歸一化植被指數對江蘇省氣溫、降水變化的時空響應特征

徐勇等

摘要：根據2000-2011年江蘇省中分辨率成像光譜儀—歸一化植被指數（MODIS-NDVI）數據和13個氣象站點每日氣溫和降水數據，分析了江蘇省NDVI與氣溫和降水間的相關性，根據4個時滯期（前0-前3月），計算了13個氣象站點NDVI與同期及前期（前1-前3月）氣溫和降水之間的相關系數，并得出相應的時空分布特征和時滯期。研究結果表明：①在整個研究區，NDVI與氣溫和降水均顯著相關，且氣溫影響程度高于降水；②空間上，NDVI對氣溫變化的響應在整個研究區都很顯著，且最大相關系數為蘇南>蘇北>蘇中，而對降水的響應存在較大的差異，NDVI對降水變化響應的最大相關系數為蘇北>蘇中>蘇南；③NDVI在多數地區與當月氣溫變化同步響應，僅吳縣東山NDVI對前1月氣溫變化的響應最為強烈，NDVI對降水變化在整個研究區呈現不同的滯后期，但以滯后1個月為主；④不同時間、研究尺度、氣候區和植被類型等條件下，NDVI對氣溫和降水變化響應的相關性和時間滯后性還需進一步探討。

關鍵詞：江蘇?。恢蟹直媛食上窆庾V儀—歸一化植被指數（MODIS-NDVI）；氣溫；降水；滯后期；相關系數

中圖分類號：Q948.112；P467 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）03-0599-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.023

Characteristics of Spatial and Temporal Response of NDVI to the Variation of Temperature and Precipitation in Jiangsu Province

XU Yong， XI Yan-tao， XU Wei， LIU Xin-ting， YAN Bing-tun

（School of Resources and Geosciences， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221000， Jiangsu， China）

Abstract： The correlation between NDVI and temperature/precipitation was analyzed based on the MODIS-NDVI data and the daily temperature/precipitation data of 13 meteorological stations from 2000 to 2011 in Jiangsu province. According to 4 different time lags （0-3 month lag）， the correlation between the NDVI of 13 meteorological stations and temperature/precipitation in the same and earlier period （1-3 month lag） was calculated. The corresponding spatial and temporal distribution characteristics and time lags were obtained. The results showed that in the studied area， NDVI was significantly correlated with temperature and precipitation. The impact of temperature was more obvious than that of precipitation. Spatially ，the response of NDVI to temperature change was significant in the studied area. The maximum correlation coefficient in Southern Jiangsu was higher than that in Northern Jiangsu and Central Jiangsu. The response to precipitation was quite different. The maximum correlation coefficient of the response of NDVI to precipitation in Northern Jiangsu was higher than that in Central Jiangsu and Southern Jiangsu. In most areas， NDVI responded to the temperature of current month synchronously. Only the NDVI of Wuxian Dongshan responded to the temperature of previous month intensely. The impact of NDVI on precipitation changes had different lags throughout the studied area and mostly lagged one month. Under different times， scale， climate zones or vegetation types， the correlation and time lags between NDVI and temperature/precipitation are still needed to be further discussed.

Key words： Jiangsu province； MODIS-NDVI； temperature； precipitation； time lag； correlation coefficient

植被是陸地生態系統的主體，是土地覆蓋的最主要部分和地理環境的重要組成部分，在陸地表層系統中所占的比例很高，是生物圈的核心和功能部分，其變化對全球及區域能量循環和物質的生物化學循環具有重要的影響[1]。植被指數是描述植被數量、質量、植被長勢和生物量等指標的指示參數[2]。在各類植被指數中，歸一化植被指數（NDVI）能夠較準確地反映植被吸收的光合有效輻射、植被覆蓋度、葉面積指數、生物量和蒸散等[3-6]，常被直接或間接地用于研究植被活動[7-9]。植被的生長與氣溫、降水這兩個氣候條件有著密切的相關性[10-13]。近年來，國內外在NDVI動態變化及其與氣溫、降水間的相互關系方面進行了大量的研究，在植被與氣候因子的相關性研究中，氣溫和降水被認為是影響NDVI的最主要的因素。如崔林麗等[12-15]從不同的時間和空間尺度分析中國東部NDVI與氣溫和降水的相關性，分析表明中國東部NDVI在旬、月和季尺度上與氣溫和降水存在顯著相關，但NDVI對氣溫和降水的響應存在一定的滯后期；李震等[10]對中國西北地區NDVI變化及其與氣溫和降水的關系進行了研究，結果表明，NDVI與降水存在明顯的正相關關系，而與氣溫變化的關系并不明顯，表明降水是影響西北地區植被變化最主要的自然因素；顧婷婷等[16]利用NDVI數據集和鄱陽湖區域87個氣象站點降水數據，對鄱陽湖區域植被和降水的相互響應關系進行分析，結果表明，降水和植被的變化具有很好的空間一致性，且春秋季的降水對植被生長尤為重要。

