王蔚丹，孫 麗**，裴志遠(yuǎn)，陳媛媛

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地利用遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100121；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院遙感與數(shù)字鄉(xiāng)村研究所，北京 100121）

干旱是對(duì)社會(huì)影響最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，給糧食安全和水資源管理帶來(lái)極大挑戰(zhàn)[1?2]。近年來(lái)，干旱面積逐年增加，其產(chǎn)生的不利影響有增加的風(fēng)險(xiǎn)，氣候變化引起的干旱等極端天氣給全球糧食安全帶來(lái)巨大威脅[3?4]。《2020年全球糧食危機(jī)報(bào)告》指出干旱是影響糧食安全的重要驅(qū)動(dòng)因素之一[5]。積極有效地進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)對(duì)農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)管理至關(guān)重要。

目前表征干旱的指數(shù)很多[6]，傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測(cè)方法主要基于站點(diǎn)的降水、溫度和土壤濕度等資料來(lái)評(píng)估干旱的嚴(yán)重程度[7]。在過(guò)去50a 里，遙感技術(shù)已經(jīng)改變了傳統(tǒng)的基于站點(diǎn)的測(cè)量方法，使在更大的空間尺度上觀測(cè)與干旱相關(guān)的關(guān)鍵變量成為可能[8]。農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生離不開(kāi)氣象、土壤和作物的相互作用。根據(jù)近年的研究[9?10]，將目前常用的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)分為3 類：降水型、土壤型和作物型。第1類如條件降雨指數(shù)（Precipitation Condition Index，PCI）、標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)（Standardized Precipitation Index，SPI）、TRMM-Z 指數(shù)等，主要基于TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）等衛(wèi)星的星載測(cè)雨雷達(dá)降水產(chǎn)品。第2 類如表觀熱慣量（Apparent Thermal Inertia，ATI）、改進(jìn)型能量指數(shù)（Modified Energy Index，MEI）、垂直干旱指數(shù)（Perpendicular Drought Index，PDI）、改進(jìn)的垂直干旱指數(shù)（Modified Perpendicular Drought Index，MPDI）等。第3 類包括4 個(gè)亞類：其一是作物形態(tài)及綠度類遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)，如條件植被指數(shù)（Vegetation Condition Index，VCI）、距平植被指數(shù)（Anomalies of Vegetation Index，AVI）；其二是作物冠層含水量類遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)，如歸一化差異水分指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）、全球植被水分指數(shù)（Global Vegetation Moisture Index，GVMI）；其三是作物冠層溫度類遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)，如條件溫度指數(shù)（Temperature Condition Index，TCI）、作物缺水指數(shù)（Crop Water Stress Index，CWSI）、歸一化差異溫度指數(shù)（Normalized Difference Temperature Index，NDTI）；其四是作物綜合旱情類遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)，如溫度植被干旱指數(shù)（Temperature Vegetation Drought Index，TVDI）、植被供水指數(shù)（Vegetation Supply Water Index，VSWI）等。

