基于GIS和GS的黑龍江省生態(tài)質(zhì)量氣象評價

王 利，于成龍

（1.漠河縣氣象局，黑龍江 漠河 165300；2.黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱150030）

基于GIS和GS的黑龍江省生態(tài)質(zhì)量氣象評價

王 利1，于成龍2

（1.漠河縣氣象局，黑龍江 漠河 165300；2.黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱150030）

利用黑龍江省2009年氣象數(shù)據(jù)、EOS/MODIS遙感資料、全省DEM數(shù)據(jù)及相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，基于GS和GIS技術(shù)，從氣象對生態(tài)質(zhì)量影響的角度出發(fā)，對黑龍江省2009年的生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，以期為黑龍江省生態(tài)監(jiān)測的全面開展和生態(tài)評估系統(tǒng)的建立提供一定的技術(shù)方法和理論參考。結(jié)果如下：2009年黑龍江省大部分縣（市）的濕潤指數(shù)在1及1以上；年平均植被覆蓋度在20%～40%之間；水體密度較低，大部分縣（市）的水體密度低于0.01；有67.50%的縣（市）發(fā)生了不同種類、程度的氣象災(zāi)害，其中旱災(zāi)的影響范圍最廣；土壤侵蝕強(qiáng)度以微度為主，占全省土地面積的89.07%。綜合分析得出，黑龍江省2009年度生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)在16～66之間，其中25.00%的市（縣）生態(tài)質(zhì)量表現(xiàn)為較差，62.50%的市（縣）生態(tài)質(zhì)量表現(xiàn)為一般，12.50%的市（縣）生態(tài)質(zhì)量表現(xiàn)為良。

GIS；黑龍江省；生態(tài)質(zhì)量氣象評價

1 引言

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的基本條件，是經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展的基礎(chǔ)[1]，許多學(xué)者[2-4]通過不同途徑，利用多種手段，從各個角度研究人類所面臨的生態(tài)環(huán)境問題，生態(tài)質(zhì)量評價的方法很多，例如Andrew等人[5]利用傳統(tǒng)氣象模型，分析氣候變化和人類活動對河流生態(tài)質(zhì)量的影響；國慶喜等[6]根據(jù)景觀分類圖、各景觀類型的屬性數(shù)據(jù)庫及1997年186個樣地系統(tǒng)空間抽樣數(shù)據(jù)，建立2個層次的生態(tài)評價指標(biāo)體系，對保護(hù)區(qū)進(jìn)行生態(tài)質(zhì)量評價；肖榮波等[7]利用3S技術(shù)對城市綠地生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測、對綠地景觀格局及其動態(tài)進(jìn)行分析等研究。但基于生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、可持續(xù)發(fā)展等理論體系上的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價尚不成熟，至今尚沒有一種完善、成熟并能得到廣泛推廣應(yīng)用的評價方法。本研究所涉及的生態(tài)質(zhì)量氣象評價是從氣象對生態(tài)質(zhì)量影響的角度選定指標(biāo)體系和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄔu價某一區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的優(yōu)劣及其相互影響，從氣象角度對區(qū)域生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行評價，近年來，一些研究者在該領(lǐng)域開展研究，取得了一些成果[8，9]，雖然研究方向相近，但研究方法和評價指標(biāo)各異。

本研究基于GIS和GS技術(shù)，參照中國氣象局《生態(tài)質(zhì)量氣象評價規(guī)范（試行）》中的計算方法和評價指標(biāo)，利用黑龍江省各氣象站觀測資料、EOS/MODIS遙感監(jiān)測資料、全省DEM數(shù)據(jù)及相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從濕潤狀況、植被狀況、水體密度、災(zāi)害情況、土地退化狀況5個方面，以2009年為例，對該省生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行綜合的氣象評價。以期為黑龍江省生態(tài)監(jiān)測的全面開展和生態(tài)評估系統(tǒng)的建立提供較為科學(xué)的技術(shù)方法和理論參考。

