新疆干旱時空動態(tài)及其對氣候變化的響應(yīng)

程軍， 李云禎， 鄒渝

(1.渭南師范學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，渭南 714099; 2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065； 3.四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，成都 610041)

0 引言

新疆是“絲綢之路經(jīng)濟帶”的核心區(qū)，但由于其特殊的地理位置，氣候環(huán)境惡劣、水資源短缺且時空分布不均、季節(jié)性降水供需矛盾大等，導(dǎo)致干旱事件頻繁發(fā)生，成為該地區(qū)21世紀(jì)面臨的最復(fù)雜的挑戰(zhàn)之一[1-3]。但干旱事件的發(fā)生是一個復(fù)雜的過程，受氣候變化、植被退化和人類活動等多種因素的影響。相對其他自然災(zāi)害，其發(fā)生頻率高、持續(xù)時間長、影響范圍廣，成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害[4-6]。因此，如何及時、有效、大范圍監(jiān)測和預(yù)測新疆干旱發(fā)生和發(fā)展規(guī)律已成為亟待解決的重要科學(xué)課題。

傳統(tǒng)干旱監(jiān)測主要是基于地面站點的土壤墑情數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性、代表性和完整性都存在局限。而遙感技術(shù)能利用傳感器獲取及時、客觀的大范圍綜合地表信息，同時監(jiān)測地表溫度和植被生長狀態(tài)。目前已有諸多學(xué)者基于遙感對新疆干旱和水分狀況進行研究[7-11]，謝培等[7]發(fā)現(xiàn)1961—2015年新疆干旱由南向北依次增加。但有研究發(fā)現(xiàn)2000—2016年天山山脈以北及昆侖山脈地區(qū)較為濕潤，而在塔里木盆地較干旱[8]，2015年以塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地為2個干旱中心，旱情狀況由嚴(yán)重逐步向周圍山區(qū)遞減至濕潤狀態(tài)[11]。同時，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)1961—2015年新疆整體表現(xiàn)為干旱逐漸減弱趨勢，新疆西北部以變濕為主，東南部以變干為主[12-14]。21世紀(jì)以來，隨溫度躍升，蒸發(fā)需求加劇，而降水量增加趨勢減緩甚至微弱減少，導(dǎo)致新疆呈明顯暖干化趨勢，干旱化區(qū)域主要在新疆南部、東部和天山山區(qū)，而在新疆北部地區(qū)和西南部增濕特征明顯[12]。新疆夏季南疆地區(qū)干旱趨勢減弱最為突出，北疆和天山地區(qū)干旱表現(xiàn)為夏季減弱、秋季增強趨勢[11,14-16]。上述研究對新疆干旱時空動態(tài)和變化趨勢的研究存在差異，有研究指出這與新疆干旱動態(tài)變化與地形、降水量、太陽輻射和地表蒸散發(fā)及極端氣候事件等因素有關(guān)[17-21]。目前雖已有對新疆干旱的研究，但關(guān)于干旱變化動態(tài)及成因仍存在較大的爭議，且干旱監(jiān)測是一項長期性、經(jīng)常性的重要監(jiān)測任務(wù)，仍需時刻關(guān)注新疆干旱的時空動態(tài)及主導(dǎo)因子。溫度植被干旱指數(shù)(temperature vegetation dryness index, TVDI)因考慮溫度與植被指數(shù)雙重特征，被證明可以有效地反映干旱特征[9-11]。

基于此，本文利用2001—2020年的TVDI數(shù)據(jù)，輔以Sen斜率法、重標(biāo)極差法和偏相關(guān)分析法對新疆干旱時空動態(tài)、變化趨勢、未來變化趨勢及季節(jié)性氣候?qū)Ω珊涤绊戇M行分析，以期揭示生態(tài)工程措施下新疆干旱的時空變化特征，為我國生態(tài)環(huán)境改善及未來生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)地處中國西北邊陲(E73°29′54″～96°23′3″，N34°20′11″～49°10′55″)，是中國占地面積第一大省區(qū)，總面積達1.64×106km2。新疆遠離海洋，深居內(nèi)陸，四周有高山阻隔，形成明顯的溫帶大陸性干旱氣候，干旱少雨，水資源緊缺，生態(tài)環(huán)境脆弱(圖1(a))。夏季短暫，冬季漫長而寒冷，冷熱差異大，降水量少而不均，從西北向東南逐漸減少，北疆一般多在150～200 mm，南疆則不足100 mm，多年平均蒸發(fā)量約2 000 mm。年均氣溫約為9.72 ℃，具有冬季嚴(yán)寒、夏季酷熱的特點，氣溫年較差和日較差大。干旱是新疆的主要經(jīng)常性自然災(zāi)害，1950—2000年新疆有記載的干旱災(zāi)害共47次，平均每年1.06次[1-2]。

