近20年亞洲大陸植被指數(shù)NDVI的變化及其對(duì)大尺度氣候變化的敏感性

PAGEPAGE11北半球春季植被NDVI對(duì)溫度變化響應(yīng)的區(qū)域差異**本研究得到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(G2000018604),自然科學(xué)基金(40105007)及霍英東教育基金(81014)資助.ThisworkissupportedbyprojectsofNKBRSF-G2000018604,NSFC-40105007andtheHuoYing-DongEducationFoundation(81014).龔道溢史培軍何學(xué)兆北京師范大學(xué)資源科學(xué)研究所環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100875摘要:氣溫是影響北半球高緯度春季植被NDVI年際波動(dòng)的重要?dú)夂蛞?。NDVI和溫度的變化都有顯著的區(qū)域差異。本文利用1982年到2000年的探路者NDVI資料，采用奇異值分解分析方法，研究了北半球春季NDVI對(duì)溫度變化響應(yīng)的空間差異。前7對(duì)模態(tài)對(duì)總的協(xié)方差平方和的解釋率高達(dá)91％以上，反映出NDVI和氣溫的相關(guān)性非常高。第一對(duì)模態(tài)(解釋率達(dá)42.6%)顯示，北半球最顯著的NDVI響應(yīng)中心在西西伯利亞。其次是北美大陸,中心在其中東部。第三對(duì)及以后的模態(tài)反映的是次一級(jí)的空間特征。分析表明這些NDVI－溫度的耦合模態(tài)受大尺度的大氣環(huán)流系統(tǒng)的顯著影響。9個(gè)重要的大氣環(huán)流指標(biāo)能解釋整個(gè)北半球NDVI方差的55.6％,其中對(duì)歐洲，北美東南部，北美西北部，亞洲高緯以及東亞地區(qū)的影響最突出。因此，研究未來植被生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化響應(yīng)的區(qū)域特征時(shí)，必須要考慮到這些環(huán)流系統(tǒng)的可能變化及其影響。關(guān)鍵詞:NDVI,氣候變化,空間差異,大氣環(huán)流1引言氣候是陸地生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因子。區(qū)域及大陸尺度植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)方式及其程度是全球變化研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問題[1,2]。最近20多年來北半球高緯度地區(qū)冬春季變暖非常突出。溫度的變化必然會(huì)影響到植被的生長(zhǎng)[4,5]，Zhou等[6]最近指出，從1982年到1999年北半球40o-70oN之間地區(qū)的歸一化植被指數(shù)(NDVI)有顯著的增加趨勢(shì)，不管是歐亞大陸還是北美大陸，都是以春季變化最強(qiáng)烈，統(tǒng)計(jì)的18年期間歐亞大陸平均NDVI增加了20.87%，北美大陸達(dá)16.84%，相應(yīng)的生物量也同步增加[7]。不僅植被生長(zhǎng)活動(dòng)增強(qiáng)，而且生長(zhǎng)季節(jié)的開始時(shí)間也有顯著的提前[4,6]。值得注意的是植被NDVI的變化也有突出的區(qū)域差別。雖然總體上NDVI在近20年來呈上升趨勢(shì)，但也有一些地區(qū)增加不明顯，而在有些小塊地區(qū)如加拿大北部，亞洲大陸的東北角等NDVI有下降趨勢(shì)[6]。出現(xiàn)這種情況可能與不同地區(qū)植被的生態(tài)特性不同有一定關(guān)系，但是在另外一個(gè)方面，全球氣候變化可能也是一個(gè)重要方面。因?yàn)槿驓夂蜃兓瘜?duì)不同地區(qū)氣溫、降水等要素的影響性質(zhì)和影響程度也是不同的。造成這種區(qū)域氣候響應(yīng)不同的關(guān)鍵是大氣環(huán)流的變化。因?yàn)榇髿猸h(huán)流系統(tǒng)對(duì)區(qū)域或大陸尺度的溫度、降水有直接的控制和影響。