江蘇屬于溫帶向亞熱帶的過渡性氣候，基本以淮河為界，氣候、土壤和植被類型多樣[17-19]，導致NDVI對降水、氣溫變化在時間和空間上的響應呈現不同的時間尺度和空間分布。江蘇省是我國的經濟大省，又是全國重要的商品糧基地。本研究以中分辨率成像光譜儀—歸一化植被指數（MODIS-NDVI）為數據源，在月時間尺度上分析江蘇省2000-2011年NDVI對于氣溫、降水變化在時間和空間上的響應及最大響應滯后期的時空分布特征，以期為江蘇省的植被動態監測和生態環境保護提供依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

江蘇地處中國東部，介于東經116°18′-121°57′，北緯30°45′-35°20′之間，地理上跨越南北，氣候、植被也同樣同時具有南方和北方的特征。江蘇省地形以平原為主，平原面積7萬多km2，占江蘇省總面積的70%以上，比例居中國各省首位，主要由蘇南平原、蘇中江淮平原、蘇北黃淮平原組成。江蘇省地勢低平，河湖較多，平原、水面所占比例占江蘇省的90%以上。近年來，隨著江蘇省經濟的飛速發展，城市化進程的加快，全省范圍內植被覆蓋率有下降的趨勢，尤其在長江下游地區，城市面積不斷擴大，農作物種植面積不斷減少，該地區已成為全省植被覆蓋率最低的地區。

1.2 數據來源

研究中使用的MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）數據能夠準確地反映植被的變化情況，數據來源于NASA提供的MOD13Q1產品，時間跨度為2000年2月至2011年12月，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，經過了幾何精校正、輻射校正、最大值合成等處理[20]。獲得的MODIS數據經過MRT軟件批處理，提取其中的NDVI數據，在ArcGIS 10.0中以江蘇省行政區劃矢量圖為掩膜裁剪出研究區的NDVI數據。利用最大值合成法（MVC）合成月最大化NDVI數據，并利用Savitzky-Golay濾波法將NDVI值進行降噪處理，保證NDVI數據的可靠性。氣溫和降水數據來源于中國氣象局國家氣象信息中心提供的江蘇13個國家基本/基準氣象站（圖1）1999年10月至2011年12月的日平均氣溫和降水資料，主要包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫和日降水量。

1.3 研究方法

利用地理信息系統軟件ArcGIS 10.0，通過克里金插值方法，將NDVI數據內插生成2000年2月至2011年12月共143個月的NDVI數據，空間分辨率為1 km×1 km。對研究區13個氣象站點從1999年10月至2011年12月共147月的平均氣溫和降水量數據，利用ArcGIS 10.0的克里金插值方法格網化為1 km分辨率的平均氣溫和降水空間數據。

基于逐月NDVI和氣溫、降水空間數據，利用ArcGIS 10.0空間分析模塊生成整個研究區月平均NDVI、氣溫、降水時間序列數據。同時考慮到降水通過土壤滲透、植物根系吸收反映到NDVI上的過程比較緩慢，可能會產生一定的滯后期，故為了排除這一影響，本研究計算2000年2月至2011年12月共143個月各月平均NDVI分別與當月（前0月）、前1月、前2月、前3月的平均氣溫、降水的相關系數。

根據研究區13個氣象站點的位置，利用ArcGIS 10.0獲取各個氣象站點周圍5 km×5 km區域的月NDVI平均值，作為該點月NDVI，構成13個氣象站點143個月的NDVI序列。根據1999年10月至2011年12月平均氣溫和降水數據，求出13個氣象站點各月NDVI與當月（前0月）、前1月、前2月、前3月氣溫、降水的相關系數，分別從4個相關系數中挑選出最大值及其相應的時滯期：

