东北地区植被NDVI对不同时间尺度SPEI的响应

植被在陆地生态系统中起至关重要的作用。近年来干旱频率逐渐增加,对植被的生长发育产生严重的影响。本研究基于1982—2015年的归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和不同时间尺度的标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)的相关性来评估东北地区植被生长状况对干旱的响应。结果表明:年尺度和季尺度内NDVI和SPEI的最大相关系数值在研究区内西部内蒙古草原地区最大,东部长白山脉地区次之,中东部东北平原地区最小,且NDVI与SPEI的相关系数在12个月以上的时间尺度较大;生长季(4—10月)和夏季(6—8月)的NDVI对SPEI响应最为敏感,春季(4—5月)、秋季(9—10月)响应依次减弱;其中,5—7月的NDVI与SPEI-24的显著相关像元比例较高,而8—10月的NDVI则与SPEI-06的显著相关像元比例较高;不同的植被类型对干旱响应不同,森林NDVI在不同月份与不同尺度的SPEI大体上呈负相关,草原和农作物则主要以正相关为主。     

基于SPEI指数的长江中下游流域干旱时空特征分析

基于长江中下游流域1961—2015年129个气象站点的逐日气温和降水数据,利用标准化降水蒸散指数(SPEI),对长江中下游流域近55年年尺度及各季节干旱变化趋势、站次比、强度和频率进行了分析,并探讨了干旱和区域气温、降水变化及ENSO的关系。结果表明:(1)在区域尺度,近55年长江中下游流域年尺度、春季和秋季呈干旱化趋势,春季干旱化趋势显著;夏季和冬季呈湿润化趋势。空间变化上,对于年尺度,汉江流域、中游干流区及洞庭湖流域以干旱化趋势为主,鄱阳湖流域、下游干流区和太湖流域以湿润化趋势为主;春季和秋季分别有96.90%和92.25%的站点呈干旱化趋势;夏季和冬季分别有82.95%和72.87%的站点呈湿润化趋势。(2)年尺度、春季和秋季干旱站次比及强度均呈增加趋势,春旱站次比与强度增加趋势显著;夏季和冬季干旱站次比和强度均呈下降趋势。(3)年尺度和春季干旱频率在21世纪初均达到最高,年尺度、春季和夏季干旱频率从20世纪90年代到21世纪初均呈增加趋势。(4)春、秋季干旱化趋势与降水量的减少及气温的上升相关,夏、冬季降水量的增加使得夏、冬季呈湿润化趋势。冬季SOI和次年春季干旱相关性极显著,冬季发生拉尼娜事件时,次年春季更易发生干旱。     

多尺度下宝鸡地区干旱动态格局演变及其与植被覆盖的关系

利用宝鸡地区11个气象站点1974—2013年逐月气温和降水量数据,基于标准化降水蒸散指数(SPEI),结合土地利用/覆盖数据,从干旱发生频率、发生强度及与植被NDVI相关性等角度,探讨了近40年来干旱时空变化格局及其对植被覆盖的响应。结果显示:宝鸡地区年均SPEI指数以-2.50%/a的速度下降,干旱趋势明显增强。自20世纪末以来,全区年均干旱指数呈明显的上升趋势,以2007—2010年增大趋势最为显著(超过0.05临界线);近40年来,春季干旱发生频率达60%及以上的有21 a,达90%以上的有9a。1981—1986年起伏变化最为剧烈。秋季平均干旱发生频率为46.29%,为春、夏、秋、冬4个季节中最低。从干旱发生强度来看,全区年际、四季及月6个时间尺度上干旱强度高、低值区域分布均比较集中;秋季强度最弱的区域面积表现最高,占总面积的75.47%。干旱发生最严重的是春季,占总面积的11.90%。全区干旱与植被覆盖相关性均表现较好(均通过0.05显著性水平检验),林地、草地负相关性最为显著(除夏季),夏季、秋季、月尺度上,耕地、水域、城乡地区干旱与植被覆盖的相关性与土地利用类型无关。     

