張 翔，王 勇

（1.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都610031；2.南京信息工程大學 遙感學院，江蘇 南京210044）

NDVI對氣候因子的響應(yīng)研究

張 翔1，王 勇2

（1.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都610031；2.南京信息工程大學 遙感學院，江蘇 南京210044）

利用東北地區(qū)氣象站點的氣溫、降水數(shù)據(jù)和GIMMS NDVI數(shù)據(jù)，采用趨勢分析、相關(guān)分析方法，基于GIS技術(shù)分析了東北地區(qū)氣候因子（氣溫、降水）、NDVI的變化趨勢及其偏相關(guān)關(guān)系，并研究了不同氣候區(qū)NDVI對氣候因子的敏感性。

植被指數(shù)； 氣候因子 ；東北地區(qū)

歸一化植被指數(shù)（NDVI）是多種植被指數(shù)中應(yīng)用最多最廣泛的一種，是植物生長狀態(tài)及其植物空間分布密度的最佳指示因子。研究氣候因子對植被指數(shù)影響，對合理開發(fā)利用保護植被資源、土地資源，揭示氣候變化的規(guī)律、監(jiān)測氣候環(huán)境有重要意義。Kawabata等對1982～1990年全球尺度植被的年際變化趨勢進行分析[1]。Weiss等研究了美國新墨西哥中部植被NDVI與主要氣候因子的季節(jié)性與年際關(guān)系[2]。李曉兵等利用中國主要植被類型的遙感特征參數(shù)分析了NDVI在生長季中的動態(tài)變化與同期氣溫、降水變化的關(guān)系[3]。李震等分析了西北地區(qū)植被變化與溫度、降水變化的關(guān)系[4]。陳懷亮等利用中國黃淮海地區(qū)1981～2001年的NOAA/AVHRR NDVI衛(wèi)星遙感資料、植被分類資料和氣候資料，選擇森林、草原、草甸、農(nóng)田等植被類型，研究了該區(qū)域NDVI季節(jié)與年際動態(tài)變化過程及與氣候變化過程的關(guān)系[5]。

本文以東北地區(qū)為例,分析氣候因子、NDVI的變化規(guī)律，通過計算NDVI與氣溫、降水之間的偏相關(guān)系數(shù)來表征植被與氣候變化的相關(guān)性。

1 資料處理與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

研究區(qū)域為遼寧省、吉林省、黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東部的中國東北地區(qū)。

研究區(qū)域NDVI數(shù)據(jù)來源于GIMMS NDVI數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集包括了1981～2006年間的全球植被指數(shù)變化，格式為ENVI標準格式，投影為Albers其時間分辨率是15 d，空間分辨率8 km。利用東北地區(qū)矢量圖層對研究區(qū)域1982～2006年的NDVI值進行提取。

氣象數(shù)據(jù)選自研究區(qū)內(nèi)100個氣象站點1982～2006 年日平均氣溫和降水觀測資料。對日平均氣溫逐年求取平均值得到年平均氣溫數(shù)據(jù)，日降水數(shù)據(jù)逐年求和得到年降水量數(shù)據(jù)。利用氣象站點的經(jīng)緯度坐標向ArcGIS導入氣象站點，導出氣象站點shp格式，并進行矢量數(shù)據(jù)的投影和變換，最終輸出與NDVI影像投影一致的矢量數(shù)據(jù)。利用ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊（Geostatistical Analyst），對氣候數(shù)據(jù)進行空間插值處理和參數(shù)優(yōu)化，獲取像元大小與NDVI 數(shù)據(jù)一致、投影相同的氣候要素柵格數(shù)據(jù)。由于氣溫數(shù)據(jù)的變化趨勢較為連續(xù)平緩，采用克里金插值，插值時考慮各項異性，而降水具有一定的區(qū)域性，選擇局部2次多項式進行插值。

1.2 研究方法

本文將NDVI及氣候因子變量看作是時間的函數(shù)，采用一元線性回歸模型分析NDVI、氣候因子趨勢變化規(guī)律，并進行顯著性檢驗。

回歸方程為：

式（2）中，n為研究時段年數(shù)；Xi為待分析變量[6]。

采用NDVI與氣溫、降水之間的偏相關(guān)系數(shù)來表征植被與氣候變化的相關(guān)性。并用t檢驗法對偏相關(guān)系數(shù)的顯著性進行檢驗[7]：

