基于长时间序列遥感数据的青藏高原植被物候研究

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联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第三次气候评价报告显示,20世纪全球平均地表温度增加了0.6℃,并且21世纪将继续增温1.4℃到5.8℃,全球气候变化已经成为当今世界关注的一个焦点问题。植物物候是植物受气候和其他环境因子的影响而出现的以年为周期的自然现象,是植物长期适应环境的季节性变化而形成的生长发育规律。因此植物物候变化是全球气候变化最直接、最敏感的指示器。对植被物候的监测及研究正在成为探索全球变化及其对陆地生态系统影响的一个重要途径。青藏高原作为地球的第三级,其高寒植被对全球变化响应异常敏感,成为研究全球变化的理想区域。因此,针对青藏高原这个独特地域单元上特殊的高寒植被进行关键物候期遥感提取、植被物候时空变化以及物候影响因子的研究具有十分重要的意义。  本文基于1983-2006年NOAA/AVHRR及2003-2012年的MODIS归一化植被指数NDVI时间序列产品数据集,对近三十年青藏高原植被物候特征及其对全球变化的响应进行了系统地研究。为最大限度降低云、大气、雪覆盖等条件的影响,提高植被物候提取结果的准确性,首先利用反距离加权空间插值与Savitzky-Golay滤波相结合的方法进行长时间序列NDVI数据集的平滑重建,其次通过对常见遥感物候提取模型提取结果的对比分析,并结合日均温模型对提取结果的验证,选择建立青藏高原典型植被生长季的最优遥感提取模型,基于该模型,反演了青藏高原过去30年来(1983.1-2012.12)的植被物候数据,并分析了青藏高原物候变化及其对气候变化的响应机制。研究结果表明:  1、1983-2012年,青藏高原植被生长开始期(SOS)、生长结束期(EOS),生长季长度(LOS)多年均值整体呈现由东南向西北阶梯性过渡的分布规律。受青藏高原从东南向西北温度越来越低、降水越来越少的影响,青藏高原植被由东南向西北,SOS越来越晚、EOS越来越早、LOS越来越短。并且,1983-2002年间,青藏高原植被总体呈现SOS推迟(0.19d/y)、EOS提前(0.4505d/y)、LOS缩短(0.59d/y)的趋势;2003-2012年间,总体呈现SOS提前(0.15d/y)、EOS推迟(0.03d/y)、LOS延长(0.11d/y)的趋势。但是,1983-2012年间,植被SOS、EOS、LOS并不是连续性的推后或延迟:受1998及2007年前后极端天气条件的影响,青藏高原植被生长季开始及结束时间在1998年前后、2007年前后出现十分明显的趋势转变或速率变化。青藏高原植被总体SOS、EOS、LOS的变化与青藏高原温度及降水变化密切相关。  2、高寒植被类型不同,其生长季开始、结束及持续的时间也不同。青藏高原分布最广的四种典型高寒植被分别为:高寒草原、高寒草甸、高山稀疏植被及灌丛。对四种典型植被物候特征的对比研究结果发现:四种典型高寒植被中,灌丛SOS开始时间最早,这主要是由于其主要分布在高原温带湿润半湿润地区的川西藏东高山深谷和果洛那曲丘状高原地区,生长所需的水热条件相对较好。另外,与1983-2002年间相比,灌丛在2003-2012年间SOS明显提前、EOS推迟、LOS延长。  3、植被类型不同,其SOS、EOS、LOS的变化趋势及变化速率也不同。1983-2002年间,高寒草原、高寒草甸、高山稀疏植被SOS均呈推迟趋势,推迟速率分别为0.3802d/y、0.0848d/y、0.1553d/y,而灌丛SOS呈提前趋势;高寒草原、高寒草甸、高山稀疏植被及灌丛EOS均呈现不同程度的提前趋势(0.6097d/y、0.2907d/y、0.4352d/y及0.3029d/y);高寒草原、高寒草甸、高山稀疏植被及灌丛LOS均表现为缩短的趋势(0.9900d/y、0.3755d/y、0.5905d/y及0.2885d/y)。2003-2012年间,高寒草原、高寒草甸及高山稀疏植被SOS均呈现不同程度的提前趋势(0.1615d/y、0.2268d/y及0.0144d/y),高山稀疏植被SOS呈推迟趋势;高寒草原、高寒草甸、及灌丛均表现为LOS延长的趋势,其中以灌丛LOS延长趋势最为明显(0.6473d/y)、其次为高寒草原(LOS延长速率为0.3825d/y);然而,因SOS推迟、EOS提前的影响,高山稀疏植被LOS表现为明显缩短趋势(0.5097d/y)。四种典型植被物候对气象因子响应的研究结果表明:春季温度变化是影响四种典型植被SOS变化的主要因素,而秋季温度变化是造成典型植被EOS变化的主要因素。  4、由于生态地理环境的差异,生长在不同生态地理区域内的高寒草地物候特征差异明显,主要表现为高寒草地在不同生态地理区域内SOS、EOS多年均值、多年变化趋势及变化速率的不同。而高寒草原物候变化的主导因素在各生态地理区域内存在差异,如同处于高原亚寒带半干旱地区的两个区域(HIC1青南高原宽谷和HIC2羌塘高原湖盆),植被SOS变化主要受冬季温度变化的影响,EOS则主要受秋季降水的影响;而处于高原温带半干旱地区的青东祁连山脉(HIIC1)及高原温带湿润半湿润地区的川西藏东高山深谷(HIIA/B1),植被SOS变化主要受春季温度的影响,而EOS变化则主要受秋季温度的影响。  5、以100m为单位划分海拔梯度区间,分析不同海拔区间内的植被物候变化特征,结果表明:植被SOS随海拔高度的升高而推迟,1983-2002年,SOS随海拔升高而推后的速率为0.09d/100m,2003-2012年间,为0.69d/100m。1983-2002年青藏高原植被SOS、EOS在高海拔地区的各高程区间内的年季变化辐度明显大于低海拔地区,从而,高海拔地区的植被关键物候期变化对全球变化的响应更为敏感。
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