因此目前國(guó)際上越來越多的研究開始關(guān)注各種環(huán)流系統(tǒng)與區(qū)域植被變化的聯(lián)系[8]。因?yàn)樵谀觌H尺度上全球氣候變化最強(qiáng)的信號(hào)來自ENSO(厄爾尼諾/南方濤動(dòng)),很多作者重點(diǎn)分析ENSO對(duì)區(qū)域及全球植被狀況的影響[9,10]，不過ENSO對(duì)溫度、降水的影響主要還是以熱帶地區(qū)最顯著，而對(duì)中、高緯度地區(qū)通常影響比較弱，所以在高緯度地區(qū)NDVI變化中ENSO信號(hào)通常不明顯。例如，有些研究發(fā)現(xiàn)ENSO對(duì)北美地區(qū)NDVI的影響很弱，還有些研究表明北美一些地方的結(jié)果與地面常規(guī)觀測(cè)的結(jié)論有出入[11~13]。對(duì)北半球中高緯度來說，除了ENSO之外，其它的大尺度氣候系統(tǒng)包括北極濤動(dòng)/北大西洋濤動(dòng)(AO/NAO)[14,15],太平洋北美大氣環(huán)流遙相關(guān)型(PNA),歐亞遙相關(guān)型(EU)，及PNA等可能有更顯著的影響，如Los等[8]曾發(fā)現(xiàn)歐洲的NDVI中有北大西洋濤動(dòng)(NAO)的信號(hào)。不過這些NDVI對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究往往只注意某一種環(huán)流指標(biāo)，而很少同時(shí)考慮多種環(huán)流要素。本文的第一個(gè)目的是分析NDVI對(duì)溫度響應(yīng)的空間特征，考慮到近20年來春季氣候和NDVI都發(fā)生了顯著的變化，而溫度的變化又是影響北半球春季高緯度NDVI年際波動(dòng)的一個(gè)主要?dú)夂蛞豙16]。所以這里主要是分析春季。其次是探討大尺度大氣環(huán)流系統(tǒng)的變化在其中所發(fā)揮的作用。這為加深理解生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化響應(yīng)區(qū)域差異的特征及其機(jī)制能提供重要的幫助。2資料植被資料為得到廣泛應(yīng)用的探路者(Pathfinder)AVHRR-NDVI資料，取自網(wǎng)址：/。獲得的NDVI資料為無符號(hào)的整數(shù)，從3到253，使用之前需要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，原始值減去128，然后乘上一個(gè)系數(shù)0.008就可恢復(fù)到真實(shí)的物理值(-1到+1)。取其中4月和5月代表春季。時(shí)間從1982年到2000年，考慮到研究的是北半球大范圍的空間特征，4km或8km精度的資料受局地環(huán)境因素影響太大，高頻噪音太強(qiáng)通常不利于大尺度氣候信號(hào)的檢測(cè)。所以本文選用資料為1o經(jīng)度×1o緯度的分辨率[17]，只分析其中30oN以北地區(qū)。凡是資料缺失超過兩年的格點(diǎn)都被去掉。氣溫資料為Jones等的全球陸地氣溫和海洋表層溫度混合資料[18]，5o×5o分辨率，本文分析只取其中北半球的陸地部分。原始值都是對(duì)1961-1990年的距平。本文只使用1982年以來的資料以保持同NDVI相同的時(shí)間長(zhǎng)度。3NDVI對(duì)溫度響應(yīng)的空間特征地學(xué)中分析某一要素的空間特征常用的方法是經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分析。不過，通常只能分析一種要素。如果單獨(dú)對(duì)NDVI進(jìn)行EOF分析，所得到的前幾個(gè)模態(tài)不一定與氣候有密切的聯(lián)系，所以并不能保證其變化是對(duì)溫度的響應(yīng)。本文使用奇異值分解(SVD)分析方法，同時(shí)考慮NDVI和溫度，分析他們之間聯(lián)系最強(qiáng)的時(shí)空變化特征。首先將每一個(gè)格點(diǎn)上的NDVI和溫度都處理成對(duì)1982－2000年的距平，再相乘得到協(xié)方差陣，對(duì)協(xié)方差陣進(jìn)行SVD分析，可以得到奇異值，每一個(gè)奇異值對(duì)應(yīng)的NDVI和溫度的模態(tài)，以及每一種模態(tài)的時(shí)間系數(shù)。