目前尚未有一種指標(biāo)可以直接、精確、完整地表達(dá)農(nóng)業(yè)干旱，各指數(shù)具有不同的時(shí)空適用性。已有學(xué)者對(duì)干旱指數(shù)進(jìn)行了時(shí)空適宜性分析，陳少丹等[11]對(duì)TRMM 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)中進(jìn)行適用性分析，驗(yàn)證了TRMM 數(shù)據(jù)能夠替代站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行干旱的監(jiān)測(cè)與評(píng)估。Du 等[12]基于TRMM數(shù)據(jù)計(jì)算條件降雨指數(shù)（PCI），可用于農(nóng)業(yè)干旱降水量虧缺程度監(jiān)測(cè)。孫麗等[13]利用MODIS 數(shù)據(jù)構(gòu)建溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）和植被供水指數(shù)（VSWI），對(duì)冬小麥主要生長(zhǎng)時(shí)期進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)應(yīng)用，將其與土壤濕度進(jìn)行相關(guān)分析，指出TVDI 比VSWI 更能體現(xiàn)區(qū)域旱情變化趨勢(shì)。李菁等[14]采用改進(jìn)型能量指數(shù)(MEI)、垂直干旱植被指數(shù)（PDI）以及地表含水量指數(shù)（SWCI）對(duì)陜北地區(qū)進(jìn)行土壤濕度反演，表明3 種指數(shù)均能及時(shí)、準(zhǔn)確得到大范圍的土壤含水量情況及旱情。童德明等[7]用月尺度的干旱嚴(yán)重程度指數(shù)（Drought Severity Index，DSI）、歸一化干旱指數(shù)（Normalized Difference Drought Index，NDDI）、TVDI 分別與SPI、土壤相對(duì)濕度（Relative Soil Moisture，RSM）進(jìn)行相關(guān)分析，表明DSI 對(duì)山東干旱遙感監(jiān)測(cè)有較好的適用性。宋揚(yáng)等[15]以遼西北為研究區(qū)，分析了ATI、AVI、VSWI 3 種指數(shù)在春玉米生長(zhǎng)前期、生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)后期監(jiān)測(cè)干旱的可行性和有效性。李華朋等[16]以東北松嫩平原為研究區(qū)，合成6?9月單月的MODIS 數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）為農(nóng)業(yè)干旱敏感性的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比植被綠度指數(shù)和植被水分指數(shù)在農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)上的敏感性。鄭有飛等[17]利用回歸擬合方法，以不同深度（10、20、50cm）的土壤相對(duì)濕度（RSM）為基準(zhǔn)，討論了ATI、VSWI和能量指數(shù)等3個(gè)指數(shù)在黑龍江干旱監(jiān)測(cè)中的適應(yīng)性，提出能量指數(shù)法的監(jiān)測(cè)效果明顯優(yōu)于熱慣量法和植被供水指數(shù)法。這些研究大多選擇幾種指數(shù)以月為時(shí)間尺度，以旬或更小時(shí)間尺度分類系統(tǒng)地進(jìn)行東北全區(qū)適應(yīng)性分析的研究較少。時(shí)間尺度越小，其所反映的干旱狀況越精細(xì)[10]，關(guān)鍵生育階段發(fā)生短時(shí)干旱也可能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大影響，有時(shí)須有更高時(shí)間精度的遙感指數(shù)作支撐[18]。而大空間尺度下由于氣候條件、土壤類型、作物種植方式以及地形地貌等因素存在較大差別，導(dǎo)致不同指數(shù)的適應(yīng)性在不同時(shí)空范圍可能發(fā)生變化。東北地區(qū)是中國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，主要農(nóng)產(chǎn)品在全國(guó)占有重要地位，干旱和洪澇是影響東北地區(qū)糧食生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害[19]。針對(duì)不同作物生長(zhǎng)階段選取適宜的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，對(duì)于及時(shí)、準(zhǔn)確地評(píng)估干旱對(duì)該地區(qū)作物生長(zhǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)合理水資源調(diào)度和制定有效抗旱減災(zāi)措施都具有重要意義。安雪麗等[20]分析土壤濕度與農(nóng)氣災(zāi)情數(shù)據(jù)及產(chǎn)量數(shù)據(jù)的關(guān)系，表明RSM 在東北地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)中具有較好的監(jiān)測(cè)能力。李阿倫等[21]分析了不同深度土層含水量，表明20cm 土層含水量較其它土層穩(wěn)定，更適合作為土壤墑情的預(yù)測(cè)指標(biāo)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2009年黑龍江、吉林、遼寧三省受旱面積比分別為40.17%、48.06%、53.18%。本研究以東北三省為研究區(qū)，以20cm 土壤相對(duì)濕度（RSM）為參考指標(biāo)，8d 為時(shí)間尺度，在區(qū)域尺度上分析比較2009年多種農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)在作物生長(zhǎng)季內(nèi)的表現(xiàn)，旨在更直觀地為農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)的選取，并構(gòu)建科學(xué)合理的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取東北三省為研究區(qū)（圖1），平均海拔50～200m，地面起伏平緩，土層深厚。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季溫和濕潤(rùn)，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，無(wú)霜期100～200d，年降水量為400～800mm，≥10℃年積溫為1300～3700℃·d，年日照時(shí)數(shù)為2300～3000h，基本能滿足春玉米、大豆、水稻、小麥等多種作物的生長(zhǎng)需要。東北地區(qū)地處中高緯度，降水時(shí)空分布不均，年際變率較大，熱量資源空間變異性大，氣候從濕潤(rùn)區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)過(guò)渡到半干旱區(qū)，農(nóng)業(yè)區(qū)劃上從農(nóng)林區(qū)、農(nóng)耕區(qū)過(guò)渡到半農(nóng)半牧區(qū)，是氣象災(zāi)害頻繁且嚴(yán)重的地區(qū)之一。

