王玲玲，何 巍，羅米娜，邱 玥，肖 佩

(1.四川省自貢市氣象局，四川 自貢 643000；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610000)

引 言

川西高原地處青藏高原東部，其氣候特征和植被類型與四川東部地區(qū)差異很大，該區(qū)域是四川省主要的牧業(yè)基地，也是全國五大牧區(qū)之一，但近年來由于“缺草”導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)急劇惡化，畜牧業(yè)的發(fā)展受到制約[1]。夏季是牧草生長的關(guān)鍵時期，而干旱會明顯影響牧草長勢，造成牧草產(chǎn)量下降、黃枯期提前、生育期縮短等，且干旱還可能引發(fā)一系列的環(huán)境問題，例如草地群落結(jié)構(gòu)簡單化、物種多樣性減少、土地沙化不斷擴(kuò)展、鼠蟲害頻發(fā)等[2]。因此，對草原區(qū)域的干旱進(jìn)行準(zhǔn)確、有效地監(jiān)測，不僅可為該區(qū)域農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)提供干旱風(fēng)險的管理依據(jù)，還可為農(nóng)牧民生活的改善以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供決策性支持。

干旱監(jiān)測方法主要分為傳統(tǒng)氣象監(jiān)測法和遙感監(jiān)測法。氣象監(jiān)測法是較為傳統(tǒng)的一種監(jiān)測技術(shù)，但缺乏對大區(qū)域干旱程度進(jìn)行時空連續(xù)監(jiān)測。其中帕默爾干旱指數(shù)(palmer drought severity index，PDSI)采用雨量平衡模型，涉及降雨、蒸散發(fā)、土壤濕度等因素，考慮了前期水分對干旱的貢獻(xiàn)，具有明顯的物理意義，但PDSI仍存在一定局限性，比如輸入的數(shù)據(jù)較多、獲取難度大[3]；相對濕潤指數(shù)(moisture index，MI)以土壤水分收支平衡為基礎(chǔ)，反映作物生長季節(jié)水分平衡特征，適用于旬以上的干旱監(jiān)測與評估[4]；降水距平百分率(precipitation abnormity percentage，PA)利用歷年同期平均降水量和與實(shí)際降雨量的偏差來反映干旱程度，計算簡單但不能反映干旱形成的內(nèi)在機(jī)理[5]；標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index，SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)分別以降水?dāng)?shù)據(jù)、降水和溫度數(shù)據(jù)為輸入，計算簡單，但對降雨數(shù)據(jù)及其質(zhì)量和概率分布的模擬依賴性很強(qiáng)[6]。

遙感監(jiān)測法彌補(bǔ)了氣象監(jiān)測的缺陷，具有時效性強(qiáng)、覆蓋面大的優(yōu)點(diǎn)。目前遙感監(jiān)測干旱的方法主要包括光學(xué)遙感監(jiān)測、熱紅外遙感監(jiān)測、微波遙感監(jiān)測、降水遙感監(jiān)測和蒸散法等[7]。其中，光學(xué)遙感監(jiān)測干旱發(fā)展成熟、應(yīng)用廣泛，對于不同的下墊面條件都有良好的適用性[7]，旱情監(jiān)測中植被條件指數(shù)、植被供水指數(shù)、距平植被指數(shù)和溫度狀態(tài)指數(shù)等最常用[8]；熱紅外遙感監(jiān)測主要包括熱慣量法和地表溫度狀態(tài)指數(shù)[9]；微波遙感監(jiān)測方法分為主動微波遙感和被動微波遙感[10]；降水遙感監(jiān)測常與其他干旱指數(shù)共同使用進(jìn)行氣象干旱監(jiān)測[11]；蒸散法多以地表能量平衡方程為基礎(chǔ)，利用遙感所得地表反照率、植被指數(shù)和地表溫度，借助微氣象學(xué)基本原理建立單層模型、雙層模型和多層模型來估算蒸散量[12]。在實(shí)際的研究與應(yīng)用中，多源多時相的綜合監(jiān)測方法可以動態(tài)、宏觀、高效地應(yīng)用于大區(qū)域范圍旱情監(jiān)測中[13]，如ANDERSON等[14]基于熱紅外的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)干旱監(jiān)測綜合指數(shù)USDM(US drought monitor)與蒸發(fā)脅迫指數(shù)(evaporative stress index，ESI)的相關(guān)性較高，在廣域、實(shí)時性監(jiān)測方面有較大優(yōu)勢，但有云、雪和地下水豐富的地方監(jiān)測效果較差；而MATTIJN等[15]通過TRMM3B42的降雨強(qiáng)迫與NDVI數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的相位滯后進(jìn)行早期干旱預(yù)測。