R=max{R0，R1，R2，R3，…，Rn } （1）

式中，R為滯后相關系數，Rn為當月NDVI與前推第n月氣溫、降水的相關系數，若R=Rn，則滯后期為n個月（n=0，1，2，3，…）。利用ArcGIS 10.0繪制成最大相關系數和時滯期空間分布圖，從而進一步了解NDVI對氣溫、降水響應在時間和空間上分布的差異性。

2 結果與分析

2.1 NDVI對氣溫和降水的時間響應特征

2.1.1 各站點NDVI對氣溫和降水的時間響應特征 由表1可以看出，江蘇省13個氣象站點NDVI與氣溫變化響應的相關系數，除吳縣東山與前1月相關性最好外，其余12個站點都與當月氣溫變化相關性最好，且從當月到前3月相關系數逐漸降低，相關性越來越弱。NDVI與當月氣溫變化的相關系數除呂泗為0.39外，其余12個站點相關系數均在0.73以上；NDVI與前1月氣溫變化相關系數除呂泗外其余12個站點均較好，都在0.57到0.89之間，吳縣東山的相關系數最高，為0.89；NDVI與前2月氣溫變化相關系數在呂泗出現了負相關，為-0.12，其余12個站點均為正相關，但相關性相對較弱；NDVI與前3月氣溫變化相關系數在徐州、盱眙、淮安、高郵、東臺、南通、呂泗7站均為負相關，其余6個站點為弱正相關。NDVI總體上同步響應于當月氣溫變化，且均為正相關。

江蘇省13個氣象站點中有3個站點NDVI對降水變化響應與當月相關性最好，有8個站點與前1月的相關性最好，有2個站點與前2月的相關性最好。根據出現最大相關系數的時段差異把氣象站分為3類：贛榆、南京、高郵3個站點當月相關系數最大；徐州、盱眙、淮安、射陽、東臺、南通、呂泗、常州8個站點與前1月相關系數最大；溧陽、吳縣東山2個站點與前2月相關系數最大。贛榆、南京和高郵分別分布在沿海、長江下游和高郵湖流域，區域地表有密集的河網，存儲了豐富的水資源可供植被的生長所需，故對降水量的變化沒有表現出明顯的滯后效應，但徐州、淮安、射陽、東臺和溧陽等屬于內陸城市，沒有發達的河網，植被生長所需的水分基本依靠降水，故這些區域都表現出明顯的滯后效應。NDVI與降水的最大相關系數為0.70。13個站點NDVI與降水的相關系數在當月、前1月、前2月均為正相關，但有著先增強、后減弱的趨勢，隨著時間的推移，相關性越來越弱，在前3月徐州、贛榆、盱眙、淮安、高郵、東臺、呂泗7個站點出現了負相關，但相關性很弱，可能是由于隨著時間的推移前幾月的降水已經蒸發或者滲入地表。NDVI總體上響應前1月的降水變化，且均為正相關，但NDVI與氣溫的相關性優于與降水的相關性。

2.1.2 江蘇省NDVI對氣溫和降水的時間響應特征 由圖2可以看出，2000年2月至2011年12月，江蘇省月平均NDVI與月平均氣溫、月平均降水表現出基本一致的變化形態，都是在夏季較高，冬季較低。在過去的143個月間，NDVI在2002年8月最高，達到0.62，而2010年1月和2011年1月最低，為0.22；月平均氣溫在2010年8月最高，達到29.0 ℃，而在2011年2月最低，為-0.8 ℃；月降水量在2003年7月最多，達到365.9 mm，而在2010年11月最低，僅為26.0 mm。NDVI以8月最高，但7-9月NDVI都在0.50以上，1、2、12月NDVI值大部分低于0.30，在5-7月期間，NDVI呈現出一個明顯的波谷，原因是江蘇省是全國著名的商品糧基地，作物主要有小麥和水稻，5-6月正值春作物和夏作物換茬，帶來一個短時間內NDVI下降又上升的過程；月平均氣溫在7、8月最高，且都在26.3 ℃以上，1月最低，且均在5 ℃以下；降水量在7、8月最多，基本都在150.0 mm以上，在12月至下一年2月最少，基本都在20.0 mm以下，但也有個別月份降水量很低，如2004年10月和2009年10月分別為8.6、9.6 mm。在過去143個月中，NDVI對氣溫和降水量的變化均表現出一定的滯后響應，但是對降水量變化的滯后響應更為明顯。

