薛明慧

(河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098)

0 引言

干旱主要指淡水總量少，一般持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)、影響范圍廣、產(chǎn)生的危害大[1]。傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測(cè)方法一般是基于氣象站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[2]。近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，因其實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)量大、精度相對(duì)較高等特點(diǎn)，利用遙感技術(shù)手段進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)逐漸應(yīng)用開(kāi)來(lái)[3-4]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于遙感干旱監(jiān)測(cè)方法主要有：可見(jiàn)光-近紅外波段的遙感干旱監(jiān)測(cè)、近紅外-短波紅外波段的遙感干旱監(jiān)測(cè)、熱紅外遙感干旱監(jiān)測(cè)、高光譜遙感干旱監(jiān)測(cè)以及微波遙感干旱監(jiān)測(cè)等[5-8]。Idso[9]提出根據(jù)冠氣溫差與空氣水汽壓的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系提出了作物缺水指數(shù)CWSI，Jackson[10]在此基礎(chǔ)上作出闡釋?zhuān)⒔o出了計(jì)算公式。CWSI適用于小范圍、蒸散作用較強(qiáng)的作物生長(zhǎng)過(guò)程中的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)。喻元在研究關(guān)中地區(qū)干旱監(jiān)測(cè)與時(shí)空分布問(wèn)題時(shí)采用CWSI與TVDI兩個(gè)指數(shù)，并驗(yàn)證CWSI在空間與時(shí)間上干旱監(jiān)測(cè)效果優(yōu)于TVDI[11]。河南省和山東省位于華北平原，是中國(guó)冬小麥、夏玉米的主要種植區(qū)之一。但隨著全球氣候變化，境內(nèi)干旱氣象災(zāi)害頻發(fā)，糧食安全問(wèn)題隨之而來(lái)。其中，2012年5月1日—6月25日，河南省和山東省平均降水量約41.9 mm，較常年同期偏少67%，為1951年以來(lái)同期最少，特別是河南省6月1日—25日全省平均降水量?jī)H4.3 mm，氣溫較同期偏高1～2 ℃，多地出現(xiàn)中度以上氣象干旱[12]。2013年3月—6月上旬，華北平原北部大部分地區(qū)降水為10～50 mm，較常年同期偏少，冬小麥生長(zhǎng)受到嚴(yán)重影響[13]。本研究根據(jù)MODIS傳感器提供的蒸散發(fā)產(chǎn)品MOD16A2數(shù)據(jù)，提取相關(guān)蒸散量ET(Evapotranspiration)與潛在蒸散量PET(Potential Evapotranspiration)數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算CWSI，分析河南省和山東省干旱時(shí)空分布特征，從而為干旱的防治、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安排提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省、山東省位于華北平原，地理范圍介于110.35°～122.71°E ，31.33°～38.40°N之間，總面積約為32.4萬(wàn)km2[14-15](圖1)。河南省、山東省地勢(shì)高低起伏，境內(nèi)河流眾多、河網(wǎng)密布。河南省、山東省分別屬于暖溫帶-亞熱帶、濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候和暖溫帶季風(fēng)氣候，兩省均雨熱同期，降水季節(jié)性分配不均，多集中于夏季，冬春季多寒冷干燥，雨水較少，因此，研究區(qū)易發(fā)生旱澇災(zāi)害，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

MODIS是搭載在Terra和Aqua衛(wèi)星上的重要傳感器，是目前世界上新一代“圖譜合一”的光學(xué)遙感儀器，共有36個(gè)離散光譜波段，光譜范圍廣，從0.4 μm(可見(jiàn)光)到14.4 μm(熱紅外)全光譜覆蓋[16-17]。MODIS傳感器與NOAA衛(wèi)星及陸地衛(wèi)星相比，其空間分辨率、光譜分辨率及時(shí)間分辨率都有明顯提高。本研究選取MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD16數(shù)據(jù)，探析河南省和山東省2012年6月—2013年6月的干旱時(shí)空分布特征。MOD16數(shù)據(jù)為陸地4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，內(nèi)容為蒸騰作用，分為旬、月合成產(chǎn)品。本研究使用的為MOD16A2月合成產(chǎn)品，其空間分辨率為500 m，8天為一個(gè)周期，一幅影像包含4個(gè)數(shù)據(jù)，本研究使用其中的2個(gè)數(shù)據(jù)，蒸散量ET和潛在蒸散量PET，ET和PET為觀測(cè)時(shí)間8天范圍內(nèi)的蒸散量與潛在蒸散量的總和[18-20]。