目前，國內(nèi)干旱遙感監(jiān)測研究多集中于干旱和半干旱的平原地區(qū)，對地形復(fù)雜且多云霧影響的西南地區(qū)研究相對較少[16]。因此，迫切需要對因下墊面限制而監(jiān)測站點(diǎn)稀少，且牧草生長多受伏旱影響的川西高原草地區(qū)域開展遙感干旱監(jiān)測。本文綜合考慮植被、溫度和降水在旱情發(fā)生發(fā)展中的作用及體現(xiàn)，構(gòu)建基于植被狀態(tài)指數(shù)(vegetation condition index，VCI)、降水狀態(tài)指數(shù)(precipitation condition index，PCI)和溫度狀態(tài)指數(shù)(temperature condition index，TCI)客觀加權(quán)的歸一化旱情綜合指數(shù)(scaled drought condition index，SDCI)，并選用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)進(jìn)行驗(yàn)證，從歷年干旱個例、多年平均狀態(tài)和發(fā)生頻率對2000—2018年6—8月川西高原草地區(qū)域進(jìn)行月尺度干旱監(jiān)測，并探討伏旱的時空特征，為川西高原草地區(qū)域干旱的防御提供更有針對性、更有效的方法。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

川西高原(26°N—34°N、97°E—104°E)地處青藏高原東南緣，東西地貌差異明顯，分為川西北高原和川西山地兩部分。川西北高原地勢由西向東傾斜，分為丘狀高原和高平原；川西山地西北高、東南低，根據(jù)切割深淺可分為高山原和高山峽谷區(qū)[17]。這里天然草地覆蓋面積12.36×104km2，主要分布在海拔2800～4500 m的地帶，其草原類型主要為高寒草甸草地類、高寒灌叢草地類、山地灌草叢草地類和高寒沼澤草地類，天然草原牧草構(gòu)成以禾本科、豆科、莎草科和雜類草為主。大部分地區(qū)年均氣溫在8 ℃以下，氣溫自東南向西北隨海拔由低到高相應(yīng)降低，從海拔1321 m的瀘定到海拔4200 m的石渠縣城，年均氣溫差達(dá)17 ℃；其中北部大部分地區(qū)及南部理塘、稻城等高海拔地區(qū)最低氣溫低于-20 ℃，石渠達(dá)-37.7 ℃。西北部的丘狀高原冬季嚴(yán)寒漫長，夏季涼寒濕潤，年平均氣溫為0.8～4.3 ℃。山原地帶夏季溫涼，冬春寒冷，干濕季明顯，年平均氣溫為5.6～8.9 ℃。高山峽谷地帶，隨著海拔高度變化，氣候從亞熱帶到溫帶、寒溫帶、寒帶，呈明顯的垂直性差異。川西高原晴天多，日照時間長，常年日照時數(shù)為1900～2600 h，較川東盆地(1000～1600 h)多，年蒸發(fā)量為1232 mm。降水季節(jié)分布不均勻，5—10月為雨季，降水量占全年的90%，常年降水量為325～920 mm[17-18]。圖1為研究區(qū)地形及草地區(qū)域，可以看出川西高原草地區(qū)域海拔高度變化較大。(文中附圖涉及地圖均是基于四川省測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖網(wǎng)站下載的審圖號為川S(2017)096的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改)。

圖1 川西高原草地區(qū)域(陰影)地形及氣象站點(diǎn)分布Fig.1 The distribution of topography and meteorological stations in the grassland area (the shadow) in the western Sichuan plateau

1.2 數(shù)據(jù)來源和預(yù)處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)的獲取

