基于SPI和VHI的长江中下游地区干旱时空特征分析

向大享,姜 莹,陈 喆,李 喆

(1.长江科学院 空间信息技术应用研究所,武汉 430010; 2.长江科学院 武汉市智慧流域工程技术研究中心,武汉 430010)

0 引 言

与其它自然灾害相比,干旱具有影响范围广、历时长等特点,对农业、工业和生态环境产生较大影响,给国民经济造成重大损失[1]。

长江中下游地区是指三峡水库下游的沿岸带状地区,地跨湖北、湖南、江西、安徽、江苏、浙江、上海等7省市,总面积约20万km2,是中国重要的粮、油、棉生产基地,亦为中国水资源最丰富的地区。

长江中下游地区干旱频发,1961年至今发生的旱涝灾害造成的损失约占所有气象灾害损失的78%,其中干旱占50%,其发生频率越来越高,强度不断增强,影响范围不断扩大,持续时间不断变长[2-3]。

特别是近20 a来严重旱灾事件尤为突出,1999—2001年,长江中下游地区发生多季连旱。2003年,江南大部分地区发生严重旱灾,湖南、江西、浙江等地区甚至发生伏秋冬连旱。2006年湖北、2007年湖南和江西等均出现了比较严重的旱情。2011年长江中下游地区降水异常偏少,较常年同期偏少5～8成,出现了较为严重的大范围冬春连旱。2013年夏季长江中下游地区发生高温伏旱,鄱阳湖、洞庭湖水体面积较常年同期偏少3～4成[4-6]。2019年7月下旬至秋季,长江中下游地区发生了近50 a来历史同期最严重的伏秋连旱,并给多地农业、生态、水资源等带来了严重不利影响。

相关学者对长江流域干旱时空分布特点作了较多的研究。张剑明[7]利用湖南省80个地面气象站点1970—2005年的观测资料分析了湖南省干旱时空分布特征。相关学者利用标准化降水指数分析了长江流域、汉江流域等区域不同等级干旱时空变化,结果表明不同区域的干旱变化趋势存在显著差异[8-9]。黄涛等[10]利用帕默尔干旱指数探讨了长江流域干旱面积时间变化特征,结果表明未来有发生旱涝急转的可能。谢坤等[11]利用标准化降水蒸散指数定量分析了鄱阳湖区域干旱时空变化特征及影响因素,结果表明干旱与降水、气温有很强的相关性。

因此,分析长江中下游地区季节间降水差异,总结干旱发生发展全过程时空变化规律,了解旱情特点,对于解决长江中下游地区干旱问题具有非常重要的意义。本文将利用气象、水文、遥感干旱指数探究长江中下游地区湖北、湖南、江西、安徽、浙江、江苏6省1958—2018年近60 a干旱季节及年际空间分布规律,为该区域抗旱管理工作提供数据支撑。

1 试验数据

1.1 遥感数据

本文主要采用美国研制的多光谱扫描辐射仪(Advanced Very High Resolution Radiometer,AVHRR)及中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)2种遥感数据,数据时序包括1982—2001年AVHRR数据和2002—2020年MODIS数据的8 d合成产品。

AVHRR是美国第一代对地观测系统中应用较广的卫星,本文使用的数据时长为1982—2001年;MODIS是美国第二阶段对地观测系统,其数据在保留AVHRR功能的同时,在数据波段数目和数据应用范围、数据分辨率等方面都作了相当大的改进,MODIS数据逐步替代AVHRR,本文使用的数据时长为2002—2020年。研究中使用2种数据的红波段和近红外波段计算植被指数,热红外波段计算地表温度,2个特征参数作为干旱遥感指数的输入。

1.2 地面观测数据

地面观测数据采用长江中下游6省的23个基准站、140个基本站、331个一般站的降水数据,主要为1958—2018年逐日降水数据,站点类别及数量如表1所示。六省降水观测站点空间分布如图1所示。

