多尺度下寶雞地區(qū)干旱動(dòng)態(tài)格局演變及其與植被覆蓋的關(guān)系

萬(wàn)紅蓮,王 靜

1 寶雞文理學(xué)院,陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寶雞 721013 2 寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院,寶雞 721013

近年來(lái),中緯度地區(qū)氣候暖干化是全球范圍干旱問(wèn)題日趨嚴(yán)重的主要原因之一,同時(shí)也是全球造成損失最大的氣象災(zāi)害[1- 3]。IPCC第四次評(píng)估報(bào)告指出因干旱而導(dǎo)致的影響區(qū)域有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)[4],所以世界氣象學(xué)界對(duì)干旱的探討已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。干旱特征、干旱指數(shù)不僅是其研究的重要參數(shù),更是研究干旱的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

目前,學(xué)者們研究干旱普遍采用的干旱指數(shù)包括帕默爾干旱指數(shù)(PDSI, Palmer Drought Severity Index)[5]、綜合氣象干旱指數(shù)(CI, Compound Index)[6]、Z指數(shù)[7]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI, Standardized Precipitation Index)[8]以及標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI, Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)[9- 10]等。其中,PDSI指數(shù)是較早用于干旱研究的重要指數(shù)之一,考慮了干旱程度受前期氣候條件的影響,對(duì)干旱特征的時(shí)空描述較為合理[11]。但不足在于用主觀因素界定了旱情等級(jí),在判斷極端旱情時(shí)有存在滯后若干月份的可能[12];SPI指數(shù)能對(duì)不同時(shí)間尺度及區(qū)域的干旱強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間做出更全面的反映,在眾多方法中應(yīng)用較為成熟,但其僅考慮了降水資料,因子較為單一,故反映干旱變化問(wèn)題不夠全面。因此,Vicente-Serrano等[9- 10]基于SPI指數(shù),利用降水和蒸散提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI),該指數(shù)在綜合PDSI考慮蒸散對(duì)氣溫敏感、SPI多時(shí)空優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,為檢測(cè)和監(jiān)測(cè)全球變暖背景下干旱的變化特征提供了較好的方法支撐。

西北地區(qū)屬干旱半干旱氣候,對(duì)該區(qū)域的干旱特征研究更具有現(xiàn)實(shí)意義。前期季定民[13]、張調(diào)風(fēng)[14]、張勃[15]、梁丹[16]、葉磊[17]、周丹[18]等學(xué)者應(yīng)用SPEI指數(shù)分別對(duì)甘肅河?xùn)|、青海省、隴東地區(qū)、河西走廊、嘉陵江流域、陜西地區(qū)干旱特征進(jìn)行了研究,表明SPEI在研究區(qū)域具有很好的適用性,但大多是對(duì)SPEI與氣溫和降水量的關(guān)系分析,未對(duì)干旱特征做進(jìn)一步的研究,特別是對(duì)于SPEI指數(shù)與NDVI指數(shù)相關(guān)性的分析較為鮮見(jiàn)。

NDVI(即歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation index, NDVI))能綜合監(jiān)測(cè)和評(píng)估地表植被生長(zhǎng)及覆蓋狀況,由遙感影像近紅外波段(NIR)和紅外波段(R)反射率計(jì)算而得[19- 20]。SPEI是基于氣溫和降水量計(jì)算而來(lái),并且SPEI值是多尺度的,能夠清楚反應(yīng)區(qū)域干旱與可獲得水資源狀況。研究發(fā)現(xiàn),SPEI指數(shù)和植被覆蓋的關(guān)系最為緊密[21- 22]。劉世梁[21]對(duì)云南省年際SPEI與NDVI的時(shí)間尺度相關(guān)性進(jìn)行了研究;張勃[22]基于NDVI,分析了西南地區(qū)氣溫、降水量及SPEI 3種變量與NDVI在年際尺度上的空間相關(guān)性。卻均未涉及對(duì)綜合效應(yīng)的干旱指標(biāo)的小區(qū)域、多尺度的時(shí)空格局演化規(guī)律及形成機(jī)理的研究。

