王思琪， 張 翔，陳能成

(1.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020；2.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079；3.地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079)

在我國(guó)，因干旱造成的作物減產(chǎn)占據(jù)一半以上的氣象災(zāi)害糧食減產(chǎn)量，年均受旱面積達(dá)0.2億hm2[1]。2009—2012年[2]，我國(guó)西南、華北、黃淮和長(zhǎng)江中游等農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)發(fā)生了60年來(lái)最嚴(yán)重的旱災(zāi)，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。因此，對(duì)農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，有助于開(kāi)展農(nóng)業(yè)受旱分析，并提供科學(xué)的決策支持。

基于干旱指數(shù)開(kāi)展干旱研究，不僅能更好地了解干旱的發(fā)生過(guò)程，還有助于開(kāi)展干旱指數(shù)的綜合分析。目前多數(shù)的指數(shù)對(duì)比研究集中于單一的地理區(qū)域[3]，這些地區(qū)具有相似的氣候條件及生產(chǎn)水平等。而上述指數(shù)的整體表現(xiàn)(敏感性、魯棒性)往往受到多種因素的綜合影響，因此在不同地理區(qū)域的旱情描述能力存在較大的差異，尤其是結(jié)合了多種干旱信息的復(fù)合干旱指數(shù)。而目前學(xué)術(shù)界提出的干旱指數(shù)有著不同的計(jì)算復(fù)雜度和建模特點(diǎn)，具有一定的適用范圍[4-8]。劉英等[9]分析了PDI、MPDI、SMMI、MSMMI 4種復(fù)合干旱指數(shù)在關(guān)中平原的有效性；吳黎[10]利用TVDI對(duì)黑龍江省的旱情進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了對(duì)比分析；李紅梅等[11]比較了CI、CInew兩種干旱指數(shù)在陜西省的適用性。在這些研究中，關(guān)于我國(guó)三大農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)應(yīng)選用哪些干旱指標(biāo)來(lái)進(jìn)行農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測(cè)還沒(méi)有系統(tǒng)性的論述。

因此，本文利用降水、土壤濕度、地表溫度、植被狀態(tài)及作物信息數(shù)據(jù)，計(jì)算了降水條件指數(shù)(PCI)、土壤濕度指數(shù)(SMCI)、溫度條件指數(shù)(TCI)及植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)。基于此，進(jìn)一步計(jì)算了溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)、優(yōu)化的植被干旱指數(shù)(OVDI)、基于過(guò)程的累積干旱指數(shù)(PADI)3種復(fù)合干旱指數(shù)，通過(guò)與SPI-3的線性相關(guān)分析以及中國(guó)水利部及干旱氣象期刊統(tǒng)計(jì)的農(nóng)業(yè)干旱實(shí)況的對(duì)比[12-19]，研究了3種指數(shù)在我國(guó)三大農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)干旱易發(fā)區(qū)的適用性，以期為中國(guó)典型農(nóng)業(yè)區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)和評(píng)估工作提供參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

根據(jù)不同地區(qū)氣候條件、地理位置及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用，綜合考慮不同地區(qū)的干旱發(fā)生情況，以4個(gè)典型農(nóng)業(yè)區(qū)作為研究區(qū)(圖1)。研究區(qū)地處黃淮海平原及長(zhǎng)江中下游地區(qū)，屬于干旱易發(fā)區(qū)[20]，因此多次被選為研究對(duì)象[21-24〗。此外，研究區(qū)包括亞熱帶、暖溫帶和中溫帶，達(dá)到了農(nóng)作物活躍生長(zhǎng)的基本熱量要求，種植的主要糧食作物有水稻、玉米、小麥等，是我國(guó)重要的農(nóng)產(chǎn)品輸出地[25]。本文研究的五次典型干旱事件具體包括：冬小麥區(qū)，河南2011年春冬連旱、安徽2012年干旱；夏玉米區(qū)，河北2010年干旱、河南2011年夏旱;水稻區(qū),湖北2011年干旱。

圖1 研究區(qū)域位置示意圖Fig.1 The location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