由于奇異值的平方和與協(xié)方差的平方和相等，所以，每一個(gè)奇異值的平方與協(xié)方差平方和的比值反映了每對(duì)模態(tài)的解釋率，解釋率越高相應(yīng)的模態(tài)越重要。SVD分析方法的細(xì)節(jié)見文獻(xiàn)[19]。SVD分析的結(jié)果表明，春季植被NDVI對(duì)溫度的響應(yīng)信號(hào)非常強(qiáng)。二者之間的協(xié)方差高度集中在最前面的幾對(duì)模態(tài)中。第一到第七對(duì)模態(tài)，解釋率分別為42.6%，19.5%，10.3%，7.7%，5.0%，4.2%和2.3%，這7對(duì)模態(tài)的總解釋率高達(dá)91.6%，說明整體上來看春季NDVI與溫度的關(guān)系是很密切的。二者之間最主要也是最重要的耦合關(guān)系已經(jīng)包含在這前面幾個(gè)模態(tài)之中了，這也表明我們只分析這幾個(gè)模態(tài)就已經(jīng)足夠了。當(dāng)然，植被NDVI對(duì)溫度響應(yīng)的每對(duì)模態(tài)都有不同的空間分布特征。圖1是SVD分析的前7對(duì)模態(tài)的地理分布。其中最重要的第一對(duì)模態(tài)中心在西西伯利亞。第二對(duì)模態(tài)的主要特征是整個(gè)北美大陸表現(xiàn)為相同符號(hào)的變化，中心在美國(guó)的東北部地區(qū)。這前兩對(duì)模態(tài)的空間尺度都很大，屬于大陸尺度。第三及以后的各對(duì)模態(tài)尺度相對(duì)較小，都是區(qū)域性的。而且這些模態(tài)表現(xiàn)出NDVI與溫度異常的高度一致性，正的溫度中心對(duì)應(yīng)NDVI的正中心，負(fù)的溫度中心對(duì)應(yīng)NDVI的負(fù)中心。通常最強(qiáng)的NDVI變化中心，也是溫度異常的極值中心。NDVI對(duì)溫度的響應(yīng)為什么會(huì)形成上面的區(qū)域特點(diǎn)呢？溫度的區(qū)域變化特點(diǎn)可能是一個(gè)主要方面。而溫度的變化又受大氣環(huán)流的控制。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，許多模態(tài)的空間特征顯示出與受大氣環(huán)流變化影響的特點(diǎn)，如第6模態(tài)中，溫度在北美東北部及南歐一帶為負(fù)，而北歐和北美東南地區(qū)為正，這種空間特征與NAO對(duì)此地區(qū)溫度的影響特征是一致的，如第7模態(tài)中溫度在北美北部為負(fù)，中南部為正顯示出西大西洋型的特征。當(dāng)然這種關(guān)系到底是不是存在，以及顯不顯著還需要定量分析。而且，也不排除其它的環(huán)流因子的作用，因此也還要同時(shí)對(duì)其他的因子進(jìn)行比較分析。下一節(jié)中我們對(duì)此詳細(xì)討論。4大尺度大氣環(huán)流的相關(guān)分析對(duì)北半球氣候變化最重要人們最關(guān)心的一些環(huán)流指標(biāo)包括南方濤動(dòng)(SO)，北極濤動(dòng)(AO)，北大西洋濤動(dòng)(NAO)，歐亞遙相關(guān)型(EU),西太平洋型(WP)，東大西洋型(EA)，西大西洋型(WA)，太平洋北美遙相關(guān)型(PNA)，北太平洋指數(shù)(NP)。其中SO，AO，NAO及NP是基于近地面的氣壓，其它的5種遙相關(guān)型則是基于對(duì)流層位勢(shì)高度(多用500hPa)。這些大氣環(huán)流系統(tǒng)常被用來作為反映或監(jiān)測(cè)氣候變化的指標(biāo)。本文使用的SO資料取自美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心(CPC)，AO序列取自Thompson和Wallace(1998)[20]，NAO取自Hurrell(1995)[21]，NP為30o-65oN,160o-140oW區(qū)域海平面氣壓的加權(quán)平均[22]。5種遙相關(guān)型根據(jù)Wallace和Gutzler的定義[23]，利用再分析資料500hPa高度計(jì)算。表1.NDVI和氣溫的時(shí)間系數(shù)與各種氣候指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù).95%和99%信度水平值分別是0.46和0.58.