2002-2016年錫林郭勒草原干旱時空特征

杜波波, 阿拉騰圖婭, 包 剛

(內蒙古師范大學 地理科學學院, 呼和浩特 010022)

干旱是一種極其普遍、影響程度極深的累積性自然災害，全球約2/3的國家受干旱的影響，干旱造成了巨大的經濟損失。隨著氣候的變化，全球的溫度和降水在時間和空間上發生了一系列變化，極端干旱也更加頻繁[1]，干旱產生的土地退化和水資源短缺等問題已成為制約經濟發展、威脅人類生存的最嚴重問題。蒙古高原位于亞歐大陸內部，降水稀少，為干旱提供了良好的孕育環境，氣溫的上升導致蒙古高原在進入21世紀后一直處于一種持續干旱的狀態[2]。錫林郭勒草原地處蒙古高原東南部，干旱的連年發生，對區域生態建設、當地居民可持續發展產生了嚴重影響，因此進行錫林郭勒草原干旱的時空特征研究，找出干旱的發生規律，對區域經濟發展，構建保衛京畿重地的綠色長城，提高當地居民的幸福指數具有重大意義。

在過去幾十年里，國內學者采用了不同的研究方法對干旱的時空分布狀況進行研究[3-7]，關于干旱特征研究的方法可以總結為兩類：基于氣象站數據的干旱指標評價方法和基于遙感影像數據的干旱反演。基于氣象站數據的干旱指標評價方法由于計算過程簡單易行，在我國被大多數學者所認可，以往關于長時間序列的干旱時空特征分析也主要是利用這種方法[4-6]。然而該方法往往存在一些缺陷：首先，氣象站點數量有限、空間分布特征不均勻，無法實現大面積的干旱監測[7]，盡管近幾年氣象站點的密度有所增加，但是對以往氣象數據的虧缺卻是無法彌補的。隨著遙感技術的快速發展，遙感影像為研究人員提供了大量的數據，除了一些特別的遙感數據需要付費，大多數數據都能免費獲取。通過遙感影像可以快速實現大面積土壤干濕度的檢測，提高了時效性，使區域干旱預防、治理更具有科學性。但是利用遙感數據處理過程比較繁瑣，工作量大，所以基于遙感數據進行長時間序列的干旱監測的研究比較少[8]，目前使用遙感數據進行干旱研究主要集中在短時間的干旱監測或傳感器之間的精度驗證上[9-11]。

針對以上存在的問題，本文利用MODIS產品數據構建的溫度植被干旱指數TVDI，從月尺度上分析2002—2016年錫林郭勒草原生長季的干旱時空分布特征，找出干旱在時間上的變化規律和空間上的分布特征，為區域干旱的預防、治理提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

錫林郭勒草原地處內蒙古自治區中部，115°13′—117°06′E，43°02′—44°52′N，屬于溫帶大陸性氣候，降水140～400 mm，年均溫度0～4℃。全盟水資源總量為34.92億m3/a，地表水資源9.08億m3/a，可利用量為3.98億m3。全區人口達104.69萬，牧區人口大概占總人口的1/5，主要收入以畜牧業為主，經濟類型單一。干旱以及由干旱所引起的一系列次生事件是限制牧區發展的主要因素，進行實時有效的干旱監測并做出合理的干旱等級評估，可以降低區域的經濟損失。

1.2 數據來源

研究所用的遙感影像數據來源于美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)。具體包括2002—2016年研究區生長季內(第113～288天)[12-13]Terra衛星的地表溫度數據MOD11A2和植被指數數據MOD13A2。空間分辨率為1 000 m，時間分辨率MOD11A2為8 d，MOD13A2為16 d，采用最大值合成法將地表溫度數據合成為16 d的數據，并對影像進行鑲嵌、投影轉換，在IDL中進行批量裁剪。

研究中用到的氣象數據來自中國氣象資料共享網，標準化降水指數SPI的計算所需數據最少為30 a[14]，所以研究中選取1987—2016年30 a的月尺度降水，空間上包括錫林郭勒9個氣象站點(圖1)。