所用數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)、作物生理參數(shù)數(shù)據(jù)及實(shí)際災(zāi)情數(shù)據(jù)(表1)。遙感數(shù)據(jù)包括降水?dāng)?shù)據(jù)、根區(qū)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)、NDVI數(shù)據(jù)及地表溫度數(shù)據(jù)，主要用于干旱指數(shù)的計(jì)算，涉及的數(shù)據(jù)集有TRMM3B43、GLDAS_NOAH025_M2.1、GIMMS3g_V0、MODLT1M、MODND1Ml及GPCCV7共6個(gè)。這些數(shù)據(jù)集已在不同地區(qū)的干旱研究中得到了應(yīng)用[26-30]。此外，作物生理參數(shù)數(shù)據(jù)可從傳統(tǒng)作物學(xué)的文獻(xiàn)中查到[31-33]。實(shí)際災(zāi)情數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)水利部及干旱氣象期刊統(tǒng)計(jì)的農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生實(shí)況[12-19]，以及各省級(jí)氣象部門(mén)公布的災(zāi)情數(shù)據(jù)。為便于描述，將表中的PCI、SMCI、TCI、VCI統(tǒng)稱為單一干旱指數(shù)，指數(shù)TVDI、PADI、OVDI統(tǒng)稱為復(fù)合干旱指數(shù)。

1.3 研究方法

1.3.1 研究?jī)?nèi)容 主要分三部分：(1)復(fù)合干旱指數(shù)的計(jì)算。基于4種單一干旱指數(shù)，通過(guò)最優(yōu)權(quán)重組合的方式，計(jì)算了OVDI。其次，利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)和地表溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算了TVDI。最后，利用基于演化過(guò)程的多傳感器協(xié)同監(jiān)測(cè)方法(EPMC)及作物生理參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算了PADI指數(shù)。(2)3種復(fù)合干旱指數(shù)的適用性分析。其中評(píng)估指標(biāo)包括實(shí)際災(zāi)情數(shù)據(jù)及SPI。由于SPI可通過(guò)不同的時(shí)間尺度而成為不同干旱類型的指標(biāo)[34]，因此本文以3個(gè)月時(shí)間尺度的SPI值(SPI-3)作為農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)的評(píng)估指標(biāo)。(3)適用性分析分為兩部分：首先是各指數(shù)與SPI-3的線性相關(guān)分析，得到相關(guān)系數(shù)(R)及置信水平(C)。其次，借助實(shí)際災(zāi)情數(shù)據(jù)對(duì)指數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果(包括干旱的發(fā)生時(shí)間、發(fā)展過(guò)程和嚴(yán)重程度等方面)進(jìn)行評(píng)估(圖2)。

1.3.2 農(nóng)業(yè)干旱演化過(guò)程判別 基于演化過(guò)程的多傳感器協(xié)同監(jiān)測(cè)方法(EPMC)是一種基于演化過(guò)程的多傳感器協(xié)同的農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測(cè)方法。該方法通過(guò)多傳感器協(xié)同實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)干旱(一般持續(xù)幾個(gè)月甚至幾年)演變過(guò)程的量化分析，并為PADI指數(shù)的計(jì)算提供輸入。在EPMC中，一次農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害的演變過(guò)程被量化為4個(gè)階段，包括潛伏期(P1)、開(kāi)始期(P2)、發(fā)展期(P3)和消亡期(P4)，各階段對(duì)應(yīng)農(nóng)業(yè)干旱生命周期中的一次典型變化，通過(guò)關(guān)注不同的環(huán)境變量(降水、根區(qū)土壤水分和植被狀態(tài))來(lái)實(shí)現(xiàn)演化過(guò)程的精確監(jiān)測(cè)(圖3)。在前3個(gè)階段，干旱的嚴(yán)重程度逐步遞增，在消亡期干旱逐步緩解。方法的詳細(xì)介紹見(jiàn)參考文獻(xiàn)[35]。

1.3.3 干旱指數(shù)介紹 涉及到的干旱指數(shù)有PCI、SMCI、VCI、TCI、TVDI、OVDI、PADI和SPI。單一干旱指數(shù)是復(fù)合干旱指數(shù)的計(jì)算基礎(chǔ)，是對(duì)降水、土壤濕度、植被狀態(tài)、地表溫度的簡(jiǎn)單量化，其計(jì)算步驟詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[36]～[37]。干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表1 本文所采用的數(shù)據(jù)

圖2 適用性分析方法流程Fig.2 Flowchart of applicability analysis method

TVDI是一種基于光學(xué)與熱紅外遙感通道數(shù)據(jù)進(jìn)行植被覆蓋區(qū)域表層土壤水分反演的方法[38]，可用于干旱監(jiān)測(cè)研究[39]。TVDI的值越大，表示土壤濕度越低，干旱強(qiáng)度越大；反之亦然。其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中，Ts為特征空間內(nèi)給定像元的地表溫度，Tsmin、Tsmax為特定NDVI值的最低、最高溫度。a1、b1、a2、b2分別為T(mén)smin、Tsmax的線性擬合參數(shù)。

