全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 22 期摇 摇 2011 年 11 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
叶冠尺度野鸭湖湿地植物群落含水量的高光谱估算模型 林摇 川,宫兆宁,赵文吉 (6645)……………………
中国水稻潜在分布及其气候特征 段居琦,周广胜 (6659)…………………………………………………………
大豆异黄酮浸种对盐胁迫大豆幼苗的生理效应 武玉妹,周摇 强, 於丙军 (6669)……………………………
黑河中游荒漠绿洲过渡带多枝柽柳对地下水位变化的生理生态响应与适应
张摇 佩,袁国富,庄摇 伟,等 (6677)
……………………………………
……………………………………………………………………………
高寒退化草地甘肃臭草种群分布格局及其对土壤水分的响应 赵成章,高福元,石福习,等 (6688)……………
基于生态足迹思想的皂市水利枢纽工程生态补偿标准研究 肖建红,陈绍金,于庆东,等 (6696)………………
基于 MODIS黄河三角洲湿地 NPP与 NDVI相关性的时空变化特征 蒋蕊竹,李秀启,朱永安,等 (6708)……
高分辨率影像支持的群落尺度沼泽湿地分类制图 李摇 娜,周德民,赵魁义 (6717)……………………………
土壤食细菌线虫对拟南芥根系生长的影响及机理 成艳红,陈小云,刘满强,等 (6727)…………………………
基于网络 K函数的西双版纳人工林空间格局及动态 杨珏婕,刘世梁,赵清贺,等 (6734)……………………
树轮灰度与树轮密度的对比分析及其对气候要素的响应 张同文,袁玉江,喻树龙,等 (6743)…………………
冀北山地阴坡优势树种的树体分维结构 田摇 超,刘摇 阳,杨新兵,等 (6753)……………………………………
帽峰山常绿阔叶林辐射通量特征 陈摇 进,陈步峰,潘勇军,等 (6766)……………………………………………
不同类型拌种剂对花生及其根际微生物的影响 刘登望,周摇 山,刘升锐,等 (6777)……………………………
一种自优化 RBF神经网络的叶绿素 a浓度时序预测模型 仝玉华,周洪亮,黄浙丰,等 (6788)………………
不同种源麻栎种子和苗木性状地理变异趋势面分析 刘志龙,虞木奎,马摇 跃,等 (6796)………………………
黄土丘陵区植物叶片与细根功能性状关系及其变化 施摇 宇,温仲明,龚时慧 (6805)…………………………
干旱区五种木本植物枝叶水分状况与其抗旱性能 谭永芹,柏新富,朱建军,等 (6815)…………………………
火灾对马尾松林地土壤特性的影响 薛摇 立,陈红跃,杨振意,等 (6824)…………………………………………
江苏省太湖流域产业结构的水环境污染效应 王摇 磊,张摇 磊,段学军,等 (6832)………………………………
高温对两种卡帕藻的酶活性、色素含量与叶绿素荧光的影响 赵素芬,何培民 (6845)…………………………
江苏省典型干旱过程特征 包云轩,孟翠丽,申双和,等 (6853)……………………………………………………
黄土高原半干旱草地地表能量通量及闭合率 岳摇 平,张摇 强,杨金虎,等 (6866)………………………………
光质对烟叶光合特性、类胡萝卜素和表面提取物含量的影响 陈摇 伟,蒋摇 卫,邱雪柏,等 (6877)……………
铜陵铜尾矿废弃地生物土壤结皮中的蓝藻多样性 刘摇 梅,赵秀侠,詹摇 婧,等 (6886)…………………………
圈养马麝刻板行为表达频次及影响因素 孟秀祥,贡保草,薛达元,等 (6896)……………………………………
田湾核电站海域浮游动物生态特征 吴建新,阎斌伦,冯志华,等 (6902)…………………………………………
马鞍列岛多种生境中鱼类群聚的昼夜变化 汪振华,王摇 凯,章守宇 (6912)……………………………………
基于认知水平的非使用价值支付动机研究 钟满秀,许丽忠,杨摇 净 (6926)……………………………………
综述
植物盐胁迫应答蛋白质组学分析 张摇 恒,郑宝江,宋保华,等 (6936)……………………………………………
沉积物氮形态与测定方法研究进展 刘摇 波,周摇 锋,王国祥,等 (6947)…………………………………………
野生鸟类传染性疾病研究进展 刘冬平,肖文发,陆摇 军,等 (6959)………………………………………………
鱼类通过鱼道内水流速度障碍能力的评估方法 石小涛,陈求稳,黄应平,等 (6967)……………………………
专论
IPBES的建立、前景及应对策略 吴摇 军,徐海根,丁摇 晖 (6973)…………………………………………………
研究简报
柠条人工林幼林与成林细根动态比较研究 陈建文,王孟本,史建伟 (6978)……………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*344*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄11
封面图说: 滩涂芦苇及野鸭群———中国的海岸湿地,尤其是长江入海口以北的海岸线,多为泥质性海滩,地势宽阔低洼,动植物
资源丰富,生态类型独特,为迁徙的鸟提供了丰富的食物和休息、庇护的良好环境,成为东北亚内陆和环西太平洋鸟
类迁徙的重要中转站和越冬、繁殖地。 一到迁徙季节,成千上万的各种鸟类飞临这里,尤其是雁鸭类数量庞大,十分
壮观。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 31 卷第 22 期
2011 年 11 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 31,No. 22
Nov. ,2011
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:江苏省科技支撑计划项目(BE2009680)
收稿日期:2011鄄02鄄26; 摇 摇 修订日期:2011鄄09鄄01
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: baoyx@ nuist. edu. cn
包云轩,孟翠丽,申双和,邱新法,高苹,刘聪.江苏省典型干旱过程特征.生态学报,2011,31(22):6853鄄6865.
