基于VCI的內(nèi)蒙古生長季干旱變化及對氣候響應

曲學斌,金林雪,紅梅,越昆,趙子威

(1. 呼倫貝爾市氣象局,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008;2. 內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特010051)

干旱是中國最嚴重的自然災害之一,具有持續(xù)時間長、影響范圍廣、災害損失重等特點[1].有效的干旱監(jiān)測是抗旱減災的基礎(chǔ),然而傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測主要依靠地面觀測建立的氣象干旱指數(shù)[2].受氣象站網(wǎng)密度限制,以及無法反映不同植被抗旱能力差異、灌溉設(shè)施投入及臨近水源情況等因素影響,精細化程度較差.隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的興起,遙感干旱監(jiān)測也得到快速發(fā)展,按所使用的數(shù)據(jù)源不同可分為光學遙感干旱監(jiān)測、高光譜遙感干旱監(jiān)測、微波遙感干旱監(jiān)測和多元數(shù)據(jù)綜合干旱監(jiān)測等[3],其中依靠光學遙感開展干旱監(jiān)測的技術(shù)相對成熟,數(shù)據(jù)源也最為豐富.常用的光學遙感干旱指數(shù)包括溫度狀態(tài)指數(shù)TCI[4]、植被狀態(tài)指數(shù)VCI[5]、溫度植被干旱指數(shù)TVDI[6]、植被供水指數(shù)VSWI[7]等.TCI基于陸面溫度LST建立,其算法與VCI相近,但由于地形地貌差異、衛(wèi)星過境時間和地表熱平流因素影響,LST存在不確定性.TVDI和VSWI都是基于歸一化植被指數(shù)NDVI和LST構(gòu)建的,適宜地形平坦、植被覆蓋度較高的地區(qū)和時段,但統(tǒng)計模型均受時空尺度限制,不同區(qū)域的監(jiān)測結(jié)果沒有時空可比性.VCI基于植被監(jiān)測的長時間序列,可以有效避免地理氣候和植被分布對干旱監(jiān)測的影響,適宜在大范圍的干旱監(jiān)測中使用.沙莎等[8]對比了幾種干旱指數(shù)在河南地區(qū)的監(jiān)測差異,表明VCI具有較強指示和監(jiān)測能力.LI等[9]在VCI的基礎(chǔ)上結(jié)合云光學厚度COT建立了適宜濕潤區(qū)使用的云區(qū)干旱指數(shù)CRDI.LIANG等[10]利用NOAA/AVHRR遙感數(shù)據(jù)建立了中國區(qū)1981—2015年長時間序列的VCI,并對長期植被干旱時空分布特征進行分析.相比基于NOAA的VCI指數(shù),基于MODIS的VCI指數(shù)具有更高的空間分辨率,其數(shù)據(jù)質(zhì)量更穩(wěn)定,且數(shù)據(jù)積累已超過了20 a,為今后VCI的干旱分析提供了更精準、更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來源.

干旱是威脅內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)平衡和經(jīng)濟社會發(fā)展最主要的自然災害,2004—2013年內(nèi)蒙古干旱災害的直接經(jīng)濟損失占總氣象災害損失的57%,受災人口和面積均超過其他氣象災害的總和.然而內(nèi)蒙古的氣象站網(wǎng)稀疏,氣象干旱監(jiān)測能力有限,遙感干旱監(jiān)測業(yè)務尚處于起步階段.通過前期對比4種遙感干旱指數(shù)在內(nèi)蒙古東部地區(qū)的監(jiān)測能力,已表明VCI在生長季中、后期干旱監(jiān)測中具有明顯優(yōu)勢[11].因此文中擬利用VCI開展內(nèi)蒙古生長季干旱變化及對氣候響應分析,使其能有效促進VCI干旱監(jiān)測業(yè)務的開展,提升內(nèi)蒙古的干旱監(jiān)測能力,對抗旱減災工作具有重要意義.

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古地處東亞中緯度內(nèi)陸(97°12′—126°04′E,37°24′—53°23′N),地形狹長,總面積約為1.18×106km2,占全國總面積的12.1%,共分為12個盟市.內(nèi)蒙古的地表覆蓋以草原為主,呼倫貝爾市中部為大興安嶺森林,在大興安嶺兩麓、通遼市和赤峰市的東部、巴彥淖爾市黃河灌區(qū)等地為耕地,巴彥淖爾市西部、鄂爾多斯市北部和阿拉善盟是植被稀少的荒漠區(qū)[12].

