基于VCI的内蒙古生长季干旱变化及对气候响应

曲学斌,金林雪,红梅,越昆,赵子威

(1. 呼伦贝尔市气象局,内蒙古 呼伦贝尔 021008;2. 内蒙古生态与农业气象中心,内蒙古 呼和浩特010051)

干旱是中国最严重的自然灾害之一,具有持续时间长、影响范围广、灾害损失重等特点[1].有效的干旱监测是抗旱减灾的基础,然而传统的干旱监测主要依靠地面观测建立的气象干旱指数[2].受气象站网密度限制,以及无法反映不同植被抗旱能力差异、灌溉设施投入及临近水源情况等因素影响,精细化程度较差.随着卫星遥感技术的兴起,遥感干旱监测也得到快速发展,按所使用的数据源不同可分为光学遥感干旱监测、高光谱遥感干旱监测、微波遥感干旱监测和多元数据综合干旱监测等[3],其中依靠光学遥感开展干旱监测的技术相对成熟,数据源也最为丰富.常用的光学遥感干旱指数包括温度状态指数TCI[4]、植被状态指数VCI[5]、温度植被干旱指数TVDI[6]、植被供水指数VSWI[7]等.TCI基于陆面温度LST建立,其算法与VCI相近,但由于地形地貌差异、卫星过境时间和地表热平流因素影响,LST存在不确定性.TVDI和VSWI都是基于归一化植被指数NDVI和LST构建的,适宜地形平坦、植被覆盖度较高的地区和时段,但统计模型均受时空尺度限制,不同区域的监测结果没有时空可比性.VCI基于植被监测的长时间序列,可以有效避免地理气候和植被分布对干旱监测的影响,适宜在大范围的干旱监测中使用.沙莎等[8]对比了几种干旱指数在河南地区的监测差异,表明VCI具有较强指示和监测能力.LI等[9]在VCI的基础上结合云光学厚度COT建立了适宜湿润区使用的云区干旱指数CRDI.LIANG等[10]利用NOAA/AVHRR遥感数据建立了中国区1981—2015年长时间序列的VCI,并对长期植被干旱时空分布特征进行分析.相比基于NOAA的VCI指数,基于MODIS的VCI指数具有更高的空间分辨率,其数据质量更稳定,且数据积累已超过了20 a,为今后VCI的干旱分析提供了更精准、更稳定的数据来源.

干旱是威胁内蒙古生态系统平衡和经济社会发展最主要的自然灾害,2004—2013年内蒙古干旱灾害的直接经济损失占总气象灾害损失的57%,受灾人口和面积均超过其他气象灾害的总和.然而内蒙古的气象站网稀疏,气象干旱监测能力有限,遥感干旱监测业务尚处于起步阶段.通过前期对比4种遥感干旱指数在内蒙古东部地区的监测能力,已表明VCI在生长季中、后期干旱监测中具有明显优势[11].因此文中拟利用VCI开展内蒙古生长季干旱变化及对气候响应分析,使其能有效促进VCI干旱监测业务的开展,提升内蒙古的干旱监测能力,对抗旱减灾工作具有重要意义.

1 资料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古地处东亚中纬度内陆(97°12′—126°04′E,37°24′—53°23′N),地形狭长,总面积约为1.18×106km2,占全国总面积的12.1%,共分为12个盟市.内蒙古的地表覆盖以草原为主,呼伦贝尔市中部为大兴安岭森林,在大兴安岭两麓、通辽市和赤峰市的东部、巴彦淖尔市黄河灌区等地为耕地,巴彦淖尔市西部、鄂尔多斯市北部和阿拉善盟是植被稀少的荒漠区[12].

1.2 VCI计算方法

VCI的算法主要建立在NDVI的基础上,它可以很好地反映非冬眠期的植被对干旱的响应[13],其计算公式为

(1)

式中:NDVImax,NDVImin分别为给定地区同一时段的多年最大和最小NDVI值;VCI的取值为0～100,其值越小,干旱越严重.根据VCI的算法可知,在研究区内任意点的VCI时间变化序列的最小值和最大值均为0和100,其干旱监测能力与研究期长短关系密切.

1.3 数据来源

结合可获取的遥感资料时长和内蒙古植被生长特点,研究期设定为2000—2021年5—9月内蒙古植被生长季.计算VCI所用的NDVI数据,来自美国国家航空航天局提供的MOD13A3数据集,通过最大值合成法获取的逐月遥感植被产品,空间分辨率为1 km.气象数据采用内蒙古境内118个国家级气象站2000—2021年生长季的降水量和平均气温,通过反距离权重法插值成与VCI相同空间分辨率的栅格数据.