圖1 錫林郭勒草原位置

1.3 研究方法

研究中的溫度植被干旱指數(TVDI)是利用MODIS遙感影像產品數據地表溫度數據(LST)和植被指數(NDVI)擬合而成的，與土壤的干濕狀況具有較強的相關性[15]。相比傳統的監測方法能夠快速實現對大面積土壤的干旱監測，較好地反映土壤的干濕狀況[16-17]；相比單純使用LST或NDVI反演的干旱狀況，TVDI降低了LST受大氣、環境等因素對監測精度影響，同時彌補了NDVI對干旱監測在時間上滯后的問題，較為精確地反映了地表含水量的變化狀況[18-19]。TVDI計算公式如下：

(1)

式中：LSTmax表示像元在某個NDVI值時的最大溫度，LSTmin代表最小溫度，最大溫度值擬合公式：LSTmax=a1+b1NDVI ，最小溫度值的擬合公式：LSTmin=a2+b2NDVI；a1，b1代表干邊的擬合系數，a2，b2代表濕邊的擬合系數。

溫度植被干旱指數(TVDI)位于(0，1),TVDI值越大，表示越干旱，具體劃為5個等級：

表1 溫度植被干旱指數等級劃分

2 結果與分析

2.1 結果與分析

2.1.1 精度驗證 研究中利用SPI與TVDI進行相互驗證。計算SPI所用的氣象數據為1987—2016年錫林郭勒草原9個氣象站的月尺度降水，在計算結果中提取2002—2016年6—9月各氣象站點對應的SPI值。將16 d尺度的TVDI通過求平均合成月尺度的TVDI值，提取各站點對應的TVDI像元值。共獲取540對SPI—TVDI樣本點，對各站點的SPI和TVDI值進行分等定級，在SPSS軟件中計算SPI—TVDI肯德爾等級相關系數：在0.01的置信度下，SPI—TVDI的肯德爾等級相關系數為-0.369.說明TVDI與SPI干旱等級呈負相關性，這符合標準化降水指數值越大越濕潤，值越小越干旱；也符合溫度植被干旱指數值越小越濕潤，值越大越干旱的規律。

2.1.2 干旱在植物生長期的時間特征分析 對2002—2016年干旱面積比例進行統計，繪制圖2。從圖2A中可以看出，錫盟草原在生長季內發生的干旱現象主要分為3個等級：輕旱、中旱、重旱，其中重旱在各時相中所占的面積比例都比較小，中旱次之，輕旱所占的面積比例都比較大，由此可以判定錫林郭勒草原干旱主要以輕旱和中旱為主。

圖2 2002-2016年錫林郭勒草原在生長季內各等級干旱面積比例

由圖2B可知，4月下旬—6月上旬輕旱的面積比例呈遞增趨勢，在6月中旬輕旱面積比例達到峰值，6月下旬—10月上旬輕旱面積在部分時間段內有所起伏，但整體上呈現一種遞減趨勢。中旱面積在4月下旬—5月下旬處于上升階段，在5—6月上旬首次達到峰值，在6月中旬中旱面積比例發生逆轉降到最低，之后從6月下旬中旱面積比例一直處于上升狀態，特別是進入8月份后出現持續性的大面積中旱現象，這種狀態直到9月底才出現回轉。重旱的面積比例基本上處于一個較為平穩的狀態，4月底—6月上旬重旱面積比例整體呈遞減趨勢，只是在5月中旬出現第一個峰值；從6月中旬開始重旱整體上呈遞增的趨勢，但是增幅不大，這種狀態直到9月底才出現回落。當輕旱面積比例增加時，中旱和重旱的面積比例則減少，當輕旱面積比例下降時，中旱和重旱的面積比例反而增加，說明錫林郭勒草原在生長季內發生干旱的草地面積比例基本保持不變，只是各種干旱面積比例此消彼長。

從圖3中可以看出，4月下旬—5月底、7月上旬、9月下旬發生中旱的面積比例波動比較大，說明這幾個時間段發生干旱的面積比例不穩定，在個別年份里容易出現大面積中旱。輕旱面積比例整體波動不大，只是在4月下旬、5月底—6月上旬、7月中下旬、9月上半月、10月上半月離散度大于0.1，這幾個時相相比其他時間段輕旱發生的面積比例不穩定。重旱面積比例出現較大波動主要集中在8月下旬—9月中旬，說明這個時間段容易出現較大或較小面積比例的重旱，其他時相都比較穩定。6月中下旬輕旱、中旱和重旱的面積比例相比其他時間段內的波動不大，表明這個時間段內發生的各等級干旱面積比例基本不變。從總體上看，3種程度的干旱面積比例離散度較小，波動變化不是特別大，說明各時相各等級的干旱面積只是在小幅度范圍內發生變化。

