基于TVDI的长江南源干旱时空动态变化监测

摘" 要：随着全球变暖，干旱成为全球危害最为严重的自然灾害之一，对农业等事关人类福祉的领域产生巨大影响。该文以重要农牧区——长江南源为研究区，基于地表温度数据和归一化植被指数数据计算出2000年以来长江南源温度植被干旱指数，并以该指数对长江南源植被生长季的干旱状况进行时空动态监测分析。结果表明，2000年以来，干旱和偏旱的区域在长江南源的北部、中部和东北部，占源区面积的33.33%；湿润和偏湿的区域在研究区域的南部、西南部，占源区面积的37.02%。长江南源56.41%的区域趋向干旱，41.96%的区域趋向湿润。湿润区域在2000—2004年间呈收缩态势，占长江南源的面积比重由42.54%下降到35.25%；2004—2011年，呈扩张态势，所占面积比重上升到38.84%，2011年后呈收缩态势，所占面积比重下降到36.79%。总体来看，TVDI有较强可靠性，可用于长江南源乃至三江源区干旱监测预警工作。

关键词：温度植被干旱指数；时空分异；干旱；农业旱灾；三江源

中图分类号：S165.2" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-9902（2024）05-0059-07

Abstract： With global warming， drought has become one of the most serious natural disasters in the world， which has a great impact on agriculture and other areas related to human well-being. This studycal culated the Temperature Vegetation Dryness Index （TVDI） of the southern source region of the Yangtze River since 2000 based on the Land Surface Temperature （LST） products and Normalized Difference Vegetation Index （NDVI） products， and used the TVDI to monitor and analyze the spatio-temporal dynamic of drought of the growing season in the southern source region of the Yangtze River. The results show that， since 2000， the arid and arid areas have been centralized in the north， middle and northeast of the southern source of the Yangtze River， accounting for 33.33% of the source area; the humid and humid areas are in the south and southwest of the study area， accounting for 37.02% of the source area. 56.41% of the areas in the southern source of the Yangtze River tend to be dry， and 41.96% of the areas tend to be humid. The humid area showed a shrinking trend from 2000 to 2004， and the proportion of the area in the southern source of the Yangtze River decreased from 42.54% to 35.25%. The proportion of the humid area increased to 38.84% during 2004—2011， and the proportion of the humid area decreased to 36.79% after 2011. As a whole， TVDI can be used for drought monitoring and early warning in the southern source region of the Yangtze River and even the Three River Source Region due to its reliability.

Keywords： Temperature Vegetation Dryness Index（TVDI）; spatio-temporal differentiation; dryness; agricultural drought; Three River Source Region

当今世界已进入“人类世（Anthropocene）”，面临着气候变化和人类活动带来的诸多挑战[1]。全球变暖已成为一个不争的事实，这导致众多水文、气象等要素变化，使得干旱、洪涝等事件时常显现[2]。未来，我国发生骤旱的风险正呈显著上升态势[2]。干旱的发生常常导致水分减少、农作物减产、土地退化等一系列问题，已成为全球危害最严重的自然灾害之一[3]。

我国是世界上重要的粮食生产国之一，同时也是全球最容易受到干旱严重影响的国家之一[2]。三江源区是我国重要的生态安全屏障，同时也是重要的农牧区之一，在一系列生态保护和建设工程的实施下，三江源区的生态状况已呈现出“初步遏制，局部好转”的态势[4-6]，但是仍然面临干旱带来的挑战[7]。首先，干旱事件常有发生[8-9]。例如，2017年7月的高温少雨导致三江源全域出现气象干旱，核心区达到重度气象干旱[10]。再者，三江源区气候变化存在显著的区域差异，东南部干旱加剧[11]、长江南源和黄河源区暖干化态势显著[12-15]，进而导致在生态保护工程实施后，三江源仍然存在大量草原退化状态不变的情况[16]以及大量草甸轻度趋干和少量草甸中、重度趋干的情况[17]。此外，三江源区气温增温速率是全球平均水平的2倍以上，气温升高未来将可能诱发源区由变湿转向变干，进而使得全域暖干化显现[5，11，18]。综上，面对三江源区特别是长江南源的干旱及其发展态势，开展干旱监测工作显得十分必要和迫切。

