基于VCI的内蒙古生长季干旱变化及对气候响应.pdf
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1、排灌机械工程学报Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering2023年10 月第41卷第10 期Oct.2023Vol.41No.10基于VCI的内蒙古生长季干旱变化及对气候响应曲学斌,金林雪2*,红梅,越昆?,赵子威(1.呼伦贝尔市气象局,内蒙古呼伦贝尔0 2 10 0 8;2.内蒙古生态与农业气象中心,内蒙古呼和浩特0 10 0 51)曲学斌摘要:为有效开展内蒙古干旱监测及抗旱减灾工作,基于2 0 0 0 2 0 2 1年59 月逐月MODIS植被长势产品,计算植被状态指数(vegetation condition ind
2、ex,VCI),结合内蒙古118 个气象站的生长季气温、降水数据,利用Sen趋势分析法、偏相关系数法等分析内蒙古生长季干旱时空变化及其与气象要素的关系.分析结果表明,研究期内内蒙古生长季的VCI整体呈上升趋势,主要上升区位于内蒙古的东南部农牧交错带和西部草原与荒漠过渡区,在人类的正向干扰下这些地区的植被抗旱能力明显提升.变异系数分析可知,春末夏初内蒙古东部地区的干旱风险相对较高,随着夏季到来,干旱高风险区向西移动至内蒙古中部地区,秋季干旱风险范围增大但强度相对减小.降水偏少是内蒙古干旱发生的决定性气象因素,而高温主要与草原干旱的发生密切相关.基于VCI的干旱分析可有效反映区域抗旱能力的提升,为
3、干旱的精细化管理提供科学参考.关键词:干旱;内蒙古;植被状态指数;时空变化;气候响应中图分类号:P49文献标志码:A文章编号:16 7 4-8 530 2 0 2 3)10-10 58-0 7D01:10.3969/j.issn.1674-8530.22.0146曲学斌,金林雪,红梅,等.基于VCI的内蒙古生长季干旱变化及对气候响应J.排灌机械工程学报,2 0 2 3,4110):10 58-10 6 4.QU Xuebin,JIN Linxue,HONG Mei,et al.Drought change in growing season of Inner Mongolia and its
4、response to climate based onVCIJ.Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME),2023,41(10):1058-1064.Drought change in growing season of Inner Mongolia andits response to climate based on VCI开放科学(资源服务)标识码(OSID):QU Xuebin,JIN Linxue?,HONG Meil,YUE Kun,ZHAO Ziweil(1.Hulunbuir Meteoro
5、logical Service,Hulunbuir,Inner Mongolia 021008,China;2.Center of Ecology and Agricultural Meteorology ofInner Mongolia,Hohhot,Inner Mongolia 010051,China)Abstract:In order to effectively carry out drought monitoring and drought relief in Inner Mongolia,thevegetation condition index(VCI)was calculat
6、ed based on the monthly MODIS vegetation growth datafrom May to September in 20002021.By combining the growing season temperature and precipitationdata of 118 meteorological stations in Inner Mongolia,Sen trend analysis and partial correlation coeffi-cient methods were used to analyze the spatial an
7、d temporal variation of drought in the growing seasonof Inner Mongolia and its relationship with meteorological elements.The analysis results show that du-ring the study period,the VCI in the growing season of Inner Mongolia shows an overall upward trend,收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 6;修回日期:2 0 2 2-0 9-15;网络出版