(a) 土地利用類型 (b) 高程及氣象站點空間分布注： 基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2016) 1549號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。圖1 研究區(qū)土地利用類型和海拔及氣象站點空間分布Fig.1 Spatial distribution of land use, altitude and meteorological stations in the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

歸一化差值植被指數(shù)(normalization difference vegetation index, NDVI)源于Google Earth Engine(GEE)平臺上提供的2001—2020年MOD13Q1產(chǎn)品的NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，經(jīng)過幾何糾正和大氣校正的標(biāo)準(zhǔn)3級產(chǎn)品數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過最大值合成法合成為月值。

地表溫度(land surface temperature, LST)源于GEE平臺提供的2001—2020年的MOD11A2產(chǎn)品提供的空間分辨率為1 km、時間分辨率為8 d的LST數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過地形校正和月最大值合成。

土地利用數(shù)據(jù)源于GEE平臺提供的MCD12Q1產(chǎn)品，該產(chǎn)品是根據(jù)IPGP進行分類的全球產(chǎn)品，土地覆蓋數(shù)據(jù)重分類為林地、草地、濕地、農(nóng)用地、建筑用地和水體。

數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)由資源環(huán)境數(shù)據(jù)與平臺網(wǎng)站(http: //www.resdc.cn/user)提供，空間分辨率為1 km。

氣象數(shù)據(jù)采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http: //data.cma.cn/data/cdcindex) 提供的2001—2020年的月值數(shù)據(jù)得到新疆及其周圍的130個站點氣象數(shù)據(jù)(圖1(b))，將12—2月定義為冬季，3—5月定義為春季，6—8月定義為夏季，9—11月定義為秋季，最后利用ANUSPLINE 軟件插值為1 km空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。LST數(shù)據(jù)為0 cm位置的LST，本文采用該數(shù)據(jù)對LST的校正結(jié)果進行驗證。

2 研究方法

2.1 LST的地形校正

在不同高程下，LST會因氣溫和大氣湍流的影響而有較大變化。當(dāng)研究區(qū)內(nèi)地形有明顯起伏時，在高程較高的地區(qū)，氣溫較低，LST也會較低，若不經(jīng)過高程校正，高程高區(qū)LST低，會造成對該區(qū)域土壤濕度的高估[22]。因此，LST數(shù)據(jù)需要使用DEM數(shù)據(jù)對其進行校正，公式為：

T=Ts+aH，

(1)

式中：T為經(jīng)DEM校正后的LST值；Ts為原始的LST值；H為DEM值；a為校正系數(shù)，結(jié)合相關(guān)參考文獻[22]，本文a取值為-0.6/100 ℃。

通過采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的2002—2008年0 cm LST觀測數(shù)據(jù)(gradient surface temperature,GST)對校正前后的LST進行驗證(圖2)，發(fā)現(xiàn)通過DEM校正后的LST與GST的相關(guān)性較原始的高，因此本文采用校正后的LST。

(a) 校正前 (b) 校正后圖2 地表溫度站點實測數(shù)據(jù)與校正前后LST結(jié)果比較Fig.2 Comparison between measured data of surface temperature station and LST results before and after correction

2.2 TVDI

Price[23]和Sandholt等[24]研究發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度與土壤含水量之間的變化范圍較大時，NDVI與LST間構(gòu)成的散點圖是一個三角形，指出TVDI是利用T-NDVI特征空間提取的水分脅迫指標(biāo)來估算陸面表層土壤水分的一種方法。Moran等[25]對T-NDVI特征空間的研究中發(fā)現(xiàn)地表最低溫度與植被覆蓋度和植被覆蓋類型存在一定的關(guān)系。TVDI 的計算公式為：

(2)

式中：Tmax為經(jīng)DEM校正后的最高地表溫度；Tmin為經(jīng)DEM校正后的最低地表溫度。

2.3 干旱變化趨勢分析

采用Sen斜率估計法分析2001—2020年間新疆TVDI的變化趨勢和變化速率。Sen斜率的計算公式為[26]：

(3)

