基于TVDI 的黑龍江省2021年夏季干旱時(shí)空分布研究

徐作敏,謝連妮,吳 雙，孫 濤，程春香

（黑龍江省生態(tài)氣象中心，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

在氣候變化的背景下， 干旱是全球最具破壞性的自然災(zāi)害，具有頻率高、傳播廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)[1-2]。 農(nóng)業(yè)干旱涉及作物生產(chǎn)，可以進(jìn)一步細(xì)分為大氣干旱、土壤干旱和植被干旱。 其中，土壤水分的變化是一個(gè)重要的農(nóng)業(yè)土壤干旱指標(biāo)。 土壤水分的時(shí)空變化往往是復(fù)雜的， 地面觀測(cè)數(shù)據(jù)雖然可靠、準(zhǔn)確，但難以評(píng)價(jià)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化。 近幾十年來，衛(wèi)星遙感以其監(jiān)測(cè)范圍廣、時(shí)間分辨率高的優(yōu)勢(shì)成為干旱監(jiān)測(cè)的重要手段之一[3-5]。

標(biāo)準(zhǔn)化差異植被指數(shù) (NDVI) ， 增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI)， 地表溫度（LST)，植被狀況指數(shù) (VCI)以及植被健康指數(shù) (VHI) 等多種遙感指標(biāo)都可用于評(píng)估土壤水分情況和農(nóng)業(yè)干旱。 但是，用單一的指標(biāo)進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)容易受到外在因素的影響，因此，基于NDVI和LST 的空間向量的溫度植被干旱指數(shù)的應(yīng)用提高了土壤水分條件監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

黑龍江省是我國(guó)重要的商品糧基地， 糧食總產(chǎn)量約占全國(guó)總量十分之一。 因此黑龍江省糧食產(chǎn)量直接影響國(guó)家糧食安全。 干旱是黑龍江省面臨的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一， 本研究以黑龍江省主要農(nóng)區(qū)為研究對(duì)象， 通過TS-NDVI 構(gòu)建特征空間向量， 研究2021年黑龍江省6-8月干旱時(shí)空分布， 為干旱防控和黑龍江省糧食生產(chǎn)安全提供理論依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

黑龍江省位于中國(guó)東北部 (121°11′-135°05′E，43°25′-53°33′N)，南北跨 10個(gè)緯度，東西跨 14個(gè)經(jīng)度，屬于寒溫帶大陸性氣候，冬長(zhǎng)夏短，四季分明。

2.2 NDVI和 LST 數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)使用的是風(fēng)云三號(hào)D 星（FY-3D）的一級(jí)和二級(jí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，其空間分辨率為1 km，時(shí)間分辨率為1 d。 本文在數(shù)據(jù)處理過程中剔除了云影響較大的像元數(shù)據(jù)， 并對(duì)晴空數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、裁剪、掩膜等預(yù)處理，最后對(duì)所用數(shù)據(jù)采用最大值合成法和平均值合成法，其中NDVI 采用最大值合成法，LST 采用平均值合成法， 以得到研究區(qū)內(nèi)空間分辨率為1 km、時(shí)間分辨率為10 d 的LST和NDVI 數(shù)據(jù)集。

2.3 溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）

植被指數(shù)與地表溫度存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，利用Ts和NDVI 建立TVDI 來反映土壤的干濕狀況，Sandholt 等在研究土壤濕度時(shí)，提出了溫度植被干旱指數(shù) （Temperature-Vegetation Dryness Index，TVDI）的概念，計(jì)算式為：

式中：Tsmin：最小地表溫度，對(duì)應(yīng)的是濕邊；Ts：任意像元的地表溫度；Tsmax：最大地表溫度，對(duì)應(yīng)的是干邊。 a1、b1、a2、b2分別為干、濕邊線性擬合方程的系數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 2021年6-8月黑龍江省溫度植被干旱指數(shù)時(shí)空分布特征

基于TVDI 指數(shù)的干旱分級(jí)， 可根據(jù)齊述華等[6]提出的用TVDI 值劃分土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)黑龍江省基于TVDI 干旱指數(shù)進(jìn)行土壤濕度分級(jí)，共劃分為5個(gè)等級(jí)，分別為：極濕潤(rùn)（0＜TVDI≤0.2）、濕潤(rùn)（0.2＜TVDI≤0.4）；正常（0.4＜TVDI≤0.6）、半干旱（0.6＜TVDI≤0.8）；干旱（0.8＜TVDI≤1），2021年6-8月黑龍江省TVDI 平均值為0.53，全省大部分區(qū)域土壤水分供應(yīng)情況良好，干旱分布存在區(qū)域性、階段性特點(diǎn)，6月大興安嶺、黑河、伊春、鶴崗部分地區(qū)TVDI 值介于0-0.2 之間，土壤水分偏高，齊齊哈爾、綏化部分地區(qū)TVDI 值介于 0.6-1 之間，土壤水分偏低，7月，松嫩平原、三江平原農(nóng)區(qū)干旱范圍擴(kuò)大，佳木斯、雙鴨山、牡丹江以及大慶部分地區(qū)TVDI 值進(jìn)一步升高。 8月，全省旱情緩解。

3.2 2021年6-8月黑龍江省溫度植被干旱指數(shù)與去年同期對(duì)比

與去年同期相比，6月TVDI 平均值比去年同期減小 0.04， 佳木斯、 七臺(tái)河、 牡丹江部分區(qū)域 TVDI 值比去年同期偏高外， 其他區(qū)域與去年同期持平或偏低；7月TVDI 平均值比去年同期增加 0.02，佳木斯、七臺(tái)河、牡丹江部分區(qū)域TVDI 值比去年同期持續(xù)偏高外， 其余大部分地區(qū)土壤濕度低于去年或持平； 8月TVDI 平均值比去年同期增加 0.08， TVDI 較去年同期增高區(qū)域依舊集中于黑龍江省東南部的三江平原。

4 結(jié)論

溫度植被干旱指數(shù)TVDI(Temperature Vegetation Dryness Index)是一種基于光學(xué)與熱紅外遙感通道數(shù)據(jù)進(jìn)行植被覆蓋區(qū)域表層土壤水分反演的方法。 作為同時(shí)與歸一化植被指數(shù)(NDVI)和地表溫度(LST)相關(guān)的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)可用于干旱監(jiān)測(cè)，尤其是監(jiān)測(cè)特定年內(nèi)某一時(shí)期整個(gè)區(qū)域的相對(duì)干旱程度，并可用于研究干旱程度的空間變化特征。 本研究應(yīng)用TVDI 對(duì)黑龍江省6-8月土壤墑情進(jìn)行分析研究，結(jié)果如下：

（1）2021年6-8月黑龍江省 TVDI 平均值為0.53，全省大部分地區(qū)水分供應(yīng)情況良好，干旱分布存在區(qū)域性、階段性特點(diǎn)。

（2）6月，齊齊哈爾、綏化部分地區(qū) TVDI 值介于0.6-1 之間，土壤水分偏低；7月，佳木斯、雙鴨山、牡丹江以及大慶部分地區(qū)TVDI 值進(jìn)一步升高，表現(xiàn)為輕旱到重旱。 8月，全省旱情緩解。

（3）與去年同期相比，除6月TVDI 平均值比去年同期減小0.04，夏季其他兩月TVDI 值均較去年同期增加， TVDI 較去年同期增高區(qū)域主要集中于黑龍江省東、南部三江平原區(qū)域。