淮河流域干旱的时空分布特征

严四英，翁白莎，景兰舒，3，李 蒙

（1.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京100048；2.流域水循环模拟与调控国家重点实验室中国水利水电科学研究院，北京100038；3.河海大学水文水资源学院，南京210098）

0 引 言

干旱是全球普遍发生的一种自然现象，我国也是一个干旱频发且严重的国家。据中国水旱灾害公报统计［1］，我国2016年有27 个省发生了干旱事件，其中农作物受干旱影响范围20.19万km2；因干旱导致的受灾范围占9.87 万km2；数以百万计的人口以及大牲畜因干旱导致饮水困难。因干旱造成粮食损失190.64 亿kg、经济作物损失130.60 亿元；直接经济损失484.15亿元、占当年GDP 的0.07%。研究干旱在时间和空间上的变化特性，可了解不同等级干旱发生的频率和强度，明晰流域干旱特征，对有效减少干旱带来的损失具有重要意义。

国内外研究学者对于干旱的评价主要通过干旱指数［2，3］进行表征，如：PDSI 指数（palmer drought severity index）［4］、标准化降水指数SPI（standardized precipitation index）［5］、标准化降水蒸散 指 数 SPEI（standardized precipitation evapotranspiration index）［6］、CI（combination index）指数［7］等。各种干旱指数用于评价干旱都有不同的适用范围和优缺点，当用PDSI指标评价干旱时，其优点是物理机制比较明确；缺点是计算过程相对繁琐，有些参数只能靠经验估计，通过实验不能获取，所以结果的精确性不能保证；SPI 不仅可反映短时间内降雨量的变化，也可以反映长期水资源的演变情况适合于不同类型的干旱定量化研究；SPEI 指数由于考虑了潜在蒸发的影响，所以更加能够准确评价干旱，与PDSI 指数相比，SPEI 指数具有多时间尺度特征，计算更简便；CI指数评价干旱时考虑了累计降水和蒸散发等各种因素，它的适用性更广泛。

研究采用土壤相对湿度评价干旱，土壤相对湿度是农作物生长发育的基本条件，是农作物产量预测的重要参数，是干旱评价的重要指标［8］。贾秋洪等［9］利用鹰潭市花生和橘园两年生长季的土壤水分数据进行土壤分析，估算土壤相对湿度，结合土壤干旱标准对鹰潭市季节性干旱进行判别研究。高攀等［10］分别在高植被覆盖度期采用温度植被干旱指数模型，在低植被覆盖度期采用表观热惯量ATI 模型反演郑州市土壤水分，使用此种方法获取的地表土壤水分信息可以表征地表土壤水分的空间分布趋势。周逍峰等［11］利用光学遥感数据获取的植被供水指数VSWI 来反演西藏那曲地区的土壤湿度，结合高分辨率的遥感数据（GF-1）和中低分辨率的遥感数据（Landsat、MODIS）分别建立土壤湿度反演模型。

本研究通过MODIS 遥感数据将计算获得的表观热惯量ATI 和植被供水指数VSWI 分别反演土壤相对湿度然后根据地表植被覆盖度的不同剔除异常值，构建综合反演模型；用反演的土壤相对湿度评价干旱，分析了淮河流域干旱面积的变化特征、时空分布特征，对于深入认识和理解淮河流域气象干旱现状及其特征、探究干旱事件发生规律、制订科学合理的干旱灾害防范措施和对策、规范流域水资源的有效利用以及减缓区域的生态环境问题等均具有重要的现实意义。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

淮河流域位于中国东部，东经111°55′～121°20′至北纬30°55′～36°20′，淮河流经河南安徽江苏三省，但是淮河流域还包括山东南部、湖北省东北部一部分，淮河流域面积27 万km2。流域内以废黄河为界，分为淮河和沂沭泗河两大水系，面积分别为19 和8 万km2。淮河流域位于我国南北气候过渡带，淮河以北的地方属暖温带区，淮河以南的地方属北亚热带区，气候温和，年平均气温在11～16 ℃之间。图1（a）为年平均气温分布图，淮河流域温度由北向南，由沿海向内陆增加。淮河流域多年平均降水量约为920 mm，如图1（b）为年降水分布图，降雨变化是由南向北递减，山区降雨多于平原，沿海大于内陆，特点是：冬春干旱少雨，夏秋闷热多雨，冷暖和早涝转变急剧。淮河流域20世纪90年代年耕地面积约为13.33 万km2，主要作物有小麦、水稻、玉米、薯类、大豆、棉花和油菜，是我国重要的粮食基地，在我国农业生产中的地位十分重要。

图1 淮河流域年平均气温和降雨量分布图Fig.1 Distribution of annual average temperature and rainfall in Huaihe River Basin

1.2 研究思路

本研究通过遥感数据计算获得的表观热惯量指数ATI和植被供水指数VSWI，根据地表植被覆盖度的不同筛选合适的值，然后将筛选的值与实测土壤相对湿度数据进行回归建模，得到拟合方程，根据拟合方程反演出土壤相对湿度，最后评价干旱。具体的步骤如图2所示。