寶雞地區(qū)是中國(guó)氣候變化的敏感地帶,處于我國(guó)東西與南北兩大地震帶的交匯點(diǎn)和長(zhǎng)江與黃河兩大水系的分界處,降水年際年內(nèi)分布極其不均。寶雞是個(gè)有著獨(dú)特自然地理環(huán)境的地區(qū)[23- 25],該地區(qū)自然災(zāi)害以旱澇災(zāi)害為主,旱災(zāi)多于澇災(zāi)[18,26],生態(tài)環(huán)境較為脆弱。

因此,基于SPEI指數(shù),以ArcGIS軟件作為數(shù)據(jù)處理平臺(tái),對(duì)寶雞地區(qū)近40年來(lái)歷年和歷年各季、月尺度的干旱發(fā)生頻率和干旱發(fā)生強(qiáng)度進(jìn)行分析,進(jìn)而采用2001以來(lái)寶雞地區(qū)SPEI與植被NDVI數(shù)據(jù),探討干旱與植被覆蓋狀況的時(shí)空相關(guān)性,為寶雞地區(qū)相關(guān)部門進(jìn)行全區(qū)干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警以及制定防旱抗旱等提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

圖1 寶雞地區(qū)高程及氣象站點(diǎn)分布 Fig.1 Elevation and distribution of meteorological stations in the Baoji area

寶雞地處106°18′—108°03′E,33°35′—35°06′N,陜西省(關(guān)中平原)西部,屬內(nèi)陸中緯度、半干旱與半濕潤(rùn)區(qū)的交接地帶,具有顯著的大陸性季風(fēng)氣候(圖1)。是我國(guó)南方與北方、東方與西方邊緣地帶的交叉點(diǎn)。秦嶺南屏,渭水中流,關(guān)隴西阻北橫,渭北沃野平原。冬季天氣寒冷干燥,夏季溫?zé)岫嘤旰脱谉岣稍锾鞖饨惶娉霈F(xiàn),春季升溫迅速且多變少雨,秋季因降溫迅速又多陰雨連綿的氣候特征。全區(qū)年均氣溫13℃左右,年均降水量700 mm左右,降水年際和年內(nèi)變化大,年內(nèi)降水集中在7、8、9三個(gè)月,占全年降水的50%左右,年均蒸發(fā)量800 mm左右,氣溫、降水量季相較為分明[27- 29]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選用寶雞地區(qū)1974—2013年11個(gè)氣象站點(diǎn)(其中,寶雞縣2003年撤縣設(shè)立陳倉(cāng)區(qū),本文中仍沿用舊制寶雞縣)氣溫和降水量的月觀測(cè)數(shù)據(jù);ASTER DEM數(shù)據(jù)來(lái)自地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái);MODIS NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自LP DAAC中的MODIS產(chǎn)品的MOD13A3數(shù)據(jù)集;土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)提取于基于Landsat TM/ETM數(shù)據(jù)的國(guó)家尺度1∶10比例尺專題數(shù)據(jù)庫(kù)。利用寶雞地區(qū)矢量數(shù)據(jù)裁剪下載的NDVI月數(shù)據(jù),得到研究區(qū)月NDVI數(shù)據(jù);對(duì)20個(gè)相鄰經(jīng)緯度的DEM原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接,并用寶雞地區(qū)(縣界)矢量數(shù)據(jù)裁剪DEM柵格數(shù)據(jù),獲得寶雞地區(qū)DEM數(shù)據(jù)。以ArcGIS作為數(shù)據(jù)處理平臺(tái),采用均值替換法對(duì)個(gè)別站臺(tái)各別年份的月氣象缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)處理,利用地統(tǒng)計(jì)模塊中的協(xié)同克里格法在考慮海拔影響的情況下對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理,后經(jīng)相同的投影方式對(duì)寶雞地區(qū)所有遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換。本研究分別以年、季(當(dāng)年3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11為秋季、12月至次年1—2月為冬季)、月作為研究尺度。

