山西农业干旱与气象因子的相关性分析

李腊平 李小强 杨春仓 徐鑫 刘洁莉

摘 要：

经济的发展促进农业的进步，在我国农业发展的过程中农业种植经常受到自然灾害的侵袭，尤其是干旱的影响。一旦发生干旱，农作物因长期缺水而造成粮食的减产和歉收，对农业经济的发展有一定的影响，如果旱情严重还可能引发作物种类减少和水土流失等灾害的出现。因此，对农业干旱的时空分布与演变特征进行科学细致的研究是非常必要的，同时也是预防农业灾害的重要手段。

关键词：

山西;农业干旱;气象因子;相关性分析

中图分类号：S16

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191230043

1 研究方法与进展

本文使用的研究方法为利用归一化植被指数NDVI（NormalizedDifferenceVegetationIndex）与地表温度LST（LandSurfaceTemperature）数据建立NDVI-LST模型。该种模型优势明显，不仅可以轻易地获取数据，同时有较强的适用性，且模型简单，而且还有重要的物理意义。以下具体分析该模型的组成部分。

1.1 植被供水指数VSWI

植物正常生长情况下，在卫星遥感技术的协助下能够获取以下数据：植被的指数、植被冠层温度等，同时这些数据在正常的范围内。如果植被供水不足或缺水，其生长情况会受到影响，将出现植被的指数降低和水分不足的情况，且植被冠层的温度升高。在一些学者的研究中，植被指数和植被冠层温度是重要的考察指标，植被供水指数的具体计算方法为：影像的增加强化系列数据×植被指数/农作物树冠层面温度。其中，呈现正比例的数据为植被指数与树叶面积的指数，如果作物生长良好的话，那么植被指数就越大。此外，植被树冠层的温度与供水之间呈正比例关系，即当作物可能出现干旱情况的话，那么树冠层的温度将升高，即植被供水指数越小，农作物中的土壤水分也就越小，很容易出现干旱的情况。将该模型应用到具体的实践当中，用于检测某地农作物生长的干旱情况，结果证明检测数据和基本事实相一致。

1.2 温度植被干旱指数TVDI

温度植被干旱指数主要指的是，植被指数与地表温度之间的关系。为了得到温度植被干旱指数，就需要研究特定时间内某一区域的干旱程度与变化特征的关系。温度植被干旱指数越高，该区域的干旱情况就越严重。

1.3 条件温度植被指数VTCI

该指数与温度植被干旱指数相似，需要研究特定时间内某一区域的干旱程度与变化特征的关系，但是其结果与温度植被干旱指数相反，即条件温度植被指数越小，这一区域内的干旱将越严重。

综合上面的阐述可以知道，该模型和各类检测指数提升了检测结果的可靠性，因而被广泛使用。但在此过程中，植被供水指数构建模型却因其过于简单而逐渐被温度植被干旱指数所取代。1994年，外国科学家首次提出了温度植被干旱指数的概念，随后与其相关的一系列研究也相继出现，在许多省、市和地区得到了使用。然而，温度植被干旱指数在发展的过程中也受到诸多因素的影响，使其存在一定的缺点，但有一些学者不断地对其进行改进。本文就是通过对温度植被干旱指数与维度进行校正，同时结合修正公式对山西地区的降水量进行研究和实验后，建立了适合该地区发展的农业干旱检测模型。本文对TVDI模型进行DEM和纬度校正后，沿用干边拟合修正公式，针对山西省降水量少且集中的特点，以月为单位，进行大量的实验，对C值的选取方式进行了定义，并提出只适用于山西省农业干旱监测模型。在此基础上，对山西省2014年的农业干旱进行监测，并进行时空动态分析，为之后的山西省农业干旱遥感研究提供参考。

2 研究内容

在农业干旱遥感检测模型和温度植被干旱指数的基础之上，形成了适合山西省農业干旱的温度植被干旱指数新模型，将新模型用于检测山西省农业干旱情况，最终得出以下从1984—2016年的干旱发展特征与气候变化之间的关系。

2.1 数据整理

通过对地表温度和植被指数进行一系列的分析之后发现，可以将地表温度与植被指数的最大数据进行合成，之后对获取的气象数据进行整理分析，再用于实验的备用。

2.2 对山西地表温度进行地理纬度修正

山西省地理纬度跨度比较大，南北之间温差也较大，可达10℃以上，因此在检测的过程中很容易出现南部干旱、北部湿润的错误判断。为避免出现这样的误判，构建温度植被干旱指数模型的过程中，需要对地表的温度进行维度的校正。

2.3 对地表温度进行DEM修正

山西（海拔200～2942m）位于太行山和黄河之间的黄土高原上，地形较为复杂，平均海拔大约1300m，山区多集中在北部和中部，海拔较高，达1400km以上，且温度较低。盆地位于中部，多分布在太行山与吕梁山之间，海拔低，一般在600m以下且温度较高，在进行干旱监测时，极易形成“高湿低旱”的错误分析，所以，在构建TVDI模型监测山西省农业干旱前，必须对地表温度进行DEM校正。

