基于遥感的珠峰地区生态质量气象评价

周刊社，袁 雷，杨志刚，建 军，刘依兰，洪建昌，罗 珍

(1.西藏气候中心，西藏 拉萨 850001; 2.西藏山南地区气象局，西藏 泽当 856000)

基于遥感的珠峰地区生态质量气象评价

周刊社1，袁 雷1，杨志刚1，建 军2，刘依兰1，洪建昌1，罗 珍1

(1.西藏气候中心，西藏 拉萨 850001; 2.西藏山南地区气象局，西藏 泽当 856000)

基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)的MOD13A3/NDVI和2009年的MCD12Q1土地覆盖类型产品等卫星资料为主要遥感数据源，结合珠穆朗玛峰地区的5个气象站及周围的3个气象站的气温(℃)、降水量(mm)、相对湿度(%)、风速(m·s-1)和气压(Pa)等气象要素地面观测资料，以2010年为例，对珠穆朗玛峰地区的湿润指数、植被覆盖指数、水体密度指数、土地退化指数及灾害强度指数进行研究，并运用综合评价指数法分析该地区的生态质量状况。研究发现，卫星资料和气象观测资料的综合应用能提高生态质量的评价效果，综合评价指数法从空间和时间尺度上能较好地反映生态质量的地理分布状况及季节变化。本方法的应用可及时监测珠峰地区生态质量动态变化，为该地区的生态功能区划和生态环境保护规划提供科学依据，为生态环境变化评估提供科学方法。

生态质量气象评价；植被覆盖指数；土地退化指数；综合评价指数

生态环境是人类赖以生存和发展的物质基础，良好的生态环境是社会和经济可持续发展的必要条件[1]，生态环境质量反映生态环境对人类生存及社会经济持续发展的适宜程度，其优劣直接影响着人们生活的舒适程度[2]。随着现代经济的高速发展和人口数量的增加，人们必须从环境中索取越来越多的物质资源，同时向环境排放大量的废弃物，导致生态环境受到的压力和胁迫越来越大，城市化和工农业高度发展引起环境污染，不合理地开发利用自然资源造成生态环境破坏。由此而引起的森林面积减少、水土流失与荒漠化不断加剧，水资源和大气受到不同程度的污染，全球气候变暖等一系列问题，致使生态环境日趋恶化[3-4]。气候作为一种自然资源，其中的气温、降水、日照、风速等发生变化对生态系统产生着明显的影响，也直接影响着生态质量的变化。因此，从气象角度来评价某区域生态质量的优劣及其影响具有很强的代表性[5]。研究表明，20世纪的100年中全球地面平均温度增加了0.4～0.8 ℃，20世纪的升温幅度大于过去1 000年以来任何世纪，陆地上的降水增加了2%左右，但各地区的变化并不一致[6]；1950-2000年陆地地面温度日较差下降，夜间最低温度的上升速度达到白天最高温度上升速度的两倍[7]。西藏高原由于纬度低、海拔高，与同纬度的我国东部地区气候差异大，在全球气候变化中有其自身特殊的演变规律，并对全球气候变化产生重大影响，但也受全球气候变化影响明显。西藏高原呈升温趋势，气温的增长率明显高于全国和全球，且高海拔地区季、年的平均气温的变化趋势较低海拔地区升温强[8]；年降水量变化大部分地区为增加趋势，而阿里地区呈较为明显的减少趋势[9]，气温的明显升高、降水的增加及分布不均必将影响生态质量的变化。

珠穆朗玛峰(以下简称珠峰)地区(图1)具有海拔最高的国家级珠峰自然保护区[10-11]，同时也是气候变化的敏感区，近期显著的持续变暖开始于20世纪70年代末[12]。由于珠峰地区大部处在青藏高原南缘，高原独特的大气环流形势以及特殊的地理位置和地势结构特点，形成了特殊的气候条件和独特的生态环境[13]，此地脆弱的生态环境更易受到气候变化的影响。张玮等[14]研究认为，人类活动与气候因素共同影响植被，其中人类活动产生的土地利用与土地覆被变化为主导因素，不合理的资源利用方式造成了珠峰地区植被部分退化，气温变化是影响该地区植被变化的主要气候因子。随着珠峰地区经济发展和人口数量的增加，农业用地需求增加导致草地和森林面积减少，致使有些地区生态环境遭到破坏，严重影响着当地的生态安全和可持续发展。

