1982-1990年间全球NDVI与气候变化的相关分析与NDVI趋势外文翻译资料

 2022-11-27 14:57:50

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1982-1990年间全球NDVI与气候变化的相关分析与NDVI趋势

摘要

全球范围内归一化植被指数（NDVI）与气候变化关系分析使用的数据为探路者数据库中的陆地NDVI数据集以及在1982年至1990年内观察到的气候数据。在春天到秋天这一时间段对北半球的中高纬度进行观察发现了一个明显的年际NDVI与气候变化的相关关系，同时在北半球与南半球的半干旱地区发现了一个明显的NDVI与气温、降水的相关关系。对全球NDVI趋势的比较显示在调查周期内北半球的中高纬度地区NDVI伴随着温度升高而增加，而在南半球的半干旱地区NDVI随着降水的下降而降低。虽然对赤道地区NDVI增加的原因还不清楚，但是猜测可能是森林再生长、采伐森林以及施肥的综合因素对NDVI的趋势产生了影响。

1.简介

全球环境变化是由于人为地二氧化碳排放引起的，同时这对碳循环以及气候变化有重要的影响。生物圈的二氧化碳获取是预测未来大气中二氧化碳浓度的一个重要碳循环过程(IPCC 2001)，预测是基于一次或两次卷积运算进行的(Joos et al.1999)，使用的是卫星传感器数据（Goetz et al. 2000）。

基于卫星传感器的NDVI数据经常被用来作为分析植物的指示器，是因为它与植物冠层光合作用有效吸收的那部分辐射(Asrar et al. 1984)以及净初级生产力(Goward et al. 1985)呈现近线性关系。Myneni et al. (1997)研究了北半球中高纬度地区基于卫星传感器获取的NDVI和大气中二氧化碳浓度，揭示了植物生长期延长作用与生物圈二氧化碳吸收量的关系。1982-1990的全球NDVI趋势图显示在北半球的中高纬度地区及赤道附近NDVI总体呈上升趋势，但是在南半球的半干旱地区呈现下降趋势(Kawabata et al. 2001 )。Schultz and Halpert (1995)表示NDVI随时间的变化与气候变化关系不大，这篇文章应该被认真对待，虽然他使用了不恰当的数据集（即未修正的卫星传感器的数据）并由此得到了异常的地球表面温度和错误的观测降水。

在这个研究中，分析了1982年至1990年期间年际平均季节NDVI和台站观测气候（温度和降水）变化的相关系数，以阐明植被与气候变化的关系。

2.数据集

探路者数据库中的陆地NDVI数据集(James and Kalluri 1994) 的空间分辨率为8公里，获取的为从1981年7月至1994年9月以及从1995年1月到现在的间重访周期为一个月的数据。本研究使用的是1981年12月至1990年12月期间的数据。许多最近的数据没有被使用是因为Mt Pinatubo火山的爆发（1991年6月）对NDVI有明显的异常影响(Myneni et al. 1997)，而且气候数据集仅涵盖到1995年。根据两个被认为NDVI是不随时间变化的地区，即沙漠和密集的植被区域的参考文献，对探路者数据库中的陆地NDVI数据集进行了进一步的修正，然后以0.5°的空间分辨率产生年度和三个月的平均值。

气候变化是由1901-1995年每个月的CRU05 0.5°空间分辨率的以时间序列排列的气候与降水数据集得到的(New et al. 2000)，这些变量直接在0.5°空间分辨率的气候观测中进行插值替换，并且在1982至1990年这个周期内重建了年度及季节性的平均值。

3.方法

根据NDVI与温度和NDVI与降水的相关系数，对1982 至1990年年度和季节性平均NDVI和气候变化的关系进行了分析。仅提取（1）NDVI 与温度和降水之间具有统计学上的显著关系（90％可信限度）的区域，并且（2）该区域内具有足够的数据（n = 9）。

4.结果与讨论

4.1．NDVI与气候变化的关系

图1显示了年平均NDVI与气候变量之间的相关性。 虽然分析期短（9年），但清楚地显示了NDVI与气候关系的地理分布。在北半球中高纬度地区（如欧洲和亚洲），NDVI与温度呈现正相关关系。在南半球（如南美洲，非洲南部和澳大利亚北部）和墨西哥呈现负相关关系。在中亚，撒哈拉沙漠的南部，非洲南部，澳大利亚，南美洲和墨西哥地区，NDVI与降水呈正相关。

统计学上的关系不显著（90％）

没有足够数据（nlt;9）

图1. 1982年至1990年期间（a）NDVI和温度年平均值之间的相关关系与（b）NDVI和降水量之间的相关系数的全球地图，彩色区域表示在统计学上有显著关系（90％可信限度），灰色区域表示统计学关系不显著，黑色区域表示没有足够数据（nlt;9）。

