近年来长江流域植被指数变化规律及气候因素影响研究

于志磊，秦天玲，章数语，史婉丽

（中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京100038）

近年来长江流域植被指数变化规律及气候因素影响研究

于志磊，秦天玲，章数语，史婉丽

（中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京100038）

基于2000—2011年长江流域MODIS数据以及流域内204个气象站点的气温和降水资料，以像元作为计算单元，运用空间插值、相关分析等方法，以长江流域及其阶梯分区为研究对象分析对应植被NDVI、降水和气温的年际动态及相关性，探究流域植被指数变化的主要影响因素。结果表明：（1）近年来长江流域植被NDVI时空变化规律显著。时间上，NDVI平均值的变化大小：第2阶梯＞第3阶梯＞长江流域＞第1阶梯。空间上，长江流域植被NDVI阶梯分区差异性显著。（2）长江流域及其各阶梯内的降水与气温存在较强的时空可变性。（3）长江流域植被NDVI变化与降水量呈负相关，与气温呈显著正相关。不同阶梯内，植被NDVI变化与降水基本上保持负相关，而与气温均呈现出显著的正相关。近年来长江流域陆生生态系统植被覆盖整体保持平稳态势；温度是该流域植被生长更为重要的制约因子。

NDVI；降水；气温；长江流域；阶梯分区；相关分析

1 研究背景

流域生态系统是尺度较大且综合性更强的生态系统类型，具有由自然、社会与经济多组分耦合的复杂性，同时又因其特殊的发育条件与演化进程，受到人为强烈而长期的干扰［1］。而植被，作为生态系统的存在之基，在生物化学循环和水循环中，都起到了重要作用［2-3］。而归一化植被指数（Normal Difference Vegetation Index，简称NDVI）是目前最为常用的表征植被生长变化状况的指数，能在较大时空尺度上反映植被覆盖信息［4-6］。近年来，随着全球气温持续升高以及人类活动不断加剧，长江流域的生态环境问题日渐突出，主要表现为草地退化、土地石漠化、水土流失、生物多样性锐减，等［3，7］。长江流域作为我国第一大流域，其植被覆盖在水土涵养、径流调节等方面具有不可估量的作用［7］，是维系长江流域、毗邻地区乃至全国生态平衡不可缺少的重要屏障。本研究从时效性上更新了植被NDVI数据，对典型流域（长江流域）近年植被生长状况有了新的认识，这对了解长江流域当地植被长势情况，保护当地、毗邻地区乃至全国生态环境具有深远的影响；同时，根据流域内植被与降水、气温之间的相关性分析，对植被生长变化规律进行归因分析，从而为合理布置植被空间布局，优化国土资源利用提供科学导向。

2 研究区域概况

长江干流总长度约6 300 km，是世界第三大河流。长江流域的地理位置为E90°32′8″—E121°54′9″，N24°27′41″—N35°45′10″，海拔介于1～7 076 m之间，高低海拔相差悬殊，且流域平均海拔为1 608.32 m（图1）。作为我国第一大流域，从行政区划角度，长江流域横贯我国东、中、西部3大经济区共计19个省（直辖市、自治区），流域面积为17.81万km2，约占我国陆地总面积的18.76%；从地形角度，长江流域横跨我国西高东低3大阶梯，流域内的耕地面积超过48万km2，约占我国耕地总面积的26.89%，是我国主要的农业生产基地。长江流域是典型的季风气候流域，年降水量和气温时空分布极其不均；其多年（2000—2011年）平均年降水量为1 101.7 mm，多年（2000—2011年）平均气温为11.4℃。

图1 长江流域DEM、河流水系及分区

3 数据来源及研究方法

3.1 植被（NDVI）数据以LPDAAC/NASA（The Land Processes Distributed Active Archive Center）所提供的中分辨率成像光谱仪MODIS合成的12年（2000—2011年）月尺度、空间分辨率为1 km的植被ND⁃VI栅格数据作为长江流域及其各分区内植被长势变化分析的主要数据源。

植被归一化指数（Normalized Difference Vegetation Index，简称NDVI）是目前应用最广泛的植被指数，与植被的分布呈线性相关，是植被生长状态和空间分布的最佳指示因子［3，8］。因此，基于MRT（Modis Reprojection Tool）对MODIS植被指数数据投影转换，合成所需的月尺度下的NDVI栅格数据，利用长江流域矢量边界裁切获得每年月尺度序列的植被NDVI影像数据。基于每年月尺度下的NDVI数据计算获取NDVI年值［9］，具体计算如下：