由表2可以看出，對NDVI與前0-前3月氣溫和降水量的相關性分析表明，NDVI與當月和前1月氣溫的相關性較好，相關系數分別為0.91和0.77；從當月至前3月，NDVI與氣溫的相關系數逐漸減小。NDVI與當月、前1月、前2月降水的相關性都較好，其中與前1月的相關系數最高，為0.72；從當月至前3月，NDVI與降水的相關系數呈現先增大后減小的趨勢。從當月至前1月，NDVI與氣溫的相關系數大都大于與同期降水的相關系數；而從前2月至前3月，NDVI與氣溫的相關系數則小于與同期降水的相關系數。研究結果表明，江蘇省NDVI對氣溫和降水變化有響應特征，NDVI同步響應當月氣溫的變化，而滯后響應降水變化1個月左右。NDVI與氣溫的最大相關系數大于與降水的最大相關系數。

2.2 NDVI對氣溫和降水的空間響應特征

2.2.1 NDVI對氣溫和降水最大響應的空間分布

由圖3a可以看出，空間上，NDVI與氣溫的最大相關系數在整個研究區都為正，表明NDVI全年基本都受氣溫顯著影響，氣溫為植物生長的限制因子。NDVI對氣溫變化的最大響應總體上表現為由沿海向內陸逐漸增大的趨勢，NDVI與氣溫的最大相關系數都在0.39～0.94之間。位于蘇南的南京、溧陽、常州、吳縣東山4個氣象站，其NDVI與氣溫變化均為極顯著正相關；位于蘇中的高郵、南通、呂泗3個氣象站，其NDVI與氣溫的最大相關系數分別為0.82、0.75、0.39，除呂泗最大相關系數較低外，高郵和南通最大相關系數也較高，表明在蘇中部分地區，NDVI對氣溫變化的響應較為強烈，但較蘇南地區略低；位于蘇北的徐州、贛榆、淮安、盱眙、射陽、東臺6個氣象站，其NDVI與氣溫的最大相關系數均在0.73～0.89之間，表明在蘇北地區，植物生長對氣溫的敏感性很強。整個研究區內，除呂泗NDVI與氣溫最大相關系數較低外，其余各個站點最大相關系數均在0.73以上。結果表明，江蘇省NDVI與氣溫變化有著顯著的相關關系，且最大相關系數為蘇南>蘇北>蘇中。原因可能是蘇中和蘇北沿海主要為平原，這里種植大量的農作物，隨著溫度的升高，植物生長到一定的程度，在一定時間內植被指數達到峰值便不會再增加；而江蘇西南部和蘇北北部為丘陵和平原，分布有大量覆蓋度良好的常綠闊葉林和常綠針葉林，隨著溫度的升高，植被的覆蓋度和植被指數有明顯增加的趨勢，且增加時間跨度比作物要長。

由圖3b可以看出，NDVI與降水的最大相關系數在整個研究區也都為正，但是NDVI與降水的最大相關系數都在0.37～0.70之間，遠較NDVI與氣溫的最大相關系數低，表明降水也是植物生長的限制因子，但是NDVI對氣溫變化的響應更為強烈。NDVI對降水變化的最大響應呈現明顯的南北差異，南部最大相關系數明顯小于北方的最大相關系數，有從北往南逐漸減小的趨勢。位于蘇南的南京、溧陽、常州、吳縣東山4個氣象站，其NDVI與降水的最大相關系數分別為0.52、0.51、0.51、0.44；位于蘇中的高郵、南通、呂泗3個氣象站，其NDVI與降水的最大相關系數分別為0.49、0.42、0.37；位于蘇北的徐州、贛榆、淮安、盱眙、射陽、東臺6個氣象站，其NDVI與降水的最大相關系數均在0.58～0.70之間，明顯高于蘇南、蘇中的最大相關系數。江蘇省NDVI對降水的最大相關系數有著從南往北逐漸遞增的趨勢，原因可能是蘇北地區年降水量較蘇中和蘇南少，且蘇南和蘇中地區有太湖、高郵湖、洪澤湖和長江，構成了發達的地表水系網，地下儲存了豐富的地下水資源，故植物生長所需要的水分不依靠降水也能得到及時的補給，所以蘇北地區NDVI對降水的響應更為強烈。NDVI與降水的最大相關系數為蘇北>蘇中>蘇南。