Bao Y X, Meng C L, Shen S H, Qiu X F, Gao P, Liu C. Analysis on characteristics of a typical drought event in Jiangsu Province. Acta Ecologica Sinica,
2011,31(22):6853鄄6865.
江苏省典型干旱过程特征
包云轩1,2,*,孟翠丽1,2,申双和1,2,邱新法1,高摇 苹3,刘摇 聪3
(1. 南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室,南京摇 210044; 2. 南京信息工程大学应用气象学院,南京摇 210044;
3. 江苏省气象局,南京 摇 210008)
摘要:为了研究江苏省重大干旱过程的生消和演变特征,选取 2006 年 10—11 月覆盖全省的一次严重秋旱事件作为典型个例,
收集 54 个气象台站的逐日气象观测资料,计算逐日复合气象干旱指数 CI值,以此为基础统计干旱发生的开始日期、结束日期、
持续日数和逐日旱强,研究全省和各地区的旱情生消和演变特征;选用 MODIS产品数据,利用植被供水指数法,反演干旱发展
过程;利用实测土壤相对湿度数据,在 ArcGIS9. 3 中采用反距离权重插值法,分析干旱事件中土壤湿度的空间变化特征。 研究
结果表明:(1)在这一典型秋旱事件中,由 CI指数、VWSI指数和土壤相对湿度反映的大气、植被、土壤干旱的生消和演变过程基
本一致。 (2)干旱的发生是由西北到东南逐渐扩展蔓延,结束则由东南向西北逐渐收缩消失,持续天数从北向南递减。 (3)旱
情总体上北重南轻,但不同地区因大气背景和自然地理条件不同发展过程差异较大。 (4)利用 CI指数、VSWI指数和土壤湿度
可以较全面而系统地监测干旱过程的生消、演变和强度变化。
关键词:干旱过程;复合气象干旱指数;遥感;植被供水指数;土壤湿度
Analysis on characteristics of a typical drought event in Jiangsu Province
BAO Yunxuan1,2,*, MENG Cuili1,2, SHEN Shuanghe1,2, QIU Xinfa1, GAO Ping3, LIU Cong3
1 Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China
2 College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China
3 Meteorological Bureau in Jiangsu Province, Nanjing 210008, China
Abstract: Jiangsu Province is located in the middle of East China and the lower reaches of the Yangtze River, with plains
covering about 68 percent of its total area. The province spans the subtropical / humid and warm鄄temperate / semi鄄humid
climate zones. The climate is damp and four seasons are clear. The rainfall is concentrated in spring and summer.
However, drought events are often observed across the entire province in autumn especially late autumn. It is important to
understand the physical formation mechanisms, temporal and spatial distribution patterns of drought events in the province.
This may provide decision鄄makers scientific evidence to design or examine a monitoring network and forewarning system of
drought event in the province. In this study, a heavy drought event occurring in October and November 2006 is analyzed
using the surface observational data from 54 stations across the province and the National Aeronautics Space Administration
(NASA ) satellite products. The surface meteorological observation data include daily precipitation, daily mean
temperature, daily maximum temperature, daily minimum temperature, solar radiation reaching the surface, sunshine
duration, wind speed and relative humidity. The daily composite drought index (CI) is calculated using the two鄄month
observational data. The calculated CI is used to determine the beginning and ending dates, duration and severity of the
drought event in the different regions of the province and analyze their temporal and spatial evolving patterns. The change in
vegetation pattern during the drought event is described by vegetation water supply index (VWSI) and examined by using 8鄄
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day composited surface albedo and surface temperature. Both surface albedo and surface temperature are retrieved from
MODerate resolution Imaging Spectroradiometer ( MODIS) data and their horizontal resolutions are 500 meters and 1
kilometer, respectively. The soil spatial and temporal patterns of the drought event are investigated with the soil relative
humidity (SRH) data. The SRH was measured on the surface and at 10 centimeters below the ground surface on the 8th day
per ten days during the period from October to November in 2006 at 16 agro鄄meteorological observational stations across the
province. The spatial distribution of the drought is analyzed by using a software of geographic information system called
ArcGIS9. 3 in which the inverse distance weighted interpolation is used. Several results are obtained from this study. First,
there is no conflict among the evolutions of atmosphere, vegetation, soil moisture during the drought as indicated by
different indices such as CI, VWSI, SRH. Second, the drought event starts from the northwest part of the province and
spread southeastward whereas the ending date shows an opposite direction. The event presents a similar evolution pattern in
the different regions, which is weak at the beginning, strong at the next, and weak again in the final across the entire
province. The duration decreases from the northern part to the southern part of the province successively. Third, the
drought severity is heavier in the northern part than in the southern part of the province. The evolving processes of drought
event are very different and highly dependent on the meteorological and geographic conditions. Fourth, CI, VWSI and SRH
are three useful parameters for describing the duration and severity of drought events.