华北地区2001-2014年植被变化对SPEI气象干旱指数多尺度的响应

近年降水量的减少以及全球气候变暖的影响导致我国华北区域干旱程度加剧,影响植被生长状况,使得区域生态环境恶化。基于华北地区2001-2014年的TRMM及MODIS数据,以归一化植被指数NDVI、净初级生产力NPP、植被状态指数VCI作为植被状况表征指数,以标准化降水蒸散指数SPEI作为气象干旱表征指数,对华北地区近年的气象干旱及植被状况时空变化进行评价,并分析植被对干旱的多尺度响应。结果表明：（1）华北地区干旱在西南部地区呈明显加重趋势,东北部地区干旱状况有所好转;针对不同时间尺度的SPEI表示干旱的变化趋势,得出月份尺度干旱呈现干湿交替特征,选取SPEI时间尺度越长,干旱化趋势越明显;（2）NDVI与NPP所反馈的植被长势空间分布略有差异,总体而言华北地区植被状况大部分地区呈好转趋势,但研究区中部部分地区及部分沿海地区植被状况转差;（3）植被状况指数与SPEI指数在大部分地区呈正相关,NPP与SPEI的相关性强于NDVI与SPEI的相关性,且相关程度在草原地区及中高海拔地区最高,林地对干旱的敏感度最弱;各植被类型在植被生长季的多数月份对SPEI-3响应最明显,且在夏季相关程度最高,夏季及其前期的季尺度干旱更易影响植被生长状况,SPEI-12对植被的影响主要表现为影响植被生长季初期的植被状态。     

基于标准化降水蒸散指数的呼伦贝尔草原干旱变化特征及趋势分析

呼伦贝尔草原是我国北方地区重要的防风固沙和水源涵养生态功能区,在气候变化的背景下,该区的草原畜牧业和旱作农业深受干旱的影响。研究该区干旱发生的特征及趋势,对当地采取适应气候变化对策具有重要意义。基于1960—2017年呼伦贝尔草原4个气象站逐月降水和气温资料,计算标准化降水蒸散指数(SPEI),并采用Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析和R/S分析法分析了近58年呼伦贝尔草原年、季尺度的气候变化及干旱特征与趋势,并结合该区实际发生的灾害事件对SPEI指数进行了验证。结果表明:1)近58年来呼伦贝尔草原在气温显著上升,降水量减少的背景下干旱化趋势显著。2)该区域年尺度和季节尺度下干旱化特征具有差异性,其中,年尺度下,该区域SPEI指数以-0.218×10 a~(-1)倾向率呈显著下降趋势,1998年是干旱加剧的突变年,未来在11年尺度上有持续偏旱的趋势;季节尺度下,冬季SPEI指数显著增加,且未来在17年尺度上有持续偏湿的趋势,春、夏和秋季的SPEI指数均呈下降趋势,并分别在22年、9年和15年尺度上有持续偏旱的趋势。3)2000年以来,干旱发生的总频率尤其重旱和极旱的发生频率均显著高于其他年代;4)夏季和秋季分别是发生重旱和极旱次数最多的季节。5)SPEI指数在呼伦贝尔草原区的干旱监测与分析中具有较好的适用性。     

1986—2019年黄土高原干旱变化特征及趋势

干旱作为极端气候事件之一,其频率和强度的变化影响到区域水资源,而干旱半干旱区植物生长的主要限制因素是水分,因此,研究黄土高原干旱时空特征及未来变化趋势对当地的生态环境具有重要意义。本研究基于1986—2019年降水和温度逐月格点数据,计算标准化降水蒸散发指数(SPEI)和干旱发生频率,并运用Mann-Kendall检验和Sen斜率估计方法,探讨了黄土高原的年、季尺度干旱时空分布及变化特征,最后利用NAR神经网络结合Hurst指数对黄土高原未来干旱趋势进行预测。结果表明: 研究期间,黄土高原总体呈现干旱化趋势,且年际和季节尺度的干旱发生频率在空间上差异较大。其中,年际、春季和冬季以黄土高原东南部和西部干旱发生频率最高,夏季和秋季以西北部干旱发生频率最高。夏季以中度干旱发生频率最高,年际及其他季节以轻度干旱发生频率最高。黄土高原春、夏季呈现干旱化趋势,秋、冬季研究区大部分区域干旱趋势减轻。黄土高原年际、春季、夏季的SPEI值在未来一段时间内仍处于下降趋势,即干旱化趋势加重,且夏季的Hurst指数最大,持续性变化最强,未来持续干旱的可能性高于其他季节。     