2.2 研究方法

蒸散主要包括兩部分：地表水分蒸發(fā)以及植物體內(nèi)水分的蒸騰。地表含水量較高時(shí)，蒸散作用較強(qiáng)，含水量較低時(shí)蒸散作用則相對(duì)較弱[21]。植物體內(nèi)的蒸騰不僅對(duì)于植物自身，而且對(duì)于整個(gè)生物圈、大氣圈、水圈都十分重要。

人們把一定氣象條件下水分供應(yīng)充足的蒸散定義為潛在蒸散，而實(shí)際氣象及水分供應(yīng)不足條件下的水分蒸散定義為實(shí)際蒸散，把實(shí)際蒸散與潛在蒸散之比作為作物缺水的指標(biāo)[22-23]。最先提出作物缺水指數(shù)CWSI的是Idso，而Jackson等對(duì)其進(jìn)行闡述，利用ET與PET進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)，并給出了計(jì)算公式：

(1)

式(1)中：CWSI的值在0～1之間，其值的大小反映了研究區(qū)的干旱情況，值越大表示干旱程度越嚴(yán)重，值越小則表示干旱程度越輕。

3 河南省、山東省干旱時(shí)空分布特征

3.1 河南省、山東省干旱月際時(shí)空分布特征

河南省、山東省干旱時(shí)空分布情況月際間差異較大，各月作物缺水指數(shù)CWSI分布情況如圖2。2012年6月干旱面積較大，且CWSI峰值很高，為0.977 4，冬小麥?zhǔn)崭畹椒N植玉米之間出現(xiàn)大量裸地，在高溫條件下地表水分大量蒸發(fā)，造成大面積干旱[24-25]。2012年7月、8月干旱時(shí)空分布情況較為一致，相較于2012年6月氣溫升高，降水增加，并且夏玉米的生長(zhǎng)增加了植被覆蓋面積，整體干旱面積有所減少，CWSI峰值均在0.87～0.90之間，整體呈現(xiàn)輕旱、無(wú)旱狀態(tài)。2012年9月、10月干旱時(shí)空分布情況較為一致，相較于2012年7月、8月降水減少，夏玉米進(jìn)入成熟期后植物蒸騰作用減弱，且收割后出現(xiàn)大量裸地，整體干旱面積有所擴(kuò)大，CWSI峰值分別為0.886 5、0.950 2，除研究區(qū)中部相對(duì)濕潤(rùn)外，其余地區(qū)均呈現(xiàn)不同程度的干旱，河南省西部及山東省中部較為嚴(yán)重。2012年11月、12月干旱時(shí)空分布情況較為一致，但11月相對(duì)12月干旱面積較大，CWSI峰值也較高。2013年1月、2月干旱時(shí)空分布情況較為一致，CWSI峰值均在0.75～0.80之間，且CWSI值相對(duì)較高的區(qū)域均集中在河南省西南部，干旱情況較為嚴(yán)重，河南省東北部以及整個(gè)山東省CWSI值相對(duì)較低，處于無(wú)旱和輕旱區(qū)。2013年3月、4月干旱時(shí)空分布情況較為一致，相較2013年1月、2月，整體干旱面積有所擴(kuò)大，CWSI峰值均在0.9以上，河南省西部以及2013年4月份的山東省中南部干旱情況較為嚴(yán)重，其余大部分區(qū)域處于輕旱區(qū)。2013年5月相較于3月、4月，降水量有所增加，所以整體干旱面積有所減少，但CWSI峰值仍在0.9以上，且干旱較為嚴(yán)重區(qū)集中分布在河南省北部、南部以及山東省中部。