8、时间:2 0 2 3-10-13网络出版地址:https:/ 0 2 3QN05021);内蒙古自治区气象局引导性创新项目(nmqxydcx202205);内蒙古自治区气象局创新项目(nmqxkjcx202319)第一作者简介:曲学斌(19 8 8 一),男,内蒙古呼伦贝尔人,高级工程师(),主要从事气象干旱与生态气象遥感研究.通信作者简介:金林雪(19 8 6 一),女,内蒙古鄂尔多斯人,高级工程师(),主要从事农业气象研究第10 期曲学斌,等基于VCI的内蒙古生长季干旱变化及对气候响应1059for which the main rising areas are located in th
9、e southeastern Inner Mongolian farming-pastoral transi-tion zone and the western grassland-desert transition zone.Under the positive interference of humansthe drought resistance of vegetation in these area is significantly improved.The coefficient of variationanalysis shows that the drought risk in
10、eastern Inner Mongolia is relatively high in late spring and earlysummer.With the arrival of summer,the drought high risk area moves westward to central Inner Mon-golia.The range of drought risk in autumn increases,but the intensity decreases relatively.Low rainfallis the decisive determining meteor
11、ological factor for the occurrence of drought in Inner Mongolia,andthere is a close relationship between high temperature and grassland drought.Drought analysis based onVCI can effectively reflect the improvement of regional drought resistance,and also provide scientificreference for fine-grained dr
12、ought management.Key words:drought;Inner Mongolia;vegetation condition index;temporal and spatial variation;climate response干旱是中国最严重的自然灾害之一,具有持续时间长、影响范围广、灾害损失重等特点!.有效的干旱监测是抗旱减灾的基础,然而传统的干旱监测主要依靠地面观测建立的气象干旱指数2 1.受气象站网密度限制,以及无法反映不同植被抗旱能力差异、灌溉设施投入及临近水源情况等因素影响,精细化程度较差.随着卫星遥感技术的兴起,遥感干旱监测也得到快速发展,按所使用的数据源不同
13、可分为光学遥感干旱监测、高光谱遥感干旱监测、微波遥感干旱监测和多元数据综合干旱监测等3,其中依靠光学遥感开展干旱监测的技术相对成熟,数据源也最为丰富.常用的光学遥感干旱指数包括温度状态指数TCL41、植被状态指数VCT5、温度植被干旱指数TVDI(6、植被供水指数VSWT7等.TCI基于陆面温度LST建立,其算法与VCI相近,但由于地形地貌差异、卫星过境时间和地表热平流因素影响,LST存在不确定性.TVDI 和 VSWI 都是基于归一化植被指数 NDVI和LST构建的,适宜地形平坦、植被覆盖度较高的地区和时段,但统计模型均受时空尺度限制,不同区域的监测结果没有时空可比性.VCI基于植被监测的长
14、时间序列,可以有效避免地理气候和植被分布对干旱监测的影响,适宜在大范围的干旱监测中使用.沙莎等8 对比了几种干旱指数在河南地区的监测差异,表明VCI具有较强指示和监测能力.LI等9 在VCI的基础上结合云光学厚度COT建立了适宜湿润区使用的云区干旱指数CRDI.LIANG等10 利用NOAA/AVHRR遥感数据建立了中国区19 8 1一2 0 15年长时间序列的VCI,并对长期植被干旱时空分布特征进行分析.相比基于NOAA的 VCI指数,基于 MODIS 的 VCI 指数具有更高的空间分辨率,其数据质量更稳定,且数据积累已超过了2 0 a,为今后VCI的干旱分析提供了更精准、更稳定的数据来源。
15、干旱是威胁内蒙古生态系统平衡和经济社会发展最主要的自然灾害,2 0 0 4一2 0 13年内蒙古干旱灾害的直接经济损失占总气象灾害损失的57%,受灾人口和面积均超过其他气象灾害的总和.然而内蒙古的气象站网稀疏,气象干旱监测能力有限,遥感干旱监测业务尚处于起步阶段.通过前期对比4种遥感干旱指数在内蒙古东部地区的监测能力,已表明VCI在生长季中、后期干旱监测中具有明显优势!.因此文中拟利用VCI开展内蒙古生长季干旱变化及对气候响应分析,使其能有效促进VCI干旱监测业务的开展,提升内蒙古的干旱监测能力,对抗旱减灾工作具有重要意义.1资料与方法1.1研究区概况内蒙古地处东亚中纬度内陆(9 7 12 1