式中：β為TVDI變化趨勢；Median()為取中值函數(shù)。當(dāng)β>0時，TVDI呈增加趨勢；β<0時，TVDI呈減小趨勢。

2.4 干旱變化持續(xù)性分析

Hurst指數(shù)是根據(jù)長時間序列數(shù)據(jù)預(yù)測未來持續(xù)狀態(tài)時間序列信息長期依賴性的有效方法。研究基于Hurst中的重標(biāo)極差法可以反映其變化趨勢的持續(xù)性[27]。若Hurst>0.5，表示TVDI時間序列是一個持續(xù)性序列，即未來物候變化趨勢與過去一致； 若Hurst=0.5，則說明TVDI序列為隨機序列，與過去沒有關(guān)系； 若Hurst<0.5，則表明TVDI時間序列數(shù)據(jù)具有反持續(xù)性，即TVDI過去變化趨勢與未來的變化趨勢相反[27]。

2.5 TVDI與氣溫、降水偏相關(guān)分析法

本研究采用偏相關(guān)分析法研究TVDI、氣溫和降水的關(guān)系，偏相關(guān)系數(shù)計算公式為[17]：

(4)

式中：x,y和z分別為TVDI、降水量與溫度；rxy為TVDI與降水量的相關(guān)系數(shù)；rxz為TVDI與溫度的相關(guān)系數(shù)；ryz為降水量與溫度的相關(guān)系數(shù)；rxy·z為將溫度固定后TVDI與降水量間的偏相關(guān)系數(shù)，以此類推。

3 結(jié)果與分析

3.1 干旱時空分布特征

參閱吳黎[28]對TVDI干旱指標(biāo)的劃分標(biāo)準(zhǔn)和本研究區(qū)TVDI的分布特征(TVDI≤0.46，無旱； 0.46

圖3 TVDI的年際變化趨勢Fig.3 Interannual change trend of TVDI

從20 a新疆TVDI空間分布發(fā)現(xiàn)(圖4)，TVDI極小值集中在天山山脈以北及昆侖山脈地區(qū)，集中在0.57以下，屬輕旱等級。塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地的TVDI基本在0.86以上，屬特旱等級，整體表現(xiàn)為南疆干旱程度高于北疆。從年際變化來看，2002年、2010年、2013年、2014年以及2016—2020年TVDI屬特旱的面積大于其他年份，在2001—2008年表現(xiàn)為特旱面積減少趨勢，尤其是2006年和2007年特旱面積比其他年份小。但除2012年和2009—2015年特旱面積較小，其他年份特旱面積呈明顯增加趨勢。

圖4 TVDI空間分布Fig.4 Spatial distribution of TVDI

3.2 干旱的空間變化趨勢

從20 a新疆TVDI變化特征發(fā)現(xiàn)(圖5)： 春季TVDI以減小趨勢為主(P<0.05)，減小速率集中在-0.005～0/a，占新疆總面積的74.25%。TVDI呈不顯著增加趨勢的區(qū)域集中在塔里木盆地和吐魯番盆地。夏季TVDI以增加趨勢為主，但在天山山脈以北地區(qū)的TVDI為減少趨勢。秋季91.59%表現(xiàn)為增加趨勢，增加速率在0～0.005/a的像元占89.32%，呈減小趨勢的區(qū)域零星分布在天山山脈。冬季TVDI為增加趨勢，呈較小趨勢的區(qū)域分布在柴達木盆地和吐魯番盆地。統(tǒng)計不同土地利用下各季節(jié)在不同變化速率下像元百分比發(fā)現(xiàn)(圖6)： 春季TVDI呈減小趨勢的像元數(shù)明顯多于其他三季，但不同土地利用覆蓋區(qū)域的差異較大； 秋季在整個區(qū)域均以增加趨勢為主，即土壤水分明顯在減少，不同土地利用類型的像元數(shù)的差異較小； 冬季不同土地利用類型覆蓋區(qū)域相差不大。

圖5 TVDI變化趨勢Fig.5 TVDI change trend

圖6 不同土地利用類型TVDI變化趨勢統(tǒng)計Fig.6 Statistics of different land use types of TVDI change trend

3.3 干旱變化的持續(xù)性分析

從新疆20 a變化持續(xù)性空間分布(圖7)發(fā)現(xiàn)： 春季Hurst指數(shù)均值為0.423，即未來一段時間內(nèi)TVDI變化趨勢與2001—2020年變化趨勢相反，即大部分區(qū)域TVDI將呈增加趨勢。夏季Hurst集中在0.5以下的占比為90.23%，但在準(zhǔn)噶爾盆地地區(qū)的Hurst集中在0.5以上，即這些區(qū)域TVDI未來變化趨勢與過去20 a趨勢相反。秋季TVDI的Hurst均值為0.440，結(jié)合趨勢分析表明未來秋季TVDI將在一段時間內(nèi)呈減小趨勢。冬季Hurst均值為0.517，變化趨勢與過去20 a的相同。總體而言，不同季節(jié)未來TVDI變化趨勢均與過去趨勢存在一定的關(guān)系。