圖1 東北三省農(nóng)氣站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of 53 argo-meteorological stations in Northeast China

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

遙感數(shù)據(jù)包括中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）的有關(guān)產(chǎn)品，如MOD11A2（晝夜地表溫度）、MOD09A1（地表反射率）和MOD16A2（地表蒸散發(fā)）以及TRMM 降水產(chǎn)品3B42（降水量）。上述數(shù)據(jù)來(lái)源于Google Earth Engine 云平臺(tái)，其中，使用的MOD16A2產(chǎn)品數(shù)據(jù)時(shí)間為 2009年，其它數(shù)據(jù)時(shí)間均為2000?2019年。根據(jù)質(zhì)量評(píng)估文件對(duì)相應(yīng)的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，當(dāng)某像素的值無(wú)效時(shí)不參與干旱指數(shù)的計(jì)算。采用的MODIS 數(shù)據(jù)均為8d 時(shí)間尺度，3B42 數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為3h，對(duì)其進(jìn)行時(shí)間尺度轉(zhuǎn)換，得到8d 時(shí)間尺度的累積降水量。將MOD09A1和3B42 數(shù)據(jù)重采樣為1km×1km，與MOD11A2、MOD16A2 空間分辨率統(tǒng)一。

地面驗(yàn)證數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://cdc.cma.gov.cn）的《中國(guó)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集》，具體為2009年5?9月53 個(gè)農(nóng)氣站點(diǎn)（圖1）每旬20cm RSM 數(shù)據(jù)。由于RSM 數(shù)據(jù)在每月8、18、28日測(cè)得，為減少時(shí)間不匹配帶來(lái)的不確定性，如6月中旬和7月下旬RSM獲取時(shí)間是8d 遙感數(shù)據(jù)的起始時(shí)間，不能表征遙感數(shù)據(jù)時(shí)段的總體狀態(tài)，所以不參與相關(guān)分析，選用農(nóng)作物主要生長(zhǎng)季（5?9月）內(nèi)13 組數(shù)據(jù)（表1）。將生長(zhǎng)季分為生長(zhǎng)季前期（5月）、中期（6、7 和8月）和后期（9月）三個(gè)階段。

表1 2009年作物生長(zhǎng)季各組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)間（53 個(gè)農(nóng)氣站）Table 1 Corresponding time to each group of data during growing season in 2009 (53 stations)

1.3 農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)

1.3.1 指標(biāo)分類

以典型干旱年2009年為例，分析降水型、土壤型、作物型3 個(gè)類別10 種農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)在東北地區(qū)作物生長(zhǎng)季8d 尺度上的適用性，指標(biāo)類別劃分如表2所示。

表2 農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)及使用數(shù)據(jù)源Table 2 Data source of remote sensing indices for monitoring agricultural drought

1.3.2 指數(shù)計(jì)算

（1）降水型干旱指數(shù)

包括條件降水指數(shù)（PCI）和累積條件降水指數(shù)（APCI），具體算法為

式中，P 表示2009年一定時(shí)段內(nèi)（8d）的降水量（mm），Pmax、Pmin分別為2000?2019年同期降水量最大值（mm）、最小值（mm），k 為當(dāng)前期數(shù)，k?1 表示上一期，以此類推；a0、a1、…、an表示權(quán)重系數(shù)，PCIk、PCIk?1、PCIk?n分別為當(dāng)前期、當(dāng)前期往前追溯1 個(gè)時(shí)間尺度和當(dāng)前期往前追溯n 個(gè)時(shí)間尺度條件降水指數(shù)。指數(shù)值越小，表明越干旱。降水短缺造成的影響具有累積性[22]，參照已有研究[23]，考慮當(dāng)前期和前3 期共32d 的降水量[24]，采用權(quán)重遞減的思路計(jì)算APCI，即假定當(dāng)前期的降水短缺對(duì)目前的干旱情況貢獻(xiàn)最大，隨著時(shí)間前移，過(guò)去的降水狀況對(duì)當(dāng)前干旱的影響隨著時(shí)間距離遞減。a0表示當(dāng)前期的權(quán)重系數(shù)，取4/10，a1表示往前追溯1 個(gè)時(shí)間尺度的權(quán)重系數(shù)，取3/10，以此類推，各個(gè)權(quán)重系數(shù)4/10、3/10、2/10、1/10 的總和為1。PCI、APCI 越小，表明干旱越嚴(yán)重，RSM 值越小。