图2 研究思路图Fig.2 Research idea

1.3 数据来源及处理

遥感数据源为NASA的Terra卫星搭载的MODIS（moderateresolution imaging spectroradiometer）2010-2019年的4 个数据产品：MOD09A1、MOD11A2、MOD11A3 和MOD11B3。MOD09A1是地表反射率（Surface reflectance）8 天合成产品，包括7 个波段（band）信息，分别是band1～band7；MOD11A2 是地表温度（land surface temperature，LST）产品，主要有白天与晚上的地表温度LST；MOD11B3陆地3级标准数据月合成产品，内容为地表温度和辐射率。MOD13A3为陆地3级标准数据月合成产品，内容为归一化植被指数和增强型植被指数（NDVI、EVI），空间分辨率250 m。以上4 个产品用于计算表观热惯量指数ATI 以及作物供水指数VSWI的值。

非遥感数据包括淮河流域土壤相对湿度数据集以及矢量气象站点数据。其中土壤相对湿度数据集由中国气象数据网提供（http：//data.cma.cn/），该数据集是淮河流域32 个气象站台每旬10cm 土层的土壤相对湿度（relative moisture of the soil 记为RSM），即土壤含水量占田间持水量的百分率。研究区气象站点分布如图1所示。

用MRT 与ArcGIS 软件，对遥感数据进行镶嵌、投影、裁剪、重采样、提取等步骤计算得到所需地表反射率、地表温度、植被指数和冠层温度等资料；用Excel进行统计分析。

1.4 计算方法

1.4.1 干旱评价方法

干旱评价指标采用土壤相对湿度，其原因为：①本研究选用的是MODIS 数据的陆面产品。②研究区域的土壤主要是砂姜黑土，砂姜黑土主要特点是“旱，涝，瘠，僵，粘”，犁底层而厚实，土壤通透性差，作物根系很难往下扎，作物根系主要分布在较浅深度的土壤层。表1为《气象干旱等级》（GB/T 20481-2006）［12］的划分标准，是以土壤相对湿度干旱指数为指标划分的干旱等级。

表1 干旱等级划分标准Tab.1 Criteria for drought classification

土壤相对湿度指数是反映土壤含水量的指标之一，适合监测土壤水分盈亏。由于研究区域土壤性质不同使得土壤相对湿度存在一定的差异，可以对等级划分范围作适当调整，本研究区域标准采用10～20 cm 深度的土壤相对湿度，土壤相对湿度指数的计算公式如下：

式中：R为土壤相对湿度，%；w为土壤重量含水率，%；f为土壤田间持水量，%。

1.4.2 土壤相对湿度计算

土壤相对湿度计算通过表观热惯量指数ATI和作物供水指数VSWI反演得到。用表观热惯量指数ATI反演RSM时，ATI的计算采用2010-2019年MODIS 数据下地表反射率8 d 合成产品（MOD09A1）和地表温度8 d合成产品（MOD11A2）。计算ATI模型的参数都可从以上产品中获取，表观热惯量计算公式为：

式中：ATI为表观热惯量指数；A为全波段反照率；Td和Tn分别为日间和夜间的地表温度。

式中：α1、α2、α3、α4、α5、α7分别为MODIS 数据1、2、3、4、5、7 波段的反射率。

由于ATI反演土壤相对湿度只适用于低植被覆盖区［13］，本研究采用NDVI来区分地表植被覆盖度，已有研究证明［14］，在NDVI＞0.3 的情况下VSWI 非常有效，而在NDVI＜0.35 的情况下ATI非常有效［15］，因此本研究阈值选为0.35。

剔除NDVI≥0.35 后的ATI与2010年实测10 cm 层土壤相对湿度RSM进行反演，得到RSM与ATI的拟合关系图，如图3所示。通过得到的拟合方程RSM=448.76*ATI+26.54，反演出NDVI＜0.35的区域的土壤相对湿度。

图3 RSM与ATI的关系图Fig.3 Relationship between RSM and ATI

用植被供水指数VSWI反演RSM时，计算VSWI 指数采用2010-2019年MODIS 数据，其中植被冠层温度和植被指数数据分别采用MODIS 数据三级产品中的一个月合成产品（MOD11B3）和（MOD11A3）。VSWI值是根据植被覆盖状况的变化来进行反演的，它在作物覆盖度较高时比较有效［16］。作物供水指数的公式［17］为：

式中：VSWI为植被供水指数；NDVI为归一化植被指数；T为植被的冠层温度。

将NDVI＜0.35 的值剔除后的VSWI与2010年实测10 cm 层土壤相对湿度RSM进行反演，得到RSM与VSWI的拟合图，如图4所示。通过得到的拟合方程RSM=527.12VSWI+42.12，反演出NDVI≥0.35的区域的土壤相对湿度。