图1 珠峰地区及气象站点位置示意

近年来，围绕生态环境质量评价以及评价方法研究[15-17]也开展了大量的工作，遥感资料[18-20]作为一个重要数据源也得到了较为广泛的应用，但综合利用遥感资料结合气象观测资料监测评价西藏高原珠峰地区生态质量的研究甚少。本研究以遥感资料和气象观测资料为主要数据源，以前人提供的规范[5]和方法[21-22]为基础，对珠峰地区的生态质量气象评价方法进行研究，旨在为该地区生态环境监测找到科学简洁的评估方法，及时监测珠峰地区的生态环境变化，为该地区生态功能区划和生态环境保护提供科学依据。

1 数据来源

气象资料来自西藏自治区气候中心；灾情资料来自西藏自治区抗灾办、民政局救灾处、各县(市)气象局；其他数据来自统计局、水利局、林业局等单位。收集2010年所有过境西藏星下点的MODIS数据，其中用以土地利用分类和植被覆盖度计算的数据是采用最大值合成法生成月、年NDVI合成资料。收集整理珠峰地区的聂拉木、日喀则、江孜、拉孜、定日5个气象站，及周围的南木林、尼木和浪卡子3个气象站的气温(℃)、降水量(mm)、相对湿度(%)、风速(m·s-1)和气压(Pa)等气象要素地面观测日资料。

2 生态质量气象评价指数体系

2.1 湿润指数

湿润指数(K)通过式(1)来计算。

K=R/ET0

(1)

式中，R为降水量(mm·d-1)；ET0为日潜在蒸散量(mm·d-1)，利用世界粮农组织(FAO)推荐的Penman-Menteith方程[23]计算。

(2)

式中，Δ为饱和水汽压曲线对温度的斜率(kPa·℃-1)；Rn为净辐射(MJ·m-2·d-1)；G为地热通量(MJ·m-2·d-1)；γ为干湿表常数(kPa·℃-1)；Cn和Cd分别是以天为步长的彭曼公式设置常数(Cn=900，Cd=0.34)；v2为2m高处的风速(m·s-1)；T为日平均温度(℃)；es和ea分别为饱和水汽压(kPa)和实际水汽压(kPa)。

使用珠峰地区5个气象站及周围3个气象站的气象数据并结合式(2)计算各站点的每日潜在蒸散量，将当月的日潜在蒸散量相加即为月潜在蒸散量。然后利用Arcgis软件，将月潜在蒸散量和月降水量点数据分别通过IDW插值法转化为面状栅格数据，再根据式(1)计算各月的湿润指数，12个月平均值代表年湿润指数。

2.2 植被覆盖指数

利用MODIS的NDVI日资料，采用最大值法生成月最大NDVI，再按式(3)计算植被覆盖度。

(3)

式中，Fc为植被覆盖度；NDVImax和NDVImin分别代表研究区域的最好植被覆盖和最差植被覆盖的植被指数，即茂盛植被覆盖区和裸地的NDVI值，NDVI为被计算的地块或像元点的植被指数。利用Arcgis软件处理叠加合成月的NDVI图像，计算出各月的植被覆盖度，12个月平均值代表年植被覆盖度。

用式(4)计算一个评价单元(研究区)内的植被覆盖指数。

P=∑Pvi×Avi/A

(4)

式中，P为植被覆盖指数；Pvi为像元植被覆盖度；Avi为像元植被覆盖率，等于Pvi的像元面积；A为评价单元的总面积。

2.3 水体密度指数

用式(5)计算一个评价单元(研究区)内的水体密度指数(W)。

W=AW/A

(5)