圖3 2002-2016年錫林郭勒草原各時相干旱面積比例標準誤差

2.1.3 干旱在植物生長期的空間特征分析 從整體上看，錫林郭勒草原發生干旱的頻率較高，輕旱屬于極普遍的干旱現象，幾乎在每年的每個時相都出現大面積的輕旱現象；中旱在15 a的研究時間段內發生頻率較高且影響范圍較大；重旱發生的面積比較小，但局部重旱現象出現的頻率較高。

通過對圖4的分析發現，全區在生長季的各時間段都有干旱現象發生。中東部地區在各個時相都屬于干旱發生頻率較高的區域，此處在植物生長季曾多次發生大面積的中旱，這也再一次驗證了上文的分析，中東部發生干旱的頻率及發生干旱的嚴重程度較高。西南地區在各時相干旱發生的概率也比較高，這一地區發生中旱或重旱的可能性較大。

圖4 錫林郭勒草原在2002-2016年生長季內的土壤干濕狀況、累積時空分布

綜上所述，2002—2016年錫林郭勒草原生長季的干旱空間分布特征可總結為：西部地區以輕旱為主，中旱及重旱現象較少；中東部地區干旱事件的發生頻率較高，且大面積的中旱及局部的重旱現象較為普遍；南部地區的干旱頻率也較高，一旦發生干旱，出現嚴重干旱現象的概率也比較高；中間北部地區也常常會發生不同等級的干旱現象，其出現嚴重干旱的頻率也較高。

3 討 論

本文利用SPI與TVDI進行相互驗證，結果證明TVDI能夠較好地反映錫林郭勒草原的干濕程度，相關文獻[18,20]也證明了TVDI對錫林郭勒草原土壤干濕狀況的反演具有較高的適用性，文獻[18]對2010年錫林郭勒草原9月的干濕狀況進行了檢測，與本文對該時間段內的干濕狀況的檢測結果相似：2010年9月份的干旱主要集中在東部地區，西部地區干旱強度較小。將本文的檢測結果與基于SPI的研究成果進行對比發現[21-23]，本文得出的干旱時空分布特征與前人的研究結果具有一致性，干旱主要以輕旱和中旱為主，干旱發生的頻率較高，只是在部分地區的干旱反演上存在偏差，但基于TVDI的遙感監測方法使區域干旱時空分布的細節問題更加突出，主要由于傳統的氣象數據只是基于氣象站點進行分析，而遙感數據監測方法則是逐像元進行計算，在一定程度上提高了檢驗精度，克服了傳統監測過程中以點概面的缺陷。

2002—2016年錫林郭勒草原植物生長期，干旱現象較為普遍，主要是由于在過去的十幾年錫林郭勒草原夏季降水量呈下降趨勢[24]，導致錫林郭勒草原在植被生長期出現較為頻繁的干旱現象。此外，在計算溫度植被干旱指數的過程中可能存在一些不足：首先直接將16 d尺度的TVDI通過計算平均值合成月尺度的TVDI可能會存在一定的誤差；其次，錫林郭勒草原由多種植被景觀構成，不同的土地覆被類型對TVDI的計算結果會產生不同的影響[7]，尤其是荒漠草原，植被覆蓋度較低，對TVDI的計算結果會產生較大的影響，對于這兩個問題在今后的研究中應當提出合理的解決方案。

4 結 論

(1) 2002—2016年整個生長季內全區輕旱現象及其普遍，大面積的干旱現象在各個時相都有發生，6月、8月、9月會出現大面積的輕旱和中旱現象，7月、10月上旬容易出現大規模的輕旱現象，9月份出現大面積中旱事件的可能性較高，在各個時相幾乎都會出現大面積的干旱，其中輕旱、中旱占較大比例。

(2) 從空間尺度上分析，研究區域中東部地區屬于干旱發生頻率較高的區域，且常常伴有大面積的中旱和局部的重旱的發生。中間地區在生長季常常會發生較大面積干旱，但主要以輕旱為主：北部地區出現中旱的頻率較高，局部性干旱在每年各個時相里都有發生，也都以輕旱、中旱為主；西部地區在生長季始終處于一種干旱狀態，發生干旱的頻率較高，無旱時期較少，主要以輕旱和中旱為主，重旱較少。南部地區也常有干旱事件的發生，大面積中旱和局部重旱發生頻率較高。