*標(biāo)出了達(dá)95％信度水平的值.Table1.CorrelationbetweentheatmosphericcirculationindicesandSVDtimecoefficientsforNDVIandtemperature.Correlationcoefficientforconfidencelevelof95％and99%isabout0.46and0.58,respectively.Significantvaluesaremarkedwithstars.環(huán)流指標(biāo)AONAOPNAEUSOIEAWAWPNPNDVI模態(tài)10.06-0.30-0.050.72*-0.100.42-0.17-0.01-0.38溫度模態(tài)10.03-0.41-0.040.78*-0.170.430.00-0.06-0.37NDVI模態(tài)2-0.26-0.19-0.070.160.18-40.05溫度模態(tài)2-0.17-0.15-0.080.260.12-0.090.060.50*0.01NDVI模態(tài)30.250.05-0.380.27-0.340.39-0.06-0.230.20溫度模態(tài)30.360.14-0.50*0.33-0.220.41-0.20-0.170.24NDVI模態(tài)40.280.07-0.05-0.200.380.06-0.160.31-0.06溫度模態(tài)40.160.03-0.03-0.310.36-0.04-0.250.28-0.03NDVI模態(tài)50.010.15-0.56*-0.140.52*-0.40-0.110.020.50*溫度模態(tài)50.010.14-0.61*-0.190.54*-0.47*-0.110.070.55*NDVI模態(tài)60.55*0.52*-70.47*-0.290.55*0.17溫度模態(tài)60.56*0.58*-0.240.080.180.45*-0.300.59*0.23NDVI模態(tài)70.240.14-0.15-0.130.07-0.05-0.52*-0.050.11溫度模態(tài)70.270.14-0.05-0.02-0.090.06-0.56*-0.01-0.01表1中給出了SVD分析中NDVI和溫度各模態(tài)的時(shí)間系數(shù)與上述9種環(huán)流指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)。前面提到的第6模態(tài)NDVI和溫度的時(shí)間系數(shù)與NAO的相關(guān)分別為0.52和0.58，都超過95%信度水平。第7模態(tài)NDVI和溫度的時(shí)間系數(shù)與WA的相關(guān)分別為-0.52和-0.56，也是顯著的。最重要的第一模態(tài)與EU遙相關(guān)型有密切的聯(lián)系，NDVI和溫度的時(shí)間系數(shù)與EU的相關(guān)分別達(dá)到了0.72和0.78，是表1中所有相關(guān)系數(shù)中最高的。第2模態(tài)與WP型關(guān)系最密切。第3模態(tài)與PNA關(guān)系最密切。第5模態(tài)則反映了包括PNA，SO，EA及NP等多種因素的影響。第4模態(tài)中沒有最突出的顯著相關(guān)，不過其中SO的影響相對(duì)重要一些。需要注意的是相關(guān)分析表明第2模態(tài)與WP有顯著的相關(guān)。這個(gè)模態(tài)溫度和NDVI的中心都是在北美大陸，而定義WP的兩個(gè)格點(diǎn)在西太平洋(分別是60oN,155oE和30oN,155oE)。WP是怎樣影響北美溫度和NDVI的呢？Wallace和Gutzler[23]曾給出了WP與北半球500hPa高度場(chǎng)與WP的同時(shí)相關(guān)(請(qǐng)參考其圖24)，發(fā)現(xiàn)正的高度異常從北太平洋一致延伸到北美西海岸，我們也計(jì)算了1982年到2000年WP與500hPa高度的相關(guān)，也發(fā)現(xiàn)類似的特征。不過我們的結(jié)果顯示美國(guó)西海岸的正異常中心強(qiáng)度比他們的要強(qiáng)。這種差別可能與分析的季節(jié)及使用的資料不同有關(guān)，我們分析的是4、5月而他們分析的是12、1和2月，而且我們用的是1982年以來的再分析資料，而他們用的是1962年到1976年觀測(cè)資料。