中国东部植被NDVI对气温和降水的旬响应特征_崔林丽

地理学报ACTA GEOGRAPHICA SINICA 第64卷第7期

2009年7月Vol.64,No.7July,2009中国东部植被NDVI 对气温和降水的旬响应特征

崔林丽1,史军2,杨引明1,范文义3

(1.上海市卫星遥感与测量应用中心,上海201100;

2.上海市气候中心,上海200030；

3.东北林业大学林学院，哈尔滨150040)

摘要：利用中国东部SPOT VGT-NDVI 数据和气象站点的日平均气温和降水资料，分析了

1998-2007年中国东部植被NDVI 在全年、春季、夏季和秋季对气温和降水变化的旬时空响应

特征。结果表明，中国东部植被总体上对气温变化的响应大于降水，植被对气温变化的最大

响应滞后1旬左右，对降水变化的最大响应滞后3旬左右。秋季植被NDVI 对气温和降水变

化响应最大，夏季NDVI 对气温和降水响应的滞后期较长。在空间上，植被对气温变化的最

大响应总体表现为北部和中部大于南部，对降水变化的最大响应表现为北部大于中部和南部。

植被对气温变化最大响应的滞后期呈现出北部较长—中部短—南部最长的空间分布，对降水

变化最大响应的滞后期则随着纬度降低由北到南逐渐延长。

关键词：SPOT VGT-NDVI ；气温；降水；中国东部

植被是联结土壤、大气和水分等要素的自然纽带[1]，在环境和全球变化研究中起着敏感指示器作用[2]。气候要素、土地利用变化以及CO 2的施肥效应等都会对全球不同地区的陆地植被产生不同的影响[3,4]，其中以气温和降水对植被生长的影响最为直接和重要[5-7]。归一化差值植被指数(NDVI)作为用来表征地表植被覆盖和植被生长状况的敏感度量参数，在环境、生态、农业等领域得到广泛的应用[8-10]。许多学者在全球和区域尺度研究了植被NDVI 对气温和降水的响应特征[5,11-16]。

我国东部地处东亚季风气候区，气候和植被类型多样[17,18]，人类活动对自然植被的影响远较我国西部和北方强烈。然而，目前对我国东部植被NDVI 与气候关系研究还很少

[19]，尤其是对近10年来植被NDVI 与气温和降水变化的相互关系研究还未见报道。而且，与NOAA/AVHRR 相比，SPOT-4VEGETATION 传感器具有红光波段对叶绿素吸收敏感、近红外波段剔除了强水汽吸收带和空间分辨率高等优势，因而更加适宜于植被变化监测研究[20,21]。鉴于此，本文以SPOT-4VEGETATION 的NDVI 数据为基础，在旬时间尺度上分析了中国东部植被对气温和降水的响应特征。

1研究资料与方法

1.1研究资料

在本研究中，中国东部定义为我国大陆111.2o E 以东、40.2o N 以南的地区，主要包括山西、河北、天津、辽宁南部、山东、江苏、安徽、河南、湖北、湖南、江西、浙江、收稿日期：2009-01-04;修订日期：2009-04-14

基金项目：上海市气象局研究型业务专项(YJ200803;YJ200805);国家“十一五”科技支撑计划重点项目

(2007BAC29B05);国家863计划项目(2006AA12Z104)共同资助[Foundation:Special Project of Research-style Operation in Shanghai Meteorological Bureau,No.YJ200803;No.YJ200805;National Key Project of Scientific and Technical Supporting Programs,No.2007BAC29B05;National 863Program,No.2006AA12Z104]作者简介：崔林丽(1975-),女,博士,副研究员,主要从事卫星气象遥感研究。E-mail:cllcontact@https://www.360docs.net/doc/301327167.html,

