基于微波遥感的锡林郭勒盟气象干旱研究
1 绪论
干旱是指某区域长时间无雨或降雨偏少导致蒸发加大、河流缺水、空气和土壤中水分的供需不平衡所造成的水资源缺乏现象。就中国乃至全世界而言，干旱是造成重大损失的自然灾害之一。
干旱是困扰世界的自然现象和灾害问题。近 30 多年来在中国北方的半干旱区也持续出现了干旱化趋势，干旱引起了一系列生态环境问题，据不完全统计，20 世纪九十年代以来中国境内因干旱造成的直接经济损失达 1000 亿元人民币。特别是1990 年代后期至 21 世纪初间发生了连续数年的大范围严重干旱，如 1999-2001 年三年出现了连续大旱。资料显示，2001年因旱全国粮食平均单产比常年下降5%左右，造成直接经济损失千亿元以上，其中北方的黑龙江省、吉林省、内蒙古自治区、河北省和陕西省等地区大部遭到春夏连旱及秋旱，大面积农田、草场受旱影响减产或绝产，带来了严重的经济损失。如陕西受旱面积233万公顷；河北受旱 250万公顷。从全国各区域来看，东北、华北和西北地区东部的大部分地区在近 50 年中持续时间最长的干旱现象多发生在 1980 年以后的 20 多年中，而且干旱发生显得更加频繁。据研究 2000 年以来是东北最为干燥时期，内蒙古东部干旱极为严重。在中国北方和西北干旱、半干旱区面积占国土总面积的 30%，由于气候波动性大，降水和气温的年际波动，气象和气候要素不稳定造成生态环境极为脆弱，这些地区自20世纪90 年代起，旱涝灾害交替出现，其干旱频繁发生，在新疆维吾尔自治区的西部和南部旱灾发生尤为突出。
1.1 干旱的概述
对于干旱的定义，不同部门和不同学者都给出了自己的解释。
气象部门认为：淡水总量减少到不能满足人们的日常生活和社会经济发展需求的气候现象为干旱。农业部门认为：干旱是作物生长过程中因为供水不足而导致的作物无法正常生长的水分供应与需求不平衡的现象。世界气象组织认为：干旱是一种持续的、异常的降雨短缺现象。美国学者帕尔默认为：土壤水分持续长时间的不正常短缺现象。可以看出干旱的定义有很多种，可以根据研究的角度与研究应用领域的不同去理解干旱这一自然现象。如以水资源的供应与需求平衡的角度为认识干旱现象的切入点，从不同的供应与需求关系中理解不同的干旱，不同的干旱影响的层面也各不相同，对干旱的理解也各不相同。
1.2 研究背景与意义
气象干旱是社会经济干旱、农业干旱和水文干旱发生的基础。在气象干旱发生一段时间以后，土壤水分短缺导致农作物受旱，长时间的气象干旱会导致江河径流、水库水位、湖泊水位、地下水位下降，当水分异常短缺现象影响到人类日常生产生活和经济活动用水时，就会发生社会经济干旱。
干旱作为影响面最广的自然灾害之一，造成直接的经济损失，还会带来社会不稳定因素，同时恶化环境。而气象干旱作为其他类型干旱发生和最终形成干旱灾害的前提自然条件，在气象干旱发生时及时有效动态的监测旱情，对分析旱情发展趋势预测，发出相应预警以及制定防旱对策可以提供可靠依据。
锡林郭勒盟地处内蒙古地区中部，是干旱灾害频繁发生的区域之一。地处季风边缘区，也是我国生态环境较敏感区和脆弱区之一，农牧业生产条件恶劣，农牧业生产水平比较低，防灾抗灾能力较弱，频发的自然灾害阻碍当地经济发展，并危及生态安全。因此该区域气象干旱及旱灾的研究有利于该地区社会稳定、经济的可持续发展。研究锡林郭勒盟气象干旱的发生和及时有效动态监测旱情，对区域社会稳定，保障生态安全以及经济的可持续发展有重要意义。学者们对于锡林郭勒盟的气象干旱监测研究已有了足够的重视，但利用微波遥感数据对于区域尺度的干湿变化规律的研究起步较晚，故有待于更加深入研究该区干旱变化过程和旱灾形成机制。
2 研究区概况
2.1 地理位置
