李維嬌， 王云鵬

( 1. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所， 廣州 510640； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

干旱作為一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人民生活都造成了嚴(yán)重的影響[1]. 據(jù)估算，全球每年因干旱造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)60～80億美元, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他氣象災(zāi)害[2]. 研究旱情的發(fā)生規(guī)律及其嚴(yán)重程度，對(duì)農(nóng)業(yè)規(guī)劃管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的意義.

傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測(cè)一般是通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的研究進(jìn)行的，例如：通過(guò)土壤墑情監(jiān)測(cè)站直接獲得土壤水分含量的相關(guān)數(shù)據(jù)[3]；通過(guò)地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)的降水量、氣溫和日照等數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)的干旱指數(shù)[4]；通過(guò)觀察單點(diǎn)植株的生長(zhǎng)情況對(duì)植株所在地區(qū)旱情進(jìn)行判斷[5]等. 對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的干旱數(shù)據(jù)進(jìn)行插值可得到空間連續(xù)的干旱分布數(shù)據(jù)，然而監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)通常疏密不均，其插值結(jié)果存在很大的不確定性[6]. 由于遙感數(shù)據(jù)具有容易獲取、分辨率高和數(shù)據(jù)重訪率較高等特點(diǎn)，近年來(lái)在干旱監(jiān)測(cè)中逐漸成為熱點(diǎn)[7-8]. 在植被覆蓋度高的地區(qū)，通過(guò)各種遙感植被指數(shù)進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)取得了較好的應(yīng)用效果. 常見(jiàn)的遙感植被干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)[9]、溫度狀態(tài)指數(shù)(Temperature Condition Index,TCI)[10]、溫度植被干旱指數(shù)(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI)[11]和植被狀態(tài)指數(shù)(Vegetation Condition Index,VCI)[12-13]等. 其中，VCI具有計(jì)算簡(jiǎn)單、能消除地形及土壤因素帶來(lái)的差異、對(duì)植被敏感等優(yōu)勢(shì)，在高植被覆蓋區(qū)時(shí)空連續(xù)的干旱監(jiān)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用[14].

本文利用2003—2017年8天250 m分辨率的MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)地表反射率數(shù)據(jù)計(jì)算得到了VCI，以VCI作為監(jiān)測(cè)干旱的指標(biāo)，探討了廣東省干旱的時(shí)空分布和近年來(lái)干旱發(fā)生的頻率及趨勢(shì)的變化，以期為廣東省的抗旱減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)介紹

1.1 研究區(qū)

廣東省屬于東亞季風(fēng)區(qū)，從北向南分別為中亞熱帶、南亞熱帶和熱帶氣候，是中國(guó)光、熱和水資源最豐富的地區(qū)之一. 廣東省的年平均氣溫約為19～24 ℃,全省平均日照時(shí)數(shù)為1 755 h. 廣東省降水充沛，年平均降水量在1 800 mm左右. 受到廣東省地形地勢(shì)分布(圖1)的影響，廣東省的降水空間分布呈南高北低的趨勢(shì). 降水的季節(jié)分配不均，4—9月的汛期降水占全年的80%以上. 降水的年際變化也較大，多雨年降水量為少雨年的2倍以上[15]. 洪澇和干旱災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，臺(tái)風(fēng)的影響也較為頻繁[16].

1.2 數(shù)據(jù)

MODIS傳感器搭載在Terra和Aqua星上[17]. 本文使用的MODIS數(shù)據(jù)為2003—2017年間8天250 m的地表反射率數(shù)據(jù). 該數(shù)據(jù)下載于NASA網(wǎng)站(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)，每年46期，研究期間內(nèi)共有15年690期數(shù)據(jù). 經(jīng)過(guò)裁剪、去除異常值后，利用每期數(shù)據(jù)的紅光波段(Red:620～670 nm)和近紅外波段 (NIR:841～875 nm)來(lái)計(jì)算NDVI和VCI.

2 研究方法

2.1 VCI計(jì)算方法

NDVI是應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù)，該指數(shù)與植被覆蓋度有關(guān)，主要反映植被生理生態(tài)特征，同時(shí)也能反映植物冠層的背景影響，如土壤、地面潮狀況、雪、枯葉和粗超度等[18].

NDVI最早由ROUSE等[17]提出，其計(jì)算公式為：

(1)

其中，NIR為近紅外波段反射率，R為紅光波段反射率. NDVI的值域范圍為[-1,1]，負(fù)值表示地面覆蓋為云、水和雪等，對(duì)可見(jiàn)光高反射；0表示有巖石或裸土；正值表示有植被覆蓋，且NDVI的值越大則表示植被覆蓋情況越好.