選取2000—2018年6—8月川西高原草地區(qū)域MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)植被指數(shù)產(chǎn)品(MOD13Q1)、地表溫度產(chǎn)品(MOD11A2)和熱帶降水測量計劃衛(wèi)星(tropical rainfall measuring mission, TRMM)的降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)(TRMM3B43)。其中，MODIS來自美國國家航空航天局(NASA)數(shù)據(jù)中心(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search)，MOD13Q1為16 d合成數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，共114期，342景；MOD11A2為采用分裂窗算法反演獲得的每8 d合成數(shù)據(jù)，空間分辨率均為1 km，共171期，684景；TRMM3B43(https:∥pmm.nasa.gov)為格點(diǎn)數(shù)據(jù)，時間分辨率為3 h，空間分辨率為0.25°×0.25°，共14 592期。數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)由美國國家航空航天局(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯(lián)合測得，空間分辨率為90 m。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用MRT(MODIS reprojection tool)和ArcGIS分別對MOD13Q1、MOD11A2產(chǎn)品各期影像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、投影轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換后，用川西高原草地區(qū)域矢量數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)掩膜提取，得到該區(qū)域2000—2018年6—8月歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)和地表溫度指數(shù)(land surface temperature，LST)。由于NDVI、LST和TRMM3B43數(shù)據(jù)的時間和空間分辨率不一致，且有云干擾，故對NDVI、LST數(shù)據(jù)分別采用最小和最大值合成法進(jìn)行32 d合成處理，也可更大程度上減小云的影響；為體現(xiàn)降水累積效應(yīng)，在ENVI/IDL環(huán)境中編程實(shí)現(xiàn)TRMM3B43降水?dāng)?shù)據(jù)逐3 h累加，累加時長為256 h(32 d)；并基于ArcGIS的重采樣法[19]和反距離權(quán)重插值法(IDW)[20]分別將NDVI和TRMM3B43數(shù)據(jù)空間分辨率統(tǒng)一為1 km。最終得到2000—2018年6—8月每32 d的NDVI、LST和累積降水指數(shù)(PTRMM)。

1.2.3 地面氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(http:∥data.cma.cn)，主要包括川西高原草地區(qū)域31個氣象自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)，獲取2000—2018年6—8月逐日降水量和平均氣溫數(shù)據(jù)，用于計算標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)。

2 方 法

分別選取植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)、溫度狀態(tài)指數(shù)(TCI)和降水狀態(tài)指數(shù)(PCI)，通過客觀賦權(quán)法構(gòu)建適宜川西高原草地區(qū)域權(quán)重組合的歸一化旱情綜合指數(shù)(SDCI)，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)對SDCI指數(shù)的干旱監(jiān)測效果進(jìn)行驗(yàn)證和評估。

2.1 歸一化旱情綜合指數(shù)(SDCI)

2.1.1 指標(biāo)選取

(1)植被狀態(tài)指數(shù)

NDVI指數(shù)可以反映植被的生長狀態(tài)，但因植被生長稀疏或作物播收期等，不能直接表征干旱對植被生長的影響。為此，利用植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)可反映不同生長周期中植被的狀態(tài)，并消除了因不同地理位置、氣候背景和生態(tài)類型而產(chǎn)生的植被區(qū)域性差異，進(jìn)一步指示干旱狀況[21]。VCI具體計算公式[21]如下：

(1)

式中：NDVIj表示某年第j期的歸一化植被指數(shù)(j=1,2,…,n)，n為同年獲取NDVI的總期數(shù)；NDVImax、NDVImin分別表示NDVI在研究年限內(nèi)第j期的最大和最小值。VCI值越大，表明植被生長狀況越好。

(2)溫度狀態(tài)指數(shù)

干旱發(fā)生時地表會產(chǎn)生熱應(yīng)力，但地表溫度隨季節(jié)變化而變化，因此不能直接用于干旱監(jiān)測[22]。溫度狀態(tài)指數(shù)(TCI)為旱情監(jiān)測的初始指標(biāo)，冠層溫度升高是植被受到水分脅迫的初期表現(xiàn)，因此冠層溫度可以較植被指數(shù)更早監(jiān)測到干旱的發(fā)生，且TCI在較高溫度或植被稀疏及作物播收期均可用于評估植被狀況和受水分脅迫狀況[22]。TCI具體計算公式[22]如下：

(2)

式中：LSTj(℃)表示某年第j期的地表溫度(j=1,2,…,n)，n為同年獲取LST的總期數(shù)；LSTmax、LSTmin(℃)分別表示同期地表溫度的最大和最小值。當(dāng)植被覆蓋類型及生長環(huán)境不變時，TCI趨近于0，表明植被受水分脅迫嚴(yán)重。

(3)降水狀態(tài)指數(shù)

全球不同地區(qū)TRMM降水產(chǎn)品與地面降水對比研究[23]表明，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)空間分布均勻，且精度基本接近氣象站點(diǎn)觀測的雨量數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了氣象觀測站點(diǎn)稀少且分布不均的不足；且TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)可以監(jiān)測降水虧缺而引起的區(qū)域干旱過程，隨著數(shù)據(jù)時長的積累，其在干旱等氣候現(xiàn)象監(jiān)測中的作用更加突出[23]。為統(tǒng)一各指標(biāo)量綱，對預(yù)處理的PTRMM數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理得到降水狀態(tài)指數(shù)PCITRMM，具體公式[23]如下：