1.2 VCI計算方法

VCI的算法主要建立在NDVI的基礎(chǔ)上,它可以很好地反映非冬眠期的植被對干旱的響應[13],其計算公式為

(1)

式中:NDVImax,NDVImin分別為給定地區(qū)同一時段的多年最大和最小NDVI值;VCI的取值為0～100,其值越小,干旱越嚴重.根據(jù)VCI的算法可知,在研究區(qū)內(nèi)任意點的VCI時間變化序列的最小值和最大值均為0和100,其干旱監(jiān)測能力與研究期長短關(guān)系密切.

1.3 數(shù)據(jù)來源

結(jié)合可獲取的遙感資料時長和內(nèi)蒙古植被生長特點,研究期設(shè)定為2000—2021年5—9月內(nèi)蒙古植被生長季.計算VCI所用的NDVI數(shù)據(jù),來自美國國家航空航天局提供的MOD13A3數(shù)據(jù)集,通過最大值合成法獲取的逐月遙感植被產(chǎn)品,空間分辨率為1 km.氣象數(shù)據(jù)采用內(nèi)蒙古境內(nèi)118個國家級氣象站2000—2021年生長季的降水量和平均氣溫,通過反距離權(quán)重法插值成與VCI相同空間分辨率的柵格數(shù)據(jù).

1.4 分析方法

VCI的變化趨勢分析主要采用Sen趨勢分析法,與一元線性回歸方法相比,該方法對植被干旱反映更為敏感,具有受異常值影響小,不需要數(shù)據(jù)服從某種特定分布等諸多優(yōu)勢,其計算公式為

(2)

式中:S為VCI變化趨勢;median為數(shù)據(jù)序列中位數(shù)計算符號;i,j為VCI的年份,VCIi和VCIj分別表示第i,j年對應的NDVI值.當S>0時說明NDVI呈增長趨勢,反之則為下降趨勢,Sen變化趨勢的顯著性檢驗采用M-K方法.

VCI的變化穩(wěn)定性使用變異系數(shù)C進行分析,其數(shù)值越大表明VCI的波動越大,干旱越不穩(wěn)定,反之則表明干旱整體穩(wěn)定,計算公式為

(3)

由于氣溫和降水本身存在一定的相關(guān)性,因此VCI對氣溫、降水的響應分析采用偏相關(guān)系數(shù)法進行分析,其計算公式為

(4)

式中:下角標1代表VCI,2和3則代表氣溫(或降水),R12和R13為VCI與氣溫(或降水)的相關(guān)系數(shù),R23為氣溫與降水的相關(guān)系數(shù),R12(3)則為VCI與氣溫(或降水)在排除降水(或氣溫)影響后的偏相關(guān)系數(shù).R12(3)的正負分別代表了正相關(guān)與負相關(guān),對照相關(guān)系數(shù)檢驗表,當R12(3)通過0.05水平的顯著性檢驗時達到顯著,通過0.01水平的顯著性檢驗時達到極顯著.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 VCI的時空分布

內(nèi)蒙古生長季VCI的平均值為50.0,呼倫貝爾市西部、通遼市南部到赤峰市東部、錫林郭勒盟西北部至陰山以北賀蘭山以西、鄂爾多斯市中南部地區(qū)的VCI均值小于50.0,屬于干旱的相對高發(fā)區(qū).各盟市生長季平均VCI的時間變化如圖1所示,VCI呈緩慢增加趨勢.東部盟市中,由于呼倫貝爾市境內(nèi)大興安嶺森林對全市平均VCI具有穩(wěn)定作用,變化相對平緩,其他3個盟市生長季VCI變化有較高一致性.彭建[14]對內(nèi)蒙古東部干旱的研究表明,2000年以后干旱最重為2007年,與VCI監(jiān)測結(jié)果大致相同.中部4個盟市在2012年以前VCI的變化一致性較高,之后呼和浩特市的VCI變化與其他3個盟市差異增加.中部在2001,2007,2010年VCI明顯降低,有嚴重干旱發(fā)生,而2003,2013,2018年VCI較高,干旱影響不大,與白慶坤等[15]對蒙古高原草地干旱的研究結(jié)果基本一致.西部4個盟市生長季VCI的最低值均出現(xiàn)在2001年,主要干旱年份與中部盟市接近.3個區(qū)域相比東部和西部盟市的VCI增加趨勢較為明顯,中部盟市VCI則以波動為主.