2001-2015年天山北坡植被覆盖对干旱的响应——基于土地利用/土地覆盖分析

天山北坡生态系统脆弱,易受干旱影响,全球变暖和不合理的人类活动加剧了干旱的影响,评估植被覆盖对干旱的响应,为改善生态环境和减轻干旱影响提供科学参考。基于MODIS-NDVI遥感数据以及气象数据,计算了2001-2015年天山北坡多尺度标准化降水蒸散发指数（SPEI）和植被覆盖度,总结出植被覆盖度与多尺度SPEI时空动态变化规律,从土地利用/土地覆盖（LUCC）的角度分析了植被覆盖度对气候干旱的响应。结果表明：（1）天山北坡绝大部分区域呈湿润状态,中部（石河子、呼图壁）、西北部（克拉玛依市）呈轻度干旱。3个月、6个月、12个月时间尺度SPEI均表现出干旱化增强的年际变化趋势;（2）天山北坡植被覆盖度整体上属中低覆盖,总体呈南高北低,天山山区、城市绿洲内部高的分布特点。2001-2015年天山北坡植被覆盖度变化总体呈下降趋势;（3）年尺度天山北坡植被覆盖度与SPEI整体呈正相关关系。不同土地利用/土地覆盖的植被覆盖度与12个月时间尺度SPEI（SPEI 12）的相关性不同,大小依次为：草地 > 未利用地 > 城乡用地 > 林地 > 水域 > 耕地;（4）季节尺度夏季和春季干旱对植被覆盖度的影响最明显,不同季节干旱对不同土地利用/土地覆盖植被覆盖度影响程度不同。     

乌珠穆沁草原水热分配差异对植被的影响

利用MODIS NDVI 数据和气象站点的气温和降水资料, 运用最大值合成、一元线性分析和相关分析方法, 分别从年际变化、季节变化和月变化角度分析2000-2013 年乌珠穆沁草原植被覆盖变化及其对气温和降水变化的响应特征。结果表明, 从年际变化看, 近15 年来乌珠穆沁草原植被覆盖呈增加趋势, 其变化趋势主要受降水量的控制; 从季节变化来看, 夏季和秋季植被覆盖度呈上升趋势, 而春季呈下降趋势。春季和夏季植被覆盖变化主要受降水的影响,而秋季植被生长与气温的关系较与降水的关系密切; 从植被生长的月变化来看, NDVI 与气温的相关性小, 与降水量的相关性大。在返青期初期(4、5 月)NDVI 值随气温升高而升高, 温度有助于植被的生长, 其他时段气温对NDVI 值产生负向作用, 其中7 月份植被生长受气温的负向作用最明显; 4-6 月受当月降水量的影响明显, 7、8 月份NDVI 值与6月份降水量呈显著相关, 表明植被生长对降水变化具有一定滞后性。     

基于SPEI的北京低频干旱与气候指数关系

干旱是北京地区发生最频繁、波及面积最大、持续时间最长的一种自然灾害。基于1868—2010年每月的降水和平均气温数据,应用综合了降水和气温变化共同效应的新的干旱指标标准化降水蒸散指数(SPEI)定量描述北京地区的干湿状况,并利用历史旱灾记录对其进行验证;采用连续小波转换(CWT)分析近150 a来的干旱振荡特征,并利用交叉小波变换(XWT)探论了干旱与大尺度气候因子之间的关系。结果表明:1)SPEI揭示的干旱与历史记录比较吻合,证明该指数可以在多时间尺度上有效地反映北京地区旱涝程度及其持续时间;2)北京地区干旱具有80—120个月年际尺度和250个月、480个月年代际尺度的周期振荡,呈现了同大尺度气候因子相似的变化特征;3)北京干旱变化与四大气候因子存在着多时间尺度的显著相关性,SPEI和北大西洋涛动(NAO)、北极涛动(AO)、太平洋涛动(PDO)都具有100—120个月和250个月的年代际主共振周期,而SPEI和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)在整个研究期内都表现出极显著的32—64个月年际主共振周期,同时SPEI与4个气候因子在共振周期上均体现出比较明确的时滞特征(2—6月不等)。因此,可以基于大尺度气象因子结合SPEI预测北京地区未来的干旱变化。     

