2002-2016年錫林郭勒草原干旱時(shí)空特征

杜波波, 阿拉騰圖婭, 包 剛

(內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 呼和浩特 010022)

干旱是一種極其普遍、影響程度極深的累積性自然災(zāi)害，全球約2/3的國(guó)家受干旱的影響，干旱造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著氣候的變化，全球的溫度和降水在時(shí)間和空間上發(fā)生了一系列變化，極端干旱也更加頻繁[1]，干旱產(chǎn)生的土地退化和水資源短缺等問(wèn)題已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展、威脅人類生存的最嚴(yán)重問(wèn)題。蒙古高原位于亞歐大陸內(nèi)部，降水稀少，為干旱提供了良好的孕育環(huán)境，氣溫的上升導(dǎo)致蒙古高原在進(jìn)入21世紀(jì)后一直處于一種持續(xù)干旱的狀態(tài)[2]。錫林郭勒草原地處蒙古高原東南部，干旱的連年發(fā)生，對(duì)區(qū)域生態(tài)建設(shè)、當(dāng)?shù)鼐用窨沙掷m(xù)發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，因此進(jìn)行錫林郭勒草原干旱的時(shí)空特征研究，找出干旱的發(fā)生規(guī)律，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，構(gòu)建保衛(wèi)京畿重地的綠色長(zhǎng)城，提高當(dāng)?shù)鼐用竦男腋Ｖ笖?shù)具有重大意義。

在過(guò)去幾十年里，國(guó)內(nèi)學(xué)者采用了不同的研究方法對(duì)干旱的時(shí)空分布狀況進(jìn)行研究[3-7]，關(guān)于干旱特征研究的方法可以總結(jié)為兩類：基于氣象站數(shù)據(jù)的干旱指標(biāo)評(píng)價(jià)方法和基于遙感影像數(shù)據(jù)的干旱反演。基于氣象站數(shù)據(jù)的干旱指標(biāo)評(píng)價(jià)方法由于計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單易行，在我國(guó)被大多數(shù)學(xué)者所認(rèn)可，以往關(guān)于長(zhǎng)時(shí)間序列的干旱時(shí)空特征分析也主要是利用這種方法[4-6]。然而該方法往往存在一些缺陷：首先，氣象站點(diǎn)數(shù)量有限、空間分布特征不均勻，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積的干旱監(jiān)測(cè)[7]，盡管近幾年氣象站點(diǎn)的密度有所增加，但是對(duì)以往氣象數(shù)據(jù)的虧缺卻是無(wú)法彌補(bǔ)的。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，遙感影像為研究人員提供了大量的數(shù)據(jù)，除了一些特別的遙感數(shù)據(jù)需要付費(fèi)，大多數(shù)數(shù)據(jù)都能免費(fèi)獲取。通過(guò)遙感影像可以快速實(shí)現(xiàn)大面積土壤干濕度的檢測(cè)，提高了時(shí)效性，使區(qū)域干旱預(yù)防、治理更具有科學(xué)性。但是利用遙感數(shù)據(jù)處理過(guò)程比較繁瑣，工作量大，所以基于遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的干旱監(jiān)測(cè)的研究比較少[8]，目前使用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行干旱研究主要集中在短時(shí)間的干旱監(jiān)測(cè)或傳感器之間的精度驗(yàn)證上[9-11]。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，本文利用MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)構(gòu)建的溫度植被干旱指數(shù)TVDI，從月尺度上分析2002—2016年錫林郭勒草原生長(zhǎng)季的干旱時(shí)空分布特征，找出干旱在時(shí)間上的變化規(guī)律和空間上的分布特征，為區(qū)域干旱的預(yù)防、治理提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

錫林郭勒草原地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，115°13′—117°06′E，43°02′—44°52′N，屬于溫帶大陸性氣候，降水140～400 mm，年均溫度0～4℃。全盟水資源總量為34.92億m3/a，地表水資源9.08億m3/a，可利用量為3.98億m3。全區(qū)人口達(dá)104.69萬(wàn)，牧區(qū)人口大概占總?cè)丝诘?/5，主要收入以畜牧業(yè)為主，經(jīng)濟(jì)類型單一。干旱以及由干旱所引起的一系列次生事件是限制牧區(qū)發(fā)展的主要因素，進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的干旱監(jiān)測(cè)并做出合理的干旱等級(jí)評(píng)估，可以降低區(qū)域的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用的遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)。具體包括2002—2016年研究區(qū)生長(zhǎng)季內(nèi)(第113～288天)[12-13]Terra衛(wèi)星的地表溫度數(shù)據(jù)MOD11A2和植被指數(shù)數(shù)據(jù)MOD13A2。空間分辨率為1 000 m，時(shí)間分辨率MOD11A2為8 d，MOD13A2為16 d，采用最大值合成法將地表溫度數(shù)據(jù)合成為16 d的數(shù)據(jù)，并對(duì)影像進(jìn)行鑲嵌、投影轉(zhuǎn)換，在IDL中進(jìn)行批量裁剪。