2.2 研究方法

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)

通過(guò)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理降水與蒸散,差值即為SPEI。常用其偏離平均狀態(tài)的程度來(lái)表征某地區(qū)的干旱發(fā)生強(qiáng)度[15,29]。計(jì)算步驟如下：

第一步,運(yùn)用Thornthwaite法計(jì)算潛在蒸散量：

(1)

(2)

式中,PET為潛在蒸散量;T為月均溫;H為年熱量指數(shù);A為常數(shù)。其中,A=0.49+0.179H-0.0000771H2+0.000000675H3。

第二步,計(jì)算逐月降水量與蒸散量的差值：

Di=Pi-PETi

(3)

式中,Di為降水量與蒸散量的差值,Pi為月降水量,PETi為月蒸散量。

第三步,由于原始數(shù)據(jù)序列Di中可能存在負(fù)值,故采用log-logistic概率分布F(x)計(jì)算每個(gè)Di數(shù)值對(duì)應(yīng)的SPEI值,即Di數(shù)據(jù)序列正態(tài)化。計(jì)算時(shí)有如下兩種情況：

① 當(dāng)P≤0.5時(shí),

(4)

② 當(dāng)P>0.5時(shí),

(5)

SPEI具有多時(shí)間尺度特征,月時(shí)間尺度、3個(gè)月時(shí)間尺度分別可以較為清晰的反映干旱過(guò)程的細(xì)微變化、反映季節(jié)的干旱發(fā)生情況[29]。文章通過(guò)計(jì)算寶雞地區(qū)11個(gè)氣象站點(diǎn)1974年1月到2013年12月的SPEI,以1、3、12個(gè)月時(shí)間尺度的SPEI表征寶雞地區(qū)月、季和年際干旱時(shí)空變化特征(表1)。

表1 SPEI干旱等級(jí)劃分與發(fā)生累積概率

SPEI, 即標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)

2.2.2 干旱發(fā)生強(qiáng)度

《氣象干旱等級(jí)》中關(guān)于氣象干旱發(fā)生強(qiáng)度的詮釋為,所有天或月的綜合氣象干旱指數(shù)(CI)值在干旱過(guò)程內(nèi)為輕度以上的干旱等級(jí)之和[6]。用以評(píng)價(jià)寶雞地區(qū)內(nèi)干旱嚴(yán)重程度,其值越小,干旱程度越強(qiáng)。計(jì)算公式如下：

(6)

式中,m為寶雞地區(qū)內(nèi)發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù),|SPEIi|為發(fā)生干旱時(shí)的SPEI的絕對(duì)值。其值越小,干旱程度越強(qiáng)。當(dāng)連續(xù)3個(gè)月的SPEI月尺度數(shù)值為輕度干旱以上時(shí),則確定為發(fā)生一次連續(xù)干旱過(guò)程[30]。

3 結(jié)果與分析

3.1 干旱的時(shí)間分布特征

3.1.1 干旱指數(shù)年際變化及突變檢驗(yàn)

