基于VCI的2003—2017年广东省干旱时空变化特征分析

李维娇, 王云鹏

李维娇, 王云鹏. 基于VCI的2003—2017年广东省干旱时空变化特征分析[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2020, 52(3): 85-91. DOI: 10.6054/j.jscnun.2020048
引用本文: 李维娇, 王云鹏. 基于VCI的2003—2017年广东省干旱时空变化特征分析[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2020, 52(3): 85-91. DOI: 10.6054/j.jscnun.2020048
LI Weijiao, WANG Yunpeng. An Analysis of the Spatial-Temporal Characteristics of Drought in Guangdong Based on Vegetation Condition Index from 2003 to 2017[J]. Journal of South China Normal University (Natural Science Edition), 2020, 52(3): 85-91. DOI: 10.6054/j.jscnun.2020048
Citation: LI Weijiao, WANG Yunpeng. An Analysis of the Spatial-Temporal Characteristics of Drought in Guangdong Based on Vegetation Condition Index from 2003 to 2017[J]. Journal of South China Normal University (Natural Science Edition), 2020, 52(3): 85-91. DOI: 10.6054/j.jscnun.2020048

基于VCI的2003—2017年广东省干旱时空变化特征分析

基金项目: 

国家自然科学基金委-广东联合基金重点项目 U1901215

详细信息
    通讯作者:

    王云鹏,研究员, Email:wangyp@gig.ac.cn

  • 中图分类号: X43

An Analysis of the Spatial-Temporal Characteristics of Drought in Guangdong Based on Vegetation Condition Index from 2003 to 2017

  • 摘要: 为了研究近年来广东省干旱情况的时空变化特征,利用8天250 m分辨率的MODIS地表反射率数据,计算了2003—2017年广东省植被状态指数(Vegetation Condition Index, VCI),并以VCI为干旱指标,采用趋势分析、频率分析和MK检验等方法,对全省干旱的时空特征和趋势进行了分析.结果表明:广东省2003—2017年间的VCI整体呈现显著的上升趋势,80.3%以上区域的VCI变化趋势倾向率为正值,表示全省大部分地区旱情逐年减轻;全省大部分区域发生干旱的频率在0.2~0.6之间,以中旱为主(发生频率:0.2~0.4),重旱较少出现(发生频率:0~0.2);广东省总体干旱面积占比逐年降低,中旱和重旱面积占比也呈现下降的趋势;2017年与2003年相比,总体干旱面积占比减少了39.5%;总体上看,广东省近年来干旱严重程度在逐年减轻,干旱面积也逐年减少.
    Abstract: The temporal and spatial changes of drought in Guangdong Province in recent years were studied. The vegetation condition index (VCI) was calculated using MODIS surface reflectance data of 8 days and 250m resolution. The spatial and temporal characteristics and trend of drought in Guangdong were analyzed using trend analysis, frequency analysis and the Mann-Kenddall trend test. The results show that the average VCI of Guangdong has been rising significantly from 2003 to 2017, and the trend rate of VCI change in more than 80.3% of the whole area is positive, indicating that the drought in most regions of the province is alleviated in the study period. The frequency of drought in most regions of the province is between 0.2 and 0.6, the main drought is moderate drought(frequency: 0.2-0.4), and the severe drought is rare (frequency: 0-0.2). The proportion of drought-affected area in Guangdong has also been decreasing gradually, and the proportions of moderate and severe drought-affected areas show the same trend. Compared with 2003, the proportion of drought-affected area in 2017 decreased by 39.5%. In gene-ral, the severity of drought in Guangdong is decreasing year by year.
  • 含有m-Laplacian项的拟线性波方程源于非线性Voigt模型, 描述的是粘弹性材料杆的纵向振动, 特别是可描述受外力作用的Ludwick材料的振动[1-2]. 近年来, 学者们对带有p-Laplacian项的偏微分方程解的性态作了深入研究, 如:PEI等[3]研究了p-Laplacian型波方程uttpuut=f(u), 其中2 < p < 3且f(u)的指数为超临界情形, 证明了该方程的整体弱解的存在以及当初始能量为负值时其解存在有限时间爆破; NAKAO[4]在适当假设下, 证明了p-Laplacian项为div{σ(|▽u|2)▽u}的偏微分方程的能量解具有多项式衰减性; RAPOSO等[5]考虑了带有记忆项和p-Laplacian项但不含非线性源项和强阻尼项的波方程, 主要通过Galerkin方法证明该方程的整体解存在且能量函数也具有多项式衰减性. 此外, 时滞项是系统不稳定的一个重要因素, 含有时滞项的方程受到越来越多学者的关注, 如: MESSAOUDI等[6]研究了带有强阻尼时滞项的波方程uttu-μ1Δut-μ2Δut(t- τ)=0, 当假设|μ2|≤μ1时证明方程解的适定性以及能量函数具有指数衰减性; FENG[7]在一定条件下利用能量扰动法得到方程uttΔu+t0g(ts)Δu(x,s)dsμ1Δutμ2Δut(tτ)=0解的指数衰减性; MOHAMMAD和MUHAMMAD[8]在文献[7]的基础上研究带有非线性源项|u|p-1u的柯西问题, 证明在初始能量为负时, 解存在有限时间爆破. 更多解的爆破研究可参考文献[9-12].