Key Words: drought event; composite drought index; remote sensing; vegetation water supply index; soil relative humidity
干旱是对人类社会影响最严重的气象灾害之一,它具有出现频率高、持续时间长、波及范围广的特点。 干
旱的频繁发生和长期持续不但会给国民经济特别是农业生产带来巨大的损失,还会造成水资源短缺、荒漠化
加剧、沙尘暴频发等诸多不利的生态影响。 因此监测、研究、预测干旱过程及其演变具有重要的意义。
随着北半球中纬度地区气候的逐渐暖干化[1],我国的干旱问题日趋严重[2]。 江苏省东临黄海,地处长江
和淮河的下游地区,属于东亚季风区。 受海陆分布、大气环流、季风降水的共同影响,江苏已成为我国典型的
旱涝灾害频发区[3],特别是 20 世纪 90 年代以来,旱灾和涝灾频繁出现[4]。 2006 年入秋后,受暖性的副热带
高压控制,江苏省气温持续偏高,降水量持续偏少,大部分地区出现了严重的旱情。 其中 9 月下旬—11 月上
旬全省平均气温达 19. 6 益,比常年同期偏高 2. 9 益。 9 月中旬—11 月上旬的 2 个月时间内,淮北地区的雨量
在 30 mm以下,比常年同期偏少 8 成以上,淮河以南地区的雨量在 34—90 mm,比常年同期也偏少 4—7 成。
由于土壤缺水严重,各地均出现了不同程度的旱象,阻碍了三麦的及时出苗、油菜的移栽成活和幼苗生长,给
全省农业生产造成了许多不利影响。
对于干旱的监测和评估,可以由实测资料建立的干旱指标来反映,也可以用遥感资料反演的植被指数和
温度指数来体现。 国内外许多学者对干旱指标作了广泛的研究。 Palmer于 1965 年提出了一个干旱严重度指
数,即根据温度和降水状况来决定干旱严重程度,这个指数被简称作 PDSI[5]。 PDSI 主要用于长期干旱(一般
为 3 个月以上的旱期)的分析。 Kite在研究中认为某一时段内的降水量服从泊松芋分布,对降水量进行 Z 坐
标转换,然后划分旱涝等级,即得到 Z指数[6]。 Bhalme在评估印度夏季季风期的水分条件时提出了干旱面积
指数(DAI),之后 Bhalme在 1980 年又提出了通过历史旱涝资料来估算相关旱情参数的 BMDI 指数[7]。 国内
也对干旱指标做了不少研究,张尚印等根据 1951—1995 年我国北方地区各月总降水量、月平均温度等资料,
从需水量受温度影响为主的观点出发,提出了表示旱涝等级的 K 指数,并在我国北方选取了 34 个代表站,计
算了春、夏、秋三季月总需水量,对 K、Z两种单站旱涝指标作了比较分析,结果表明 K指标更适合于我国北方
地区单站各旱涝时段的划分[8]。 吴洪宝等用 Hetb 定义的干旱指数对我国东南部夏季干旱指数进行了研
究[9]。 但 Hetb干旱指数只适合于对我国东南部夏季的干旱指数进行分析,而对该地区冬、春、秋三季及夏季
我国黄河上游、辽宁等地区的旱情分析不适宜。
遥感监测干旱的研究最早始于 20 世纪 60 年代末美国学者利用卫星遥感监测的反射率资料来分析土壤
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水分状况的研究;70 年代后,世界上许多国家的学者也纷纷开始这方面的研究,开发出了多种多样的遥感监
测手段,其中的遥感监测波段已从近、中、远、热红外发展到微波[10]。 20 世纪 90 年代后,随着遥感技术和地理
信息系统的日益发展,干旱遥感监测经历了从单一的遥感解译到基于 RS和 GIS、与农作物生长模型相结合的
综合性研究的发展历程[11鄄12],监测模式和方法也不断完善。 国内在这方面的研究起步较晚,但发展迅速,成
绩斐然。 蔡斌等利用条件植被指数,结合常规气象资料,对我国干旱、洪涝状况进行了宏观动态监测[13]。 居
为民等用 NOAA / AVHRR的植被指数相对距平图,对江苏省 1994 年的特大干旱进行了分析研究[14]。 王鹏新
等提出了条件植被温度指数(VT鄄CI)的概念,并用该方法对陕西省关中地区的春季干旱进行了监测和分
析[15]。 隋洪智等利用估算农田蒸散的双层模型和 NOAA / AVHRR 数据,对黄淮海平原春季干旱进行了
评估[16]。
尽管国内外学者对干旱指标、遥感监测旱情、以气象和土壤水分为主的实测旱情资料进行了大量的研究,
但综合利用这三方面信息分析某一典型干旱过程中大气、植被、土壤旱情特征的研究鲜见报道。
本文选取此次秋旱过程为典型个例,根据江苏省 54 个气象台站 2006 年的实测气象资料,应用复合气象
干旱指数(CI),计算了干旱过程的开始日期、结束日期、持续日数和干旱强度;应用 MODIS 地表反射率、地表
温度产品数据,结合遥感监测的植被供水指数反演了此次干旱过程;利用实测的土壤水分数据,分析了土壤干
旱的空间分布特征。 旨在合理选择江苏省干旱监测、预警、预测和评价指标,从大气、植被、土壤等不同层面反
映旱情特征,以系统而全面地了解江苏省干旱过程的生消和演变规律,为指导全省抗旱保墒,保障社会经济和
谐发展提供科学依据。
1摇 资料与方法
1. 1摇 资料
1. 1. 1摇 气象资料
选用 2006 年江苏省 54 个地面气象台站的逐日降水、日平均气温、日最高气温、日最低气温、日照时数、风
速、相对湿度等气象要素实测资料。
1. 1. 2摇 遥感资料
研究采用的遥感数据是美国国家航空航天局(NASA)官方网站上免费提供的 MODIS 全球数据产品。 根
据需要选择的遥感数据为 8 d合成空间分辨率为 500 m的地表反射率产品 MOD09A1 及 8 d合成空间分辨率
为 1 km的陆地地表温度产品 MOD11A2。 数据时间从 2006 年 9 月 22 日至 12 月 3 日,共有 10 个时相。
1. 1. 3摇 土壤相对湿度资料
选用江苏省 16 个气象台站 2006 年 9—11 月每旬逢 8 观测的 0—10 cm土壤相对湿度值。
1. 2摇 方法
1. 2. 1摇 复合气象干旱指数的计算方法
本文采用《气象标准汇编》GB / T 20481—2006 中推荐使用的复合气象干旱指数(CI)来统计分析近 50a来
江苏省干旱的时空变化特征[17]。 CI指数是利用近 30 d(相当于月尺度)和近 90 d(相当于季尺度)标准化降
水指数,以及近 30d相对湿润度指数进行复合而得到的,它既反映了短时间尺度(月)和长时间尺度(季)的降
水量气候异常情况,又反映了短时间尺度(影响农作物生长)的水分亏欠情况。 CI 指数越小,即负值越大,表
明干旱越严重。 该指标适用于实时气象干旱监测和历史气象干旱的评估。 复合气象干旱指数 CI 的计算公
式为:
CI = aZ30 + bZ90 + cM30 (1)
式中, Z30 、 Z90 分别为近 30 d和近 90 d标准化降水指数 SPI值,具体计算方法是:假设某一时段的降水量为
x,则其 祝分布的概率密度函数为:
g(x) = 1
茁琢祝(琢)
x琢-1e -x / 茁 摇 摇 摇 (x > 0) (2)
5586摇 22 期 摇 摇 摇 包云轩摇 等:江苏省典型干旱过程特征 摇
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祝(琢) = 乙
¥
0
x琢-1e -xdx (3)
