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基于修正温度植被干旱指数(MTVDI)的中国1982-2010年干旱时空变化
干旱造成了巨大的社会和环境损失，因此研究干旱的时空格局具有重要意义。传统的遥感干旱指数(AVI、VCI和TCI)只考虑代表土壤水分的单一因子(地表温度或NDVI)。综合遥感干旱指数(VSWI和TVDI)能较准确地估计土壤水分，但不适用于高程变化较大的大尺度地区。在此基础上，建立了基于高程和干边校正的修正温度植被干旱指数(mTVDI)。与传统干旱指数相比，mTVDI与土壤水分的关系在所有选定月份均较好(R= - 0.376， - 0.406， - 0.459， - 0.265, plt;0.05)。利用mTVDI分析了1982 - 2010年我国干旱的时空格局。结果表明，我国西北和西藏西南地区干旱发生频率较高，华北和西南干旱中心分别出现在黄淮海平原和云贵高原。1982年至2010年，全国干旱频度总体呈上升趋势，严重干旱频度明显增加4.86%，轻度干旱频度增长缓慢。研究结果对理解干旱和制定气候变化政策具有重要的指导意义
干旱会对区域乃至全球的水热时空格局造成巨大影响。频繁发生的严重干旱严重减少了水资源的供应，对世界生态系统和社会经济发展产生了显著影响。中国地处东亚季风气候区，气候和地形复杂多变。全球气候变化改变了我国水热资源的时空分布，从而导致生物地球化学循环的变化。大气环流控制的降水季节变化已被气候变化所改变。干旱，降雨的极度短缺，越来越受到气候变化的影响。例如，2009年华北地区发生的干旱导致1.57亿亩农田受到影响，2009年至2010年西南地区发生的严重干旱导致1.2亿亩粮仓减产。干旱每年侵袭中国约六分之一的耕地，造成粮食生产的巨大损失。据估计，干旱造成的农作物减产约1500-2500万吨/年，约占我国粮食产量的4-8%，占自然灾害总损失的55%以上。研究中国干旱的时空变化对可持续发展，特别是农业和粮食安全具有重要意义。
现场测量土壤水分是监测干旱最准确的方法。然而，这种方法受到成本高、人力需求大、空间覆盖面积有限的限制，尤其是在偏远地区，交通不便。它经常被用来作为证明数据，以验证其他干旱指数的准确性或提高其他数据的空间分辨率。根据气象台站的气象资料，目前存在标准降水指数(SPI)和侦察干旱指数(RDI)13等干旱指数。但气象数据也遇到了类似的问题，观测地点有限。遥感具有扫描整个区域、短时间内对同一区域进行重新访问、方便获取数据等优点。近几十年来，随着遥感技术的迅速发展，遥感技术在干旱监测中得到了广泛的应用，特别是在干旱时空演化方面。建立了用于干旱监测的植被指数法。与归一化植被指数(NDVI)相比，Kogan17提出的植被条件指数(VCI)可以描述天气对植被的影响。然而，降水与NDVI14之间的时间差降低了VCI的精度。在对NDVI值进行归一化的基础上，建立了异常植被指数(AVI)。然后由Kogan19开发了Te温度条件指数(TCI)，利用亮度温度值结合VCI和TCI对干旱进行估计。Kogan20和Unganai等人提出了一种新的植被健康指数(VHI)。Rojas等人利用VHI对非洲的干旱进行了评估，得到了对作物生长阶段干旱较为准确的估计。goetz2和Carlson等人发现NDVI与温度(Ts)呈显著负相关。Carlson等人在NDVI和LST划分的基础上提出了一个新的植被供水指数(VSWI)。Gillies et al.， Carlson et al.， price等研究了NDVI与Ts的关系，发现植被覆盖满时NDVI-Ts空间呈三角形。根据三角形的形状，
综合指数TVDI是由Sandholt等人提出的，并在多个研究中得到了应用。TVDI是比较经验性的，通常用于小区域。木村提出了一种改进的温度-植被干度指数(iTVDI)，并将其应用于黄土高原某流域的地表水分状况评价。将温度引入TVDI方程，利用Te iTVDI对土壤水分进行监测。然而，这些方法都局限于高程变化大、气候复杂的大尺度干旱监测。
由于我国幅员辽阔，气候复杂，用指数法测定干旱的精度还有待提高。在我国干旱监测中，进一步提高现有干旱指数的准确性是十分重要的。此外，中国近几十年干旱的时空格局还远未完全了解。本文在对现有温度植被干旱指数(TVDI)的高程和干边进行修正的基础上，提出了一种更适合于复杂气候、多变地形的大尺度区域干旱监测的修正温度植被干旱指数(mTVDI)。利用mTVDI技术对1982-2010年我国干旱的时空格局进行了预测。本研究的目的是:(1)通过与传统干旱指数(AVI、VCI、TCI、VSWI、TVDI)的比较，估计mTVDI的精度;(2)估计1982 - 2010年中国干旱特别是严重干旱的空间分布和时间变化。