OVDI是對(duì)4個(gè)單一干旱指數(shù)的最優(yōu)權(quán)重組合結(jié)果[40]，是一個(gè)綜合性的干旱指數(shù)。OVDI的值越小，旱情越嚴(yán)重。其計(jì)算公式為：

目標(biāo)函數(shù)：

(3)

X=SPI

(4)

Y=αTCI+βPCI+γSMCI+(1-α-β-γ)VCI

(5)

約束條件：

α∈(0,1);β∈(0,1);γ∈(0,1)

(6)

式中，X為SPI-1，Y為OVDI，α、β和γ為T(mén)CI、PCI、SMCI的優(yōu)化參數(shù)。f(x,y)表示X、Y之間相關(guān)性最大的情況，σx、σy、μx、μy為X、Y的標(biāo)準(zhǔn)偏差和均值，E為數(shù)學(xué)期望。在計(jì)算OVDI時(shí)，需將單一干旱指數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)的空間分辨率進(jìn)行統(tǒng)一，本文統(tǒng)一采用0.25°×0.25°。

PADI指數(shù)是對(duì)土壤水分、植被狀態(tài)以及作物生長(zhǎng)階段的累積受旱程度的綜合量化[41]。其核心思想是：以一次農(nóng)業(yè)干旱事件發(fā)生發(fā)展的過(guò)程和作物的生長(zhǎng)過(guò)程相交的時(shí)段為核心，以基于遙感獲取的根區(qū)土壤水分、植被狀態(tài)指數(shù)和作物生理參數(shù)為輸入，計(jì)算作物生長(zhǎng)期內(nèi)干旱狀態(tài)對(duì)作物產(chǎn)生的累計(jì)影響。因此，PADI值越大，代表作物累積受干旱影響越大。首先需根據(jù)EPMC方法對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的演變過(guò)程進(jìn)行量化，再基于此，綜合作物信息來(lái)計(jì)算PADI指數(shù)。其計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

式中,PADIt為t時(shí)刻的PADI值，T為某一評(píng)價(jià)周期(本文取T=7 d)。Si代表不同的作物各生育期，n為全部生育期的個(gè)數(shù)。P2、P3為農(nóng)業(yè)干旱的開(kāi)始期和發(fā)展期。T∩Si∩P2代表當(dāng)前評(píng)價(jià)周期與作物各生育期i并且與P2的相交天數(shù)，T∩Si∩P3同理。λi代表在分生育期i時(shí)作物的水分敏感系數(shù)，即土壤水分脅迫對(duì)不同階段作物的影響程度。SMCIt和VCIt分別代表T∩Si∩P2、T∩Si∩P3時(shí)期的SMCI、VCI值。PADI值的不斷累加反映了干旱在作物生長(zhǎng)過(guò)程的累積影響。作物的生長(zhǎng)完全處于極端干旱時(shí)，計(jì)算得到的PADI值將達(dá)到最大，即PADImax。

表2 基于TVDI、OVDI的干旱等級(jí)劃分

表3 基于PADI的干旱等級(jí)劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 基于EPMC方法的干旱演變過(guò)程監(jiān)測(cè)

基于EPMC方法對(duì)研究區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4～8。由圖4可知，2010年10月河南的降水偏低(PCI=0.04)，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入潛伏期，預(yù)示著2011年河南冬春連旱的開(kāi)始。同年11月降水偏少導(dǎo)致土壤水分虧缺，10—11月SMCI的值由0.70降至0.56，水分虧缺未得到及時(shí)改善，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入開(kāi)始期。11—12月VCI值不斷增加，2011年1月初降為0.45，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入發(fā)展期。2月初旱區(qū)出現(xiàn)有效降水，旱情得到緩解(PCI=0.69)；下旬VCI的值增加，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入消亡期?？傊?，此次干旱從2010年11月1日—2011年2月15日主要影響河南冬小麥在苗期～越冬、返青期間的生長(zhǎng)。

由圖5可知， 2012年4月安徽省的降水偏少(PCI=0.30)，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入潛伏期。4—5月降水偏少引發(fā)土壤水分虧缺，SMCI的值由0.65降至0.59，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入開(kāi)始期。5—6月旱情進(jìn)一步加劇，VCI的值由0.77降至0.46，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入發(fā)展期。7月初旱區(qū)出現(xiàn)有效降水(PCI=0.51)，土壤水分得到補(bǔ)充(SMCI=0.54)，作物受旱狀態(tài)初步解除，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入消亡期?？傊?，此次干旱從2012年5月1日—7月1日影響了安徽冬小麥在乳熟～成熟、孕穗～揚(yáng)花期間的生長(zhǎng)。