式中,琢为形状参数,茁为尺度参数,x为降水量,祝(琢)是 gamma 函数。 最佳的 琢、茁 估计值可采用极大似
然估计方法求得,即
琢 = 1 + 1 + 4A / 34A (4)
茁 = 軃x琢 (5)
A = ln(軃x) -
移 ln(x)
n (6)
式中,n为计算序列的长度, 軃x为 n日平均降水量。 于是,给定时间尺度的累积概率可计算如下:
G(x) = 乙
x
0
g(x)dx = 1
茁琢祝(琢)乙
x
0
x琢-1e -x / 茁dx (7)
令 t = x / 茁 (8)
上式可变为不完全的 gamma方程:
G(x) = 1祝(琢)乙
x
0
t琢-1e -tdt (9)
由于 Gamma方程不包含 x=0 的情况,而实际降水量可以为 0,所以累积概率表示为:
H(x)= q+(1-q)G(x) (10)
式中,q是降水量为 0 的概率。 如果 m 表示降水时间序列中降水量为 0 的数量,则 q =m / n。 累积概率
H(x)可以通过下式转换为标准正态分布函数。 据此,可以求得 SPI。
当 0SPI = - ( t -
c0 + c1 t + c2 t2
1 + d1 t + d2 t2 + d3 t3
) (11)
t = ln[ 1
H (x) 2
] (12)
当 0. 5SPI = ( t -
c0 + c1 t + c2 t2
1 + d1 t + d2 t2 + d3 t3
) (13)
t = ln{ 1
[1. 0 - H(x)] 2
} (14)
这里 c0 =2. 515 517; c1 =0. 802 853; c2 =0. 010 328;d1 =1. 432 788; d2 =0. 189 269; d3 =0. 001 308。
(1)式中的 M30 为近 30 d相对湿润度指数,由式(15)计算而得; Z30 、 Z90 和 M30 均为负值,a为近 30 d标
准化降水系数,由达轻旱以上级别 Z30的平均值除以历史出现的最小 Z30值(绝对值最大的负值)得到,平均取
0. 4;b为近 90 d标准化降水系数,由达轻旱以上级别 Z90 的平均值除以历史出现最小 Z90 值(绝对值最大的负
值)得到,平均取 0. 4[17];c是近 30 d相对湿润系数,由达轻旱以上级别 M30 的平均值,除以历史出现最小 M30
值(绝对值最大的负值)得到,平均取 0. 8[17]。 相对湿润度指数的计算公式为:
M =
P - ET0
ET0
(15)
式(15)中,P是某时段的降水量;ET0为某时段的可能蒸散量,采用 FAO 推荐的下列彭曼鄄蒙泰斯 (Penman鄄
Monteith)蒸散公式[18]计算得到:
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ET0 =
0. 408驻(Rn - G) + 酌
900
T + 273U2(es - ea)
驻 + 酌(1 + 0. 34U2)
(16)
式中, ET0为潜在蒸散量; Rn为作物表面净辐射量;G为土壤热通量;驻为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率;
酌为湿度计常数;T为空气平均温度; U2 为在地面以上 2 m高处的风速; es 为空气饱和水汽压; ea 为空气实际
水汽压。
通过相关迭代和计算可求得逐日标准化降水指数 SPI和逐日相对湿润度指数 M,将标准化降水系数 a、b
和相对湿润系数 c的取值代入公式(1),得到
CI = 0. 4Z30 + 0. 4Z90 + 0. 8M30 (17)
再由式(17)可以计算出逐日 CI值,分析大气干旱程度。
1. 2. 2摇 气象干旱过程和干旱强度等级的确定
根据上述 CI值计算公式,结合江苏省 54 个台站 2006 年 8—11 月实测气象资料计算各站逐日 CI 值,并
参照《气象标准汇编》中提供的 CI值干旱等级(表 1),确定了各站逐日干旱强度等级。
表 1摇 基于复合指数的气象干旱等级
Table 1摇 Meteorological drought grades based on composite index
气象干旱等级
Meteorological drought grade
气象干旱类型
Meteorological drought type
CI
Composite index
1 无旱 - 0. 6 < CI
2 轻旱 - 1. 2 < CI 臆- 0. 6
3 中旱 - 1. 8 < CI 臆- 1. 2
4 重旱 - 2. 4 < CI 臆- 1. 8
5 特旱 CI 臆- 2. 4
对各站干旱过程的确定是:当复合干旱指数 CI连续 10 d为 2 级以上,则确定发生了 1 次干旱过程。 干旱
过程的开始日为第 1 天 CI指数达轻旱以上等级的日期。 在干旱发生期内,当 CI连续 10 d为无旱等级时干旱
解除,同时干旱过程结束,结束日期为最后 1 次 CI 指数达轻旱等级的日期。 干旱过程开始日到结束日期间
(含开始日和结束日)的天数为干旱持续日数。 干旱过程内的 CI 累积指数为达轻旱以上的逐日干旱等级之
和,表示干旱过程的强度(或严重度),其值越小(即绝对值越大),表明干旱过程越强,旱情越严重[17]。
当某一时段内至少出现 1 次干旱过程,并且累积干旱持续时间超过所评价时段的 1 / 4 时,则认为该时段
发生过干旱事件,其干旱强度由时段内 CI值为轻旱以上的干旱等级之和确定[17]。
1. 2. 3摇 遥感植被供水指数法
由国家卫星气象中心提出的植被供水指数公式为:
VWSI=Ts / NDVI (17)
由于 NDVI 的饱和问题、对大气影响的纠正不彻底、对低植被覆盖区土壤背景的影响没有处理、以及“最
大值合成法冶不能保证选择最佳像元等诸多问题[19],本文选取在 NDVI 基础上继承和改进的增强型植被指数
(EVI)监测干旱发生情况。 公式如下:
VWSI=Ts / EVI (18)
式中,Ts为植被的冠层温度,VWSI为植被供水指数,表示植被受旱程度的相对大小,VWSI 越大表明作物冠层
温度越高,植被指数越低,作物受旱程度越严重。
利用 MODIS遥感监测资料中 500 m分辨率数据(MOD09A1)计算 8 d合成的增强型植被指数。
EVI = G
籽2 - 籽1
籽2 + C1 伊 籽1 - C2 伊 籽3 + L
(19)
式中, 籽1、 籽2、 籽3分别是 MODIS传感器的第 1 波段(620—670 nm),第 2 波段(841—876 nm),第 3 波段(459—
7586摇 22 期 摇 摇 摇 包云轩摇 等:江苏省典型干旱过程特征 摇
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479 nm)反射率。 系数 G = 2. 5, C1 = 6, C2 = 7. 5, L = 1。
2摇 结果与分析
本文计算了江苏省 54 个气象台站 2006 年 8—12 月的逐日 CI值,通过 CI值的大小来确定历次干旱过程
的起始日期、终止日期、持续时间和干旱强度。 2006 年江苏省共出现 3 次干旱过程:淮北部分站点出现春旱;
苏北大部分地区出现夏旱;全省出现秋旱。 本文选取旱情较重的全省秋旱过程进行分析。
2. 1摇 干旱起始、终止日期的空间分布
反映一次干旱事件的最基本特征是干旱的起始日期、终止日期、持续天数、旱情严重度及其演变过程。 由
