基于VCI的貴州省干旱時空變化特征分析及干旱區劃分

代仁麗，鐘九生

(貴州師范大學地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550001)

旱災是影響最為廣泛和造成損失最為嚴重的自然災害之一，旱災不僅會導致糧食產量和供水減少、生態環境嚴重惡化，極端和特重干旱甚至還會引起大量人口死亡和朝代更迭，其是制約農業發展、生態環境保護等的重要影響因素[1-2]。引起干旱發生發展的原因是多方面的，國內學者對西南地區干旱的成因研究表明，其影響因素主要表現在溫度[3-4]、大氣環流和天氣系統[5-9]、青藏高原的作用[10-11]、土壤濕度和植被蓋度[12]、地形、地質、地貌的特殊性和復雜性[13]等方面。

目前，計算干旱所采用的指標可分為以降水和溫度等氣象因子為基礎的研究、以遙感監測土壤含水量為基礎的研究和綜合氣象干旱指數(CI)三大類。干旱遙感監測方法中Kogan等[14]提出的植被狀態指數(Vegetation Condition Index，VCI)計算較為簡便，可以提供高分辨率連續空間覆蓋的實時信息，直接從植被的生長狀況反映干旱情況[15]。2006年，朱驥[16]將植被狀態指數(VCI)、溫度狀態指數(TCI)、植被溫度狀態指數(VTCI)3種遙感信息與土壤濕度指數進行回歸分析，建立干旱遙感定量監測模型，研究表明 VCI 在3種遙感干旱監測指數中最適合監測中國地區的干旱狀態。季民等[17]基于VCI指數研究青藏地區春旱的時空動態變化，結果表明青藏地區受季風影響較小,橫斷山脈和祁連山地區干旱發生的頻率比較低，且多為輕中旱。沙莎等[18]在河南省進行了植被狀態指數(VCI)與多種氣象干旱指數的監測對比試驗,表明VCI對河南氣象干旱有一定的指示作用和監測能力。劉世杰等[19]基于植被狀態指數，對江蘇省干旱化特征及氣候驅動因素進行分析，研究表明，氣候和相對濕度與VCI的相關性達極顯著水平，是影響江蘇省旱情的主要因素。

植被狀態指數(VCI)能較好地反映水分脅迫狀態，不僅可以監測和跟蹤區域干旱，還能描述植被時空變化，已成為了大規模遙感干旱監測的理想數據，它的可靠性得到了大量數據的證明[17]。近年來，貴州省遭受到不同程度的干旱，導致糧食減產和生態破壞，農業生態環境極其脆弱[5,7]。因此，本文利用2001—2018年16天500 m分辨率的MODIS地表反射率數據，計算得到植被狀態指數(VCI)，以VCI作為對干旱監測指標，研究貴州省的干旱為當地農業發展和防災減災，提高生產力及水資源合理配置有重要意義。

1 研究區概況

貴州簡稱黔或貴，地處云貴高原，為典型的喀斯特低山丘陵地貌區，介于東經103°36′～109°35′、北緯24°37′～29°13′之間，地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，平均海拔在1 100 m左右(圖1)。貴州省高原山地居多，素有“八山一水一分田”之說，人均耕地面積不到0.05 hm2，遠低于全中國平均水平，土層厚、肥力高、水利條件好的耕地所占比重低[20]；貴州氣候溫暖濕潤，屬亞熱帶濕潤季風氣候，常年降雨量充沛，但時空分布不均，分布特點為南多北少、東多西少，全省多年平均降雨量為1 100～1 300 mm，光照條件差，大部地區年日照時數為1 200～1 600 h，分布特點為西多東少；受大氣環流及地形等影響，氣候不穩定，災害性天氣種類較多，干旱、秋風、凝凍、冰雹等頻度大，對農業生產危害嚴重[21-23]。

a)地形

2 數據與方法

2.1 數據來源

數據來源于美國 NASA 的 MODIS 植被指數產品數據 MOD13A1，數據空間分辨率為500 m，時間分辨率為 16 d，時間范圍：2001 年1 月至2018 年12月。利用 MRT軟件進行格式轉換和投影轉換，采用最大值合成法(MVC)獲得18年逐月 VCI數據，去除云、大氣和太陽高度角等產生的影響。