式中，AW为评价单元(研究区)内的水域面积，A为评价单元的总面积。

2.4 土地退化指数

本研究对珠峰地区多年的降水量、气温年较差[11]、年大风日数以及坡度4个指标进行分析，根据各自特征运用IDW内插法将点状数据转化为面状栅格数据，并进行属性同一化处理，然后根据侵蚀程度进行轻度、中度和重度分级。结合属性同一化分级处理后的土地覆盖类型栅格数据，分别赋权重进行计算。最后根据不同侵蚀程度面积利用式(6)计算土地退化指数，综合表征该地区土地退化状况。

土地退化指数=(0.05×轻度侵蚀面积+0.25×中度侵蚀面积+0.7×重度侵蚀面积)/区域面积

(6)

2.5 灾害强度指数

灾害强度指数(DIS)用公式(7)计算。

DIS=∑(Si)

(7)

式中，Si为各灾害因子指数，Si=(0.1×轻度灾害面积+0.3×中度灾害面积+0.6×重度灾害面积+1.0×毁灭性灾害面积)/区域面积。

3 综合评价模型

对生态质量进行评价的方法有很多，如质量评分分级法、指数评价法、模糊评价法、主成分分析法和人工神经网络评价法等，因指数评价法更能体现出生态环境的综合性、整体性和层次性，故本研究采用生态质量综合评价指数法来评价生态质量的好坏。根据评价单元各单项评价指数值及各单项指数权重值，采用加权求和方法计算综合评价指标值(P)，用公式(8)表示如下：

(8)

式中，Pi为i区域(像元点)的生态质量气象评价指标，为该区域的生态质量综合评价指数乘以100；Wij为i区域第j项指数的权重值；Yij为i区域第j项指数值。

生态质量综合评价指数=湿润指数×0.25+植被覆盖指数×0.47+水体密度指数×0.15+(1-土地退化指数)×0.09+(1-灾害指数)×0.04

(9)

利用Arcgis软件，将湿润指数、植被覆盖指数、水体密度指数、土壤退化指数和灾害强度指数的栅格数据，按照式(9)确定的各指数权重进行加权综合计算，得出综合评价指数值栅格图。根据生态质量气象综合评价指标值将生态质量划分成5级：Ⅰ级为100～70(优)，Ⅱ级为70～55(良好)，Ⅲ级为55～30(一般)，Ⅳ级为30～15(较差)，Ⅴ级为15～0(差)，最后输出综合评价图。

4 珠峰地区生态质量气象评价分析

4.1 珠峰地区湿润指数和植被覆盖指数分布

湿润指数和植被覆盖指数是反映该地区生态质量好坏的主要指标。由湿润指数分布(图2)可见，2010年珠峰地区湿润指数高值区主要分布在聂拉木县和吉隆县，中值区位于定结县、岗巴县和定日县大部，低值区大多处在其他县。总体上，大部分地区年均湿润指数比较低，是由于珠峰地区降水主要集中在5-9月，其他时段降水少，年降水在时间上分布极为不均的缘故。珠峰地区绝大部分区域年平均植被覆盖指数在0.4以下，且高值区主要分布在南部边缘的低海拔地区，低值区主要分布在山麓北坡和南部常年冰雪覆盖的高山上(图 3)；东部沿雅鲁藏布江的主要农区植被覆盖度属中等偏低水平，且多呈斑块状分布。这些分布规律与当地的气候、海拔、坡度、土地利用状况均有密切关系。

4.2 珠峰地区土地退化指数分布

珠峰地区土壤退化程度的主要决定自然因素为水力侵蚀、冻融侵蚀和风力侵蚀，其中，中度水力侵蚀占到水力侵蚀总面积的91.1%，轻度冻融侵蚀占到冻融侵蚀总面积的96.3%，轻度和中度风力侵蚀分别占风力侵蚀总面积的42.1%和43.7%(表1)。重度重力侵蚀所占重力侵蚀的比例非常大，与该地区的地形坡度大有关；土地利用造成的工程侵蚀是区域土壤侵蚀最活跃的影响因素之一，其结果可以通过土地利用结构的变化来体现，该地区轻度工程侵蚀所占工程侵蚀的比例较大，重度工程侵蚀也达到了较高的比例。

