阿不都拉 ◦阿不力孜，塔西甫拉提 ◦特依拜，丁建丽，买买提 ◦沙吾提

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐830046;2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐830046)

干旱是影响生态环境、人类农业生产和社会经济发展的一种自然灾害，它影响地表和地下水资源，导致水源匮乏、水质恶化、农作物产量减少，使人类社会经济发展缓慢[1]，日益严重的干旱已成为科学界高度关注的问题之一。随着全球气候变暖和需水量增长速度的加快，干旱问题变得十分显著，如何及时有效地监测干旱也变得更为重要。通过地面气候数据监测干旱的传统方法不能够及时观测和定量分析干旱状况，而利用多时相、多光谱、高空间分辨率遥感卫星数据的遥感监测方法可以定量分析大范围的干旱分布状况[2]。

最近几年，许多科学家通过建立不同的遥感模型来监测干旱[1-7]。Kogan分别在1990年和1995年，利用AVHRR NDVI和LST数据来建立了植被状态指数(VCI)和温度状态指数(TCI)，VCI能较好地反映植被受到环境胁迫程度，TCI可作为温度相关植被胁迫程度指数。2003年，Ramesh等人应用VCI和TCI对印度地区进行干旱监测研究。Wang等在2001年建立了基于LST和NDVI特征空间的植被温度条件指数(VTCI)，进而在2004年，Wan等人利用EOSMODIS的NDVI和LST产品对VTCI干旱监测方法进行了更进一步研究。2005年Katou和 Yamaguchi在归一化水分指数(NDWI)，NDVI和LST的基础上建立了植被水分温度指数(VWTI 1)和VWTI 2，并分别监测了干旱程度及干旱对植被的影响[2，5]。

新疆属干旱半干旱地区，人们的居住和生产活动大多聚集在绿洲。在全球气候变化和当地人口增长的推动下，绿洲生态环境变得更为脆弱，恶化的生态威胁到了人们的生存环境。因此，研究生态环境演变过程，尤其是跟生产活动直接相关的干旱化趋势，对合理配置利用自然资源、人地和谐、可持续发展具有重要意义。本文以克里雅河流域为研究区，利用植被温度条件指数(VTCI)来监测研究区的干旱变化趋势及其分布规律。

1 研究区概况

克里雅河位于新疆维吾尔自治区塔里木盆地南部，发源于昆仑山主峰的乌斯腾格山北坡远古冰川，河水主要由昆仑山雪水融汇而成，分别由库拉甫河和喀什塔什河等支流组成，自南向北流动，滋润于田县绿洲后，继续蜿蜒向北，深入塔克拉玛干沙漠腹地，最后消失在达里雅布依附近，河流长530 km。

研究区位于新疆维吾尔自治区最南部，昆仑山北麓，塔克拉玛干大沙漠南缘，地处东经80°03′-82°51′，北纬 35°14′-39°30′之间，属暖温带干旱荒漠气候区。地势南高北低，自南向北形成高山、戈壁、沙漠等地貌单元，并有典型的冰川、冻土、火山、沙漠等地貌类型。光照充足，降水稀少，蒸发量大，春夏季大风、沙暴和浮尘天气多。研究区年均气温为11.6℃，年均降水量为47.7 mm，年均无霜期为209～213 d。

2 数据源和研究方法

2.1 数据来源

数据来自于美国航空航天局(NASA)的 TERRA/MODIS遥感卫星数据共享平台网站(http://ladsweb.nascom.nasa.gov)，选取了2005年 7月 18日和2010年7月18日的1B数据为两个时相数据。MODIS数据共有36个通道，本文采用CH1，CH2，CH31和CH32四个通道数据来分别计算植被指数和亮温。表1为MODIS部分通道的基本特征[8]。

表1 MODIS通道特征

2.2 数据预处理

根据MODIS Level 1B Product User's Guide[9]，对研究区影像进行了几何校正、投影转换、裁剪等处理。CH1和CH2通道进行重采样成1 000 m分辨率，能够跟CH31和CH32通道合成。

2.2.1 植被指数 归一化植被指数(NDVI)是植被生长状态及植被覆盖度的重要指示因子，在干旱半干旱地区，在整个作物生长期中对降雨量变化较为敏感。高的NDVI值表示健康植被，而低的NDVI值反映植被长势不好或不健康。NDVI可用红光波段和近红外波段之比来表达[10]

式中:NIR——近红外波段，即CH2;RED——红光波段，即 CH1。

2.2.2 地表温度 土壤和植被冠层的温度是决定植被生长速率的主要因素，而地表温度(LST)能反映地表热环境的分布特征，是地表能量平衡的主要指示因子。地表的辐射量度温度可用Planck公式来求算，其运算式为:

式中:T——亮度温度(K);h——Planck常数;c——光速;k——Boltzmann 常数;λ——中心波长;L——光谱的辐射亮度[11]。

3 植被温度条件指数(VTCI)的构建

Wang等人由植被指数和地表温度的二维特征空间出发，建立植被温度条件指数来评价干旱程度。VTCI通过NDVI和LST的散点图特征来确定湿边和干边 ，其公式[5，12]为 :

