基于溫度植被干旱指數(shù)的黑龍江省20年干旱時空特征研究

吳 黎, 解文歡, 張有智, 宋麗娟, 李 巖, 呂志群

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)遙感與信息研究所, 哈爾濱 150086)

農(nóng)業(yè)干旱是作物生長過程中因供水不足，阻礙作物正常生長而發(fā)生的水量供應(yīng)不平衡的現(xiàn)象[1]。黑龍江省是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，近20 a來黑龍江省旱災(zāi)占總農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害總面積的63%，占據(jù)省內(nèi)三大氣象災(zāi)害首位。遙感監(jiān)測技術(shù)以其宏觀、快速、動態(tài)、經(jīng)濟的優(yōu)勢，成為旱災(zāi)監(jiān)測研究的有效重要手段。眾多學(xué)者研究表明利用地面溫度和植被指數(shù)特征空間耦合而成的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)監(jiān)測旱情方法優(yōu)越、可行性高[2]。利用TVDI模型監(jiān)測地表旱情時，其受傳感器類型和數(shù)據(jù)空間分辨率的影響較小，因此被廣泛應(yīng)用到干旱監(jiān)測中[3-8]。

眾多學(xué)者對黑龍江省的干旱研究主要歸納為兩類：一是基于長時間的氣象站點數(shù)據(jù)采用不同干旱方法進行時空特征、演變規(guī)律、變化趨勢、災(zāi)害評價等研究，二是基于遙感數(shù)據(jù)進行干旱監(jiān)測及預(yù)測模型分析。分析干旱時空特征研究基本都是以氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，其原因是氣象數(shù)據(jù)歷史時間更久，從1951年開始我國便已有氣象站觀測數(shù)據(jù)，時間越長對規(guī)律和趨勢分析就越有利，這是氣象數(shù)據(jù)的優(yōu)點。但氣象站屬于點數(shù)據(jù)，不能代表面上干旱情況，學(xué)者需采用一系列方法進行面數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，這樣在監(jiān)測精度上有所損失。遙感數(shù)據(jù)屬于面數(shù)據(jù)，以像元為單元，可監(jiān)測每一個像元的干旱程度彌補氣象數(shù)據(jù)的不足，且MODIS數(shù)據(jù)具有時效性好、幅寬大、波段范圍廣，數(shù)據(jù)開放的優(yōu)勢，可快速實現(xiàn)全省范圍內(nèi)土壤干旱監(jiān)測，在防治干旱，指導(dǎo)精準(zhǔn)灌溉，節(jié)約水資源，降低農(nóng)民損失方面均具有重要意義。目前對黑龍江省利用遙感數(shù)據(jù)進行20 a的時空變化特征研究特別缺少，學(xué)者主要集中在對單一時刻或某一時段的干旱監(jiān)測上。針對如上問題本文基于MODIS時序數(shù)據(jù)計算逐月TVDI，累計20 a間黑龍江省干旱發(fā)生頻率及干旱強度，分析黑龍江省干旱時間特征，找到規(guī)律并同時開展空間變化特征研究，為后續(xù)作者進行黑龍江省干旱預(yù)警研究奠定基礎(chǔ)，為政府抗旱救災(zāi)、制定農(nóng)業(yè)政策和管控農(nóng)業(yè)項目提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

