NDVI對(duì)氣候因子的響應(yīng)研究

張 翔，王 勇

（1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都610031；2.南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院，江蘇 南京210044）

NDVI對(duì)氣候因子的響應(yīng)研究

張 翔1，王 勇2

（1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都610031；2.南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院，江蘇 南京210044）

利用東北地區(qū)氣象站點(diǎn)的氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)和GIMMS NDVI數(shù)據(jù)，采用趨勢(shì)分析、相關(guān)分析方法，基于GIS技術(shù)分析了東北地區(qū)氣候因子（氣溫、降水）、NDVI的變化趨勢(shì)及其偏相關(guān)關(guān)系，并研究了不同氣候區(qū)NDVI對(duì)氣候因子的敏感性。

植被指數(shù)； 氣候因子 ；東北地區(qū)

歸一化植被指數(shù)（NDVI）是多種植被指數(shù)中應(yīng)用最多最廣泛的一種，是植物生長(zhǎng)狀態(tài)及其植物空間分布密度的最佳指示因子。研究氣候因子對(duì)植被指數(shù)影響，對(duì)合理開(kāi)發(fā)利用保護(hù)植被資源、土地資源，揭示氣候變化的規(guī)律、監(jiān)測(cè)氣候環(huán)境有重要意義。Kawabata等對(duì)1982～1990年全球尺度植被的年際變化趨勢(shì)進(jìn)行分析[1]。Weiss等研究了美國(guó)新墨西哥中部植被NDVI與主要?dú)夂蛞蜃拥募竟?jié)性與年際關(guān)系[2]。李曉兵等利用中國(guó)主要植被類型的遙感特征參數(shù)分析了NDVI在生長(zhǎng)季中的動(dòng)態(tài)變化與同期氣溫、降水變化的關(guān)系[3]。李震等分析了西北地區(qū)植被變化與溫度、降水變化的關(guān)系[4]。陳懷亮等利用中國(guó)黃淮海地區(qū)1981～2001年的NOAA/AVHRR NDVI衛(wèi)星遙感資料、植被分類資料和氣候資料，選擇森林、草原、草甸、農(nóng)田等植被類型，研究了該區(qū)域NDVI季節(jié)與年際動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及與氣候變化過(guò)程的關(guān)系[5]。

本文以東北地區(qū)為例,分析氣候因子、NDVI的變化規(guī)律，通過(guò)計(jì)算NDVI與氣溫、降水之間的偏相關(guān)系數(shù)來(lái)表征植被與氣候變化的相關(guān)性。

1 資料處理與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

研究區(qū)域?yàn)檫|寧省、吉林省、黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東部的中國(guó)東北地區(qū)。

研究區(qū)域NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于GIMMS NDVI數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集包括了1981～2006年間的全球植被指數(shù)變化，格式為ENVI標(biāo)準(zhǔn)格式，投影為Albers其時(shí)間分辨率是15 d，空間分辨率8 km。利用東北地區(qū)矢量圖層對(duì)研究區(qū)域1982～2006年的NDVI值進(jìn)行提取。

氣象數(shù)據(jù)選自研究區(qū)內(nèi)100個(gè)氣象站點(diǎn)1982～2006 年日平均氣溫和降水觀測(cè)資料。對(duì)日平均氣溫逐年求取平均值得到年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，日降水?dāng)?shù)據(jù)逐年求和得到年降水量數(shù)據(jù)。利用氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)向ArcGIS導(dǎo)入氣象站點(diǎn)，導(dǎo)出氣象站點(diǎn)shp格式，并進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)的投影和變換，最終輸出與NDVI影像投影一致的矢量數(shù)據(jù)。利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊（Geostatistical Analyst），對(duì)氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值處理和參數(shù)優(yōu)化，獲取像元大小與NDVI 數(shù)據(jù)一致、投影相同的氣候要素柵格數(shù)據(jù)。由于氣溫?cái)?shù)據(jù)的變化趨勢(shì)較為連續(xù)平緩，采用克里金插值，插值時(shí)考慮各項(xiàng)異性，而降水具有一定的區(qū)域性，選擇局部2次多項(xiàng)式進(jìn)行插值。

1.2 研究方法

本文將NDVI及氣候因子變量看作是時(shí)間的函數(shù)，采用一元線性回歸模型分析NDVI、氣候因子趨勢(shì)變化規(guī)律，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