研究中用到的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象資料共享網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI的計(jì)算所需數(shù)據(jù)最少為30 a[14]，所以研究中選取1987—2016年30 a的月尺度降水，空間上包括錫林郭勒9個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)。

圖1 錫林郭勒草原位置

1.3 研究方法

研究中的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)是利用MODIS遙感影像產(chǎn)品數(shù)據(jù)地表溫度數(shù)據(jù)(LST)和植被指數(shù)(NDVI)擬合而成的，與土壤的干濕狀況具有較強(qiáng)的相關(guān)性[15]。相比傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積土壤的干旱監(jiān)測(cè)，較好地反映土壤的干濕狀況[16-17]；相比單純使用LST或NDVI反演的干旱狀況，TVDI降低了LST受大氣、環(huán)境等因素對(duì)監(jiān)測(cè)精度影響，同時(shí)彌補(bǔ)了NDVI對(duì)干旱監(jiān)測(cè)在時(shí)間上滯后的問(wèn)題，較為精確地反映了地表含水量的變化狀況[18-19]。TVDI計(jì)算公式如下：

(1)

式中：LSTmax表示像元在某個(gè)NDVI值時(shí)的最大溫度，LSTmin代表最小溫度，最大溫度值擬合公式：LSTmax=a1+b1NDVI ，最小溫度值的擬合公式：LSTmin=a2+b2NDVI；a1，b1代表干邊的擬合系數(shù)，a2，b2代表濕邊的擬合系數(shù)。

溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)位于(0，1),TVDI值越大，表示越干旱，具體劃為5個(gè)等級(jí)：

表1 溫度植被干旱指數(shù)等級(jí)劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果與分析

2.1.1 精度驗(yàn)證 研究中利用SPI與TVDI進(jìn)行相互驗(yàn)證。計(jì)算SPI所用的氣象數(shù)據(jù)為1987—2016年錫林郭勒草原9個(gè)氣象站的月尺度降水，在計(jì)算結(jié)果中提取2002—2016年6—9月各氣象站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的SPI值。將16 d尺度的TVDI通過(guò)求平均合成月尺度的TVDI值，提取各站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的TVDI像元值。共獲取540對(duì)SPI—TVDI樣本點(diǎn)，對(duì)各站點(diǎn)的SPI和TVDI值進(jìn)行分等定級(jí)，在SPSS軟件中計(jì)算SPI—TVDI肯德?tīng)柕燃?jí)相關(guān)系數(shù)：在0.01的置信度下，SPI—TVDI的肯德?tīng)柕燃?jí)相關(guān)系數(shù)為-0.369.說(shuō)明TVDI與SPI干旱等級(jí)呈負(fù)相關(guān)性，這符合標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)值越大越濕潤(rùn)，值越小越干旱；也符合溫度植被干旱指數(shù)值越小越濕潤(rùn)，值越大越干旱的規(guī)律。

2.1.2 干旱在植物生長(zhǎng)期的時(shí)間特征分析 對(duì)2002—2016年干旱面積比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制圖2。從圖2A中可以看出，錫盟草原在生長(zhǎng)季內(nèi)發(fā)生的干旱現(xiàn)象主要分為3個(gè)等級(jí)：輕旱、中旱、重旱，其中重旱在各時(shí)相中所占的面積比例都比較小，中旱次之，輕旱所占的面積比例都比較大，由此可以判定錫林郭勒草原干旱主要以輕旱和中旱為主。

