中国地质大学(武汉)华人策略研究论坛
“科研成果快报”
基于长时序卫星遥感影像的全球植被干旱的趋势分析研究
Trends in Global Vegetative Drought from Long-Term Satellite Remote Sensing Data
成果信息
Xu Zhanya, Cao Leiyu, Zhong Shaobo*, et al. Trends in Global Vegetative Drought from Long-Term Satellite Remote Sensing Data [J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2020(13): 815-826
DOI: 10.1109/JSTARS.2020.2972574
团队成员
徐战亚,博士,中国地质大学(武汉)华人策略研究论坛,副教授,硕士生导师,研究方向包括空间信息服务,大数据和智能计算等领域。(邮箱:xuzhanya@cug.edu.cn)
钟少波,博士,北京市科学技术研究院北京城市系统工程研究中心,副研究员,中国地理信息产业协会地理信息应急保障工作委员会副主任委员、北京市应急管理局专家、北京市安全科学技术研究院专家,研究方向城市灾害智能感知与风险诊断。(邮箱:zhongshaobo@gmail.com)
狄黎平,博士,乔治梅森大学大学空间信息科学与系统研究中心(CSISS)主任,地理与地理信息科学系教授。他从事地理信息科学研究已有30多年,发表论文400余篇,他作为主要研究人员(PI)从美国联邦机构和国际组织获得了超过5,700万美元的研究资助。他目前的研究领域包括:地理空间信息标准、地理空间网络基础设施、基于Web的地理空间信息和知识系统与农业遥感及应用等。从2010年到2016年,他是INCITS / L1的主席,负责制定美国地理信息国家标准,并代表美国参加ISO技术委员会211(ISO TC 211)。曾获得国际信息技术标准委员会颁发的杰出奖、美国农业部部长颁发的荣誉奖以及R&D杂志颁发的荣誉奖。(邮箱:ldi@gmu.edu)
曹雷宇,硕士,中国地质大学(武汉)华人策略研究论坛,在读硕士,研究方向为智能计算和深度学习。(邮箱:caoleiyu@cug.edu.cn)
成果介绍
研究背景及意义:
干旱在全球频繁发生,影响范围大,是最严重的自然灾害之一。干旱也会导致其他次生灾害,例如火灾、疾病和蝗灾,从而进一步加剧灾害的影响和后果,干旱引起农作物歉收,大范围的严重干旱导致全球粮食危机。进行全球干旱识别和趋势分析,可为地球的大尺度模式识别,如植被物候特征和生态系统变化,提供分析线索,对于发展区域或全球治理政策具有重要的意义。随着几十年来的卫星遥感数据的积累,以及基于卫星的植被干旱检测方法的发展,从这些长期历史遥感数据中识别出植被干旱的全球特征是可行的。但是,目前为止,尚未有根据长期数据进行的有关植被干旱的全球特征的研究。
研究方法:
本研究基于1981-2019年长时间序列植被遥感数据资料,组合多种稳健性分析方法来执行全球植被干旱趋势分析,包括趋势检验、趋势位置检测和趋势估计。考虑全球6个纬度区和10个气候区的区划差异,综合研究了全球植被干旱趋势的区域分异特征。
图1. 根据Köppen–Geiger地图重新分析的纬度范围和世界气候区
实验结果:
从像素级全球VCI趋势分析图来看,全球具有上升趋势的像素比例分别为54.7%,北半球和南半球的比例分别为67.6%和47.5%,这意味着全球植被干旱总体呈下降趋势。
图2.(a)全球干旱的像素级总体趋势图,(b)AVHRR VCI值的相应p值图。在(a)中,黄色和绿色分别表示下降趋势和上升趋势。在(b)中,红色和蓝色分别表示显著度(<0.1)和不显著度(> 0.1)。
分区趋势检测显示,除A区外,所有其他气候区VCI都有上升趋势,具有统计上的显着水平,而E区的幅度最大,其后依次是Dw,Cs和Cf。对分纬度区VCI的趋势检测显示,北温带和南热带地区呈上升趋势,具有统计学意义。
表II 气候区VCI趋势测试结果
SEN |
A |
B |
Cf |
Cs |
Cw |
Df |
Ds |
Dw |
E |
trend |
↑ |
↑ |
↑ |
↑ |
↑ |
↑ |
↑ |
↑ |
↑ |
b_sen |
0.000 |
0.056 |
0.058 |
0.086 |
0.030 |
0.044 |
0.054 |
0.095 |
0.096 |
z |
0.138 |
8.472 |
9.837 |
12.980 |
6.274 |
7.015 |
7.780 |
14.734 |
13.835 |
pval |
0.891 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
表III 纬度范围VCI趋势测试结果
SEN |
North Frigid |
North Temperate |
North Tropical |
South Tropical |
South Temperate |
trend |
- |
↑ |
↓ |
↑ |
↓ |
b_sen |
- |
0.090 |
-0.001 |
0.014 |
-0.004 |
z |
- |
13.690 |
-0.259 |
2.827 |
-0.735 |
pval |
- |
0.000 |
0.796 |
0.005 |
0.463 |
根据多年同期序列分析结果,一般来说,近年的所有可分析纬度区VCI都有明显的上升趋势。在上世纪末之前,北温带和北热带的分段趋势都在上升,而南热带和南温带的分段趋势都在下降。近年的所有可分析气候区VCI都有明显的上升趋势,在2000年之前,A,B,Cw,Ds,E的下降趋势占主导地位,而Cs和Df的分段趋势则以上升为主。
图3. 北寒带,北温带,北热带,南热带和南温带月序列和断点位置以及分段趋势,第二个Y轴用于异常值索引。
图4. 16天的气候区数据汇总了来自AVHRR的VCI值和断点位置以及A,B,Cf,Cs,Cw,Df,Ds,Dw和E的分段趋势,第二个Y轴用于异常值索引。
研究结论:
本文研究发现:全球VCI值总体呈上升趋势,北温带和南热带地区的VCI值总体增加,而所有气候区的VCI值总体都增加,尽管存在局部差异,分段趋势基本符合总体趋势识别的结果,在最近几年中,所有气候区都有显著的上升趋势。在2000年之前,气候区A,B,Cw,Ds,E的VCI下降趋势明显,而Cs和Df的分段趋势则以上升为主。从各气候区和纬度区平均检测到四个断点。因此,分段趋势的平均持续时间为7–9年,这可能与厄尔尼诺等全球气候现象存在关联性。