全球气候变暖胁迫下的雅鲁藏布江流域植被覆盖度变化驱动机制探讨

为了解雅鲁藏布江流域内植被变化对气候变化响应的时空差异性,引入重心模型,分析和探讨了2002-2014年雅鲁藏布江流域植被的变化特点与气候因子的相关性。结果表明,植被的NDVI(归一化植被指数,Normalized difference vegetation index)重心与降水重心年际迁移方向具有正相关性。雅鲁藏布江流域的月植被NDVI受前0-1月降水影响最大,而不同季节植被的NDVI对降水影响表现出一定的滞后性,其中春季和冬季的植被NDVI均与前一季的降水呈现正相关性。该流域中乔木、灌木对降水反应的滞后性比草本植物要大;生长季的温度变化与植被的生长具有相关性。植被NDVI与月均温的正相关性达到最大的时间段差异较大。因此,植被NDVI和气候因子间的时空异质性研究对于雅鲁藏布江流域的生态环境保护具有重要意义。     

2000—2016年云南地区植被覆盖时空变化及其对水热因子的响应

基于2000-2016年MODIS-NDVI数据,利用趋势分析法以及线性相关分析等方法对云南地区植被月变化趋势、年际变化趋势进行详细分析;探讨植被覆盖变化与主要气候水热因子的关系。结果表明：研究区大部分地区植被覆盖良好,年NDVI的平均值为0.55,其中NDVI较高值（> 0.8）区域主要分布于南部,而西北部和中部城市地区NDVI值较低;自2000年开始,研究区NDVI总体呈显著（P < 0.05）增加趋势,年NDVI的变化斜率为0.0036,植被覆盖呈增加趋势的区域占研究区总面积79.80%;不同季节（春、夏、秋、冬）和生长季的植被状况均呈良性发展趋势;湿润指数和水热综合因子在滇西北与NDVI多呈负相关,在滇中地区以正相关为主;春、夏、秋3个季节NDVI受降水影响较大,而冬季NDVI则受气温影响较大;受降水影响较大的区域主要分布在中部和南部,受气温影响较大区域主要分布在滇西北、滇东北地区;NDVI在不同月份对气候因子的滞后时间存在差异,NDVI与当月气温的相关性强于与当月降水的相关性,植被生长对气温的响应无明显滞后效应,对降水存在3个月的滞后期。     

植被对不同时间尺度干旱事件的响应特征及成因分析

利用标准化降雨蒸散发指数(SPEI)与归一化植被指数(NDVI)系统研究了中国不同区域、不同土地利用类型的植被对不同时间尺度干旱事件的响应特征,并对成因做出探讨。研究表明:(1)全国大部分区域NDVI与SPEI呈显著正相关,表明中国大部分区域植被生物量变化受干旱时空特征的影响。而沿北纬30度附近的长江流域区域,尤其是长江流域东南部、珠江流域下游等降水相对丰沛区域;黑龙江东北部及长白山地区、四川西部等高寒区域,NDVI与SPEI表现出弱相关性,受干旱影响较小;(2)多年平均水平衡是影响植被对干旱响应的关键因素,土壤水分变化是植被活力与生物量变化的关键影响因子。多年平均日照时数较长的区域,植被变化受干旱影响较大。从对干旱影响敏感性程度来讲,越是水量丰沛的区域,植被受干旱的影响越小,其中,草地对干旱的影响最为敏感,其次为灌木与森林。     

