《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Harnessing vegetation indices and remote sensing to assess the impact of Cyclone Kenneth on banana plantations: Insights from Ngazidja Island (Comoros)
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香蕉种植园在Ngazidja岛飓风Kenneth影响下的植被损失评估研究首次结合多传感器NDVI差异分析和空间回归模型，揭示气象因素（风速、降雨）与地形（海拔、坡度）共同导致低海拔缓坡区域植被损失最严重，为小岛屿国家农业灾害评估提供新方法。
安德里亚·阿卜杜萨拉米（Andlia Abdoussalami）| 迪内什·马杜尚卡（Dinesh Madhushanka）| 张学松（Xuesong Zhang）| 李琦（Qi Li）| 胡正华（Zhenghua Hu）| 阿布·雷扎·穆罕默德·托菲库尔·伊斯兰（Abu Reza Md. Towfiqul Islam）
南京信息科学技术大学生态与应用气象学院，中国南京市
摘要
热带气旋对小岛屿发展中国家（SIDS）及其农业构成重大威胁。香蕉是这些岛屿的关键生计和市场经济作物，支撑着家庭粮食安全和当地经济。作为一种重要作物，香蕉在日常消费和经济交流中都具有重要意义。本研究首次从岛屿层面、针对特定作物，评估了肯尼思气旋（Cyclone Kenneth）对大科摩罗（Ngazidja）香蕉种植园的影响。归一化植被指数（NDVI）是一种基于卫星图像的光谱指数，用于量化植被健康状况。NDVI通过近红外和红光反射率之差计算得出，反映植被的绿色程度。在本研究中，我们使用了季节性配对的NDVI合成图像来减少云层污染，并考虑气旋前后图像之间的短期物候变化。岛屿尺度的土地利用分析显示，耕地面积减少了18.7%，裸地面积增加了24.3%；而代表性的北部香蕉种植区（从高分辨率卫星图像中划定出的连续香蕉田地，分辨率足以达到10米）经历了严重的植被损失（ΔNDVI约为-0.32）。空间回归分析表明，距离气旋路径的远近、风速和降雨量是植被损失的最重要预测因素，这些因素在低海拔和缓坡地区影响更为显著。研究结果证明了在数据有限的岛屿环境中，结合多传感器遥感和暴露模型进行快速灾后农业损失评估的有效性，为基于证据的恢复和韧性规划提供了支持。
引言
热带气旋是全球最具破坏性的自然灾害之一，由于强风、风暴潮和暴雨，对生态系统和社会经济造成严重影响[1][2]。在印度洋，气旋活动在西南印度洋（SWIO）盆地尤为严重，这些气旋在温暖的海域形成并增强，经常向西移动进入莫桑比克海峡。位于该海峡内的科摩罗群岛极易受到此类灾害的影响。该地区曾经历过破坏性气旋，如2019年的伊代（Idai）和2023年的弗雷迪（Freddy）。2019年4月登陆恩加齐贾岛（Ngazidja）的肯尼思气旋（Cyclone Kenneth）就是一个例子，它展示了这些气旋对西南印度洋小岛屿发展中国家造成的严重威胁。农业系统尤其脆弱，因为气旋可能导致叶片脱落、作物倒伏、土壤侵蚀和洪水，给农民的产量、粮食安全和经济带来损失。热带和亚热带地区的中小型农场在地理位置上也十分脆弱，因为它们靠近海岸线且适应能力较弱。随着气候变化导致的气旋强度和频率增加，进行快速、空间明确的农业损失评估变得至关重要，以便为恢复措施提供支持并推动气候适应性规划。其中，小岛屿发展中国家（SIDS）面临多重脆弱性：土地面积小、地形多山以及过度依赖对气候敏感的农业，这些因素会加剧气旋带来的影响[3]。恩加齐贾岛（Ngazidja，大科摩罗的最大岛屿）就是这一问题的典型例子。香蕉是该岛的关键生计和市场经济作物，对家庭粮食安全和当地经济具有重要作用[4][5]。2019年4月，肯尼思气旋袭击该岛，造成了广泛的基础设施破坏。西印度洋的热带气旋路径和强度变化很大，2004年的加菲洛（Gafilo）、2014年的赫伦（Hellen）和2019年的肯尼思（Kenneth）等事件都展示了该地区的风暴破坏潜力。莫桑比克海峡和西北印度洋地区经常产生影响马达加斯加、莫桑比克和科摩罗的气旋，此类事件的强度增加给小岛屿带来了日益增长的风险。2019年4月25日，肯尼思气旋以萨菲尔-辛普森等级4级风暴的强度登陆恩加齐贾岛，带来了超过200公里/小时的持续风速和岛北部地区的极端降雨[6][7]。
