溫國(guó)濤，白建軍，孫嵩松

(1.陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院， 陜西 西安 710119； 2.地理學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，陜西師范大學(xué)，陜西 西安 710119)

干旱的波及范圍廣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1]。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，干旱成為威脅我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展和造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失的重要因素,尤其是在干旱頻發(fā)的西北和華北地區(qū)[2]。陜西省地處我國(guó)西北地區(qū)東部生態(tài)環(huán)境脆弱帶上，自然災(zāi)害發(fā)生頻繁，干旱是陜西省對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)尤其是對(duì)農(nóng)業(yè)危害最大的氣象災(zāi)害之一[3]。因此，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于干旱的監(jiān)測(cè)以及研究都是政府部門和相關(guān)學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測(cè)方法主要是對(duì)監(jiān)測(cè)站的單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，監(jiān)測(cè)速度慢、范圍有限。并且由于土壤水分分布不均，單點(diǎn)采樣具有隨機(jī)性，要代表較大范圍內(nèi)土壤水分的分布狀況是不準(zhǔn)確的，因此，難以滿足大區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)的需求[4]。近年來(lái)，遙感技術(shù)以其客觀、及時(shí)、經(jīng)濟(jì)、覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)的不足，已被證明是干旱監(jiān)測(cè)中最具前景的技術(shù)手段。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)干旱遙感監(jiān)測(cè)做了大量的研究[5-7],相關(guān)學(xué)者已經(jīng)發(fā)展了一系列的干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)：如歸一化植被指數(shù)NDVI(normalized differential vegetation index)、植被狀態(tài)指數(shù)VCI(vegetation condition index)、溫度狀態(tài)指數(shù)TCI(temperature condition index)以及溫度植被干旱指數(shù)TVDI(temperature vegetation drought index)等，其中，溫度植被干旱指數(shù)應(yīng)用較多[8-9]。同時(shí)，隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外適用于干旱監(jiān)測(cè)的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源越來(lái)越豐富，而MODIS傳感器因其高光譜分辨率、高時(shí)間分辨率、適中的空間分辨率等特點(diǎn)，在干旱監(jiān)測(cè)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

基于像元水平進(jìn)行干旱變化分析對(duì)區(qū)域旱情監(jiān)測(cè)具有重要意義，國(guó)內(nèi)多位學(xué)者進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究。楊勝天[10]基于AVHRR數(shù)據(jù)對(duì)黃河流域1982—1998年的干旱變化狀況進(jìn)行了分析。杜靈通[11]采用一元線性回歸分析和集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解等方法研究了寧夏2000—2010年旱情變化特征。王婷婷[12]利用趨勢(shì)線法對(duì)2002—2009年每年8月份的TVDI值進(jìn)行回歸分析，來(lái)研究2002—2009年松遼平原的干旱變化趨勢(shì)。目前對(duì)于遙感反演的TVDI變化趨勢(shì)研究也主要采用一元線性回歸的方法，而線性回歸規(guī)避誤差能力較弱[13]。

與線性趨勢(shì)擬合相比，Theil-Sen Median趨勢(shì)法能夠避免數(shù)據(jù)缺失對(duì)分析結(jié)果的影響，同時(shí)能夠剔除異常值對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的干擾，對(duì)較短時(shí)間序列分析具有可靠性[14]，在遙感監(jiān)測(cè)植被覆蓋度的相關(guān)研究中得到了較好的應(yīng)用[15-17],為此，本文將Theil-Sen Median趨勢(shì)分析法用于旱情的變化分析，研究陜西省近11 a來(lái)TVDI的時(shí)空演變特征，并探討其與氣象因子的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省地處我國(guó)西北內(nèi)陸地區(qū)，位于31°42′～39°35′N，105°29′～111°15′E之間，境內(nèi)有高原、山地、平原、盆地等多種地形，河流交錯(cuò)，自然環(huán)境復(fù)雜[18]。總體地勢(shì)是南北高，中間低，同時(shí)呈現(xiàn)西高東低的特點(diǎn)，特殊的地勢(shì)將陜西省分為三大自然區(qū)域：北部陜北高原地區(qū)，中部關(guān)中平原地區(qū)，南部主要為秦巴山區(qū)。陜西省橫跨三個(gè)氣候帶，南北氣候差異較大，陜北北部長(zhǎng)城沿線屬中溫帶氣候，關(guān)中及陜北大部屬暖溫帶氣候，陜南屬北亞熱帶氣候。陜西省經(jīng)常遭受干旱、冰雹、干熱風(fēng)等災(zāi)害性天氣的影響，其中干旱災(zāi)害是陜西省近年來(lái)遭遇到的主要災(zāi)害。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

