青藏高原植被对气候变化的响应研究（1982-2003）

论文摘要

目前,已经有越来越多的证据表明全球气候正逐步变暖,那么植被作为地球系统中对气候变化的敏感组分将如何做出响应?许多研究者指出,在过去20多年中,北高纬地区植被活动明显增强,而且这种趋势与温度升高具有密切关联;那么对于同样受限于温度条件的青藏高原地区而言,植被变化情况又将怎样?本文利用NDVI数据作为植被变化信息的主要来源,分析了1982—2003年间高原植被变化情况（年际变化特征及其空间差异）,并探讨了它们与气候变化之间的关联。具体流程为:利用“标准差法”和“Savitzky-Golay滤波法”对青藏高原GIMMS NDVI图像序列做了降噪与时间插值处理;然后基于改进的“比例阈值法”,从NDVI年内变化曲线中提取了青藏高原1982—2003年间的物候参数（生长季开始时间、生长季结束时间、生长季长度、NDVI年最大值、NDVI年振幅和NDVI生长季积分值）,并通过NDVI年最大值和年振幅的经验组合阈值,逐年判定了高原植被稀疏区的范围;然后利用线性拟合法和经验模式分解法（EMD）,从各个植被指标和气候因子的时间序列中,提取了它们的变化趋势和不同时间尺度上的波动分量。本文还在年际尺度上对物候参数和植被稀疏区面积与各时段气候因子（温度和降水）进行了系统的相关分析,并找出了其中最为显著的相关关系（主控气候因子）;最后将植被指标和主控气候因子的EMD分量（准周期项和变化趋势）也做了相关分析,以求找出其中的关联机制。基于以上的分析,本文得出以下主要结论:1、高原生长季开始时间在研究期内不存在统计显著的线性变化趋势。它的年际变化以3年左右和6～8年的准周期波动为主;其变化趋势以1995年为分界线,在研究期内表现出“先提前（6.5 days/10a）后推迟（4.6 days/10a）”的非线性特征,两种趋势的累计结果使得高原生长季开始时间在1982—2003年间总体提前了4.6天。尽管高原三种主要植被类型（山地灌丛、高山草原和高寒草甸）在生长季开始的绝对时间上存在差异,但其年际波动具有较好的同步性。高原植被生长季开始时间的年际变化,主要受控于Oct.-Mar.P和May T的年际变化,并且对应时段内降水越多,温度越高,生长季开始时间越早。生长季开始时间的3年准周期波动主要是对Oct.-Mar.P高频波动的响应;而May T和Oct.-Mar.P的次高频波动以及它们的非线性变化趋势,可能共同导致了高原生长季开始时间的6～8年准周期波动和研究期内“先提前后推迟”的变化趋势;但山地灌丛特有的12年左右的准周期波动并没有在其主控气候因子中找到对应的EMD分量。2、高原生长季结束时间在研究期内也不存在统计显著的线性变化趋势,其波动分量主要由3年、6年和22年左右的准周期项组成。高原生长季结束时间在研究期内的长期变化趋势表现为:a.1982—1992年生长季结束时间以大约6.9 days/10a的速率向后推迟;b.1992—2003年间则以9.6 days/10a的速率提前;而总体上提前了3.6天。此外,高原主要植被类型在生长季结束时间的年际变化中表现出了一定的差异性。高原生长季的结束时间与Sep.-Oct.T呈显著的正相关,其3年和6年准周期波动可能是对Sep.-Oct.T的高频和次高频波动的响应,但是22年的准周期波动并没有在主控气候因子中得到很好的解释。3、高原生长季长度也相应地表现出“先延长后推迟”的变化特征。它大约以1994年为分界线,前半段以10.9 days/10a的速率延长,而后半段以13.2 days/10a的速率缩短;在两种趋势的共同作用下,高原生长季长度在研究期内只延长了1天左右。山地灌丛、高山草原和高寒草甸在生长季长度的变化趋势上保持了较好的同步性,但其变化强度间存在一定的差异,高寒草甸的变化幅度最大,其次是山地灌丛,最小的是高山草原。此外,高原生长季长度的年际变化主要受控于Oct.-Mar.P、May T和Oct.T的年际变化。4、高原NDVI年最大值在1982-2003年间存在统计显著的增长趋势。该趋势在高山草原中表现最为明显,而在高寒草甸中仅表现在研究期的后半程（1991—2003）。与此相对应的是,山地灌丛NDVI年最大值表现出“先减后增”的非线性变化特征。高原NDVI年最大值存在显著的3年期波动,同时还伴随着12～8年的准周期波动。高原（高寒草甸和高山草原）NDVI年最大值变化与May P和Jul.-Aug.T的年际变化存在较好的正相关关系。尤其是,May P的高频波动与其3年准周期波动具有显著的对应关系,而Jul.-Aug.T的升高趋势很可能是高原NDVI年最大值增长的主要原因。但是,山地灌丛NDVI年最大值与气候因子的相关性均没有通过显著性检验。5、NDVI年振幅在高原整体尺度上不存在统计显著的变化趋势。