在NDVI的基礎(chǔ)上，KOGAN[19]提出了主要用來(lái)反映植被的生長(zhǎng)狀況的VCI指數(shù)，其計(jì)算公式為：

(2)

其中，NDVIi為特定年第i期的NDVI值；NDVImax和NDVImin分別為多年第i期NDVI的最大值和最小值. 分母部分的最大值和最小值分別反映了第i期植被生長(zhǎng)的最佳和最差狀態(tài)，其差值在一定意義上代表了植被的生境，如土壤干濕狀況、營(yíng)養(yǎng)及日照等. 分子部分某年的NDVI值與最小值的差值越小，表明這一期的植被長(zhǎng)勢(shì)越差[19]. VCI的值域范圍為[0,100]，數(shù)值越小，表示植被生長(zhǎng)狀況越差，旱情越嚴(yán)重[20].

2.2 VCI趨勢(shì)分析

為研究2003—2017 年干旱的總體變化趨勢(shì)，將690期VCI數(shù)據(jù)按年平均，得到年均VCI. 在此基礎(chǔ)上，可以計(jì)算VCI的距平指數(shù)(Anomaly Vegetation Condition Index,AVCI). 還可以對(duì)年均VCI值進(jìn)行趨勢(shì)傾向率計(jì)算，具體計(jì)算公式[21]如下：

(3)

其中，ti是歷年序列號(hào)(1～15),n是序列的長(zhǎng)度(n=15),xi是第i年的VCI值. 若slope>0，表示在研究區(qū)間內(nèi)VCI呈上升趨勢(shì)，旱情逐年緩解；若slope<0，表示VCI呈下降趨勢(shì)，旱情逐年加劇.

MK(Mann-Kendall)檢驗(yàn)可以有效區(qū)分一個(gè)過(guò)程是自然波動(dòng)的還是具有顯著的趨勢(shì)[20]. MK檢驗(yàn)具有不受少數(shù)異常值干擾、計(jì)算簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)無(wú)需服從一定分布的特點(diǎn)[22-23]. 本文用MK方法檢驗(yàn)2003—2017年間的VCI的變化是否顯著，在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量[20]：

(4)

其中，Sk、Sk的均值和方差的計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

(7)

其中，ri是小于第i年且大于第j年的VCI值的累計(jì)數(shù);n是樣本的總數(shù)，本文中指序列的長(zhǎng)度(n=15).

按時(shí)間序列逆序，重復(fù)上述過(guò)程，計(jì)算得到UBk. 本文計(jì)算UFk時(shí)，使用2003—2017年的年均VCI值序列；計(jì)算UBk時(shí)，使用2017—2003年的年均VCI值序列. 當(dāng)UBk>0或UFk>0時(shí)，表示序列有上升趨勢(shì)；反之，有下降趨勢(shì). 當(dāng)UBk或UFk超過(guò)0.05置信區(qū)間(U0.05=±1.96)時(shí)，變化的趨勢(shì)是顯著的，超過(guò)該置信區(qū)間的范圍即為突變期. 當(dāng)UBk與UFk產(chǎn)生交點(diǎn)并且交點(diǎn)在置信區(qū)間內(nèi)時(shí)，以交點(diǎn)對(duì)應(yīng)得到時(shí)間作為突變的起始時(shí)間.

2.3 干旱頻率的計(jì)算

根據(jù)相關(guān)的研究[20]，將VCI的值按等級(jí)劃分：若VCI≤30，則表示植被狀態(tài)較差，發(fā)生了嚴(yán)重的干旱；若3070，則表示植被狀態(tài)良好，沒(méi)有發(fā)生干旱. 分別統(tǒng)計(jì)每一期數(shù)據(jù)不同等級(jí)干旱發(fā)生的頻次，并計(jì)算干旱發(fā)生的頻率[11,21]：

(8)

其中，f為干旱頻率，N是數(shù)據(jù)的總數(shù)(N=690)，k為不同程度干旱發(fā)生的頻次.