2 研究區(qū)域概況

黑龍江省位于中國的東北部，介于 121°11′～135°05′E，43°26′～53°33′N 之間，全省土地面積 47.4 萬 km2，占全國總面積的4.7%，地勢大致是西北部、北部和東南部高，東北部、西南部低，主要由山地、臺地、平原和水面構(gòu)成。該省處于溫帶東亞季風(fēng)區(qū)的北部，雨熱同季，氣溫年較差與日較差變化較大，氣溫緯向變化明顯，隨著緯度增高而氣溫降低，濕度經(jīng)向變化明顯，由東向西遞減，依次出現(xiàn)東部山地濕潤帶、中部丘陵和臺地的半濕潤帶、西部平原的半干旱帶。全省年平均氣溫為-6～4℃，年平均降水量400～600 mm，蒸發(fā)量900～1 900 mm，由南向北遞減，年日照時數(shù)一般在2 300～2 800 h。

3 研究方法

3.1 濕潤指數(shù)

濕潤指數(shù)能較客觀地反映某一地區(qū)的水熱平衡狀況。計算方法如下：

式中，K--濕潤指數(shù)；R--月平均降水量；ET--潛在蒸散量

式中，ETi--月潛在蒸散量 （mm）；di--月天數(shù)；Ui--月平均風(fēng)速（m/s）；WOi--在溫度為 ti時的飽和水氣壓（mmHg）；hi--月平均相對濕度；Pi--月平均氣壓（mb）；ti--月平均氣溫（℃）

當(dāng)K＜1時，表示大氣降水少于植被生理過程需水量；當(dāng)K=1時，表示該區(qū)域大氣降水與植被生理需水達(dá)到平衡；當(dāng)K＞1時，表示大氣降水大于植被生理過程需水量，降水條件不成為生理需水的限制因子。

3.2 植被覆蓋度

植被覆蓋度是生態(tài)狀態(tài)的重要表征之一。通過EOS/MODIS資料計算出的歸一化植被指數(shù)（NDVI）后，再計算植被覆蓋度，公式如下：

式中：N--植被覆蓋指數(shù)，NDVI--歸一化植被指數(shù)，NDVI0--裸地像元NDVI，NDVIS--全植被覆蓋像元的NDVI。

本研究通過計算2009年全省旬NDVI值，尋找全省具有代表性的落地，提取NDVI，然后計算其平均值，即上式的NDVI0=0.20。計算NDVIS的方法是找到全省4～10月NDVI的最大值，即上式的NDVIS=0.90，從而得到黑龍江省的植被覆蓋度計算公式為：

式中：H--單位區(qū)域植被覆蓋度，Ni--像元的植被覆蓋指數(shù)，Si--像元面積，S--單位區(qū)域面積，本研究以行政縣為單位區(qū)域。

3.3 水體密度指數(shù)

水體密度指數(shù)是區(qū)域水體狀況的重要表征之一，是單位區(qū)域水域面積與單位區(qū)域面積之比，其中水域面積包括河流、湖泊、水庫等水體面積。

3.4 土地退化指數(shù)

本研究參照水利部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》SL 190-96，對土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行分級，然后按照下式計算土地退化指數(shù)：

3.5 災(zāi)害指數(shù)

災(zāi)害指數(shù)是指評價區(qū)域內(nèi)遭受氣象災(zāi)害的面積占被評價區(qū)域面積的比重。計算公式為：

3.6 綜合評價指數(shù)

本研究采用生態(tài)綜合評價指標(biāo)來評價生態(tài)質(zhì)量的好壞，根據(jù)評價單元各單項(xiàng)評價指標(biāo)值及各單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重值，采用加權(quán)求和方法計算綜合評價指標(biāo)值，公式如下：

式中：Pi--i區(qū)域的生態(tài)綜合評價指數(shù)，Wi--i區(qū)域第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值，Yij--i區(qū)域第j項(xiàng)指標(biāo)值。