锡林郭勒盟地处内蒙古中部，地处东经 111°59'-l20°01′，北纬 42°32'- 46°51′。北面和蒙古国接壤，边境线长 1098 公里。南面与河北省为邻，西面邻乌兰察布市四子王旗；东南接赤峰市几个旗县如克什克腾旗、林西县、巴林右旗、阿鲁科尔沁旗和兴安盟的科尔沁右翼前旗以及通辽市霍林河市。总面积 20.26万m2。
2. 2 地形地貌
锡林郭勒盟地貌主体是蒙古高原，高原面上分布有多种外营力地貌形态，地势南高北低，东、南部多低山丘陵，盆地错落在低山丘陵间，在锡林郭勒盟内为大兴安岭向西和阴山山脉向东延伸的余脉。西、北部地形平坦，零星分布有一些低山丘陵和熔岩台地。锡林郭勒盟内最高山峰为古如格苏乌拉山峰，海拔 1957 米。浑善达克沙地是研究区内风蚀风积地貌集中分布区，由西北向东南横贯研究区中部，主要有固定、半固定、流动沙以及各种风蚀地貌形态为主。
锡林郭勒盟地带性土壤类型有黑钙土、暗栗钙土、栗钙土、淡栗钙土、棕钙土等，这些突然类型从东向西有规律的带状分布。还分布有非地带性草甸土、沼泽土、风沙土、盐土、碱土等、土壤。黑钙土分布于东乌珠穆沁旗和西乌珠穆沁旗范围的大兴安岭山前低山丘陵为主，分布面积有106.85 万公顷，占全盟总土壤分布面积的 5.36%。草甸土分布于主要分布在河谷和湖泊沿岸低湿地以及低山丘陵谷地，面积为47.26万公顷，占总土壤面积的2.37%。栗钙土分布研究区范围内管饭分布，分布面积达1018.58 万公顷，占总土壤面积的 51.13%。棕钙土主要分布在研究区西部的草原地带向荒漠地带过渡的区域，分布面积为352.82万公顷，占总土壤面积的17.71%。
3 微波综合干旱指数的建立.............. 14
3.1 干旱指数介绍 ............. 14
3.1.1 传统干旱指数 ................. 14
3.1.2 遥感干旱指数 ..................... 14
4 最优干旱指数的确定与验证 ........... 20
4.1 最优干旱指数的确定 ..................... 20
4.2 MIDI 的验证 .................. 21
5 基于 MIDI 的锡林郭勒盟干旱程度监测分析............ 23
5.1 时间分布特征 ............. 23
5.2 空间分布特征 ................ 38
5 基于 MIDI 的锡林郭勒盟干旱程度监测分析
本论文主要研究锡林郭勒盟植物生长季(4月-9 月)的干旱程度时空分布情况。
5.1 时间分布特征
分析锡林郭勒盟干旱程度MIDI 监测图得出的时间分布特征如下：
2005 年 4 月的 MIDI 指数监测到了 2005 年至 2009 年植物生长季中干旱程度最为严重的月份。从图5-1 可以看出此次干旱事件有两个干旱中心，分别是二连浩特市和锡林浩特市，气象站点监测到的降雨量只有0.4mm和1mm，没有有效降雨导致此次干旱事件以这两地为中心向周围发展；全盟大部以重旱程度的干旱为主，重旱地区面积为95560.78m2，占锡林郭勒盟总面积的47.32%，只有东乌珠穆沁旗东北部及多伦县附近地区干旱程度较轻。5月份，比4月份干旱情况有所缓解，MIDI 指数监测到全盟中部地区以中旱程度的干旱为主，中旱地区面积为101499.66m2，占锡林郭勒盟总面积的50.1%，东乌珠穆沁旗大部地区、西乌珠穆沁旗大部地区、多伦县、苏尼特右旗中部地区以轻旱为主。6月份MIDI 指数监测到全盟中东部地区以轻旱或无旱为主，轻旱地区面积为97552.5m2;占锡林郭勒盟总面积的40.15%，西部地区以中旱为主。7月份MIDI 指数监测到锡林郭勒盟东部地区如西乌珠穆沁旗、锡林浩特市等地显示为轻旱地区，二连浩特市及苏尼特右旗西北部的地区出现重旱程度的干旱，其余大部地区则出现了中旱程度的干旱，中旱地区面积为96424.67m2，占锡林郭勒盟总面积的47.59%。