圖2 2002-2016年錫林郭勒草原在生長(zhǎng)季內(nèi)各等級(jí)干旱面積比例

由圖2B可知，4月下旬—6月上旬輕旱的面積比例呈遞增趨勢(shì)，在6月中旬輕旱面積比例達(dá)到峰值，6月下旬—10月上旬輕旱面積在部分時(shí)間段內(nèi)有所起伏，但整體上呈現(xiàn)一種遞減趨勢(shì)。中旱面積在4月下旬—5月下旬處于上升階段，在5—6月上旬首次達(dá)到峰值，在6月中旬中旱面積比例發(fā)生逆轉(zhuǎn)降到最低，之后從6月下旬中旱面積比例一直處于上升狀態(tài)，特別是進(jìn)入8月份后出現(xiàn)持續(xù)性的大面積中旱現(xiàn)象，這種狀態(tài)直到9月底才出現(xiàn)回轉(zhuǎn)。重旱的面積比例基本上處于一個(gè)較為平穩(wěn)的狀態(tài)，4月底—6月上旬重旱面積比例整體呈遞減趨勢(shì)，只是在5月中旬出現(xiàn)第一個(gè)峰值；從6月中旬開(kāi)始重旱整體上呈遞增的趨勢(shì)，但是增幅不大，這種狀態(tài)直到9月底才出現(xiàn)回落。當(dāng)輕旱面積比例增加時(shí)，中旱和重旱的面積比例則減少，當(dāng)輕旱面積比例下降時(shí)，中旱和重旱的面積比例反而增加，說(shuō)明錫林郭勒草原在生長(zhǎng)季內(nèi)發(fā)生干旱的草地面積比例基本保持不變，只是各種干旱面積比例此消彼長(zhǎng)。

從圖3中可以看出，4月下旬—5月底、7月上旬、9月下旬發(fā)生中旱的面積比例波動(dòng)比較大，說(shuō)明這幾個(gè)時(shí)間段發(fā)生干旱的面積比例不穩(wěn)定，在個(gè)別年份里容易出現(xiàn)大面積中旱。輕旱面積比例整體波動(dòng)不大，只是在4月下旬、5月底—6月上旬、7月中下旬、9月上半月、10月上半月離散度大于0.1，這幾個(gè)時(shí)相相比其他時(shí)間段輕旱發(fā)生的面積比例不穩(wěn)定。重旱面積比例出現(xiàn)較大波動(dòng)主要集中在8月下旬—9月中旬，說(shuō)明這個(gè)時(shí)間段容易出現(xiàn)較大或較小面積比例的重旱，其他時(shí)相都比較穩(wěn)定。6月中下旬輕旱、中旱和重旱的面積比例相比其他時(shí)間段內(nèi)的波動(dòng)不大，表明這個(gè)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的各等級(jí)干旱面積比例基本不變。從總體上看，3種程度的干旱面積比例離散度較小，波動(dòng)變化不是特別大，說(shuō)明各時(shí)相各等級(jí)的干旱面積只是在小幅度范圍內(nèi)發(fā)生變化。

圖3 2002-2016年錫林郭勒草原各時(shí)相干旱面積比例標(biāo)準(zhǔn)誤差

2.1.3 干旱在植物生長(zhǎng)期的空間特征分析 從整體上看，錫林郭勒草原發(fā)生干旱的頻率較高，輕旱屬于極普遍的干旱現(xiàn)象，幾乎在每年的每個(gè)時(shí)相都出現(xiàn)大面積的輕旱現(xiàn)象；中旱在15 a的研究時(shí)間段內(nèi)發(fā)生頻率較高且影響范圍較大；重旱發(fā)生的面積比較小，但局部重旱現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率較高。

通過(guò)對(duì)圖4的分析發(fā)現(xiàn)，全區(qū)在生長(zhǎng)季的各時(shí)間段都有干旱現(xiàn)象發(fā)生。中東部地區(qū)在各個(gè)時(shí)相都屬于干旱發(fā)生頻率較高的區(qū)域，此處在植物生長(zhǎng)季曾多次發(fā)生大面積的中旱，這也再一次驗(yàn)證了上文的分析，中東部發(fā)生干旱的頻率及發(fā)生干旱的嚴(yán)重程度較高。西南地區(qū)在各時(shí)相干旱發(fā)生的概率也比較高，這一地區(qū)發(fā)生中旱或重旱的可能性較大。