（2）土壤型干旱指數(shù)

包括表觀熱慣量（ATI）和改進(jìn)型能量指數(shù)（MEI），具體算法為

式中，A、ΔT 分別表示反照率及晝夜地表溫差，ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、ρ5、ρ7分別表示MODIS 對(duì)應(yīng)波段（Red、NIR、Blue、Green、TIR、SWIR）的地表反射率，LST 表示地表溫度。ATI、MEI 越小，表明干旱越嚴(yán)重，RSM 值越低。

（3）作物型干旱指數(shù)

包括條件植被指數(shù)（VCI）、歸一化差異水分指數(shù)（NDWI）、條件溫度指數(shù)（TCI）、作物缺水指數(shù)（CWSI）、累積作物缺水指數(shù)（ACWSI）和溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）。具體算法為

式中， ρred、ρblue、ρnir、ρmir分別為Red、Blue、NIR、MIR 波段的反射率，EVI、EVImin、EVImax分別表示增強(qiáng)型植被指數(shù)（Enhanced Vegetation Index，EVI）及多年同期EVI 的最小值和最大值，TC、TCmin、TCmax分別表示地表溫度及多年同期的最小值和最大值；ET、PET 分別為地表實(shí)際蒸散和潛在蒸散；TCmax_EVI為特定EVI 對(duì)應(yīng)的最高冠層溫度（干邊），TCmin_EVI表示特定EVI 對(duì)應(yīng)的最低冠層溫度（濕邊），a、b、c、d 為干邊、濕邊的擬合系數(shù)?？梢圆捎玫乇頊囟却婀趯訙囟取為當(dāng)前期數(shù)，k-1 表示上一期，以此類推；a0、a1、…、an表示權(quán)重系數(shù)，CWSIk、CWSIk-1、CWSIk-n分別為當(dāng)前期、當(dāng)前期往前追溯1 個(gè)時(shí)間尺度和當(dāng)前期往前追溯n個(gè)時(shí)間尺度作物缺水指數(shù)。參照APCI的計(jì)算方法，考慮了作物前期缺水的影響，利用32d 的CWSI，采用權(quán)重遞減的思路計(jì)算累積作物缺水指數(shù)ACWSI。VCI、NDWI、TCI 值越小，則干旱越嚴(yán)重。CWSI、ACWSI、TVDI 值越大，干旱越嚴(yán)重。

1.3.3 指數(shù)適用性驗(yàn)證

土壤相對(duì)濕度（RSM）是土壤質(zhì)量含水量與田間持水量的比值，參照已有研究，采用相關(guān)分析，結(jié)合同期農(nóng)氣站點(diǎn)實(shí)測(cè)得到的RSM 數(shù)據(jù)，分析降水型、土壤型及作物型農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)在東北地區(qū)適用性。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水型農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)的表現(xiàn)

利用降水量數(shù)據(jù)計(jì)算得到生長(zhǎng)季PCI 和APCI，以農(nóng)氣站點(diǎn)建平（JP）為例，將兩個(gè)指數(shù)分別與實(shí)測(cè)RSM 對(duì)比分析。由圖2可以看出，PCI 與RSM 在7月上旬等某些時(shí)段一致性較好，6月上旬等時(shí)段則表現(xiàn)出明顯不同的趨勢(shì)，而考慮累積效應(yīng)的APCI 指數(shù)與RSM 變化趨勢(shì)一致性總體較好。該站點(diǎn)5月上旬降水豐沛，中、下旬降水極端偏少，對(duì)應(yīng)的RSM 降低，但波動(dòng)較小，表明生長(zhǎng)季前期PCI 能反映氣象干旱發(fā)生過(guò)程，但RSM 對(duì)相應(yīng)時(shí)段的降水減少不敏感（圖2a）。APCI 表現(xiàn)出與PCI 類似特征，但考慮了32d 累積降水量的APCI 在一定程度上平滑了近期降水影響程度，因此，變化趨勢(shì)較PCI 緩和，總體上與RSM 變化特征一致，尤其在生長(zhǎng)季的中后期更為明顯（圖2b）。