2.2 研究方法

2.2.1植被狀態指數(VCI)

許多研究表明 NDVI時間序列能夠很好地反映植被覆蓋的時空變化，在干旱監測與制圖、農作物估產等方面得到廣泛應用。但NDVI只能反映單因素對植被的影響，其對地理環境條件很敏感，不宜進行跨區域的干旱監測。為克服這一缺陷，Kogan等[14]在NDVI基礎上提出了植被狀態指數VCI：

(1)

式中 NDVIi——特定年第i個時期的NDVI值；NDVImax、NDVImin——多年第i個時期NDVI的最大和最小值。

VCI的取值范圍是[0，1]，VCI數值越低，表明植被生長狀況越差，干旱越嚴重。

2.2.2最大值合成法

采用國際通用的最大值合成法[15](MaxValueComposites，MVC)生成當月的VCI值。該處理可以消除云、大氣以及太陽高度角等的部分影響。在本研究中，以16 d的VCI數據為基礎，采用最大值合成法獲取月最大VCI：

VCIi=Max(VCIij)

(2)

VCIi是第i個月VCI值，VCIij是第i個月第j幅的VCI值，j的取值范圍是[1，2]。將一月2幅的VCI圖像通過波段運算實現最大值合成，以2幅圖像中每一個像元的最大值代表該月的VCI值。依據前人研究[24-28]劃分干旱：重旱(VCI≤30)、中旱(3070)。

2.2.3一元回歸趨勢分析

一元回歸趨勢分析是對一組隨時間變化的變量進行回歸分析的方法，預測其未來變化趨勢，基于Matlab的柵格數據一元線性回歸法[28]，計算公式如下：

(3)

式中θslope——回歸方程斜率，θslope>0，表示變量呈增加趨勢，θslope<0，表示變量有減少趨勢；n——監測累積年數(n=18)；Ci——第i年的VCI值，i=1，2，3…n。

根據結果，參考孫親[15]的研究，將變化趨勢劃分等級，劃分結果見表1。

表1 VCI變化趨勢

3 結果與分析

3.1 季節、年際VCI趨勢分析

利用2001—2018年逐月VCI數據劃分為季節與年2個時間尺度，探究貴州省季節性與年干旱變化趨勢(圖2)。貴州省季節性與年均VCI變化趨勢整體表現為，西部地區減少趨勢大于東部地區，表明西部植被生長狀態較東部地區差，畢節、安順、六盤水及黔西南地區冬季與春季VCI變化趨勢最為顯著。夏季為植被的生長高峰期，因此VCI值變化不明顯。貴州省旱情隨時間的變化逐漸加劇，秋-冬季為植被枯萎季，VCI表現出明顯的減少趨勢。結合圖3、表2可得，貴州省季節性VCI與年均VCI變化趨勢均呈減少趨勢，但減少趨勢不顯著，與圖3所呈現內容相吻合。2009—2010年的冬季(春季、夏季、秋季均出現低谷，但不明顯)VCI與年均VCI呈顯出明顯的低谷，經查證與貴州省氣象災害年鑒記錄一致[30]，符合2009—2010年貴州省大部分地區發生不同程度的干旱這一事實。

a)春季

a)春季

表2 貴州省VCI季節、年際變化趨勢面積統計 單位：km2

貴州省在春、夏、秋、冬季及年均的VCI減少面積分布占總面積的31.6%、8.8%、36.8%、28.9%、23.8%。春、秋季VCI減少面積最多，表明在春、秋季植被生長狀態較差。夏季VCI表現出輕微增加趨勢，主要分布于貴陽市南部、銅仁及黔東南的中部地區。年均VCI在2005年呈明顯增長趨勢，查詢氣象記錄可知，2005年貴州省全年降水高出歷年同期降水的30%。貴州省旱情隨時間的變化逐漸加劇，主要分布于畢節、六盤水、安順地區及黔西南西部、遵義北部，這些地區為貴州省喀斯特石漠化地區，植被覆蓋差，石漠化嚴重，水土流失嚴重，易形成季節性干旱。