黑龍江省地理位置介于121°11′—135°05′E和43°25′—53°33′N。年平均氣溫在-6～4℃，無霜期多在100～140 d，年降雨量介于400～650 mm，中部最多，東部次之，北部和西部最少，黑龍江省地勢西北高東南低，農(nóng)業(yè)地域特征是東西兩大平原、南北兩大山地。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心(http:∥www.nsdata.cn/)獲取MODIS標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中16 d合成的植被指數(shù)MOD13A2，8 d合成的地表溫度MOD11A2數(shù)據(jù)。構(gòu)建溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)需將植被指數(shù)(MOD13A2)及地表溫度(MOD11A2)數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的時間分辨率和相同的空間分辨率上，將臨近的兩個8 d的MOD11A2以最大值法(同一點兩景影像中取最大值作為新影像的相元值·)合成16 d的數(shù)據(jù)。兩種數(shù)據(jù)的空間分辨率均為1 km。數(shù)據(jù)時間從2000—2019年，每年的5月初至9月末，涵蓋農(nóng)作物的整個生育期。從(https:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)網(wǎng)站獲取土地覆蓋類型產(chǎn)品數(shù)據(jù)(MCD12Q1)，獲取黑龍江省耕地區(qū)域界限范圍。根據(jù)國際地圈生物圈計劃(IGBP)的全球植被分類方案，選取DN值為12的像元為耕地。統(tǒng)一全部圖幅投影，后進行圖幅拼接，再利用黑龍江省行政區(qū)劃圖進行黑龍江省遙感影像的裁剪，得到黑龍江省歸一化植被指數(shù)和地表溫度數(shù)據(jù)；最后利用MCD12Q1數(shù)據(jù)提取黑龍江省耕地，對MODIS所有時序數(shù)據(jù)進行掩膜處理，獲得最終的農(nóng)作物研究區(qū)的歸一化植被指數(shù)和地表溫度時序數(shù)據(jù)集。

從中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥cdc.nmic.cn/)獲取黑龍江省40個氣象站2000—2019年氣象觀測降雨量數(shù)據(jù)用于計算標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[9]。

2.2 研究方法

(1) TVDI模型法。國內(nèi)外眾多學(xué)者研究不同時間分辨率和空間尺度的植被指數(shù)(NDVI)和地表溫度(Ts)的關(guān)系表明，二者存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。Sandholt等[10]在研究NDVI-Ts特征空間時發(fā)現(xiàn)了很多條直線，據(jù)此提出了溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)監(jiān)測地表相對含水量狀況，計算公式為：

(1)

Tsmax=a1+b1×NDVI

(2)

Tsmin=a2+b2×NDVI

(3)

將公式(2—3)代入公式(1)

(4)

式中:Ts為地表溫度;Tsmin為相同NDVI條件下的最小地表溫度;Tsmax為相同NDVI條件下的最大地表溫度;a1，a2，b1，b2為擬合方程系數(shù)。

TVDI值為0～1，引用作者較前TVDI等級劃分結(jié)果[11]，共分5個強度其中無旱對應(yīng)的強度等級I(Intensity)為1，輕旱為2，中旱為3，重旱為4，特旱為5，相對應(yīng)的TVDI值范圍見表1；20 a總干旱強度為I20，定義I20<60為干旱頻率低強度弱，60≤I20<80為干旱發(fā)生頻率中強度中，80≤I20為干旱頻率高強度大。

表1 溫度植被干旱指數(shù)干旱強度

為了研究黑龍江省干旱特征，分析年平均干旱強度和年內(nèi)極端干旱(年內(nèi)月平均TVDI最大值)情況，本文將2000—2019年每年5—9月月溫度植被干旱指數(shù)數(shù)據(jù)求平均獲得年平均溫度植被干旱指數(shù)(TVDImean)，其代表的是作物生育期內(nèi)平均受旱程度；一年中5—9月的每月TVDI值中最大溫度植被干旱指數(shù)為TVDImax，其代表的是作物生育期內(nèi)極端受旱情況。采用一元線性回歸分析方法研究時序TVDI數(shù)據(jù)的趨勢特征。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)。降雨分布是一種偏態(tài)分布，因此直接用降雨量很難在不同時間、不同地區(qū)上進行相互比較，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)是表示某時段降水量出現(xiàn)概率的指標(biāo)之一，因其具有概率屬性，其能很好的比較不同區(qū)域的干旱狀況[12]。通過計數(shù)出累積降水的概率密度函數(shù)Γ，進行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，其計算方法是在特定時間段內(nèi)產(chǎn)生的降水量與平均值之差除以標(biāo)準(zhǔn)差，其中降水量平均值和標(biāo)準(zhǔn)差是根據(jù)過去的歷年氣象觀測記錄來確定的[13]。公式如下：