图4 RSM与VSWI的关系图Fig.4 Relationship between RSM and VSWI

综合以上2种方式反演结果，建立最终的公式：

2 结果与讨论

2.1 干旱评价结果及合理性分析

为了验证本文反演模型的可靠性，结合实测土壤相对湿度数据，对反演得到的数据结果进行精度验证。去除数据异常值和为零的值，最终选择了质量比较可靠的数据点。如图5为2011年通过反演得到的数据与实测数据分布情况，从图上可看出反演数据与实测数据从变化趋势上看都大体一致，所以反演结果与实测结果相关性较好，精度也较高。

图5 淮河流域实测土壤相对湿度与反演土壤相对湿度相关分析图Fig.5 Correlation analysis of measured soil relative humidity and retrieved soil relative humidity in Huaihe River Basin

2.2 干旱时空分布特征

2.2.1 不同时间尺度下干旱的分布特征

淮河流域在季尺度下干旱的分布特征如图6所示，可以看出，干旱一年四季都会发生，干旱笼罩面积大小关系为：冬季（12-2月）＞秋季（9-11月）＞春季（3-5月）＞夏季（6-8月），冬季降雨稀少，降雨量通常低于多年平均降雨量水平，供水不足导致干旱的发生，而夏季闷热多雨，冷暖和旱涝转变急剧。春季发生干旱的面积约占全流域面积的14%左右，干旱等级以轻旱、中旱为主，发生重旱、特旱的地方较少；夏季发生干旱的范围小，且发生干旱地区以中旱为主；秋季发生干旱的面积约占全流域的1/4，干旱等级以轻、中旱为主，且轻旱发生的面积大于中旱发生的面积；冬季干旱发生面积很大，约占全流域面积的45%，干旱等级以轻旱、中旱为主，部分地区也会发生重、特旱。

图6 淮河流域不同季节下不同等级干旱面积图Fig.6 Drought area of different grades in different seasons in Huaihe River Basin

淮河流域在月尺度下干旱的分布特征如图7所示，可以得出：发生干旱面积较大的月份主要是10月到2月，这5个月干旱的面积超过全流域面积的30%，主要发生轻、中旱，小部分地区发生重旱、特旱，是需要重点关注的月份，7-9月份干旱的面积不足全流域的2%。6月份干旱面积较4-5月份会明显增大，且发生中旱的面积较大，也需要重点关注。

图7 淮河流域逐月的不同等级干旱面积图Fig.7 Map of different levels of drought area in Huaihe River Basin month by month

淮河流域通常以种植夏玉米和冬小麦为主，夏玉米生长季为6-10月，冬小麦生长季为10-6月。淮河流域不同生长季节下的干旱分布特征如图8所示，可以看出，冬小麦生长季发生干旱的面积较夏玉米生长季较大，夏玉米生长季通常以发生轻旱为主；冬小麦生长季则以轻、中旱为主，偶尔会发生重旱。

图8 淮河流域不同生长季节下不同等级干旱面积图Fig.8 Drought area of different grades in different growing seasons in Huaihe River Basin

2.2.2 干旱的空间分布特征

淮河流域多年平均1-12月份土壤相对湿度的空间分布如图9所示，从图上可以看出不同程度的干旱在空间上分布上差异较大。从总体来看，研究区域东部、东北部、西南部的干旱范围较广，西南部和东北部＞西北部和东南部；且东北部＞东南部；西南部＞西北部。由于淮河流域降雨和气温在空间分布上不均匀，且受地形地貌等多种因素的影响，导致干旱分布具有差异性和局部性。

图9 淮河流域多年平均不同等级干旱逐月变化的空间分布图Fig.9 Spatial distribution of inter monthly variation of annual average drought of different grades in Huaihe River Basin

10-2月淮河流域空间干旱范围较广，淮河流域降水量少，加上空气干燥，因此干旱多发生。3-5月淮河流域干旱主要发生在西南部和东北部，干旱程度以轻、中旱为主，而这个时期是许多农作物的播种时期，作物对水分的要求高，若此时发生干旱将会对作物产生不利影响［18］。6-9月淮河流域降水增多，水分充足，干旱范围较小，易旱易涝，需要做好防范措施。

3 结 论

本文通过MODIS数据反演出淮河流域的土壤相对湿度，结合《气象干旱等级》，分析了淮河流域干旱时空演变特征，得到如下结论。

（1）干旱一年四季都会发生，干旱发生面积大小关系为：冬季＞秋季＞春季＞夏季，发生干旱面积较大的月份主要是10月到2月，干旱等级主要是轻、中旱，是需要重点关注的月份。

（2）冬小麦生长季干旱范围大于较夏玉米生长季发生干旱范围，这是因为冬小麦生长季节周期较长且降水量小到无法满足作物供水要求，需要做好灌溉措施。

（3）淮河流域不同等级干旱的发生在空间上具有差异性和局部性，这是受到淮河流域地形地貌、气温和降水量等因素的综合影响。从总体来看，淮河流域东部、东北部、西南部的干旱范围较广，干旱的覆盖范围大小具体有：西南部和东北部＞西北部和东南部，东北部＞东南部，西南部＞西北部。 □