16、2 6 0 4E,37245323N),地形狭长,总面积约为1.18 10km,占全国总面积的12.1%,共分为12 个盟市.内蒙古的地表覆盖以草原为主,呼伦贝尔市中部为大兴安岭森林,在大兴安岭两麓、通辽市和赤峰市的东部、巴彦淖尔市黄河灌区等地为耕地,巴彦尔市西部、鄂尔多斯市北部和阿拉善盟是植被稀少的荒漠区12 ,1.2VCI计算方法VCI 的算法主要建立在 NDVI 的基础上,它可以很好地反映非冬眠期的植被对干旱的响应13,其计算公式为NDVI,-NDVIminVCI=NDVI+NDVI式中:NDVImax,NDVImin分别为给定地区同一时段的100,(1)1060排灌机械工程学报第41卷
17、多年最大和最小NDVI值;VCI的取值为0 10 0,其值越小,干旱越严重.根据VCI的算法可知,在研究区内任意点的VCI时间变化序列的最小值和最大值均为0 和10 0,其干旱监测能力与研究期长短关系密切.1.3数据来源结合可获取的遥感资料时长和内蒙古植被生长特点,研究期设定为2 0 0 0 2 0 2 1年59 月内蒙古植被生长季.计算VCI所用的NDVI数据,来自美国国家航空航天局提供的MOD13A3数据集,通过最大值合成法获取的逐月遥感植被产品,空间分辨率为1km.气象数据采用内蒙古境内118 个国家级气象站2 0 0 0 一2 0 2 1年生长季的降水量和平均气温,通过反距离权重法插值
18、成与VCI相同空间分辨率的栅格数据.1.4分析方法VCI的变化趋势分析主要采用Sen趋势分析法,与一元线性回归方法相比,该方法对植被干旱反映更为敏感,具有受异常值影响小,不需要数据服从某种特定分布等诸多优势,其计算公式为(VCI,-VCL)S=median(j-i式中:S为VCI变化趋势;median为数据序列中位数计算符号;i,j为VCI的年份,VCI,和VCI,分别表示第i,j 年对应的NDVI值.当SO时说明NDVI呈增长趋势,反之则为下降趋势,Sen变化趋势的显著性检验采用M-K方法.VCI 的变化稳定性使用变异系数 C 进行分析,其数值越大表明VCI的波动越大,干旱越不稳定,反之则表
19、明干旱整体稳定,计算公式为NZ(VCI,-VCI)/VCI,(3)C=NN-1式中:VCI为VCI的多年同期均值.由于气温和降水本身存在一定的相关性,因此100.0二内蒙古一呼伦贝尔市一兴安盟一通辽市赤峰市550.0VCI对气温、降水的响应分析采用偏相关系数法进行分析,其计算公式为Ri2(3)=(R12-R13R23)/(/1-Ris/1-R2),式中:下角标1代表VCI,2和3则代表气温(或降水),Ri2和R13为VCI与气温(或降水)的相关系数,R23为气温与降水的相关系数,R12(3)则为VCI与气温(或降水)在排除降水(或气温)影响后的偏相关系数.R12(3)的正负分别代表了正相关与负
20、相关,对照相关系数检验表,当 Ri2(3)通过0.0 5水平的显著性检验时达到显著,通过0.0 1水平的显著性检验时达到极显著.2订试验结果与分析2.1VCI 的时空分布内蒙古生长季VCI的平均值为50.0,呼伦贝尔市西部、通辽市南部到赤峰市东部、锡林郭勒盟西北部至阴山以北贺兰山以西、鄂尔多斯市中南部地区的VCI均值小于50.0,属于干旱的相对高发区.各盟市生长季平均VCI的时间变化如图1所示,VCI(2)呈缓慢增加趋势.东部盟市中,由于呼伦贝尔市境内大兴安岭森林对全市平均VCI具有稳定作用,变化相对平缓,其他3个盟市生长季VCI变化有较高一致性.彭建14 对内蒙古东部干旱的研究表明,2 0
21、0 0年以后干旱最重为2 0 0 7 年,与VCI 监测结果大致相同.中部4个盟市在2 0 12 年以前VCI的变化一致性较高,之后呼和浩特市的VCI变化与其他3个盟市差异增加.中部在2 0 0 1,2 0 0 7,2 0 10 年VCI明显降低,有严重干旱发生,而2 0 0 3,2 0 13,2 0 18 年VCI较高,干旱影响不大,与白庆坤等15 对蒙古高原草地干旱的研究结果基本一致.西部4个盟市生长季VCI的最低值均出现在2 0 0 1年,主要干旱年份与中部盟市接近.3个区域相比东部和西部盟市的VCI增加趋势较为明显,中部盟市VCI则以波动为主.100.0一锡林郭勒盟二乌兰察布市100.
22、0一鄂尔多斯市一巴彦淖尔市一呼和浩特市一包头市一乌海市50.0(4)阿拉善盟50.002000Fig.1 Annual variations of VCI in growing season in Inner Mongolia and other cities from 2000 to 2021020052010 201520202022年份(a)全内蒙古和东部盟市020002005(b)中部盟市图12 0 0 0 2 0 2 1年内蒙古及各盟市生长季VCI的年变化2010 201520202022年份200020052010201520202022年份(c)西部盟市第10 期曲学斌,等基于V
23、CI的内蒙古生长季干旱变化及对气候响应10612.2VCI的变化趋势20002021年,内蒙古生长季VCI的Sen变化趋势S和M-K检验结果如图2 所示.生长季VCI的平均年变化倾向率为1.8 a,干旱情况明显改善.各盟市中鄂尔多斯市的平均年倾向率最高(3.0/a),通辽市次之(2.5/a),最低为锡林郭勒盟(1.3/a),呼伦贝尔市次之(1.4/a).显著性检验表明,生长季VCI呈增加趋势的面积占比达到内蒙古总面积的92.4%,极显著增加为35.6%,显著增加为15.8%,显N著和极显著减少的面积占比仅为0.9%.从分布上,VCI显著和极显著增加的区域主要位于内蒙古东西两侧,东部VCI增加区
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