结果
基于原位土壤水分数据的mTVDI验证。2007年5月6个干旱指数(AVI、VCI、TCI、VSWI、TVDI、mTVDI)的空间分布如图1所示。AVI和VCI在我国南方部分地区表现出不连续的严重干旱，而西北沙漠地区则没有干旱或轻度干旱，这显然与现实不符。TCI和VSWI表明，我国干旱从东南向西北方向发展的趋势越来越严重，属于同一等级的干旱区域呈集中连续分布。但新疆和青海省的干旱过度。对于TVDI来说，它可以准确地识别出西北干旱地区的位置，但它似乎显示了整个中国干旱地区太多。与TVDI相比，华南地区的过度干旱得到了纠正，西部地区的干旱更加明显。由于高程修正，也可以进一步降低高海拔地区干旱预测的不确定性。
为了验证mTVDI对土壤水分的敏感性，本文利用原位土壤水分数据对mTVDI和传统干旱指数进行了验证。每个季节4个月(3月、5月、7月和11月)，以2001年、2003年、2005年、2007年和2009年为代表的干旱和非干旱时期，验证了干旱指数mTVDI的可靠性。采用相关系数(R)、相对偏差(bias)、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)的统计指标(表1)。如表1所示,mTVDI最高Rminus;0.376minus;0.406minus;0.459minus;0.265选择四个月和AVI VCI R .此外,最低的价值偏差,RMSE和梅mTVDI比其他四个指标相对较小,仅在某些情况下比TVDI。综上所述，mTVDI在6个干旱指数中具有最高的可靠性，且规模较大。
干旱水平基于mTVDI。干旱通常以土壤水分(SM)为特征。根据《中华人民共和国气象干旱等级国家标准GB/T 20481-200634》，SM大于60%时无干旱;SM在50% - 60%之间存在轻度干旱;SM在40% - 50%之间为中度干旱;当SM低于40%时，就会出现严重的干旱。根据土壤水分数据和mTVDI值，得到mTVDI与SM之间的线性关系，其关系如式(1)所示。
y x = minus;0. lowast; 0024 . 0 8647 (1)
其中y为土壤水分;x表示mTVDI。由式(1)可知，mTVDI小于0.70时无干旱，mTVDI在0.70 - 0.75之间为轻度干旱，mTDVI在0.75 - 0.80之间为中度干旱，mTVDI大于0.80时为重度干旱。
1982 - 2010年我国基于mTVDI的干旱频率空间分布。这纸classifed干旱分为四个级别:没有干旱,轻微的干旱,中度干旱和严重干旱基于线性Eq mTVDI与土壤水分之间的关系。(1)估计的空间分布和时间变化干旱在中国,不同程度的干旱的时期(轻微的干旱,中度干旱和严重干旱)数和干旱的频率从1982年到2010年在324个月计算。由于无法获得数据，1994年和2000年被排除在外。干旱频率被定义为发生干旱事件的数量35，但本文用百分比表示干旱频率。Te值不仅可以反映出各个像素点之间发生干旱的相对数量，还可以看出1982-2012年这段较长的时间内某一像素点发生干旱的比例。1982 - 2010年我国干旱频率的空间分布如图2所示。
中国干旱频率存在明显的空间变化(图2)。由于沙漠面积大，中国西北地区的干旱频率非常高(gt;80%)。整个云贵高原干旱频率相对较低，但高原部分地区特别是滇西北、黔西南山区干旱频率较高(gt;60%)。新疆大部分地区的干旱频率非常高(gt; - 70%)。青藏高原西南部的高海拔地区干旱频率也很高。华北黄淮海平原的Te干旱频率相对较高(40-60%)。东南和东北地区的干旱频率相对较低(lt;20%)。
长江中下游和东部沿海地区的干旱频率要低得多(lt;20%)。在过去的30年里，各省、市、自治区之间的平均干旱频率也有明显的差异(图3)。宁夏、新疆、甘肃、内蒙古等地出现了高频率干旱(gt;50%)。陕西、山西、青海、山东和西藏的平均干旱频率在30%到50%之间。黑龙江、浙江和福建的平均干旱频率要低得多(lt;10%)。
基于mTVDI的中国1982 - 2010年不同干旱程度的空间分布。在国家(图4a、b、c)和省级(图4d)分别计算了不同干旱程度(轻微、中度和严重)的Te频率。Te的轻微的干旱频率高于中度干旱和严重的干旱在中度干旱的频率高于严重干旱(图4 a、b和c)。在省级,轻微的比例高于中度干旱,干旱和严重干旱的比例较低(lt; 15%)(图4 d)。甘肃、宁夏、新乡市、内蒙古、青海省等地均易发生严重干旱，平均干旱频度均在5%以上，其中甘肃出现的严重干旱频度最高。宁夏、新乡、甘肃、内蒙古、陕西、青海等地经常发生中度干旱，平均发生频率在7%以上。