图1 降水观测站点分布

表1 降水观测站点数量

从站点数量及空间分布来看,各省份站点数目大致相当,基准站、基本站、一般站数量比例协调,站点的空间分布比较均匀,提供了很好的数据支撑。

2 研究方法

干旱指数主要包括气象干旱指数、水文干旱指数、农业干旱指数、社会经济干旱指数。气象干旱指数通常采用标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI)来进行监测与评估。农业干旱指数通常引入遥感技术,弥补了气象干旱监测中出现的空间不连续的问题,实现了实时、快速及大范围的旱情监测,比较常用的方法包括植被供水指数(Vegetation Supply Water Index,VSWI)、植被健康指数(Vegetation Health Index,VHI)、温度植被干旱指数(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI)、规模干旱条件指数(Scale Drought Condition Index,SDCI)等[12-15]。其中植被健康指数综合考虑了植被生长和地表温度状况,规模干旱条件指数是对植被指数、地表温度(Land Surface Temperature,LST)、热带降雨测量任务(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)数据进行标准化后的线性结合。

本文是为了分析近几十年来长江中下游地区旱情变化特征,故选取适宜于大时空尺度、稳定可靠的干旱指数作为研究方法,气象干旱指数方面采用SPI,农业干旱指数方面采用VHI。

2.1 标准化降水指数SPI

SPI由科学家McKee、Doesken和Kleist于1993年评估美国科罗拉多干旱状况时开发,降水量是其计算过程中的唯一必须输入的参数[16]。相关研究表明,SPI具有很强的空间一致性,比其他气象干旱指数更有优势[17]。

SPI具有多时间尺度的特征,SPI构建时长可以反映不同时间长度的干旱发展变化过程,如月尺度SPI反映每月干旱情况,季尺度SPI反映每季度干旱变化情况,年尺度SPI可以反映全年旱情状况。任何位置的SPI计算基于理想周期的长期降水记录,此长期记录被分配到一个概率分布,然后将其转化为正态分布,以使该位置和理想周期的平均SPI为0。SPI为正值,则表示降水量大于中值,即雨量偏多;SPI为负值表示降水量低于中值,即雨量偏少。基于此,为了弄清长江中下游地区干旱时空分布规律,考虑到干旱发生发展具有滞后性,另外本文主要分析季度旱情频率与等级,故选择时间尺度相匹配的SPI-3指数开展气象干旱分析。

2.2 植被健康指数VHI

无干旱状态下,土壤水分充足,植被生长状态正常,植被指数正常;当有干旱事件发生时,土壤水分不足,植物生长受土壤水分胁迫,生长状况不佳,导致植被指数减小,同时作物被迫关闭部分气孔以减少蒸腾,冠层温度升高。

植被健康指数基于干旱对植被指数和冠层温度的影响[18],被广泛用于干旱的监测和描述,其计算公式为

VHI=αVCI+(1-α)TCI 。

(1)

式中:VCI为植被状态指数(Vegetation Condition Index);TCI为热状态指数(Thermal Condition Index);α为权重参数。VCI和TCI是相对值,不受季节和植被差异影响,只表示NDVI、LST偏离区域正常值多少[19]。VCI和TCI计算公式分别为:

(2)

(3)

式中:NDVI为归一化植被指数;NDVImin、NDVImax分别为归一化植被指数在研究期间内的最小值和最大值;LST为地表温度;LSTmin、LSTmax分别为地表温度的最低值和最高值。

3 统计结果分析

3.1 SPI-3结果分析

各省监测站点从1958年开始对区域内的降水情况进行观测,基于降水观测数据,利用散点分布图方法绘制了6省1958—2018年月均SPI-3变化趋势线,并对统计数据进行了Mann-Kendall检验分析[20],变化趋势线及检验分析结果如图2所示。

图2 6省1958—2018年月均SPI-3变化曲线

从6省整体来看,SPI-3总体呈现上升趋势,具有显著变化,其Mann-Kendall检验的p值<0.05,Theil-Sen斜率(Slope)为0.000 3。同样地,分别利用6个省份的统计数据开展Mann-Kendall检验分析发现,湖北和湖南的月均SPI-3不具有显著变化趋势,它们的Mann-Kendall检验的p值分别为0.43和0.17,均>0.1,而Mann-Kendall检验表明江西省的SPI-3具有显著的变化趋势,其p值明显<0.05,增长速率为0.004 134,表明旱情形势逐渐升高。

依据SPI干旱分级标准对1958年1月至2018年12月期间共725个月份SPI-3进行分级。SPI≥-0.5表示无旱,-1≤SPI<-0.5表示发生轻旱,-1.5≤SPI<-1表示发生中旱,-2≤SPI<-1.5表示发生重旱,SPI<-2表示发生特旱。干旱等级月数统计结果如表2。