由圖6可知，2010年5月河北省的降水偏少(PCI=0.52)，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入潛伏期。6月降水偏少引發(fā)土壤水分虧缺(SMCI=0.23)，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入開(kāi)始期。6月下旬作物受干旱的長(zhǎng)時(shí)間影響，VCI的值出現(xiàn)小幅度增加隨即又減小，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入發(fā)展期。8月旱區(qū)出現(xiàn)有效降水(PCI=0.71)，土壤水分得到補(bǔ)充(SMCI=0.62)，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入消亡期?？傊?，此次干旱從2010年6月1日—8月1日影響了河北夏玉米在拔節(jié)、抽穗、成熟期間的生長(zhǎng)。

由圖7可知，2011年2—3月，河南降水偏少，PCI的值降為0.17，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入潛伏期。4月土壤水分出現(xiàn)異常(SMCI=0.32)，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入開(kāi)始期。6月初作物生長(zhǎng)受到明顯影響(VCI=0.51)，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入發(fā)展期。7—8月降水逐漸增加(PCI=0.36)，土壤水分得到補(bǔ)充(SMCI=0.45)，至2011年8月11日，PCI達(dá)到0.36,SMCI達(dá)到0.45，此后農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入消亡期?？傊舜胃珊祻?011年4月1日—8月1日影響了河南夏玉米在苗期、拔節(jié)、抽穗期間的生長(zhǎng)。

由圖8可知，2011年1月湖北降水偏少(PCI=0.14)，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入潛伏期。3月持續(xù)少雨最終表現(xiàn)為土壤水分降低(SMCI=0.17)，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入開(kāi)始期。4月作物的生長(zhǎng)受到顯著影響(VCI=0.40)，農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)入發(fā)展期。6月旱區(qū)雖出現(xiàn)強(qiáng)降水(PCI=0.60)，但土壤水分虧缺未得到明顯改善(SMCI=0.11)。9月1日PCI、SMCI的值分別增至0.42和0.39，農(nóng)業(yè)干旱才進(jìn)入消亡期?？傊?，此次干旱從2011年3月1日—9月1日影響了水稻在拔節(jié)、返青～分蘗、抽穗期間的生長(zhǎng)。

圖4 EPMC方法對(duì)河南2011年春冬連旱的監(jiān)測(cè)結(jié)果(冬小麥)Fig.4 Monitoring results of autumn drought in Henan Province in 2011 by EPMC method (winter wheat area)

圖5 EPMC方法對(duì)安徽2012年干旱的監(jiān)測(cè)結(jié)果(冬小麥)Fig.5 Monitoring results of drought in Anhui Province in 2012 by EPMC method (winter wheat area)

圖6 EPMC方法對(duì)河北2010年干旱的監(jiān)測(cè)結(jié)果(夏玉米)Fig.6 Monitoring results of drought in Hebei Province in 2010 by EPMC method (summer corn area)

圖7 EPMC方法對(duì)河南2011年夏旱的監(jiān)測(cè)結(jié)果(夏玉米)Fig.7 Monitoring results of summer drought in Henan Province in 2011 by EPMC method (summer corn area)

圖8 EPMC方法對(duì)湖北2011年干旱的監(jiān)測(cè)結(jié)果(水稻區(qū))Fig.8 Monitoring results of drought in Hubei Province in 2011 by EPMC method (rice area)

2.2 干旱指數(shù)與SPI-3的相關(guān)性分析

以各地市在干旱開(kāi)始期及發(fā)展期的指數(shù)均值作為單個(gè)樣本點(diǎn)，分析了SPI-3與各指數(shù)的相關(guān)性(表4)。與其余單一干旱指數(shù)相比，TCI與SPI-3的相關(guān)性偏低(R≤0.336)，且在三類主產(chǎn)區(qū)均出現(xiàn)了這一現(xiàn)象，表明溫度會(huì)加速或減緩干旱的發(fā)生，但不是關(guān)鍵因素，降水、土壤濕度才是引起三類農(nóng)業(yè)區(qū)發(fā)生干旱的主要因素。具體而言，降水和土壤濕度的極端變化會(huì)引起作物的自主調(diào)節(jié)來(lái)降低自身的實(shí)際蒸散發(fā)量，尤其是在作物的關(guān)鍵生長(zhǎng)期，若無(wú)灌溉或突發(fā)降水等情況的出現(xiàn)，這一影響將最終表現(xiàn)為作物葉面積的減小，從而導(dǎo)致作物的減產(chǎn)及特定時(shí)期的植被覆蓋率異常(如非收割期的植被覆蓋率極低等)，農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生。此外，與組成它的各單一干旱指數(shù)相比，復(fù)合干旱指數(shù)的監(jiān)測(cè)效果無(wú)顯著提升(表4)。下面具體討論復(fù)合干旱指數(shù)在不同農(nóng)業(yè)區(qū)的應(yīng)用情況。