圖1 2000—2021年內(nèi)蒙古及各盟市生長季VCI的年變化

2.2 VCI的變化趨勢

2000—2021年,內(nèi)蒙古生長季VCI的Sen變化趨勢S和M-K檢驗結(jié)果如圖2所示.生長季VCI的平均年變化傾向率為1.8 /a,干旱情況明顯改善.各盟市中鄂爾多斯市的平均年傾向率最高(3.0 /a),通遼市次之(2.5 /a),最低為錫林郭勒盟(1.3 /a),呼倫貝爾市次之(1.4 /a).顯著性檢驗表明,生長季VCI呈增加趨勢的面積占比達到內(nèi)蒙古總面積的92.4%,極顯著增加為35.6%,顯著增加為15.8%,顯著和極顯著減少的面積占比僅為0.9%.從分布上,VCI顯著和極顯著增加的區(qū)域主要位于內(nèi)蒙古東西兩側(cè),東部VCI增加區(qū)域主要位于呼倫貝爾市大興安嶺及以東地區(qū)、興安盟以南至赤峰市一帶;西部主要位于陰山以南烏蘭察布市以西的地區(qū).VCI的顯著增加區(qū)與滑永春等[16]對內(nèi)蒙古植被顯著增長區(qū)域的分析高度吻合.不顯著增加區(qū)主要位于呼倫貝爾草原和錫林郭勒盟至包頭市東部一帶,以草原植被為主.顯著減少區(qū)主要位于阿拉善盟西北部荒漠區(qū).

圖2 2000—2021年內(nèi)蒙古生長季VCI的變化趨勢

內(nèi)蒙古各盟市生長季各月的VCI變化趨勢Sm和顯著性檢驗如表1所示.

表1 2000—2021年生長季各月內(nèi)蒙古盟市VCI的變化趨勢

各盟市各月平均VCI的變化趨勢均為正值,其中東部盟市除赤峰市外VCI的年變化傾向率最高均為7月(赤峰市為5月),中部盟市除包頭市外VCI的年變化傾向率最高均為9月,中部的包頭市和西部盟市VCI的年變化傾向率最高為5月或6月.顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯市各月的VCI增長均達到極顯著水平,通遼市各月均達到顯著水平,在“三北”防護林建設(shè)、京津冀風沙源治理、退耕還林還草、圍封保育等人類正向干擾活動的影響下,通遼市、赤峰市等東南部靠近京津冀地區(qū)和西部草原荒漠過度帶的植被狀況持續(xù)改善,抗旱能力顯著提升.內(nèi)蒙古中部和東北部地區(qū)的呼倫貝爾市、錫林郭勒盟、烏蘭察布市、包頭市和巴彥淖爾市各月VCI變化趨勢均不顯著,需關(guān)注上述地區(qū)的生態(tài)修復和防旱抗旱能力建設(shè).

內(nèi)蒙古生長季各月VCI的變異系數(shù)C見圖3.5—6月VCI變異系數(shù)相對較高的區(qū)域主要位于東部盟市和錫林郭勒盟東部植被以草原和耕地為主的區(qū)域,表明該地區(qū)春末夏初干旱發(fā)生風險相對較高.7—8月,VCI變異系數(shù)較高的區(qū)域明顯向西移動,主要位于錫林郭勒盟西部、烏蘭察布市北部、包頭市北部、巴彥淖爾市北部等地,夏中夏末干旱風險相對較高.9月VCI變異系數(shù)較高的區(qū)域數(shù)值在減小,但范圍明顯增加.從VCI變異系數(shù)的平均值分析,5月VCI變異系數(shù)的平均值最高(0.65),其次為6月(0.59)和9月(0.58),8月VCI變異系數(shù)的平均值最低(0.55).可見內(nèi)蒙古春末夏初的干旱風險最高,其次為秋季干旱,由于內(nèi)蒙古的主汛期一般在7月中下旬至8月上旬,該時段是內(nèi)蒙古年內(nèi)降水相對集中的時期,干旱風險相對較低.

圖3 2000—2021年內(nèi)蒙古生長季各月VCI的變異系數(shù)分布

2.3 VCI與氣溫、降水的相關(guān)性

2000—2021年內(nèi)蒙古生長季平均氣溫為18.8 ℃,以波動為主,線性變化趨勢不明顯;平均降水量為270.6 mm,以3.9 mm/a的傾向率在極顯著增加.由于降水發(fā)生時常會引起氣溫下降,兩者間存在明顯負相關(guān),因此VCI與氣溫、降水的相關(guān)性分析采用偏相關(guān)分析法,以排除兩個氣象要素間相關(guān)性對分析結(jié)果的影響,偏相關(guān)系數(shù)的空間分布如圖4所示.