式中:Ni——影像中具有同样 NDVI值的像元;Y(Ni)——像元 Ni的地表温度值 ;Ymax(Ni)，Ymin(Ni)——某一特定NDVI值像元中的地表温度最大值和最小值;a，b，a′，b′— —湿边和干边的截距和斜率。分析和的二维特征空间中可得出湿边和干边，并通过上述公式可以获得a，b，a′，b′的值。植被温度条件指数范围为0～1，其相应变化趋势为从干旱到湿润。本研究中通过运算分析得到的 a，b，a′，b′值如表2所示。

表2 研究区干边和湿边方程系数

从表2中可以看出，通过LST-NDVI二维特征空间构建的研究区干边和湿边方程拟合相关系数为较高，平均在0.98以上。利用LST-NDVI特征空间来建立植被温度条件指数并进一步进行研究区干旱监测是可行的。

应用植被温度条件指数(VTCI)对研究区的两期遥感影像进行了运算，结果如图1所示。

图1 2005年、2010年植被温度条件指数图

4 结果分析与讨论

为分析和讨论研究区干旱分布状况和演变趋势，在山区河源、克里雅河上游地区(绿洲南缘)、中游地区和下游地区分别选取了A，B，C和D四个感兴区域，面积均为500 km2，对其VTCI值取平均，求相差，其结果为表3所示。

从表3中可以看出，研究区中从山区到下游沙漠地区表现出从湿润往干旱的变化趋势。从2005-2010年，A区和D区往干旱化趋势发展，其中A区VTCI相差值为-0.210 0，变化幅度较大，而下游地区(D区)的VTCI相差值为-0.045 6，变化趋势比较慢;B区和C区，即克里雅河上、中游区域VTCI相差值分别为0.071 3和0.042 6，干旱程度均为减弱，其中上游地区的干旱化幅度比下游地区大。

表3 植被温度条件指数变化

区域干旱直接影响该区域的地表水和地下水资源，低降水量和高蒸发量使区域水资源越来越匮乏。为了进一步分析干旱对地表水的干预，将以克里雅河为中线，在其流域中做了宽度为2 km的缓冲区(图2)。

图2 克里雅河缓冲区示意图

在缓冲区中自南向北分为河源、上游、中游和下游4个河流段，取其VTCI平均值，分析干旱变化趋势，相关数据见表4。

2005年和2010年两期的植被温度条件指数变化显示，山区河源缓冲区(650 km2)植被温度条件指数值从2005年的0.753 7减少到了2010年的0.559 4，其相差值为-0.194 3，变化趋势为干旱，其变化幅度较大;上游缓冲区(395 km2)植被温度条件指数从0.206 2变化为0.181 0，其变化幅度为-0.025 2，其变化幅度小，呈旱化趋势;中游缓冲区(200 km2)呈现干旱程度减弱趋势，其植被温度条件指数从0.136 1增加了0.068 5;下游缓冲区(150 km2)呈干旱化趋势，其植被温度条件指数从2005年的0.173 0减少为2010年的0.151 0，其变化相差-0.022 0，旱化幅度为小。

表4 克里雅河缓冲区植被温度条件指数变化

2005年克里雅河下游缓冲区的干旱程度比中游的更低一些，从地形和地下水位角度分析，是地下水对河流的补充和水位变化引起的;2010年下游缓冲区比中游缓冲区干旱，同时上游缓冲区比中游缓冲区干旱。绿洲是人们居住和生产最集中的场所，易受人类活动的影响，克里雅河上游缓冲区正穿过于田绿洲。统计资料显示[13]，2004年于田县总人口数量为224 882人，2005年人口增长到了227 300人，2009年人口总数量增加为245 100人。随着人口增长的推动，居住面积会一年比一年增多，这使得居民聚居的上游缓冲区的VTCI值下降。

克里雅河上游的B区面积为500 km2，大部分为自然地表;而面积为395 km2的上游缓冲区是绿洲内部居住和生产的聚集地。因此，在感兴趣区域分析和缓冲区分析中，两者干旱变化趋势表现为不一致。

在全球变暖背景下，干旱半干旱区冰川面积变化、绿洲环境演变规律及发展趋势已成为了科学界关心的环境变化问题之一。全球气候变暖使得昆仑山上的冰雪融化速度加快，使河流水量增加、部分上游地区干旱程度减弱，这样的趋势能否延续下去还有待观察和研究。

5 结论

本文利用MODIS遥感数据，基于植被温度条件指数对于田和策勒进行了干旱监测，得出以下结论:

(1)从2005-2010年，研究区整体上向干旱化方向发展，由北向南干旱趋势依次增强，其中，南部山区(A区)的变化相差值为-0.210 0，其旱化趋势较为严重;北部地区即克里雅河下游地区(D区)的变化相差值为-0.045 6，呈轻微旱化趋势;研究区中部(B，C区)相差值分别为0.071 3和0.042 6，表现为有轻干旱程度减弱的趋势。

(2)克里雅河缓冲区研究结果显示，河源缓冲区干旱化趋势较快，上游缓冲区有较小的旱化弱趋势，中游缓冲区干旱程度减弱，下游干旱程度加强。

(3)克里雅河及于田策勒绿洲的水资源由冰川，雪水融汇而来。研究区中，虽克里雅河上游缓冲区域干旱程度减弱了，可南部山区水源区呈干旱趋势，且两个区域植被温度条件指数(VTCI)变化幅度值相差很大。

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