引言

生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)就是從氣象對(duì)生態(tài)質(zhì)量的影響角度選定指標(biāo)體系質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄔu(píng)價(jià)某區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的狀況變化趨勢(shì)。近年來(lái),眾多學(xué)者對(duì)生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)進(jìn)行了細(xì)致而又廣泛的研究,如2007年,劉少軍等[1]根據(jù)生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)的要求和GIS建庫(kù)的特點(diǎn),研究建立了生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)庫(kù)和評(píng)價(jià)模塊的具體方法,并以海南省為例進(jìn)行了生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)。遙感技術(shù)在地表信息如植被覆蓋,水體等信息方面的獲取具有快速、經(jīng)濟(jì)、大范圍、多時(shí)相、多波段等常規(guī)監(jiān)測(cè)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),部分研究[1-3]將遙感技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)研究。而以MODIS數(shù)據(jù)為主的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)的研究,目前尚未見(jiàn)諸文獻(xiàn)。本文以MODIS資料為主要遙感數(shù)據(jù)源,對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的植被覆蓋指數(shù)、水體密度指數(shù)及土地退化指數(shù)及災(zāi)害指數(shù)4個(gè)指標(biāo)信息的提取進(jìn)行了方法研究,然后結(jié)合氣象資料以廣西2008年第一季度為例開(kāi)展以地市為評(píng)價(jià)單元的生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià),為廣西生態(tài)省建設(shè)工程及北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的發(fā)展提供科學(xué)決策依據(jù)。

1評(píng)價(jià)模型

對(duì)生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法有很多,如評(píng)分迭加法、綜合指數(shù)法、聚類(lèi)分析法等。因綜合指標(biāo)法能體現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境的綜合性、整體性和層次性,故本文采用生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)生態(tài)質(zhì)量的好壞,根據(jù)評(píng)價(jià)單元各單項(xiàng)指標(biāo)值及其權(quán)重,采用加權(quán)求和法計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值[4],綜合評(píng)價(jià)模型如下:Ii=100×∑ni=1WijYij(1)(1)式中:Ii為i區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù),Wij為i區(qū)域j指標(biāo)的權(quán)重值,Yij為i區(qū)域j指標(biāo)的值。本研究從氣象要素對(duì)生態(tài)質(zhì)量影響的角度出發(fā),并根據(jù)指標(biāo)選取的代表性、全面性、綜合性等原則,參照中國(guó)氣象局《生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)規(guī)范》,選取濕潤(rùn)指數(shù)Ih(HumidityIndex)、植被覆蓋指數(shù)Iv(IndexofVegetationCoverage)、水體密度指數(shù)Iw[4](IndexofWaterBodyDensity)、土地退化指數(shù)Is(In-dexofSoilDegradation)及災(zāi)害指數(shù)Id(DisasterIn-dex)為評(píng)價(jià)指標(biāo)以及各指標(biāo)的權(quán)重值。故(1)式變?yōu)?Ii=100×[0•25×Ih+0•3×Iv+0•2×Iw+0•15×(1-Is)+0•1×(1-Id)](2)(2)式中Ih、Iv及Iw對(duì)Ii的影響呈正相關(guān),而Is和Id對(duì)Ii的影響呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)(2)式的計(jì)算并對(duì)照生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),可得出評(píng)價(jià)區(qū)域的評(píng)價(jià)結(jié)論。通過(guò)以上分析,對(duì)一個(gè)地區(qū)進(jìn)行生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià),只需計(jì)算該地區(qū)的生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)指數(shù)值,計(jì)算思路如下:首先根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分別計(jì)算濕潤(rùn)指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水體密度指數(shù)、土地退化指數(shù)及災(zāi)害指數(shù)5個(gè)指標(biāo),然后根據(jù)(2)式計(jì)算生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)綜合指數(shù),最后根據(jù)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)得出評(píng)價(jià)結(jié)果。

2指數(shù)求取

2.1濕潤(rùn)指數(shù)Ih濕潤(rùn)指數(shù)指降水量與潛在蒸散量之比,能客觀反映出某一區(qū)域的水熱平衡狀況。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[4],計(jì)算方法如下Ih=R/E,(3)(3)式中:Ih為濕潤(rùn)指數(shù),R為降水量,E為潛在蒸散量。第i月的蒸散量Ei的計(jì)算公式如下Ei=22di(1•6+U1/2i)wi(1-hi)P1/2i(273•2+ti)1/4,(4)(4)式中:Pi為月平均氣壓(hPa),ti為月平均氣溫(℃),di是月的天數(shù),Ui為在10~12m高度處觀測(cè)的月平均風(fēng)速(m/s),wi是在溫度為ti時(shí)的飽和水汽壓(mm),hi是月平均相對(duì)濕度。當(dāng)Ih>1時(shí),說(shuō)明大氣降水大于植被生理過(guò)程需水量,此時(shí)降水不再是植被生理需水的限制因子,故當(dāng)Ih>1時(shí),規(guī)定Ih=1。

