基于MOD16数据的河南省和山东省干旱的时空分布特征

薛明慧

(河海大学 水文水资源学院，南京 210098)

0 引言

干旱主要指淡水总量少，一般持续时间很长、影响范围广、产生的危害大[1]。传统的干旱监测方法一般是基于气象站点的观测数据，对观测数据进行统计分析[2]。近年来，随着遥感技术的不断发展，因其实时性好、数据量大、精度相对较高等特点，利用遥感技术手段进行干旱监测逐渐应用开来[3-4]。国内外关于遥感干旱监测方法主要有：可见光-近红外波段的遥感干旱监测、近红外-短波红外波段的遥感干旱监测、热红外遥感干旱监测、高光谱遥感干旱监测以及微波遥感干旱监测等[5-8]。Idso[9]提出根据冠气温差与空气水汽压的经验关系提出了作物缺水指数CWSI，Jackson[10]在此基础上作出阐释，并给出了计算公式。CWSI适用于小范围、蒸散作用较强的作物生长过程中的农业干旱监测。喻元在研究关中地区干旱监测与时空分布问题时采用CWSI与TVDI两个指数，并验证CWSI在空间与时间上干旱监测效果优于TVDI[11]。河南省和山东省位于华北平原，是中国冬小麦、夏玉米的主要种植区之一。但随着全球气候变化，境内干旱气象灾害频发，粮食安全问题随之而来。其中，2012年5月1日—6月25日，河南省和山东省平均降水量约41.9 mm，较常年同期偏少67%，为1951年以来同期最少，特别是河南省6月1日—25日全省平均降水量仅4.3 mm，气温较同期偏高1～2 ℃，多地出现中度以上气象干旱[12]。2013年3月—6月上旬，华北平原北部大部分地区降水为10～50 mm，较常年同期偏少，冬小麦生长受到严重影响[13]。本研究根据MODIS传感器提供的蒸散发产品MOD16A2数据，提取相关蒸散量ET(Evapotranspiration)与潜在蒸散量PET(Potential Evapotranspiration)数据，进而计算CWSI，分析河南省和山东省干旱时空分布特征，从而为干旱的防治、农业生产安排提供决策依据。

1 研究区概况

河南省、山东省位于华北平原，地理范围介于110.35°～122.71°E ，31.33°～38.40°N之间，总面积约为32.4万km2[14-15](图1)。河南省、山东省地势高低起伏，境内河流众多、河网密布。河南省、山东省分别属于暖温带-亚热带、湿润-半湿润季风气候和暖温带季风气候，两省均雨热同期，降水季节性分配不均，多集中于夏季，冬春季多寒冷干燥，雨水较少，因此，研究区易发生旱涝灾害，对农业生产影响较大。

2 数据与方法

2.1 数据来源

MODIS是搭载在Terra和Aqua卫星上的重要传感器，是目前世界上新一代“图谱合一”的光学遥感仪器，共有36个离散光谱波段，光谱范围广，从0.4 μm(可见光)到14.4 μm(热红外)全光谱覆盖[16-17]。MODIS传感器与NOAA卫星及陆地卫星相比，其空间分辨率、光谱分辨率及时间分辨率都有明显提高。本研究选取MODIS数据产品中的蒸散发数据产品MOD16数据，探析河南省和山东省2012年6月—2013年6月的干旱时空分布特征。MOD16数据为陆地4级标准数据产品，内容为蒸腾作用，分为旬、月合成产品。本研究使用的为MOD16A2月合成产品，其空间分辨率为500 m，8天为一个周期，一幅影像包含4个数据，本研究使用其中的2个数据，蒸散量ET和潜在蒸散量PET，ET和PET为观测时间8天范围内的蒸散量与潜在蒸散量的总和[18-20]。

2.2 研究方法

蒸散主要包括两部分：地表水分蒸发以及植物体内水分的蒸腾。地表含水量较高时，蒸散作用较强，含水量较低时蒸散作用则相对较弱[21]。植物体内的蒸腾不仅对于植物自身，而且对于整个生物圈、大气圈、水圈都十分重要。

人们把一定气象条件下水分供应充足的蒸散定义为潜在蒸散，而实际气象及水分供应不足条件下的水分蒸散定义为实际蒸散，把实际蒸散与潜在蒸散之比作为作物缺水的指标[22-23]。最先提出作物缺水指数CWSI的是Idso，而Jackson等对其进行阐述，利用ET与PET进行干旱监测，并给出了计算公式：