式中:x為降水樣本值;H(x)為與Γ函數(shù)相關(guān)的降水分布累積概率;c0=2.515 517;c1=0.802 853;c2=0.010 328;d1=1.432 788;d2=0.189 269;d3=0.001 308。

本文計算的是1個月時間尺度SPI下黑龍江各站點的SPI指數(shù)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 精度驗證

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)是氣象干旱監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用的指標(biāo)，本研究利用SPI與TVDI進行相互精度驗證，可明確遙感TVDI干旱指標(biāo)的指導(dǎo)意義[14-16]。SPI選取2000—2019年黑龍江省40個氣象站的5—9月的月降水量數(shù)據(jù)，計算1個月尺度SPI值，求40個站點平均值代表全省1個月尺度SPI情況，最后將1個月SPI值累積求平均獲得年SPI值。同時獲取與SPI時間相匹配的月TVDI值，將月TVDI值累積求平均獲得年平均TVDI(TVDImean)。對年SPI與TVDImean進行關(guān)系分析，可見年平均SPI與TVDImean有負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.67，公式為：SPI=-3.2737TVDI+1.9136，p值為0.002，表明年平均SPI與TVDImean存在極顯著負(fù)相關(guān)性。說明TVDImean可以很好的體現(xiàn)年干旱情況，即TVDImean越高，年平均標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)越小，越干旱，且氣象干旱也是造成農(nóng)業(yè)干旱的主要原因。

3.2 黑龍江省干旱時間特征分析

研究全省20 a來干旱時間特征變化，TVDImean時序數(shù)據(jù)(圖1)顯示，黑龍江省2006年是省內(nèi)干旱趨勢變化轉(zhuǎn)折年，干旱發(fā)生較重的在2000—2006年，此時間段內(nèi)TVDImean均值為0.63；到2013年干旱水平降到最低，2007—2013年此時間段內(nèi)TVDImean均值為0.57；2015年TVDImean值雖有所升高，但2014—2019年時間段內(nèi)TVDImean均值依然有所降低，為0.56。3個時段內(nèi)TVDImean均值呈下降趨勢。對2000—2019年TVDImean值與時間進行回歸分析，表明TVDImean值20 a間總體呈減弱的趨勢，經(jīng)過顯著性分析得出p<0.05，表明黑龍江省年平均干旱有顯著減弱趨勢。

TVDImax監(jiān)測(圖1)出黑龍江省2006年、2009年和2015年極端干旱情況最重(TVDImax最大)，且分布在3個不同干旱時間內(nèi)，TVDImean與TVDImax關(guān)系不大，從變化趨勢來看黑龍江省近20 a的TVDImax有減弱的趨勢，但未通過顯著性分析。

圖1 2000-2019年TVDI變化特征

分析2000—2019年TVDImean中干旱面積占比情況，由圖2可以看出，黑龍江省年干旱類型中，無旱與特旱面積占比較少，主要集中在輕旱、中旱和重上，其中中旱面積占比最大，表明黑龍江省年干旱主要以中旱為主。輕旱和無旱面積占比呈增加趨勢，其他干旱等級面積占比呈減少趨勢，該趨勢與TVDImean呈減弱趨勢相一致。