4 結(jié)果與分析

4.1 濕潤狀況

根據(jù)黑龍江省80個氣象測站的氣象觀測資料分析，2009年全省平均氣溫為2.35℃，較常年低0.62℃；降水量為511.31 mm，與常年相比基本持平；無霜期平均148 d，與常年相比基本持平；≥10℃積溫為2 650.14℃，較常年低39.73℃。從分布上看，2009年平均氣溫普遍偏低，除饒河、雞東、綏棱、青崗的年平均氣溫比常年高0.03～0.37℃外，全省其他大部分地區(qū)的年平均氣溫比常年同期低0.01～3.40℃，其中黑河、呼瑪?shù)哪昶骄鶜鉁乇瘸Ｄ晖诘?℃以上。2009年降水分布不均，全省66.23%的縣（市）的年降水量低于常年，其中五常縣的年降水量偏低243.80 mm，哈爾濱市大部、牡丹江地區(qū)大部、肇州、肇東、雞西、杜爾伯特和嫩江的年降水量偏低100 mm以上。

運(yùn)用濕潤指數(shù)綜合評價黑龍江省2009年的濕潤狀況。分析濕潤指數(shù)分布圖（圖1a）可見，全省大部分縣（市）的濕潤指數(shù)在1及1以上，低于1的縣（市）主要分布于全省的南部及西部。說明從全年的角度看，水分未成為全省限制植被生長的不利條件。

4.2 植被覆蓋狀況

本研究利用植被覆蓋度來表征黑龍江省2009年的植被覆蓋狀況（圖1b），分析可見，全省絕大部分縣（市）的年平均植被覆蓋度在20%～40%之間，其中大、小興安嶺及東部山地的植被覆蓋度在30%～40%。而大慶地區(qū)的年平均植被覆蓋度低于20%。

4.3 水體狀況

利用EOS/MODIS衛(wèi)星的250 m分辨率遙感資料獲取2009年全省各市（縣）最大水體面積，后再計算水體密度指數(shù)。從圖1c可見，黑龍江省2008年度各市（縣）水體分布差異較大，只有密山的水體密度指數(shù)＞0.05，哈爾濱市呼蘭區(qū)、嘉蔭、杜爾伯特蒙古族自治縣、大慶、安達(dá)、綏濱、呼蘭等地的水體密度指數(shù)在0.01～0.05之間，其它縣（市）的水體密度低于0.01。

4.4 災(zāi)害狀況

2009年發(fā)生在全省的主要?dú)庀鬄?zāi)害有干旱、暴雨洪澇、冰雹、大風(fēng)、雪災(zāi)和雷擊，其中以旱災(zāi)為重，達(dá)303萬hm2，干旱范圍遍及全省，其中重旱區(qū)分布于齊齊哈爾、大慶、綏化、佳木斯、雙鴨山地區(qū)及哈爾濱、伊春部分縣（市），發(fā)生時間主要在5月份。

從災(zāi)害指數(shù)分布圖上看（圖1d），全省有67.50%的縣（市）發(fā)生了不同種類、程度的氣象災(zāi)害，主要分布于該省的西部、中部及東部。從災(zāi)害程度看，饒河縣和集賢縣的災(zāi)害指數(shù)較高，原因是饒河縣在5月份全縣發(fā)生了重旱，在7月18日又發(fā)生的洪澇災(zāi)害，受災(zāi)面積達(dá)39 733.4 hm2；集賢縣的災(zāi)害主要是5月份發(fā)生全縣范圍的重旱。

4.5 土地退化

利用土壤水力侵蝕強(qiáng)度來表征黑龍江省2009年的土地退化狀況。圖1e為利用2009年全年平均植被覆蓋度和地形數(shù)據(jù)，依據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》的分級方法，對該年全省的土地水力侵蝕進(jìn)行從微度侵蝕到強(qiáng)度侵蝕的分級，圖中可見，全省存在4個級別的土壤水力侵蝕強(qiáng)度，以微度為主，占全省土地面積的89.07%；其次是輕度侵蝕，占10.61%；中度和重度侵蝕較少，只占0.32%。

