基于TVDI的長江南源干旱時空動態變化監測

摘" 要：隨著全球變暖，干旱成為全球危害最為嚴重的自然災害之一，對農業等事關人類福祉的領域產生巨大影響。該文以重要農牧區——長江南源為研究區，基于地表溫度數據和歸一化植被指數數據計算出2000年以來長江南源溫度植被干旱指數，并以該指數對長江南源植被生長季的干旱狀況進行時空動態監測分析。結果表明，2000年以來，干旱和偏旱的區域在長江南源的北部、中部和東北部，占源區面積的33.33%；濕潤和偏濕的區域在研究區域的南部、西南部，占源區面積的37.02%。長江南源56.41%的區域趨向干旱，41.96%的區域趨向濕潤。濕潤區域在2000—2004年間呈收縮態勢，占長江南源的面積比重由42.54%下降到35.25%；2004—2011年，呈擴張態勢，所占面積比重上升到38.84%，2011年后呈收縮態勢，所占面積比重下降到36.79%。總體來看，TVDI有較強可靠性，可用于長江南源乃至三江源區干旱監測預警工作。

關鍵詞：溫度植被干旱指數；時空分異；干旱；農業旱災；三江源

中圖分類號：S165.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）05-0059-07

Abstract： With global warming， drought has become one of the most serious natural disasters in the world， which has a great impact on agriculture and other areas related to human well-being. This studycal culated the Temperature Vegetation Dryness Index （TVDI） of the southern source region of the Yangtze River since 2000 based on the Land Surface Temperature （LST） products and Normalized Difference Vegetation Index （NDVI） products， and used the TVDI to monitor and analyze the spatio-temporal dynamic of drought of the growing season in the southern source region of the Yangtze River. The results show that， since 2000， the arid and arid areas have been centralized in the north， middle and northeast of the southern source of the Yangtze River， accounting for 33.33% of the source area; the humid and humid areas are in the south and southwest of the study area， accounting for 37.02% of the source area. 56.41% of the areas in the southern source of the Yangtze River tend to be dry， and 41.96% of the areas tend to be humid. The humid area showed a shrinking trend from 2000 to 2004， and the proportion of the area in the southern source of the Yangtze River decreased from 42.54% to 35.25%. The proportion of the humid area increased to 38.84% during 2004—2011， and the proportion of the humid area decreased to 36.79% after 2011. As a whole， TVDI can be used for drought monitoring and early warning in the southern source region of the Yangtze River and even the Three River Source Region due to its reliability.

Keywords： Temperature Vegetation Dryness Index（TVDI）; spatio-temporal differentiation; dryness; agricultural drought; Three River Source Region

當今世界已進入“人類世（Anthropocene）”，面臨著氣候變化和人類活動帶來的諸多挑戰[1]。全球變暖已成為一個不爭的事實，這導致眾多水文、氣象等要素變化，使得干旱、洪澇等事件時常顯現[2]。未來，我國發生驟旱的風險正呈顯著上升態勢[2]。干旱的發生常常導致水分減少、農作物減產、土地退化等一系列問題，已成為全球危害最嚴重的自然災害之一[3]。

我國是世界上重要的糧食生產國之一，同時也是全球最容易受到干旱嚴重影響的國家之一[2]。三江源區是我國重要的生態安全屏障，同時也是重要的農牧區之一，在一系列生態保護和建設工程的實施下，三江源區的生態狀況已呈現出“初步遏制，局部好轉”的態勢[4-6]，但是仍然面臨干旱帶來的挑戰[7]。首先，干旱事件常有發生[8-9]。例如，2017年7月的高溫少雨導致三江源全域出現氣象干旱，核心區達到重度氣象干旱[10]。再者，三江源區氣候變化存在顯著的區域差異，東南部干旱加劇[11]、長江南源和黃河源區暖干化態勢顯著[12-15]，進而導致在生態保護工程實施后，三江源仍然存在大量草原退化狀態不變的情況[16]以及大量草甸輕度趨干和少量草甸中、重度趨干的情況[17]。此外，三江源區氣溫增溫速率是全球平均水平的2倍以上，氣溫升高未來將可能誘發源區由變濕轉向變干，進而使得全域暖干化顯現[5，11，18]。綜上，面對三江源區特別是長江南源的干旱及其發展態勢，開展干旱監測工作顯得十分必要和迫切。