圖2 2000-2019年黑龍江省不同等級干旱面積占比

分析5—9月20 a平均干旱面積占比的月動態(tài)情況，由圖3可知，黑龍江省無旱面積占比呈先增加后降低現(xiàn)象，在7月無旱面積占比達到峰值，8月無旱面積占比劇降其比例小于5月和6月，9月無旱面積占比降到最低；輕旱面積占比也呈先增加后降低現(xiàn)象，7月輕旱面積占比達到峰值，8月輕旱面積占比較7月減少但高于6月，9月輕旱面積占比降到最低；中旱面積占比呈先降低后升高現(xiàn)象，7月中旱面積占比降到最低，8月中旱面積占比逆轉(zhuǎn)升高比例高于5月和6月，9月中旱面積占比達到峰值；重旱面積占比6月份最高，5月重旱面積占比僅次于6月居第二，9月重旱面積占比小于6月和5月，7月和8月重旱面積占比特??；特旱面積占比呈降低現(xiàn)象5月最大，7月和8月特旱面積占比最小，幾乎接近0值，9月特旱面積占比有所增加但仍小于6月。中旱、重旱、特旱3個等級干旱面積占比總和由大到?。?月>5月>6月>8月>7月，其中雖然9月3個等級干旱面積占比總量最大，但以中旱為主，特旱特少，重旱占比也比5月和6月少，中旱本身級別不高，9月又屬秋收季節(jié)，因此對作物影響不是很大；5月雖不是3個等級干旱面積占比總量最大，但其重旱、特旱面積占比均較大。因此分析表明5月是黑龍江省干旱最嚴(yán)重期，6月是干旱期，7月是黑龍江省干旱最弱時期，8月是干旱較弱時期，9月是干旱期以中旱為主。

圖3 2000-2019年黑龍江省5-9月干旱面積占比

3.3 黑龍江省干旱空間特征分析

根據(jù)定義TVDImean值中各種干旱類型的干旱強度：無旱干旱強度為1，輕旱干旱強度為2，中旱干旱強度為3，重旱干旱強度為4，特旱干旱強度為5，利用公式(5)計算I20，本文假設(shè)20 a同一像元干旱強度都為4，那80就是重旱和中旱的臨界值，因此認(rèn)為80≤I20的像元點為干旱頻率高且干旱強度大的區(qū)域稱為重風(fēng)險區(qū)，主要分布在訥河、甘南縣、市齊齊哈爾市、龍江縣、林甸縣、泰來縣、大慶市、肇源縣和杜爾伯特縣。假設(shè)20 a同一點干旱強度都為3，那60就是中旱和輕旱的臨界值，因此認(rèn)為60≤I20<80的像元點為干旱頻率中干旱強度中區(qū)域稱為中風(fēng)險區(qū)，主要分布在西部地區(qū)、寶清縣、富錦市、友誼縣、集賢縣、勃利縣和寧安市干旱頻率中強度中。I20<60的像元點為干旱頻率輕干旱強度輕區(qū)域稱為低風(fēng)險區(qū)，主要分布在北部、中部和東北部地區(qū)(圖4)。

分析5—9月逐月干旱空間特征情況，5月重風(fēng)險區(qū)內(nèi)含縣市較多，主要分布在西部地區(qū)、寧安市、勃利縣、雞東縣、友誼縣、寶清縣和集賢縣，表明該地區(qū)每年5月份發(fā)生重旱、特旱的概率大；中風(fēng)險區(qū)主要分布在北部、中部；干旱頻率輕干旱強度輕區(qū)域主要分布在東部地區(qū)。6月重風(fēng)險區(qū)明顯減少，主要分布在西部部分地區(qū)；中風(fēng)險區(qū)域增加，增加主要為5月份的重風(fēng)險區(qū)，也說明6月份較5月份干旱有明顯減弱；低風(fēng)險區(qū)分布在北部和東部地區(qū)。7月、8月份重風(fēng)險區(qū)幾乎沒有，此結(jié)果與上文時間特征結(jié)果相吻合；中風(fēng)險區(qū)零星分布在西部地區(qū)，該區(qū)面積8月份大于7月份；低風(fēng)險區(qū)7月份幾乎覆蓋全省(除齊齊哈爾市和大慶市附近外)，8月份除西南部外的全部區(qū)域，表明7月、8月較少發(fā)生干旱。9月重風(fēng)險區(qū)主要分布在大慶市周邊及泰來縣、龍江縣、甘南縣、齊齊哈爾市、訥河市等地；中風(fēng)險區(qū)分布在西部地區(qū)和東南部地區(qū)；低風(fēng)險區(qū)主要分布在北部和東北部(圖4)。