不過總的看500hPa高度場(chǎng)變化的空間特征是一致的。因此，當(dāng)WP強(qiáng)時(shí)北美西海岸的脊加強(qiáng)，導(dǎo)致脊前的北美中、東部地區(qū)偏北氣流活動(dòng)加強(qiáng)，溫度下降，NDVI偏低。就是整個(gè)北美地區(qū)的溫度也是偏低的，WP與北美平均溫度相關(guān)達(dá)–0.51。這也從另外一個(gè)方面說明了WP對(duì)北美氣候的影響的確不容忽視。單個(gè)環(huán)流因子看，其對(duì)不同的區(qū)域影響不同，其中有些地區(qū)可能同時(shí)受多個(gè)因子影響。而且有些因子之間也并不完全獨(dú)立，如NP與SO之間就有0.5的顯著相關(guān)。究竟這些環(huán)流因子總體上對(duì)NDVI影響有多大呢？這需要同時(shí)考慮這9種因子的影響，而又要將他們之間的共同部分排除掉。這里我們應(yīng)用多元回歸分析方法。將每一個(gè)格點(diǎn)的NDVI作為因變量，將AO,NAO,PNA,EU,SO,EA,WA,WP,NP作為自變量，建立回歸方程。用此回歸方程再計(jì)算每年的NDVI值。計(jì)算的NDVI的方差可以與觀測(cè)的NDVI的方差進(jìn)行比較，其比例的高低也就反映了這9種氣候因子總的貢獻(xiàn)的大小。歐亞大陸和北美大陸的中高緯度地區(qū)，大部分的地區(qū)氣候因子對(duì)NDVI的方差解釋率都超過了50％。大約有85%的格點(diǎn)解釋率在50％~90％之間。有些干旱、半干旱地區(qū)，高緯度靠近極地的地區(qū)，解釋率比較低。整個(gè)北半球平均，解釋率達(dá)55.6%，這說明有至少超過一半的變化與大氣環(huán)流有關(guān)。5趨勢(shì)分析當(dāng)然，環(huán)流指標(biāo)解釋的NDVI方差中有很大一部分是趨勢(shì)的貢獻(xiàn)。因?yàn)橛^測(cè)資料顯示近20年來很多地區(qū)NDVI有顯著的增加趨勢(shì)。圖2(a)是觀測(cè)的NDVI趨勢(shì)，絕大部分地區(qū)春季的NDVI都是增加的，最突出的地區(qū)包括歐洲大部分，亞洲高緯內(nèi)陸地區(qū)，北美西北、東南以及東亞地區(qū)。分析表明這些地區(qū)的趨勢(shì)中也有很大部分是由大尺度氣候因子引起的，圖2(b)是氣候因子計(jì)算的NDVI的趨勢(shì)，很明顯上述5個(gè)地區(qū)也是有最突出的趨勢(shì)。為了定量分析，我們選擇圖2(a)和(b)中趨勢(shì)突出的幾個(gè)地區(qū)，包括歐洲（40o-60oN,0o-50oE），北美東南部（30o-50oN,90o-60oW），北美西北部（55o-70oN,165o-120oW），亞洲高緯（50o-65oN,70o-110oE），東亞地區(qū)（30o-42oN,100o-145oE）。來計(jì)算其區(qū)域平均的NDVI趨勢(shì)。低植被覆蓋地區(qū)NDVI平均值過低，對(duì)趨勢(shì)的估計(jì)(以百分比的形式度量時(shí))可能造成很大的誤差，為了避免這個(gè)問題趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)只考慮多年平均NDVI值超過0.05的地區(qū)。由氣候指標(biāo)計(jì)算各個(gè)格點(diǎn)上每年的NDVI值，再對(duì)這些區(qū)求平均，結(jié)果見圖3。顯然觀測(cè)的NDVI值與氣候指標(biāo)計(jì)算的值之間有很高的相關(guān)，最低的北美西北部也有0.75，最高的東亞地區(qū)有0.92。說明這幾個(gè)地區(qū)觀測(cè)到的NDVI年際變化的56％到85％左右與這些大尺度的環(huán)流系統(tǒng)的變化有關(guān)。這其中也包含了長(zhǎng)期趨勢(shì)的貢獻(xiàn)。上述5個(gè)地區(qū)觀測(cè)的NDVI上升趨勢(shì)都達(dá)到顯著水平，其中以北美西北部地區(qū)和亞洲高緯趨勢(shì)最突出，分別為18.1%/10a和17.8%/10a。由氣候指標(biāo)計(jì)算的5個(gè)地區(qū)NDVI也都有顯著的增加趨勢(shì)，其中也是以北美西北部和亞洲高緯兩地區(qū)最高，分別為18.2%/10a和12.4%/10a。見表2。