MODIS數(shù)據(jù)波段范圍廣，時(shí)間分辨率高，對(duì)實(shí)時(shí)地球觀測(cè)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。本研究所使用的MODIS遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心(http://www.gscloud.cn)。本文采用的是該網(wǎng)站提供的MODIS中國(guó)合成產(chǎn)品中的地表溫度月合成產(chǎn)品MODLT1M以及NDVI月合成產(chǎn)品MODND1M，兩種產(chǎn)品的空間分辨率均為1 km，時(shí)間為2004年1—12月，并根據(jù)需要用陜西省矢量邊界對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，以提取陜西省11 a月地表溫度數(shù)據(jù)和NDVI數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù)和土壤濕度數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。本文選用的氣象數(shù)據(jù)是該網(wǎng)站提供的中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集中的歷史氣象數(shù)據(jù)，包括陜西省境內(nèi)平均分布的20個(gè)基本地面氣象觀測(cè)站搜集的月平均氣壓、月平均氣溫、月降水量、月平均風(fēng)速、月平均水汽壓、月平均相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，時(shí)間為2004年1—12月。土壤濕度數(shù)據(jù)選用的是中國(guó)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集，包括20個(gè)土壤站點(diǎn)的10、20 cm土壤濕度旬值數(shù)據(jù)，時(shí)間從2004年到2013年。氣象站點(diǎn)和土壤濕度站點(diǎn)分布如圖1所示，其中有9個(gè)是重復(fù)站點(diǎn)，包含土壤數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)概況

Fig.1 Location map of study area

1.3 研究方法

1.3.1 溫度植被干旱指數(shù) 國(guó)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)如果研究區(qū)的植被覆蓋包含從裸地到植被全覆蓋，土壤濕度包含從極干旱到極濕潤(rùn)的各種情況，那么以遙感獲得的NDVI和地表溫度(Ts)為橫縱坐標(biāo)組成的散點(diǎn)圖呈三角形[19-20]或者梯形[21-22]，即Ts-NDVI特征空間。Sandsolt等[23-24]基于Ts-NDVI特征空間，提出了一種簡(jiǎn)化的溫度植被干旱指數(shù)TVDI，它是以衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到的地表溫度Ts與植被指數(shù)NDVI為基礎(chǔ)，TVDI與土壤濕度直接相關(guān)，是表征植被受水分脅迫的指標(biāo)，可表示為：

(1)

式中，Ts代表任意像元的地表溫度；Tsmin代表某一NDVI對(duì)應(yīng)的最低地表溫度，即濕邊；Tsmax代表某一NDVI對(duì)應(yīng)的最高地表溫度，即干邊。TVDI的取值為0～1之間，TVDI取值越接近于1，則該像元越干旱，TVDI越接近于0，則該像元越濕潤(rùn)。干濕邊方程可表示為：

Tsmax=a1+b1×NDVI

(2)

Tsmin=a2+b2×NDVI

(3)

式中，a1、a2、b1、b2為方程擬合系數(shù)。為了減小NDVI飽和對(duì)結(jié)果的影響，本文選取0.2～0.8范圍內(nèi)的NDVI進(jìn)行特征空間干濕邊的擬合[25]。

1.3.2Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)Theil-SenMedian趨勢(shì)分析原理[26]：衡量趨勢(shì)大小的指標(biāo)為

(4)

式中，1

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)的原理：對(duì)于時(shí)間序列X，Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量如下：

(5)