4.3 珠峰地区各县生态质量综合评价

在吉隆县、聂拉木县、定日县、定结县的低海拔地区，植被覆盖指数随季节的变化不明显，主要因为这些地区基本上以森林和灌丛植被为主，影响这些地方不同季节生态质量的主要因素是湿润指数，而其余地区影响生态质量的主要因素是植被覆盖指数的季节性变化和湿润指数随降水量的旱季与雨季变化。从地理空间位置上，从最西边的吉隆县到最东边的江孜县生态质量呈逐渐变差趋势。其中吉隆 县、聂拉木县和日喀则市生态质量最好，康马县、岗巴县、定结县和定日县生态质量最差。从时间尺度上来讲，各县生态质量7月最好，其中各县80.2%以上面积为一般及以上等级，但良和优面积总共仅占0.7%～19.8%；10月表现较差，1月和4月最差(表2)，这与珠峰地区气温和雨季变化有关。7月份当地处在雨热同季的中期，降水比较频繁，增加了当地的空气湿度和水体面积，同时植被正处在旺盛生长季节，茂盛的分枝和叶片保持了高的植被覆盖度；10月份雨季基本结束，森林和草本植物逐渐进入枯黄期，但还没有完全落叶，这段时间空气湿度、水体面积和植被覆盖度能得到一定的保持；而珠峰地区1月和4月处在干旱季节，水分蒸发加大，水体面积缩小，且植物大部分已经落叶，植被覆盖度处在最低阶段，导致此时生态质量最差。总体上来看，全年各县有63.7%～97.2%的区域生态质量表现为一般，且大部分时间生态质量处在较差等级，存在着明显限制人类生存的因素。

图2 2010年珠峰地区湿润指数分布

图3 2010年珠峰地区植被覆盖指数分布

侵蚀等级Erosionclassification侵蚀类型Erosiontype水力Water冻融Freeze-thaw风蚀Wind重力Gravity工程Engineering轻度侵蚀Veryslighterosion3.196.342.10.777.3中度侵蚀Slighterosion91.13.743.70.00.4重度侵蚀Severeerosion5.80.014.299.322.3

表2 各县2010年不同月份不同等级生态质量面积比例分布

4.4 珠峰地区整体生态质量综合评价

在年尺度上，珠峰地区的生态质量优劣主要表现为一般，约占珠峰地区面积的82.3%；生态质量较差的地区主要分布在珠峰地区中部和南部的定日县、定结县、萨迦县、岗巴县和康马县境内，多为植被稀疏的高山，约占珠峰地区总面积的16.9%；良好等级有极少量斑块状分布，主要散布在西藏南部边缘植被覆盖较好的低海拔原始森林或灌丛区，约占珠峰地区总面积的0.8%(图4)。整个珠峰地区的生态质量7月份明显好于10月份，10月份好于1月份和4月份。

图4 2010年珠峰地区生态质量气象评价分布

5 讨论与结论

根据2010年珠峰地区的生态质量评价结果，从地理空间位置上来讲，生态质量从最西边的吉隆县到最东边的江孜县呈逐渐变差趋势，其中吉隆县、聂拉木县和日喀则市生态质量最好，康马县、岗巴县、定结县和定日县生态质量最差；从时间尺度上来讲，各县生态质量7月最好，10月次之，1月和4月最差。综合指数的评价结果与实际调查相符程度高，能如实反映珠峰地区生态质量的地理分布和时间变化情况。此研究可为不同区域和不同时间尺度生态质量对比研究提供科学方法，从而可以及时监测不同地区的生态质量分布和变化情况。