(3)

式中：PTRMMj表示某年第j期的降水量(j=1,2,…,n)，n為同年獲取的PTRMM數(shù)據(jù)期數(shù)；PTRMMmax、PTRMMmin分別表示研究年限內(nèi)第j期降水量的最大值和最小值。PCITRMM取值范圍為0～1，其值越小表明降水量越少。

2.1.2 歸一化旱情綜合指數(shù)(SDCI)的確定

干旱的發(fā)生發(fā)展過程是一種復(fù)雜的耦合過程，難以直接進(jìn)行監(jiān)測，植被生長狀況、土壤水分供需以及大氣降水等均是不可或缺的因素。植被覆蓋度、生物量、葉面積、葉綠素等植被生理參數(shù)與干旱程度具有較好的相關(guān)性，故植被指數(shù)常作為判斷干旱程度的指標(biāo)之一[16]；當(dāng)植被受到水分脅迫且植被形態(tài)尚未發(fā)生變化時，最早表現(xiàn)為植被冠層的溫度升高，故應(yīng)用冠層溫度可以較植被指數(shù)更早監(jiān)測到干旱的發(fā)生狀況[21]；而在不同區(qū)域、不同地勢地貌和氣候條件下，植被冠層溫度表現(xiàn)為不規(guī)律的時空變化特征，并且植被各生長階段的需水量也有所不同，使得植被指數(shù)和地表溫度指數(shù)的旱情監(jiān)測結(jié)果存在一定的時空差異。溫度對干旱的響應(yīng)表現(xiàn)出滯后性，降水對植被的滯后效應(yīng)與植被類型有關(guān)[23]，川西高原草地區(qū)域的植被抗旱能力較差，植被對干旱的滯后效應(yīng)時間較短，如果在一段時間內(nèi)降水量大幅降低或沒有降雨，就會出現(xiàn)一定程度的旱情，加之該區(qū)域海拔高度差異大，灌溉基礎(chǔ)設(shè)施十分薄弱，多為自然降水。因此，干旱監(jiān)測時要綜合考慮植被狀態(tài)、地表溫度和大氣降水量等因素，RHEE等[24]研究發(fā)現(xiàn)，綜合植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)、溫度狀態(tài)指數(shù)(TCI)和降水狀態(tài)指數(shù)(PCI)構(gòu)建的歸一化旱情綜合指數(shù)(SDCI)可以更好地判斷旱情?？紤]植被對旱情監(jiān)測存在一定的滯后性，溫度和降水時效性相對較高，綜合各參數(shù)指標(biāo)監(jiān)測特點(diǎn)和前人經(jīng)驗(yàn)[24-25]，整合內(nèi)在表征PCI指數(shù)和外在表征VCI和TCI指數(shù)構(gòu)建最適宜于川西高原草原地區(qū)歸一化旱情綜合指數(shù)(SDCI)，選用決策結(jié)果可信度高、客觀性強(qiáng)且計算簡單的熵權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重[26]，TCI、PCI、VCI指數(shù)的權(quán)重系數(shù)分別設(shè)為a、b、c，且a+b+c=1，具體公式[25]如下：

SDCI=aTCI+bPCI+cVCI(4)

選取2000—2018年6—8月川西高原草原地區(qū)TCI、PCI和VCI指數(shù)月均值，剔除異常數(shù)據(jù)后共167組樣本數(shù)據(jù)，基于Matlab 2016a軟件編程，通過各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化、信息熵的確定獲取指標(biāo)權(quán)重，熵權(quán)法計算詳見文獻(xiàn)[26]。經(jīng)計算確定TCI、PCI和VCI權(quán)重系數(shù)分別為0.223、0.540和0.237，由此構(gòu)建的干旱監(jiān)測指數(shù)(SDCI)在一定程度上突出了降水累積效應(yīng)，能夠較為充分地表征氣溫、降水和植被對旱情影響的貢獻(xiàn)，其值越小表明研究區(qū)旱情越嚴(yán)重。具體公式如下：

SDCI=0.223TCI+0.540PCI+0.237VCI(5)