850-860页

851 7期崔林丽等：中国东部植被NDVI对气温和降水的旬响应特征

上海、福建和广东。研究所用的资料主要有中国东部1998年第10旬-2008年第9旬10 d最大化SPOT VGT-DN数据、中国东部205个气象站点1998年第1旬-2008年第9旬的日平均气温和降水资料。气温和降水资料来自于中国气象局气象信息中心气候资料室。DN数据从比利时VITO研究所图像处理与存档中心(http://free.vgt.vito.be/home.php)获得，该数据通过对SPOT源数据进行大气校正、辐射校正、几何校正和拉伸后，为1km 空间分辨率、10d最大化合成数据。

1.2研究方法

1.2.1中国东部气温、降水和NDVI序列生成对中国东部205个气象站点1998年第1旬-2008年第9旬的日平均气温和降水量资料分别进行旬内平均和相加，获得205个站点、每个站点369旬的旬气温和降水数据，利用ArcGIS的克里格(kriging)空间插值方法格网化为1km分辨率的旬气温和降水空间数据。利用公式NDVI=DN*0.004-0.1在ArcGIS中对DN数据进行真值恢复，得到不经拉伸的中国东部1998年第10旬-2008年第9旬共360旬1km分辨率的NDVI空间数据。基于气温、降水和NDVI空间序列，利用ArcGIS计算中国东部各旬平均气温、降水和NDVI，构成旬气温、降水和NDVI时间序列。

1.2.2植被NDVI对气温和降水的时间响应分析考虑到NDVI对气温和降水可能有一定的滞后响应[5,12,19]，所以分别对全年、春季(7-15旬)、夏季(16-24旬)和秋季(25-33旬)平均NDVI与前0-9旬(包括本旬和前1-9旬)的平均气温和降水进行相关分析。例如，分析春季NDVI对前0-9旬气温变化的响应，挑选10年中每年7-15旬的NDVI，构成NDVI序列(含90个数据)，然后分别与10年中每年7-15旬、6-14旬、……、35-7旬、34-6旬所构成的9个气温序列(每个包含90个气温数据)求相关。同样,全年NDVI对前0-9旬气温和降水变化的响应是利用360旬NDVI资料与369旬气温和降水资料来分析的。由于在中国东部的北半部地区多为落叶植被，所以文中没有对冬季NDVI与气温和降水单独分析。

1.2.3植被NDVI对气温和降水的空间响应分析根据205个气象站点位置，利用ArcGIS获取各个气象站点周边(3×3km2)旬NDVI平均值，作为该点旬NDVI，构成205个点、每个点360旬的NDVI序列。根据各点1998年第1旬-2008年第9旬的旬平均气温和总降水量，利用1.2.2方法，在站点水平上分析各点旬NDVI在全年、春季、夏季和秋季与前0-9旬气温和降水的相关系数。分别从气温和降水的9个相关系数中挑选出绝对值最大的相关系数和对应的旬(滞后期)，利用ArcGIS对各个气象站点最大相关系数及对应的滞后期进行空间显示和地区差异性分析。

2研究结果与分析

2.1植被NDVI对气温和降水的时间响应特征

对中国东部过去360旬植被NDVI与前0-9旬气温和降水相关分析，结果表明(图1a)，植被NDVI与前0-2旬气温的相关系数较大，其中与前1旬气温的相关系数最大，为0.85，随着旬的推前，植被NDVI与气温的相关系数逐渐减小。植被NDVI与前2-4旬降水的相关系数较大，其中与前3旬降水的相关系数最大，为0.70。在前0-3旬，植被NDVI与降水的相关系数逐渐增大，之后基本上逐渐减小。总体而言，中国东部植被对气温变化的最大响应滞后1旬左右，而对降水变化的最大响应滞后3旬左右。在前0-5旬，植被NDVI与气温的相关系数都大于与同期降水的相关系数，而到前6-9旬，植被NDVI 与气温的相关系数则小于与同期降水的相关系数，表明对中国东部整体而言，植被NDVI