传统的干旱监测虽然精度高，但是需要耗费大量精力建设站点，并且覆盖范围有限。而遥感监测具有覆盖范围广、实时动态的优点[19-20]。由此，诸多学者运用遥感手段开展农牧区干旱动态监测研究。表观热惯量模型、微波遥感监测、冠层温度遥感监测和温度植被干旱指数等方法都已用于干旱遥感监测[19-20]，但优缺点各异，表观热惯量模型主要适用于裸土区，微波遥感对遥感监测设备配置要求极高，冠层温度遥感监测易受自然条件和监测设备影响而产生误差[21-22]。综合考虑时效性、可靠性和区域适应性，本文采用温度植被干旱指数开展研究区干旱时空动态变化监测。

温度植被干旱指数由学者Sandholt等[23]提出，其在归一化植被指数（NDVI）和地表温度（LST）基础上计算获得温度植被干旱指数（Temperature Vegetation Dryness Index，简称为TVDI）。该指数可反演地表水分情况，进而表征干旱程度和用于干旱动态监测[19-22]。考虑到研究区6—8月是植被生长最为旺盛的季节以及夏季易发生干旱现象，本文选取6—8月的MODIS NDVI和MODIS LST数据产品计算研究区TVDI，并结合同时期仪器监测站点的土壤表层湿度进行相关性验证，而后利用计算得出的TVDI进行2000年以来研究区6—8月的干旱时空动态变化监测与分析，以期为研究区干旱监测与评价工作提供科学依据。

1" 研究区概况

长江南源一般指当曲流域[24]。当曲全长331 km，流域范围为92.14°—94.62°E，32.40°—33.96°N，海拔范围为4 500～5 947 m，总面积约为1.67×104 km2。该流域位于青海省境内，实际包含了青海省玉树藏族自治州杂多县查旦乡，以及西藏自治区那曲市聂荣县永曲乡、查当乡、安多县玛荣乡和多玛乡4个移民管理乡，总计5个乡（图1）。农牧业均为各乡的支柱性产业，流域内5个乡的农牧业年收入总计已超过1亿元，交通运输、商业饮食、采集、建筑业和手工业等业态也呈发展态势。近年来，当曲流域内旱灾时有发生，对牧草生长产生不利影响，进而影响农业畜牧业的可持续发展[14]。流域内为盆地地形，四周为山脉、与其他水系的分水岭。从流域边界范围来看，南部为唐古拉山脉，东部、北部是当曲与澜沧江的分水岭，西部是当曲与布曲的分水岭。以天曲汇入当曲口为界，该河口以上为当曲上游，以下为当曲下游。且上游区域地势平缓，排水不畅，沼泽发育显著[25]。

2" 数据与方法

2.1" 数据来源

本文所采用的遥感数据包括地表温度（LST）数据产品和归一化植被指数（NDVI）数据产品。地表温度数据来源于MODIS卫星的MOD11A2数据产品，空间分辨率为1 km，时间分辨率为8 d。归一化植被指数数据来源于MODIS卫星的MOD13A2数据产品，空间分辨率为1 km，时间分辨率为16 d。所下载的上述2个数据产品的时间跨度为2000—2014年，已下载各年6—8月的卫星影像数据。这些数据已经过云污染、大气、太阳高度角等方面去干扰处理和丢失数据的填补以及拼接、投影等预处理工作，并由当曲流域边界裁切所得，用以分析当曲流域干旱变化态势。青藏高原边界数据来源于相关文献[26]，当曲流域边界数据来源于相关文献[27]。

2.2" 研究方法

2.2.1" TVDI计算方法

温度植被干旱指数已被研究验证可表征土壤湿度状况[23]，并常用来监测干旱状况[19-20]，特别是对于农业旱灾的监测[28-29]。

TVDI计算公式如下

TVDI=（Ts-Tsmin）/（Tsmax-Tsmin）， （1）

Tsmax=a1+b1×NDVI，（2）

Tsmin=a2+b2×NDVI，" （3）

式中：Ts为任意像元的地表温度，研究中可用已下载LST数据表征；Tsmax为某一NDVI值对应的最高地表温度，亦称为Ts-NDVI三角形特征空间的干边，Tsmin为某一NDVI值对应的最低地表温度，亦称为Ts-NDVI三角形特征空间的湿边[30]。TVDI的阈值为0～1，在阈值范围内，TVDI的值越大，表征土壤湿度越低，干旱程度越大，旱情越严重，反之亦然[28-30]。

2.2.2" 变化趋势分析

运用ArcGIS软件的采样分析工具，在流域中任意采集样点，并得到这些样点在不同年份的TVDI值，而后建立以时间为X值、TVDI为Y值的线性回归分析方程，若X值的系数k在0～0.02，表明TVDI值有增加的趋势，则研究区域有变干的趋势，反之，当系数k在-0.02～0，则研究区域有变湿的趋势。系数k在其余范围内的，则为异常区域[14]。

