1999-2006年石羊河流域植被对气候变化的响应研究

论文摘要

在全球变暖的大背景下,祁连山地区气候也发生了一些变化,为了研究祁连山地区山地气候变化特点,本文选取祁连山东段石羊河流域的植被来研究植被变化对气候变化的响应。植被具有非常明显的年际变化和季节变化,气候变化可以通过监测植被动态清晰地反映出来,在ArcGis软件的支持下,遥感技术又日益成熟起来,利用遥感时序数据研究植被活动已经越来越有优势。本论文主要研究三方面的内容：一是基于SPOT VEGETATION NDVI 10天最大合成的NDVI时序数据分析1999—2006年这8年之间NDVI的变化规律及其与气温、降水的相关关系。二是利用河西18个气象站点、研究区内3个自动气象站和7个常规气象站的8年夏季气温和降水数据,运用多元统计回归方法,得到各年夏季气温和降水模型,并基于GIS手段制成栅格数据,与同期NDVI栅格数据在Arc Map中的Raster Calculator里输入偏相关系数公式计算得到研究区夏季气温和降水与NDVI的相关系数分布图,从而进行植被与气温和降水的空间相关关系研究。三是基于ENVI、MATLAB、TIMESAT软件提取该流域8年来的植被物候信息,从而研究植被物候信息对气候变化的响应。经过对以上三方面的研究,初步结果如下：一、通过对1999-2006这8年来林地和草地这两种典型的自然植被类型的NDVI变化规律分析后发现：8年中林地和草地的NDVI都呈增加趋势,但草地的线性增长率要大于林地,说明草地的植被改善状况要好于林地。植被NDVI峰值的年际变化可以反映出植被生长力的年际变化特点。在8年中,草地的NDVI峰值显著高于林地,二者的峰值都是逐年增加的,说明这两种植被类型生物量在逐年增加。NDVI幅度的变化也是反映植被生物量的变化情况的,其变化与峰值变化是一致的。8年来林地和草地的幅度变化依然呈稳定增长的趋势,还是说明植被情况逐年在向好的方向发展。二、通过分析林地和草地与同期气温和降水的偏相关系数后发现：林地和草地与同期气温属于中度相关,且草地与同期气温的相关性要大于林地。春季气温的高低是影响石羊河流域植被春季NDVI变化的重要因子,但是林地和草地的NDVI线性增长率在春季不是最高的,这可能跟高海拔地区春季温度不如同纬度低海拔地区高有关。夏季气温与林地和草地呈负相关,说明夏季气温对植被生长有抑制作用。秋季气温只与林地相关程度较高,与草地的相关性不明显,这说明秋季气温的升高对林地的生长具有促进作用,秋季气温的升高可能会延缓林地进入衰退期的时间。冬季气温与同期的NDVI相关关系一般都不明显。在这个季节,本流域林地NDVI与同期气温呈正相关,草地则呈负相关,但相关性不显著。林地和草地与同期降水之间属于低度相关,只有林地与夏季降水具有很好的相关关系,这说明在石羊河流域,降水对植被活动的影响没有气温大,气温才是该流域植被活动的主控因素。三、通过分析林地和草地与气温和降水的滞后性后得出：林地和草地两种植被类型的NDVI对气候都存在滞后性,林地NDVI与提前一个月的气温偏相关性最高,也就是说前一个月的气温对林地的影响比与之同期的气温影响更大；但对于草地来说,同期气温和前一个月气温对草地的影响差别不大,偏相关系数都较高。所以,林地的NDVI比草地更具有对气温的明显滞后性。但降水对两种植被都不存在滞后性影响。四、经过分析夏季NDVI与同期气温和降水的相关关系空间分布图后得出：南部祁连山地冷龙岭北坡一带相关系数较高,且NDVI与气温呈负相关,中部走廊平原区和北部低山丘陵区都没有相关关系,经统计,NDVI值大于等于0.3的像元占总数的2.07%,几乎全部分布在南部祁连山地一带,也就是寒温性针叶林的植被类型区内和部分草甸区。通过与植被类型图层进行叠加,并用Zonal统计分区工具计算相关系数大于等于0.3的林地像元数有492个,草地有334个,分别占58.9%和41.1%,再一次证明林地对夏季气温的响应比草地敏感。同样,夏季NDVI与同期降水间的相关系数较高的地区也是分布在南部祁连山地,而且呈正相关,中部走廊平原区和北部低山丘陵区基本都没有相关关系。