旱區(qū)分區(qū)

4 結(jié)論

本文研究采用MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算VCI，利用時間序列數(shù)據(jù)趨勢分析方法研究貴州省喀斯特與非喀斯特地區(qū)干旱的時空變化特征及其演變趨勢，同時依據(jù)季節(jié)性干旱特征劃分貴州省季節(jié)性干旱區(qū)。研究結(jié)果能較清楚地反映貴州省18年來干旱狀態(tài)的變化情況，有助于為貴州省農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)提供參考，同時也對旱情監(jiān)測及干旱演變研究具有一定的參考價值。結(jié)合相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，貴州省干旱不斷頻發(fā)且以輕旱為主，同時以季節(jié)性連旱與三季連旱為主。本文以 VCI 作為監(jiān)測干旱的指標(biāo)，分析了貴州省干旱的時空分布特征以及干旱趨勢及頻率，主要結(jié)論如下：①貴州省季節(jié)、年際VCI趨勢總體呈下降趨勢，表明貴州省植被長勢逐漸變差，同時也表明旱情逐漸加劇的趨勢，以喀斯特地區(qū)最為明顯，非喀斯特區(qū)次之；②貴州省季節(jié)性干旱主要以春旱、冬旱為主，且喀斯特地區(qū)發(fā)生頻率大于76%；③貴州省全省干旱主要以輕旱為主，重旱及中旱發(fā)生區(qū)主要在喀斯特地區(qū)；④貴州省以季節(jié)性連旱與三季連旱為主，發(fā)生干旱區(qū)的分布占全省總面積的19.4%及61.9%。