從時(shí)間月尺度分布情況來(lái)看，河南省、山東省在2012年的7月、8月、12月以及2013年的1月、2月相對(duì)較為濕潤(rùn)，2012年的6月、9～11月以及2013年的3～5月相對(duì)較為干旱，這主要與不同時(shí)間降水多少以及植被類(lèi)型及其生長(zhǎng)情況有關(guān)；從空間分布來(lái)看，山東省較河南省濕潤(rùn)，平原大多較山地濕潤(rùn)，這主要與地理位置、植被類(lèi)型有關(guān)，山東省臨海，空氣、土壤濕度相對(duì)于河南省略大，植被類(lèi)型不同，植物對(duì)于生長(zhǎng)所需的水分、氣溫等也有差異，蒸騰作用程度也不同。

河南省、山東省干旱月際時(shí)空分布上因地形間的差異，干旱分布特征差異十分顯著(P<0.05)。2012年6月干旱程度整體很?chē)?yán)重，但山東省山地干旱情況仍比平原地區(qū)嚴(yán)重。2012年7月、8月河南省、山東省山地干旱情況有較大程度上的減緩，山東省干旱情況略比河南省嚴(yán)重。2012年9月、10月干旱嚴(yán)重程度有所增加，山地較平原嚴(yán)重。2012年11月、12月以及2013年1月、2月山東省整體呈現(xiàn)無(wú)旱或輕旱狀態(tài)，而河南省西部山地干旱程度則明顯嚴(yán)重。2013年3月、4月河南省和山東省山地干旱程度均比平原地區(qū)嚴(yán)重，2013年5月相較3月、4月干旱程度略微有所降低。總體來(lái)看，河南省、山東省山地干旱程度較平原地區(qū)嚴(yán)重。

圖 2 2012年6月—2013年5月各月CWSI分布情況Figure 2 Monthly distribution of CWSI from June 2012 to May 2013

3.2 河南省、山東省干旱季節(jié)時(shí)空分布特征

氣溫、降水等的季節(jié)性差異是十分顯著的，受此影響干旱的季節(jié)性差異也是十分顯著的(P<0.05)，河南省、山東省四季作物缺水指數(shù)CWSI分布情況如圖3。秋季CWSI峰值為0.869 1，河南省西部干旱程度相對(duì)嚴(yán)重，山東省全省范圍內(nèi)大致一致，呈現(xiàn)輕度干旱。冬季CWSI峰值為0.734 6，干旱面積明顯較小，干旱程度明顯較低，除河南省南部呈現(xiàn)相對(duì)干旱外，其余地區(qū)呈現(xiàn)無(wú)旱狀態(tài)。春季CWSI峰值為0.918 9，干旱情況較為嚴(yán)重，且干旱面積較大，除河南省東南部較小區(qū)域呈現(xiàn)相對(duì)濕潤(rùn)狀態(tài)，其他地區(qū)呈現(xiàn)不同程度的干旱，尤其河南省西部及山東省中部較為嚴(yán)重。夏季CWSI峰值為0.863 4，相較春季，干旱面積有所減少，干旱程度有所降低，河南省北部及山東省北部、南部干旱情況較為嚴(yán)重，河南省南部相對(duì)濕潤(rùn)。

從時(shí)間分布來(lái)看，冬季為一年中干旱程度最輕的季節(jié)，這與冰雪覆蓋、降水、溫度等相關(guān)，河南省、山東省降水季節(jié)性分布明顯不均，尤其春季、秋季降水最少，且春季氣溫逐漸回升，秋季多種作物收割造成裸地面積增加，地表水分蒸發(fā)量隨之加大；從空間分布來(lái)看，河南省干旱程度略比山東省嚴(yán)重，山地干旱程度明顯比平原嚴(yán)重，這與地理位置、降水等相關(guān)。

河南省、山東省干旱季節(jié)時(shí)空分布上因地形間的差異，干旱程度差異十分顯著(P<0.05)。河南省西部山區(qū)在春季和冬季干旱程度較為嚴(yán)重，夏季和秋季則呈現(xiàn)無(wú)旱或輕旱狀態(tài)；山東省在春季、夏季、秋季山地旱情一直相對(duì)于平原地區(qū)略嚴(yán)重，冬季全境呈現(xiàn)無(wú)旱狀態(tài)?？傮w來(lái)看，河南省、山東省山地干旱情況略嚴(yán)重于平原。