基于mTVDI的中国1982 - 2010年干旱的时间变化。摘要为分析我国近几十年干旱的时间格局，每年计算一次全国各类干旱的发生次数和不同程度的干旱(小旱、中旱、大旱)。在研究期间，干旱的年发生频率在10%到40%之间(图5a)。特别是1985-1986年、1990-1991年、1999-2001年的干旱发生频率变化较大。2001年以后的干旱年频度仍有变化，但幅度比2001年以前小得多。近几十年来，尽管干旱的发生频率发生了变化，但仍有明显的增加趋势。
基于mTVDI的中国1982 - 2010年不同干旱程度的时间变化。轻度干旱的Te发生频率在3% - 25%之间(图5b)。中度干旱的年发生频率在3%到13%之间(图5c)。重度干旱年发生频率为2.89% - 6.84%，小于轻度和中度干旱年发生频率(图5d)。有不同程度的干旱的发生频率的增加趋势在1982 - 2010年期间,尽管严重干旱的上升趋势更明显比轻微和中度干旱(图5 b, c和d),特别是严重的干旱频率从1999年到2010年迅速增加(图5 d)。为了分析干旱的变化规律，增加或减少，计算了基于mTVDI的干旱频率趋势率(见资料和方法)。计算了我国34个省、市、自治区干旱频率的平均坡度(图6a)。我国23个省、市、自治区的干旱频度为0以上。这表明这些地区干旱的频率在不断上升。其中宁夏、甘肃、新疆、上海等地干旱频度的坡度均大于0.006，干旱呈显著增加趋势。四川、辽宁、湖南、江苏等地的Te坡度均接近于0，表明干旱发生频率相对稳定。11个省、市、自治区的干旱频率Te斜率均小于0(图6a)，表明干旱频率呈下降趋势。计算了三个干旱等级的坡度(图6b-d)。23个省、市、自治区的轻度干旱频率斜率大于或等于0，而11个省、市、自治区的轻度干旱频率斜率小于0(图6b)。其中，青海、宁夏、山东、上海、天津等地的轻度干旱频率斜率均大于0.002。
20个省、市、自治区中度干旱的Te坡度均大于0(图6c)。其中宁夏、西藏、甘肃、云南等地的中度干旱坡度均大于0.002。14个省、市、自治区中度干旱的Te坡度均小于或等于0，尤其是重庆、江西小于0。我国严重干旱频度的坡度分布不均匀(图6d)。甘肃、海南、内蒙古、宁夏、青海、新疆等地的Te坡度均大于0.0012，明显大于其他地区。22个省、市、自治区旱情频次的坡度在- 0.0005 - 0.0005之间，表明这些地区旱情严重程度变化不大。综上所述，全国大旱总体频率呈上升趋势。
讨论
在面积大的国家，海拔的差异可能是巨大的。特别是中国东部和西部的海拔差超过4000米。但是，TVDI忽略了高程对温度的影响，降低了高纬度地区温度遥感产品的精度。此外，由于植被具有自我保护的特性，温度的升高并不一定意味着植被必须从缺水中恢复。因此，ftting干边缘与实际干边缘不能真正匹配，说明基于TVDI37的干旱检测存在过度。不同于以往的许多研究，本文将TVDI的高程校正和干边缘校正相结合，在0.05°遥感数据的基础上，提出了一种新的干旱指数mTVDI。为了验证mTVDI对土壤水分的敏感性，利用了现场土壤水分数据。Te结果表明，mTVDI比TVDI更适合大尺度区域的干旱监测，相关系数最高，偏倚较小，分别为RMSE和MAE(表1)。一般来说，TCI只监测温度后的干旱，而AVI和VCI同时考虑温度和NDVI17-19。
TVDI，它参考温度和NDVI之间的关系 ， 具有更清晰的物理意义和干旱监测更准确的精度。鉴于在大规模以极大的标高变化用于干旱监测时TVDI的限制，mTVDI结合了TVDI高程校正和干边缘校正，从而导致干旱指数中的最佳性能（图 1 和表 1 ）。中国的空间分布和干旱频率的时间变化1982年至2010年是埃斯蒂 - 交配基于mTVDI本文。干旱频频出现在中国西北地区和西藏西南部，而北美和中国西南地区干旱中心出现在黄淮海平原和云贵高原，分别。干旱的频率增加作为一个整体而严重干旱的频率由4.86％显着增加，轻微干旱的频率由3.56％期间的2082至10年的期间缓慢增加。
近年来，一些研究人员基于测量站数据或低分辨率网格数据，对我国干旱的时空分布进行了研究。例如，Ayantobo等人根据规范站数据计算的标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)和中国综合干旱监测(CI)，发现1961 - 2013年华北和西北地区发生严重干旱的频率更高。徐等人通过SPI、RDI、SPEI的0.25°网格指数发现，1961年至201239年，华北平原西部、黄土高原、四川盆地和云贵州高原有明显的干燥趋势。尽管在
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