基于TVDI的衡邵盆地干旱監測分析

李涵茂 賀紅志 陳健翔 唐語馨 韓 波

（1.湖南省衡陽市農業氣象試驗站，湖南 衡陽 421001；2.衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421001；3.氣象防災減災湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410118）

0 引言

衡邵盆地是湖南湘中盆地群衡陽盆地和邵陽盆地的統稱，所轄范圍主要包括衡陽市、邵陽市、婁底市全境及永州市北部共33 個縣級行政區。衡邵盆地受到地形、海拔高度、大氣環流等多重因素影響［1］，歷年來，夏季干旱發生較重，素有“十年九旱”之稱，是湖南省干旱區之首。該區域是湖南省糧食主產區，降水季節分配不均，年際變化明顯，已成為制約其經濟發展的重要因素。

溫度植被干旱指數（Temperature Vegetation Dryness Index，TVDI）是指以歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）與地表溫度（Land Surface Temperature，LST）為基礎，對土壤濕度進行反演。TVDI由于其計算過程簡單、基礎數據容易獲得、土壤濕度數據反演精度較高等特點，在區域尺度上土壤濕度的反演和監測［2-3］和農業干旱的監測中應用廣泛［4-5］。有學者通過應用TVDI分析區域干旱時空變化特征，發現其能很好地反映氣象干旱和農業干旱的情況［6-7］。

本研究通過NDVI和LST構建TVDI指數，并應用到衡邵盆地的干旱監測中。擬通過分析衡邵盆地TVDI的時空變化特征，進一步反映衡邵盆地干旱發生發展的時空變化特征；分析衡邵盆地TVDI空間分布特征與降水量分布特征的相關性，進一步驗證TVDI與降水量的關系。研究成果可為衡邵盆地干旱監測提供技術支撐，為干旱的氣象防災減災提供保障。

1 研究區域

衡邵盆地屬亞熱帶季風濕潤氣候區，氣候溫暖，四季分明，熱量充沛。年平均氣溫為17.0～18.0 ℃，多年平均降水量為1 325 mm，多年平均水面蒸發量為765.3 mm，年內5月至10月蒸發量較大，占全年的71.8%。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本研究選擇MODIS 數據的中國合成產品MODND1M 和MODLT1M 構建TVDI，數據來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/），時間范圍為2001—2013年。TVDI的計算過程中應用投影轉換、重采樣、裁剪等方法，最后應用IDL 編程，獲得研究區域的TVDI值。應用2001—2010年的NDVI月值計算出月平均NDVI值。

2.2 TVDI的計算

Price 等［8］研究發現，當研究區植被覆蓋滿足從裸地到完全植被覆蓋時，植被指數和地表溫度構成的散點圖呈現出三角形。Sandholt 等［9］基于植被指數和地表溫度提出了溫度植被干旱指數（TVDI），并通過分析驗證了該指數在土壤水分的監測中有較好效果，能有效反映當地農業干旱的情況。TVDI計算公式為式（1）至式（3）。

式中：LSTmax和LSTmin分別為相同植被指數像元中的最大和最小地表溫度，即特征空間的干邊和濕邊；a1、b1、a2、b2分別為干邊、濕邊擬合系數。

TVDI值的變化范圍為0～1，TVDI值越大，反映出干旱程度明顯且嚴重；TVDI值越小，說明該區域較為濕潤。TVDI值越小，土壤濕度越高，反之土壤濕度越低［10］。本研究采用的TVDI分級標準見表1［11］。

表1 TVDI干旱等級劃分標準

2.3 數據分析

應用WPS Office 2019、Arcgis 10.0 和ENVI5.5 軟件完成數據處理和制圖。

3 結果與分析

3.1 NVDI變化特征

2013年6月至9月衡邵盆地NDVI值變化特征如圖1 所示。由圖1 可知，2013 年7 月部分地區的NDVI值略低于6月；2013年8月大部分地區NDVI值明顯低于6 月和7 月；2013 年9 月大部分地區NDVI值較8月有所增大，仍較為明顯低于6月和7月。