3 結(jié)果與分析

3.1 干旱變化趨勢(shì)分析

通過(guò)年均VCI及其距平指數(shù)的變化趨勢(shì)(圖2)可以分析旱情在時(shí)序上的變化特點(diǎn). 由圖可知：(1)2008年以前，廣東省的VCI的距平指數(shù)基本為負(fù)值，表明植被狀態(tài)較其他年份差；2013年以后，VCI的距平指數(shù)基本為正值，表明植被狀態(tài)較其他年份好. (2)2003—2017年間，VCI總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)(每年上升0.071)，表明近年來(lái)廣東省的旱情有逐年緩解的趨勢(shì). (3)2004年和2005年的年均VCI有一個(gè)明顯的低谷，這與氣象數(shù)據(jù)記錄的2004年末到2005年初廣東省發(fā)生的嚴(yán)重干旱情況相符. (4)從VCI的距平指數(shù)也可以看出2005年后，嚴(yán)重干旱帶來(lái)的影響逐年緩解. (5)年均VCI在2010、2012年都出現(xiàn)了小的下滑，根據(jù)氣象記錄，2010年10月至2011年3月間的降水照歷史同期偏少五成左右；2012年廣東省的西北部和東南部也有重旱發(fā)生.

圖2 2003—2017年廣東省的VCI及其距平指數(shù)變化趨勢(shì)

通過(guò)MK檢驗(yàn)的方法可以判斷VCI的增長(zhǎng)趨勢(shì)是否顯著. 由2003—2017年廣東省VCI的MK檢驗(yàn)結(jié)果(圖 3)可知：(1)UF的值基本都大于0，說(shuō)明自2003年以來(lái)廣東省的年均VCI有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這與圖2的分析結(jié)果一致. (2)UF的值高于顯著性水平0.05的臨界線，表明廣東省的年均VCI的增長(zhǎng)是顯著的.

圖3 2003—2017年廣東省VCI的MK檢驗(yàn)結(jié)果

Figure 3 The Mann-Kendall mutation analysis results of VCI in Guangdong from 2003 to 2017

由廣東省VCI的變化趨勢(shì)的空間分布圖(圖4)可知：(1)2003—2017年，廣東省總體VCI的slope值為0.795，整體上干旱情況有緩解的趨勢(shì). (2)全省80.3%的區(qū)域的VCI呈上升趨勢(shì)(slope>0)，其中52%的區(qū)域上升較明顯(slope>1)，這些區(qū)域的旱情隨著時(shí)間的變化明顯減輕；全省19.7%的區(qū)域的VCI呈下降趨勢(shì)(slope<0)，其中23.9%的區(qū)域下降較明顯(slope<-1)，這些區(qū)域的干旱情況隨著時(shí)間的變化而加劇. (3)VCI呈下降趨勢(shì)的區(qū)域主要分布在粵北地區(qū)和粵東的汕頭市附近地區(qū). 廣東省石灰?guī)r主要分布在粵北地區(qū)，石灰?guī)r涵養(yǎng)水能力差，

圖4 2003—2017年廣東省VCI變化趨勢(shì)的空間分布

Figure 4 The spatial distribution of the VCI trend from 2003 to 2017 in Guangdong

粵北地區(qū)秋季主要受高氣壓控制，天氣晴朗，氣候干燥少雨，容易發(fā)生旱澇現(xiàn)象[24]. 另外，由廣東省氣象局發(fā)布的氣象公報(bào)可知，汕頭市附近的年平均氣溫有增長(zhǎng)的趨勢(shì)(2010、2011、2014—2015年均氣溫的距平指數(shù)均為正值)，而年平均降水有下降的趨勢(shì)(2010—2012、2014年的年均降水距平指數(shù)均為負(fù)值). 這些因素可能是導(dǎo)致粵北地區(qū)和汕頭市附近地區(qū)的旱情有加劇趨勢(shì)的主要原因.

3.2 干旱頻率分析

根據(jù)已經(jīng)劃分好的不同VCI對(duì)應(yīng)的干旱等級(jí)，統(tǒng)計(jì)不同程度干旱發(fā)生的頻率. 由廣東省不同等級(jí)干旱出現(xiàn)頻率的空間分布圖(圖5)可知：(1)2003—2017年間，廣東省干旱發(fā)生頻率一般都在0.2～0.6之間，其中，珠三角地區(qū)和汕頭市附近地區(qū)的干旱發(fā)生頻率在0.6～0.8之間. (2)廣東省的干旱主要以中旱為主，大部分區(qū)域的中旱發(fā)生頻率都在0.4以下. (3)重旱在廣東省較少發(fā)生，重旱發(fā)生頻率基本都在0.2以下. (4)近年來(lái)，珠三角地區(qū)和汕頭市附近地區(qū)的干旱發(fā)生頻率與周圍地區(qū)有明顯的不同，這些區(qū)域的干旱情況比較嚴(yán)重，無(wú)論是中旱發(fā)生頻率的0.4～0.6，還是重旱發(fā)生頻率的0.2～0.4，與其他地區(qū)相比都要高. 珠三角地區(qū)和汕頭市附近地區(qū)與全省其他地區(qū)相比，其人口密度大、人口增長(zhǎng)快. 人類活動(dòng)強(qiáng)，導(dǎo)致地表水文條件變化大，城市化過(guò)程中植被的減少，也會(huì)導(dǎo)致表層土壤性保水能力下降，從而導(dǎo)致干旱發(fā)生的頻率更高[25].

