基于TVDI的衡邵盆地干旱監(jiān)測(cè)分析

李涵茂 賀紅志 陳健翔 唐語(yǔ)馨 韓 波

（1.湖南省衡陽(yáng)市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.衡陽(yáng)市氣象局，湖南 衡陽(yáng) 421001；3.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410118）

0 引言

衡邵盆地是湖南湘中盆地群衡陽(yáng)盆地和邵陽(yáng)盆地的統(tǒng)稱，所轄范圍主要包括衡陽(yáng)市、邵陽(yáng)市、婁底市全境及永州市北部共33 個(gè)縣級(jí)行政區(qū)。衡邵盆地受到地形、海拔高度、大氣環(huán)流等多重因素影響［1］，歷年來(lái)，夏季干旱發(fā)生較重，素有“十年九旱”之稱，是湖南省干旱區(qū)之首。該區(qū)域是湖南省糧食主產(chǎn)區(qū)，降水季節(jié)分配不均，年際變化明顯，已成為制約其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。

溫度植被干旱指數(shù)（Temperature Vegetation Dryness Index，TVDI）是指以歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）與地表溫度（Land Surface Temperature，LST）為基礎(chǔ)，對(duì)土壤濕度進(jìn)行反演。TVDI由于其計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)容易獲得、土壤濕度數(shù)據(jù)反演精度較高等特點(diǎn)，在區(qū)域尺度上土壤濕度的反演和監(jiān)測(cè)［2-3］和農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛［4-5］。有學(xué)者通過(guò)應(yīng)用TVDI分析區(qū)域干旱時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)其能很好地反映氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱的情況［6-7］。

本研究通過(guò)NDVI和LST構(gòu)建TVDI指數(shù)，并應(yīng)用到衡邵盆地的干旱監(jiān)測(cè)中。擬通過(guò)分析衡邵盆地TVDI的時(shí)空變化特征，進(jìn)一步反映衡邵盆地干旱發(fā)生發(fā)展的時(shí)空變化特征；分析衡邵盆地TVDI空間分布特征與降水量分布特征的相關(guān)性，進(jìn)一步驗(yàn)證TVDI與降水量的關(guān)系。研究成果可為衡邵盆地干旱監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐，為干旱的氣象防災(zāi)減災(zāi)提供保障。

1 研究區(qū)域

衡邵盆地屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，氣候溫暖，四季分明，熱量充沛。年平均氣溫為17.0～18.0 ℃，多年平均降水量為1 325 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為765.3 mm，年內(nèi)5月至10月蒸發(fā)量較大，占全年的71.8%。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選擇MODIS 數(shù)據(jù)的中國(guó)合成產(chǎn)品MODND1M 和MODLT1M 構(gòu)建TVDI，數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），時(shí)間范圍為2001—2013年。TVDI的計(jì)算過(guò)程中應(yīng)用投影轉(zhuǎn)換、重采樣、裁剪等方法，最后應(yīng)用IDL 編程，獲得研究區(qū)域的TVDI值。應(yīng)用2001—2010年的NDVI月值計(jì)算出月平均NDVI值。

2.2 TVDI的計(jì)算

Price 等［8］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)研究區(qū)植被覆蓋滿足從裸地到完全植被覆蓋時(shí)，植被指數(shù)和地表溫度構(gòu)成的散點(diǎn)圖呈現(xiàn)出三角形。Sandholt 等［9］基于植被指數(shù)和地表溫度提出了溫度植被干旱指數(shù)（TVDI），并通過(guò)分析驗(yàn)證了該指數(shù)在土壤水分的監(jiān)測(cè)中有較好效果，能有效反映當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)干旱的情況。TVDI計(jì)算公式為式（1）至式（3）。

式中：LSTmax和LSTmin分別為相同植被指數(shù)像元中的最大和最小地表溫度，即特征空間的干邊和濕邊；a1、b1、a2、b2分別為干邊、濕邊擬合系數(shù)。

TVDI值的變化范圍為0～1，TVDI值越大，反映出干旱程度明顯且嚴(yán)重；TVDI值越小，說(shuō)明該區(qū)域較為濕潤(rùn)。TVDI值越小，土壤濕度越高，反之土壤濕度越低［10］。本研究采用的TVDI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1［11］。

表1 TVDI干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用WPS Office 2019、Arcgis 10.0 和ENVI5.5 軟件完成數(shù)據(jù)處理和制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 NVDI變化特征

2013年6月至9月衡邵盆地NDVI值變化特征如圖1 所示。由圖1 可知，2013 年7 月部分地區(qū)的NDVI值略低于6月；2013年8月大部分地區(qū)NDVI值明顯低于6 月和7 月；2013 年9 月大部分地區(qū)NDVI值較8月有所增大，仍較為明顯低于6月和7月。