，对降水变化的响应虽然没有气温显著但是持续期较长。

64卷

地理学报中国东部植被NDVI 与气温和降水的相关系数都是以秋季最大。在春季和秋季，植被NDVI 与本旬气温和前2旬降水的相关系数最大(图1b 和图1d)，随着旬的推前，NDVI 与气温和降水的相关系数减小，即NDVI 对气温和降水响应的滞后期较短。在夏季，植被NDVI 与前4旬气温的相关系数最大(0.80)，与本旬降水为负相关(-0.37)(图1c)，NDVI 对气温和降水响应滞后期较长。在春、夏和秋季，植被NDVI 对气温变化的响应较对降水变化的响应显著(图1)。

中国东部植被NDVI 总体上对气温变化的响应大于降水，这与我国东部和其它地区的研究结果基本一致，如陈云浩等[15]采用偏相关分析法研究气温、降水对中国植被NDVI 动态变化驱动作用，结果表明在我国“第一级阶梯”东部沿海湿润平原地区，影响地表NDVI 变化的主要驱动因子是气温；赵茂盛等[13]对我国不同类型植被生态系统和气候的关系进行研究表明，在年内变化上，温度对植被生态系统季相变化起着比降水略大的作用；刘少军等[22]采用相关分析法探讨了海南岛植被指数变化与其驱动因子的关系，结果表明在海南岛温度对植被变化起主导作用，月平均温度对植被指数的影响大于月降水量的影响。

2.2植被NDVI 对气温和降水最大响应的空间特征

2.2.1植被NDVI 对气温最大响应的空间分布

中国东部植被NDVI 对气温变化最大响应总体上表现为北部和中部大于南部(图2a)。在浙江、江西、湖南及其以北，植被NDVI 与气温的最大相关系数多数都在0.7以上，而在南部的广东和福建，最大相关系数基本都在0.7以下。在辽宁南部、山西东部、河北南部、山东中部和东部、安徽西南、湖北东部和江西、浙江一些站点，最大相关系数在0.8以上。在河南、湖北、安徽北部和江苏一些站点，最大相关系数在0.6以下，个别站点低于南部地区。

植被NDVI 与气温的最大相关系数在春季和秋季总体上都较夏季高。在春季，植被NDVI 与气温的最大相关系数的空间分布与全年基本一致，在北部，包括山西、河北、山东、河南北部、江苏北部和辽宁南部，多数都在0.7以上；而在南部的广东、福建，最大相关系数基本都在0.6以下(图2b)。在河南、湖北、安徽、江苏和浙江一些站点，NDVI

与气温相关系数很小或为负相关。夏季植被NDVI 与气温的最大相关系数具有较明显的，30o N ，最大相关系数基本都在0.5以上，而在30o N ，最

图1植被NDVI 与前1-9旬气温和降水的相关系数

Fig.1Correlation coefficient between NDVI and previous temperature and precipitation

852

7期崔林丽等：中国东部植被NDVI 对气温和降水的旬响应特征大相关系数基本都在0.5以下(图2c)。秋季植被NDVI 与气温的最大相关系数在山西、河北、辽宁南部、山东、安徽、江苏和江西，基本都在0.6以上，而在其它地区，多在0.4以上(图2d)。

2.2.2植被NDVI 对降水最大响应的空间分布

中国东部植被NDVI 对降水量的最大响应在空间上总体表现为北部大于中部和南部，而中部和南部之间差异不明显(图3a)。在，、、、山东和辽宁南部，NDVI 与降水的最大相关系数基本都在

(a)全年(b)春季

(c)夏季(d)秋季

图2植被NDVI 与气温最大相关系数的空间分布图

Fig.2Maximum correlation coefficient between NDVI and previous temperature

853

64卷

地理学报0.5左右，而在中部和南部，NDVI 与降水的最大相关系数多数都在0.2~0.4之间。除在河北保定站外，植被NDVI 与降水的最大相关系数都小于与气温的最大相关系数。NDVI 与降水的最大相关系数除极个别站点外都在0.6以下。在河北蔚县站，NDVI 与降水的最大相关系数最大(0.62)。在春季和秋季，植被NDVI 与降水的最大相关系数多为正值，即前期降水对春季和。NDVI 与降水的最大相关系数在整个中国东