蒸发需求干旱指数(EDDI)在辽宁省干旱识别中的应用

蒸发需求干旱指数(EDDI)是从大气蒸发需求(E₀)角度出发建立起来的一种多尺度的干旱指标,具有不依赖降水量、适用于各种下垫面类型的特点,具备在不同时间尺度捕捉水胁迫信号的能力。本研究基于1961—2018年辽宁省52个气象站气象观测资料,逐日估算E₀,按年、生长季(4—10月)、春季、夏季、秋季、冬季分别计算EDDI,分6个时间尺度识别近58年辽宁省干旱发生的年际变化特征。结果表明: 研究期间,辽宁省EDDI年际变化阶段性明显,多个时间尺度的EDDI呈两个高值集中期。在20世纪60年代,年、生长季、春季、秋季和冬季5个时间尺度的辽宁省平均EDDI高值区相对集中,这一阶段辽宁省发生干旱的年数多、程度重;除冬季外,2014—2018年是其他5个时间尺度的EDDI高值另一个相对集中的时段;1981—1982年,辽宁省的年、生长季、夏季、秋季的EDDI值偏高。1963—1965年(除夏季外)、1972—1973年(生长季、夏季)、1989—1990年(年、生长季、春季、冬季)、1997—1998年(年、生长季、夏季)、2004—2005年(春季、冬季)和2013—2014年(年、生长季、秋季)都发生了干-湿或湿-干逆转事件。1985—1987、1993—1995和2005—2013年,辽宁省存在明显的干旱空窗期。     

Satellite detection of cumulative and lagged effects of drought on autumn leaf senescence over the Northern Hemisphere

Climate change has substantial influences on autumn leaf senescence, that is, the end of the growing season (EOS). Relative to the impacts of temperature and precipitation on EOS, the influence of drought is not well understood, especially considering that there are apparent cumulative and lagged effects of drought on plant growth. Here, we investigated the cumulative and lagged effects of drought (in terms of the Standardized Precipitation–Evapotranspiration Index, SPEI) on EOS derived from the normalized difference vegetation index (NDVI3g) data over the Northern Hemisphere extra‐tropical ecosystems (>30°N) during 1982–2015. The cumulative effect was determined by the number of antecedent months at which SPEI showed the maximum correlation with EOS (i.e., R_max‐cml) while the lag effect was determined by a month during which the maximum correlation between 1‐month SPEI and EOS occurred (i.e., R_max‐lag). We found cumulative effect of drought on EOS for 27.2% and lagged effect for 46.2% of the vegetated land area. For the dominant time scales where the R_max‐cml and R_max‐lag occurred, we observed 1–4 accumulated months for the cumulative effect and 2–6 lagged months for the lagged effect. At the biome level, drought had stronger impacts on EOS in grasslands, savannas, and shrubs than in forests, which may be related to the different root functional traits among vegetation types. Considering hydrological conditions, the mean values of both R_max‐cml and R_max‐lag decreased along the gradients of annual SPEI and its slope, suggesting stronger cumulative and lagged effects in drier regions as well as in areas with decreasing water availability. Furthermore, the average accumulated and lagged months tended to decline along the annual SPEI gradient but increase with increasing annual SPEI. Our results revealed that drought has strong cumulative and lagged effects on autumn phenology, and considering these effects could provide valuable information on the vegetation response to a changing climate.     