(1)

式(1)中：CWSI的值在0～1之间，其值的大小反映了研究区的干旱情况，值越大表示干旱程度越严重，值越小则表示干旱程度越轻。

3 河南省、山东省干旱时空分布特征

3.1 河南省、山东省干旱月际时空分布特征

河南省、山东省干旱时空分布情况月际间差异较大，各月作物缺水指数CWSI分布情况如图2。2012年6月干旱面积较大，且CWSI峰值很高，为0.977 4，冬小麦收割到种植玉米之间出现大量裸地，在高温条件下地表水分大量蒸发，造成大面积干旱[24-25]。2012年7月、8月干旱时空分布情况较为一致，相较于2012年6月气温升高，降水增加，并且夏玉米的生长增加了植被覆盖面积，整体干旱面积有所减少，CWSI峰值均在0.87～0.90之间，整体呈现轻旱、无旱状态。2012年9月、10月干旱时空分布情况较为一致，相较于2012年7月、8月降水减少，夏玉米进入成熟期后植物蒸腾作用减弱，且收割后出现大量裸地，整体干旱面积有所扩大，CWSI峰值分别为0.886 5、0.950 2，除研究区中部相对湿润外，其余地区均呈现不同程度的干旱，河南省西部及山东省中部较为严重。2012年11月、12月干旱时空分布情况较为一致，但11月相对12月干旱面积较大，CWSI峰值也较高。2013年1月、2月干旱时空分布情况较为一致，CWSI峰值均在0.75～0.80之间，且CWSI值相对较高的区域均集中在河南省西南部，干旱情况较为严重，河南省东北部以及整个山东省CWSI值相对较低，处于无旱和轻旱区。2013年3月、4月干旱时空分布情况较为一致，相较2013年1月、2月，整体干旱面积有所扩大，CWSI峰值均在0.9以上，河南省西部以及2013年4月份的山东省中南部干旱情况较为严重，其余大部分区域处于轻旱区。2013年5月相较于3月、4月，降水量有所增加，所以整体干旱面积有所减少，但CWSI峰值仍在0.9以上，且干旱较为严重区集中分布在河南省北部、南部以及山东省中部。

从时间月尺度分布情况来看，河南省、山东省在2012年的7月、8月、12月以及2013年的1月、2月相对较为湿润，2012年的6月、9～11月以及2013年的3～5月相对较为干旱，这主要与不同时间降水多少以及植被类型及其生长情况有关；从空间分布来看，山东省较河南省湿润，平原大多较山地湿润，这主要与地理位置、植被类型有关，山东省临海，空气、土壤湿度相对于河南省略大，植被类型不同，植物对于生长所需的水分、气温等也有差异，蒸腾作用程度也不同。

河南省、山东省干旱月际时空分布上因地形间的差异，干旱分布特征差异十分显著(P<0.05)。2012年6月干旱程度整体很严重，但山东省山地干旱情况仍比平原地区严重。2012年7月、8月河南省、山东省山地干旱情况有较大程度上的减缓，山东省干旱情况略比河南省严重。2012年9月、10月干旱严重程度有所增加，山地较平原严重。2012年11月、12月以及2013年1月、2月山东省整体呈现无旱或轻旱状态，而河南省西部山地干旱程度则明显严重。2013年3月、4月河南省和山东省山地干旱程度均比平原地区严重，2013年5月相较3月、4月干旱程度略微有所降低。总体来看，河南省、山东省山地干旱程度较平原地区严重。

图 2 2012年6月—2013年5月各月CWSI分布情况Figure 2 Monthly distribution of CWSI from June 2012 to May 2013

3.2 河南省、山东省干旱季节时空分布特征

气温、降水等的季节性差异是十分显著的，受此影响干旱的季节性差异也是十分显著的(P<0.05)，河南省、山东省四季作物缺水指数CWSI分布情况如图3。秋季CWSI峰值为0.869 1，河南省西部干旱程度相对严重，山东省全省范围内大致一致，呈现轻度干旱。冬季CWSI峰值为0.734 6，干旱面积明显较小，干旱程度明显较低，除河南省南部呈现相对干旱外，其余地区呈现无旱状态。春季CWSI峰值为0.918 9，干旱情况较为严重，且干旱面积较大，除河南省东南部较小区域呈现相对湿润状态，其他地区呈现不同程度的干旱，尤其河南省西部及山东省中部较为严重。夏季CWSI峰值为0.863 4，相较春季，干旱面积有所减少，干旱程度有所降低，河南省北部及山东省北部、南部干旱情况较为严重，河南省南部相对湿润。

