基于VCI的贵州省干旱时空变化特征分析及干旱区划分

代仁丽，钟九生

(贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550001)

旱灾是影响最为广泛和造成损失最为严重的自然灾害之一，旱灾不仅会导致粮食产量和供水减少、生态环境严重恶化，极端和特重干旱甚至还会引起大量人口死亡和朝代更迭，其是制约农业发展、生态环境保护等的重要影响因素[1-2]。引起干旱发生发展的原因是多方面的，国内学者对西南地区干旱的成因研究表明，其影响因素主要表现在温度[3-4]、大气环流和天气系统[5-9]、青藏高原的作用[10-11]、土壤湿度和植被盖度[12]、地形、地质、地貌的特殊性和复杂性[13]等方面。

目前，计算干旱所采用的指标可分为以降水和温度等气象因子为基础的研究、以遥感监测土壤含水量为基础的研究和综合气象干旱指数(CI)三大类。干旱遥感监测方法中Kogan等[14]提出的植被状态指数(Vegetation Condition Index，VCI)计算较为简便，可以提供高分辨率连续空间覆盖的实时信息，直接从植被的生长状况反映干旱情况[15]。2006年，朱骥[16]将植被状态指数(VCI)、温度状态指数(TCI)、植被温度状态指数(VTCI)3种遥感信息与土壤湿度指数进行回归分析，建立干旱遥感定量监测模型，研究表明 VCI 在3种遥感干旱监测指数中最适合监测中国地区的干旱状态。季民等[17]基于VCI指数研究青藏地区春旱的时空动态变化，结果表明青藏地区受季风影响较小,横断山脉和祁连山地区干旱发生的频率比较低，且多为轻中旱。沙莎等[18]在河南省进行了植被状态指数(VCI)与多种气象干旱指数的监测对比试验,表明VCI对河南气象干旱有一定的指示作用和监测能力。刘世杰等[19]基于植被状态指数，对江苏省干旱化特征及气候驱动因素进行分析，研究表明，气候和相对湿度与VCI的相关性达极显著水平，是影响江苏省旱情的主要因素。

植被状态指数(VCI)能较好地反映水分胁迫状态，不仅可以监测和跟踪区域干旱，还能描述植被时空变化，已成为了大规模遥感干旱监测的理想数据，它的可靠性得到了大量数据的证明[17]。近年来，贵州省遭受到不同程度的干旱，导致粮食减产和生态破坏，农业生态环境极其脆弱[5,7]。因此，本文利用2001—2018年16天500 m分辨率的MODIS地表反射率数据，计算得到植被状态指数(VCI)，以VCI作为对干旱监测指标，研究贵州省的干旱为当地农业发展和防灾减灾，提高生产力及水资源合理配置有重要意义。

1 研究区概况

贵州简称黔或贵，地处云贵高原，为典型的喀斯特低山丘陵地貌区，介于东经103°36′～109°35′、北纬24°37′～29°13′之间，地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜，平均海拔在1 100 m左右(图1)。贵州省高原山地居多，素有“八山一水一分田”之说，人均耕地面积不到0.05 hm2，远低于全中国平均水平，土层厚、肥力高、水利条件好的耕地所占比重低[20]；贵州气候温暖湿润，属亚热带湿润季风气候，常年降雨量充沛，但时空分布不均，分布特点为南多北少、东多西少，全省多年平均降雨量为1 100～1 300 mm，光照条件差，大部地区年日照时数为1 200～1 600 h，分布特点为西多东少；受大气环流及地形等影响，气候不稳定，灾害性天气种类较多，干旱、秋风、凝冻、冰雹等频度大，对农业生产危害严重[21-23]。

a)地形

2 数据与方法

2.1 数据来源

数据来源于美国 NASA 的 MODIS 植被指数产品数据 MOD13A1，数据空间分辨率为500 m，时间分辨率为 16 d，时间范围：2001 年1 月至2018 年12月。利用 MRT软件进行格式转换和投影转换，采用最大值合成法(MVC)获得18年逐月 VCI数据，去除云、大气和太阳高度角等产生的影响。