式中：i是月序号；NDVIi是第i月的植被指数值；n是一年的月数，n=12。

3.2 气象数据依照中国气象数据共享网提供的长江流域204个气象站点近年（2000—2011年）日平均气温和日降水数据，利用Arc.GIS10.2计算各站点年气温值和年降水值，根据克里金插值方法［10］将气温和降水数据展布到长江流域上得到年尺度、空间分辨率为1 km的气温和降水栅格数据。

3.3 分区数据依据我国地势的三级阶梯分界，将长江流域划分为3个分区，即第1阶梯分区、第2阶梯分区和第3阶梯分区；基于ArcGIS10.2平台，统计长江流域及不同分区内植被NDVI变化、年降水量以及年气温均值作为该区的值。

3.4 相关性分析对长江流域及其3个分区内植被NDVI与对应气象因素（降水、气温）之间的相关性进行分析［10-12］，综合分析长江流域及3个分区内植被NDVI对气候因子（主要是降水和气温）变化响应。相关系数公式如下：

式中和分别代表两因子样本值的平均值，即，

需要指出的是，rxy是因子x和y之间的相关系数，表示不同两因子间的相关性大小的统计指标，该指标的取值区间为［-1，1］。另外，rxy＞0为正相关，rxy＜0为负相关，且rxy的绝对值越大则表明x和y的相关性越密切。

4 结果分析与讨论

4.1 流域内年平均NDVI的时空演变如图2（a）所示，时间上，根据长江流域及其各分区内植被NDVI的年内平均值进行数据统计。统计结果显示，2000—2011年长江流域及其不同分区内植被ND⁃VI的年际变化特征显著。NDVI平均值大小变化：第2阶梯分区＞第3阶梯分区＞长江流域＞第1阶梯分区。长江流域NDVI平均值在0.5以上，整体呈现微增长趋势。第2阶梯分区内的植被NDVI最大，基本保持在0.6以上，起伏变化基本与长江流域NDVI的变化保持一致，变幅较小。第3阶梯分区内的植被NDVI略低于第2阶梯分区。第1阶梯分区内的植被NDVI基本维持在0.4左右，且在2005年至2008年变幅较大，出现峰值。

空间上，选取植被NDVI多年平均值展布到空间上，如图2（b）。从空间分布上可以看出，长江流域及其不同分区内植被NDVI阶梯差异性显著，且阶梯分区的分界处植被NDVI变化走势基本与地势阶梯分界线保持一致。各阶梯分区内植被NDVI空间变化与其年际变化规律类似，第2阶梯分区＞第3阶梯分区＞第1阶梯分区。各阶梯分区内植被NDVI也具有一定程度上的空间差异性：第1阶梯分区内植被NDVI自西至东依次由低到高变化，第2阶梯分区内植被NDVI分布相对均匀，最高达0.8以上，第3阶梯分区内植被NDVI分布整体降低，局部地区较高。

图2 长江流域及不同阶梯分区的年均NDVI变化及空间分布

4.2 流域内年平均气温、年平均降水的时空动态长江流域及其不同阶梯分区年均气温、年均降水的年际变化如图3，降水与气温存在较强的时空可变性，与先前的研究结果相吻合［13］。从图3（a）可见，气温年际动态变化相对平稳；不同分区内的气温变化：第3阶梯分区＞第2阶梯分区＞长江流域＞第1阶梯分区。长江流域平均温度基本保持在11℃左右，最低平均温度为10.90℃，最高平均温度为11.89℃。第3阶梯分区内年际平均气温保持在16.45℃～17.41℃之间，气温相对较高。第2阶梯分区内的气温变化范围为13.63℃～14.58℃。第1阶梯分区气温波动相对较大，呈现一定的升温趋势，波动范围保持在0.33℃～1.81℃之间。

从图3（b）可见，降水年际波动变化显著；不同分区内的降水变化：第3阶梯分区＞第2阶梯分区、长江流域＞第1阶梯分区。长江流域整体降水动态变化与第2阶梯分区内的降水动态变化基本保持一致，降水量在1 000 mm左右。第3阶梯分区内的年际平均降水基本维持在1 333.76 mm左右，在2002年与2010年出现降水极值，降水量分别为1 706.47 mm和1 616.92 mm。第1阶梯分区内年际降水量明显最小，降水量在626.06 mm上下浮动。

空间上，多年平均气温空间分布如图4（a）所示，气温东高西低的特征显著，不同阶梯分区间的气温分界线与地势阶梯界线基本相吻合。阶梯内气温分布各具特征，第1阶梯分区内气温普遍偏低；第3阶梯分区内气温普遍较高；第2阶梯分区内气温分布不均，其中四川盆地气温较高，周边地区气温相对较低。多年平均降水空间分布如图4（b）所示，其空间分布特性与多年平均气温空间分布基本保持一致，东部多雨西部少雨态势显著。不同阶梯分区的分界线处降水量多变，第1阶梯分区和第2阶梯分区的过渡区降水量变异性显著，而第2阶梯分区和第3阶梯分区之间的过渡区降水量分异性不显著。分析原因，气温与降水的时空多变，受地势海拔变化的影响显著。