2.2.2 NDVI對氣溫和降水滯后期響應的空間分布

由圖4可以看出，江蘇省NDVI對氣溫和降水變化最大響應所對應的滯后期在空間分布上的規律性在氣溫上表現較弱，而這一規律性在降水上表現得更為明顯。由圖4a可以看出，NDVI對氣溫變化的響應，除吳縣東山對前1月氣溫響應最好以外，其余12個氣象站與當月氣溫變化同步響應。江蘇省整體上與當月的氣溫變化同步響應，可能是由于在全省范圍內氣溫條件足夠滿足植物的生長，故沒有表現出較大的差異。

由圖4b可以看出，江蘇省NDVI對降水變化最大響應所對應的滯后期在空間上表現出很強的規律性，滯后期呈現出由南北往中間逐漸減小的趨勢，江蘇省整體上與前1月降水變化有最大響應。最大響應滯后期在前0-前2月均有分布，贛榆、南京、高郵3個氣象站與當月的降水變化同步響應；徐州、盱眙、淮安、射陽、東臺、南通、呂泗、常州8個氣象站與前1月的降水變化滯后響應；溧陽、吳縣東山2個氣象站與前2月的降水變化滯后響應。從江蘇省整體來看，蘇南地區4個氣象站出現了3種不同的滯后期，但還是以溧陽、吳縣東山與前2月的降水變化滯后響應為主；蘇中地區高郵、呂泗分別滯后于降水變化的最大響應0、1月，差異并不明顯；蘇北地區6個氣象站除贛榆滯后期為0月外，其余5個站點滯后期均為1個月。

3 結論

本文通過對研究區2000-2011年MODIS-NDVI與氣溫和降水的相關性分析，研究了月際NDVI與降水和氣溫變化響應的時空分布特征和滯后性，得出以下主要結論：

1）研究區NDVI與氣溫和降水的變化基本一致，都是在7、8月較高，在1、2月較低。在整個研究區，NDVI對氣溫和降水變化都有顯著響應，NDVI基本上同步響應于當月的氣溫變化，而對降水變化的響應則滯后1個月。NDVI與氣溫的最大相關系數大于與降水的最大相關系數。

2）研究區13個氣象站點NDVI與氣溫和降水變化有明顯的相關性，且NDVI與氣溫的最大相關系數大于與降水的最大相關系數。NDVI對氣溫變化響應的相關系數較高，站點基本同步響應與當月氣溫的變化，且從當月到前3月相關系數呈減小趨勢。NDVI與氣溫的最大相關系數呈現很強的空間分布特征，最大相關系數為蘇南>蘇北>蘇中；NDVI對降水變化的最大相關系數為0.37～0.70，較NDVI與氣溫之間的相關系數低，且相關系數從當月到前3月呈現先增大后減小的趨勢。在空間上，NDVI與降水的最大相關系數為蘇北>蘇中>蘇南。

3）研究區NDVI對氣溫變化沒有表現出明顯的時滯期，但對于降水的變化響應有明顯的時滯期。除吳縣東山外，其余12個氣象站點NDVI均同步響應于當月氣溫的變化，氣溫雖然是植被生長的重要影響因子，但是并無明顯時滯效應，也沒有明顯的空間差異；NDVI對降水的響應有明顯的時滯期，且大部分站點時滯期為1個月。站點時滯期有明顯的空間分布特征，滯后期呈現由蘇北、蘇南往蘇中逐漸減小的趨勢。

本研究只是間接根據研究區各氣象站點氣溫和降水數據與周圍NDVI之間的相關性進行討論，但不同時間、研究尺度、氣候區和植被類型等條件下，NDVI對氣溫和降水變化響應的相關性和時間滯后性還需進一步探討。

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