珠峰地区南部谷底生长着山地亚热带常绿阔叶林和山地暖温带针阔叶混交林，这些植被常年保持着较高的植被覆盖度，高山上发育的草甸植被覆盖度会随着季节的变化而变化，湿润指数也随季节变化明显。山脉北翼的大陆性高原气候决定着发育成的半干旱灌丛到高山寒冻草甸植被覆盖比较差，且季节变化明显，导致生态质量也较差。这些分布情况与横贯于南部的喜马拉雅山脉对印度洋暖湿气流具有很强的阻挡作用有关，在植被覆盖度监测和生态质量监测图中可以得到较为准确的反映。调研发现，在海拔4 700 m左右的局部地区农牧民将草地开垦为农田[24]，挖草地垒墙和盖房等，破坏了地表的植被，并最终导致部分土地沙化严重，这种情况在MODIS遥感资料监测中很难发现。对于较小范围的监测，MODIS遥感数据存在空间分辨率较粗等缺陷和不足，对于人为破坏、改变土地利用方式、严重退化地区可以采用高空间分辨率的遥感影像进一步分析。

本研究中的湿润指数、植被覆盖指数、水体密度指数、土地退化指数和灾害强度指数单一作为生态质量气象评价指数也能反应该地区的生态质量情况，但具有一定的片面性；生态质量综合评价指数的使用令评价结果更具有科学性和代表性。同时，采用遥感卫星资料对植被覆盖、土地利用、水体密度等进行信息提取，具有客观、宏观、经济、快速等优点，适用于生态质量的长期动态监测。

研究发现，利用卫星资料和气象资料结合的气象评价方法对珠峰地区生态质量具有很好的监测作用，数据来源广泛，综合性强，能如实反映实际情况，为以后遥感监测无人区、自然保护区生态质量现状和变化情况提供了较为科学可靠的方法和技术。由于遥感数据易受到云、天气等原因的干扰，从遥感数据提取的各种生态环境因子信息有一定误差，采用何种遥感数据和数据处理方法仍需进一步研究。

[1] 郭旭东,陈利顶,傅伯杰.土地利用土地覆被变化对区域生态环境的影响[J].环境科学进展,1999,7(6):66-75.

[2] 袁兴中,刘红,陆健健.生态系统健康评价——概念构架与指标选择[J].应用生态学报,2001,12(4):627-629.

[3] Peeters E,Franken R,Jeppesen E．Assessing ecological quality of shallow lakes: Does knowledge of transparency suffice[J].Basic and Applied Ecology,2009,10(1):89-96.

[4] Manrull J,Pino J,Tello E．Social metabolism landscape change and land-use planning in the Barcelona Metropolitan Region[J].Land Use Policy,2010,27(2):497-510.

[5] 中国气象局.生态质量气象评价规范(试行)[S].北京:气象出版社,2005.

[6] 《气候变化国家评估报告》编写委员会.气候变化国家评估报告[M].北京:科学出版社,2007:19-28.

[7] 任国玉,郭军,徐铭志.近50年中国地面气候变化基本特征[J].气象学报,2005,63(6):942-956.

[8] 杜军.西藏高原近40年的气温变化[J].地理学报,2001,56(6):682-690.

[9] 杜军,马玉才.西藏高原降水变化趋势的气候分析[J].地理学报,2004,59(3):375-382.

[10] 顿珠拉杰.西藏珠峰自然保护区人文遗产综合考察[J].西藏研究,2010(3):49-63.

[11] 林杉.珠峰自然保护区被列入世界生物圈保护区[EB/OL].(2005-03-25)http://news.xinhuanet.com/newscenter/2005-03/25/content_2742799.htm.

[12] 杨续超,张镱锂,张玮.珠穆朗玛峰地区近34年来气候变化[J].地理学报,2006,61(7):687-696.

[13] 次旦伦珠.珠穆朗玛峰自然保护区概况[J].中国藏学,1997(1):3-22.

[14] 张玮,张镱锂,王兆锋.珠穆朗玛峰自然保护区植被变化分析[J].地理科学进展,2006,25(3):12-22.