2.2 氣象干旱指數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)是降水量與潛在蒸散發(fā)量差值序列的累積概率做正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù)[27]，該指數(shù)綜合考慮降水和溫度因子，兼顧了干旱對蒸散的響應(yīng)以及空間一致性、多時間尺度等特點(diǎn)，是干旱監(jiān)測中較為理想的指標(biāo)之一[28-29]。采用彭曼(Penman-Monteith)公式[30]獲得2000—2018年川西高原草地區(qū)域逐月蒸散量，結(jié)合逐月降水量和潛在蒸散量的差值反映水分盈虧及干濕程度，并建立月尺度的水分盈虧程度累積序列，由于原始數(shù)據(jù)序列中降水量與潛在蒸散的差值可能存在負(fù)值，因此采用Log-logistic概率分布對累積概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[28]，最終計算出月尺度SPEI指數(shù)，然后借助Anusplin軟件，結(jié)合數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)插值得到川西高原草地區(qū)域SPEI空間分布，具體公式[31]如下：

3 結(jié)果分析

3.1 驗(yàn) 證

3.1.1 干旱指數(shù)驗(yàn)證

利用2010—2018年6—8月川西高原草地區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)對該區(qū)域SDCI干旱監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證?；贏rcGIS波段集統(tǒng)計工具計算同期SPEI與SDCI干旱監(jiān)測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)，去除2013、2015、2018年部分無效柵格值，通過均值合成得到27組對比樣本(表1)。結(jié)果顯示，2010—2018年6—8月SPEI與SDCI相關(guān)系數(shù)均在0.3以上，除了2010、2012、2016、2017年8月和2011年6月外，其余相關(guān)系數(shù)均通過α=0.05及以上的顯著性檢驗(yàn)。個別不穩(wěn)定現(xiàn)象與川西高原氣象站點(diǎn)數(shù)量、采集數(shù)據(jù)質(zhì)量限制以及降雨分布極不均勻、土壤類型和植被生長季需水狀況不同有一定關(guān)系。相關(guān)性最高為0.623，達(dá)0.5以上的占比為48%。說明歸一化旱情綜合指數(shù)(SDCI)能有效地應(yīng)用于氣象站點(diǎn)稀少的川西高原草地區(qū)域月尺度伏旱監(jiān)測。

表1 2010—2018年6—8月川西高原草地區(qū)域歸一化旱情綜合指數(shù)(SDCI)與標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)的相關(guān)性Tab.1 Correlation coefficients between the SDCI and SPEI in the grassland area in the western Sichuan plateau from June to August during 2010-2018

3.1.2 歷史伏旱個例驗(yàn)證

2006年夏季川渝地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重的高溫伏旱事件，影響范圍廣、強(qiáng)度強(qiáng)、持續(xù)時間長，其中川東盆地旱情非常嚴(yán)重，且川西高原不同程度的伏旱對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)有很大影響[32]。因此，選取2006年6—8月川西高原草地區(qū)域的SDCI與SPEI監(jiān)測的月均值進(jìn)行比對(圖2)。結(jié)果顯示，SDCI旱情監(jiān)測精度較高，與SPEI監(jiān)測的伏旱發(fā)生發(fā)展過程基本一致，僅部分區(qū)域干旱范圍和強(qiáng)度存在差異，7月SDCI與SPEI的干旱程度表現(xiàn)為理塘、稻城區(qū)域差異較大，8月巴塘旱情存在一定差異，這與站點(diǎn)數(shù)據(jù)精度以及不同地形下植被類型、水熱分布等差異性響應(yīng)規(guī)律均有一定關(guān)系。據(jù)統(tǒng)計[33]，2006年7—8月平均氣溫川西高原南部為20～26 ℃，北部為11～18 ℃，比往年同期偏高1.5～2.2 ℃，連續(xù)無降雨日數(shù)比常年偏多，大部地區(qū)降水較歷年同期偏少2～5成；2006年6月底開始，川西高原地區(qū)旱象露頭并呈發(fā)展趨勢，部分地方開始出現(xiàn)輕度及以上干旱，7月初至8月底干旱擴(kuò)展到大部分地區(qū)[32]。從SDCI各月旱情分布看，川西高原草地區(qū)域6月主要以輕旱和無旱為主，其中甘孜州偏北和偏南的局部地區(qū)和阿壩州東部開始出現(xiàn)中度干旱。7月干旱范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度增強(qiáng)，重度干旱多分布在甘孜州西部和東部，其他區(qū)域多以中度干旱為主。8月干旱強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，甘孜州西部巴塘、北部爐霍和阿壩州馬爾康以南均出現(xiàn)重旱到特旱，其他區(qū)域除石渠和諾爾蓋外均有中度以上旱情發(fā)生，這與張文江等[34]分析的四川盆地東部伏旱發(fā)生發(fā)展過程基本一致，僅部分區(qū)域的強(qiáng)度和范圍略有不同。說明基于綜合植被、溫度狀態(tài)和突出降水累積效應(yīng)的干旱監(jiān)測指數(shù)(SDCI)適宜于川西高原草地區(qū)域，其具備對極端干旱事件的響應(yīng)能力，且精度高于僅考慮降水或兼顧降水和蒸發(fā)量的氣象干旱指數(shù)。