图 1 可见:2006 年秋旱开始日期是由北向南依次推迟的,发生最早的站点是江苏省西北部的丰县、沛县,始于
10 月 1 日,紧接着是徐州、东海、赣榆、灌云、滨海 5 个站于 10 月 2 日开始,淮北地区和苏北沿海地区其他站则
从 10 月 6 日开始;江淮、沿江地区于 10 月 9 日出现旱情,比淮北地区稍晚;苏南地区沿镇江—常熟—太仓一
带,旱情始于 10 月 10 日左右,其它市县始于 10 月中下旬,南通地区沿海的部分站点推迟到 11 月 1 日开始。
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图 1摇 干旱开始日期(月鄄日)的空间分布图
Fig. 1摇 Spatial distribution of the drought beginning date (month鄄day) in Jiangsu Province
干旱结束日期与开始日期正好相反,呈现出南早北晚特征,但南北差异不大。 结束日期最晚的站点为丰
县、沛县,在 11 月 25 日;其次是邳州、新沂、东海、赣榆 4 站于 11 月 22 日结束;淮北地区其他站点干旱结束于
11 月 19 日;苏北沿海少数县的干旱结束于 10 月中下旬;江淮地区、沿江地区、苏南地区普遍在 11 月 18 日和
11 月 19 日;苏南沿海部分站点的干旱于 11 月 17 日结束(图 2)。
2. 2摇 干旱持续日数和强度分布
干旱持续日数最长的站点为丰县、沛县,达 56 d(图 3),其次是东海、赣榆 2 站,为 52 d;淮北其他地区干
旱持续日数一般在 45 d以上;苏北沿海地区干旱持续日数较短,只有 12—15 d;江淮地区和沿江地区干旱持
续日数在 41—45 d之间;苏南地区干旱持续日数明显减少,沿南京—镇江—常熟—昆山一带和高淳—溧阳—
宜兴一带的干旱持续日数均在 37—41 d,苏南其它站点的旱期在 20 d左右。
旱期内的 CI值均为负值,其值越小,绝对值则越大,表明干旱强度越大,旱情越严重。 此次秋旱期内,干
旱发生强度最大的站点是赣榆,CI累计值达-69. 4;淮北地区是旱情最严重的地区,大部分地区 CI 累计值小
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图 2摇 干旱结束日期(月鄄日)的空间分布图
Fig. 2摇 Spatial distribution of the drought ending date (month鄄day) in Jiangsu Province
图 3摇 干旱持续时间空间分布图
Fig. 3摇 Spatial distribution of the duration of drought in Jiangsu Province
于-50;苏北沿海地区旱情较轻,CI累计值大于-30;江淮地区 CI 累计值在-40 左右;苏南地区干旱强度差异
较大,沿南京—镇江—常熟—昆山一带和高淳—溧阳—宜兴一带的干旱强度在-40 左右,苏南其它县市的旱
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情较轻。 南通沿海地区的旱情是最轻的(图 4)。
从上述干旱过程的起始日期、终止日期、持续日数、发生强度的统计分析发现:对江苏全省而言,此次秋旱
过程的起始日期是西北部早、东南部晚,而终止日期相反,则是东南部早、西北部晚,干旱持续日数从北到南依
次缩短,干旱强度则随纬度降低而逐渐减弱。
图 4摇 干旱强度空间分布图
Fig. 4摇 Spatial distribution of the strength of drought in Jiangsu Province
2. 3摇 作物供水指数分析
植被供水指数法(VWSI)监测干旱的原理是:当作物供水正常时,卫星遥感反演的增强型植被指数(EVI)
在一定的生长期内保持在一定的范围内,而卫星遥感反演的作物冠层温度(Ts)也保持在一定的范围内;如果
遇到干旱,作物供水不足,一方面作物的生长受到影响,卫星遥感反演的增强型植被指数 EVI 将降低,另一方
面作物的冠层温度 Ts将升高,这是由于干旱造成的作物供水不足,作物没有足够的水供给叶子表面的蒸发,
被迫关闭一部分气孔,致使植被冠层温度升高[18]。 因此,利用植被供水指数 VWSI 可以较好地监测作物生长
季内的干旱动态。
从图 5 中可以看出,9 月 22 日—9 月 29 日,在淮北地区西北部的丰县、徐州、邳州及宁、镇、扬一带,常州、
无锡、苏州一带陆续开始出现旱情,而江苏省的其他地区则仍处于湿润状态(图 5a)。 9 月 30 日—10 月 7 日,
全省大部分地区 VWSI值均略有增加,表明旱情加重,淮北地区旱情由西北向东南方向逐渐延伸,且徐州、邳
州站旱情明显加重,江苏南部地区旱情无明显变化(图 5b)。 10 月 8 日—10 月 15 日,全省 VWSI值明显增大,
淮北地区、沿江地区、苏南地区旱情均明显加重,苏北沿海、
苏南、沿江地区仍然处于较湿润状态(图 5c)。 10 月 16 日—10 月 23 日,全省旱情持续并逐渐加重,湿润
面积继续缩减(图 5d)。 10 月 24 日—10 月 31 日,苏南偏西部地区旱情略有减缓,这是因为在此期间该地区
出现过一次微量降水,江淮地区、沿江地区旱情持续,总体而言,这一时期全省旱情仍然持续加重(图 5e)。 11
月 1 日—11 月 8 日是全省旱情最严重的时期,全省均处于中旱状态(图 5f)。 11 月 9 日—11 月 16 日,淮北地
区旱情略有减轻,江淮地区、沿江地区、苏南地区旱情仍然持续(图 5g)。 11 月 17 日—11 月 24 日,由于云的
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遮挡,不能完全反应干旱的变化,但从反演出的部分 VWSI 值的变化来看,其值明显减小,旱情得到缓解,原因
是这一时段内,全省有一次明显的降水过程(图 5h)。 11 月 25 日—12 月 2 日,全省旱情明显消除,该省北部
地区已进入湿润状态,中部、南部则处于更加湿润的状态(图 5i);12 月 3 日—12 月 10 日,全省 70%的地区
VWSI值处最小状态,其它地区 VWSI处次小状态,表明全省各地植被覆盖均处于较适宜的湿润状态,无任何旱
象(图 5j)。
VWSI分级35 < VWSI35—4545—5555—7070—90VWSI > 90
图 5摇 2006 年 9 月至 12 月江苏省MODIS遥感监测的植被供水指数分布图
Fig. 5摇 Distribution of vegetation water supply index of Jiangsu Province from Sep. 22nd to Dec. 10th in 2006
从全省 VWSI值空间分布的演变动态不难看出:此次干旱过程中,植被干旱基本上与上述 CI 值反映的旱
情变化一致,经历了从入旱寅轻旱寅中旱寅轻旱寅最后出旱的完整演变过程,但旱期的开始比大气干旱提早
2d,结束提前 1d,持续时间相近,旱强定性演变相似,定量效果 CI值更精确些。
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2. 4摇 土壤相对湿度
