An Analysis of the Spatial-Temporal Characteristics of Drought in Guangdong Based on Vegetation Condition Index from 2003 to 2017
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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.
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Keywords:
- Guangdong /
- MODIS /
- vegetation condition index /
- drought
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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utt-Δpu-Δut=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utt-Δu-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utt−Δu+∫t0g(t−s)Δu(x,s)ds−μ1Δut−μ2Δut(t−τ)=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:
{utt−Δmu−Δu+g∗Δu−μ1Δut(x,t)−μ2Δut(x,t−τ)= |u|p−2u (x∈Ω,t>0),u(x,t)=0 (x∈∂Ω,t⩾0),ut(x,t−τ)=f0(x,t−τ)(x∈Ω,t∈(0,τ)),u(x,0)=u0(x),ut(x,0)=u1(x)(x∈Ω), (1) 其中,u(x, t)表示振动的位移, g*Δu表示粘弹性弱阻尼, -Δut表示弹性体的内部阻尼, Ω是Rn (n≥1)上带有光滑边界∂Ω的有界区域, g(·): R+→R+是正函数, m、μ1、μ2、p为常数,
Δmu=div(|∇u|m−2∇u),(g∗Δu)(t)=∫t0g(t−s)Δu(s)ds. 本文主要利用凹性方法, 证明当初始能量0 < E(0) < E1和E(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.
1. 预备知识
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m、p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 < p≤ mnn−m; 当n≤m时, m < p < +∞.
(A3) 常数p和函数g(·) 满足: ∫+∞0g(s)ds≤p(p−2)(p−1)2.
类似文献[6], 引进新变量
z(x,ρ,t)=ut(x,t−ρτ)((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:
{utt−Δmu−Δu+g∗Δu−μ1Δut(x,t)−μ2Δz(x,1,t)=|u|p−2u((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)(x∈Ω). (2) 定义方程组(2)的修正能量函数为
E(t):=12‖ut‖2+1m‖∇u‖mm+12(1−∫t0g(s)ds)‖∇u‖2+12(g∘∇u)(t)+ξ2∫Ω∫10|∇z(x,ρ,t)|2 dρdx−1p‖u‖pp(t⩾0), (3) 其中
(g∘φ)(t)=∫t0g(t−s)‖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(Ω)×L2(Ω), 称H=(u, ut)∈C(R+, W01, m(Ω)×L2(Ω))为方程组(1)的弱解, 若满足: H(0)=(u0, u1), 且对任意w∈H01(Ω),有
(utt,w)+(|∇u|m−2∇u,∇w)+(∇u,∇w)− ∫t0g(t−s)(∇u(s),∇w)ds+μ1(∇ut,∇w)+ μ2(∇ut(t−τ),∇w)=(|u|p−2u,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(Ω)×L2(Ω)×H1(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
u∈C([0,T);W1,m0(Ω)),ut∈C([0,T);H1(Ω))∩L2([0,T)×Ω),z∈C([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(‖∇ut‖2+‖∇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[12‖ut‖2+1m‖∇u‖mm+12(1−∫t0g(s)ds)‖∇u‖2+12(g∘∇u)(t)−1p‖u‖pp]=12(g′∘∇u)(t)−12g(t)‖∇u‖2−μ1‖∇ut‖2−μ2∫Ω∇z(x,1,t)⋅∇ut(x,t)dx. (4) 用−ξτΔz乘以方程组(2)的第2个方程, 并在Ω×(0, 1)上积分,得
ξ2ddt∫Ω∫10|∇z(x,ρ,t)|2 dρdx+ξ2τ(‖∇z(x,1,t)‖2−‖∇ut‖2)=0. (5) 由Young不等式[13], 可得
−μ2∫Ω∇z(x,1,t)⋅∇ut(x,t)dx⩽|μ2|2‖∇z(x,1,t)‖2+|μ2|2‖∇ut‖2. (6) 由式(4)~(6), 可得
E′(t)⩽12(g′∘∇u)(t)−12g(t)‖∇u‖2+(ξ2τ+|μ2|2−μ1)‖∇ut‖2+(|μ2|2−ξ2τ)‖∇z(x,1,t)‖2. (7) 因此, 令0<C1≤min{μ1−|μ2|2−ξ2τ,ξ2τ−|μ2|2}, 由式(7)和假设(A1)可知结论成立.