    基于文献[3, 6-8]的研究, 本文考虑可描述弹性杆纵波振动的带有强阻尼时滞项的粘弹性方程:

    {uttΔmuΔu+gΔuμ1Δut(x,t)μ2Δut(x,tτ)=    |u|p2u      (xΩ,t>0),u(x,t)=0    (xΩ,t0),ut(x,tτ)=f0(x,tτ)(xΩ,t(0,τ)),u(x,0)=u0(x),ut(x,0)=u1(x)(xΩ),
    (1)

    其中,u(x, t)表示振动的位移, gu表示粘弹性弱阻尼, -Δut表示弹性体的内部阻尼, ΩRn (n≥1)上带有光滑边界∂Ω的有界区域, g(·): R+R+是正函数, mμ1μ2p为常数,

    Δmu=div(|u|m2u),(gΔu)(t)=t0g(ts)Δu(s)ds.

    本文主要利用凹性方法, 证明当初始能量0 < E(0) < E1E(0) < 0时, 方程组(1)的解都存在有限时间的爆破, 并给出爆破时间T*的上界估计.

    本文用到Sobolev空间W01, m(Ω) (m≥2)和赋范线性空间Lp(Ω)及其范数‖ · ‖p. 特别地, L2(Ω)的范数表示为‖ · ‖. 正常数K>0为紧嵌入W01, m(Ω)↪Lp(Ω)的最佳嵌入常数. 对方程组(1)中涉及到的函数g(·)和正常数mp假设如下:

    (A1) g: R+R+是非增可微函数, 满足: 1- +0g(s)ds=l0>0, g′(t)≤0, t≥0.

    (A2) 当n>m时, m < pmnnm; 当nm时, m < p < +∞.

    (A3) 常数p和函数g(·) 满足: +0g(s)dsp(p2)(p1)2.

    类似文献[6], 引进新变量

    z(x,ρ,t)=ut(x,tρτ)((x,ρ,t)Ω×(0,1)×(0,+)),

    则有

    τz(x,ρ,t)+zρ(x,ρ,t)=0((x,ρ,t)Ω×(0,1)×(0,+)).

    从而方程组(1)等价于:

    {uttΔmuΔu+gΔuμ1Δut(x,t)μ2Δz(x,1,t)=|u|p2u((x,t)Ω×(0,+)),τz(x,ρ,t)+zρ(x,ρ,t)=0((x,ρ,t)Ω×(0,1)×(0,+)),u(x,t)=0((x,t)Ω×[0,+)),z(x,ρ,0)=f0(x,ρτ)((x,ρ)Ω×(0,1)),u(x,0)=u0(x),ut(x,0)=u1(x)(xΩ).
    (2)

    定义方程组(2)的修正能量函数为

    E(t):=12ut2+1mumm+12(1t0g(s)ds)u2+12(gu)(t)+ξ2Ω10|z(x,ρ,t)|2 dρdx1pupp(t0),
    (3)

    其中

    (gφ)(t)=t0g(ts)φ(t)φ(s)2 ds,τ|μ2|<ξ<τ(2μ1|μ2|),μ1>|μ2|.