圖4 2000—2021年內(nèi)蒙古生長季VCI與氣溫、降水的偏相關(guān)性

內(nèi)蒙古生長季VCI與氣溫呈極顯著負相關(guān)的面積占全區(qū)總面積的25.0%,主要位于除錫林郭勒盟中部以外的草原區(qū),呈顯著負相關(guān)和不顯著負相關(guān)的面積占比分別為3.8%和20.2%,主要位于鄂爾多斯市以西的荒漠區(qū);VCI與氣溫呈極顯著正相關(guān)的面積占比為17.2%,主要位于呼倫貝爾市大興安嶺林區(qū)等地,對于中高緯度森林而言,高溫誘發(fā)干旱的可能性不大且植被生長受熱量不足脅迫明顯,因此該地區(qū)VCI與氣溫呈正相關(guān).生長季VCI與降水呈顯著和極顯著正相關(guān)的面積占比達72.2%,占據(jù)了內(nèi)蒙古中東部大部分地區(qū),VCI與降水呈不顯著正相關(guān)的面積占20.9%,主要位于巴彥淖爾黃河農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)、阿拉善盟西北部荒漠區(qū)以及大興安嶺山脊林區(qū),而VCI與降水呈負相關(guān)的面積占比僅為6.9%,其中達到顯著和極顯著的面積占比僅為1.2%,零星分布在阿拉善盟和呼倫貝爾市北部.可見降水偏少是誘發(fā)內(nèi)蒙古干旱發(fā)生的決定性氣象要素,高溫主要在草原干旱發(fā)生過程中起重要作用.

3 討 論

利用衛(wèi)星遙感技術(shù)建立的干旱指數(shù),可以將傳統(tǒng)的“點”測量拓展到“面”信息,具有范圍大、精度高等優(yōu)勢,更能直觀反映出農(nóng)牧業(yè)實際受災情況及干旱在氣候、人類活動等因素影響下的變化趨勢[17].目前遙感干旱指數(shù)的推廣和業(yè)務化應用仍存在一些亟待解決的問題.首先,遙感植被干旱指數(shù)缺乏類似《氣象干旱等級》(GB/T 20481—2017)的國家或行業(yè)標準,缺乏統(tǒng)一的指數(shù)算法和等級劃分標準.其次,很多遙感植被干旱指數(shù)需要長時間序列的NDVI數(shù)據(jù),但每顆衛(wèi)星的壽命有限,未來如何消除不同衛(wèi)星產(chǎn)品的系統(tǒng)偏差,將多源衛(wèi)星融合使用,構(gòu)建長時間序列的NDVI數(shù)據(jù)集,將成為VCI長期業(yè)務應用的關(guān)鍵.

4 結(jié) 論

1) 內(nèi)蒙古生長季VCI的平均值在50.0左右,呼倫貝爾市西部、通遼市南部到赤峰市東部、錫林郭勒盟西北部至陰山以北賀蘭山以西、鄂爾多斯市中南部地區(qū)為干旱多發(fā)區(qū).VCI的干旱監(jiān)測結(jié)果與前人的研究具有較高一致性,但能更好地反映出生態(tài)環(huán)境改善所帶來的抗旱能力提升.

2) 2000—2021年內(nèi)蒙古的VCI整體呈上升趨勢,主要上升區(qū)位于內(nèi)蒙古的東南部農(nóng)牧交錯帶和西部草原與荒漠過渡區(qū),在“三北”防護林工程、京津冀風沙源治理等人類正向干擾下,內(nèi)蒙古的植被抗旱能力明顯提升.根據(jù)變異系數(shù)的分析可知春末夏初內(nèi)蒙古東部地區(qū)的干旱風險相對較高,隨著夏季到來,干旱高風險區(qū)向西移動至內(nèi)蒙古中部地區(qū),秋季干旱風險范圍增大但強度相對減小.

3) 內(nèi)蒙古72.2%的地區(qū)VCI與降水呈顯著和極顯著正相關(guān),降水是影響內(nèi)蒙古干旱發(fā)生的決定性氣象因素.28.8%的地區(qū)VCI與氣溫呈顯著和極顯著負相關(guān),主要位于呼倫貝爾市西部至錫林郭勒盟東部、錫林郭勒盟西部至包頭市南部一帶的草原區(qū),高溫與草原干旱的發(fā)生關(guān)系密切.