冬小麥區(qū)研究結(jié)果表明，OVDI與SPI-3的線性關(guān)系是顯著的，而TVDI和PADI與SPI-3的線性關(guān)系的顯著性存在區(qū)域差異，這可能與不同省份在氣候條件等方面存在差異有關(guān)。檀竹平等[42]的研究得出，與南方冬小麥區(qū)相比，北方冬小麥區(qū)具有良好的自然資源條件(如地勢(shì)平坦、河湖多、土壤肥力好等)和經(jīng)濟(jì)條件(機(jī)械化水平等)，抗旱能力較強(qiáng)。由于SPI-3主要反映的是區(qū)域降水的變化，忽略了其余氣候因素和經(jīng)濟(jì)條件的影響，而復(fù)合干旱指數(shù)是多種環(huán)境信息的綜合，因此，在非降水主導(dǎo)的農(nóng)業(yè)干旱事件中，SPI-3可能與復(fù)合干旱指數(shù)之間存在非線性的關(guān)系，這一問(wèn)題也是作者后續(xù)需要深入探討的內(nèi)容?？傊?，在冬小麥區(qū)指數(shù)OVDI對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測(cè)結(jié)果更為穩(wěn)健。其次，在相對(duì)可靠的情況下(C≥63.0%)，即播種冬小麥的不同產(chǎn)區(qū)在氣候條件等方面的差異可忽略不計(jì)時(shí)(下同)，TVDI 、PADI對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的評(píng)估更為準(zhǔn)確，這一結(jié)果在與實(shí)際災(zāi)情進(jìn)行對(duì)比時(shí)得到了驗(yàn)證。

部分夏玉米區(qū)(河南)的研究結(jié)果表明，PADI與SPI-3的線性關(guān)系是顯著的(C=97.75%)，而TVDI和OVDI與SPI-3的線性關(guān)系的顯著性存在區(qū)域差異，特別是OVDI。結(jié)果表明，PADI適合大部分夏玉米區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)，張翔等[41]在美國(guó)中西部玉米區(qū)的干旱研究中也得到了類似結(jié)論。其次，OVDI在夏玉米區(qū)的魯棒性較差，但在河北的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(R=0.764，C=99.9%)。而TVDI在夏玉米區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)中未體現(xiàn)太大優(yōu)勢(shì)。最后，在水稻區(qū)的研究表明各類復(fù)合干旱指數(shù)在水稻區(qū)的運(yùn)用效果均不佳(|R|≤0.333)，這可能與水稻生長(zhǎng)環(huán)境的特殊性有關(guān)，即土壤水分可能長(zhǎng)期充足。

2.3 三種復(fù)合干旱指數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際旱情的對(duì)比分析

本部分將復(fù)合干旱指數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果與2010—2012年期間的《中國(guó)水旱災(zāi)害公報(bào)》[12-13]、干旱評(píng)述[14-19]統(tǒng)計(jì)的旱情狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比。其中PADI的監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4～圖9，TVDI、OVDI的監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖10～圖14。

TVDI的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明(圖10)，此次干旱主要發(fā)生在2010年10月—2011年2月。2011年2月—4月，全省各地旱情逐步結(jié)束，旱區(qū)狀況逐步穩(wěn)定，與實(shí)際旱情一致[12]。其次，指數(shù)OVDI對(duì)干旱的發(fā)生時(shí)間判斷為2010年10月—2011年3月。2011年2月旱情突緩，3月又再次加重。同年4月，干旱逐步結(jié)束，該指數(shù)對(duì)干旱嚴(yán)重程度的評(píng)估比實(shí)際旱情嚴(yán)重[12]。EPMC的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明(圖4)，干旱主要發(fā)生在2010年10月—2011年2月，各階段的開(kāi)始時(shí)間為2010年10月(P1)—2010年11月(P2)—2010年12月(P3)—2011年2月中、下旬(P4)。PADI指數(shù)統(tǒng)計(jì)的累積干旱嚴(yán)重程度表明(圖7)，河南西部地區(qū)的累積受旱強(qiáng)度高于東部，與實(shí)際旱情一致[14]。

