基于TVDI 的黑龍江省2021年夏季干旱時空分布研究

徐作敏,謝連妮,吳 雙，孫 濤，程春香

（黑龍江省生態氣象中心，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害，具有頻率高、傳播廣、持續時間長的特點[1-2]。 農業干旱涉及作物生產，可以進一步細分為大氣干旱、土壤干旱和植被干旱。 其中，土壤水分的變化是一個重要的農業土壤干旱指標。 土壤水分的時空變化往往是復雜的， 地面觀測數據雖然可靠、準確，但難以評價土壤水分的動態變化。 近幾十年來，衛星遙感以其監測范圍廣、時間分辨率高的優勢成為干旱監測的重要手段之一[3-5]。

標準化差異植被指數 (NDVI) ， 增強植被指數(EVI)， 地表溫度（LST)，植被狀況指數 (VCI)以及植被健康指數 (VHI) 等多種遙感指標都可用于評估土壤水分情況和農業干旱。 但是，用單一的指標進行干旱監測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的應用提高了土壤水分條件監測的準確性。

黑龍江省是我國重要的商品糧基地， 糧食總產量約占全國總量十分之一。 因此黑龍江省糧食產量直接影響國家糧食安全。 干旱是黑龍江省面臨的主要氣象災害之一， 本研究以黑龍江省主要農區為研究對象， 通過TS-NDVI 構建特征空間向量， 研究2021年黑龍江省6-8月干旱時空分布， 為干旱防控和黑龍江省糧食生產安全提供理論依據。

2 資料與方法

2.1 研究區域概況

黑龍江省位于中國東北部 (121°11′-135°05′E，43°25′-53°33′N)，南北跨 10個緯度，東西跨 14個經度，屬于寒溫帶大陸性氣候，冬長夏短，四季分明。

2.2 NDVI和 LST 數據

數據使用的是風云三號D 星（FY-3D）的一級和二級數據，數據來源于國家衛星氣象中心，其空間分辨率為1 km，時間分辨率為1 d。 本文在數據處理過程中剔除了云影響較大的像元數據， 并對晴空數據進行拼接、裁剪、掩膜等預處理，最后對所用數據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， 以得到研究區內空間分辨率為1 km、時間分辨率為10 d 的LST和NDVI 數據集。

2.3 溫度植被干旱指數（TVDI）

植被指數與地表溫度存在顯著的負相關關系，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，提出了溫度植被干旱指數 （Temperature-Vegetation Dryness Index，TVDI）的概念，計算式為：

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

3 結果分析

3.1 2021年6-8月黑龍江省溫度植被干旱指數時空分布特征

基于TVDI 指數的干旱分級， 可根據齊述華等[6]提出的用TVDI 值劃分土壤含水量的標準。對黑龍江省基于TVDI 干旱指數進行土壤濕度分級，共劃分為5個等級，分別為：極濕潤（0＜TVDI≤0.2）、濕潤（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，全省大部分區域土壤水分供應情況良好，干旱分布存在區域性、階段性特點，6月大興安嶺、黑河、伊春、鶴崗部分地區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、三江平原農區干旱范圍擴大，佳木斯、雙鴨山、牡丹江以及大慶部分地區TVDI 值進一步升高。 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與去年同期對比

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、 七臺河、 牡丹江部分區域 TVDI 值比去年同期偏高外， 其他區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、七臺河、牡丹江部分區域TVDI 值比去年同期持續偏高外， 其余大部分地區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 較去年同期增高區域依舊集中于黑龍江省東南部的三江平原。

4 結論

溫度植被干旱指數TVDI(Temperature Vegetation Dryness Index)是一種基于光學與熱紅外遙感通道數據進行植被覆蓋區域表層土壤水分反演的方法。 作為同時與歸一化植被指數(NDVI)和地表溫度(LST)相關的溫度植被干旱指數(TVDI)可用于干旱監測，尤其是監測特定年內某一時期整個區域的相對干旱程度，并可用于研究干旱程度的空間變化特征。 本研究應用TVDI 對黑龍江省6-8月土壤墑情進行分析研究，結果如下：

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

（2）6月，齊齊哈爾、綏化部分地區 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TVDI 值進一步升高，表現為輕旱到重旱。 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 較去年同期增高區域主要集中于黑龍江省東、南部三江平原區域。