土壤相对湿度是土壤干旱特征最直接的反映,本文选用江苏省 16 个站点每旬逢 8 的土壤相对湿度观测
值,采用地理信息系统中反距离权重插值法,研究了此次干旱过程的土壤湿度空间分布特征。
图 6摇 2006 年 9 月 28 日至 11 月 28 日江苏省 0—10cm土壤相对湿度分布图
Fig. 6摇 Distribution for relative soil humidity of the layer between 0—10cm in Jiangsu Province from Sep. 28th to Nov. 28th in 2006
9 月 28 日淮北中部个别县市土壤相对湿度低于 70% ,其余大部分地区土壤相对湿度介于 70%—80%之
间;江淮地区西部较东部沿海地区相对湿润,沿江及苏南地区土壤相对湿度在 80%以上(图 6a)。 10 月 8 日,
淮北中西部地区、江淮地区北部土壤相对湿度在 60%—70%之间,其余大部分地区维持在 80%以上(图 6b)。
10 月 18 日,位于淮北地区西北部的丰县、徐州、邳州站土壤相对湿度已减小至 60%以下,全省其它地区在
60%以上(图 6c)。 10 月 28 日,丰县、徐州站土壤相对湿度持续减小,减小至 50%以下,全省其余大部分地区
因弱降水影响土壤相对湿度有所攀升,在 70%以上,苏北沿海及苏南南部的部分地区甚至大于 80% (图 6d)。
11 月 8 日,丰县、徐州站旱情稍稍缓和,但中旱状态仍在持续;而江淮地区西部土壤相对湿度减小,东部增大;
沿江及苏南大部分地区土壤相对湿度减小至 60%—70% (图 6e);11 月 18 日,全省土壤相对湿度分布由北向
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南增大,丰县、徐州站旱情开始缓解,并由中旱逐渐向轻旱过渡,淮北其余地区土壤相对湿度因降水影响已升
至 70—80% ,全省其它大部分地区已大于 90% (图 6f);11 月 28 日,全省土壤相对湿度均升至 90%以上,旱情
彻底解除(图 6g)。
比较此次干旱过程中土壤相对湿度与 CI、VWSI的时空变化特征后,可以发现:若以 0—10 cm土壤浅层的
相对湿度低于 80%作为土壤进入干旱的标准,其旱期开始日期、终止日期、持续天数与 CI 值反映的大气干旱
和 VWSI值反映的植被干旱基本一致;但以确切的土壤相对湿度值来判断旱强变化很难获取理想的结果,也
无法像 CI值、VWSI值一样定量计算各站逐日、每 8 d或每 10 d的旱强。 因为各地区的土壤类型不一样,其土
壤理化性质不一样,特别是土壤持水能力(或抗旱能力)有较大的差异,因此单凭土壤相对湿度,不考虑其保
墒能力,是无法客观反映土壤旱强变化的。
3摇 结论与讨论
本文通过对 2006 年江苏省 54 个气象台站逐日 CI 值的计算,确定了所选干旱过程的起始日期、终止日
期、持续天数、大气干旱强度变化;应用 MODIS地表反射率、地表温度产品数据,结合植被供水指数反演了干
旱过程的植被旱情变化;利用实测的 0—10 cm土壤水分数据,分析了土壤干旱的空间分布状况,研究得到以
下结论:
(1)从 CI值时空分布反映的大气干旱来看,2006 年江苏省秋旱过程的开始日期是由北向南依次推迟的,
结束日期则正好相反,呈现出东南早西北晚的格局。 淮北地区干旱持续时间最长,旱情最严重;苏北沿海干旱
持续时间最短,旱情最轻。 除苏北沿海地区外,从淮北、江淮、沿江到苏南干旱持续日数从北向南逐渐递减,旱
情严重度逐渐减轻。
(2)从遥感监测的植被旱情来看,干旱由淮北地区开始沿西北至东南方向依次蔓延。 淮北地区干旱开始
早、结束迟、持续时间长,沿江和苏南地区干旱开始晚、结束早、持续时间短,这与 CI值反映的大气干旱过程的
演变趋势基本一致。
(3)分析 16 个农业气象观测站的 0—10 cm土壤相对湿度观测数据发现:此次干旱过程中,各地区土壤相
对湿度先减后增,起伏明显,体现出了较显著的土壤干旱特征,而各个时期由土壤相对湿度反映的土壤干旱空
间分布及其演变规律基本上与 CI指数、VWSI指数反映的大气干旱、植被干旱一致。
复合气象干旱指数 CI,计算只需输入逐日气温和降水观测数据,是各台站地面气象观测的基本要素,容
易获取,便于在气象业务中推广应用[20];并且它还考虑了水分或热量收支过程,既能反映大气干旱的成因和
强度演变,又能较准确而定量化地计算出大气干旱的开始日期、结束日期和持续天数,具有明晰的物理意
义[21鄄22]。 由卫星遥感监测的植被干旱具有直观、快速的优点,利用不同时段的卫星资料,可实现植被旱情的
动态监测;植被供水指数(VWSI)同时考虑了植被干旱监测的两个指标,即增强型归一化植被指数和冠层温
度,用 VWSI作为植被干旱监测指标特别适用于江苏这样常态植被覆盖率较高的地区[23]。 土壤湿度是确定土
壤干旱最直接、最理想的指标,但是我国目前气象业务上使用的土壤湿度资料是每旬逢“8冶测定一次,往往会
漏掉中间的干旱时段或明显的降水过程,使土壤湿度资料容易失去代表性[24]。 因此,严格地讲,只有逐日土
壤湿度观测资料才能最完整、最准确地反映土壤干旱过程,但是到目前为止,国内无法做到,世界上其他国家
也很少能做到。 此外,本文在计算 CI指数时采用的是 54 个站点的大气实测资料,而在土壤相对湿度空间分
布插值时,采用了 16 个站点的土壤水分资料,用不同空间分辩率的数据得出的分析结果,其大气与土壤旱情
之间的对应关系肯定会存在一定的偏差,这是不可避免的! 由于江苏省仅有 16 个站点的土壤水分数据,考虑
到水分入渗至土壤后,会出现再分布过程,水分在土壤中由高水势处向低水势处运动,所以在地势相对平坦的
江苏各站点的土壤水分值受周围站点的土壤水分值影响明显,且土壤水分不同于云、雾、降水等天气现象,它
在空间上和时间上都是连续变化的,故本文采用反距离加权法进行插值,以减小这种对应关系的偏差,从理论
上和实际应用上都是可行的。 以上 3 种指标在现有观测技术条件下可以较好、较全面地反映大气、植被、土壤
旱情的时空演变,但三者各有优缺点,如何科学、有效地利用这些指标监测干旱过程有待于观测技术的发展
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(特别是观测数据时空分辨率的提高)和修正指标的研究。
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5686摇 22 期 摇 摇 摇 包云轩摇 等:江苏省典型干旱过程特征 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 22 November,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Hyperspectral estimation models for plant community water content at both leaf and canopy levels in Wild Duck Lake wetland
LIN Chuan, GONG Zhaoning, ZHAO Wenji (6645)
………
………………………………………………………………………………