基于SPEI指数的1961-2014年东北地区气象干旱时空特征研究

干旱导致生态系统生产力降低,已成为全球观测的事实,并将在未来气候情景下继续加剧。揭示干旱的时空分布特征是抗旱防灾、保障农业生产安全、维持生态系统健康的迫切要求。应用标准化降水蒸散指数（SPEI）和经验正交函数（EOF）分解方法,分析东北地区干旱特征,揭示干旱发生的时空变化规律。基于东北地区90个气象台站,计算1961-2014年的SPEI指数,从干旱频率、干旱范围和干旱强度等方面研究其特征,并利用EOF分解方法解构干旱空间模态和时间系数。研究结果表明：1）东北地区干旱的时间差异明显。1961-2014年,东北地区以1983年、1995年和2008年为转折点经历了"干-湿-干-湿"的波动变化;夏季发生的干旱范围最大、强度最强,冬季的范围最小、强度最弱;2）东北地区干旱的空间分布差异大,西部干旱发生频繁、发生次数多、持续时间长、旱灾强度大;3）在1、3、6和12个月的多时间尺度下,东北地区年均SPEI变量场EOF分解的前3个主要空间模态均表现为全区一致型、南北相反型和东西相反型,其方差累积贡献率约为58%;4）随着研究时间尺度的增大,干旱的空间分布规律和时间变化趋势逐渐明晰,表明东北地区干旱具有明显的尺度特征。综上所述,基于SPEI指数对东北地区干旱进行多尺度时空分解,刻画了干旱的基本特征,并解构了干旱的时空分异规律,研究结果可为该区的干旱预警研究及生态系统灾害管理提供科学依据。     

1982-2013年内蒙古地区植被物候对干旱变化的响应

气候变化引起的植被物候变化正在大幅度改变生态系统,研究植被物候对干旱的响应对保护内蒙古的生态系统具有重要意义。根据1：100万植被区划,把内蒙古划分为8个植被分区,利用多时间尺度气象标准化降水蒸散指数（SPEI）和NDVI3g时序数据所反演的物候指标,分析内蒙古植被物候的时空变化及其对干旱的响应规律。结果显示：1）在1982年至2013年间,内蒙古植被受到不同时间尺度下干旱的高度控制,尤其是时间尺度干旱的影响（SPEI-3）;2）对于整个研究区,生长季开始（SOS）呈提前趋势,生长季结束（EOS）呈延后趋势,生长季长度（LOS）呈延长趋势,像元比例分别为63.79%、59.77%和62.83%;3）内蒙古除荒漠植被类型地区外,同年春季和夏季初期干旱对SOS均具有延迟作用,同年秋季干旱对EOS均具有延迟作用 ;4） 不同植被类型对干旱强度指数的响应程度存在差异,响应程度集中在-10d/0.1-10d/0.1（例如,1d/0.1表示干旱强度指数每增大0.1,会导致物候指数延迟1 d,而-1d/0.1表示干旱强度指数每增大0.1,会导致物候指数提前1 d）。     

陕北长城沿线风沙区植被指数变化及其与气候的关系

陕北长城沿线风沙区位于毛乌素沙漠东南部边沿,属毛乌素沙地向东南移动的最活跃地段,生态环境十分脆弱。使用1981～2003年23a长时间序列的NOAA/AHRR NDVI数据、气候资料,分析了陕北长城沿线风沙区植被覆盖的历史演变及其与气候因子的关系。结果表明:(1)陕北长城沿线风沙区植被覆盖状况23a来尽管有波动起伏,但是整体在持续转好,年平均NDVI增加了10.62%。低覆盖率植被面积在减少,高覆盖率植被面积在增加。夏季的NDVI值最高、波动起伏最大,其次是秋季;春、夏、秋三季的NDVI具有明显的上升趋势,季平均NDVI年增长率夏季最大,秋季次之;夏、秋季NDVI与年NDVI具有很高的相关性,这两个季节的植被状况基本决定了全年的植被分布状况。NDVI年变化曲线为单峰型,春季NDVI缓慢增加,秋季NDVI降低速度比较快。(2)年平均NDVI与温度的年际变化相关不明显,各季节NDVI与温度相关也不明显。近年来长城沿线风沙区的年降水量没有明显增加,而年平均NDVI线性增加趋势显著,降水量是引起NDVI年际波动的主要因子,非气候因素是年平均NDVI线性增加的主要原因。降水量与NDVI存在着明显的年相关和隔季相关。年降水量与年NDVI的相关,冬季降水量与春季NDVI的相关,春季降水量与夏季NDVI的相关,夏季降水量与秋季NDVI的相关性都非常高。(3)非气候因素中生态保护和环境建设等人为措施,如植树造林、草原围栏封育等是导致植被显著增加的重要原因。