2. 解的爆破
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/(m−p)1m,E1=(1−mp)ζ1. 引理 2 若假设(A1)、(A2)成立, 且满足
E(0)<E1,ζ1<1m‖∇u0‖mm+l2‖∇u0‖2⩽K−m1m, (8) 则存在正常数ζ2>ζ1, 使得
1m‖∇u(t)‖mm+l2‖∇u(t)‖2⩾ζ2(t⩾0), (9) ‖u(t)‖pp⩾(m1mK1)pζp/m2(t⩾0). (10) 证明 由式(3)和假设(A1)、(A2), 可得
E(t)⩾1m‖∇u‖mm+l2‖∇u‖2−1p‖u‖pp⩾1m‖∇u‖mm+l2‖∇u‖2−Kp1p‖∇u‖pm⩾(1m‖∇u‖mm+l2‖∇u‖2)−(m1mK1)pp(1m‖∇u‖mm+l2‖∇u‖2)pm=ζ(t)−(m1mK1)ppζpm(t):=f(ζ(t)). (11) 其中ζ(t)=1m‖∇u‖mm+l2‖∇u‖2. 易知f(ζ(t))在ζ1>0处有最大值E1, 且有
f′(ζ)=1−(m1mK1)pmζp−mm. (12) 当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1m‖∇u(t1)‖mm+l2‖∇u(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
1p‖u‖pp⩾1m‖∇u‖mm+l2‖∇u‖2−E(t)⩾ 1m‖∇u‖mm+l2‖∇u‖2−E(0)⩾ζ2−E(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)=G1−α1(t)+ε∫Ωuut dx+εμ12‖∇u‖2(t∈[0,T)), (14) 其中, ε>0为足够小的正实数, 且
0<α⩽min{m−2p,m−22m}, (15) G1(t):=E2−E(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
L′1(t)⩾CLq1(t)(q>1). 首先, 由式(3)、(16)和引理1, 得
0<G1(0)<G1(t)⩽ E2−(1m‖∇u‖mm+l2‖∇u‖2)+1p‖u‖pp(t⩾0). 由引理2, 有
E2−(1m‖∇u‖mm+l2‖∇u‖2)⩽E2−ζ2⩽E1−ζ1=−mpζ1. 因此
0<G1(0)<G1(t)⩽1p‖u‖pp. (17) 对L1(t)关于时间t求导, 有
L′1(t)=(1−α)G−α1(t)G′1(t)+ε‖ut‖2+ ε∫Ωuutt dx+εμ1∫Ω∇u⋅∇ut dx= (1−α)G−α1(t)G′1(t)+ε‖ut‖2−ε‖∇u‖mm− ε‖∇u‖2+ε∫Ω∇u(t)∫t0g(t−s)∇u(s)ds dx− εμ2∫Ω∇u(x,t)⋅∇z(x,1,t)dx+ε‖u‖pp. (18) 由Young不等式, 有
∫Ω∇u(t)∫t0g(t−s)∇u(s)ds dx= ∫t0g(t−s)∫Ω∇u(t)⋅(∇u(s)−∇u(t))dx ds+ ∫t0g(s)ds‖∇u‖2⩾−δ1(g∘∇u)(t)+ (1−14δ1)∫t0g(s)ds‖∇u‖2, (19) −μ2∫Ω∇u(x,t)⋅∇z(x,1,t)dx⩾−|μ2|4δ2‖∇u‖2−|μ2|δ2‖∇z(x,1,t)‖2. (20) 取0<a<1, δ1=p(1-a)/2, 将式(19)、(20)代入式(18), 可得
L′1(t)⩾(1−α)G−α1(t)G′1(t)+εp(1−a)G1(t)+ε(1+p(1−a)2)‖ut‖2+ε[p(1−a)2−1+(1−12p(1−a)−p(1−a)2)∫t0g(s)ds]‖∇u‖2+εa‖u‖pp+εp(1−a)ξ2∫Ω∫10|∇z(x,ρ,t)|2 dρdx+ε(p(1−a)m−1)‖∇u‖mm−ε|μ2|4δ2‖∇u‖2−ε|μ2|δ2‖∇z(x,1,t)‖2−εp(1−a)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
−ε∣μ2∣δ2‖∇z(x,1,t)‖2=−εM|μ2|G−α1(t)‖∇z(x,1,t)‖2⩾εM|μ2|C1E′(t)G−α1(t)=−εM|μ2|C1G−α1(t)G′1(t). (22) 利用Hölder不等式[14]和嵌入W01, m(Ω)↪Lp(Ω), 结合式(17), 有
−ε|μ2|4δ2‖∇u‖2=−ε|μ2|4MGα1(t)‖∇u‖2⩾−ε|μ2||Ω|m−2m4Mpα‖u‖pαp‖∇u‖2m⩾−ε|μ2||Ω|m−2mKpα4Mpα‖∇u‖pα+2m. (23) 进一步地, 由zν≤z+1≤(1+1b)(z+b) (z≥0, 0 < ν≤1, b≥0)和式(23), 可得
−ε|μ2|4δ2‖∇u‖2⩾−εC2M(‖∇u‖mm+G1(t)), (24) 其中C2:=|μ2||Ω|m−2mKpα(1+G1(0))4pαG1(0).