    下面给出方程组(1)的弱解定义.

    定义 1  任给定初始值(u0, u1)∈W01, m(ΩL2(Ω), 称H=(u, ut)∈C(R+, W01, m(ΩL2(Ω))为方程组(1)的弱解, 若满足: H(0)=(u0, u1), 且对任意wH01(Ω),有

    (utt,w)+(|u|m2u,w)+(u,w)        t0g(ts)(u(s),w)ds+μ1(ut,w)+        μ2(ut(tτ),w)=(|u|p2u,w).

    类似文献[5]、[6]、[10]的证明, 可直接得到方程组(2)的局部解的存在唯一性:

    定理 1  假设(A1)、(A2)成立, 若初始值满足(u0, u1, f0)∈W01, m(ΩL2(ΩH1(Ω×(- τ, 0)), 则方程组(2)存在唯一局部解, 且存在足够小的T>0, 有

    uC([0,T);W1,m0(Ω)),utC([0,T);H1(Ω))L2([0,T)×Ω),zC([0,T);H1(Ω×(0,1))).

    引理 1  设u是方程组(2)的解, 则存在正常数C1>0, 使得

    E(t)C1(ut2+z(x,1,t)2)<0.

    证明  用ut乘以方程组(2)中的第1个方程, 并在Ω上积分, 得

    ddt[12ut2+1mumm+12(1t0g(s)ds)u2+12(gu)(t)1pupp]=12(gu)(t)12g(t)u2μ1ut2μ2Ωz(x,1,t)ut(x,t)dx.
    (4)

    ξτΔz乘以方程组(2)的第2个方程, 并在Ω×(0, 1)上积分,得

    ξ2ddtΩ10|z(x,ρ,t)|2 dρdx+ξ2τ(z(x,1,t)2ut2)=0.
    (5)

    由Young不等式[13], 可得

    μ2Ωz(x,1,t)ut(x,t)dx|μ2|2z(x,1,t)2+|μ2|2ut2.
    (6)

    由式(4)~(6), 可得

    E(t)12(gu)(t)12g(t)u2+(ξ2τ+|μ2|2μ1)ut2+(|μ2|2ξ2τ)z(x,1,t)2.
    (7)

    因此, 令0<C1min{μ1|μ2|2ξ2τ,ξ2τ|μ2|2}, 由式(7)和假设(A1)可知结论成立.

    下面考虑方程组(2)的初始能量为正值和负值时解的爆破情况. 首先, 引入3个正常数:

    K1=max{1,K},ζ1=Kpm/(mp)1m,E1=(1mp)ζ1.

    引理 2  若假设(A1)、(A2)成立, 且满足

    E(0)<E1,ζ1<1mu0mm+l2u02Km1m,
    (8)

    则存在正常数ζ2>ζ1, 使得

    1mu(t)mm+l2u(t)2ζ2(t0),
    (9)
    u(t)pp(m1mK1)pζp/m2(t0).
    (10)

    证明  由式(3)和假设(A1)、(A2), 可得

    E(t)1mumm+l2u21pupp1mumm+l2u2Kp1pupm(1mumm+l2u2)(m1mK1)pp(1mumm+l2u2)pm=ζ(t)(m1mK1)ppζpm(t):=f(ζ(t)).
    (11)

    其中ζ(t)=1mumm+l2u2. 易知f(ζ(t))在ζ1>0处有最大值E1, 且有

    f(ζ)=1(m1mK1)pmζpmm.
    (12)

    ζ ∈(0, ζ1) 时, f′(ζ)>0, 所以f(ζ)在(0, ζ1)上严格单调递增; 当ζ∈(ζ1, +∞)时, f′(ζ) < 0, 所以f(ζ)在(ζ1, +∞)上严格单调递减. 又由于E(0) < E1=f(ζ1), 则存在正常数ζ2 ∈(ζ1, +∞), 使得f(ζ2)=E(0). 由式(11)可知f(ζ(0))≤E(0)=f(ζ2), 所以ζ(0)≥ζ2.