表4 SPI-3與各指數(shù)的相關(guān)性分析

TVDI的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明(圖11)，此次干旱主要發(fā)生在2012年4—8月。6月安徽北部出現(xiàn)重到特旱，7月有所緩解，直至8月才完全解除，與實(shí)際旱情基本一致[15]。其中OVDI對(duì)干旱發(fā)生時(shí)間的判斷與TVDI一致(圖11)。5月安徽北部降水比常年同期偏少5～8成[15]，北部地區(qū)率先出現(xiàn)干旱。6月蔓延至全省(特旱)，對(duì)干旱嚴(yán)重程度的評(píng)估比實(shí)際旱情嚴(yán)重[15]。其次，EPMC的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明(圖5)，此次干旱主要發(fā)生在2012年4—6月，各階段的開(kāi)始時(shí)間為2012年4月(P1)—5月(P2)—6月(P3)—7月(P4)。此外，安徽北部地區(qū)的累積受旱程度為異常干旱(圖9)，與實(shí)際旱情一致[16]。

TVDI和OVDI的監(jiān)測(cè)結(jié)果均表明(圖12)，河北2010年干旱的發(fā)生時(shí)段為2010年6—8月，對(duì)干旱發(fā)生時(shí)段的判定與實(shí)況一致[13]。其中，TVDI的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，河北2010年夏旱的主旱區(qū)集中在西南地區(qū)，與實(shí)際旱情一致[13]。OVDI的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明， 6—7月河南為極旱，與實(shí)際旱情不符(中旱)[17]，表明OVDI對(duì)干旱等級(jí)的評(píng)定偏重。EPMC的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明(圖6)，此次干旱主要發(fā)生在2010年5—9月，各階段的開(kāi)始時(shí)間為2010年5月(P1)—6月(P2)—6月中、旬(P3)—9月(P4)。此外，河北西南部的累積受旱程度更重(圖9)，該結(jié)果與河北西南地區(qū)是夏季干旱多發(fā)區(qū)相符[17]。

圖9 以PADI表征的典型干旱事件Fig.9 Typical drought event maps shown by PADI

注：干旱等級(jí)的取值考慮了各等級(jí)面積的權(quán)重，下同。Note: In the division of drought grade, the weight of each grade was considered. The same below.圖10 以TVDI、OVDI表征的河南2010—2011年春冬連旱演變過(guò)程Fig.10 The evolution process of spring-winter drought in Henan Province in 2011 is shown by TVDI and OVDI

圖11 以TVDI、OVDI表征的安徽2012年干旱演變過(guò)程Fig.11 The evolution process of drought in Anhui Province in 2012 is shown by TVDI and OVDI

圖12 以TVDI、OVDI表征的河北2010年干旱演變過(guò)程Fig.12 The evolution process of drought in Hebei Province in 2010 is shown by TVDI and OVDI

圖13 以TVDI、OVDI表征的河南2011年夏旱演變過(guò)程(夏玉米)Fig.13 The evolution process of summer drought in Henan Province in 2011 is shown by TVDI and OVDI (summer corn)

圖14 以TVDI、OVDI表征的湖北2011年干旱演變過(guò)程圖(水稻)Fig.14 The evolution process of drought in Hubei Province in 2011 is shown by TVDI and OVDI (rice)

TVDI的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明(圖13)，2011年2—6月河南發(fā)生了夏旱。其中中部地區(qū)的旱情較重，出現(xiàn)了極度干旱，與實(shí)際旱情一致[18]。由OVDI的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知(圖13)，在2011年3—8月河南出現(xiàn)了極度干旱。8月全省大部分地區(qū)的旱情得到緩解，但中部地區(qū)的旱情持續(xù)?？傊琌VDI對(duì)干旱發(fā)生時(shí)段的判斷與實(shí)際旱情不太一致[18]，干旱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于實(shí)際旱情，且對(duì)干旱等級(jí)的判定明顯高于實(shí)際旱情，從而導(dǎo)致7月的旱情緩解未被及時(shí)監(jiān)測(cè)。最后，EPMC的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明(圖7)，此次干旱主要發(fā)生在2011年2—8月，各階段的開(kāi)始時(shí)間為2011年2月(P1)—4月(P2)—6月(P3)—8月(P4)。此外，在此次夏旱中，河南全省的干旱累積程度基本一致(圖9)，介于中度～嚴(yán)重干旱之間，與實(shí)際旱情基本一致[18]。最后，此次干旱的累積受旱程度比同年發(fā)生春冬連旱嚴(yán)重(圖9)。