其中，xj為時(shí)間序列的第j個(gè)數(shù)據(jù)值；n為數(shù)據(jù)樣本的長(zhǎng)度；sgn是符號(hào)函數(shù)，其定義如下：

(6)

(7)

其中，ti是第i組數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目。標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Zc，按照如下公式計(jì)算：

(8)

即：Zc服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)的方法是零假設(shè)H0：β=0，當(dāng)Zc>Z(1-?)/2時(shí)，拒絕零假設(shè)。其中Z(1-?)/2為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，?為顯著性檢驗(yàn)水平。

1.3.3 濕潤(rùn)指數(shù)計(jì)算 濕潤(rùn)指數(shù)(Wt)能較客觀地反映某一地區(qū)的水熱平衡狀況，是降水量與潛在蒸散量之比，是判斷某一地區(qū)氣候干濕程度的指標(biāo)[29]。年濕潤(rùn)指數(shù)的計(jì)算公式為：

(9)

式中，R是年降水量(mm)；∑ETi為月可能蒸散量之和，某一地區(qū)的濕潤(rùn)指數(shù)越大，則表明該區(qū)氣候越濕潤(rùn)；而濕潤(rùn)指數(shù)越小，則氣候越干燥。ETi的計(jì)算采用劉多森[30]等提出的月可能蒸散量動(dòng)力學(xué)模型的改進(jìn)形式：

(10)

式中，i是月份；Pi是月平均氣壓(mbar)；ti是月平均氣溫(℃)；di是月的天數(shù)，Ui是在10～12 m高度處觀測(cè)的月平均風(fēng)速(m·s-1)；ωoi是溫度為ti時(shí)的飽和水汽壓(mmHg)，而hi是月平均相對(duì)濕度。本次研究共獲得陜西省20個(gè)氣象站點(diǎn)11 a的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 TVDI特征空間及驗(yàn)證性評(píng)價(jià)

利用IDL編程，在NDVI為0～1的范圍內(nèi)，以0.01為步長(zhǎng)，求算相同NDVI下所有不同像元對(duì)應(yīng)的最大地表溫度和最小地表溫度，得到11a132個(gè)時(shí)間段的Ts/NDVI特征空間。對(duì)每期特征空間的干邊和濕邊進(jìn)行線性擬合，計(jì)算TVDI值。以TVDI年均值較大的2007年為例，表1為2007年每月的特征空間干濕邊擬合方程，從干濕邊的擬合結(jié)果來(lái)看，NDVI與地表溫度Ts的最大值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性顯著，即干邊方程斜率為負(fù)，線性擬合效果好。而NDVI和地表溫度Ts的最小值呈弱相關(guān)關(guān)系或不具有相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明地表溫度的最小值隨NDVI變化較小。

表1 2007年Ts-NDVI特征空間干濕邊擬合方程Table 1 The dry and wet edges in Ts/NDVI space estimated by linear regression for 2007

利用陜西省境內(nèi)分布的20個(gè)土壤濕度站點(diǎn)的實(shí)測(cè)土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行TVDI監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證。利用土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)計(jì)算土壤濕度年均值。并將土壤濕度年均值與各土壤站點(diǎn)周圍3×3像元的TVDI年均值做相關(guān)性分析(圖2，圖3)，從圖2和圖3可以看出，TVDI與10、20cm土壤相對(duì)濕度均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.392和0.344。這說(shuō)明TVDI能夠反映土壤水分狀況，作為旱情評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定的合理性[31-33]。

圖2 TVDI與10 cm土層土壤相對(duì)濕度的關(guān)系 Fig.2 Relationship between TVDI and soil relative humidity in 10 cm depth

圖3 TVDI與20 cm土層土壤相對(duì)濕度的關(guān)系

Fig.3 Relationship between TVDI and soil relative humidity in 20 cm depth

2.2 干旱的空間分布特征

以TVDI作為干旱分級(jí)指標(biāo)，采用齊述華等[34-36]用于干旱半干旱地區(qū)的干旱等級(jí)劃分方法，將干旱狀況劃分為五種類型(表2)。