5個(gè)區(qū)域平均看，觀測(cè)到的NDVI趨勢(shì)有78％可以歸結(jié)于環(huán)流因子的變化。表2.幾個(gè)區(qū)觀測(cè)和計(jì)算的NDVI指數(shù)的趨勢(shì).單位為NDVI/10a，為了相互間能比較，趨勢(shì)與多年平均值的百分比(即%/10a)也一同在括號(hào)中給出.Table2.NDVItrendsinfiveregions.TrendsareshowninNDVI/10aand(%/10a).地區(qū)觀測(cè)趨勢(shì)環(huán)流指標(biāo)計(jì)算的趨勢(shì)歐洲0.051(10.9%)#0.032(6.9%)**北美東南部0.039(7.9%)**0.028(5.8%)**北美西北部0.035(18.1%)*0.036(18.2%)**亞洲高緯0.050(17.8%)**0.035(12.4%)*東亞地區(qū)0.029(9.3%)#0.025(8.0%)#顯著水平：*90%，**95%,#99%.前面的分析我們注意到NDVI與溫度有密切的關(guān)系，高緯度森林地區(qū)NDVI的年際波動(dòng)主要受溫度變化影響[6,16]。上述5個(gè)地區(qū)的平均NDVI與各自區(qū)域春季平均氣溫的相關(guān)系數(shù)在0.58到0.76間不等，都超過了99％信度水平(見圖4)。因此這里發(fā)現(xiàn)的NDVI與大氣環(huán)流的顯著相關(guān)應(yīng)該主要是通過影響溫度而聯(lián)系起來的。那么這些大氣環(huán)流指標(biāo)又能在多大程度上影響著溫度呢？在哪些地區(qū)影響最突出呢？我們也用相同的多元回歸分析方法，將每個(gè)格點(diǎn)的溫度作為因變量，用9種大氣環(huán)流指數(shù)來計(jì)算回歸關(guān)系，最后得到這些環(huán)流指標(biāo)對(duì)溫度的年際變化的貢獻(xiàn)值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)流對(duì)北半球溫度年際變化的貢獻(xiàn)的確很大。如對(duì)北美西北部溫度的方差解釋率達(dá)到74%,北美東南部為48%,歐洲56%,亞洲大陸高緯地區(qū)52%,東亞59%。大氣環(huán)流對(duì)溫度年際變化貢獻(xiàn)的分布特點(diǎn)也與NDVI一致。見圖2。很明顯，上面提到的5個(gè)NDVI強(qiáng)趨勢(shì)的地區(qū)，也是溫度強(qiáng)烈變暖的地區(qū)。二者空間特征非常協(xié)調(diào)。不僅是上述強(qiáng)烈的正的趨勢(shì)，就是一些小范圍的下降趨勢(shì)的地區(qū)，如北歐北部地區(qū)NDVI的下降和溫度的變冷也都是一致的，而且這種趨勢(shì)也都主要是由于大氣環(huán)流因子的變化所造成的。不過盡管大氣環(huán)流因子解釋了很大部分的溫度和NDVI的年際變化，但是仍然還是剩余相當(dāng)一部分不能解釋，例如將大氣環(huán)流因子的貢獻(xiàn)從觀測(cè)的NDVI和溫度資料中扣除以后，有些地區(qū)仍然還有明顯的趨勢(shì)，如東歐到亞洲西北部一帶。所有的格點(diǎn)平均起來仍然有0.0065NDVI/10a的剩余趨勢(shì)，這大約占觀測(cè)趨勢(shì)的29％左右?？赡艿脑蛴卸鄠€(gè)，一是局地因子的氣候和環(huán)境影響沒有考慮，其次本文只考慮到溫度，而有些地區(qū)(特別是干旱半干旱地區(qū))對(duì)降水變化比較敏感。春季降水對(duì)NDVI的影響及其與大尺度氣候變化的關(guān)系需要進(jìn)一步的研究。6討論本文分析NDVI對(duì)溫度響應(yīng)的空間特征用的是奇異值分解方法，通常情況下涉及時(shí)空特征的一些方法如經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)，其分析結(jié)果通常依賴于資料的空間分辨率及空間樣本數(shù)。使用分辨率不同的資料常常會(huì)得到不同的結(jié)果，有時(shí)結(jié)果差別還很大。我們?cè)谶@里用的NDVI是1o的分辨率，使用的溫度是5o分辨率。因此，有兩個(gè)問題需要考慮，一是這兩種資料空間分辨率上是否匹配？另外，如果NDVI資料的分辨率改變的話，是否會(huì)得到相同的結(jié)果？對(duì)這兩個(gè)問題我們作一些討論。