圖1 2013年6月至9月衡邵盆地NDVI值變化特征

3.2 NVDI距平值變化特征

2013年6月至9月衡邵盆地NDVI距平值變化特征如圖2所示。由圖2可知，2013年6月衡陽東部以及邵陽西南部分地區的NDVI值開始低于歷年值；2013 年7 月衡邵盆地大部分地區的NDVI值低于歷年值；2013年8月衡邵盆地90%以上的地區NDVI值低于歷年值；2013年9月仍有大部分地區NDVI值低于歷年值，低值區面積明顯小于8月，略小于7月。

圖2 2013年6月至9月衡邵盆地NDVI值距平值

3.3 TVDI值變化特征

2013年6月至9月衡邵盆地TVDI值變化特征如圖3 所示。2013 年6 月衡邵盆地的中部地區出現了輕-重度干旱；7 月除西南部未出現干旱外，其他大部分地區發生重度干旱；8 月衡邵盆地旱情有所緩解，大部分地區仍有輕-重度的旱情；9 月衡陽大部分地區仍維持重度干旱，衡邵盆地其他地區旱情得到緩解或解除。

圖3 2013年6月至9月衡邵盆地TVDI值變化特征

3.4 氣象條件

根據氣象災害監測情況，湖南省2013 年夏旱始于6 月中旬中期，6 月底強度迅速加重，7 月底至8 月中旬為最強盛時段，重旱范圍在50%以上［12］。自2013 年6 月29 日起，湘中地區開始出現高溫，之后高溫在全省范圍逐漸發展，截至8月14日，湖南省出現了全省性、持續時間最長的高溫天氣過程。隨著8 月14 日開始的臺風“尤特”外圍云系對湖南的影響，湖南省自南向北高溫天氣逐漸得到緩解，并出現了降水天氣過程；至8月19日，全省性的高溫天氣基本得到解除［13］。持續高溫少雨天氣，導致農田蒸散量大，山塘水庫缺水嚴重，無法滿足農田灌溉需要，導致農業干旱發展迅速，衡邵盆地出現了特大農業干旱。

2013 年6 月29 日至8 月19 日，衡邵盆地降水量為13.6～175.4 mm 之間，降水量距平在-32.3%～93.7%之間（如圖4 所示）。大部分地區的降水量在110 mm 以下，較歷年偏少56.0%以上，有1/3 的縣市降水量偏少80.0%以上。降水量嚴重偏少，長時間的持續高溫，最終導致衡邵盆地干旱的嚴重發生發展。

圖4 2013年6月29日至8月19日衡邵盆地降水情況

4 結論與討論

通過干旱實況監測，2013 年衡邵干旱盆地干旱發生的最強時段為7 月底至8 月中旬。分析發現：2013 年8 月衡邵盆地的NDVI值出現明顯的降低，8月衡邵盆地NDVI距平值也明顯低于正常年份；TVDI值顯示干旱發生的最強時段在7 月，也能很好地監測到干旱發生發展到解除的過程。應用TVDI值監測干旱發生情況與區域降水量進行對比發現，TVDI監測的干旱發生區域與降水量嚴重偏少的區域具有很好的吻合性。TVDI監測的干旱發生區域主要集中在衡邵的中間盆地農業耕作區，四周的山區發生弱，能間接地反映農業干旱發生情況。

本研究應用MODIS 數據的中國合成產品的月數據，構建了TVDI值進行干旱的監測分析。研究發現，TVDI能很好地監測2013年衡邵盆地的干旱發生發展情況，為衡邵盆地的干旱監測與評估提供了新的方法與途徑。本研究應用的數據為月尺度的數據，后期需進一步做好更短時間尺度數據的應用，以便更為動態地監測干旱的發生發展情況，提高干旱監測預警的時效性、精準性和實用性。