表2 TVDI干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn) Table 2 Criteria for classification of drought with TVDI

對(duì)11 a中陜北、關(guān)中、陜南三個(gè)地區(qū)的各月TVDI進(jìn)行干旱等級(jí)劃分，并分別統(tǒng)計(jì)各干旱類型的出現(xiàn)頻率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 11 a各干旱類型出現(xiàn)頻率/% Table 3 Occurrence frequency of each drought type

從各干旱類型頻率統(tǒng)計(jì)來(lái)看，陜西省干旱發(fā)生次數(shù)由北向南呈遞減趨勢(shì),三個(gè)地區(qū)的干旱發(fā)生頻率分別為68.2%、53.8%和22.7%，其中以輕度干旱為主，輕度干旱發(fā)生頻率分別為62.1%、51.5%和22.7%。重度干旱主要發(fā)生在陜北、關(guān)中地區(qū)，其發(fā)生頻率分別為6.1%和2.3%，陜北、關(guān)中地區(qū)在11 a中有超過(guò)一半的月份處于干旱狀態(tài)，干旱較為嚴(yán)重。陜南地區(qū)在11 a中有接近一半的月份干旱等級(jí)為正常，而處于濕潤(rùn)狀態(tài)的頻率為28%，高于發(fā)生干旱的頻率，陜南地區(qū)干旱等級(jí)整體上為正常偏濕潤(rùn)，這與陜南秦巴山區(qū)氣候濕潤(rùn)，降水較為豐沛有關(guān)。

2.3 干旱的時(shí)間變化特征

為了研究2004—2014年陜西省總體干旱狀況的變化特征，取每年月TVDI的平均值代表年均TVDI，作年均TVDI變化圖(圖4)。從年均TVDI的變化情況來(lái)看,11 a中陜西省的陜北、關(guān)中、陜南三個(gè)地區(qū)的TVDI均呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì)。為了進(jìn)一步說(shuō)明其變化的趨勢(shì)及顯著性等特點(diǎn)，利用一元線性回歸方法對(duì)不同地區(qū)的TVDI進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表4。

從回歸方程的斜率來(lái)看，三個(gè)地區(qū)的回歸方程斜率均為負(fù)，說(shuō)明11 a來(lái)各地區(qū)TVDI值均在減小。其中陜北地區(qū)TVDI變化最大，其次是陜南地區(qū)，TVDI變化最小的是關(guān)中地區(qū)。而從變化的顯著性來(lái)看，關(guān)中地區(qū)TVDI變化的顯著性較陜北地區(qū)和陜南地區(qū)弱，但三個(gè)地區(qū)的回歸方程均通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn) ，說(shuō)明整體上陜西省TVDI在2004—2014年之間呈現(xiàn)出減小的狀態(tài)，全省的干旱狀況總體上呈減弱的趨勢(shì)。

圖4 2004—2014年陜西省TVDI年際變化 Fig.4 Annual variation of TVDI from 2004 to 2014 in Shaanxi表4 不同區(qū)域TVDI的一元線性回歸特征及干旱變化趨勢(shì) Table 4 Characteristic of linear regression of TVDI in different areas and trend of drought

統(tǒng)計(jì)每個(gè)月份陜西省11 a的平均TVDI值(圖5)，以研究陜西省干旱的年內(nèi)變化特征。從圖5來(lái)看，陜北地區(qū)旱情多發(fā)于春夏兩季，春季旱情尤為嚴(yán)重，春季TVDI在0.70～0.77之間波動(dòng)，4、5月份最大，隨著夏季降雨的到來(lái)，其TVDI逐漸下降，但大部分時(shí)間仍處于較干旱的狀態(tài)；關(guān)中地區(qū)年內(nèi)TVDI波動(dòng)較小，全年大部分時(shí)間TVDI在0.6～0.7之間變化，為輕度干旱狀態(tài)，旱情主要發(fā)生在春冬兩季；陜南地區(qū)全年大部分時(shí)間處于正常偏濕潤(rùn)狀態(tài)，但在降水較少的冬季會(huì)發(fā)生輕度干旱，隨著春季降水的增多，其TVDI值呈快速下降趨勢(shì)，而到了汛雨集中的6、7月份，其TVDI值達(dá)到最低，在0.4～0.5之間波動(dòng)，較為濕潤(rùn)。