圖7 TVDI的Hurst指數(shù)空間分布Fig.7 Spatial distribution of Hurst index of TVDI

3.4 干旱對氣候變化的響應(yīng)

從圖8可知，控制氣溫條件下，春季TVDI與降水間以負相關(guān)為主，占比為89.31%，相關(guān)系數(shù)集中在-0.5～0，TVDI與降水呈正相關(guān)的區(qū)域集中在柴達木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地。夏季TVDI與降水以正相關(guān)為主，尤其在昆侖山脈和天山山脈南北坡地區(qū)相關(guān)性較高，在塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地以東地區(qū)的TVDI與降水呈負相關(guān)。秋季TVDI與降水以正相關(guān)為主，而在準(zhǔn)噶爾盆地和大黑山地區(qū)，降水與TVDI以負相關(guān)為主。冬季TVDI與降水以負相關(guān)為主，尤其在塔里木盆地和阿爾泰山脈地區(qū)，負相關(guān)系數(shù)在0.5以下。控制降水條件下，春季TVDI與氣溫以正相關(guān)為主，但在阿爾泰山脈、天山山脈和昆侖山脈地區(qū)為負相關(guān)。夏季TVDI與氣溫的相關(guān)性從西向東相關(guān)性從負變?yōu)檎Ｇ锛綯VDI與氣溫以負相關(guān)為主，尤其在天山北坡、昆侖山脈和阿爾泰山脈地區(qū)，負相關(guān)系數(shù)在-0.3以下，但在吐魯番盆地和塔里木盆地以正相關(guān)為主。冬季氣溫與TVDI以負相關(guān)為主，但在柴達木盆地、阿爾泰山脈、準(zhǔn)噶爾盆地和吐魯番盆地為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.3以上。

圖8 TVDI與季節(jié)性氣溫和的降水偏相關(guān)系數(shù)分布Fig.8 Distribution of partial correlation coefficient between TVDI and temperature and precipitation

統(tǒng)計不同土地利用覆蓋下的四季相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)(圖9)，春季TVDI與降水均表現(xiàn)為顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在-0.2～-0.1。夏季除林地的TVDI與降水為正相關(guān)，其他類型均與降水為負相關(guān)。秋季TVDI與降水在不同土地利用類型均為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.1以下。冬季不同土地利用類型下的TVDI與降水均為負相關(guān)。春季氣溫與TVDI均為正相關(guān)，但草地的相關(guān)性較低，農(nóng)用地和建筑用地的相關(guān)性較高。夏季草地和林地的TVDI與氣溫為正相關(guān)，農(nóng)用地和建筑用地的TVDI與氣溫為負相關(guān)。秋季不同土地類型的TVDI與氣溫均為負相關(guān)。冬季草地和建筑用地與氣溫為正相關(guān)，林地與農(nóng)用地的TVDI與氣溫為負相關(guān)。

(a) 不同土地利用類型TVDI與季節(jié)性降水 (b) 不同土地利用類型TVDI與季節(jié)性氣溫圖9 不同土地利用類型TVDI與季節(jié)性降水和氣溫的相關(guān)系數(shù)Fig.9 Distribution of mean correlation coefficient between TVDI and seasonal precipitation and temperature in different land use types

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

地處亞洲中部干旱區(qū)的新疆生態(tài)環(huán)境十分脆弱、干旱災(zāi)害嚴(yán)重、土地荒漠化及抵御干旱災(zāi)害的能力較低，目前我國開展了一系列水土保持工程、退耕還草工程改善新疆生態(tài)環(huán)境建設(shè)。在這一系列工程實施下，新疆生態(tài)環(huán)境得到很好的改善，尤其是夏季干旱程度比未實施前的干旱防治能力強很多。但實施工程之初，沒有考慮到新疆生態(tài)水文等自然因素，土地利用面積的變化使新疆部分地區(qū)土壤蒸發(fā)量加大，造成土地干旱程度增加。本文發(fā)現(xiàn)2001—2020年新疆整體為變旱趨勢，呈現(xiàn)出南疆高于北疆，以柴達木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地為干旱的中心區(qū)向周圍地區(qū)逐漸變濕分布特征，其中大部分地區(qū)屬特旱和重旱等級。這一研究結(jié)果與黃靜等[11]的結(jié)果一致。20 a間新疆干旱以不顯著增加趨勢的區(qū)域集中在柴達木盆地、塔里木河和孔雀河地區(qū)。未來一段時間內(nèi)干旱將以不顯著減小趨勢變化，但在準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地仍以增加趨勢為主，春、夏季大部分區(qū)域干旱程度有所緩解，但冬、春季會在大范圍變旱，尤其在天山山脈地區(qū)和柴達木盆地地區(qū)表現(xiàn)尤為顯著。降水和氣溫與TVDI均以呈正相關(guān)為主，究其原因可能是新疆太陽輻射較大，隨著近幾年氣候變暖，地表蒸散發(fā)逐漸增加，而降水并沒有顯著增加，沒有緩解新疆地表含水量，所以干旱程度逐漸嚴(yán)重。其次，全球氣候變暖導(dǎo)致植被蒸騰作用加快，使土壤水分減少，反過來抑制植被生長，導(dǎo)致干旱加重。