通常人們分析氣候與植被關(guān)系的時(shí)候，常常將溫度或降水等氣象要素用各種方法內(nèi)插到與植被資料相同的分辨率上，但是將氣象資料內(nèi)插的做法也是有弊端的，因?yàn)橛^測(cè)的氣象記錄是有限的，內(nèi)插的結(jié)果實(shí)際上并不真正增加信息量，而很多觀測(cè)缺乏的地區(qū)內(nèi)插必然造成誤差。考慮到本文分析的是溫度，而通常溫度的異常有很大的空間尺度，5o分辨率的溫度對(duì)分析大尺度的特征來看是適合的，因此沒有進(jìn)行內(nèi)插處理。其次，為檢查NDVI分辨率的改變是否對(duì)結(jié)果有影響，我們?cè)囼?yàn)了幾種情況，對(duì)1o分辨率的NDVI資料進(jìn)行重新采樣，得到包括2o×2o、3o×3o、4o×4o和5o×5o等幾種不同分辨率的資料集。再分別與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行SVD分析。結(jié)果檢查包括兩個(gè)方面，一是看前幾對(duì)模態(tài)的解釋率，二是看空間特征。表3中列出了前7對(duì)模態(tài)的解釋率，為方便比較，1o分辨率的結(jié)果也一同給出。顯然，幾種分辨率得到的模態(tài)解釋率幾乎是一樣的?？臻g模態(tài)的特征也是如此(圖未給出)。這從另外一方面說明SVD方法得到的結(jié)果是很穩(wěn)健的。檢測(cè)出的NDVI與溫度之間的強(qiáng)相關(guān)信號(hào)不隨數(shù)據(jù)分辨率的改變而減弱。表3不同NDVI分辨率情況下SVD分析前7對(duì)模態(tài)重要性的比較(每個(gè)奇異值的平方占奇異值平方和的百分比).Table3.SquaredNDVI-temperaturecovariance(%)explainedbytheleadingsingularvalues.ShownaretheresultsfordifferentNDVIresolutions.NDVI分辨率1o×1o2o×2o3o×3o4o×4o5o×5o第1模態(tài)42.642.342.643.441.9第2模態(tài)19.519.719.719.219.5第3模態(tài)10.310.310.69.810.8第4模態(tài)8.17.4第5模態(tài)5.05.3第6模態(tài)4.04.2第7模態(tài)2.52.3累計(jì)91.691.691.891.991.4此外，有些分析表明探路者資料存在一定誤差，最主要的問題可能是由于衛(wèi)星的更替造成的。本文沒有對(duì)獲得的NDVI進(jìn)行再訂正處理，這是否會(huì)對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生影響呢？首先，如果從單個(gè)通道的探路者資料看，誤差是明顯的。但是在NDVI產(chǎn)品生產(chǎn)過程中經(jīng)過幾個(gè)通道資料的減、除等運(yùn)算，系統(tǒng)誤差可以明顯得到削弱。另外，因?yàn)楸疚闹饕?度分辨率的資料分析北半球大尺度的特征，因此高頻率的誤差也可以有效的得到抑制。對(duì)于誤差是否會(huì)影響到年際或長(zhǎng)期趨勢(shì)，我們也做了一些初步的檢查，計(jì)算的探路者NDVI春季北半球平均趨勢(shì)是10.6%/10a，這個(gè)結(jié)果與Zhou等[6]最近用不同的資料計(jì)算的趨勢(shì)11.6%/10a很接近，這說明探路者NDVI反映的大尺度低頻變化還是比較可靠的。最后，SVD分析方法也可有效地降低誤差的影響。SVD方法是從NDVI和氣溫的變化中，找出二者相關(guān)最強(qiáng)的部分。而NDVI雖然包含誤差，但是這種誤差與氣候的年際變化間并無必然聯(lián)系，可以證明，如果人為地在NDVI資料中加入隨機(jī)誤差，最終分析結(jié)果也不會(huì)有顯著差別。因此，歸結(jié)起來考慮，NDVI的誤差對(duì)本文分析結(jié)果的影響應(yīng)該是很小的，并不影響本文的結(jié)論。7結(jié)論通過本文的分析可以得到以下的結(jié)論。(1)春季北半球植被NDVI的年際變化主要受溫度的影響。NDVI對(duì)溫度的響應(yīng)表現(xiàn)出很強(qiáng)的空間特征，二者最顯著的關(guān)系出現(xiàn)在SVD分析的第一對(duì)模態(tài)的中心，即西伯利亞及鄰近地區(qū)。