1.4 分析方法

VCI的变化趋势分析主要采用Sen趋势分析法,与一元线性回归方法相比,该方法对植被干旱反映更为敏感,具有受异常值影响小,不需要数据服从某种特定分布等诸多优势,其计算公式为

(2)

式中:S为VCI变化趋势;median为数据序列中位数计算符号;i,j为VCI的年份,VCIi和VCIj分别表示第i,j年对应的NDVI值.当S>0时说明NDVI呈增长趋势,反之则为下降趋势,Sen变化趋势的显著性检验采用M-K方法.

VCI的变化稳定性使用变异系数C进行分析,其数值越大表明VCI的波动越大,干旱越不稳定,反之则表明干旱整体稳定,计算公式为

(3)

由于气温和降水本身存在一定的相关性,因此VCI对气温、降水的响应分析采用偏相关系数法进行分析,其计算公式为

(4)

式中:下角标1代表VCI,2和3则代表气温(或降水),R12和R13为VCI与气温(或降水)的相关系数,R23为气温与降水的相关系数,R12(3)则为VCI与气温(或降水)在排除降水(或气温)影响后的偏相关系数.R12(3)的正负分别代表了正相关与负相关,对照相关系数检验表,当R12(3)通过0.05水平的显著性检验时达到显著,通过0.01水平的显著性检验时达到极显著.

2 试验结果与分析

2.1 VCI的时空分布

内蒙古生长季VCI的平均值为50.0,呼伦贝尔市西部、通辽市南部到赤峰市东部、锡林郭勒盟西北部至阴山以北贺兰山以西、鄂尔多斯市中南部地区的VCI均值小于50.0,属于干旱的相对高发区.各盟市生长季平均VCI的时间变化如图1所示,VCI呈缓慢增加趋势.东部盟市中,由于呼伦贝尔市境内大兴安岭森林对全市平均VCI具有稳定作用,变化相对平缓,其他3个盟市生长季VCI变化有较高一致性.彭建[14]对内蒙古东部干旱的研究表明,2000年以后干旱最重为2007年,与VCI监测结果大致相同.中部4个盟市在2012年以前VCI的变化一致性较高,之后呼和浩特市的VCI变化与其他3个盟市差异增加.中部在2001,2007,2010年VCI明显降低,有严重干旱发生,而2003,2013,2018年VCI较高,干旱影响不大,与白庆坤等[15]对蒙古高原草地干旱的研究结果基本一致.西部4个盟市生长季VCI的最低值均出现在2001年,主要干旱年份与中部盟市接近.3个区域相比东部和西部盟市的VCI增加趋势较为明显,中部盟市VCI则以波动为主.

图1 2000—2021年内蒙古及各盟市生长季VCI的年变化

2.2 VCI的变化趋势

2000—2021年,内蒙古生长季VCI的Sen变化趋势S和M-K检验结果如图2所示.生长季VCI的平均年变化倾向率为1.8 /a,干旱情况明显改善.各盟市中鄂尔多斯市的平均年倾向率最高(3.0 /a),通辽市次之(2.5 /a),最低为锡林郭勒盟(1.3 /a),呼伦贝尔市次之(1.4 /a).显著性检验表明,生长季VCI呈增加趋势的面积占比达到内蒙古总面积的92.4%,极显著增加为35.6%,显著增加为15.8%,显著和极显著减少的面积占比仅为0.9%.从分布上,VCI显著和极显著增加的区域主要位于内蒙古东西两侧,东部VCI增加区域主要位于呼伦贝尔市大兴安岭及以东地区、兴安盟以南至赤峰市一带;西部主要位于阴山以南乌兰察布市以西的地区.VCI的显著增加区与滑永春等[16]对内蒙古植被显著增长区域的分析高度吻合.不显著增加区主要位于呼伦贝尔草原和锡林郭勒盟至包头市东部一带,以草原植被为主.显著减少区主要位于阿拉善盟西北部荒漠区.

图2 2000—2021年内蒙古生长季VCI的变化趋势

内蒙古各盟市生长季各月的VCI变化趋势Sm和显著性检验如表1所示.

表1 2000—2021年生长季各月内蒙古盟市VCI的变化趋势

各盟市各月平均VCI的变化趋势均为正值,其中东部盟市除赤峰市外VCI的年变化倾向率最高均为7月(赤峰市为5月),中部盟市除包头市外VCI的年变化倾向率最高均为9月,中部的包头市和西部盟市VCI的年变化倾向率最高为5月或6月.显著性检验发现鄂尔多斯市各月的VCI增长均达到极显著水平,通辽市各月均达到显著水平,在“三北”防护林建设、京津冀风沙源治理、退耕还林还草、围封保育等人类正向干扰活动的影响下,通辽市、赤峰市等东南部靠近京津冀地区和西部草原荒漠过度带的植被状况持续改善,抗旱能力显著提升.内蒙古中部和东北部地区的呼伦贝尔市、锡林郭勒盟、乌兰察布市、包头市和巴彦淖尔市各月VCI变化趋势均不显著,需关注上述地区的生态修复和防旱抗旱能力建设.