由于受季節(jié)性氣溫和降水及植被類型等多種因素影響，新疆不同季節(jié)干旱對氣溫和降水響應(yīng)情況不同。春季TVDI與降水呈負相關(guān)，與氣溫為正相關(guān)，主要原因是春季氣溫逐漸回升，植被進入返青期，所需水分增加，導(dǎo)致土壤含水量減少，降水雖可以緩解地表的持續(xù)干燥化。但新疆海拔高，受太陽輻射、風(fēng)速等因素較大，春季氣溫升高會導(dǎo)致蒸散發(fā)增加，從而進一步增加春季干旱。但在阿爾泰山脈、天山山脈和昆侖山脈等地區(qū)，春季氣溫升高會使高山積雪消融，給河流補給水源，使該地區(qū)水資源充裕，干旱減輕。夏季氣溫高，降水量少，且多為植被覆蓋密度較低的地區(qū)，水分蒸散發(fā)量大，是一年中干旱最為嚴(yán)重的季節(jié)，在較為干旱的盆地地區(qū)降水的增多有利于干旱的緩解，但在高海拔地區(qū)降水天氣會導(dǎo)致積雪消融速率減慢，使干旱加重，而氣溫與降水相反。秋季TVDI與降水為正相關(guān)，與氣溫為負相關(guān)，主要是因為氣溫下降，水分蒸散發(fā)量降低，植被生長所需水分減少，高海拔地區(qū)有降雪出現(xiàn)，補給水資源，山區(qū)土壤含水量增加，使得干旱程度降低。冬季氣溫最低，蒸騰作用弱，新疆部分地區(qū)受積雪補給水源，且植被多處于休眠狀態(tài)，所需水分較低，是一年中濕潤度最高且干旱范圍面積最小的季節(jié)，只有塔里木盆地的部分地區(qū)處于干旱狀態(tài)，但也由于較大的植被覆蓋度和較大的風(fēng)速，較為干旱的盆地地區(qū)氣溫升高會導(dǎo)致進一步的干旱。

4.2 結(jié)論

本文基于TVDI指數(shù)分析了2001—2020年間新疆干旱時空格局和季節(jié)性氣候?qū)Ω珊涤绊憽Ｑ芯拷Y(jié)果表明：

1)TVDI最小值出現(xiàn)在天山山脈以北及昆侖山脈地區(qū)，TVDI值在0.57以下，屬輕旱等級，塔里木盆地和準(zhǔn)格爾盆地TVDI值在0.86以上，均屬特旱等級。

2)TVDI以0.000 7/a速率增加。春季TVDI呈減小趨勢，減小速率為0.001 3/a，夏季TVDI增加速率為0.001 4/a，秋季TVDI增加速率最大(增加速率為0.002 0/a)，冬季TVDI增加速率最小(增加速率為0.000 8/a)。

3)Hurst指數(shù)均值為0.423，即未來一段時間內(nèi)新疆TVDI可能呈現(xiàn)出不顯著的減小趨勢。春、冬季未來一段時間內(nèi)大部分區(qū)域TVDI將呈增加趨勢，夏、秋季TVDI將在未來一段時間內(nèi)大部分像元呈減小趨勢。

4)TVDI與降水以正相關(guān)為主，即降水量增多，TVDI增加。春、冬季TVDI與降水以負相關(guān)為主，夏、秋季TVDI與降水以正相關(guān)為主。春季TVDI與氣溫以正相關(guān)為主，夏季TVDI與氣溫的相關(guān)性從西向東從負相關(guān)逐漸變成正相關(guān)，秋、冬季TVDI與氣溫以負相關(guān)為主。