2.4 干旱的時(shí)空演變趨勢(shì)

各地區(qū)的年平均TVDI反映的是該地區(qū)的總體干旱狀況，而區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜，植被覆蓋差異較大，基于像元的旱情變化分析能更有效地反映其干旱狀況。以陜西省年平均TVDI表征當(dāng)年的干旱情況。研究區(qū)內(nèi)的每個(gè)像元，對(duì)應(yīng)11 a的時(shí)間序列TVDI值，將研究區(qū)內(nèi)每個(gè)像元的年均TVDI值按公式(4)進(jìn)行趨勢(shì)分析，若β為正值，表明該柵格所在的位置年平均TVDI有增加的趨勢(shì)，干旱情況在加重，相反，如果β為負(fù)值，表明當(dāng)?shù)豑VDI在減小，干旱情況呈減弱趨勢(shì)。由于趨勢(shì)值β等于零的情況極少出現(xiàn)，所以根據(jù)實(shí)際情況將β介于-0.001到0.001之間的像元?jiǎng)澐譃榉€(wěn)定不變的區(qū)域。圖6為TVDI變化空間分布圖。從圖中可以看出，陜北大部分地區(qū)TVDI呈減小狀態(tài)，干旱呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，陜南大部分地區(qū)TVDI呈穩(wěn)定狀態(tài)，干旱狀況不變，在關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)了一定面積的TVDI變大區(qū)域，而該地區(qū)TVDI減小區(qū)域面積較小，表明該地區(qū)干旱呈現(xiàn)出加重的趨勢(shì)。

圖5 TVDI月值(11 a平均值)變化情況 Fig.5 The monthly variation of average TVDI(11-years average)

圖6 TVDI變化趨勢(shì)空間分布

Fig.6 Spatial distribution of variation trend for TVDI

TVDI趨勢(shì)值β的計(jì)算結(jié)果僅能反映在一定時(shí)間序列里，TVDI呈增加或者減小的趨勢(shì)，并不能表示發(fā)生這種趨勢(shì)的顯著性，所以需要利用公式(5)～(9)進(jìn)行趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)。在顯著性檢驗(yàn)中，選取0.001、0.01、0.05三個(gè)顯著性水平，其對(duì)應(yīng)的Zc值分別為3.29、2.58、1.96，以此將顯著性劃分為4個(gè)級(jí)別，分別為強(qiáng)顯著、較顯著、顯著、不顯著。TVDI變化顯著性的空間分布如圖7所示。將TVDI變化趨勢(shì)空間分布和TVDI變化顯著性空間分布進(jìn)行疊加，得到像元尺度上TVDI實(shí)際變化情況。通過(guò)對(duì)TVDI實(shí)際變化進(jìn)行重新分類，可以將陜西省2004—2014年干旱變化劃分為顯著變濕、變濕、輕微變濕、穩(wěn)定不變、顯著變干、變干、輕微變干7種類型，并得到陜西省干旱變化類型空間分布(圖8)，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表5。