圖2 降水型指標(biāo)PCI 和APCI 與實(shí)測(cè)20cm 土壤相對(duì)濕度（20cm RSM）時(shí)序變化Fig.2 Variation of time series of PCI/APCI (precipitation-based indicators) and measured relative soil moisture at 20cm depth(20cm RSM)

將兩個(gè)指數(shù)與RSM 的相關(guān)性進(jìn)行對(duì)比分析（圖3）。生長(zhǎng)季內(nèi)PCI、APCI 兩個(gè)指數(shù)與RSM 相關(guān)系數(shù)r 的均值分別為0.19、0.36，均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，而考慮前期降水影響的APCI 較僅考慮當(dāng)前降水的PCI 與RSM 相關(guān)性更高，可以認(rèn)為APCI 更能反映土壤濕度狀況。相比中后期，兩個(gè)指數(shù)在生長(zhǎng)季前期與RSM 的相關(guān)性偏低，這是由于東北地區(qū)春季土壤濕度主要受前5～6 個(gè)月尺度大氣水分的影響[25]，且春季降水總量較低，即使較常年降水偏少，其影響程度也非常有限，因此該階段短時(shí)降水對(duì)土壤濕度總體影響較小。6月PCI 與RSM 相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)不高，表明該時(shí)段土壤濕度受前期降水影響仍較大。生長(zhǎng)季中期，PCI、APCI 與RSM 相關(guān)系數(shù)均值分別為0.25、0.41；生長(zhǎng)季后期，PCI、APCI 與RSM 相關(guān)系數(shù)均值分別為0.15、0.37?？傮w上，生長(zhǎng)季中期PCI、APCI 與RSM 相關(guān)系數(shù)較高，生長(zhǎng)季后期次之，生長(zhǎng)季前期最低。

圖3 降水型指標(biāo)PCI 和APCI 與20cm 土壤相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)（n=53）Fig.3 Correlation coefficients (r) between PCI/APCI index and 20cm RSM (n=53)

研究發(fā)現(xiàn)，由于PCI 僅考慮短時(shí)降水條件，在干旱監(jiān)測(cè)時(shí)存在一定的不確定性，如2009年7月上旬吉林、黑龍江兩省降水偏少50%，但截至6月下旬兩省大部分地區(qū)較常年降水偏多80%以上，在前期土壤墑情較好的前提下，氣象條件的濕干急轉(zhuǎn)使短時(shí)降水型干旱指數(shù)PCI 與RSM 相關(guān)性降低。

2.2 土壤型農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)的表現(xiàn)

以5月中旬、8月上旬和9月中旬分別代表生長(zhǎng)季前期、中期和后期，同時(shí)選取有代表性的部分地面樣點(diǎn)，對(duì)ATI、MEI 與實(shí)測(cè)土壤相對(duì)濕度（RSM）進(jìn)行對(duì)比分析（圖4）。生長(zhǎng)季前期，ATI 與RSM 變化趨勢(shì)更為一致（圖4a、圖4b）；生長(zhǎng)季中期，MEI與RSM 變化趨勢(shì)更為一致，對(duì)RSM 變化更為敏感（圖4c、圖4d）；生長(zhǎng)季后期，兩個(gè)指數(shù)與RSM 趨勢(shì)一致程度基本相當(dāng)，總體表現(xiàn)較好（圖4e、圖4f）。

圖4 10 個(gè)代表站生長(zhǎng)季前期（5月中旬）、中期（8月上旬）和后期（9月中旬）土壤型指標(biāo)ATI 和MEI 與20cm 土壤相對(duì)濕度的對(duì)比Fig.4 Contrast of ATI/MEI (soil-based indicators) and 20cm RSM during early stage (M-May),middle stage (E-Aug.) and late stage (M-Sep.) of the growing season at 10 representative stations

將兩個(gè)指數(shù)與RSM 的相關(guān)性進(jìn)行對(duì)比分析（圖5）。結(jié)果表明，生長(zhǎng)季前期，ATI 與RSM 有更好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r 在0.39 以上；但在地表植被覆蓋較高的生長(zhǎng)季中期相關(guān)性低，與前人研究結(jié)論一致[15]，此時(shí)MEI 與RSM 相關(guān)性較高，大多相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.40 以上；生長(zhǎng)季后期，ATI、MEI 與RSM 的相關(guān)性均表現(xiàn)較好，相關(guān)系數(shù)在0.38 以上。ATI 計(jì)算需要用到晴空狀態(tài)下晝夜溫差ΔT，7月中旬進(jìn)行去云、質(zhì)量控制等處理后有效數(shù)據(jù)較少，不參與計(jì)算。因研究區(qū)5月氣溫較常年偏高，特別是黑龍江省大部分地區(qū)氣溫為1951年以來(lái)歷史同期最高值，受氣溫等環(huán)境因素影響，地表溫度異常偏高，導(dǎo)致MEI 對(duì)20cm 土壤濕度的敏感性降低。