[15] 王君华,莫伟华,陈燕丽.基于遥感的广西生态质量气象评价方法研究[J].气象科学,2009,29(6):833-837.

[16] 刘勇洪,吴春艳,李慧君.基于卫星数据的北京市生态质量气象评价方法研究[J].气象,2007,33(2):42-48.

[17] 魏丽,黄淑娥,李迎春.区域生态环境质量评价方法研究[J].气象,2005,31(1):23-28.

[18] 九次力,周兆叶,张学通.GIS表述的生态环境评价体系研究——以青海省为例[J].草业科学,2010,27(12):45-52.

[19] 韩兰英,王宝鉴,张正偲.基于RS的石羊河流域植被覆盖度动态监测[J].草业科学,2008,25(2):11-15.

[20] 权维俊,郭文利,叶彩华.基于TM卫星影像获取北京市水体密度指数与植被覆盖指数的方法[J].南京气象学院学报,2007,30(5):610-616.

[21] 万本太,张建辉,董贵华.中国生态环境质量评价研究[M].北京:中国环境科学出版社,2004:23-27.

[22] 生态质量气象评价方法(征求意见稿).ICS中华人民共和国国家标准 GB/T ××××-××××,2007年5月.

[23] Allen R G,Pereira L,Raes D.Crop Evapotranspiration——Guidelines for Computing Crop Water Requirements[M].Rome:FAO,1998:56.

[24] 张镱锂,黄荣福,王兆锋.珠穆朗玛峰地区第四次综合科学考察——生物与环境组野外调研记录[R].中国科学院地理科学与资源研究所青藏高原土地变化研究组,2005.

(责任编辑 武艳培)

Meteorological evaluation of ecological quality in Mt. Qomolangma region based on satellite data

ZHOU Kan-she1, YUAN Lei1, YANG Zhi-gang1, JIAN Jun2,LIU Yi-lan1, HONG Jian-chang1, LUO Zhen1

(1.Tibet Climate Center, Lhasa 850001, China; 2.Shannan Meteorological Bureau, Tesdang 856000, China)

The present study evaluated the ecological quality of Mt. Qomolangma region in 2010 by establishing the composite index of meteorological evaluation. Five indices including humidity, vegetation coverage, water bodies density, soil degradation and disaster were calculated based on the combined EOS/MODIS satellite data and meteorological data which included satellite data of MOD13A3 in 2010 and MCD12Q1 in 2009 and atmospheric temperature (℃), precipitation (mm), relative humidity (%), wind speed(m·s-1) and pressure (Pa) in 2010 collected from 5 stations in Mt. Qomolangma region and 3 stations surrounding the region. The results showed that composite index of meteorological evaluation can improve the efficiency of the ecological quality evaluation and well describe ecological quality of Mt. Qomolangma region from both geographical distribution and dynamics which can be used to monitor the dynamics of ecological environment. The application of this method could provide a useful tool for scientific evaluation of environmental changes and conduct a scientific basis for ecological function division and ecological environment protection in this region.

meteorological evaluation of ecological quality; vegetation coverage index; soil degradation index; comprehensive evaluation index

YANG Zhi-gang E-mail:tibetygz@126.com

10.11829j.issn.1001-0629.2013-0466

2013-08-14 接受日期：2014-02-22

国家自然科学基金(41165011)；珠穆朗玛峰自然保护区生态质量卫星气象评价系统集成(GMAGJ2012M46)；西藏气象局局设项目《藏北草原牧草生长预测及产草量预报模型研究》

周刊社(1977-)，男，陕西周至人，工程师，硕士，主要从事生态与农牧业气象研究。E-mail:zhoukanshe@163.com

杨志刚(1962-)，男(藏族)，云南迪庆州人，高级工程师，本科，主要从事高原气候、卫星遥感应用研究。 E-mail:tibetygz@126.com

S181;S127

A

1001-0629(2014)06-1014-08*1