回歸方程為：

式（2）中，n為研究時(shí)段年數(shù)；Xi為待分析變量[6]。

采用NDVI與氣溫、降水之間的偏相關(guān)系數(shù)來(lái)表征植被與氣候變化的相關(guān)性。并用t檢驗(yàn)法對(duì)偏相關(guān)系數(shù)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)[7]：

本文利用NDVI柵格圖與氣象要素柵格圖逐像元進(jìn)行相關(guān)分析，得到氣象因子與NDVI的偏相關(guān)系數(shù)的空間分布圖，由此從空間上來(lái)定量判斷氣候因子與NDVI的相關(guān)性。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 氣溫、降水、NDVI的趨勢(shì)變化規(guī)律

1982～2006年?yáng)|北地區(qū)年均氣溫，除富錦站外均呈上升趨勢(shì)，并且大部分站點(diǎn)通過(guò)0．01顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明東北地區(qū)的氣溫普遍呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，如圖1a。同時(shí)，絕大部分站點(diǎn)的年降水量呈下降趨勢(shì)，其中大興安嶺一帶、三江平原、遼東半島部分站點(diǎn)通過(guò)0．01顯著性檢驗(yàn)（圖1b）。NDVI的變化規(guī)律與東北地形、地貌、自然地理區(qū)劃有一定的關(guān)系。其中，大興安嶺南部以東的內(nèi)蒙古高原、松嫩平原、遼河平原的絕大部分地區(qū)NDVI呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。尤其在松嫩、遼河平原地區(qū)，上升趨勢(shì)顯著。而大興安嶺北部、三江平原、長(zhǎng)白山一帶NDVI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中大興安嶺北部與松嫩平原交界處、長(zhǎng)白山以北下降趨勢(shì)顯著，如圖1c、圖1d。

圖1 氣溫、降水、NDVI趨勢(shì)傾向率(a、b、c)及通過(guò)檢驗(yàn)區(qū)域(d)

2.2 NDVI與氣溫、降水的相關(guān)性

計(jì)算研究區(qū)1982～2006年NDVI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，大興安嶺北部以西的呼倫貝爾大草原一帶，NDVI與氣溫呈負(fù)相關(guān)（如圖2）。該區(qū)為典型的寒溫帶落葉針葉林區(qū)域，氣溫有升高的趨勢(shì)，而降水和NDVI呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)（如圖1）。該區(qū)域植被可能由于氣溫上升和降水減少，導(dǎo)致對(duì)氣候變化不適應(yīng)，而呈現(xiàn)出氣溫上升NDVI減少的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而大興安嶺以東地區(qū)的NDVI與氣溫呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，平原地區(qū)相關(guān)性顯著（尤其遼河平原），但大小興安嶺地區(qū)、長(zhǎng)白山部分地區(qū)NDVI與氣溫的相關(guān)關(guān)系稍弱（如圖2）。NDVI年平均值與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)分布與氣溫的空間分布規(guī)律相似，NDVI與氣溫的相關(guān)性正負(fù)交界線大致在0℃等溫線附近。-1℃～2℃范圍內(nèi)，NDVI與氣溫的相關(guān)性并不明顯，當(dāng)氣溫小于-3℃，NDVI與氣溫呈負(fù)相關(guān)，而當(dāng)氣溫大于5℃，NDVI與氣溫的相關(guān)性呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)。說(shuō)明不同的氣溫范圍，NDVI對(duì)氣溫響應(yīng)的敏感程度不同。

圖2 NDVI與氣溫偏相關(guān)系數(shù)空間分布

全區(qū)NDVI與降水的相關(guān)性分布與地形地貌、自然地理區(qū)劃、植被分布有一定的聯(lián)系。區(qū)域內(nèi)NDVI與降水均表現(xiàn)出較高的正相關(guān)性。從偏相關(guān)系數(shù)空間分布和通過(guò)0．05檢驗(yàn)的情況來(lái)看，平原地區(qū)NDVI與降水的相關(guān)性稍低，尤其是松嫩平原和遼河平原，該區(qū)域水系較多，土壤含水量較高，并且植被以一年一熟糧食作物和耐寒經(jīng)濟(jì)作物為主[8]，受人工灌溉影響較大，因此與降水影響較小。而大興安嶺南部以西的內(nèi)蒙古高原處于中溫帶干旱區(qū)，植被以溫帶叢生矮禾草、矮半灌木草原為主，因而NDVI與降水呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性；以溫帶、亞熱帶落葉闊葉林、落葉灌叢、矮林為主，處于500～600 mm降水線范圍內(nèi)的大興安嶺以北-小興安嶺-長(zhǎng)白山一帶，NDVI與降水的相關(guān)性也很明顯（如圖3）。