2.2 研究方法

2.2.1植被状态指数(VCI)

许多研究表明 NDVI时间序列能够很好地反映植被覆盖的时空变化，在干旱监测与制图、农作物估产等方面得到广泛应用。但NDVI只能反映单因素对植被的影响，其对地理环境条件很敏感，不宜进行跨区域的干旱监测。为克服这一缺陷，Kogan等[14]在NDVI基础上提出了植被状态指数VCI：

(1)

式中 NDVIi——特定年第i个时期的NDVI值；NDVImax、NDVImin——多年第i个时期NDVI的最大和最小值。

VCI的取值范围是[0，1]，VCI数值越低，表明植被生长状况越差，干旱越严重。

2.2.2最大值合成法

采用国际通用的最大值合成法[15](MaxValueComposites，MVC)生成当月的VCI值。该处理可以消除云、大气以及太阳高度角等的部分影响。在本研究中，以16 d的VCI数据为基础，采用最大值合成法获取月最大VCI：

VCIi=Max(VCIij)

(2)

VCIi是第i个月VCI值，VCIij是第i个月第j幅的VCI值，j的取值范围是[1，2]。将一月2幅的VCI图像通过波段运算实现最大值合成，以2幅图像中每一个像元的最大值代表该月的VCI值。依据前人研究[24-28]划分干旱：重旱(VCI≤30)、中旱(3070)。

2.2.3一元回归趋势分析

一元回归趋势分析是对一组随时间变化的变量进行回归分析的方法，预测其未来变化趋势，基于Matlab的栅格数据一元线性回归法[28]，计算公式如下：

(3)

式中θslope——回归方程斜率，θslope>0，表示变量呈增加趋势，θslope<0，表示变量有减少趋势；n——监测累积年数(n=18)；Ci——第i年的VCI值，i=1，2，3…n。

根据结果，参考孙亲[15]的研究，将变化趋势划分等级，划分结果见表1。

表1 VCI变化趋势

3 结果与分析

3.1 季节、年际VCI趋势分析

利用2001—2018年逐月VCI数据划分为季节与年2个时间尺度，探究贵州省季节性与年干旱变化趋势(图2)。贵州省季节性与年均VCI变化趋势整体表现为，西部地区减少趋势大于东部地区，表明西部植被生长状态较东部地区差，毕节、安顺、六盘水及黔西南地区冬季与春季VCI变化趋势最为显著。夏季为植被的生长高峰期，因此VCI值变化不明显。贵州省旱情随时间的变化逐渐加剧，秋-冬季为植被枯萎季，VCI表现出明显的减少趋势。结合图3、表2可得，贵州省季节性VCI与年均VCI变化趋势均呈减少趋势，但减少趋势不显著，与图3所呈现内容相吻合。2009—2010年的冬季(春季、夏季、秋季均出现低谷，但不明显)VCI与年均VCI呈显出明显的低谷，经查证与贵州省气象灾害年鉴记录一致[30]，符合2009—2010年贵州省大部分地区发生不同程度的干旱这一事实。

a)春季

a)春季

表2 贵州省VCI季节、年际变化趋势面积统计 单位：km2

贵州省在春、夏、秋、冬季及年均的VCI减少面积分布占总面积的31.6%、8.8%、36.8%、28.9%、23.8%。春、秋季VCI减少面积最多，表明在春、秋季植被生长状态较差。夏季VCI表现出轻微增加趋势，主要分布于贵阳市南部、铜仁及黔东南的中部地区。年均VCI在2005年呈明显增长趋势，查询气象记录可知，2005年贵州省全年降水高出历年同期降水的30%。贵州省旱情随时间的变化逐渐加剧，主要分布于毕节、六盘水、安顺地区及黔西南西部、遵义北部，这些地区为贵州省喀斯特石漠化地区，植被覆盖差，石漠化严重，水土流失严重，易形成季节性干旱。