图3植被NDVI 与降水最大相关系数的空间分布图

Fig.3Maximum correlation coefficient between NDVI and previous precipitation

(a)全年(b)春季

(c)夏季(d)秋季

854

855 7期崔林丽等：中国东部植被NDVI对气温和降水的旬响应特征

部多数都在0.3左右，在北部略大于中部和南部(图3b)。在长江三角洲地区，最大相关系数较低，在0.2以下。夏季植被NDVI与降水的最大相关系数大致以31o N为界，北部为正值，南部为负值(图3c)。北部NDVI与降水的最大相关系数多数都在0.4左右，南部最大相关系数多数都在-0.3左右。在江西北部、浙江西南部和湖南、广东一些站点，最大相关系数小于-0.4。秋季植被NDVI与降水的最大相关系数在北部的江苏、安徽、河南以北地区和南部广东较大，多数都在0.3以上，在其它地区，多数都在0.3以下(图3d)，在湖北、湖南北部以及江西、福建个别站点外，植被NDVI与降水为负相关。

中国东部植被对气温和降水的旬最大响应随着纬度降低而减弱，与我国已有的一些研究结果基本一致，如李晓兵等[14]研究表明，我国从东南到西北，NDVI的变化与气候条件变化的相关系数逐渐增加；林辉等[24]对湖南省植被指数的时相变化特征研究也表明，植被指数的季节变化受温度影响较大，并且随着纬度的降低，温度对植被指数的影响力下降。中国东部，尤其是在中部和南部地区，植被NDVI对降水响应较弱，可能与这些地区降水量相对较多有关。徐兴奎等[16]研究认为，对于那些降水非常充足的地区，降水量可以满足植被生长的需要，降水对植被的生长状况影响就会减弱，而这时气温会成为影响植被生长的主要因子。由于各地区气候、植被类型和土壤质地等的分布差异，使NDVI 与降水和气温的这种相关性强弱分布不均[13,16]。

在春季和秋季，中国东部植被NDVI和气温基本都为正相关，表明在春季和秋季气温依然是中国东部植被生长的限制因素。春季植被NDVI与春季气温的相互关系在中部偏北地区，包括河南南部、湖北北部、安徽北部、江苏中部和南部都较小，在有些站点甚至为负相关，这可能与这些地区作物生长发育规律有关。在5月，这些区域冬小麦已经进入成熟季节，植被NDVI开始下降[16]，因此气温增加对植被NDVI影响已经不大，或为相反变化关系。这也是导致全年植被NDVI与气温的相关系数在这些区域较小的原因。夏季植被NDVI与气温相关系数在北部高，南部低，也说明气温对北部植被影响较南部大。中国东部夏季植被NDVI与降水的最大相关系数大致以31o N为界，北部为正相关，而在南部为负相关(图3c)，其原因可能与夏季南部降水较多有关。夏季南部降水对于植物的生长而言一般已相对充足，过多的降水便意味着云量的增加，入射辐射量的减小，而土壤湿度的增加同时会导致地面潜热蒸发相对增大，这些都会使气温降低，使植物的光合作用能力降低，对植物的生长产生不利的影响[13]。

2.3植被NDVI对气温和降水响应滞后期的空间特征

2.3.1植被对气温最大响应滞后期的空间分布在中国东部，植被全年NDVI对气温变化的最大响应所对应的滞后期呈现出北部较长—中部短—南部最长的空间分布(图4a)。在北部，包括山西、河北、天津、山东大部分地区和辽宁南部，植被NDVI对气温变化的最大响应多数都滞后1-4旬；在中部，包括河南、山东西南部、安徽、江苏、上海、浙江、江西北部、湖北和湖南，植被NDVI与本旬气温的相关系数最大，即植被对气温变化是同步响应；在南部，包括广东、福建和江西南部，植被NDVI对气温变化的最大响应多数都滞后2-4旬，但在广东中部和南部，最大响应滞后5-6旬。