表2 干旱等级月数统计

各月平均SPI-3统计结果表明,绝大部分月份无旱,6省整体共有598个月份无旱,约占82.48%,发生轻旱月数有96个,占比13.24%,中旱、重旱、特旱3个等级占比较小,分别为3.45%、0.55%、0.28%,说明发生重大连片旱情的频率很低。从分省统计结果来看,无旱月数也占绝大部分,占比分别为78.07%(湖北省)、77.93%(湖南省)、74.90%(江西省和浙江省占比相同)、75.59%(江苏省)、76.55%(安徽省)。江西省发生轻旱的月数最高,达到122个月份,占比16.83%,湖北省最少,为99个月份,占比13.66%,其他4个省份相差不大。浙江省发生中旱的月份最多,高达53个月份,占比7.31%,明显高于其他5省,比安徽省多8个月份,与湖南省、江苏省相差更是达到12个月份。江苏省发生重旱月份最多,高达24个月份,占比为3.31%,约为湖北省、湖南省、江西省、浙江省的2倍。特旱等级中浙江省、江西省月数相对较高,高于5个月份,江苏省最少,仅发生过1次特旱。

长江中下游地区的湖北、湖南、江西、江苏、浙江和安徽6省不同月份多年平均SPI-3如图3所示。3、4、5月份为春季,6、7、8月份为夏季,9、10、11月份为秋季,12、1、2月份为冬季。其中夏季的平均SPI-3较低,尤其是7月份,该区域位于中国南方低纬度区域,夏季温度较高,更容易出现干旱;冬季平均SPI-3年际变化最大。6省不同季节多年平均SPI-3如表3所示。

图3 6省不同月份多年平均SPI-3箱型图

表3 6省不同季节多年平均SPI-3

从6省整体区域看,夏季的平均SPI-3最小,说明该区域内夏季的雨水较为缺乏,秋季的平均SPI-3最大,说明该区域内秋季的雨水较多。从各省来看:对于湖北省,夏季的平均SPI-3最小,表明湖北在夏季常出现干旱;对于湖南省,春季的平均SPI-3最小,表明湖南在春季更容易出现干旱;对于江西省,春夏季节的平均SPI-3相对较小,说明江西省在春夏季更容易出现干旱;对于浙江、江苏、安徽三省来说,夏季的平均SPI-3最小,夏季发生干旱的可能性最大,频次最高。

根据各月多年平均SPI-3情况分析(如表4所示),夏季(6、7、8月份)的SPI-3较为集中,说明在这些月份内降水的差异较小;冬季(12、1、2月份)的SPI-3变化范围较大,说明在这些月份内降水的变化较大,空间分布不均,局部区域发生干旱的风险程度较高。

表4 6省不同月份多年平均SPI-3

从6省总体看,5—10月份SPI-3的分布较为集中,而其他月份的SPI-3分布较为分散,SPI-3的极大值和极小值差异更大,8月份的SPI-3最小,为-0.004 24,说明整体看来8月份的降水最为缺乏,12月份的SPI-3最大,说明12月份的降水相对充足。从单个省份来看,湖北省6—8月份SPI-3的分布较为集中,而其他月份的SPI-3的分布较为分散,湖北省2月份的SPI-3最小,5—10月份的SPI-3也相对较小,11月份和12月份的SPI-3相对较高;湖南省5—7月份的SPI-3分布相对集中,5月份的SPI-3最小,12月份的SPI-3最大;江西省各月份SPI-3较为接近。

各站点多年平均SPI-3如图4(a)所示,各站点多年平均SPI-3都表现为>-0.5,表明干旱发生时长较研究时长相对较短,即出现长时间多季连旱事件的情况较少。SPI-3插值结果(如图4(b)所示)表现出明显的空间分布差异,湖北、安徽、江苏地区内站点的平均SPI-3较湖南、江西和浙江地区更高,说明湖北、安徽、江苏地区的降水相对于湖南、江西、浙江更充沛,发生干旱的风险较低,频次较少。