图2显示了NDVI和各个季节气候变化相关系数的全球地图。许多NDVI—温度呈现正相关的地区分布在北半球中高纬度，在夏季呈现正相关的区域从三月份到五月份由北半球中纬度地带向北方向苔原地区，之后再次南移，这些地区的NDVI在植物生长季节开始时好像明显受到温度的影响。NDVI与温度呈现负相关性的区域以及NDVI与降水呈现正相关性的区域具有很好的一致性，这种现象主要发生在半干旱地区，这些区域的年际NDVI变化由温度和降水共同确定。由于NDVI与降水的相关系数高于NDVI与温度的相关系数，因此在半干旱地区降水被认为影响植被生长的主要因素。

统计学上的关系不显著（90％）

没有足够数据（nlt;9）

图2. 1982-1990年间NDVI与各季节气候变化之间的相关系数全球地图。细节与图1相同。

4.2. 年际NDVI变化：1982-1990年

使用本研究中得到的NDVI—气候相关地图来分析1982至1990年间的年际NDVI趋势。Kawabata et al. (2001 ) 提出了以下三个不同的NDVI趋势：

  1. 在北半球中高纬度地区（如欧洲，俄罗斯和中国北部），每年平均和春季到秋季这个周期内NDVI都有明显的升高。
  2. 在赤道地区（非洲和东南亚，接受南美洲），每年平均NDVI被认为有普遍增长。
  3. 在南半球（如澳大利亚，阿根廷），NDVI呈现下降的趋势。

在北半球中高纬度地区，NDVI日益增加的区域表现出NDVI与温度呈正相关的特点,温度是影响这些地区年际NDVI增长的最重要因素之一。在夏季NDVI与温度相关性较高的寒带草原地区，并没有表现出明显的NDVI趋势，因为在调查期间（1982-1990年）温度没有明显的变化。

经历了NDVI增加的赤道地区，如非洲中部和东南亚，并没有表现出NDVI与气候相关性，在这种情况下NDVI增加可能是因为二氧化碳和氮肥影响、森林再生长或卫星传感器数据的校准不足。虽然在现在的分析中这种情况尚未得到解决，但巴西热带雨林的土地覆盖转化作用可能会抵消陆地施肥影响，在这些地区进行进一步的地方评估是非常有必要的。

在南半球，由于降水对这些半干旱地区的植被变化起着至关重要的作用，降水量的减少导致了NDVI下降。虽然在非洲南部地区发现了NDVI和降水之间的相关系数很大，但并没有发现明显的NDVI趋势，这可能是因为这些地区在研究期间（1982-1990年）没有出现显著的降水减少。

5.结论

本文对年际的NDVI变化与气候变化之间的相关性进行了分析。结果表明，在北半球中高纬度地区，气温的年际变化，特别是在生长季节期间气温的变化对生物圈活动具有重要意义，而在半干旱地区的植被生长主要受降水的限制。

在对NDVI趋势与NDVI和气候的关系进行比较结果表明，NDVI趋势受到北半球中高纬度温度升高和南半球半干旱地区降水减少的控制，而赤道地区NDVI增加的原因尚不清楚，但是可以认为是森林砍伐，森林再生长和施肥的综合作用的结果。

北半球高纬度地区和半干旱地区生物圈活动的变化在将来可能会扩大。NDVI和气候的关系明显的区域与未来气候变化的区域大致上相符合，即高纬度地区温暖，亚热带和中亚大陆地区干燥（IPCC 2001），这些结果为我们提供了可能的植被与气候的关系以及未来陆地碳循环的变化。然而我们必须记住，由于NDVI数据质量的限制以及缺乏长期的数据，这项研究并不是决定性的。

在未来的研究中，热带地区NDVI变化的机制将通过局部分析和定量分析得到证实。本文的结果和未来的研究将在估计生物圈对全球环境变化的响应中发挥重要作用。

鸣谢

作者使用的PAL NDVI数据集包括与美国国家海洋和大气管理局合作的NASA地球观测系统路径探测计划获得的数据。数据由Goddard太空飞行中心的地球观测系统数据和信息系统（EOSDIS）提供，归档，管理和分发。我们感谢他们的工作。

参考文献

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photosynthetically active radiation and leaf area index from spectral re ectance in

wheat. Agronomy Journal, 76, 300–306.

Goetz, S. J., Prince, S. D., Small, J., and Gleason, A. C. R., 2000, Interannual variability

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Goward, S. N., Tucker, C. J., and Dye, D. G., 1985, North American vegetation patterns

observed with the NOAA-7 advanced very high resolution radiometer. Vegetatio,64, 3–14.

Ichii, K., Matsui, K., Yamaguchi, Y., and Ogawa, K., 2001, Comparison of global net

primary production trends from satellite based normalized diVerence vegetation index

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IPCC, 2001, Climate Change 2001: T he Scienti. c Basis. Contribution of Working Group I to

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by J. T. Houghton, Y. Ding, D. J. Griggs, M. Noguer, P. J. van der Linden, X. Dai,

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James, M. E., and Kalluri, S. N. V., 1994, The Path. nder AVHRR land data set: an

improved coarse-resolution data set for terrestrial monitoring. International Journal of

Remote Sensing, 15, 3347–3364.

Joos, F., Myer, R., Bruno, M., and Leuenberger, M., 1999, The variability in the carbon

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