圖4 黑龍江省20 a及逐月干旱空間特征分布

4 討 論

作者較前研究[11]已對溫度植被干旱指數(shù)干旱監(jiān)測指標(biāo)的干旱強度進行了劃分，且該劃分結(jié)果也在黑龍江省進行應(yīng)用與驗證[2,17]證明了劃分的TVDI干旱強度對黑龍江省土壤干旱情況的反演具有較好的適用性。本文就是基于此對黑龍江省開展2000—2019年的干旱時空變化特征研究，張劍俠等[18]以氣象數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算月干旱指數(shù)，統(tǒng)計30 a(1975—2005)內(nèi)月干旱發(fā)生的次數(shù)，區(qū)域劃分干旱多發(fā)區(qū)、干旱次發(fā)區(qū)和較少發(fā)生干旱區(qū)，區(qū)域劃分結(jié)果與本研究結(jié)果具有一致性?；赥VDI的干旱空間特征分析是以像元為基礎(chǔ)單元，屬于面狀數(shù)據(jù)，對于全省研究更具有代表性，而傳統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)均是以氣象監(jiān)測站和縣為基礎(chǔ)單元，屬于點狀數(shù)據(jù)，對全省研究屬以點概面，因此TVDI監(jiān)測更具優(yōu)勢。

TVDI的構(gòu)建是基于溫度—植被的理想假設(shè)，即在相同植被覆蓋度的前提下，地表溫度越高，土壤水分越低，這一區(qū)域就越干旱，反之就越濕潤。本文研究的黑龍江省耕地范圍生長季內(nèi)的干旱情況，僅從區(qū)域角度和時間跨度上進行分析，并未考慮到地面附著植被類型，由于植被類型的不同，植株高矮存在一定的差異，對TVDI的計算會有一定的影響，因此后續(xù)作者會從植被覆蓋類型出發(fā)，研究不同植被類型、不同時期、不同區(qū)域?qū)Ω珊档捻憫?yīng)程度的研究將更有意義。

5 結(jié) 論

(1) 從時間尺度上來分析，2000—2019年黑龍江省20 a間2000—2006年干旱嚴(yán)重、2007—2013年干旱減弱、2014—2019年干旱震蕩減弱；TVDImax監(jiān)測出黑龍江省2006年、2009年、2015年三年中極端干旱情況最重；20 a間TVDImean有顯著減弱趨勢而TVDImax未通過顯著性檢驗。分析20 a間TVDImean中干旱面積占比可知，全省中旱現(xiàn)象較為普遍。分析月內(nèi)干旱情況可知，5月是黑龍江省干旱發(fā)生的最嚴(yán)重時期，6月是干旱期，7月是黑龍江省干旱最弱時期，8月是干旱較弱時期，9月也是干旱期以中旱為主。

(2) 從空間尺度上來分析，20 a重風(fēng)險區(qū)主要分布在訥河市、甘南縣、齊齊哈爾市、龍江縣、林甸縣、泰來縣、大慶市、肇源縣和杜爾伯特縣。中風(fēng)險區(qū)主要分布在西部地區(qū)、寶清縣、富錦市、友誼縣、集賢縣、勃利縣和寧安市。低風(fēng)險區(qū)主要分布在北部、中部和東北部地區(qū)。分析逐月干旱空間特征：西部地區(qū)、寧安市、勃利縣、雞東縣、友誼縣、寶清縣和集賢縣等地區(qū)5月干旱發(fā)生頻率高強度大，西部部分地區(qū)6月持續(xù)高頻率高強度干旱，大慶市周邊及泰來縣、龍江縣、甘南縣、齊齊哈爾市、訥河市等地區(qū)9月干旱發(fā)生頻率高強度大。