圖4 錫林郭勒草原在2002-2016年生長(zhǎng)季內(nèi)的土壤干濕狀況、累積時(shí)空分布

綜上所述，2002—2016年錫林郭勒草原生長(zhǎng)季的干旱空間分布特征可總結(jié)為：西部地區(qū)以輕旱為主，中旱及重旱現(xiàn)象較少；中東部地區(qū)干旱事件的發(fā)生頻率較高，且大面積的中旱及局部的重旱現(xiàn)象較為普遍；南部地區(qū)的干旱頻率也較高，一旦發(fā)生干旱，出現(xiàn)嚴(yán)重干旱現(xiàn)象的概率也比較高；中間北部地區(qū)也常常會(huì)發(fā)生不同等級(jí)的干旱現(xiàn)象，其出現(xiàn)嚴(yán)重干旱的頻率也較高。

3 討 論

本文利用SPI與TVDI進(jìn)行相互驗(yàn)證，結(jié)果證明TVDI能夠較好地反映錫林郭勒草原的干濕程度，相關(guān)文獻(xiàn)[18,20]也證明了TVDI對(duì)錫林郭勒草原土壤干濕狀況的反演具有較高的適用性，文獻(xiàn)[18]對(duì)2010年錫林郭勒草原9月的干濕狀況進(jìn)行了檢測(cè)，與本文對(duì)該時(shí)間段內(nèi)的干濕狀況的檢測(cè)結(jié)果相似：2010年9月份的干旱主要集中在東部地區(qū)，西部地區(qū)干旱強(qiáng)度較小。將本文的檢測(cè)結(jié)果與基于SPI的研究成果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)[21-23]，本文得出的干旱時(shí)空分布特征與前人的研究結(jié)果具有一致性，干旱主要以輕旱和中旱為主，干旱發(fā)生的頻率較高，只是在部分地區(qū)的干旱反演上存在偏差，但基于TVDI的遙感監(jiān)測(cè)方法使區(qū)域干旱時(shí)空分布的細(xì)節(jié)問(wèn)題更加突出，主要由于傳統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)只是基于氣象站點(diǎn)進(jìn)行分析，而遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法則是逐像元進(jìn)行計(jì)算，在一定程度上提高了檢驗(yàn)精度，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中以點(diǎn)概面的缺陷。

2002—2016年錫林郭勒草原植物生長(zhǎng)期，干旱現(xiàn)象較為普遍，主要是由于在過(guò)去的十幾年錫林郭勒草原夏季降水量呈下降趨勢(shì)[24]，導(dǎo)致錫林郭勒草原在植被生長(zhǎng)期出現(xiàn)較為頻繁的干旱現(xiàn)象。此外，在計(jì)算溫度植被干旱指數(shù)的過(guò)程中可能存在一些不足：首先直接將16 d尺度的TVDI通過(guò)計(jì)算平均值合成月尺度的TVDI可能會(huì)存在一定的誤差；其次，錫林郭勒草原由多種植被景觀構(gòu)成，不同的土地覆被類型對(duì)TVDI的計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生不同的影響[7]，尤其是荒漠草原，植被覆蓋度較低，對(duì)TVDI的計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大的影響，對(duì)于這兩個(gè)問(wèn)題在今后的研究中應(yīng)當(dāng)提出合理的解決方案。

4 結(jié) 論

(1) 2002—2016年整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)全區(qū)輕旱現(xiàn)象及其普遍，大面積的干旱現(xiàn)象在各個(gè)時(shí)相都有發(fā)生，6月、8月、9月會(huì)出現(xiàn)大面積的輕旱和中旱現(xiàn)象，7月、10月上旬容易出現(xiàn)大規(guī)模的輕旱現(xiàn)象，9月份出現(xiàn)大面積中旱事件的可能性較高，在各個(gè)時(shí)相幾乎都會(huì)出現(xiàn)大面積的干旱，其中輕旱、中旱占較大比例。

(2) 從空間尺度上分析，研究區(qū)域中東部地區(qū)屬于干旱發(fā)生頻率較高的區(qū)域，且常常伴有大面積的中旱和局部的重旱的發(fā)生。中間地區(qū)在生長(zhǎng)季常常會(huì)發(fā)生較大面積干旱，但主要以輕旱為主：北部地區(qū)出現(xiàn)中旱的頻率較高，局部性干旱在每年各個(gè)時(shí)相里都有發(fā)生，也都以輕旱、中旱為主；西部地區(qū)在生長(zhǎng)季始終處于一種干旱狀態(tài)，發(fā)生干旱的頻率較高，無(wú)旱時(shí)期較少，主要以輕旱和中旱為主，重旱較少。南部地區(qū)也常有干旱事件的發(fā)生，大面積中旱和局部重旱發(fā)生頻率較高。