TVDI的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明(圖14)，湖北2011年的干旱發(fā)生時(shí)段為3—5月。1月湖北中部的部分地區(qū)出現(xiàn)初旱。3月全省大部出現(xiàn)旱情，中部部分地區(qū)出現(xiàn)極旱。4—6月各地旱情逐步解除，這可能與6月的旱澇急轉(zhuǎn)有關(guān)，與實(shí)際旱情一致[12]。其次，OVDI對(duì)此次干旱發(fā)生時(shí)段的判斷為2011年3—8月。3月湖北省大部分地區(qū)出現(xiàn)重旱，各地重旱持續(xù)到6月才緩解。7—8月旱情經(jīng)歷了再次發(fā)展蔓延及緩解。因此，OVDI對(duì)此次干旱的評(píng)估結(jié)果(干旱的持續(xù)時(shí)間、嚴(yán)重程度、波及范圍)均比實(shí)際旱情嚴(yán)重[12]，其余兩個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)也出現(xiàn)了類似結(jié)果。EPMC的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明(圖8)，湖北2011年干旱主要發(fā)生在3—8月，各階段的開(kāi)始時(shí)間為2011年1月(P1)—3月(P2)—4月(P3)—9月(P4)。4—8月旱情達(dá)到高峰，9月各地旱情開(kāi)始緩解。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，PADI未能及時(shí)監(jiān)測(cè)到此次干旱的緩解，這可能與6月3日后的旱澇急轉(zhuǎn)有關(guān)[12]。6月湖北發(fā)生了一次大范圍降水(圖8)，但土壤水分并未及時(shí)恢復(fù)正常(SMCI<0.4)，從而導(dǎo)致當(dāng)月的旱情緩解未被及時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，如何提高EPMC方法對(duì)農(nóng)業(yè)干旱量化結(jié)果的準(zhǔn)確性是后續(xù)需深入展開(kāi)的工作。另外，全省總體旱情介于中旱～重旱之間(圖9)，重旱主要發(fā)生在中部部分地區(qū)，這可能與中部地區(qū)干旱持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)有關(guān)?？傊琍ADI對(duì)干旱發(fā)生時(shí)段的判斷比實(shí)際長(zhǎng)，但對(duì)于累積干旱程度的評(píng)估與實(shí)際旱情一致[12]。

3 討 論

本文計(jì)算了3種復(fù)合干旱指數(shù)在我國(guó)三大農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)的干旱易發(fā)區(qū)開(kāi)展了適用性分析研究，定性、定量地分析了不同指數(shù)在不同農(nóng)業(yè)區(qū)的運(yùn)用效果，從而對(duì)復(fù)合干旱指數(shù)的選取提出建議。本部分將重點(diǎn)討論研究結(jié)果中一些特殊的現(xiàn)象及情況，對(duì)比3種復(fù)合干旱指數(shù)的適用性，并分析其原因。

EPMC是PADI指數(shù)干旱監(jiān)測(cè)中的重要組成部分，借助該方法可對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的演變進(jìn)行簡(jiǎn)單量化。其次，該方法在我國(guó)三類農(nóng)業(yè)區(qū)的表現(xiàn)表明，在對(duì)水稻區(qū)(湖北)2011年的干旱進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，該方法未能對(duì)旱情緩解的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，這可能與水稻生長(zhǎng)環(huán)境的特殊性有關(guān)。EPMC對(duì)干旱消亡期的判斷的關(guān)鍵是旱區(qū)是否出現(xiàn)有效降水(土壤水分恢復(fù)正常)，而水稻的生長(zhǎng)環(huán)境長(zhǎng)期處于水分充足的情況下，從而導(dǎo)致在水稻區(qū)的監(jiān)測(cè)效果并不理想。在其余兩種復(fù)合干旱指數(shù)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中也有類似情況出現(xiàn)。EPMC方法如何根據(jù)不同農(nóng)業(yè)區(qū)的區(qū)域特性來(lái)自適應(yīng)地選取判定指標(biāo)/閾值，也是該方法可改進(jìn)之處。