3.2 干旱等级与干旱频率分析

为进一步探究贵州省的干旱特征，划分干旱等级及统计干旱频率，通过研究可得，贵州省干旱等级及频率分布特征表现为：重旱及中旱主要发生在喀斯特地区，非喀斯特区干旱强度低于喀斯特地区，干旱高频发生区以喀斯特地区为主，低频位于非喀斯特区。图4中，春季以轻旱为主，其中重旱主要发生在毕节西部，中旱发生在毕节、六盘水、黔西南、安顺及贵阳南部地区；夏季，贵州省基本无旱，轻旱发生区与春季重旱发生区一致；秋季以轻旱为主，无旱区主要为贵州省非喀斯特区；冬季以中旱为主，轻旱主要发生在黔东南、遵义中部、黔西南与六盘水南部地区，重旱主要发生在毕节、遵义及贵阳市南部地区；年际整体来看，贵州省以轻旱为主，重旱发生区为喀斯特地区。

a)春季

结合表3、图4—5可得，春季、秋季及冬季为贵州省干旱的高发期，全省干旱程度以轻旱为主且频发，各等级干旱低发区以非喀斯特区为主。轻旱发生面积在不同时间段分别占总发生干旱区面积的百分比为：春季(82.5%)、夏季(98.1%)、秋季(94.3%)、冬季(12.3%)、年际(92.9%)。春季全省发生干旱的频率大于76%，夏季轻旱和重旱发生区的干旱发生频率大于51%，秋季轻旱及中旱发生区的干旱发生频率也大于76%，冬季为全省中旱高频发生时间段。由年际干旱强度及干旱频率分析得，贵州省的干旱以轻旱为主，且全省为轻旱频发区。

表3 贵州省季节、年际干旱等级面积统计 单位：km2

a)春季

3.3 干旱区划分

根据已划分的季节尺度VCI的干旱等级，利用ArcGIS强大的空间分析能力，划分贵州省季节性干旱区(图6)。三季连旱即为春—夏—秋、夏—秋—冬、秋—冬—春，3个连续的季节在同一地区发生干旱；单季干旱即为同一地区2个连续季节不同时发生干旱；季节性连旱即为同一地区连续2个季节均发生干旱。由图6可得，贵州省喀斯特地区易发生季节性连旱与三季连旱，植被覆盖良好的非喀斯特区以单季干旱为主，究其原因为喀斯特地区植被覆盖较差，土地石漠化较为严重，生态环境较为脆弱，影响植被生长状态因素较多，植被生长状况良好的非喀斯特地区，干旱主要受气象因素的影响。统计分析得，单季干旱、季节性干旱及三季连旱发生干旱区的面积分布占全省总面积的18.6%、19.4%及61.9%。

图6 2001—2018年贵州省干旱区分区

4 结论

本文研究采用MODIS 数据产品计算VCI，利用时间序列数据趋势分析方法研究贵州省喀斯特与非喀斯特地区干旱的时空变化特征及其演变趋势，同时依据季节性干旱特征划分贵州省季节性干旱区。研究结果能较清楚地反映贵州省18年来干旱状态的变化情况，有助于为贵州省农业防灾减灾提供参考，同时也对旱情监测及干旱演变研究具有一定的参考价值。结合相关资料发现，贵州省干旱不断频发且以轻旱为主，同时以季节性连旱与三季连旱为主。本文以 VCI 作为监测干旱的指标，分析了贵州省干旱的时空分布特征以及干旱趋势及频率，主要结论如下：①贵州省季节、年际VCI趋势总体呈下降趋势，表明贵州省植被长势逐渐变差，同时也表明旱情逐渐加剧的趋势，以喀斯特地区最为明显，非喀斯特区次之；②贵州省季节性干旱主要以春旱、冬旱为主，且喀斯特地区发生频率大于76%；③贵州省全省干旱主要以轻旱为主，重旱及中旱发生区主要在喀斯特地区；④贵州省以季节性连旱与三季连旱为主，发生干旱区的分布占全省总面积的19.4%及61.9%。