Potential distribution of rice in china and its climate characteristics DUAN Juqi,ZHOU Guangsheng (6659)…………………………
Effects of seed soaking with soybean isoflavones on soybean seedlings under salt stress
WU Yumei, ZHOU Qiang, YU Bingjun (6669)
………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Ecophysiological responses and adaptation of Tamarix ramosissima to changes in groundwater depth in the Heihe river basin
ZHANG Pei, YUAN Guofu, ZHUANG Wei, et al (6677)
…………
…………………………………………………………………………
Melica przewalskyi population spatial pattern and response to soil moisture in degraded alpine grassland
ZHAO Chengzhang,GAO Fuyuan,SHI Fuxi,et al (6688)
………………………………
……………………………………………………………………………
A study on ecological compensation standard for Zaoshi Water Conservancy Project based on the idea of ecological footprint
XIAO Jianhong, CHEN Shaojin, YU Qingdong, et al (6696)
…………
………………………………………………………………………
Spatial鄄temporal variation of NPP and NDVI correlation in wetland of Yellow River Delta based on MODIS data
JIANG Ruizhu, LI Xiuqi, ZHU Yongan, et al (6708)
……………………
………………………………………………………………………………
Marshclassification mapping at a community scale using high鄄resolution imagery LI Na, ZHOU Demin, ZHAO Kuiyi (6717)………
The impact of bacterial鄄feeding nematodes on root growth of Arabidopsis thaliana L. and the possible mechanisms
CHENG Yanhong, CHEN Xiaoyun, LIU Manqiang, et al (6727)
……………………
…………………………………………………………………
Spatial and dynamic analysis of plantations in Xishuangbanna using network K鄄function
YANG Juejie,LIU Shiliang,ZHAO Qinghe,et al (6734)
………………………………………………
……………………………………………………………………………
Contrastive analysis and climatic response of tree鄄ring gray values and tree鄄ring densities
ZHANG Tongwen, YUAN Yujiang, YU Shulong, et al (6743)
………………………………………………
……………………………………………………………………
Fractal structure of dominant tree species in north鄄facing slope of mountain of northern Hebei
TIAN Chao,LIU Yang,YANG Xinbing,et al (6753)
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Characteristics of radiation fluxes of an evergreen broad鄄leaved forest in Maofeng Mountain, Guangzhou, China
CHEN Jin, CHEN Bufeng, PAN Yongjun, et al (6766)
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Effects of seed鄄dressing agents on groundnut and rhizosphere microbes LIU Dengwang,ZHOU Shan,LIU Shengrui,et al (6777)……
Time series prediction of the concentration of chlorophyll鄄a based on RBF neural network with parameters self鄄optimizing
TONG Yuhua, ZHOU Hongliang,HUANG Zhefeng,et al (6788)
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A trend surface analysis of geographic variation in the triats of seeds and seedlings from different Quercus acutissima provenances
LIU Zhilong, YU Mukui, MA Yue, et al (6796)
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Comparisons of relationships between leaf and fine root traits in hilly area of the Loess Plateau, Yanhe River basin, Shaanxi
Province, China SHI Yu,WEN Zhongming,GONG Shihui (6805)…………………………………………………………………
An analysis on the water status in twigs and its relations to the drought resistance in Five woody plants living in arid zone
TAN Yongqin, BAI Xinfu, ZHU Jianjun, et al (6815)