圖 3 2012年秋季—2013年夏季CWSI分布情況Figure 3 Distribution of CWSI from autumn 2012 to summer 2013

3.3 河南省、山東省干旱時(shí)空分布特征對(duì)比分析

河南省、山東省作物缺水指數(shù)CWSI峰值月際、季節(jié)變化趨勢(shì)基本保持一致，如圖4、圖5。

圖 4 CWSI峰值月際變化Figure 4 CWSI peak monthly variation

圖 5 CWSI峰值季節(jié)變化Figure 5 CWSI peak seasonal variation

從月際變化來(lái)看，河南省全年各月均出現(xiàn)了重旱及特旱區(qū)，山東省除2013年2月外，其余各月均出現(xiàn)了重旱及特旱區(qū)。僅從CWSI峰值來(lái)看，兩省CWSI峰值月際最大值均出現(xiàn)在2012年6月，分別為0.977 4、0.966 2，呈現(xiàn)特級(jí)干旱狀態(tài)；河南省CWSI峰值月際最小值出現(xiàn)在2012年12月，為0.712 6，山東省CWSI峰值月際最小值出現(xiàn)在2013年2月，為0.557 3，僅從最小值來(lái)看，兩省干旱情況都略微嚴(yán)重。河南省整體趨勢(shì)線處于山東省之上，且全年各月均出現(xiàn)特級(jí)干旱區(qū)。由此可見(jiàn)，河南省干旱情況相較于山東省略顯嚴(yán)重。

從季節(jié)變化來(lái)看，河南省、山東省CWSI峰值基本隨季節(jié)變化呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。兩省CWSI峰值季節(jié)最大值均出現(xiàn)在春季，河南省為0.918 9，山東省為0.886 9，呈現(xiàn)特級(jí)干旱狀態(tài)；兩省CWSI峰值最小值均出現(xiàn)在冬季，河南省為0.734 6，山東省為0.555 9。僅從最大值與最小值來(lái)看，河南省、山東省干旱情況都略微嚴(yán)重，且河南省干旱情況比山東省嚴(yán)重。河南省整體趨勢(shì)線位于山東省之上，且四季均出現(xiàn)了特級(jí)干旱區(qū)。由此可見(jiàn)，河南省干旱情況比山東省嚴(yán)重。

CWSI峰值變化受氣溫、降水、地形、作物生長(zhǎng)期及作物蒸騰作用等的影響，從CWSI峰值月際、季節(jié)變化來(lái)看，河南省干旱程度與山東省基本相當(dāng)，河南省干旱情況略比山東省嚴(yán)重。

4 結(jié)論

利用MOD16A2數(shù)據(jù)，采用作物缺水指數(shù)CWSI對(duì)河南省、山東省干旱時(shí)空分布情況進(jìn)行分析，最終從月際、季節(jié)角度得出了2012年6月到2013年6月河南省、山東省干旱的時(shí)空分布特征。主要成果與結(jié)論如下：

(1)河南省、山東省2012年6月到2013年6月干旱情況月際浮動(dòng)較大，月際間干旱程度差異顯著(P<0.05)。2012年6月、10月以及2013年3月、4月為一年中干旱最為嚴(yán)重的月份，CWSI月際最大值出現(xiàn)在2012年6月，為0.977 4，呈現(xiàn)特級(jí)干旱狀態(tài)。隨地形起伏變化，河南省、山東省旱情程度分布有較大差異，整體來(lái)講，山地干旱程度略嚴(yán)重于平原。

(2)河南省、山東省干旱情況季節(jié)性浮動(dòng)較大，不同季節(jié)的干旱程度呈現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)。春季、秋季干旱情況較為嚴(yán)重，尤其春季CWSI為四季中的最大值，為0.918 9。

(3)河南省與山東省對(duì)比，兩省CWSI峰值月際、季節(jié)變化呈現(xiàn)同步趨勢(shì)，但河南省CWSI峰值整體高于山東省，河南省的干旱程度較山東省嚴(yán)重。