它的时间序列由3年、6年和12年左右的波动叠加在一个微弱的趋势项（P=0.21）上构成。高原主要植被类型间,NDVI年振幅的变化也存在很大差异。高山草原NDVI年振幅在研究期内具有统计显著的增长趋势,其年际波动主要为3年和12年左右的准周期波动,而缺少6年左右的准周期波动。高寒草甸和山地灌丛的NDVI年振幅在研究期内不存在显著的变化趋势,它们的变化以3年和6年的准周期波动为主,并伴随较弱的12年左右的波动。高原植被NDVI年振幅同样受控于May P和Jul.-Aug.T的年际变化,并且其3年和12年准周期波动可能分别是对May P对其对应时间尺度上波动的响应,但高原NDVI年振幅的6年左右准周期波动没有在主控气候因子中找到对应的波动分量。高寒草甸的NDVI年振幅则主要与May-Jun.P存在显著的正相关,它的3年、6年和12年左右的准周期波动和趋势项分别对应于May-Jun.P的3个IMF分量和变化趋势。高山草原的NDVI年振幅波动主要是对May P的3年期和12年期波动的响应,而其显著的增长趋势可能是Jul.-Aug.T升高趋势的结果。山地灌丛NDVI年最大值与各项气候因子的相关性都没有通过显著性检验。6、高原NDVI积分值在研究期内不存在统计显著的线性变化趋势。它的年际变化由2～3年的高频波动和6年左右的准周期波动,叠加在一个“先增长后降低”的非线性变化趋势上构成。高原三种主要植被类型的NDVI积分值,也都具有相似的变化特征,但高山草原缺少6年左右的准周期波动。高原NDVI积分值的年际变化主要受控于Oct.-Mar.P和Apr.-Sep.T的变化;并且Oct.-Mar.P越大、Apr.-Sep.T越高,高原平均NDVI积分值就越大。其2～3年的准周期波动可能是对Oct.-Mar.P高频波动的响应,而6年准周期波动则同时对应于Oct.-Mar.P和Apr.-Sep.T的次高频波动分量。高原NDVI积分值在前期的增长趋势可能是对Oct.-Mar.P和Apr.-Sep.T上升趋势的共同响应,而在后期主要受到了Oct.-Mar.P下降的胁迫,所以产生了下降趋势。高寒草甸和山地灌丛NDVI积分值,与高原整体尺度上的表现十分一致,只是山地灌丛的高频波动与Oct.-Mar.P对应分量的相关关系失去了统计显著性;而高山草原NDVI积分值则主要受控于Oct.-Mar.P,其2～3年准周期波动和非线性变化趋势可能是对Oct.-Mar.P高频波动和变化趋势的响应结果。7、高原植被稀疏区面积在研究期内存在显著的下降趋势（其中通过线性拟合得到的下降速率为5300 km2/a,而通过EMD得到的数值为4332 km2/a）,其主要原因是Jul.-Aug.T的显著升高。同时,高原植被稀疏区面积变化也具有很强的年际可变性,它们主要来自于其3年左右的准周期波动和不稳定的6年左右准周期波动;而Oct.-Jun.P和Jul.-Aug.T在对应尺度上的波动,可能是它们产生的主要原因。此外,高原植被稀疏区的变化趋势,在空间域内存在很大的差异,这种空间差异性可能主要来源于植被类型、气候变化和（由地理位置和海拔高度的不同所引起的）气候背景的差异。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 英文缩写
• 第一章 绪论
• 第一节 研究背景
• 第二节 植被对气候变化响应的研究进展
• 第三节 研究概述
• 第二章 研究区概况
• 第一节 高原地貌
• 第二节 高原气候
• 第三节 高原植被与土壤
• 第三章 数据的收集与处理
• 第一节 NDVI数据的收集与选择
• 第二节 NDVI时间序列的降噪处理
• 第三节 植被、气候和DEM数据
• 第四章 青藏高原植被物候变化的时空格局
• 第一节 物候指标
• 第二节 时间序列的分析方法
• 第三节 青藏高原物候指标的年际变化
• 第四节 小结与讨论
• 第五章 植被稀疏区的时空变化
• 第一节 植被稀疏区检测
• 第二节 植被稀疏区面积的年际变化
• 第三节 植被稀疏区变化的空间差异
• 第六章 青藏高原的气候变化
• 第一节 青藏高原1982—2003年间的平均气候特征
• 第二节 1982—2003年间降水量和气温的变化趋势
• 第三节 高原尺度上的气候波动特征和趋势
• 第四节 讨论
• 第七章 青藏高原植被与气候的关系
• 第一节 相关分析方法
• 第二节 物候指标年际变化与气候变化之间的关系
• 第三节 植被稀疏区面积变化与气候变化之间的关系
• 第四节 讨论
• 第八章 结论与展望
• 第一节 主要结论
• 第二节 不足与展望
• 参考文献
• 学习期间的主要学术成果
• 致谢
• 图件列表
• List of Figures
• 表格列表
• List of Tables