圖5 土壤型指標(biāo)ATI 和MEI 與20cm 土壤相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)（n=30）Fig.5 Correlation coefficients (r) between ATI/MEI index and 20cm RSM (n=30)

2.3 作物型農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)的表現(xiàn)

利用反射率、陸表溫度等數(shù)據(jù)計(jì)算得到2009年生長(zhǎng)季VCI、NDWI、TCI、CWSI、ACWSI 和TVDI共6 個(gè)指數(shù)。以5月中旬、8月上旬和9月中旬分別代表生長(zhǎng)季前期、中期和后期，選取有代表性的作物型干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)與部分地面樣點(diǎn)實(shí)測(cè)RSM 對(duì)比分析（圖6）。由圖可見(jiàn)，RSM 變化趨勢(shì)與TCI 的變化趨勢(shì)一致性較好（圖6a），與VCI（圖6e）、NDWI（（圖6f））變化趨勢(shì)基本一致，與ACWSI（圖6b）、TVDI（圖6c）、CWSI（圖6d）變化趨勢(shì)相反，該結(jié)果符合各指數(shù)理論預(yù)期。

圖6 10 個(gè)代表站生長(zhǎng)季前期（5月中旬）、中期（8月上旬）和后期（9月中旬）作物型指標(biāo)與20cm 土壤相對(duì)濕度的對(duì)比Fig.6 Contrast of Crop-based indicators and 20cm RSM during early stage (M-May),middle stage(E-Aug.) and late stage(M-Sep.) of the growing season at 10 representative stations

為方便比較各作物型干旱指數(shù)，取相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值|r|進(jìn)行對(duì)比分析。由圖7可以看出，整個(gè)生長(zhǎng)季NDWI、VCI 等冠層含水量類干旱指數(shù)、作物形態(tài)及綠度類干旱指數(shù)與同期RSM 的相關(guān)性均較低，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值在0.4 以下，對(duì)當(dāng)前土壤濕度反映不敏感。TCI 等冠層溫度類干旱指數(shù)在生長(zhǎng)季內(nèi)與RSM相關(guān)性整體上呈現(xiàn)|rACWSI|＞|rCWSI|＞|rTCI|。TCI 與RSM的相關(guān)性高時(shí)可達(dá)0.5 以上，低時(shí)小于0.1，波動(dòng)性較大，主要由于該指數(shù)易受其它非干旱脅迫因素的影響[9]，在生長(zhǎng)季后期總體表現(xiàn)較好。在生長(zhǎng)季前期和后期，考慮32d 累積蒸散的ACWSI 與RSM 相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值在0.47 以上，明顯好于CWSI，但7月初?8月上旬表現(xiàn)不如CWSI，表明在作物需水關(guān)鍵期，短時(shí)蒸散指數(shù)更易于反映土壤濕度狀況，過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的蒸散累積會(huì)降低其對(duì)土壤濕度變化的敏感性。綜合考慮冠層溫度和植被指數(shù)的TVDI 在生長(zhǎng)季中期與RSM 具有較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值|r|大多在0.5 以上，在生長(zhǎng)季后期相關(guān)性有所下降，但|r|仍大于0.42，在生長(zhǎng)季前期相關(guān)性較低，|r|低于0.3，總體上，該指數(shù)在生長(zhǎng)季內(nèi)大部分時(shí)段對(duì)土壤濕度變化較為敏感。

圖7 作物型農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)與20cm 土壤相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)（n=42）Fig.7 Correlation coefficients (r) between the six crop-based indicators and 20cm RSM (n=42)