内蒙古生长季各月VCI的变异系数C见图3.5—6月VCI变异系数相对较高的区域主要位于东部盟市和锡林郭勒盟东部植被以草原和耕地为主的区域,表明该地区春末夏初干旱发生风险相对较高.7—8月,VCI变异系数较高的区域明显向西移动,主要位于锡林郭勒盟西部、乌兰察布市北部、包头市北部、巴彦淖尔市北部等地,夏中夏末干旱风险相对较高.9月VCI变异系数较高的区域数值在减小,但范围明显增加.从VCI变异系数的平均值分析,5月VCI变异系数的平均值最高(0.65),其次为6月(0.59)和9月(0.58),8月VCI变异系数的平均值最低(0.55).可见内蒙古春末夏初的干旱风险最高,其次为秋季干旱,由于内蒙古的主汛期一般在7月中下旬至8月上旬,该时段是内蒙古年内降水相对集中的时期,干旱风险相对较低.

图3 2000—2021年内蒙古生长季各月VCI的变异系数分布

2.3 VCI与气温、降水的相关性

2000—2021年内蒙古生长季平均气温为18.8 ℃,以波动为主,线性变化趋势不明显;平均降水量为270.6 mm,以3.9 mm/a的倾向率在极显著增加.由于降水发生时常会引起气温下降,两者间存在明显负相关,因此VCI与气温、降水的相关性分析采用偏相关分析法,以排除两个气象要素间相关性对分析结果的影响,偏相关系数的空间分布如图4所示.

图4 2000—2021年内蒙古生长季VCI与气温、降水的偏相关性

内蒙古生长季VCI与气温呈极显著负相关的面积占全区总面积的25.0%,主要位于除锡林郭勒盟中部以外的草原区,呈显著负相关和不显著负相关的面积占比分别为3.8%和20.2%,主要位于鄂尔多斯市以西的荒漠区;VCI与气温呈极显著正相关的面积占比为17.2%,主要位于呼伦贝尔市大兴安岭林区等地,对于中高纬度森林而言,高温诱发干旱的可能性不大且植被生长受热量不足胁迫明显,因此该地区VCI与气温呈正相关.生长季VCI与降水呈显著和极显著正相关的面积占比达72.2%,占据了内蒙古中东部大部分地区,VCI与降水呈不显著正相关的面积占20.9%,主要位于巴彦淖尔黄河农业灌溉区、阿拉善盟西北部荒漠区以及大兴安岭山脊林区,而VCI与降水呈负相关的面积占比仅为6.9%,其中达到显著和极显著的面积占比仅为1.2%,零星分布在阿拉善盟和呼伦贝尔市北部.可见降水偏少是诱发内蒙古干旱发生的决定性气象要素,高温主要在草原干旱发生过程中起重要作用.

3 讨 论

利用卫星遥感技术建立的干旱指数,可以将传统的“点”测量拓展到“面”信息,具有范围大、精度高等优势,更能直观反映出农牧业实际受灾情况及干旱在气候、人类活动等因素影响下的变化趋势[17].目前遥感干旱指数的推广和业务化应用仍存在一些亟待解决的问题.首先,遥感植被干旱指数缺乏类似《气象干旱等级》(GB/T 20481—2017)的国家或行业标准,缺乏统一的指数算法和等级划分标准.其次,很多遥感植被干旱指数需要长时间序列的NDVI数据,但每颗卫星的寿命有限,未来如何消除不同卫星产品的系统偏差,将多源卫星融合使用,构建长时间序列的NDVI数据集,将成为VCI长期业务应用的关键.

4 结 论

1) 内蒙古生长季VCI的平均值在50.0左右,呼伦贝尔市西部、通辽市南部到赤峰市东部、锡林郭勒盟西北部至阴山以北贺兰山以西、鄂尔多斯市中南部地区为干旱多发区.VCI的干旱监测结果与前人的研究具有较高一致性,但能更好地反映出生态环境改善所带来的抗旱能力提升.

2) 2000—2021年内蒙古的VCI整体呈上升趋势,主要上升区位于内蒙古的东南部农牧交错带和西部草原与荒漠过渡区,在“三北”防护林工程、京津冀风沙源治理等人类正向干扰下,内蒙古的植被抗旱能力明显提升.根据变异系数的分析可知春末夏初内蒙古东部地区的干旱风险相对较高,随着夏季到来,干旱高风险区向西移动至内蒙古中部地区,秋季干旱风险范围增大但强度相对减小.

3) 内蒙古72.2%的地区VCI与降水呈显著和极显著正相关,降水是影响内蒙古干旱发生的决定性气象因素.28.8%的地区VCI与气温呈显著和极显著负相关,主要位于呼伦贝尔市西部至锡林郭勒盟东部、锡林郭勒盟西部至包头市南部一带的草原区,高温与草原干旱的发生关系密切.