    假设存在t1>0, 有1mu(t1)mm+l2u(t1)2<ζ2. 进一步地, 由式(11)和f(ζ)的单调性可得E(t2)≥ f(ζ(t2))>f(ζ2)=E(0), 在t ∈(0, T)上与E(t) < E(0)矛盾, 故式(9)成立.

    再一次利用式(11), 可得

    1pupp1mumm+l2u2E(t)    1mumm+l2u2E(0)ζ2E(0)=    (m1mK)ppζp/m2.
    (13)

    因此, 式(10)成立.

    定理 2  在引理2的假设下, 进一步假设(A3)成立, 则方程组(2)的解存在有限时间爆破.

    证明  设函数

    L1(t)=G1α1(t)+εΩuut dx+εμ12u2(t[0,T)),
    (14)

    其中, ε>0为足够小的正实数, 且

    0<αmin{m2p,m22m},
    (15)
    G1(t):=E2E(t),E2(E(0),E1).
    (16)

    下面将证明存在C>0, 使L1(t)满足微分不等式

    L1(t)CLq1(t)(q>1).

    首先, 由式(3)、(16)和引理1, 得

    0<G1(0)<G1(t)    E2(1mumm+l2u2)+1pupp(t0).

    由引理2, 有

    E2(1mumm+l2u2)E2ζ2E1ζ1=mpζ1.

    因此

    0<G1(0)<G1(t)1pupp.
    (17)

    L1(t)关于时间t求导, 有

    L1(t)=(1α)Gα1(t)G1(t)+εut2+        εΩuutt dx+εμ1Ωuut dx=        (1α)Gα1(t)G1(t)+εut2εumm        εu2+εΩu(t)t0g(ts)u(s)ds dx        εμ2Ωu(x,t)z(x,1,t)dx+εupp.
    (18)

    由Young不等式, 有

    Ωu(t)t0g(ts)u(s)ds dx=        t0g(ts)Ωu(t)(u(s)u(t))dx ds+        t0g(s)dsu2δ1(gu)(t)+        (114δ1)t0g(s)dsu2,
    (19)
    μ2Ωu(x,t)z(x,1,t)dx|μ2|4δ2u2|μ2|δ2z(x,1,t)2.
    (20)

    取0<a<1, δ1=p(1-a)/2, 将式(19)、(20)代入式(18), 可得

    L1(t)(1α)Gα1(t)G1(t)+εp(1a)G1(t)+ε(1+p(1a)2)ut2+ε[p(1a)21+(112p(1a)p(1a)2)t0g(s)ds]u2+εaupp+εp(1a)ξ2Ω10|z(x,ρ,t)|2 dρdx+ε(p(1a)m1)ummε|μ2|4δ2u2ε|μ2|δ2z(x,1,t)2εp(1a)E2.
    (21)

    下面对式(21)中一些项进行估计. 令δ2=MG1-α(t) (M>0), 由引理1可得

    εμ2δ2z(x,1,t)2=εM|μ2|Gα1(t)z(x,1,t)2εM|μ2|C1E(t)Gα1(t)=εM|μ2|C1Gα1(t)G1(t).
    (22)

    利用Hölder不等式[14]和嵌入W01, m(Ω)↪Lp(Ω), 结合式(17), 有

    ε|μ2|4δ2u2=ε|μ2|4MGα1(t)u2ε|μ2||Ω|m2m4Mpαupαpu2mε|μ2||Ω|m2mKpα4Mpαupα+2m.
    (23)

    进一步地, 由zνz+1(1+1b)(z+b) (z≥0, 0 < ν≤1, b≥0)和式(23), 可得

    ε|μ2|4δ2u2εC2M(umm+G1(t)),
    (24)

    其中C2:=|μ2||Ω|m2mKpα(1+G1(0))4pαG1(0).

    由假设(A3)和p>m, 可得

    p(1a)21+(112p(1a)p(1a)2)t0g(s)ds>0,p(1a)m1p(1a)2+(21p(1a)p(1a))(1l).

    因此, 令a>0充分小, 取适当的E2 ∈(E(0), E1), 并结合引理2可得

    ε[p(1a)21+(112p(1a)p(1a)2)t0g(s)ds]×u2+ε(p(1a)m1)ummεp(1a)E2ε(p(1a)m)(1mumm+l2u2)εp(1a)E2εC3(1mumm+l2u2),
    (25)

    其中C3=p(1-a)-m- p(1a)E2ζ2≥0.