8月份，相对于7月份干旱程度有所缓解，MIDI 指数监测到全盟东北部及东南部大部地区以轻旱为主，西北部地区以中旱程度的干旱为主，中旱地区面积为90221.92m2，占锡林郭勒盟总面积的44.53%，轻旱地区面积为89658.03m2，占锡林郭勒盟总面积的44.25% 。9 月份 MIDI 指数监测到全盟西北部地区以重旱为主，东北及东南部以轻旱为主、其余中部地区以中旱程度的干旱为主，中旱地区面积为91349.69m2，占锡林郭勒盟总面积的45.00% 。10月份MIDI 指数监测到全盟大部以中旱为主，中旱地区面积为100935.77m2，占锡林郭勒盟总面积的49.82%，阿巴嘎旗中部、苏尼特左旗东北部、东乌珠穆沁旗中西部地区出现了重旱程度干旱。
6 结论与讨论
6.1 结论
干旱指数作为监测、评价、研究干旱的发生发展的基础，目前的还没有统一完善的干旱指标体系。基于气象站点数据建立的干旱指数如标准降雨指数（SPI）、降水距平百分率(Pa)等虽然能准确的反应那一站点的干旱情况，但是缺乏空间连续性，不能反映出干旱事件的影响范围。近年来发展迅速的遥感监测手段可以解决以上问题。遥感监测技术相比传统的监测手段，具有不可比拟的潜在优势，如监测数据的时效性、大范围的研究区里数据的一致性、监测结果的客观性和技术成本的廉价性等。但是基于遥感光学波段与红外波段数据建立的归一化植被指数（NDVI）、标准化植被指数（SVI）等指数都与植被条件高度相关，在降水发生与植被响应之间有一段时间延迟，这段时间延迟根据区域降水格局、土地覆盖与植被类型、土壤类型等因素而有所变化。因此，与植被相关的干旱指数更适宜用于监测农业干旱而不适宜监测气象干旱。
本论文运用一个新型的多源传感器微波遥感干旱指数，即微波综合干旱指数（MIDI）用于监测半干旱地区的气象干旱。
微波综合干旱指数通过综合以下三个变量实现：热带降雨测量卫星获得的降水数据、地球观测系统EOS-PM Aqua 卫星（水星）所搭载的先进微波扫描辐射计所获得的土壤湿度和地表温度数据。利用熵权法对以上三个变量进行赋权建立了微波综合干旱指数，将其与相同时间尺度2005年至2009 年生长季（4月至10月）的标准化降水指数进行皮尔逊相关分析，得出微波综合干旱指数最优组合形式MIDI，随后利用内蒙古民政局提供的锡林郭勒盟实际干旱资料对MIDI进行验证，最后运用MIDI对锡林郭勒盟2005年至2009年生长季（4月至10月）进行监测，得出锡林郭勒盟5年干旱指数空间分布特征。经过分析得出以下结论：
①本文通过降水数据、地表温度数据和土壤湿度数据分别建立了不同的微波综合干旱指数，分别为 PTCI、PSMCI、SMTCI、MIDI，通过与研究区 5年生长季SPI 进行相关分析后发现MIDI 为最优组合微波综合干旱指数，MIDI 在监测干旱方面优于其他综合微波干旱指数。
②将MIDI 与内蒙古民政局统计资料中记载的实际干旱情况进行对比后发现，MIDI 监测到的干旱情况与实际干旱情况基本相符，从而证明 MIDI 在监测气象干旱方面是一个十分可靠的指数，具有不受天气情况影响的特点，因此可将其运用到干旱监测当中。
③分析 MIDI 监测的干旱指数空间分布图后得出：锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗西南部、西乌珠穆沁旗西北部地区及多伦县周围地区的干旱程度相对较轻；锡林郭勒盟二连浩特市周围地区干旱程度相对较强，这可能与该地区温带大陆性季风气候形成的水分短缺现象关于；锡林郭勒盟中部地区干旱程度年际较大，这与气象因子（如降水、气温）波动变化所导致的随机性异常水分短缺现象相关。
参考文献（略）