然而，目前尚无针对整个岛屿范围内特定作物的研究来评估气旋对农业生产力的影响。这种分析对于制定恢复计划和实施农业领域的适应性措施至关重要。通过遥感可以获得可重复的植被状态观测数据，并用于灾后分析[6][7]。在地面数据稀缺的情况下，遥感提供了一种快速、客观且空间明确的植被扰动监测方法，这在数据有限的SIDS地区尤为宝贵。光学植被指数（如归一化植被指数NDVI）被广泛用于量化极端事件后的植被压力、叶片脱落和再生情况。NDVI定义为近红外和红光反射率的归一化比值，可作为植被绿色程度的代理指标。季节性配对的NDVI合成图像可以减少云层污染和气旋前后图像之间的短期物候变化。本研究中的“种植区”是指从高分辨率卫星图像中划定的连续香蕉田地，其面积足够大，可以在10米分辨率下进行准确表示。Sentinel-2图像（10米分辨率）允许在种植区层面进行分析，而Landsat-8图像（30米分辨率）则具有区域覆盖能力。结合这两种数据集可以实现多层次的分析[11][12][13]。然而，光学方法存在局限性，因为受气旋破坏的森林可能会受到云层污染的影响，NDVI无法完全区分结构性植被损失和生理性压力[14][15]。以往关于气旋影响的研究主要集中在森林或广泛的土地覆盖类型上，很少有研究在小岛屿系统中针对特定作物进行详细分析。此外，在将植被指数与气象（风速、降雨量和气旋距离）及地形（坡度、海拔）因素联系起来方面也存在方法学空白[16]。该岛火山内部的中央高地周围环绕着狭窄的沿海平原，香蕉就在这些平原上种植。低洼地区易受洪水和风抛的影响，而陡坡则容易发生侵蚀和滑坡。尽管香蕉对当地粮食生产和家庭福祉至关重要，但此前尚无研究利用气象、地形和多传感器遥感数据来研究肯尼思气旋对恩加齐贾岛农业的影响。本研究通过整合多传感器NDVI差异分析和暴露模型及空间回归，首次在科摩罗进行了特定作物的灾后影响评估。解决这一研究空白对于制定空间明确的灾害风险降低和气候适应措施至关重要。我们假设：(i) 靠近气旋登陆点的香蕉种植区遭受的NDVI损失更大；(ii) 低海拔、缓坡地区由于风和洪水的共同作用，植被损失最为严重。为了验证这些假设，本研究：(1) 使用Landsat-8和Sentinel-2的NDVI数据绘制气旋前后的植被状况；(2) 量化整个岛屿的土地利用和土地覆盖变化；(3) 分析代表性香蕉种植区的NDVI分布；(4) 通过空间回归分析气旋路径距离、风速、降雨量、坡度和海拔对植被损失的影响。这项研究是对小岛屿发展中国家（SIDS）在重大热带气旋后香蕉种植区损失进行深入分析的先例之一。该研究结合了多传感器NDVI数据（Landsat-8和Sentinel-2）、暴露变量（气旋距离）和地形（海拔和坡度），揭示了损害的空间分布和特定地点的农业脆弱性。虽然以往的研究使用NDVI在区域或作物通用层面分析气旋影响，但我们的研究独特地结合了特定作物的关注点、暴露-地形关系以及高分辨率种植区制图，适用于恩加齐贾岛。
研究区域
大科摩罗（Grande Comore），也称为恩加齐贾岛（Ngazidja），是位于西北印度洋的科摩罗群岛中最大的岛屿（图1）。该岛面积约为1,147平方公里，拥有广阔的农业生态系统，其中香蕉作物在当地的农业系统和国家粮食安全中起着关键作用。由于季节变化极端，该岛属于热带海洋性气候，雨季从11月持续到4月。
肯尼思气旋的降雨分布和风场特征
肯尼思气旋在恩加齐贾岛引发了极端气象条件，基于卫星的降雨估计（GPM IMERG）显示，气旋登陆后24小时内降水量超过150-200毫米（图7a）。北部和中部地区的降雨量最大，与气旋路径直接对应，而南部地区的降雨量低于80毫米，反映了风暴的不对称水分分布（图7b）。ERA5再分析数据在空间分辨率上存在不足。
气旋引起的植被损失：全球和岛屿特定背景下的分析
我们的研究通过展示多传感器、特定作物和基于种植区的遥感框架如何有效捕捉SIDS环境中的农业损失，扩展了早期的气旋影响评估。该分析利用详细的土地覆盖数据和气旋暴露指标，直接将地形和生物物理因素与香蕉种植园的损害联系起来，揭示了海拔和坡度的调节作用。
结论
本研究首次针对恩加齐贾岛的特定作物进行了灾后农业损失评估，结合了多传感器NDVI差异分析和气旋暴露及地形预测因子。研究结果表明，位于低海拔、缓坡地区的香蕉种植区遭受了最严重的植被破坏，气旋路径距离、风速、降雨量、坡度和海拔等因素起到了关键作用。
CRediT作者贡献声明
阿布·雷扎·穆罕默德·托菲库尔·伊斯兰（Abu Reza Md. Towfiqul Islam）：撰写 – 审稿与编辑、监督、正式分析、数据管理、概念构思。安德里亚·阿卜杜萨拉米（Andlia Abdoussalami）：撰写 – 初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论设计、调查、正式分析、数据管理、概念构思。李琦（Qi Li）：资源获取、方法论设计、正式分析、概念构思。胡正华（Zhenghua Hu）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、方法论设计、概念构思。迪内什·马杜尚卡（Dinesh Madhushanka）：撰写 – 审稿与编辑。
未引用参考文献
[8], [9], [10]。
数据可用性
本研究使用和分析的数据集可向相应作者索取。本研究中使用的遥感数据（Landsat-8和Sentinel-2）可通过美国地质调查局（USGS Earth Explorer）和欧洲航天局（ESA）公开获取。
伦理审批
本研究未涉及人类参与者或动物，因此无需伦理审批。
致谢
我们感谢南京信息科学技术大学生态与应用气象学院以及气象灾害预测与评估合作创新中心的支持。同时，我们也感谢卫星数据提供者（美国地质调查局和欧洲航天局）公开共享数据。此外，还要感谢科摩罗联盟国家民航与气象局（ANACM）的支持。