2.4 对形成的TVDI新模型进行验证，同时监测山西省农业干旱

为了更好地发挥数据模型的作用，应该重视土壤相对湿度之间的关系，这就需要对温度植被干旱指数进行必要的修正。此外，还需要结合干旱的分级对温度植被干旱指数进行分析，从而形成对山西1984—2016年干旱情况的调查。

3 基于季节的TVDI空间分布变化

第1阶段，山西的中度干旱和重度干旱地区主要集中在北部，轻度干旱地区主要为山西中部地区和东部地区，无干旱地区主要有中部地区和南部地区。第2阶段，中度干旱地区和重度干旱地区在冬季时由山西东部向中部和东部转移;轻度干旱地区主要集中在中部大多数区域，之后向全省蔓延;无干旱地区主要分布在山西中西部等局部地区。

4 基于DEM的TVDI空間分布变化

山西的南部地区因为海拔比较低，全年基本没有旱情;中部地区海拔适中，旱情相对较轻;北部地区海拔都在1300m以上，干旱的情况为中等干旱。综合上面的阐述可知，海拔越高旱情就越严重。从历年山西省农业干旱情况分布可以得知，如果秋季发生干旱，分布情况与DEM高程会有明显的关系。当海拔高于1700m，秋季的旱情多数为中度干旱或重度干旱;当海拔介于1400～1700m，秋季的旱情基本为轻度干旱或重度干旱;当海拔介于1000～1400m，旱情基本为轻度干旱。

5 基于土地利用类型的温度植被干旱指数空间分布

为了更好地促进山西地区农业的发展，必须明确山西省农业干旱的空间分布特征。从相关的研究中可以发现，当海拔介于300～600m，该地区的植被分布类型多为果蔬和农垦地带，这时出现的旱情会呈现季节性的变化。例如，在山西南部地区主要种植冬小麦和夏玉米，在农作物成熟之前这些地区基本不发生干旱灾害，一旦作物成熟就可能出现轻度旱情。当海拔达到600～1400m时，该地区的植物类型多为灌草丛和农垦带，这时出现的旱情主要集中在夏季、冬季等。当海拔上升到1400～1700m时，该地区的主要植被类型为阔叶林或者混交林，这时基本没有旱情或者仅是轻度的旱情。

6 农业干旱与气象因子的相关性分析

农业干旱受到多种因素的影响，如气候条件、土壤条件、农业种植方式等。其中，降雨少或者不降雨是造成干旱的最主要原因。土壤条件也是影响干旱的重要因素，因为土壤和地形会影响降水量和水分的分布，从而出现干旱差异性问题。而农作物的品种不同和生长发育的差异性，也是造成农作物需水量和耐旱性的具体因素。此外，农业生产中的生产措施以及灌溉技术等也直接决定着抗旱的能力，造成不同地区的干旱程度不同。在诸多影响农业发展的气象因素中，气温和降水最为重要。因此，本文将选取山西省1984—2016年30多年的1—12月的平均气温和降水资料（图1）作为分析影响农业干旱发展的主要气象因子，以期能够分析得到山西省农业干旱与气象因子之间的相关性。

6.1 农业干旱与气温的关系

从图1中可以发现，全年的月平均气温在-10～25℃之间，同时气温的走势比较相似，每年同一时段温差比较小，1月最低，7、8月最高。此外，从图1中也可以分析看出山西省气温低的月份，干旱分布广且严重;如果气温相对较高，基本无旱情或轻度旱情。

6.2 农业干旱与降水的关系

通过对上面的数据分析可知，山西省月平均降水量波动较大，而且有一定的差异性，但是趋势基本相同。这主要是由山西省的气候条件所决定的。从图中的温度植被干旱指数分布情况可以得出，其最小值通常在6—8月，最大值在1—2月，因此可以得知，6—8月山西省旱情较轻，而1—2月旱情较重。综合来看，月平均的温度植物干旱指数受降水量变化影响较大，与气温变化关系不明显。

通过对比可以发现，如果气温变化差异不大，温度植被干旱指数与降水量之间的关系为负相关，这足以证明降水量与温度植被干旱指数模型有一定的关系。为了进一步分析温度植被干旱指数和降水量之间的关系，可以对二者之间的正负相关性进行研究来确定。结果发现，山西省超过79%的范围为负相关，近20%左右的范围为正相关，这充分表明山西省降水量越多的地区，温度植被干旱指数值越小，越不易发生旱情。

参考文献

[1] 武建凯. 综合治理是山西省旱区农业应对干旱的持久战略[J].山西农业科学，2010（01）：35-38.

[2] 程建业. 山西朔州市近55a气象干旱趋势及防御措施[J].干旱气象，2012（03）：327-331.

作者简介：

李腊平（1973-），女，本科，副研究员，高级工程师。研究方向：气候与农业。