11個(gè)氣象站均勻分布在寶雞地區(qū),且各站臺(tái)資料具有良好的連續(xù)性,因此代表性良好。從SPEI年際變化趨勢(shì)(圖2)可以看出,寶雞地區(qū)干旱主要開(kāi)始于20世紀(jì)70年代中期,結(jié)束于20世紀(jì)90年代中期,期間的20年來(lái)干旱頻繁發(fā)生。90年代中期以后干旱發(fā)生頻率有所降低。1974—2013年近40年來(lái)寶雞地區(qū)年均SPEI指數(shù)以-2.50%/a的速度下降,干旱趨勢(shì)明顯增強(qiáng)。由SPEI數(shù)值波動(dòng)來(lái)看,最干旱的年份(1988年)偏離正常年的程度大于最濕潤(rùn)年份(2000年)。圖2年均SPEI指數(shù)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)[31]結(jié)果,實(shí)曲線為UF值,虛曲線為UB值,兩條粗虛線分別表示上下臨界線(0.05)。由UF線可見(jiàn),自20世紀(jì)90年代中期以來(lái),寶雞地區(qū)年均干旱指數(shù)呈明顯的上升趨勢(shì),以2007年至2010年增大趨勢(shì)最為顯著(超過(guò)0.05臨界線)。年均SPEI指數(shù)突變現(xiàn)象出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期,具體是從1995年開(kāi)始的。突變前平均為-0.379,突變后為-0.004,前后相差0.375。

圖2 寶雞地區(qū)年均SPEI指數(shù)年際變化及M-K突變檢驗(yàn)Fig.2 Inter-annual variation and Mann-Kendall test of average SPEI index of Baoji areaSPEI, 即標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index); UF表示順序時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,UB表示逆序時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布

3.1.2 干旱發(fā)生頻率分布特征

寶雞地區(qū)年尺度和春季在50%及以上的共計(jì)23次,干旱最為嚴(yán)重,冬季共計(jì)17次,干旱狀況較好。全區(qū)干旱發(fā)生頻率均差異較大(冬季變化幅度較小),且自2008年以來(lái)干旱有再次增加的趨勢(shì)。綜合來(lái)看,年、春、夏、秋、冬及月尺度上全區(qū)干旱發(fā)生頻率普遍(圖3)。

圖3 寶雞地區(qū)年、季、月尺度干旱發(fā)生頻率Fig.3 Drought frequency distribution at annual, seasonal and monthly scales in Baoji area

從整體來(lái)看,近40年來(lái)寶雞全區(qū)年干旱發(fā)生頻率整體差異較大(0—100%),1981—1985、1989—2004年雖干旱起伏變化明顯,但干、濕年份交替存在。年尺度上,全區(qū)達(dá)60%及以上有19 a,發(fā)生頻率最低的年份(0)和最高的年份(100%)分別為7 a和3 a,以20世紀(jì)70年代到21世紀(jì)初期干濕交錯(cuò)最為顯著,2004—2008年干旱情況較有好轉(zhuǎn),2008年以來(lái)干旱又有再次加重的趨勢(shì)。

月尺度干旱發(fā)生頻率差異較大,達(dá)60%以上的有17 a,全區(qū)有22個(gè)年份的月尺度干旱頻率值高于平均值(10 a平均值)。1979年、1988年和1991年為干旱發(fā)生現(xiàn)象最頻繁年份,未發(fā)生干旱現(xiàn)象的共計(jì)7 a(圖3)。

造成全區(qū)上述狀況的原因是秦嶺穿其境而過(guò),其以南氣候較濕潤(rùn)、以北較干燥,且主峰太白山位居其中,阻隔了南方水汽的大量輸送,這是造成寶雞地區(qū)較為干旱的主要原因;此外,雖然寶雞大部分地區(qū)處于渭河流域中段,但同時(shí)又位于關(guān)山山地和渭北黃土臺(tái)塬,水土流失較為嚴(yán)重,降水集中于7—9月,降水類型多為雷陣雨和暴雨,土壤蓄水保墑能力較弱,年均蒸發(fā)量大于降水量,加之人為因素影響,增加了干旱的發(fā)生頻率。