傳統的干旱監測雖然精度高，但是需要耗費大量精力建設站點，并且覆蓋范圍有限。而遙感監測具有覆蓋范圍廣、實時動態的優點[19-20]。由此，諸多學者運用遙感手段開展農牧區干旱動態監測研究。表觀熱慣量模型、微波遙感監測、冠層溫度遙感監測和溫度植被干旱指數等方法都已用于干旱遙感監測[19-20]，但優缺點各異，表觀熱慣量模型主要適用于裸土區，微波遙感對遙感監測設備配置要求極高，冠層溫度遙感監測易受自然條件和監測設備影響而產生誤差[21-22]。綜合考慮時效性、可靠性和區域適應性，本文采用溫度植被干旱指數開展研究區干旱時空動態變化監測。

溫度植被干旱指數由學者Sandholt等[23]提出，其在歸一化植被指數（NDVI）和地表溫度（LST）基礎上計算獲得溫度植被干旱指數（Temperature Vegetation Dryness Index，簡稱為TVDI）。該指數可反演地表水分情況，進而表征干旱程度和用于干旱動態監測[19-22]。考慮到研究區6—8月是植被生長最為旺盛的季節以及夏季易發生干旱現象，本文選取6—8月的MODIS NDVI和MODIS LST數據產品計算研究區TVDI，并結合同時期儀器監測站點的土壤表層濕度進行相關性驗證，而后利用計算得出的TVDI進行2000年以來研究區6—8月的干旱時空動態變化監測與分析，以期為研究區干旱監測與評價工作提供科學依據。

1" 研究區概況

長江南源一般指當曲流域[24]。當曲全長331 km，流域范圍為92.14°—94.62°E，32.40°—33.96°N，海拔范圍為4 500～5 947 m，總面積約為1.67×104 km2。該流域位于青海省境內，實際包含了青海省玉樹藏族自治州雜多縣查旦鄉，以及西藏自治區那曲市聶榮縣永曲鄉、查當鄉、安多縣瑪榮鄉和多瑪鄉4個移民管理鄉，總計5個鄉（圖1）。農牧業均為各鄉的支柱性產業，流域內5個鄉的農牧業年收入總計已超過1億元，交通運輸、商業飲食、采集、建筑業和手工業等業態也呈發展態勢。近年來，當曲流域內旱災時有發生，對牧草生長產生不利影響，進而影響農業畜牧業的可持續發展[14]。流域內為盆地地形，四周為山脈、與其他水系的分水嶺。從流域邊界范圍來看，南部為唐古拉山脈，東部、北部是當曲與瀾滄江的分水嶺，西部是當曲與布曲的分水嶺。以天曲匯入當曲口為界，該河口以上為當曲上游，以下為當曲下游。且上游區域地勢平緩，排水不暢，沼澤發育顯著[25]。

2" 數據與方法

2.1" 數據來源

本文所采用的遙感數據包括地表溫度（LST）數據產品和歸一化植被指數（NDVI）數據產品。地表溫度數據來源于MODIS衛星的MOD11A2數據產品，空間分辨率為1 km，時間分辨率為8 d。歸一化植被指數數據來源于MODIS衛星的MOD13A2數據產品，空間分辨率為1 km，時間分辨率為16 d。所下載的上述2個數據產品的時間跨度為2000—2014年，已下載各年6—8月的衛星影像數據。這些數據已經過云污染、大氣、太陽高度角等方面去干擾處理和丟失數據的填補以及拼接、投影等預處理工作，并由當曲流域邊界裁切所得，用以分析當曲流域干旱變化態勢。青藏高原邊界數據來源于相關文獻[26]，當曲流域邊界數據來源于相關文獻[27]。

2.2" 研究方法

2.2.1" TVDI計算方法

溫度植被干旱指數已被研究驗證可表征土壤濕度狀況[23]，并常用來監測干旱狀況[19-20]，特別是對于農業旱災的監測[28-29]。

TVDI計算公式如下

TVDI=（Ts-Tsmin）/（Tsmax-Tsmin）， （1）

Tsmax=a1+b1×NDVI，（2）

Tsmin=a2+b2×NDVI，" （3）

式中：Ts為任意像元的地表溫度，研究中可用已下載LST數據表征；Tsmax為某一NDVI值對應的最高地表溫度，亦稱為Ts-NDVI三角形特征空間的干邊，Tsmin為某一NDVI值對應的最低地表溫度，亦稱為Ts-NDVI三角形特征空間的濕邊[30]。TVDI的閾值為0～1，在閾值范圍內，TVDI的值越大，表征土壤濕度越低，干旱程度越大，旱情越嚴重，反之亦然[28-30]。

2.2.2" 變化趨勢分析

運用ArcGIS軟件的采樣分析工具，在流域中任意采集樣點，并得到這些樣點在不同年份的TVDI值，而后建立以時間為X值、TVDI為Y值的線性回歸分析方程，若X值的系數k在0～0.02，表明TVDI值有增加的趨勢，則研究區域有變干的趨勢，反之，當系數k在-0.02～0，則研究區域有變濕的趨勢。系數k在其余范圍內的，則為異常區域[14]。