从时间分布来看，冬季为一年中干旱程度最轻的季节，这与冰雪覆盖、降水、温度等相关，河南省、山东省降水季节性分布明显不均，尤其春季、秋季降水最少，且春季气温逐渐回升，秋季多种作物收割造成裸地面积增加，地表水分蒸发量随之加大；从空间分布来看，河南省干旱程度略比山东省严重，山地干旱程度明显比平原严重，这与地理位置、降水等相关。

河南省、山东省干旱季节时空分布上因地形间的差异，干旱程度差异十分显著(P<0.05)。河南省西部山区在春季和冬季干旱程度较为严重，夏季和秋季则呈现无旱或轻旱状态；山东省在春季、夏季、秋季山地旱情一直相对于平原地区略严重，冬季全境呈现无旱状态。总体来看，河南省、山东省山地干旱情况略严重于平原。

图 3 2012年秋季—2013年夏季CWSI分布情况Figure 3 Distribution of CWSI from autumn 2012 to summer 2013

3.3 河南省、山东省干旱时空分布特征对比分析

河南省、山东省作物缺水指数CWSI峰值月际、季节变化趋势基本保持一致，如图4、图5。

图 4 CWSI峰值月际变化Figure 4 CWSI peak monthly variation

图 5 CWSI峰值季节变化Figure 5 CWSI peak seasonal variation

从月际变化来看，河南省全年各月均出现了重旱及特旱区，山东省除2013年2月外，其余各月均出现了重旱及特旱区。仅从CWSI峰值来看，两省CWSI峰值月际最大值均出现在2012年6月，分别为0.977 4、0.966 2，呈现特级干旱状态；河南省CWSI峰值月际最小值出现在2012年12月，为0.712 6，山东省CWSI峰值月际最小值出现在2013年2月，为0.557 3，仅从最小值来看，两省干旱情况都略微严重。河南省整体趋势线处于山东省之上，且全年各月均出现特级干旱区。由此可见，河南省干旱情况相较于山东省略显严重。

从季节变化来看，河南省、山东省CWSI峰值基本随季节变化呈现递减趋势。两省CWSI峰值季节最大值均出现在春季，河南省为0.918 9，山东省为0.886 9，呈现特级干旱状态；两省CWSI峰值最小值均出现在冬季，河南省为0.734 6，山东省为0.555 9。仅从最大值与最小值来看，河南省、山东省干旱情况都略微严重，且河南省干旱情况比山东省严重。河南省整体趋势线位于山东省之上，且四季均出现了特级干旱区。由此可见，河南省干旱情况比山东省严重。

CWSI峰值变化受气温、降水、地形、作物生长期及作物蒸腾作用等的影响，从CWSI峰值月际、季节变化来看，河南省干旱程度与山东省基本相当，河南省干旱情况略比山东省严重。

4 结论

利用MOD16A2数据，采用作物缺水指数CWSI对河南省、山东省干旱时空分布情况进行分析，最终从月际、季节角度得出了2012年6月到2013年6月河南省、山东省干旱的时空分布特征。主要成果与结论如下：

(1)河南省、山东省2012年6月到2013年6月干旱情况月际浮动较大，月际间干旱程度差异显著(P<0.05)。2012年6月、10月以及2013年3月、4月为一年中干旱最为严重的月份，CWSI月际最大值出现在2012年6月，为0.977 4，呈现特级干旱状态。随地形起伏变化，河南省、山东省旱情程度分布有较大差异，整体来讲，山地干旱程度略严重于平原。

(2)河南省、山东省干旱情况季节性浮动较大，不同季节的干旱程度呈现显著性差异(P<0.05)。春季、秋季干旱情况较为严重，尤其春季CWSI为四季中的最大值，为0.918 9。

(3)河南省与山东省对比，两省CWSI峰值月际、季节变化呈现同步趋势，但河南省CWSI峰值整体高于山东省，河南省的干旱程度较山东省严重。