3.2 干旱發(fā)生強(qiáng)度空間分布特征

基于寶雞地區(qū)11個(gè)氣象站點(diǎn)逐月SPEI值及不同級(jí)別的SPEI干旱指數(shù),統(tǒng)計(jì)分析1974—2013年近40年、季及月尺度6個(gè)時(shí)間尺度上的干旱發(fā)生強(qiáng)度,利用ArcGIS 10.4繪制空間分布圖(圖4)?？梢钥闯?寶雞地區(qū)干旱發(fā)生強(qiáng)度整體呈現(xiàn)“東強(qiáng)西弱”的特征,6個(gè)時(shí)間尺度上中東部干旱發(fā)生強(qiáng)度最強(qiáng)。 除秋季外,均表現(xiàn)為整體偏干旱的分布規(guī)律,且各時(shí)間尺度上的空間地域分布范圍與年尺度較為一致。干旱發(fā)生強(qiáng)度在年尺度上最弱的地區(qū)分布在鳳縣東部-寶雞市南部-太白縣整個(gè)縣域內(nèi)、隴縣西部地區(qū),干旱發(fā)生強(qiáng)度面積占總面積的23.54%;鳳縣與太白縣兩縣的整個(gè)縣域內(nèi)及其區(qū)域之間過(guò)渡地區(qū)的寶雞市南部地區(qū)、隴縣中西部地區(qū),全區(qū)干旱發(fā)生強(qiáng)度較弱,占總面積的48.83%。干旱強(qiáng)度最強(qiáng)的區(qū)域占10.70%,集中分布在寶雞縣東部至扶風(fēng)東部的扇貝形區(qū)域(由西向東)。

春季干旱空間分布規(guī)律與年尺度最為接近,整體偏干現(xiàn)象最為明顯,以寶雞縣東部至扶風(fēng)東部的扇貝形區(qū)域(由西向東)的11.90%居6個(gè)時(shí)間尺度中最高,相比最低的冬季(5.77%),增長(zhǎng)速度高達(dá)51.52%。而最弱(20.51%)和較弱(44.06%)的區(qū)域面積均為6個(gè)時(shí)間尺度上的最低值;月尺度、夏季、秋季、冬季4個(gè)時(shí)間尺度較春季和年尺度上干旱發(fā)生強(qiáng)度最強(qiáng)區(qū)域的面積以-16.02%的速度呈依次減少的變化趨勢(shì);夏季和月尺度,干旱發(fā)生強(qiáng)度最弱和較弱的區(qū)域面積大小最為相近。數(shù)據(jù)顯示,夏季最弱30.14%、較弱51.10%,月尺度最弱30.79%、較弱51.31%。從研究區(qū)整體時(shí)間尺度來(lái)看,二者的干旱強(qiáng)度均較為適中,就兩個(gè)時(shí)間尺度的空間變化趨勢(shì)來(lái)看,干旱狀況逐漸趨好的區(qū)域表現(xiàn)為向麟游東部和眉縣呈扇貝口擴(kuò)大的變化趨勢(shì)。再綜合二者的干旱強(qiáng)度最強(qiáng)的面積區(qū)域比例來(lái)看,全區(qū)干旱差異最大(月4.95%、夏3.73%),但以偏濕潤(rùn)的氣候?yàn)橹?冬季干旱強(qiáng)度差異最小,僅1.44%,與夏季和月尺度分布規(guī)律一樣,也以偏濕潤(rùn)的氣候?yàn)橹?。最弱面積占51.16%、較弱占80.40%,均僅稍次于6個(gè)時(shí)間尺度上最弱和較弱區(qū)域所占面積比例最大的秋季(75.47%、83.92%)。除麟游、岐山、扶風(fēng)、眉縣寶雞地區(qū)的4個(gè)東部縣域外,全區(qū)干旱狀況均表現(xiàn)較好,其中以秋季在6個(gè)時(shí)間尺度上表現(xiàn)最好(圖4)。

圖4 寶雞地區(qū)干旱發(fā)生強(qiáng)度空間分布Fig.4 Spatial intensity distribution of drought in Baoji area