在春季，植被NDVI对气温变化的最大响应滞后期较短，多数都滞后0-2旬(图4b)。在北部，包括山西、河北、辽宁南部、山东、河南东北部、安徽北部和江苏北部，以及南部的江西东部、福建西部和广东部分地区，春季植被NDVI多数都对气温变化滞后响应1-2旬，而在南部其它地区，植被多数都对本旬气温变化同步响应。夏季NDVI对前期气温变化的最大响应在32o N以北地区多数都滞后5-6旬，在32o N以南地区，多数站点都是对本旬气温变化同步响应(图4c)。秋季NDVI对气温变化最大响应的滞后期分布较集中，多数地区都对气温变化滞后响应0-4旬，其中以对本旬气温同步响应的站点最多，但

(4d)。

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地理学报2.3.2植被对降水最大响应滞后期的空间分布植被NDVI 对降水变化最大响应所对应的滞后期在中国东部表现为从北到南逐渐延长，即越往南，滞后期越长(图5a)。在北部，包括山西、河北、天津、辽宁南部、山东、江苏北部、安徽北部、河南和湖北中西部，植被NDVI 对降水变化最大响应的滞后期基本都为1-2旬，其中在山西、山东和河南北部，最大响应多数都滞后1旬，而在河北南部和河南南部，最大响应多数都滞后2旬。NDVI 对降水的最大响应多数都滞后2-6旬，但在江西东部和南部、福

图4植被NDVI 对气温最大响应所对应滞后期的空间分布

Fig.4Delay time of NDVI response to previous temperature

(a)全年(b)春季

(c)夏季(d)秋季

856

857 7期崔林丽等：中国东部植被NDVI对气温和降水的旬响应特征

建西部和广东中部及东北部，植被NDVI对降水的最大响应多数都滞后7-9旬。

春季植被NDVI在中国东部大部分地区，包括北部的山西、河北、辽宁南部、天津、山东、江苏、安徽北部和东部、河南北部，中部的浙江北部和湖北西部，和南部的湖南、江西中部和南部、浙江以及广东，都对降水滞后响应0-2旬，其中在北部除山西外，植被NDVI基本对本旬降水变化同步响应。在其它地区，春季植被NDVI对降水滞后响应3-6旬(图5b)。夏季植被NDVI在31o N以北地区，多数都对降水变化滞后响应1-4旬，而在31o N以南地区，基本都同步负响应于本旬降水变化，即降水对本旬植被生长有抑止作用(图5c)。秋季植被NDVI在北部的山西、河北西部和南部、山东中部和南部、江苏北部、安徽东部和北部、河南北部和中部，多数都滞后响应1-2旬，但在辽宁南部、天津、河北东部和山东北部，多数都滞后响应3-6旬；在南部多数地区，都滞后3-4旬，但在湖北和湖南大部分地区都滞后响应0-2旬(图5d)。

植被对气候变化响应的滞后时间与生物地球化学循环的调解时间一致[5]，温度和降水分别通过对土壤养分有效性和水分有效性的影响而影响植被生长[25,26]。植被对气温的滞后响应与土壤温度变化、土壤有机质分解和营养元素释放有关[27]；植被对降水的滞后响应反映了降水事件与降水到达植物根部、影响植物生长的时间间隔[28]。Wang等[12]对美国中部大平原NDVI与气候之间关系研究中发现，当月和前一个月的气温对植被的NDVI有显著影响。在中国东部，夏季北部植被NDVI对气温变化响应滞后期较长(5-6旬)，原因可能是夏季气温对北部植被生长已不是主要限制因子，因而植被对气温变化响应较慢,也可能与北部土壤有机质分解、养分有效性有关。陈晓光等[29]对青海湖地区植被覆盖与气温降水变化的关系也研究发现，冬末春初的温度越高，青海湖地区夏季植被覆盖度越大。

我国学者[19]基于NDVI资料和152个气象台站的旬平均气温和降水资料，分析了1982-1993年中国东部季风区温度、降水和NDVI第一特征向量时间系数之间不同滞后时间的关系，结果表明，植被对温度变化的响应几乎是同时的，而植被对降水变化的响应则滞后2-3旬，这与本研究结果有一些差异。不同研究时间尺度、地理空间范围以及植被类型变化等都可能造成NDVI对降水、温度响应的滞后时间不同。