2.2.3" 验证检验

温度植被干旱指数计算出来后，我们将先前布设的仪器监测站点的土壤表层湿度与同时期同地点的温度植被干旱指数值进行相关性分析，以验证遥感监测结果的可靠性[14]。

3" 研究结果

3.1" 干旱时空分布

根据TVDI的通用干旱监测标准，将研究区域的TVDI按照0～0.3、0.3～0.5、0.5～0.6、0.6～0.75和0.75～1划分为5个等级，分别对应湿润、偏湿、正常、偏旱和干旱。

通过计算可知，2000年以来，长江南源各年植被生长最旺盛季节（6—8月）的TVDI区域均值总体在0.52～0.56波动。从研究区域TVDI均值的各地差异（图2）来看，干旱和偏旱的区域在当曲流域北部、中部和东北部，占流域面积的33.33%；湿润和偏湿的区域在当曲流域南部、西南部，占流域面积的37.02%；其余为湿度正常区域。在后续分析中，我们将湿润和偏湿区域合并统计为湿润区域，将干旱和偏旱区域合并统计为干旱区域。

从年际变化情况（图3）来看，湿润区域在2000—2004年间呈收缩态势，占流域面积的比重由42.54%下降到35.25%；2004—2011年，呈扩张态势，占流域面积比重上升到38.84%，2011—2014年呈收缩态势，占流域面积比重下降到36.79%。干旱区域在同时期的变化态势与湿润区域相反。而2000—2014年，正常区域则呈小幅波动上升态势，占流域面积的比重由23.79%上升到29.29%。总体来看，2011—2014年，湿润区域呈现出一定程度的收缩态势。

3.2" 干旱变化趋势

根据本文研究方法中提及的“变化趋势分析”方法，可获得研究区域2000年以来6—8月TVDI的变化趋势（图4）。由图4可知，研究区域内56.41%的区域趋向干旱，41.96%的区域趋向湿润，趋向干旱的区域所占面积比例高于趋向湿润的区域所占面积比例，其余区域的变化为异常。

3.3" 干旱监测结果验证

本文将TVDI计算结果与同时期仪器监测的土壤表层（5 cm深度）湿度进行相关性分析，发现两者有显著的相关关系（r=0.773，plt;0.01）。这表明本文计算的TVDI能客观反映土壤水分状况，可以作为土壤旱情监测指标，并可为后续农业旱灾监测提供相关参考。

4" 结论

本文基于TVDI对2000年以来长江南源植被生长最旺盛季节（6—8月）干旱状况进行反演和时空分析，并结合仪器实地监测数据对研究结果进行了验证。主要结果如下。

1）存在显著的区域差异。2000年以来，在长江南源干旱（TVDI值为0.75～1）和偏旱（TVDI值为0.6～0.75）的区域聚集于北部、中部和东北部，所占面积比例达到长江南源总面积的1/3；湿润（TVDI值为0～0.3）和偏湿（TVDI值为0.3～0.5）的区域集中在南部、西南部，所占面积比例约为长江南源总面积的37%；长江南源其余约30%的区域为正常区域。

2）具有明显的时间变化特征。通过由时间和TVDI组成的线性回归分析方程的系数可知，2000年以来，在长江南源中56.41%的区域趋向干旱，主要集中在西部、南部；41.96%的区域趋向湿润，聚集于北部、东部；其余1.63%的区域为变化异常区域。TVDI变化具有阶段性特征。湿润区域在2000—2004年、2004—2011年以及2011年以后分别呈现收缩、扩张、收缩的态势，所占面积比例先由2000年占长江南源总面积的42.54%下降到2004年占长江南源总面积的35.25%，而后上升到2011年占长江南源总面积的38.84%。2011年后，湿润区域所占长江南源总面积的比例下降到36.79%。

3）TVDI表征土壤旱情可靠性较高。通过将TVDI与仪器监测获得的土壤表层湿度进行相关性分析可知，两者显著相关（r=0.773，plt;0.01），进而表明TVDI可靠性较高，可用于长江南源乃至三江源区干旱监测预警工作。

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基金项目：国家自然科学基金项目（42101293）

第一作者简介：赵志龙（1988-），男，博士，副教授。研究方向为社会-生态系统干旱脆弱性。

*通信作者：胡曾曾（1989-），女，博士，助理研究员。研究方向为区域可持续发展。