本文利用NDVI柵格圖與氣象要素柵格圖逐像元進行相關(guān)分析，得到氣象因子與NDVI的偏相關(guān)系數(shù)的空間分布圖，由此從空間上來定量判斷氣候因子與NDVI的相關(guān)性。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 氣溫、降水、NDVI的趨勢變化規(guī)律

1982～2006年東北地區(qū)年均氣溫，除富錦站外均呈上升趨勢，并且大部分站點通過0．01顯著性檢驗，說明東北地區(qū)的氣溫普遍呈現(xiàn)上升趨勢，如圖1a。同時，絕大部分站點的年降水量呈下降趨勢，其中大興安嶺一帶、三江平原、遼東半島部分站點通過0．01顯著性檢驗（圖1b）。NDVI的變化規(guī)律與東北地形、地貌、自然地理區(qū)劃有一定的關(guān)系。其中，大興安嶺南部以東的內(nèi)蒙古高原、松嫩平原、遼河平原的絕大部分地區(qū)NDVI呈現(xiàn)上升趨勢。尤其在松嫩、遼河平原地區(qū)，上升趨勢顯著。而大興安嶺北部、三江平原、長白山一帶NDVI呈現(xiàn)下降趨勢，其中大興安嶺北部與松嫩平原交界處、長白山以北下降趨勢顯著，如圖1c、圖1d。

圖1 氣溫、降水、NDVI趨勢傾向率(a、b、c)及通過檢驗區(qū)域(d)

2.2 NDVI與氣溫、降水的相關(guān)性

計算研究區(qū)1982～2006年NDVI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，大興安嶺北部以西的呼倫貝爾大草原一帶，NDVI與氣溫呈負相關(guān)（如圖2）。該區(qū)為典型的寒溫帶落葉針葉林區(qū)域，氣溫有升高的趨勢，而降水和NDVI呈現(xiàn)出下降趨勢（如圖1）。該區(qū)域植被可能由于氣溫上升和降水減少，導致對氣候變化不適應(yīng)，而呈現(xiàn)出氣溫上升NDVI減少的負相關(guān)關(guān)系。而大興安嶺以東地區(qū)的NDVI與氣溫呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，平原地區(qū)相關(guān)性顯著（尤其遼河平原），但大小興安嶺地區(qū)、長白山部分地區(qū)NDVI與氣溫的相關(guān)關(guān)系稍弱（如圖2）。NDVI年平均值與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)分布與氣溫的空間分布規(guī)律相似，NDVI與氣溫的相關(guān)性正負交界線大致在0℃等溫線附近。-1℃～2℃范圍內(nèi)，NDVI與氣溫的相關(guān)性并不明顯，當氣溫小于-3℃，NDVI與氣溫呈負相關(guān)，而當氣溫大于5℃，NDVI與氣溫的相關(guān)性呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)。說明不同的氣溫范圍，NDVI對氣溫響應(yīng)的敏感程度不同。

圖2 NDVI與氣溫偏相關(guān)系數(shù)空間分布

全區(qū)NDVI與降水的相關(guān)性分布與地形地貌、自然地理區(qū)劃、植被分布有一定的聯(lián)系。區(qū)域內(nèi)NDVI與降水均表現(xiàn)出較高的正相關(guān)性。從偏相關(guān)系數(shù)空間分布和通過0．05檢驗的情況來看，平原地區(qū)NDVI與降水的相關(guān)性稍低，尤其是松嫩平原和遼河平原，該區(qū)域水系較多，土壤含水量較高，并且植被以一年一熟糧食作物和耐寒經(jīng)濟作物為主[8]，受人工灌溉影響較大，因此與降水影響較小。而大興安嶺南部以西的內(nèi)蒙古高原處于中溫帶干旱區(qū)，植被以溫帶叢生矮禾草、矮半灌木草原為主，因而NDVI與降水呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性；以溫帶、亞熱帶落葉闊葉林、落葉灌叢、矮林為主，處于500～600 mm降水線范圍內(nèi)的大興安嶺以北-小興安嶺-長白山一帶，NDVI與降水的相關(guān)性也很明顯（如圖3）。