    将式(22)~(25)代入式(21), 可得

    L1(t)(1αεM|μ2|C1)Gα1(t)G1(t)+ε(p(1a)C2M)G1(t)+ε(1+p(1a)2)ut2+ε(C3mC2M)umm+εlC32u2+εaupp.
    (26)

    在式(26)中, 当a>0充分小、M>0足够大时, 可使p(1-a)-C2M ≥0, 且C3mC2M ≥0. 进一步地, 令ε>0充分小, 可使1-α- εM|μ2|C1≥0. 故存在正常数C4>0, 使得

    L1(t)C4(ut2+umm+u2+upp+G1(t))(t0).
    (27)

    另一方面, 由式(14)可得

    L1/(1α)1(t)C5(G1(t)+(Ωuut dx)11α+u21α).
    (28)

    利用式(15)、(17), 结合Young不等式、Poincaré不等式[13], 得

    (Ωuut dx)11αC6(G1(t)+umm+ut2).
    (29)

    再由式(15)、(17), 有

    u21α=(um)2m(1α)(1+1G1(0))(G1(t)+umm)(1+1G1(0))(G1(t)+|Ω|m22umm).
    (30)

    可得

    L1/(1α)1(t)C6(G1(t)+umm+ut2).
    (31)

    最后, 综合式(27)、(31)可知:存在C>0, 使得

    L1(t)CL1/(1α)1(t)(t0).
    (32)

    对式(32)在(0, t)上积分, 有

    L1/(1α)1(t)1Lα/(1α)1(0)Cα1αt,

    所以, 存在T*1αCαLα/(1α)1(0), 当t趋于T*时, L1(t)趋于无穷, 即方程组(2)的解爆破.

    定理 3  若假设(A1)~(A3)成立, 且初始能量E(0) < 0时, 则方程组(2)的解同样存在有限时间爆破.

    证明  设函数

    L2(t)=G1β2(t)+εΩuut dx+εμ12u2(t[0,T)),
    (33)

    其中, ε>0为足够小的正实数, 0 < β≤min{m2p,m22m}, 且G2(t)=-E(t).

    由式(3)、(16)和引理1, 可得0 < G2(0) < G2(t)≤ 1pupp (t≥0). 参照定理2的证明方法(只需令E2=0), 定理得证.

  • 图  1   研究区的数字地形图

    Figure  1.   The digital elevation model of the study area

    图  2   2003—2017年广东省的VCI及其距平指数变化趋势

    Figure  2.   The trends of VCI and AVCI in Guangdong from 2003 to 2017

    图  3   2003—2017年广东省VCI的MK检验结果

    Figure  3.   The Mann-Kendall mutation analysis results of VCI in Guangdong from 2003 to 2017

    图  4   2003—2017年广东省VCI变化趋势的空间分布

    Figure  4.   The spatial distribution of the VCI trend from 2003 to 2017 in Guangdong

    图  5   广东省干旱发生频率空间分布

    Figure  5.   The spatial distribution of drought frequency in Guangdong

    图  6   2003—2017年广东省干旱面积占比的距平指数变化

    Figure  6.   The AVCI of proportion of drought area in Guangdong from 2003 to 2017

    表  1   广东省2003—2017年干旱面积占比

    Table  1   The proportion of drought-affected area in Guangdong from 2003 to 2017  %

    年份 干旱占比 中旱占比 重旱占比
    2003 46.1 34.2 11.9
    2004 48.8 36.0 12.8
    2005 49.3 34.6 14.7
    2006 46.2 33.6 12.6
    2007 45.5 33.4 12.1
    2008 43.8 32.5 11.3
    2009 42.4 32.1 10.3
    2010 39.2 28.7 10.5
    2011 43.2 32.8 10.4
    2012 37.8 27.4 10.4
    2013 36.5 25.8 10.7
    2014 38.8 28.4 10.4
    2015 33.6 23.5 10.1
    2016 30.4 20.6 9.8
    2017 27.9 20.2 7.7
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-20
  • 网络出版日期:  2021-03-21
  • 刊出日期:  2020-06-24

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