3结论

本文通过对1998年第10旬-2008年第9旬10d最大化SPOT VGT-DNVI数据和同期及前期气温和降水数据的时空分析，得出如下主要结论：

(1)中国东部植被NDVI总体上对气温变化的响应大于对降水变化的响应，植被对气温变化的最大响应滞后1旬左右，对降水变化的最大响应滞后3旬左右。NDVI对气温变化的响应较对降水变化的响应显著但短暂。秋季NDVI对气温和降水变化响应最显著，春季和秋季NDVI对气温和降水响应的滞后期较短，夏季NDVI对气温和降水响应滞后期较长。中国东部植被对气温和降水的响应与我国东部和其它地区已有的研究结果基本一致。

(2)中国东部植被NDVI对气温变化的最大响应在空间上总体表现为北部和中部大于南部。植被NDVI对降水变化的最大响应在空间上总体表现为北部大于中部和南部，而中部和南部之间差异不明显。春季和秋季NDVI对气温变化响应较夏季显著。春季和秋季NDVI对降水变化多数都为正响应，夏季NDVI对降水变化大致以31o N为界，北部为正响应，南部为负响应。植被对气温和降水的旬响应随着纬度降低而减弱，与我国已有的一些关于植被对气温和降水变化响应的研究结果基本一致。

(3)中国东部植被NDVI对气温变化最大响应的滞后期呈现出北部较长—中部短—南

NDVI对降水变化最大响应的滞后期则随着纬度降低由北到南

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地理学报逐渐延长。春季NDVI 总体上对气温变化的最大响应滞后期较秋季短。夏季NDVI 在32o N 以南地区多数都同步响应于本旬气温变化，在31o N 以南地区基本都同步响应于本旬降水变化。中国东部植被NDVI 对气温和降水变化最大响应的滞后期与中国东部季风区已有的研究结果存在一些差异。研究时间、空间尺度的不同以及植被类型的变化等都可能造成NDVI 对降水、气温响应的滞后时间的不同。

图5植被NDVI 对降水最大响应滞后期的空间分布Fig.5Delay time of NDVI response to previous precipitation

(b)春季

(c)夏季(d)秋季

(a)全年858

859 7期崔林丽等：中国东部植被NDVI对气温和降水的旬响应特征

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Ten-day Response of vegetation NDVI to the Variations of Temperature and Precipitation in Eastern China

CUI Linli1,SHI Jun2,YANG Yinming1,FAN Wenyi3

(1.Shanghai Center for Satellite Remote Sensing and Application,Shanghai201100,China;

2.Shanghai Climate Center,Shanghai200030,China

3.College of forestry,Northeast Forestry University,Harbin150040,China)

Abstract:This paper analyzed the temporal and spatial responses of vegetation NDVI to the variations of temperature and precipitation in each ten-day period in the whole year,spring, summer and autumn covering1998to2007based on the SPOT VGT-NDVI data and daily temperature and precipitation data from205meteorological stations in eastern China.The results indicate that on the whole,the response of vegetation NDVI to the variation of temperature is greater than to that of precipitation in eastern China.Vegetation NDVI maximally responds to the variation of temperature with a lag of about10days,and it maximally responds to the variation of precipitation with a lag of about30days.The response of vegetation NDVI to temperature and precipitation is the greatest in autumn,and the lag time is longer in summer.Spatially,the maximum response of vegetation NDVI to the variation of temperature is greater in the northern and central parts than in the southern part of eastern China.The maximum response of vegetation NDVI to the variation of precipitation is greater in the northern part than in the central and southern parts of eastern China.There is more lag time of vegetation NDVI to the variation of temperature in the northern and southern parts,while less in the central part.The lag time of vegetation NDVI to the variation of precipitation gradually increases from the northern to the southern part according to the latitude.The response of vegetation NDVI to the variations of temperature and precipitation in eastern China is mainly consistent with other results obtained in eastern and southern China. Key words:SPOT VGT-NDVI;temperature;precipitation;eastern China