3.3 SPEI與NDVI的相關(guān)性分析

運(yùn)用ArcGIS 10.4繪制2001—2013年NDVI值與對(duì)應(yīng)年、季、月尺度上SPEI相關(guān)性空間分布圖,來(lái)進(jìn)行相關(guān)性分析,全區(qū)6個(gè)時(shí)間尺度的兩者相關(guān)性均通過(guò)了0.05顯著性水平檢驗(yàn)(圖5)?？紤]到不同土地利用類型的影響,依據(jù)國(guó)家尺度1∶10比例尺土地利用/覆蓋專題數(shù)據(jù)庫(kù)LUCC數(shù)據(jù)分類體系,經(jīng)重分類繪制成耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)用地、未利用土地6類研究區(qū)土地利用/覆蓋類型圖(圖6),再分別統(tǒng)計(jì)各類土地利用類型的SPEI與NDVI相關(guān)性空間分布規(guī)律(圖7)及相關(guān)系數(shù)均值(表2)。就寶雞地區(qū)的土地利用面積現(xiàn)狀來(lái)看(圖6),依次為林地>草地>耕地>城鄉(xiāng)>水域>未利用土地,林地和草地廣泛分布在全區(qū)的北、西、南地區(qū),占全區(qū)總面積比例達(dá)68.39%。全區(qū)土地利用情況較好,未利用土地比例僅占全區(qū)面積的0.03%。

圖5 NDVI值與對(duì)應(yīng)年、季、月尺度SPEI相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis of NDVI values with the corresponding year and season and month scale SPEI

結(jié)合圖5、圖6、圖7及表2可以看出,年尺度上,正相關(guān)性較負(fù)相關(guān)性分布區(qū)域面積明顯,正相關(guān)性像元面積百分比達(dá)80.48%,僅次于冬季,極顯著正相關(guān)性集中分布在千陽(yáng)草地地帶和岐山縣域內(nèi)的耕地地區(qū)。從6類土地利用類型和SPEI與NDVI的年相關(guān)系數(shù)來(lái)看(圖7),正負(fù)相關(guān)性以渭河為界呈南北兩側(cè)較均勻的分布,相關(guān)系數(shù)均值均為正相關(guān),除極少的未利用土地外,其他5類土地利用類型的相關(guān)系數(shù)均值大小基本持平;春季全區(qū)干旱指數(shù)與NDVI呈正相關(guān)性的地區(qū)與負(fù)相關(guān)性地區(qū)分布最為均勻,像元面積百分比基本相同,正負(fù)交錯(cuò)分布現(xiàn)象顯著,尤以隴縣北部集中區(qū)域的負(fù)相關(guān)性最高(相關(guān)系數(shù)≤-0.5),占全區(qū)總面積的1.98%,正相關(guān)性顯著(相關(guān)系數(shù)≥0.5)區(qū)域集中于寶雞縣東部(占總面積5.21%)。未利用土地和城鄉(xiāng)用地這2類土地類型對(duì)SPEI與NDVI的相關(guān)性的影響最大,呈顯著正相關(guān),除此之外,以林地和草地為主的鳳縣和太白縣負(fù)相關(guān)性極為顯著,分布面積較為廣泛。主要原因是鳳縣和太白縣處于秦嶺山脈之中,且春季升溫迅速且少雨,植被需水不足,植物光合作用不佳,因而難以保持植被的正常生長(zhǎng);夏季呈負(fù)相關(guān)性的像元個(gè)數(shù)占總像元數(shù)的73.57%,僅次于冬季。除鳳翔南部和寶雞縣北部至扶風(fēng)中東部的東西線狀地帶正相關(guān)性表現(xiàn)最為顯著外,負(fù)相關(guān)廣泛分布在整個(gè)寶雞地區(qū)。其中,極顯著正相關(guān)系數(shù)(>0.71)的像元個(gè)數(shù)占總像元數(shù)的2.34%,僅高于冬季的0.03%。但與6類土地類型的影響較小;秋季整體相關(guān)性均較好,正負(fù)相關(guān)性分布較均勻,整體上表現(xiàn)為“東正西負(fù)”的分布特征,顯著負(fù)相關(guān)(<-0.65)僅占全區(qū)的0.02%,顯著正相關(guān)(>0.65)區(qū)域次于冬季和年尺度,接近3%,大面積分布在寶雞地區(qū)東部、鳳縣全區(qū)和隴縣大多地區(qū)。土地利用類型對(duì)干旱與植被的空間響應(yīng)與春季的分布規(guī)律較為一致(圖5)。