2.2植被覆蓋指數(shù)Iv據(jù)Gutman[5]等研究,根據(jù)實(shí)際情況,得出區(qū)域植被覆蓋指數(shù)Iv與歸一化植被指數(shù)(Indv)存在以下關(guān)系Iv=Indv-IndvsIndvv-Indvs,(5)式中Indv=L2-L1L2+L1,(6)(5)式中,Indvs為裸土或者無(wú)植被覆蓋區(qū)域的Indv值,即無(wú)植被像元的Indv值,而Indvv則代表完全被植被覆蓋區(qū)域的Indv值,即純植被像元的Indv值,L1、L2為MODIS數(shù)據(jù)的第1、2通道反照率值。從上式看出Indvs和Indvv的選取對(duì)于最終植被覆蓋指數(shù)的計(jì)算非常關(guān)鍵。對(duì)于Indvs來(lái)說(shuō),一般不隨時(shí)間變化,對(duì)于大多數(shù)類(lèi)型的裸地表面,理論上應(yīng)該接近于0,然而由于大氣影響地表濕度條件的改變,Indvs會(huì)隨著時(shí)間而變化。此外,由于地表濕度、粗糙度、土壤類(lèi)型、土壤顏色等條件的不同,Indvs也會(huì)隨著空間變化而變化。同樣對(duì)于Indvv也是一樣。為了使用理想的選值方法,并不需要知道他們的具體值,而是根據(jù)圖像來(lái)計(jì)算,本研究通過(guò)對(duì)Indv圖像的Indv值統(tǒng)計(jì)直方圖來(lái)確定,即Indv統(tǒng)計(jì)直方圖的5%處為Indvs,直方圖的95%處為Indvv。個(gè)別像素Indv>Indvv的情況下,令其覆蓋指數(shù)Iv為1,Indv<Indvs情況下,令其覆蓋指數(shù)Iv為0。

2.3水體密度指數(shù)Iw水體密度指數(shù)指的是區(qū)域內(nèi)河流、湖泊、水庫(kù)等水體面積占整個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域的面積比[6]。根據(jù)其定義計(jì)算公式如下Iw=∑Swi/S,(6)(6)式中,Iw為水體密度指數(shù),Swi為評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)不同類(lèi)型水域的面積,包括河流、湖泊、水庫(kù)等水體面積,S為研究區(qū)域的總面積。對(duì)于MODIS數(shù)據(jù),水體信息的提取采用莫偉華等[7]的混合水體指數(shù)模型。

2.4土地退化指數(shù)Is土地退化指數(shù)是指評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)因水蝕、風(fēng)蝕、重力侵蝕、重力侵蝕、沙化、鹽漬化等各種因素導(dǎo)致土地生產(chǎn)力降低的面積占評(píng)價(jià)區(qū)域總面積的比重。土地退化是生態(tài)系統(tǒng)退化的表征因子之一。土地退化指數(shù)的計(jì)算方法為Is=∑WeiSei/S,(8)(8)式中,Sei為i類(lèi)土地退化程度的土地面積,將土地退化劃分為輕度、中度、重度3個(gè)等級(jí);Wei為i類(lèi)土地退化程度的分權(quán)重。根據(jù)《生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)規(guī)范》[4],輕、中、重土地退化程度分權(quán)重分別取值0•05,0•25和0•70,S為研究區(qū)域的總面積。本文研究土地退化情況采用1980s,1990s及2007年底三個(gè)時(shí)相的TM/ETM數(shù)據(jù),提取土地利用類(lèi)型信息和植被覆蓋度信息,并利用1∶5萬(wàn)廣西數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)生成坡度圖。然后對(duì)比分析這3個(gè)時(shí)相的土地利用類(lèi)型圖、植被覆蓋度分類(lèi)圖及坡度等級(jí)圖,根據(jù)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[8]方法,并結(jié)合野外調(diào)查及相關(guān)分析資料,確定土壤侵蝕度分級(jí)指標(biāo)及相應(yīng)面積提取。

2.5災(zāi)害指數(shù)Id災(zāi)害指數(shù)是指評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)農(nóng)田、林地、草地等生態(tài)系統(tǒng)遭受的氣象災(zāi)害的面積占被評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的比重。氣象災(zāi)害包括干旱、洪澇、低溫凍害、高溫?zé)岷吧只馂?zāi)等,氣象災(zāi)害所造成的損失在自然災(zāi)害里所占比重很大,關(guān)于干旱、洪澇及凍害等氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)及評(píng)估方面的研究也有很多文獻(xiàn)[9-12]。Id=∑WdiSdi/S,(9)(9)式中,Sdi為i類(lèi)程度災(zāi)害的受損面積,將災(zāi)害程度劃分為輕度、中度、重度和毀滅性4個(gè)等級(jí);Wei為i類(lèi)程度災(zāi)害的分權(quán)重,參照《生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)規(guī)范》[7],輕、中、重和毀滅性程度災(zāi)害權(quán)重值分別為0•1,0•3,0•6和1,S為研究區(qū)域的總面積。因2008年初中國(guó)南方發(fā)生了歷史罕見(jiàn)的雨雪冰凍災(zāi)害,故本研究中的災(zāi)害指數(shù)主要考慮因雨雪冰凍災(zāi)害所造成的損失。受災(zāi)程度等級(jí)的確定,則根據(jù)受災(zāi)前后災(zāi)區(qū)Indv值之差△Indv,再結(jié)合實(shí)地調(diào)查情況及廣西農(nóng)業(yè)信息中心的災(zāi)情資料而定。最終確定災(zāi)情等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)為:△Indv0•5為嚴(yán)重受災(zāi),0•35Indv<0•5為中度受災(zāi),0•2Indv<0•35為輕度受災(zāi)。至此可以通過(guò)遙感數(shù)據(jù)(MODIS,TM/ETM)獲取植被覆蓋指數(shù),水體密度指數(shù),土地退化指數(shù)及災(zāi)害指數(shù),濕潤(rùn)指數(shù)則由氣象部門(mén)提供的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。