图4 各站点多年平均SPI-3和SPI-3空间插值结果

3.2 VHI结果分析

利用1982年1月—2020年12月AVHRR、MODIS这2种8 d合成产品植被指数、地表温度,开展了468期VHI计算,通过对时序结果的统计分析可以看出(如图5所示),随着时间的推移,具有显著的变化趋势,其Mann-Kendall检验的p值明显<0.05,变化速率为0.000 6,说明VHI在此期间逐渐上升。

图5 6省1982—2020年月均VHI变化曲线和6省不同月份多年平均VHI箱型图

从1982—2020年遥感干旱指数结果可以看出,1992年、1997年、2009年等典型干旱年的特征较明显,与实际情况基本一致,表明该指数可用于旱情时空分布特征分析。

3.3 干旱季节分布及频率变化分析

为了进一步分析长江中下游地区干旱的分布规律,通过对近60 a干旱监测指数进行等级划分,在同时具有SPI-3和VHI的季度,采用加权方法提取旱情等级信息,并分四季开展不同旱情等级统计分析,从而识别长江中下游地区旱情发生频率特点。

在春季(如图6(a)),整个长江中下游地区极易发生轻旱,基本均在8～10次,其中湖南北部、安徽南部、江苏南部地区发生过10次以上轻旱事件;长江中下游地区春季也易发生中旱,大部分在2～4次,其中湖北北部、湖南南部、安徽西部、江苏东南部地区发生过4次以上中旱;重旱的发生频率较低,主要发生在湖北北部、湖南中部、安徽北部、江苏北部等地区,仅发生1～2次;除了江西、浙江发生过1次春季特旱事件,其他地区均未有过。

图6 四季4级干旱频次分布

在夏季(如图6(b)),整个长江中下游地区也比较容易发生轻旱,基本均在8～10次,其中湖北南部、湖南东南部、江西大部分、安徽北部、江苏东南部地区发生过10次以上轻旱事件;长江中下游地区夏季也易发生中旱,大部分在4次以上;发生重旱的频率较低,大部分地区发生过1～2次,湖南南部和东部、浙江南部发生过2次以上的重旱;由于夏季是长江中下游地区雨季,未发生过特旱事件。

在秋季(如图6(c)),整个长江中下游地区发生轻旱的概率也较大,绝大部分地区保持在8～10次,其中湖北中西部、湖南东南部地区发生过10次以上轻旱事件;长江中下游地区秋季也易发生中旱,大部分在4次以上,其中安徽和浙江大部分地区次数较少,在3～4次之间;发生重旱的频率较低,一般均为1～2次,仅安徽、江苏零星地区发生了2次以上;除了安徽中部局部地区发生过1次秋季特旱外,长江中下游其他地区均未发生过特旱。

在冬季(如图6(d)),长江中下游地区发生干旱的情况明显减少,仅在湖北北部和西南部、湖南中部和南部、江西和浙江大部分地区发生8～10次轻旱,在湖北中部和东部、湖南东部、安徽南部、江西北部、江苏南部、浙江西北部发生了2～4次中旱,其他地区很少发生干旱,特别是整个区域内未发生过冬季重旱和特旱事件。

从以上春夏秋冬四季中4种等级干旱(轻旱、中旱、重旱、特旱)发生频次分布可以看出,春季、夏季、秋季发生轻旱、中旱、重旱的区域范围大、频次高,甚至少数部分地区还发生特旱现象;而冬季只有大面积轻旱发生,严重旱情基本未发生。这与SPI季均值反映的特点相吻合。

4 结 论

本文通过近60 a的降水数据、近40 a的遥感数据分析了长江中下游地区干旱事件的时空分布特征规律,可以得出以下几点结论:

(1)长江中下游地区干旱事件发生具有明显的季节性,主要表现为春夏季干旱频率高,旱情风险等级较高,主要为中旱、重旱,秋冬季干旱频率较低,旱情风险等级也较低,主要为轻旱、中旱。

(2)长江流域中下游地区干旱存在一定的区域性差异,北部发生频次高于南部、西部发生频次高于东部,高频次区域位于湖北北部、湖南南部等地。长江流域中下游地区春夏发生干旱的地区多,而每个季节发生干旱的地区又不尽相同,春季发生干旱的频率高值区主要集中在华中地区,以湖南、湖北为干旱高发区;在夏季,两广与湖南的交界处容易发生干旱,湖北为干旱的高发区。