統(tǒng)計(jì)每期數(shù)據(jù)干旱發(fā)生的面積占全省面積的比例，并按年取平均，得到歷年干旱面積占比(表 1). 由表可知：(1)廣東省的干旱面積在逐年減少，這與3.1章節(jié)干旱情況有逐年緩解趨勢(shì)的分析內(nèi)容一致. (2)整體來(lái)看，2003—2017年廣東省年均干旱面積占比40.7%，中旱面積占比29.6%，重旱面積占比11.1%. (3)與2003年相比，2017年的干旱面積減少了39.5%，中旱和重旱的面積分別減少了40.9%和35.3%. (4)2004、2005年的干旱面積與往年相比較高，2005年重旱的距平指數(shù)也相對(duì)較高(圖 6)，結(jié)合3.1章節(jié)的內(nèi)容可知，2004年末到2005年初的干旱程度較深，且干旱面積也很廣，這與氣象數(shù)據(jù)的記錄比較吻合. 總體來(lái)講，廣東省從2003年到2017年經(jīng)歷了一個(gè)干旱逐漸減輕的過(guò)程. 基于MODIS長(zhǎng)時(shí)間序列的VCI數(shù)據(jù)很好地反映了這一趨勢(shì). 上述結(jié)果也說(shuō)明VCI數(shù)據(jù)在大范圍長(zhǎng)時(shí)間的干旱監(jiān)測(cè)中具有很好的應(yīng)用效果.

圖5 廣東省干旱發(fā)生頻率空間分布

表1 廣東省2003—2017年干旱面積占比Table1 The proportion of drought-affected area in Guangdong from 2003 to 2017%

圖6 2003—2017年廣東省干旱面積占比的距平指數(shù)變化

Figure 6 The AVCI of proportion of drought area in Guangdong from 2003 to 2017

4 結(jié)論

廣東省處于熱帶亞熱帶地區(qū)，降水充沛. 但通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，廣東省頻繁發(fā)生程度較輕的干旱，這與LIANG等[20-21]在全國(guó)以及中國(guó)南方的相關(guān)研究結(jié)果相似. 干旱頻發(fā)可能與廣東省的降雨在空間和季節(jié)上分布不均有關(guān). 從干旱的嚴(yán)重程度、干旱頻率和干旱面積等方面來(lái)看，廣東省的干旱情況總體上是逐年減輕的. 這也與其他全國(guó)或南方地區(qū)的相關(guān)研究結(jié)果[20-21]一致，即干旱情況總體呈逐年緩解的趨勢(shì).

本文以廣東省作為研究區(qū)，利用MODIS地表反射率數(shù)據(jù)計(jì)算得到VCI；以VCI作為監(jiān)測(cè)干旱的指標(biāo)，分析了廣東省干旱的時(shí)空分布以及干旱發(fā)生的頻率、趨勢(shì). 主要結(jié)論如下：

(1)從時(shí)間趨勢(shì)上看，廣東省總體VCI有逐年上升的趨勢(shì)(每年上升0.071),說(shuō)明總體旱情在隨著時(shí)間逐漸減輕.

(2)從空間分布上看，全省80.3%以上區(qū)域的旱情都有緩解. 珠三角地區(qū)和汕頭市附近地區(qū)的干旱情況在逐年加劇.

(3)廣東省干旱的發(fā)生頻率基本在0.2～0.6之間. 全省發(fā)生的干旱主要以中旱為主，大部分地區(qū)的中旱發(fā)生頻率在0.2～0.6之間;重旱較少發(fā)生，大部分地區(qū)的重旱發(fā)生頻率都在0.2以下.

(4)廣東省干旱面積的占比逐年下降. 2017年的干旱面積比2003年減少了39.5%. 2003—2017年，全省干旱程度和干旱面積都有明顯的改善.

VCI數(shù)據(jù)在大范圍長(zhǎng)時(shí)間的干旱監(jiān)測(cè)中具有很好的應(yīng)用前景，但值得注意的是，VCI是一種以監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)狀態(tài)為主的干旱指標(biāo). 在運(yùn)用VCI進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)時(shí)，植被覆蓋向非植被覆蓋的轉(zhuǎn)變?nèi)菀讓?duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成影響. 在后續(xù)的研究中，需要進(jìn)一步考慮如何消除這部分影響.