图3 长江流域及不同阶梯分区的多年平均气温和降水变化（2000—2011年）

图4 长江流域及不同阶梯分区的多年平均气温和降水的空间分布（2000—2011年）

4.3 年平均植被NDVI与降水、气温之间的相关性长江流域植被NDVI与降水量、气温之间的相关性分析结果如表1。分析表明，长江流域植被NDVI与降水量呈负相关，与气温呈正相关，且前者相关性不显著，后者相关性显著。长江流域植被覆盖对气温的响应明显大于其对降水量的要求，这与其他学者的研究结果相吻合［7］。分析原因可能是由于长江流域自身水量丰沛，所以植被生长对降水量的要求相对较低，而对气温的要求则偏高。第1阶梯分区内植被NDVI与降水量呈负相关，与气温呈正相关。该阶梯分区的地势海拔较高，平均在4 005.23 km左右，因此，植被生长对气温的要求高于对降水的要求。气温对该区域植被的生长具有一定的限制性，也与其他学者的研究结果相吻合［10］。第2阶梯分区内植被NDVI与降水量呈负相关，与气温呈显著正相关。该阶梯分区海拔骤降，平均在1 092.06 m左右，故而与第1阶梯分区相比较，对气温的要求降低；同时该区域内水系丰富，水量充沛，植被对降水的要求相关性也随之降低。第3阶梯分区内，植被NDVI与降水量呈现微弱的正相关，其原因可能是该区域人类活动剧烈，随之社会经济发展的需要，生产、生活用水量显著高于生态用水量，故而该地区植被NDVI对降水量呈现出一定需求；与气温呈显著正相关。

表1 相关性检验

5 结论

基于2000-2011年的MODIS/NDVI数据和气象资料，结合长江流域阶梯区划，分析了长江流域及其各阶梯分区内植被NDVI、降水和气温之间的年际动态变化规律和相关性特点，具体结论如下：

（1）近年来，长江流域植被NDVI时空演替规律性显著。时间上，植被NDVI平均值大小变化为：第2阶梯分区＞第3阶梯分区＞长江流域＞第1阶梯分区。空间上，长江流域植被NDVI呈现出显著的阶梯差异性，且阶梯分区的分界处植被NDVI变化走势基本与阶梯分界线保持一致。

（2）长江流域及其各阶梯分区内的降水与气温存在较强的时空可变性。时间上，气温年际变动相对平稳，降水年际波动显著；空间上，气温东高西低，降水东多西少的特点显著，不同阶梯分区内的气温和降水分界线与地势阶梯界线基本相吻合。

（3）长江流域植被NDVI与降水量呈负相关，与气温呈正相关，前者相关性不显著，后者相关性显著。不同阶梯分区内，植被NDVI与降水基本上保持负相关，而与气温均呈现出显著的正相关。

总得来说，气温是长江流域植被生长的制约性因子，由于该流域水系丰富、水量丰沛，故而降水对该流域内植被生长的制约性偏低。

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Vibration parameter development prediction of pumped storage unit based on VMD

FAN Yulin1，GUI Zhonghua1，WANG Mingfang1，AN Xueli2
（1.Technology Center State Grid Xinyuan Company LTD.，Beijing100161，China；
2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China）

A vibration parameter development prediction method of pumped storage unit based on moving least square response surface（MLSRS）and variational mode decomposition（VMD）is proposed.The ML⁃SRS is adopted to construct health condition assessment model of pumped storage unit vibration parameter. Then VMD method is applied to decompose nonlinear vibration parameter time series of unit into several stable components.According to different features of each component，LS-SVM or GM（1，1）is selected to predict them respectively.Finally，predicted results of each component are added up to obtain the pre⁃dicted results of original vibration parameter time series.The results of real vibration data show that the pre⁃diction model is effective and of high-accuracy.

pumped storage unit；vibration parameter；development prediction；moving least square response surface；variational mode decomposition

P461.7

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.05.008

1672-3031（2016）05-0362-05

（责任编辑：杨虹）

2016-01-27

科技惠民计划项目“南水北调中线工程丹江口库区郧县面源污染治理与饮水安全保障综合示范”

于志磊（1989-），女，山东潍坊人，硕士生，主要从事区域生态水文方面的研究。E-mail：yuzhilei569@sina.com

秦天玲（1986-），女，山东淄博人，博士，高级工程师，主要从事水文水资源及生态水文等方面的研究。

E-mail：tianling406@163.com