圖6 研究區(qū)土地利用/覆蓋類型圖Fig.6 Land use or land cover types map of the study area

相較于6個(gè)時(shí)間尺度上的相關(guān)系數(shù)空間分布規(guī)律來(lái)看,冬季、月尺度上的正負(fù)相關(guān)層次分布最為明顯,冬季負(fù)相關(guān)性和月尺度的正相關(guān)性遍布全區(qū),分別高達(dá)93.64%(負(fù)相關(guān))和94.10%(正相關(guān))。二者尺度上的空間分布區(qū)域較為一致,廣泛分布于除寶雞縣東部-扶風(fēng)東西走向的扇貝形區(qū)域外的其他縣域。其中,冬季的負(fù)相關(guān)像元百分比雖為寶雞地區(qū)6個(gè)時(shí)間尺度上最高,但極顯著負(fù)相關(guān)(<0.65)像元百分比(2.37%)卻次于夏季的5.77%,而月尺度的極顯著正相關(guān)性仍為多尺度下的最高值。同時(shí),與年尺度相比,冬季土地類型的極顯著正負(fù)相關(guān)性分布區(qū)域有所減小,顯著正相關(guān)性集中分布在寶雞地區(qū)的耕地、水域和城鄉(xiāng)地區(qū),顯著負(fù)相關(guān)性廣泛分布在林地、草地地區(qū)。這一分布規(guī)律與秋季恰巧相反(圖5)。

綜上所述,春、秋正負(fù)相關(guān)性空間分布較均勻,夏季負(fù)相關(guān)性分布廣泛,冬季和月尺度極顯著負(fù)相關(guān)和極顯著正相關(guān)像元面積比例均為最高。且鳳翔南部和寶雞縣北部圍城的區(qū)域至扶風(fēng)中東部的東西線狀地帶,6個(gè)時(shí)間尺度上的SPEI與NDVI相關(guān)性均呈顯著正相關(guān)分布(除月尺度);從6類土地利用類型在6個(gè)時(shí)間尺度上的相關(guān)性響應(yīng)來(lái)看,均表現(xiàn)為林地、草地負(fù)相關(guān)性最為顯著(除夏季),夏季、秋季、月尺度上,耕地、水域、城鄉(xiāng)地區(qū),相關(guān)性較弱,即此3個(gè)時(shí)間尺度上干旱與植被覆蓋的相關(guān)性與土地利用類型無(wú)關(guān)。主要原因是該地帶處于關(guān)中平原的西部地區(qū),植被覆蓋狀況主要以農(nóng)田種植為主,隨農(nóng)作物的收種變化而變化。近年來(lái),新成立的寶雞國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)、蔡家坡經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、寶雞蟠龍新區(qū)、寶雞陸港新區(qū)(兩開(kāi)發(fā)區(qū)兩新區(qū))帶動(dòng)了該地帶的產(chǎn)業(yè)發(fā)展,已經(jīng)成為寶雞市新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)區(qū)域。隨著城市化的快速發(fā)展,這些區(qū)域的大量農(nóng)田逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地,因此表現(xiàn)出干旱與植被呈顯著正相關(guān)的現(xiàn)象;研究的6個(gè)時(shí)間尺度中,夏季和冬季的負(fù)相關(guān)性表現(xiàn)顯著,集中分布在寶雞縣西部、鳳縣、太白和麟游地區(qū),主要原因是4個(gè)地區(qū)均為海拔較高、年均溫較低的林地/草地地區(qū)。因此植被覆蓋狀況較好,干旱與植被覆蓋負(fù)相關(guān)性較高。

