淮河流域干旱的時空分布特征

嚴四英，翁白莎，景蘭舒，3，李 蒙

（1.首都師范大學資源環境與旅游學院，北京100048；2.流域水循環模擬與調控國家重點實驗室中國水利水電科學研究院，北京100038；3.河海大學水文水資源學院，南京210098）

0 引 言

干旱是全球普遍發生的一種自然現象，我國也是一個干旱頻發且嚴重的國家。據中國水旱災害公報統計［1］，我國2016年有27 個省發生了干旱事件，其中農作物受干旱影響范圍20.19萬km2；因干旱導致的受災范圍占9.87 萬km2；數以百萬計的人口以及大牲畜因干旱導致飲水困難。因干旱造成糧食損失190.64 億kg、經濟作物損失130.60 億元；直接經濟損失484.15億元、占當年GDP 的0.07%。研究干旱在時間和空間上的變化特性，可了解不同等級干旱發生的頻率和強度，明晰流域干旱特征，對有效減少干旱帶來的損失具有重要意義。

國內外研究學者對于干旱的評價主要通過干旱指數［2，3］進行表征，如：PDSI 指數（palmer drought severity index）［4］、標準化降水指數SPI（standardized precipitation index）［5］、標準化降水蒸散 指 數 SPEI（standardized precipitation evapotranspiration index）［6］、CI（combination index）指數［7］等。各種干旱指數用于評價干旱都有不同的適用范圍和優缺點，當用PDSI指標評價干旱時，其優點是物理機制比較明確；缺點是計算過程相對繁瑣，有些參數只能靠經驗估計，通過實驗不能獲取，所以結果的精確性不能保證；SPI 不僅可反映短時間內降雨量的變化，也可以反映長期水資源的演變情況適合于不同類型的干旱定量化研究；SPEI 指數由于考慮了潛在蒸發的影響，所以更加能夠準確評價干旱，與PDSI 指數相比，SPEI 指數具有多時間尺度特征，計算更簡便；CI指數評價干旱時考慮了累計降水和蒸散發等各種因素，它的適用性更廣泛。

研究采用土壤相對濕度評價干旱，土壤相對濕度是農作物生長發育的基本條件，是農作物產量預測的重要參數，是干旱評價的重要指標［8］。賈秋洪等［9］利用鷹潭市花生和橘園兩年生長季的土壤水分數據進行土壤分析，估算土壤相對濕度，結合土壤干旱標準對鷹潭市季節性干旱進行判別研究。高攀等［10］分別在高植被覆蓋度期采用溫度植被干旱指數模型，在低植被覆蓋度期采用表觀熱慣量ATI 模型反演鄭州市土壤水分，使用此種方法獲取的地表土壤水分信息可以表征地表土壤水分的空間分布趨勢。周逍峰等［11］利用光學遙感數據獲取的植被供水指數VSWI 來反演西藏那曲地區的土壤濕度，結合高分辨率的遙感數據（GF-1）和中低分辨率的遙感數據（Landsat、MODIS）分別建立土壤濕度反演模型。

本研究通過MODIS 遙感數據將計算獲得的表觀熱慣量ATI 和植被供水指數VSWI 分別反演土壤相對濕度然后根據地表植被覆蓋度的不同剔除異常值，構建綜合反演模型；用反演的土壤相對濕度評價干旱，分析了淮河流域干旱面積的變化特征、時空分布特征，對于深入認識和理解淮河流域氣象干旱現狀及其特征、探究干旱事件發生規律、制訂科學合理的干旱災害防范措施和對策、規范流域水資源的有效利用以及減緩區域的生態環境問題等均具有重要的現實意義。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