圖7 TVDI變化顯著性空間分布

Fig.7 Spatial distribution of variation significance for TVDI

對(duì)干旱實(shí)際變化結(jié)果進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6。從表6和圖8可以看出，陜西省三大區(qū)域陜北、關(guān)中、陜南干旱狀況保持穩(wěn)定的面積分別為32.58%、62.18%、39.73%，均是所有變化類型中所占面積最大的區(qū)域，說(shuō)明陜西省2004-2014年整體干旱狀況變化較小。顯著變濕的面積分別為4.97%、0.93%、3.94%，這說(shuō)明干旱狀況顯著好轉(zhuǎn)的區(qū)域很小，在這7種變化類型中除了穩(wěn)定不變類型外，面積所占最大的為變濕和輕微變濕的區(qū)域，其面積之和在陜北、關(guān)中、陜南所占的百分比分別為67.29%、30.95%、68.35%，這說(shuō)明雖然TVDI減小很顯著的區(qū)域并不多，但大部分區(qū)域的TVDI在減小，干旱狀況呈減弱趨勢(shì)。三個(gè)地區(qū)中變干區(qū)域所占面積均很小，分別為0.16%、5.94%、0.11%，且變干區(qū)域集中在關(guān)中城市群及周邊地區(qū)，此外西北毛烏蘇沙漠邊緣地區(qū)以及漢中市周邊小部分區(qū)域也出現(xiàn)變干趨勢(shì)，主要因?yàn)槌鞘械陌l(fā)展使得該區(qū)域植被覆蓋度下降，地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)整體抵抗自然災(zāi)害的能力在減弱。

圖8 陜西省2004—2014年干旱變化類型空間分布 Fig.8 Spatial distribution of drought changes in Shaanxi from 2004 to 2014表5 干旱變化顯著性等級(jí)劃分 Table 5 Scaled drought according to the significance of variation

2.5 TVDI變化與氣象因子的關(guān)系

濕潤(rùn)指數(shù)是表征氣候干濕程度的重要指標(biāo)。為了探究引起TVDI變化的氣象因素，本文計(jì)算了陜西省境內(nèi)均勻分布的20個(gè)氣象站點(diǎn)的2004—2014年的年濕潤(rùn)指數(shù)，并提取以各氣象站點(diǎn)為中心9×9個(gè)像元數(shù)范圍的TVDI年平均值，將各地區(qū)TVDI年平均值與該地區(qū)各個(gè)氣象站點(diǎn)的年濕潤(rùn)指數(shù)做相關(guān)性研究，相關(guān)性結(jié)果見表7。結(jié)果顯示TVDI與濕潤(rùn)指數(shù)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，其中陜北地區(qū)TVDI與濕潤(rùn)指數(shù)的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為-0.656，且通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。這說(shuō)明濕潤(rùn)指數(shù)變化和TVDI變化對(duì)陜西省11 a來(lái)干旱變化的表征具有一致性，氣象因素是引起干旱變化的原因之一。

表6 各干旱變化類型所占面積比/% Table 6 The ratio of area for each drought type

表7 陜西省TVDI與濕潤(rùn)指數(shù)相關(guān)性分析 Table 7 Correlation analysis between TVDI and wetness index in Shaanxi

濕潤(rùn)指數(shù)中涉及多種氣象因子，為了進(jìn)一步探究氣象因子與TVDI變化的關(guān)系，本文研究了主要?dú)庀笠蜃託鉁睾徒邓哪觌H變化及其與TVDI的相關(guān)關(guān)系。以一年12個(gè)月氣溫的平均值作為年平均氣溫，以一年12個(gè)月降水量之和作為年降水量，計(jì)算研究區(qū)20個(gè)氣象站點(diǎn)的年平均氣溫及年降水量，并取各站點(diǎn)平均值來(lái)代表陜西省11 a的整體氣溫和降水情況，即可分別得到11個(gè)時(shí)間序列的氣溫和降水值，對(duì)時(shí)間序列值進(jìn)行一元線性回歸分析(圖9，圖10)。結(jié)果顯示11 a間，陜西省年降水量在450 mm到700 mm之間波動(dòng)，且出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，回歸方程通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明11 a來(lái)陜西省降水量在顯著增加。而11 a的溫度在11.2℃到12.6℃之間波動(dòng)，沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)明顯的變化趨勢(shì)。

圖9 陜西省2004—2014年降水量變化

Fig.9 Changes of precipitation in Shaanxi Province from 2004 to 2014

圖10 陜西省2004—2014年平均溫度變化

Fig.10 Annual temperature change in Shaanxi Province from 2004 to 2014

將11 a的年均TVDI值與年均氣溫以及年降水量做Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果見圖11和圖12，結(jié)果顯示陜西省年均TVDI值與陜西省年降水量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.719，相關(guān)程度較高，且P=0.019，通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。而年TVDI與年平均氣溫基本不存在相關(guān)關(guān)系。因此，氣象因子中的降水增加成為影響陜西省2004—2014年TVDI值減小，干旱狀況減弱的一個(gè)主要因素。