圖2 2006年6—8月川西高原草地區(qū)域SDCI(a、b、c)和SPEI(d、e、f)監(jiān)測的干旱時空分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of drought monitoring based on SDCI (a, b, c) and SPEI (d, e, f) in the grassland area in the western Sichuan plateau from June to August 2006

3.2 歸一化旱情綜合指數(shù)(SDCI)分析

由于氣候環(huán)境、地勢地貌等自然因素和人為因素等差異，不同干旱監(jiān)測方法得到的干旱程度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，本文根據(jù)研究區(qū)歷史旱情實(shí)況，綜合盧曉寧等[25]研究結(jié)論和川西高原山地氣象干旱指標(biāo)[35]確定適宜于川西高原草地區(qū)域的SDCI干旱等級閾值：0≤SDCI<0.15為特大干旱、0.15≤SDCI<0.20為嚴(yán)重干旱、0.20≤SDCI<0.25為中度干旱、0.25≤SDCI<0.30為輕度干旱、0.30≤SDCI<1.00為無旱[25,36]，使川西高原草地區(qū)域的夏季伏旱綜合監(jiān)測結(jié)果更理想。

3.2.1 月尺度伏旱

月尺度的旱情遙感監(jiān)測能很好地揭示植被生長季內(nèi)干旱的平均狀態(tài)，而對這種平均狀態(tài)的認(rèn)識對于準(zhǔn)確評估干旱對作物生長的影響、有針對性地規(guī)劃區(qū)域農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)都具有重要指導(dǎo)意義[22,30]。因此，將川西高原草地區(qū)域2000—2018年夏季(6—8月)月尺度SDCI監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行均值處理，得出伏旱平均狀態(tài)(圖3)。結(jié)果表明，夏季川西高原草地區(qū)域月尺度伏旱強(qiáng)度雖有不同，但位置多分布在甘孜州西部、南部和阿壩州南部一帶，東北部阿壩州的若爾蓋多為無旱。年均伏旱程度69.2%為輕度干旱，整體表現(xiàn)為8月和6月較強(qiáng)，以輕度到中度干旱為主，7月多表現(xiàn)為輕旱和無旱。6月干旱多發(fā)生在甘孜州中部偏西、偏南區(qū)域，以及甘孜和阿壩州交接處，主要包括巴塘、康定、色達(dá)和壤塘，達(dá)中度干旱以上的面積為0.52×104km2，輕度干旱面積為2.40×104km2。7月受副熱帶高壓和西南低渦位置及強(qiáng)度的影響，川西高原降水相對充足[37]，草地區(qū)域多表現(xiàn)為無旱，中度干旱在川西高原偏南局部區(qū)域，面積為0.36×104km2，輕旱以下的面積為14.07×104km2，其占川西高原草地區(qū)域總面積的96%。由于副熱帶高壓西伸北抬以及南亞高壓的控制[37]，8月川西高原草地區(qū)域高溫少雨，干旱強(qiáng)度增強(qiáng)、范圍擴(kuò)大，干旱發(fā)生的位置與6月大致相同，多發(fā)生在甘孜州中部偏西、偏南區(qū)域，以及甘孜和阿壩州交接處，主要包括巴塘、康定、色達(dá)和壤塘，達(dá)中度以上干旱的面積為0.49×104km2，輕度干旱面積為2.44×104km2。這與王杰等[38]采用信息擴(kuò)散方法，通過構(gòu)造降水距平百分率得到的川西高原夏季不同等級農(nóng)業(yè)干旱危險性的空間分布特征基本一致。

圖3 2000—2018年6—8月川西高原草地區(qū)域SDCI監(jiān)測的干旱時空分布Fig.3 Spatial and temporal distribution of drought monitoring based on SDCI in the grassland area in the western Sichuan plateau from June to August during 2000-2018

