基于TVDI 的黑龙江省2021年夏季干旱时空分布研究

徐作敏,谢连妮,吴 双，孙 涛，程春香

（黑龙江省生态气象中心，黑龙江 哈尔滨 150030）

1 引言

在气候变化的背景下， 干旱是全球最具破坏性的自然灾害，具有频率高、传播广、持续时间长的特点[1-2]。 农业干旱涉及作物生产，可以进一步细分为大气干旱、土壤干旱和植被干旱。 其中，土壤水分的变化是一个重要的农业土壤干旱指标。 土壤水分的时空变化往往是复杂的， 地面观测数据虽然可靠、准确，但难以评价土壤水分的动态变化。 近几十年来，卫星遥感以其监测范围广、时间分辨率高的优势成为干旱监测的重要手段之一[3-5]。

标准化差异植被指数 (NDVI) ， 增强植被指数(EVI)， 地表温度（LST)，植被状况指数 (VCI)以及植被健康指数 (VHI) 等多种遥感指标都可用于评估土壤水分情况和农业干旱。 但是，用单一的指标进行干旱监测容易受到外在因素的影响，因此，基于NDVI和LST 的空间向量的温度植被干旱指数的应用提高了土壤水分条件监测的准确性。

黑龙江省是我国重要的商品粮基地， 粮食总产量约占全国总量十分之一。 因此黑龙江省粮食产量直接影响国家粮食安全。 干旱是黑龙江省面临的主要气象灾害之一， 本研究以黑龙江省主要农区为研究对象， 通过TS-NDVI 构建特征空间向量， 研究2021年黑龙江省6-8月干旱时空分布， 为干旱防控和黑龙江省粮食生产安全提供理论依据。

2 资料与方法

2.1 研究区域概况

黑龙江省位于中国东北部 (121°11′-135°05′E，43°25′-53°33′N)，南北跨 10个纬度，东西跨 14个经度，属于寒温带大陆性气候，冬长夏短，四季分明。

2.2 NDVI和 LST 数据

数据使用的是风云三号D 星（FY-3D）的一级和二级数据，数据来源于国家卫星气象中心，其空间分辨率为1 km，时间分辨率为1 d。 本文在数据处理过程中剔除了云影响较大的像元数据， 并对晴空数据进行拼接、裁剪、掩膜等预处理，最后对所用数据采用最大值合成法和平均值合成法，其中NDVI 采用最大值合成法，LST 采用平均值合成法， 以得到研究区内空间分辨率为1 km、时间分辨率为10 d 的LST和NDVI 数据集。

2.3 温度植被干旱指数（TVDI）

植被指数与地表温度存在显著的负相关关系，利用Ts和NDVI 建立TVDI 来反映土壤的干湿状况，Sandholt 等在研究土壤湿度时，提出了温度植被干旱指数 （Temperature-Vegetation Dryness Index，TVDI）的概念，计算式为：

式中：Tsmin：最小地表温度，对应的是湿边；Ts：任意像元的地表温度；Tsmax：最大地表温度，对应的是干边。 a1、b1、a2、b2分别为干、湿边线性拟合方程的系数。

3 结果分析

3.1 2021年6-8月黑龙江省温度植被干旱指数时空分布特征

基于TVDI 指数的干旱分级， 可根据齐述华等[6]提出的用TVDI 值划分土壤含水量的标准。对黑龙江省基于TVDI 干旱指数进行土壤湿度分级，共划分为5个等级，分别为：极湿润（0＜TVDI≤0.2）、湿润（0.2＜TVDI≤0.4）；正常（0.4＜TVDI≤0.6）、半干旱（0.6＜TVDI≤0.8）；干旱（0.8＜TVDI≤1），2021年6-8月黑龙江省TVDI 平均值为0.53，全省大部分区域土壤水分供应情况良好，干旱分布存在区域性、阶段性特点，6月大兴安岭、黑河、伊春、鹤岗部分地区TVDI 值介于0-0.2 之间，土壤水分偏高，齐齐哈尔、绥化部分地区TVDI 值介于 0.6-1 之间，土壤水分偏低，7月，松嫩平原、三江平原农区干旱范围扩大，佳木斯、双鸭山、牡丹江以及大庆部分地区TVDI 值进一步升高。 8月，全省旱情缓解。

3.2 2021年6-8月黑龙江省温度植被干旱指数与去年同期对比

与去年同期相比，6月TVDI 平均值比去年同期减小 0.04， 佳木斯、 七台河、 牡丹江部分区域 TVDI 值比去年同期偏高外， 其他区域与去年同期持平或偏低；7月TVDI 平均值比去年同期增加 0.02，佳木斯、七台河、牡丹江部分区域TVDI 值比去年同期持续偏高外， 其余大部分地区土壤湿度低于去年或持平； 8月TVDI 平均值比去年同期增加 0.08， TVDI 较去年同期增高区域依旧集中于黑龙江省东南部的三江平原。

4 结论

温度植被干旱指数TVDI(Temperature Vegetation Dryness Index)是一种基于光学与热红外遥感通道数据进行植被覆盖区域表层土壤水分反演的方法。 作为同时与归一化植被指数(NDVI)和地表温度(LST)相关的温度植被干旱指数(TVDI)可用于干旱监测，尤其是监测特定年内某一时期整个区域的相对干旱程度，并可用于研究干旱程度的空间变化特征。 本研究应用TVDI 对黑龙江省6-8月土壤墒情进行分析研究，结果如下：

（1）2021年6-8月黑龙江省 TVDI 平均值为0.53，全省大部分地区水分供应情况良好，干旱分布存在区域性、阶段性特点。

（2）6月，齐齐哈尔、绥化部分地区 TVDI 值介于0.6-1 之间，土壤水分偏低；7月，佳木斯、双鸭山、牡丹江以及大庆部分地区TVDI 值进一步升高，表现为轻旱到重旱。 8月，全省旱情缓解。

（3）与去年同期相比，除6月TVDI 平均值比去年同期减小0.04，夏季其他两月TVDI 值均较去年同期增加， TVDI 较去年同期增高区域主要集中于黑龙江省东、南部三江平原区域。