圖3 NDVI與降水偏相關(guān)系數(shù)空間分布

2.3 不同氣候區(qū)劃NDVI與氣溫、降水的年際變化規(guī)律和相關(guān)性

將1982～2006年的NDVI、氣溫、降水求25 d平均值，并利用氣候區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)柵格的平均值，分析不同氣候區(qū)劃NDVI、氣溫、降水的年際變化曲線和它們之間的關(guān)系。從數(shù)值大小看，濕潤(rùn)區(qū)NDVI普遍高于干旱區(qū)（如圖4）。從相關(guān)性看，暖溫帶亞濕潤(rùn)區(qū)、中溫帶干旱、亞干旱區(qū)與氣溫、降水的相關(guān)性均為正，且顯著。而寒溫帶濕潤(rùn)區(qū)、中溫帶濕潤(rùn)、亞濕潤(rùn)區(qū)NDVI與降水呈相關(guān)性為負(fù)，且不顯著，如表1。綜上，濕潤(rùn)區(qū)域植被狀況好于干旱區(qū)，干旱區(qū)域NDVI與降水呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，植被對(duì)降水更為敏感。

表1 不同氣候區(qū)劃NDVI與氣溫、降水偏相關(guān)系數(shù)

圖4 不同氣候區(qū)劃NDVI、氣溫、降水年平均值變化曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

本文進(jìn)行了氣象因子、NDVI趨勢(shì)分析，計(jì)算了NDVI與氣溫、降水之間的偏相關(guān)系數(shù)，分析了不同氣候區(qū)劃NDVI、氣象因子的年際變化規(guī)律及其相關(guān)性。

1）東北地區(qū)年均氣溫普遍呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，絕大部分區(qū)域年降水量呈下降趨勢(shì)。松嫩平原、遼河平原一帶NDVI與氣溫變化趨勢(shì)相同，均為上升。而大興安嶺北部、三江平原、長(zhǎng)白山一帶地區(qū)NDVI與降水變化趨勢(shì)相同，均為下降。

2）NDVI受氣溫影響大于降水的區(qū)域主要集中在平原地區(qū)，呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，且不同氣溫范圍NDVI對(duì)氣溫的響應(yīng)敏感程度不同。全區(qū)NDVI與降水呈正相關(guān)性，且山地區(qū)域和干旱區(qū)域NDVI受降水影響大于氣溫。這可能由于平原內(nèi)水系較多，土壤含水量較高，植被以經(jīng)濟(jì)作物為主，受人工灌溉影響較大，而造成該片區(qū)域NDVI對(duì)降水響應(yīng)稍弱的現(xiàn)象。

3）在不同的氣候區(qū)劃中，濕潤(rùn)區(qū)NDVI＞干旱區(qū)NDVI，干旱區(qū)域NDVI與降水呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，說(shuō)明相對(duì)于濕潤(rùn)區(qū)，干旱區(qū)植被對(duì)降水更為敏感。

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[3] 李曉兵，史培軍．中國(guó)典型植被類型NDVI動(dòng)態(tài)變化與氣溫、降水變化的敏感性分析[J]． 植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2000,24(3)379-382

[4] 李震，閻福禮，范湘濤．中國(guó)西北地區(qū)NDVI變化及其與溫度和降水的關(guān)系[J]．遙感學(xué)報(bào)，2005,9(3):8-13

[5] 陳懷亮，鄒春輝，劉玉潔，等． 1981～2001年中國(guó)黃淮海地區(qū)植被 NDVI 變化特征及其與氣候的關(guān)系[C]．中國(guó)氣象學(xué)會(huì)，2005

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P208

B

1672-4623（2014）06-0039-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.06.014

張翔，碩士，研究方向?yàn)榈貓D學(xué)與地理信息系統(tǒng)。

2013-07-10。