圖7 多尺度下不同土地利用類型對(duì)SPEI與NDVI相關(guān)性的響應(yīng)Fig.7 Response of SPEI and NDVI relativity in different land use types at multiple scales

4 結(jié)論與討論

(1)寶雞地區(qū)干旱主要開(kāi)始于20世紀(jì)70年代中期,結(jié)束于20世紀(jì)90年代中期,期間的20年來(lái)干旱頻繁發(fā)生。近40年來(lái)年均SPEI指數(shù)以-2.50%/a的速度下降,干旱趨勢(shì)明顯增強(qiáng)。年均SPEI指數(shù)突變現(xiàn)象從1998年開(kāi)始,突變前后相差0.375?？梢?jiàn),自20世紀(jì)末以來(lái),寶雞地區(qū)年均干旱指數(shù)呈明顯的增暖趨勢(shì)。

(2)針對(duì)干旱發(fā)生強(qiáng)度最弱區(qū)域的分析,發(fā)現(xiàn)在6個(gè)時(shí)間尺度上,秋季最弱的面積占總面積的75.47%,為最高,其次為冬季的51.16%,月尺度和夏季基本持平,春季干旱較少發(fā)生;從干旱發(fā)生強(qiáng)度最強(qiáng)區(qū)域的分析可見(jiàn),春季干旱化趨勢(shì)最為明顯,較最低的冬季增速可達(dá)51.52%,主要分布于寶雞縣東部至扶風(fēng)東部的扇貝形區(qū)域(由西向東)。月尺度、夏季、秋季、冬季4個(gè)時(shí)間尺度以-16.02%的速度呈干旱化依次減弱的變化趨勢(shì);相反,秋季和冬季均以偏濕潤(rùn)的氣候?yàn)橹?夏季和月尺度干旱發(fā)生強(qiáng)度較為適中。整體來(lái)看,6個(gè)時(shí)間尺度上干旱發(fā)生強(qiáng)度均是以“東強(qiáng)西弱”的特征分布。

表2 6個(gè)時(shí)間尺度上不同土地利用類型和SPEI與NDVI相關(guān)系數(shù)均值

(3)由于寶雞地區(qū)的城鄉(xiāng)周邊,植被覆蓋以農(nóng)田種植為主,故隨季節(jié)變化顯著。另外,該區(qū)域兩開(kāi)發(fā)區(qū)兩新區(qū)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,城市化進(jìn)程使得大量農(nóng)田逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地,因此表現(xiàn)為干旱與植被呈顯著正相關(guān)的現(xiàn)象(除月尺度)。而6個(gè)時(shí)間尺度中,夏季和冬季的負(fù)相關(guān)性表現(xiàn)顯著,集中分布在寶雞縣西部、鳳縣、太白和麟游等山區(qū),這些地區(qū)均為海拔較高、年均溫較低的林地/草地地區(qū)。因此植被覆蓋狀況較好,干旱與植被覆蓋負(fù)相關(guān)性較高。

利用SPEI指數(shù)對(duì)寶雞地區(qū)近40年不同時(shí)間尺度的干旱特征進(jìn)行了分析,并基于經(jīng)重分類為6類的寶雞地區(qū)土地利用/覆蓋數(shù)據(jù),分析了SPEI指數(shù)與植被NDVI的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)寶雞地區(qū)SPEI指數(shù)與NDVI指數(shù)兩者四個(gè)季節(jié)的相關(guān)性整體均呈現(xiàn)較好,綜合的表征了干旱與植被覆蓋的響應(yīng)關(guān)系,期望為區(qū)域干旱發(fā)生成因的研究提供新的參考依據(jù)。