3.2 干旱等級與干旱頻率分析

為進一步探究貴州省的干旱特征，劃分干旱等級及統計干旱頻率，通過研究可得，貴州省干旱等級及頻率分布特征表現為：重旱及中旱主要發生在喀斯特地區，非喀斯特區干旱強度低于喀斯特地區，干旱高頻發生區以喀斯特地區為主，低頻位于非喀斯特區。圖4中，春季以輕旱為主，其中重旱主要發生在畢節西部，中旱發生在畢節、六盤水、黔西南、安順及貴陽南部地區；夏季，貴州省基本無旱，輕旱發生區與春季重旱發生區一致；秋季以輕旱為主，無旱區主要為貴州省非喀斯特區；冬季以中旱為主，輕旱主要發生在黔東南、遵義中部、黔西南與六盤水南部地區，重旱主要發生在畢節、遵義及貴陽市南部地區；年際整體來看，貴州省以輕旱為主，重旱發生區為喀斯特地區。

a)春季

結合表3、圖4—5可得，春季、秋季及冬季為貴州省干旱的高發期，全省干旱程度以輕旱為主且頻發，各等級干旱低發區以非喀斯特區為主。輕旱發生面積在不同時間段分別占總發生干旱區面積的百分比為：春季(82.5%)、夏季(98.1%)、秋季(94.3%)、冬季(12.3%)、年際(92.9%)。春季全省發生干旱的頻率大于76%，夏季輕旱和重旱發生區的干旱發生頻率大于51%，秋季輕旱及中旱發生區的干旱發生頻率也大于76%，冬季為全省中旱高頻發生時間段。由年際干旱強度及干旱頻率分析得，貴州省的干旱以輕旱為主，且全省為輕旱頻發區。

表3 貴州省季節、年際干旱等級面積統計 單位：km2

a)春季

3.3 干旱區劃分

根據已劃分的季節尺度VCI的干旱等級，利用ArcGIS強大的空間分析能力，劃分貴州省季節性干旱區(圖6)。三季連旱即為春—夏—秋、夏—秋—冬、秋—冬—春，3個連續的季節在同一地區發生干旱；單季干旱即為同一地區2個連續季節不同時發生干旱；季節性連旱即為同一地區連續2個季節均發生干旱。由圖6可得，貴州省喀斯特地區易發生季節性連旱與三季連旱，植被覆蓋良好的非喀斯特區以單季干旱為主，究其原因為喀斯特地區植被覆蓋較差，土地石漠化較為嚴重，生態環境較為脆弱，影響植被生長狀態因素較多，植被生長狀況良好的非喀斯特地區，干旱主要受氣象因素的影響。統計分析得，單季干旱、季節性干旱及三季連旱發生干旱區的面積分布占全省總面積的18.6%、19.4%及61.9%。

圖6 2001—2018年貴州省干旱區分區

4 結論

本文研究采用MODIS 數據產品計算VCI，利用時間序列數據趨勢分析方法研究貴州省喀斯特與非喀斯特地區干旱的時空變化特征及其演變趨勢，同時依據季節性干旱特征劃分貴州省季節性干旱區。研究結果能較清楚地反映貴州省18年來干旱狀態的變化情況，有助于為貴州省農業防災減災提供參考，同時也對旱情監測及干旱演變研究具有一定的參考價值。結合相關資料發現，貴州省干旱不斷頻發且以輕旱為主，同時以季節性連旱與三季連旱為主。本文以 VCI 作為監測干旱的指標，分析了貴州省干旱的時空分布特征以及干旱趨勢及頻率，主要結論如下：①貴州省季節、年際VCI趨勢總體呈下降趨勢，表明貴州省植被長勢逐漸變差，同時也表明旱情逐漸加劇的趨勢，以喀斯特地區最為明顯，非喀斯特區次之；②貴州省季節性干旱主要以春旱、冬旱為主，且喀斯特地區發生頻率大于76%；③貴州省全省干旱主要以輕旱為主，重旱及中旱發生區主要在喀斯特地區；④貴州省以季節性連旱與三季連旱為主，發生干旱區的分布占全省總面積的19.4%及61.9%。