圖3 NDVI與降水偏相關(guān)系數(shù)空間分布

2.3 不同氣候區(qū)劃NDVI與氣溫、降水的年際變化規(guī)律和相關(guān)性

將1982～2006年的NDVI、氣溫、降水求25 d平均值，并利用氣候區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)進行分區(qū)統(tǒng)計柵格的平均值，分析不同氣候區(qū)劃NDVI、氣溫、降水的年際變化曲線和它們之間的關(guān)系。從數(shù)值大小看，濕潤區(qū)NDVI普遍高于干旱區(qū)（如圖4）。從相關(guān)性看，暖溫帶亞濕潤區(qū)、中溫帶干旱、亞干旱區(qū)與氣溫、降水的相關(guān)性均為正，且顯著。而寒溫帶濕潤區(qū)、中溫帶濕潤、亞濕潤區(qū)NDVI與降水呈相關(guān)性為負，且不顯著，如表1。綜上，濕潤區(qū)域植被狀況好于干旱區(qū)，干旱區(qū)域NDVI與降水呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，植被對降水更為敏感。

表1 不同氣候區(qū)劃NDVI與氣溫、降水偏相關(guān)系數(shù)

圖4 不同氣候區(qū)劃NDVI、氣溫、降水年平均值變化曲線

3 結(jié) 語

本文進行了氣象因子、NDVI趨勢分析，計算了NDVI與氣溫、降水之間的偏相關(guān)系數(shù)，分析了不同氣候區(qū)劃NDVI、氣象因子的年際變化規(guī)律及其相關(guān)性。

1）東北地區(qū)年均氣溫普遍呈現(xiàn)顯著上升趨勢，絕大部分區(qū)域年降水量呈下降趨勢。松嫩平原、遼河平原一帶NDVI與氣溫變化趨勢相同，均為上升。而大興安嶺北部、三江平原、長白山一帶地區(qū)NDVI與降水變化趨勢相同，均為下降。

2）NDVI受氣溫影響大于降水的區(qū)域主要集中在平原地區(qū)，呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，且不同氣溫范圍NDVI對氣溫的響應(yīng)敏感程度不同。全區(qū)NDVI與降水呈正相關(guān)性，且山地區(qū)域和干旱區(qū)域NDVI受降水影響大于氣溫。這可能由于平原內(nèi)水系較多，土壤含水量較高，植被以經(jīng)濟作物為主，受人工灌溉影響較大，而造成該片區(qū)域NDVI對降水響應(yīng)稍弱的現(xiàn)象。

3）在不同的氣候區(qū)劃中，濕潤區(qū)NDVI＞干旱區(qū)NDVI，干旱區(qū)域NDVI與降水呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，說明相對于濕潤區(qū)，干旱區(qū)植被對降水更為敏感。

[1] Kawabata A， Ichii K， Yamaguchi Y． Global Monitoring of the Interannual Changes in Vegetation Activities Using NDVI and Its Relationships to Temperature and Precipitation [J]． International Journal of Remote Sensing，2001(22): 1 377-1 382

[2] Weiss J L，Gutzler D S，Coonrod J E，et al． Seasonal and Inter-Annual Relationships between Vegetation and Climate in central New Mexico，USA[J]． Journal of Arid Environments，2004(57):507-534

[3] 李曉兵，史培軍．中國典型植被類型NDVI動態(tài)變化與氣溫、降水變化的敏感性分析[J]． 植物生態(tài)學報，2000,24(3)379-382

[4] 李震，閻福禮，范湘濤．中國西北地區(qū)NDVI變化及其與溫度和降水的關(guān)系[J]．遙感學報，2005,9(3):8-13

[5] 陳懷亮，鄒春輝，劉玉潔，等． 1981～2001年中國黃淮海地區(qū)植被 NDVI 變化特征及其與氣候的關(guān)系[C]．中國氣象學會，2005

[6] 魏鳳英．現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù)[M]． 北京：氣象出版社,1999

[7] 徐建華．現(xiàn)代地理學中的數(shù)學方法 [M]． 北京：高等教育出版社，2002

[8] 周琳．東北氣候[M]．北京：氣象出版社,1991

P208

B

1672-4623（2014）06-0039-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.06.014

張翔，碩士，研究方向為地圖學與地理信息系統(tǒng)。

2013-07-10。