圖1 2013年6月至9月衡邵盆地NDVI值變化特征

3.2 NVDI距平值變化特征

2013年6月至9月衡邵盆地NDVI距平值變化特征如圖2所示。由圖2可知，2013年6月衡陽(yáng)東部以及邵陽(yáng)西南部分地區(qū)的NDVI值開始低于歷年值；2013 年7 月衡邵盆地大部分地區(qū)的NDVI值低于歷年值；2013年8月衡邵盆地90%以上的地區(qū)NDVI值低于歷年值；2013年9月仍有大部分地區(qū)NDVI值低于歷年值，低值區(qū)面積明顯小于8月，略小于7月。

圖2 2013年6月至9月衡邵盆地NDVI值距平值

3.3 TVDI值變化特征

2013年6月至9月衡邵盆地TVDI值變化特征如圖3 所示。2013 年6 月衡邵盆地的中部地區(qū)出現(xiàn)了輕-重度干旱；7 月除西南部未出現(xiàn)干旱外，其他大部分地區(qū)發(fā)生重度干旱；8 月衡邵盆地旱情有所緩解，大部分地區(qū)仍有輕-重度的旱情；9 月衡陽(yáng)大部分地區(qū)仍維持重度干旱，衡邵盆地其他地區(qū)旱情得到緩解或解除。

圖3 2013年6月至9月衡邵盆地TVDI值變化特征

3.4 氣象條件

根據(jù)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)情況，湖南省2013 年夏旱始于6 月中旬中期，6 月底強(qiáng)度迅速加重，7 月底至8 月中旬為最強(qiáng)盛時(shí)段，重旱范圍在50%以上［12］。自2013 年6 月29 日起，湘中地區(qū)開始出現(xiàn)高溫，之后高溫在全省范圍逐漸發(fā)展，截至8月14日，湖南省出現(xiàn)了全省性、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的高溫天氣過(guò)程。隨著8 月14 日開始的臺(tái)風(fēng)“尤特”外圍云系對(duì)湖南的影響，湖南省自南向北高溫天氣逐漸得到緩解，并出現(xiàn)了降水天氣過(guò)程；至8月19日，全省性的高溫天氣基本得到解除［13］。持續(xù)高溫少雨天氣，導(dǎo)致農(nóng)田蒸散量大，山塘水庫(kù)缺水嚴(yán)重，無(wú)法滿足農(nóng)田灌溉需要，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)干旱發(fā)展迅速，衡邵盆地出現(xiàn)了特大農(nóng)業(yè)干旱。

2013 年6 月29 日至8 月19 日，衡邵盆地降水量為13.6～175.4 mm 之間，降水量距平在-32.3%～93.7%之間（如圖4 所示）。大部分地區(qū)的降水量在110 mm 以下，較歷年偏少56.0%以上，有1/3 的縣市降水量偏少80.0%以上。降水量嚴(yán)重偏少，長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)高溫，最終導(dǎo)致衡邵盆地干旱的嚴(yán)重發(fā)生發(fā)展。

圖4 2013年6月29日至8月19日衡邵盆地降水情況

4 結(jié)論與討論

通過(guò)干旱實(shí)況監(jiān)測(cè)，2013 年衡邵干旱盆地干旱發(fā)生的最強(qiáng)時(shí)段為7 月底至8 月中旬。分析發(fā)現(xiàn)：2013 年8 月衡邵盆地的NDVI值出現(xiàn)明顯的降低，8月衡邵盆地NDVI距平值也明顯低于正常年份；TVDI值顯示干旱發(fā)生的最強(qiáng)時(shí)段在7 月，也能很好地監(jiān)測(cè)到干旱發(fā)生發(fā)展到解除的過(guò)程。應(yīng)用TVDI值監(jiān)測(cè)干旱發(fā)生情況與區(qū)域降水量進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，TVDI監(jiān)測(cè)的干旱發(fā)生區(qū)域與降水量嚴(yán)重偏少的區(qū)域具有很好的吻合性。TVDI監(jiān)測(cè)的干旱發(fā)生區(qū)域主要集中在衡邵的中間盆地農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，四周的山區(qū)發(fā)生弱，能間接地反映農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生情況。

本研究應(yīng)用MODIS 數(shù)據(jù)的中國(guó)合成產(chǎn)品的月數(shù)據(jù)，構(gòu)建了TVDI值進(jìn)行干旱的監(jiān)測(cè)分析。研究發(fā)現(xiàn)，TVDI能很好地監(jiān)測(cè)2013年衡邵盆地的干旱發(fā)生發(fā)展情況，為衡邵盆地的干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估提供了新的方法與途徑。本研究應(yīng)用的數(shù)據(jù)為月尺度的數(shù)據(jù)，后期需進(jìn)一步做好更短時(shí)間尺度數(shù)據(jù)的應(yīng)用，以便更為動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)干旱的發(fā)生發(fā)展情況，提高干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警的時(shí)效性、精準(zhǔn)性和實(shí)用性。