淮河流域位于中國東部，東經111°55′～121°20′至北緯30°55′～36°20′，淮河流經河南安徽江蘇三省，但是淮河流域還包括山東南部、湖北省東北部一部分，淮河流域面積27 萬km2。流域內以廢黃河為界，分為淮河和沂沭泗河兩大水系，面積分別為19 和8 萬km2。淮河流域位于我國南北氣候過渡帶，淮河以北的地方屬暖溫帶區，淮河以南的地方屬北亞熱帶區，氣候溫和，年平均氣溫在11～16 ℃之間。圖1（a）為年平均氣溫分布圖，淮河流域溫度由北向南，由沿海向內陸增加。淮河流域多年平均降水量約為920 mm，如圖1（b）為年降水分布圖，降雨變化是由南向北遞減，山區降雨多于平原，沿海大于內陸，特點是：冬春干旱少雨，夏秋悶熱多雨，冷暖和早澇轉變急劇。淮河流域20世紀90年代年耕地面積約為13.33 萬km2，主要作物有小麥、水稻、玉米、薯類、大豆、棉花和油菜，是我國重要的糧食基地，在我國農業生產中的地位十分重要。

圖1 淮河流域年平均氣溫和降雨量分布圖Fig.1 Distribution of annual average temperature and rainfall in Huaihe River Basin

1.2 研究思路

本研究通過遙感數據計算獲得的表觀熱慣量指數ATI和植被供水指數VSWI，根據地表植被覆蓋度的不同篩選合適的值，然后將篩選的值與實測土壤相對濕度數據進行回歸建模，得到擬合方程，根據擬合方程反演出土壤相對濕度，最后評價干旱。具體的步驟如圖2所示。

圖2 研究思路圖Fig.2 Research idea

1.3 數據來源及處理

遙感數據源為NASA的Terra衛星搭載的MODIS（moderateresolution imaging spectroradiometer）2010-2019年的4 個數據產品：MOD09A1、MOD11A2、MOD11A3 和MOD11B3。MOD09A1是地表反射率（Surface reflectance）8 天合成產品，包括7 個波段（band）信息，分別是band1～band7；MOD11A2 是地表溫度（land surface temperature，LST）產品，主要有白天與晚上的地表溫度LST；MOD11B3陸地3級標準數據月合成產品，內容為地表溫度和輻射率。MOD13A3為陸地3級標準數據月合成產品，內容為歸一化植被指數和增強型植被指數（NDVI、EVI），空間分辨率250 m。以上4 個產品用于計算表觀熱慣量指數ATI 以及作物供水指數VSWI的值。

非遙感數據包括淮河流域土壤相對濕度數據集以及矢量氣象站點數據。其中土壤相對濕度數據集由中國氣象數據網提供（http：//data.cma.cn/），該數據集是淮河流域32 個氣象站臺每旬10cm 土層的土壤相對濕度（relative moisture of the soil 記為RSM），即土壤含水量占田間持水量的百分率。研究區氣象站點分布如圖1所示。

用MRT 與ArcGIS 軟件，對遙感數據進行鑲嵌、投影、裁剪、重采樣、提取等步驟計算得到所需地表反射率、地表溫度、植被指數和冠層溫度等資料；用Excel進行統計分析。

1.4 計算方法

1.4.1 干旱評價方法

干旱評價指標采用土壤相對濕度，其原因為：①本研究選用的是MODIS 數據的陸面產品。②研究區域的土壤主要是砂姜黑土，砂姜黑土主要特點是“旱，澇，瘠，僵，粘”，犁底層而厚實，土壤通透性差，作物根系很難往下扎，作物根系主要分布在較淺深度的土壤層。表1為《氣象干旱等級》（GB/T 20481-2006）［12］的劃分標準，是以土壤相對濕度干旱指數為指標劃分的干旱等級。

表1 干旱等級劃分標準Tab.1 Criteria for drought classification

土壤相對濕度指數是反映土壤含水量的指標之一，適合監測土壤水分盈虧。由于研究區域土壤性質不同使得土壤相對濕度存在一定的差異，可以對等級劃分范圍作適當調整，本研究區域標準采用10～20 cm 深度的土壤相對濕度，土壤相對濕度指數的計算公式如下：