圖1 綜合評價模型的各指數(shù)空間分布

以縣為單位計算土地退化指數(shù)，見圖1f。分析可見，全省主要林區(qū)，即大興安嶺、小興安嶺東部、東部山地的土地退化指數(shù)普遍高于平原地區(qū)，原因是山地的坡度較大，即使常年有植被覆蓋，但年平均植被覆蓋度與平原地區(qū)相差不大，因此山區(qū)的土地退化指數(shù)較平原高。

4.6 生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)

采用生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)來評價2009度黑龍江省生態(tài)質(zhì)量，并根據(jù)生態(tài)質(zhì)量評價分級標(biāo)準(zhǔn)（見表1）進(jìn)行分級。結(jié)果可見圖2，2009年全省生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)在16-66之間，其中鶴崗、林口、塔河、密山、海林、漠河、伊春、嘉蔭、呼瑪、鐵力的生態(tài)質(zhì)量為良好，占全省參加評價市 （縣）數(shù)量的12.50%；有25.00%的市（縣）生態(tài)質(zhì)量為較差，主要分布在全省的西部地區(qū)；其它62.50%的市（縣）生態(tài)質(zhì)量為一般。

圖2 2009年度黑龍江省生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)分布圖

表1 生態(tài)質(zhì)量評價分級標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)論

針對目前生態(tài)質(zhì)量評價尚無一種完善、成熟的方法，考慮到影響生態(tài)質(zhì)量的因素多為氣象因子，本研究從氣象對生態(tài)質(zhì)量影響的角度出發(fā)，參照中國氣象局《生態(tài)質(zhì)量氣象評價規(guī)范》中的計算方法和評價指標(biāo)，從濕潤狀況、植被狀況、水體密度、災(zāi)害情況、土地退化狀況5個方面，對黑龍江省2009年的生態(tài)質(zhì)量作綜合評價，結(jié)論如下：

從濕潤狀況看，2009年黑龍江省平均氣溫為2.35℃，較常年低0.62℃；降水量為511.31 mm，與常年相比基本持平；≥10℃積溫為2 650.14℃，較常年低39.73℃；全省大部分縣（市）的濕潤指數(shù)在1及1以上，低于1的縣（市）主要分布于我省的南部及西部，從全年的角度看，水分未成為我省限制植被生長的不利條件。

從植被狀況看，全省絕大部分縣（市）的年平均植被覆蓋度在20%～40%之間，其中林區(qū)的植被覆蓋度大于農(nóng)區(qū)和牧區(qū)。

從水體密度角度看，黑龍江省水體密度較低，大部分縣（市）的水體密度低于0.01，只有密山的水體密度指數(shù)＞0.05，哈爾濱市呼蘭區(qū)、嘉蔭、杜爾伯特蒙古族自治縣、大慶、安達(dá)、綏濱、呼蘭等地的水體密度指數(shù)在0.01～0.05之間。

從氣象災(zāi)害角度看，2009年全省災(zāi)害有干旱、暴雨洪澇、冰雹、大風(fēng)、雪災(zāi)和雷擊，全省有67.50%的縣（市）發(fā)生了不同種類、程度的氣象災(zāi)害，主要分布于該省的西部、中部及東部，其中旱災(zāi)的影響范圍最廣。

從土地退化角度看，全省土壤侵蝕強(qiáng)度以微度為主，占全省土地面積的89.07%。

綜合分析得出，黑龍江省2009年度生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)在16～66之間，其中25.00%的市（縣）生態(tài)質(zhì)量表現(xiàn)為較差，62.50%的市（縣）生態(tài)質(zhì)量表現(xiàn)為一般，12.50%的市（縣）生態(tài)質(zhì)量表現(xiàn)為良。

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S16

A

1002-252X(2010)03-0021-03

2010-6-6

王利（1963-），男，黑龍江省青岡縣人，西南大學(xué)，本科生，工程師.