统计后发现,相关系数大于等于0.3的像元数只有10个,占总像元数的0.024%,再一次证明,在本研究区,夏季降水不是夏季NDVI变化的主控因素,气温才是控制植被变化的主控因素。五、通过对流域内林地和草地植被生长季开始时间,结束时间,生长季长度等物候信息的提取和分析,得出：草地的生长季开始的时间要晚于林地生长季开始的时间,在这8年中,林地和草地的生长季开始时间都有提前的趋势。林地生长季结束时间要晚于草地,8年中对于生长季结束时间而言,林地有延后的趋势,草地变化不明显。林地和草地8年来生长季长度都有延长的趋势,且较为平稳。生长季长度的延长是对这些年气候变暖的响应,是对全球气候变暖的有力证明,这与其他学者的研究结论是一致的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 植被遥感参数——NDVI
• 1.3 国内外NDVI时间序列及物候信息研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 研究意义与研究目的
• 1.5 研究内容与研究方法
• 1.6 技术路线
• 第二章 研究基础
• 2.1 研究区概况
• 2.2 研究数据及数据处理方法
• 2.2.1 SPOT VEGETATION数据
• 2.2.2 土地分类数据
• 2.2.3 气象数据
• 2.2.4 作物物候观测数据
• 2.3 植被指数时序数据处理
• 2.3.1 TIMESAT软件简介
• 2.3.2 遥感时序数据的噪声处理
• 2.3.3 Savitzky-Golay滤波去噪
• 2.3.4 NDVI时序数据重构结果及特征分析
• 第三章 研究区年际NDVI变化及其与气温降水的相关性分析
• 3.1 1999年-2006年植被NDVI变化特征
• 3.1.1 植被年均NDVI值、NDVI峰值和变化幅度的空间变化特征分布
• 3.1.2 林地和草地NDVI年际变化
• 3.1.3 林地和草地NDVI峰值的年际变化
• 3.1.4 林地和草地NDVI幅度的年际变化
• 3.2 1999—2006年石羊河流域气温和降水的年际和季节变化
• 3.2.1 8年气温和降水的年际变化
• 3.2.2 8年气温和降水的季节变化
• 3.3 植被NDVI的变化对气温变化的响应
• 3.3.1 植被NDVI与同期气温的年际变化关系
• 3.3.2 季均NDVI变化与同期气温的关系
• 3.3.3 NDVI变化与气温变化的滞后效应
• 3.4 植被NDVI的变化对降水量变化的响应
• 3.4.1 植被NDVI与同期降水的年际变化关系
• 3.4.2 季均NDVI与同期降水的关系
• 3.4.3 NDVI变化与降水的滞后效应
• 3.5 小结
• 第四章 研究区夏季NDVI与同期气温降水相关关系的空间分布
• 4.1 模型的气象站点分布
• 4.2 气温分布式模型及其有效性检验
• 4.2.1 气温统计回归分析
• 4.2.2 气温模型的有效性检验
• 4.3 降水分布式模型及其有效性检验
• 4.3.1 降水统计回归分析
• 4.3.2 降水模型的有效性检验
• 4.4 各年夏季气温、降水栅格图
• 4.5 研究区夏季NDVI与同期气温、降水的相关关系的空间分布
• 4.6 小结
• 第五章 研究区植被物候期变化对气候的响应
• 5.1 利用遥感手段对植被物候监测的原理
• 5.2 植被遥感源数据
• 5.3 植被物候信息的提取
• 5.3.1 植被物候生长季的遥感定义
• 5.3.2 利用Gaussian模型提取植被物候期
• 5.4 物候地面观测值与遥感监测结果比较分析
• 5.4.1 春小麦物候遥感监测结果分析
• 5.4.2 误差分析
• 5.5 植被物候期分析
• 5.5.1 植被物候期的空间分布图
• 5.5.2 植被物候期变化规律
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 存在问题与展望
• 参考文献
• 硕士期间的研究成果和论文
• 致谢