2.2.3" 驗證檢驗

溫度植被干旱指數計算出來后，我們將先前布設的儀器監測站點的土壤表層濕度與同時期同地點的溫度植被干旱指數值進行相關性分析，以驗證遙感監測結果的可靠性[14]。

3" 研究結果

3.1" 干旱時空分布

根據TVDI的通用干旱監測標準，將研究區域的TVDI按照0～0.3、0.3～0.5、0.5～0.6、0.6～0.75和0.75～1劃分為5個等級，分別對應濕潤、偏濕、正常、偏旱和干旱。

通過計算可知，2000年以來，長江南源各年植被生長最旺盛季節（6—8月）的TVDI區域均值總體在0.52～0.56波動。從研究區域TVDI均值的各地差異（圖2）來看，干旱和偏旱的區域在當曲流域北部、中部和東北部，占流域面積的33.33%；濕潤和偏濕的區域在當曲流域南部、西南部，占流域面積的37.02%；其余為濕度正常區域。在后續分析中，我們將濕潤和偏濕區域合并統計為濕潤區域，將干旱和偏旱區域合并統計為干旱區域。

從年際變化情況（圖3）來看，濕潤區域在2000—2004年間呈收縮態勢，占流域面積的比重由42.54%下降到35.25%；2004—2011年，呈擴張態勢，占流域面積比重上升到38.84%，2011—2014年呈收縮態勢，占流域面積比重下降到36.79%。干旱區域在同時期的變化態勢與濕潤區域相反。而2000—2014年，正常區域則呈小幅波動上升態勢，占流域面積的比重由23.79%上升到29.29%。總體來看，2011—2014年，濕潤區域呈現出一定程度的收縮態勢。

3.2" 干旱變化趨勢

根據本文研究方法中提及的“變化趨勢分析”方法，可獲得研究區域2000年以來6—8月TVDI的變化趨勢（圖4）。由圖4可知，研究區域內56.41%的區域趨向干旱，41.96%的區域趨向濕潤，趨向干旱的區域所占面積比例高于趨向濕潤的區域所占面積比例，其余區域的變化為異常。

3.3" 干旱監測結果驗證

本文將TVDI計算結果與同時期儀器監測的土壤表層（5 cm深度）濕度進行相關性分析，發現兩者有顯著的相關關系（r=0.773，plt;0.01）。這表明本文計算的TVDI能客觀反映土壤水分狀況，可以作為土壤旱情監測指標，并可為后續農業旱災監測提供相關參考。

4" 結論

本文基于TVDI對2000年以來長江南源植被生長最旺盛季節（6—8月）干旱狀況進行反演和時空分析，并結合儀器實地監測數據對研究結果進行了驗證。主要結果如下。

1）存在顯著的區域差異。2000年以來，在長江南源干旱（TVDI值為0.75～1）和偏旱（TVDI值為0.6～0.75）的區域聚集于北部、中部和東北部，所占面積比例達到長江南源總面積的1/3；濕潤（TVDI值為0～0.3）和偏濕（TVDI值為0.3～0.5）的區域集中在南部、西南部，所占面積比例約為長江南源總面積的37%；長江南源其余約30%的區域為正常區域。

2）具有明顯的時間變化特征。通過由時間和TVDI組成的線性回歸分析方程的系數可知，2000年以來，在長江南源中56.41%的區域趨向干旱，主要集中在西部、南部；41.96%的區域趨向濕潤，聚集于北部、東部；其余1.63%的區域為變化異常區域。TVDI變化具有階段性特征。濕潤區域在2000—2004年、2004—2011年以及2011年以后分別呈現收縮、擴張、收縮的態勢，所占面積比例先由2000年占長江南源總面積的42.54%下降到2004年占長江南源總面積的35.25%，而后上升到2011年占長江南源總面積的38.84%。2011年后，濕潤區域所占長江南源總面積的比例下降到36.79%。

3）TVDI表征土壤旱情可靠性較高。通過將TVDI與儀器監測獲得的土壤表層濕度進行相關性分析可知，兩者顯著相關（r=0.773，plt;0.01），進而表明TVDI可靠性較高，可用于長江南源乃至三江源區干旱監測預警工作。

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基金項目：國家自然科學基金項目（42101293）

第一作者簡介：趙志龍（1988-），男，博士，副教授。研究方向為社會-生態系統干旱脆弱性。

*通信作者：胡曾曾（1989-），女，博士，助理研究員。研究方向為區域可持續發展。