圖11 TVDI與降水量的關(guān)系

Fig.11 Relationship between TVDI and precipitation

3 結(jié) 論

1) 本研究采用1 km分辨率的時(shí)間序列MODIS數(shù)據(jù)，將一元線性回歸、Theil-Sen Median趨勢(shì)分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)等方法應(yīng)用到像元TVDI的變化分析上，來(lái)研究陜西省11 a來(lái)干旱的空間分布特征，時(shí)間變化特征及干旱演變趨勢(shì)。研究結(jié)果能較好反映陜西省11 a旱情的變化情況，有助于防災(zāi)減災(zāi)決策的制定，對(duì)區(qū)域內(nèi)旱情的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和干旱演變研究具有一定的參考價(jià)值。

圖12 TVDI與溫度的關(guān)系

Fig.12 Relationship between TVDI and temperature

2) 從空間分布看，陜西省干旱分布范圍廣，11 a來(lái)干旱發(fā)生頻率呈現(xiàn)北高南低的特點(diǎn)。陜北、關(guān)中、陜南三大區(qū)域干旱發(fā)生的頻率分別為68.2%、53.8%、22.7%，且均以輕度干旱為主。從時(shí)間變化來(lái)看，陜西省2004—2014年TVDI值整體上呈下降趨勢(shì)，且通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。從年內(nèi)變化來(lái)看，陜西省TVDI年內(nèi)最高值出現(xiàn)在4月份和11月份，陜西省以春季干旱和冬季干旱為主，全年平均TVDI在0.55～070之間波動(dòng)，易發(fā)生干旱。

3) 從變化趨勢(shì)來(lái)看，2004—2014年陜西省有55.38%的區(qū)域TVDI值呈減小趨勢(shì)，干旱情況在減弱；有42.89%區(qū)域的TVDI值呈不變趨勢(shì)，干旱情況處于穩(wěn)定狀態(tài)；有6.2%的區(qū)域TVDI值呈增加趨勢(shì)，干旱情況在加重，加重區(qū)域集中在關(guān)中城市群及周邊地區(qū)和西北毛烏素沙漠邊緣地區(qū)。整體上陜西省11 a來(lái)干旱情況在平穩(wěn)中呈現(xiàn)減弱變化的趨勢(shì)。

4) 陜西省11 a來(lái)TVDI值的變化與濕潤(rùn)指數(shù)值的變化是有一致性。在11 a中陜西省年降水量在波動(dòng)中出現(xiàn)了顯著的增加，而平均氣溫基本不變。陜西省2004—2014年年均TVDI值與年降水量呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，年降水量的增加成為影響陜西省TVDI減小，干旱情況減弱的一個(gè)主要因素。

4 討 論

1) 受限于MODIS數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度，本文只研究了2004—2014年TVDI的變化趨勢(shì)，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間干旱變化研究的指導(dǎo)意義有限。采用其他遙感數(shù)據(jù)源或?qū)Χ嘣催b感數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)展和完善是后續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間序列遙感干旱監(jiān)測(cè)研究的一個(gè)重點(diǎn)。

2) TVDI表征的是地表植被、土壤等要素對(duì)氣象干旱脅迫的響應(yīng)情況，能較好地反映土壤濕度的變化。濕潤(rùn)指數(shù)綜合考慮降水和氣溫以及相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等氣象因子的共同效應(yīng)，它的物理基礎(chǔ)在于體現(xiàn)了兩個(gè)最重要的地表水分收支分量：大氣降水和最大可能蒸散量，能較為客觀地反映地區(qū)氣候的干濕狀況。所以TVDI與濕潤(rùn)指數(shù)對(duì)干旱的表征側(cè)重點(diǎn)不一樣，TVDI與氣象干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)存在一定的差異，這也是本研究中濕潤(rùn)指數(shù)與TVDI出現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)較小的原因。

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