3.2.2 伏旱發(fā)生頻率時空分布

將2000—2018年6—8月川西高原草地區(qū)域SDCI監(jiān)測結(jié)果按照旱情等級進(jìn)行像元提取，當(dāng)像元值達(dá)到輕度干旱閾值以上，則認(rèn)定在該期此像元發(fā)生干旱，賦值為1，其余象元賦值為0，從而獲得歷年各期以0和1屬性特征的伏旱柵格數(shù)據(jù)。將2000—2018年同期伏旱監(jiān)測重賦值數(shù)據(jù)累加求平均，即可得到2000—2018年6—8月川西高原草地區(qū)域輕旱及以上等級的干旱發(fā)生頻率(P)，為凸顯該區(qū)域干旱發(fā)生頻率空間分布差異，故將P劃分為5個等級，分別為P≤30%、30%60%(圖4)，P值越大表明干旱發(fā)生頻率越高。另外，分別將像元值達(dá)到輕度、中度、重度和特大干旱閾值內(nèi)的像元賦值為1，其余象元賦值為0，統(tǒng)計得到2000—2018年6—8月川西高原草地區(qū)域各干旱等級的干旱發(fā)生頻率(表2)。

表2 2000—2018年6—8月川西高原草地區(qū)域SDCI監(jiān)測的不同等級干旱發(fā)生頻率Tab.2 The frequency of drought with different levels based on SDCI in the grassland area in the western Sichuan plateau from June to August during 2000-2018 單位：%

結(jié)合圖4和表2可以看出，川西高原草地區(qū)域伏旱高發(fā)區(qū)范圍較廣，6、7、8月輕度及以上等級干旱發(fā)生頻率的平均值為61.12%，各月輕度及以上等級干旱發(fā)生頻率超過40%的面積分別為4.84×104、2.15×104、5.14×104km2，且多發(fā)生在甘孜州西南部的巴塘、理塘和稻城，北部的色達(dá)，以及西北部的石渠和東部康定區(qū)域，這與甄英等[39]運(yùn)用Z指數(shù)、氣候傾向率、小波分析等方法得到的1961—2017年甘孜州干旱發(fā)生頻率分布呈自西北向西南及東南向東北減少的特征基本一致，而阿壩州北部的紅原和諾爾蓋地區(qū)干旱發(fā)生頻率較低(小于40%)。整體表現(xiàn)為6月和8月旱情發(fā)生頻率高、范圍廣，特大干旱發(fā)生頻率8月較高為2.82%；6月嚴(yán)重干旱和中度干旱發(fā)生頻率較高，分別為10.08%和29.27%。7月，副熱帶高壓西伸北抬至川西高原以東，副高外圍偏南氣流帶來了充沛的水汽，加之地形抬升作用，降水增多[37]，使得川西高原中部一帶干旱較6月有明顯緩解，川西高原中部一帶干旱發(fā)生頻率減少至30%以下，輕度干旱較為頻發(fā)(60.66%)，僅在巴塘和石渠部分地方干旱發(fā)生頻率達(dá)40%，這與盧曉寧等[25]研究得出的2000—2015年川西高原地區(qū)的伏旱平均發(fā)生頻率為60%，以及區(qū)域西部和西南部一帶伏旱最頻發(fā)的研究結(jié)論較為吻合。8月隨著青藏高壓和副熱帶高壓增強(qiáng)，川西高原區(qū)域多高溫少雨，干旱加重的區(qū)域主要集中于川西高原中部偏西大部分地區(qū)，嚴(yán)重干旱和中度干旱發(fā)生頻率分別為8.00%和25.39%，輕度干旱發(fā)生頻率達(dá)63.79%，旱情加重趨勢和干旱發(fā)生頻率分布特征的結(jié)果也與盧曉寧等[1]通過距平植被指數(shù)法得到川西高原地區(qū)不同地形因子的干旱發(fā)生頻率差異結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

(1)綜合考慮干旱發(fā)生發(fā)展過程中的土壤水分脅迫、植被生長狀態(tài)和氣象降水盈虧等因素，基于2000—2018年6—8月同期TCI、VCI和PCI指數(shù)構(gòu)建突出降水累積效應(yīng)且適宜于川西高原草地區(qū)域的歸一化旱情綜合指數(shù)(SDCI)，監(jiān)測結(jié)果通過了同期標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)的驗(yàn)證。突出降水累積效應(yīng)的歸一化旱情綜合指數(shù)SDCI的監(jiān)測精度較高，其與SPEI對2006年川西高原草地區(qū)域高溫伏旱事件的監(jiān)測結(jié)果基本一致，主要表現(xiàn)為6月底旱象露頭并呈發(fā)展趨勢，以輕旱和無旱為主，從7月初到8月底伏旱擴(kuò)展到大部分地方，僅部分地方伏旱發(fā)生范圍和強(qiáng)度與實(shí)況略有差異，故SDCI具備對極端干旱事件的響應(yīng)能力且適用于川西高原草地區(qū)域干旱監(jiān)測。