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The effect of fire on soil properties in a Pinus massoniana stand XUE Li, CHEN Hongyue, YANG Zhenyi, et al (6824)……………
Water鄄environment effects of industry structure in Taihu Lake Basin in Jiangsu Province
WANG Lei, ZHANG Lei, DUAN Xuejun, et al (6832)
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Effect of high temperature on enzymic activity, pigment content and chlorophyll fluorescence of two Kappaphycus species
ZHAO Sufen, HE Peimin (6845)
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Analysis on characteristics of a typical drought event in Jiangsu Province
BAO Yunxuan, MENG Cuili, SHEN Shuanghe, et al (6853)
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Surface heat flux and energy budget for semi鄄arid grassland on the Loess Plateau
YUE Ping,ZHANG Qiang,YANG Jinhu,et al (6866)
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Effects of light quality on photosynthetic characteristics and on the carotenoid and cuticular extract content in tobacco leaves
CHEN Wei, JIANG Wei,QIU Xuebai,et al (6877)
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Cyanobacterial diversity in biological soil crusts on wastelands of copper mine tailings
LIU Mei, ZHAO Xiuxia, ZHAN Jing, et al (6886)
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Stereotypic behavior frequency and the influencing factors in captive Alpine musk deer (Moschus sifanicus)
MENG Xiuxiang, GONG Baocao, XUE Dayuan, et al (6896)
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Zooplankton ecology near the Tianwan Nuclear Power Station WU Jianxin, YAN Binlun, FENG Zhihua, et al (6902)………………
Diel variations of fish assemblages in multiple habitats of Ma忆an archipelago, Shengsi, China
WANG Zhenhua, WANG Kai, ZHANG Shouyu (6912)
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A novel cognitive鄄based approach to motivation for non鄄use value ZHONG Manxiu, XU Lizhong, YANG Jing (6926)………………
Review
Salt鄄responsive proteomics in plants ZHANG Heng, ZHENG Baojiang, SONG Baohua, et al (6936)…………………………………
Research progress on forms of nitrogen and determination in the sediments LIU Bo, ZHOU Feng, WANG Guoxiang, et al (6947)…
Review of research progress of infectious diseases in wild birds LIU Dongping, XIAO Wenfa, LU Jun, et al (6959)…………………
Review on the methods to quantify fish忆s ability to cross velocity barriers in fish passage
SHI Xiaotao, CHEN Qiuwen, HUANG Yingping, et al (6967)
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Monograph
Intergovernmental Science鄄Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services: foundation, prospect and response strategy
WU Jun, XU Haigen, DING Hui (6973)
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Scientific Note
A comparative study of the spatial鄄temporal patterns of fine roots between young and mature Caragana korshinskii plantations
CHEN Jianwen, WANG Mengben, SHI Jianwei (6978)
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2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 22 期摇 (2011 年 11 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 31摇 No郾 22摇 2011
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