為定量評(píng)價(jià)各指數(shù)在三類農(nóng)業(yè)區(qū)的適用性，分析了各指數(shù)與SPI-3的線性相關(guān)性，結(jié)果表明：(1)與組成各復(fù)合干旱指數(shù)的單一干旱指數(shù)相比，復(fù)合干旱指數(shù)的提升效果不明顯，具體取決于研究區(qū)的地理位置。首先，OVDI在冬小麥區(qū)的魯棒性較好，但不是最佳干旱指數(shù)。此外，在冬小麥區(qū)PADI指數(shù)適合安徽的干旱監(jiān)測(cè)，卻不是河南的最佳指數(shù)，這表明復(fù)合干旱指數(shù)在種植冬小麥的不同省份的監(jiān)測(cè)效果存在差異。因此，干旱指數(shù)的選取除了需考慮主要種植作物外，氣候條件、生產(chǎn)水平等也是無(wú)法忽略的關(guān)鍵因素。(2)在冬小麥—夏玉米的復(fù)合耕作地區(qū)(河南)，對(duì)于發(fā)生在不同季節(jié)的干旱事件，PADI指數(shù)的運(yùn)用效果存在明顯的差別。從分析結(jié)果來(lái)看，PADI指數(shù)對(duì)河南2011年夏旱的監(jiān)測(cè)效果優(yōu)于同年同地區(qū)的春冬連旱，這可能與綜合的作物信息有關(guān)。在2010—2011年河南發(fā)生干旱的時(shí)段中，冬小麥部分生長(zhǎng)期雖受到了干旱的影響，但由于及時(shí)的人工干預(yù)措施(灌溉)，使得冬小麥的生長(zhǎng)并未受到顯著影響。因此，在利用PADI指數(shù)進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)時(shí)，選擇正確的受災(zāi)作物十分關(guān)鍵。(3)在水稻區(qū)，復(fù)合干旱指數(shù)與SPI-3呈顯著不相關(guān)，這可能與水稻生長(zhǎng)環(huán)境的特殊性以及區(qū)域氣候特性有關(guān)(旱澇頻發(fā))。

復(fù)合干旱指數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際旱情的對(duì)比結(jié)果表明：(1)對(duì)干旱事件關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(如高峰期、消亡期)的判定中，指數(shù)TVDI、PADI在三類主產(chǎn)區(qū)的運(yùn)用效果較好，符合實(shí)際旱情。而OVDI在水稻區(qū)的運(yùn)用效果不佳，無(wú)法直接反映水稻受環(huán)境脅迫狀態(tài)，這可能與OVDI結(jié)合了過(guò)多的降水信息有關(guān)。(2)從對(duì)干旱發(fā)生的嚴(yán)重程度來(lái)看，TVDI對(duì)局部干旱嚴(yán)重程度的量化結(jié)果符合實(shí)際旱情，而OVDI對(duì)干旱嚴(yán)重程度的評(píng)定結(jié)果比實(shí)際旱情更嚴(yán)重。其次，PADI指數(shù)是基于EPMC方法及作物生長(zhǎng)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)作物累積受旱程度的量化，因此評(píng)估較為全面，但對(duì)輸入信息的要求較高。(3)TVDI、PADI對(duì)三類主產(chǎn)區(qū)的干旱演變及干旱嚴(yán)重程度的評(píng)估更符合實(shí)際旱情，而OVDI不適用于水稻區(qū)的旱情監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)研究結(jié)果的討論和分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論和建議：

1)PADI指數(shù)的計(jì)算模型較為全面，可在一定程度上反映作物的累積受旱情況，但對(duì)輸入信息的要求較高。綜合來(lái)看，由于我國(guó)不同農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)的作物種植情況存在較大差異，且作物信息庫(kù)不夠全面，故不建議將該指數(shù)用于中國(guó)農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)的大范圍干旱監(jiān)測(cè)。

2)OVDI指數(shù)從純數(shù)學(xué)的角度，對(duì)干旱形成過(guò)程中涉及的主要干旱信息進(jìn)行了最優(yōu)組合，輸入信息易于獲取，且在與SPI-3的定量分析結(jié)果中效果較好。但對(duì)實(shí)際旱情的評(píng)估效果不夠穩(wěn)定和準(zhǔn)確，對(duì)干旱嚴(yán)重程度的判斷偏高。

3)TVDI計(jì)算簡(jiǎn)單，輸入信息易獲取，可在一定程度上反映實(shí)際旱情。與PADI指數(shù)相比，TVDI對(duì)旱情的評(píng)估不夠全面。因此，對(duì)干旱評(píng)估的要求較為簡(jiǎn)單時(shí)(干旱發(fā)生時(shí)間、嚴(yán)重程度)，建議使用指數(shù)TVDI進(jìn)行大范圍的干旱監(jiān)測(cè)。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)、美國(guó)國(guó)家航空航天局?jǐn)?shù)據(jù)和信息服務(wù)中心(http://mirador.gsfc.nasa.gov/)等提供的數(shù)據(jù)。