(2)2000—2018年月尺度伏旱強(qiáng)度雖有不同，但位置多分布在甘孜州西部、南部和阿壩州南部一帶，東北部若爾蓋多表現(xiàn)為無旱。伏旱程度整體表現(xiàn)為8月和6月較強(qiáng)，以輕度到中度干旱為主，達(dá)中度干旱以上的面積分別為0.49×104、0.52×104km2，而7月多為輕旱和無旱，輕旱以下的面積為14.07×104km2。這與川西高原草地區(qū)域地理位置和氣候特征存在一定關(guān)系，7月高能高濕，降雨增多，旱象減輕，8月溫度升高、降水減少，干旱強(qiáng)度和范圍也隨之增強(qiáng)和擴(kuò)大。

(3)2000—2018年6、7、8月川西高原草地區(qū)域輕度及以上等級干旱發(fā)生頻率超過40%的面積分別為4.84×104、2.15×104、5.14×104km2，且多發(fā)生在甘孜州西南部的巴塘、理塘和稻城，北部的色達(dá)，以及西北部的石渠和東部康定區(qū)域，輕度及以上等級干旱發(fā)生頻率的平均值為61.12%；而阿壩州北部的紅原和諾爾蓋地區(qū)干旱發(fā)生頻率較低(小于40%)。整體表現(xiàn)為6月和8月旱情發(fā)生頻率高、范圍廣，特大干旱發(fā)生頻率8月較高為2.82%；6月嚴(yán)重干旱和中度干旱發(fā)生頻率較高，分別為10.08%和29.27%。7月隨著降水增多，川西高原中部一帶干旱發(fā)生頻率減少至30%以下，輕度干旱較為頻發(fā)(60.66%)。8月研究區(qū)多高溫少雨，干旱加重的區(qū)域主要集中于川西高原中部偏西大部分地方。

5 討 論

干旱具有發(fā)生發(fā)展的復(fù)雜性以及多尺度變化特征，目前已有的干旱監(jiān)測指標(biāo)多在指定時間和范圍內(nèi)建立，很難達(dá)到時空普適性[13]，這給旱情的監(jiān)測和評估帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。對比川西高原地區(qū)干旱時空特征分析的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，以TCI、VCI和PCI指數(shù)構(gòu)建的歸一化旱情綜合指數(shù)(SDCI)分析川西高原草地區(qū)域的伏旱時空特征與相關(guān)研究結(jié)果基本一致[25,34,38]，說明該指數(shù)在川西高原草地區(qū)域的干旱監(jiān)測中具有較好的適用性。但由于數(shù)據(jù)時間、范圍以及評估方法選取的不同，監(jiān)測得到的干旱程度和空間分布會有所不同，如SDCI監(jiān)測結(jié)果與ESI(evaporative stress index)、ETI(evapotranspiration index)等指數(shù)對西南地區(qū)干旱監(jiān)測的效果[40]存在強(qiáng)度和空間上的差異。

發(fā)生干旱時雖然地表溫度指數(shù)和降水指數(shù)時效性較高，但植被指數(shù)會表現(xiàn)出一定的滯后性，加之土壤類型和植被生長季需水狀況不同，導(dǎo)致客觀權(quán)重的確定仍存在一定的片面性；受實(shí)測氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量和站點(diǎn)數(shù)量限制，使SDCI與SPEI指數(shù)的相關(guān)性不穩(wěn)定，因此，最優(yōu)權(quán)重組合的確定和驗(yàn)證應(yīng)基于精細(xì)化格點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)，采用科學(xué)的優(yōu)化算法，更好地提高干旱監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度是后期工作重點(diǎn)。而在構(gòu)建SDCI時選用的熱帶降雨衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)(TRMM3B43)的空間分辨率為0.25°×0.25°，重采樣為1 km×1 km，意味著0.25°網(wǎng)格內(nèi)的全部1 km像元值均相等，這對SDCI旱情監(jiān)測結(jié)果的精度可能存在一定的影響，后期可選用精度更高的降水?dāng)?shù)據(jù)來提高干旱綜合監(jiān)測的精準(zhǔn)度。此外，SDCI監(jiān)測結(jié)果在很大程度上能夠表征川西高原草地區(qū)域近20 a干旱的平均狀態(tài)和發(fā)生頻率，但對干旱發(fā)生機(jī)理僅做了現(xiàn)象描述和定性分析，加之干旱發(fā)生成因復(fù)雜，后期可繼續(xù)探究不同地形下植被類型、水熱分布等差異性響應(yīng)規(guī)律，以便進(jìn)一步了解干旱發(fā)生的機(jī)制。