3 結(jié)論與討論

在東北地區(qū)的典型干旱年份，按生長(zhǎng)階段來(lái)看，生長(zhǎng)季前期，基于蒸散發(fā)的ACWSI 與RSM 的相關(guān)系數(shù)在0.47 以上，表現(xiàn)較好，表觀熱慣量ATI 和改進(jìn)型能量指數(shù)MEI 次之，可根據(jù)數(shù)據(jù)的獲取情況選取應(yīng)用；生長(zhǎng)季中、后期，溫度植被干旱指數(shù)TVDI與RSM 相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大多在0.5 左右，對(duì)土壤濕度變化較為敏感，可用于該生長(zhǎng)階段的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)；ACWSI 在生長(zhǎng)季后期表現(xiàn)良好，可以作為該階段的監(jiān)測(cè)指數(shù)?？紤]到生長(zhǎng)季中、后期云雨相對(duì)較多，實(shí)際監(jiān)測(cè)中常遇到數(shù)據(jù)缺失的情況，因此，結(jié)合前期累積降水的降水型遙感干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)可以作為輔助監(jiān)測(cè)手段。VCI 等植被形態(tài)及綠度類干旱指數(shù)、NDWI 等作物冠層含水量類指數(shù)與RSM 相關(guān)性較低，不適于研究區(qū)內(nèi)短時(shí)間尺度的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)。

按干旱指標(biāo)類型來(lái)看：（1）降水型干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)：APCI 較PCI 更能反映土壤濕度變化趨勢(shì)，但基于累積降水量的APCI 在進(jìn)行短時(shí)間尺度干旱監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)注意累積效應(yīng)的最佳時(shí)間尺度；（2）土壤型干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)：ATI 在生長(zhǎng)季前期和后期表現(xiàn)較好，這與宋揚(yáng)等[15]研究結(jié)論一致，該指數(shù)適用于生長(zhǎng)季后期，認(rèn)為是由于作物進(jìn)入成熟階段，植被指數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)，同時(shí)，該區(qū)域晝夜溫差明顯增大，一定程度上削弱了植被覆蓋條件對(duì)地表溫度的影響，地表溫度晝夜溫差逐漸成為反映土壤濕度變化的主導(dǎo)因子；MEI 與RSM 的相關(guān)系數(shù)在0.4 左右，適用于各種植被覆蓋條件下的土壤濕度監(jiān)測(cè)，這與鄭友飛等研究結(jié)論一致[17]，但在生長(zhǎng)季前期該指數(shù)表現(xiàn)不如預(yù)期[14]，主要是易受氣溫等環(huán)境因素影響，應(yīng)用時(shí)需注意；（3）作物型干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)：綜合考慮植被和溫度的干旱指數(shù)TVDI 能夠反映土壤濕度，與Song 等[26]等研究結(jié)論一致，在該類干旱指數(shù)中優(yōu)勢(shì)明顯；CWSI 在作物需水關(guān)鍵期進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)時(shí)表現(xiàn)優(yōu)于ACWSI，其它時(shí)段不如后者，但后者在進(jìn)行短時(shí)間尺度干旱監(jiān)測(cè)時(shí)也應(yīng)注意累積效應(yīng)的最佳時(shí)間尺度；TCI 在2009年生長(zhǎng)季后期表現(xiàn)好于前期，總體上易受其它非干旱脅迫因素影響[9]，穩(wěn)定性不如TVDI；基于8d 尺度的VCI 及NDWI 指數(shù)對(duì)干旱影響的表現(xiàn)存在一定滯后性，另外，其它因素如土壤鹽漬化、病蟲(chóng)害等會(huì)影響作物正常生長(zhǎng)[27]，從而造成指數(shù)異常變化，引起干旱監(jiān)測(cè)評(píng)估偏差，因此，認(rèn)為該類指數(shù)宜結(jié)合能反映短時(shí)干旱脅迫類指標(biāo)使用。

本研究以東北地區(qū)典型干旱年份2009年為例進(jìn)行了農(nóng)業(yè)干旱多種遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)的適用性分析闡述，由于所用地面數(shù)據(jù)為單日觀測(cè)結(jié)果，遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)為8d 合成結(jié)果，雖然對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制，對(duì)極端不匹配情況進(jìn)行了剔除，但仍存在多要素時(shí)空尺度匹配上的偏差，一定程度上影響了遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)與RSM 的相關(guān)性評(píng)估。后續(xù)將運(yùn)用多年數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析與驗(yàn)證，并針對(duì)降水和蒸散發(fā)的累積效應(yīng)開(kāi)展更深入的研究。