式中：R為土壤相對濕度，%；w為土壤重量含水率，%；f為土壤田間持水量，%。

1.4.2 土壤相對濕度計算

土壤相對濕度計算通過表觀熱慣量指數ATI和作物供水指數VSWI反演得到。用表觀熱慣量指數ATI反演RSM時，ATI的計算采用2010-2019年MODIS 數據下地表反射率8 d 合成產品（MOD09A1）和地表溫度8 d合成產品（MOD11A2）。計算ATI模型的參數都可從以上產品中獲取，表觀熱慣量計算公式為：

式中：ATI為表觀熱慣量指數；A為全波段反照率；Td和Tn分別為日間和夜間的地表溫度。

式中：α1、α2、α3、α4、α5、α7分別為MODIS 數據1、2、3、4、5、7 波段的反射率。

由于ATI反演土壤相對濕度只適用于低植被覆蓋區［13］，本研究采用NDVI來區分地表植被覆蓋度，已有研究證明［14］，在NDVI＞0.3 的情況下VSWI 非常有效，而在NDVI＜0.35 的情況下ATI非常有效［15］，因此本研究閾值選為0.35。

剔除NDVI≥0.35 后的ATI與2010年實測10 cm 層土壤相對濕度RSM進行反演，得到RSM與ATI的擬合關系圖，如圖3所示。通過得到的擬合方程RSM=448.76*ATI+26.54，反演出NDVI＜0.35的區域的土壤相對濕度。

圖3 RSM與ATI的關系圖Fig.3 Relationship between RSM and ATI

用植被供水指數VSWI反演RSM時，計算VSWI 指數采用2010-2019年MODIS 數據，其中植被冠層溫度和植被指數數據分別采用MODIS 數據三級產品中的一個月合成產品（MOD11B3）和（MOD11A3）。VSWI值是根據植被覆蓋狀況的變化來進行反演的，它在作物覆蓋度較高時比較有效［16］。作物供水指數的公式［17］為：

式中：VSWI為植被供水指數；NDVI為歸一化植被指數；T為植被的冠層溫度。

將NDVI＜0.35 的值剔除后的VSWI與2010年實測10 cm 層土壤相對濕度RSM進行反演，得到RSM與VSWI的擬合圖，如圖4所示。通過得到的擬合方程RSM=527.12VSWI+42.12，反演出NDVI≥0.35的區域的土壤相對濕度。

圖4 RSM與VSWI的關系圖Fig.4 Relationship between RSM and VSWI

綜合以上2種方式反演結果，建立最終的公式：

2 結果與討論

2.1 干旱評價結果及合理性分析

為了驗證本文反演模型的可靠性，結合實測土壤相對濕度數據，對反演得到的數據結果進行精度驗證。去除數據異常值和為零的值，最終選擇了質量比較可靠的數據點。如圖5為2011年通過反演得到的數據與實測數據分布情況，從圖上可看出反演數據與實測數據從變化趨勢上看都大體一致，所以反演結果與實測結果相關性較好，精度也較高。

圖5 淮河流域實測土壤相對濕度與反演土壤相對濕度相關分析圖Fig.5 Correlation analysis of measured soil relative humidity and retrieved soil relative humidity in Huaihe River Basin

2.2 干旱時空分布特征

2.2.1 不同時間尺度下干旱的分布特征

淮河流域在季尺度下干旱的分布特征如圖6所示，可以看出，干旱一年四季都會發生，干旱籠罩面積大小關系為：冬季（12-2月）＞秋季（9-11月）＞春季（3-5月）＞夏季（6-8月），冬季降雨稀少，降雨量通常低于多年平均降雨量水平，供水不足導致干旱的發生，而夏季悶熱多雨，冷暖和旱澇轉變急劇。春季發生干旱的面積約占全流域面積的14%左右，干旱等級以輕旱、中旱為主，發生重旱、特旱的地方較少；夏季發生干旱的范圍小，且發生干旱地區以中旱為主；秋季發生干旱的面積約占全流域的1/4，干旱等級以輕、中旱為主，且輕旱發生的面積大于中旱發生的面積；冬季干旱發生面積很大，約占全流域面積的45%，干旱等級以輕旱、中旱為主，部分地區也會發生重、特旱。