由假设(A3)和p>m, 可得
p(1−a)2−1+(1−12p(1−a)−p(1−a)2)∫t0g(s)ds>0,p(1−a)m−1⩽p(1−a)−2+(2−1p(1−a)−p(1−a))(1−l). 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(1−a)2−1+(1−12p(1−a)−p(1−a)2)∫t0g(s)ds]×‖∇u‖2+ε(p(1−a)m−1)‖∇u‖mm−εp(1−a)E2⩾ε(p(1−a)−m)(1m‖∇u‖mm+l2‖∇u‖2)−εp(1−a)E2⩾εC3(1m‖∇u‖mm+l2‖∇u‖2), (25) 其中C3=p(1-a)-m- p(1−a)E2ζ2≥0.
将式(22)~(25)代入式(21), 可得
L′1(t)⩾(1−α−εM|μ2|C1)G−α1(t)G′1(t)+ε(p(1−a)−C2M)G1(t)+ε(1+p(1−a)2)‖ut‖2+ε(C3m−C2M)‖∇u‖mm+εlC32‖∇u‖2+εa‖u‖pp. (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C3m−C2M ≥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
L′1(t)⩾C4(‖ut‖2+‖∇u‖mm+‖∇u‖2+‖u‖pp+G1(t))(t⩾0). (27) 另一方面, 由式(14)可得
L1/(1−α)1(t)⩾C5(G1(t)+(∫Ωuut dx)11−α+‖∇u‖21−α). (28) 利用式(15)、(17), 结合Young不等式、Poincaré不等式[13], 得
(∫Ωuut dx)11−α⩽C6(G1(t)+‖∇u‖mm+‖ut‖2). (29) 再由式(15)、(17), 有
‖∇u‖21−α=(‖∇u‖m)2m(1−α)⩽(1+1G1(0))(G1(t)+‖∇u‖mm)⩽(1+1G1(0))(G1(t)+|Ω|m−22‖∇u‖mm). (30) 可得
L1/(1−α)1(t)⩽C6(G1(t)+‖∇u‖mm+‖ut‖2). (31) 最后, 综合式(27)、(31)可知:存在C>0, 使得
L′1(t)⩾CL1/(1−α)1(t)(t⩾0). (32) 对式(32)在(0, t)上积分, 有
L1/(1−α)1(t)⩾1L−α/(1−α)1(0)−Cα1−αt, 所以, 存在T*≤ 1−αCαLα/(1−α)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)=G1−β2(t)+ε∫Ωuut dx+εμ12‖∇u‖2(t∈[0,T)), (33) 其中, ε>0为足够小的正实数, 0 < β≤min{m−2p,m−22m}, 且G2(t)=-E(t).
由式(3)、(16)和引理1, 可得0 < G2(0) < G2(t)≤ 1p‖u‖pp (t≥0). 参照定理2的证明方法(只需令E2=0), 定理得证.
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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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1. 欧阳柏平,侯春娟. 一类具有非线性项的弱耦合半线性双波动系统全局解的非存在性. 华南师范大学学报(自然科学版). 2023(03): 103-109 . 百度学术
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