（2）NDVI與溫度的耦合特征受大尺度的氣候變化顯著影響，9個(gè)重要的大氣環(huán)流指標(biāo)能解釋整個(gè)北半球NDVI方差的55.6％。NDVI和溫度受大氣環(huán)流影響在5個(gè)地區(qū)最突出，即北美西北部,北美東南部,歐洲,亞洲大陸高緯地區(qū)以及東亞地區(qū)。所有環(huán)流系統(tǒng)中，以EU遙相關(guān)型對(duì)亞洲高緯地區(qū)的影響最顯著。（3）許多未來不同情景下全球氣候變化的分析表明，相應(yīng)的大氣環(huán)流系統(tǒng)的變率也會(huì)發(fā)生變化。所以植被對(duì)全球變化的響應(yīng)也必然受其影響而表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差別，與這些環(huán)流系統(tǒng)密切相關(guān)的地區(qū)，植被的變化必然更加敏感和明顯。參考文獻(xiàn)[1]FuCB,WenG.VariationofecosystemsoverEastAsiainassociationwithseasonal,interannualanddecadalmonsoonclimatevariability.ClimaticChange,1999,43,477-494[2]KawabataA,IchiiK,YamaguchiY.GlobalmonitoringofinterannnualchangesinvegetationactivitiesusingNDVIanditsrelationshipstotemperatureandprecipitation.InternationalJournalofRemoteSensing,2001,22(7),1377-1382[3]IPCC.Climatechange2001:Thescientificbasis.ContributionofWorkingGroupItotheThirdAssessmentReportoftheIntergovernmentalPanelonClimateChange.HoughtonJT,DingYH,GriggsDJ,NoguerM,vanderLindenPJ,DaiX,MaskellK,JohsonCA,(eds.)CambridgeUniversityPress,Cambridge,UK,881pp,2001.[4]MyneniRB,TuckerCJ,AsarG,KeelingCD.Interannualvariationsinsatellite-sensedvegetationindexdatafrom1981to1991.J.GeophysicalResearch,1998,103(D6),6145-6160[5]MyneniRB,KeelingCD,TuckerCJ,AsrarG,NemaniRR.Increasedplantgrowthinthenorthernhighlatitudesfrom1981-1991.Nature,1997,386,698-702[6]ZhouLM,TuckerCJ,KaufmannRK,SlaybackD,ShabanovNV,MyneniR.Variationsinnorthernvegetationactivityinferredfromsatellitedataofvegetationindexduring1981to1999.JournalofGeophysicalResearch,2001,106(D17),20069-20083[7]MyneniRB,DongJ,TuckerCJ,KaufmannRK,KauppiPE,LiskiJ,ZhouL,AlexeyevV,HughesMK.AlargecarbonsinkinthewoodybiomassofNorthernforests.Proc.Natl.Acad.Sci.,2001,98,14784-14789[8]LosSO,CollatzeGJ,BounouaL,SellersPJ,TuckerCJ.Globalinterannualvariationsinseasurfacetemperatureandlandsurfacevegetation,airtemperature,andprecipitation.JournalofClimate,2001,14(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