圖6 淮河流域不同季節下不同等級干旱面積圖Fig.6 Drought area of different grades in different seasons in Huaihe River Basin

淮河流域在月尺度下干旱的分布特征如圖7所示，可以得出：發生干旱面積較大的月份主要是10月到2月，這5個月干旱的面積超過全流域面積的30%，主要發生輕、中旱，小部分地區發生重旱、特旱，是需要重點關注的月份，7-9月份干旱的面積不足全流域的2%。6月份干旱面積較4-5月份會明顯增大，且發生中旱的面積較大，也需要重點關注。

圖7 淮河流域逐月的不同等級干旱面積圖Fig.7 Map of different levels of drought area in Huaihe River Basin month by month

淮河流域通常以種植夏玉米和冬小麥為主，夏玉米生長季為6-10月，冬小麥生長季為10-6月。淮河流域不同生長季節下的干旱分布特征如圖8所示，可以看出，冬小麥生長季發生干旱的面積較夏玉米生長季較大，夏玉米生長季通常以發生輕旱為主；冬小麥生長季則以輕、中旱為主，偶爾會發生重旱。

圖8 淮河流域不同生長季節下不同等級干旱面積圖Fig.8 Drought area of different grades in different growing seasons in Huaihe River Basin

2.2.2 干旱的空間分布特征

淮河流域多年平均1-12月份土壤相對濕度的空間分布如圖9所示，從圖上可以看出不同程度的干旱在空間上分布上差異較大。從總體來看，研究區域東部、東北部、西南部的干旱范圍較廣，西南部和東北部＞西北部和東南部；且東北部＞東南部；西南部＞西北部。由于淮河流域降雨和氣溫在空間分布上不均勻，且受地形地貌等多種因素的影響，導致干旱分布具有差異性和局部性。

圖9 淮河流域多年平均不同等級干旱逐月變化的空間分布圖Fig.9 Spatial distribution of inter monthly variation of annual average drought of different grades in Huaihe River Basin

10-2月淮河流域空間干旱范圍較廣，淮河流域降水量少，加上空氣干燥，因此干旱多發生。3-5月淮河流域干旱主要發生在西南部和東北部，干旱程度以輕、中旱為主，而這個時期是許多農作物的播種時期，作物對水分的要求高，若此時發生干旱將會對作物產生不利影響［18］。6-9月淮河流域降水增多，水分充足，干旱范圍較小，易旱易澇，需要做好防范措施。

3 結 論

本文通過MODIS數據反演出淮河流域的土壤相對濕度，結合《氣象干旱等級》，分析了淮河流域干旱時空演變特征，得到如下結論。

（1）干旱一年四季都會發生，干旱發生面積大小關系為：冬季＞秋季＞春季＞夏季，發生干旱面積較大的月份主要是10月到2月，干旱等級主要是輕、中旱，是需要重點關注的月份。

（2）冬小麥生長季干旱范圍大于較夏玉米生長季發生干旱范圍，這是因為冬小麥生長季節周期較長且降水量小到無法滿足作物供水要求，需要做好灌溉措施。

（3）淮河流域不同等級干旱的發生在空間上具有差異性和局部性，這是受到淮河流域地形地貌、氣溫和降水量等因素的綜合影響。從總體來看，淮河流域東部、東北部、西南部的干旱范圍較廣，干旱的覆蓋范圍大小具體有：西南部和東北部＞西北部和東南部，東北部＞東南部，西南部＞西北部。 □