鄧燁，關洪軍

(解放軍理工大學，南京 210000)

1 引 言

地表溫度(land surface temperature，LST)是地表能量平衡、區(qū)域和全球尺度地表物理過程的一個重要因子。是地球系統(tǒng)中水、熱、碳各種循環(huán)過程的主導因子，又是地表能量交換的核心信息。而高海拔山區(qū)地表溫度區(qū)別于一般普通地貌地表溫度，具有復雜的空間和時間變化特征，成為了地表溫度反演領域的重點與難點。通過研究高海拔山區(qū)地表溫度受高程、地形和下墊面等因素影響在年內的變化特征，為進一步研究地表溫度在時間上的變化機理提供理論參考，為提高溫度反演精度及溫度場與雪蓋場作用機理方面提供幫助。

利用遙感探測地表溫度比傳統(tǒng)實測手段在探測范圍、探測效率、探測成本上更具優(yōu)勢。美國Terra和Aqua衛(wèi)星上搭載的主要傳感器──光譜儀(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)是進行大范圍地表溫度遙感的重要探測儀器，具有高時間分辨率、高光譜分辨率的特點。兩顆衛(wèi)星每日可得到白天、夜間各兩幅，共4幅圖像，36個波段，其中有16個熱紅外波段可用來反演溫度。Terra衛(wèi)星是第一顆上午星(EOS-AM1)，過境時間為10：30am左右(赤道地區(qū))。本文利用Terra衛(wèi)星2001年～2010年10年MODIS溫度產品數(shù)據(MOD11A2)進行典型區(qū)域的地表溫度分析。

新疆屬典型干旱半干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，對全球變化響應具有獨特性，能及時、靈敏地反映氣候變化，體現(xiàn)全球變化的早期信號?，敿{斯河是新疆準噶爾盆地最長的內陸河，河流自南向北流經石河子市、沙灣縣、瑪納斯縣等地區(qū)，是新疆政治、經濟與文化的中心，也是典型的灌溉農業(yè)區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)。故本文利用瑪納斯河流域的DEM數(shù)據，在前人研究瑪納斯河流域雪蓋年內變化規(guī)律的基礎上[1]，對其地表溫度的年內變化特征進行深入探討和分析。

2 研究區(qū)簡介

本文研究范圍為瑪納斯河流域，全長324km，位于新疆天山北麓，準噶爾盆地南緣，即43°04′N～44°10′N與84°53′E～86°15′E之間，流域基本呈扇形，地形呈南高北低走勢，海拔596m～5146m，包括上游的呼斯臺河、古仁河以及中下游的清水河山區(qū)，總流域面積約6100km2，如圖1所示。

研究區(qū)地處亞洲中部，遠離海洋，水汽來源少，加之高山環(huán)繞使得水汽難以進入，因此具有明顯的大陸性氣候特征，氣候干旱，降水稀少。年平均氣溫6.2℃～7.8℃，日溫差較大。絕對最高氣溫和絕對最低氣溫分別是40℃和38℃。日照不低于2700h。冬季長達4個多月，氣溫低，但一般積雪深厚，無大風，雪蓋比較穩(wěn)定。

圖1 研究區(qū)示意圖

3 數(shù)據預處理

本文采用地表溫度資料為美國NASA地球觀測系統(tǒng)數(shù)據和信息系統(tǒng)網站(http：//reverb.echo.nasa.gov)提供的分辨率為1km的MODIS/Terra溫度8天合成產品(MOD11A2)。這里選擇8天合成圖像是因為逐日圖像云覆蓋率較大，研究區(qū)域相當一部分為空值，且在長時間序列上，研究多日合成圖像已足夠滿足精度要求。研究區(qū)所在位置為h24v04片，選擇從2001年1月1日至2010年12月27日10年共460幅圖像進行分析。已有研究對MODIS溫度產品進行驗證[2]，發(fā)現(xiàn)產品能夠得到區(qū)域尺度上溫度場的變化，分析熱力差異，達到了溫度產品應用的要求。故本文認為其溫度是準確可靠的。根據研究區(qū)的地理位置和范圍，將MODIS圖像重投影到UTM坐標系，投影橢球體為WGS-84。再進行研究區(qū)的批量裁剪，從而實現(xiàn)對瑪納斯河流域的針對性分析。

本文采用的DEM數(shù)據是ASTER GDEM數(shù)據，空間分辨率30 m，數(shù)據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數(shù)據鏡像網站(http：//datamirror.csdb.cn)。為與MODIS溫度產品數(shù)據進行對比研究，將DEM 30m分辨率圖像用最近鄰法重采樣為1km分辨率圖像，并根據重采樣后的圖像計算坡度分布和坡向分布，結果如圖2所示。

圖2 坡度和坡向分布圖

由于重采樣后分辨率的降低，導致坡度的范圍發(fā)生變化，從原來的0°～90°變?yōu)?.058°～33.017°，這與事實是不符的，故將坡度范圍線性拉伸至0°～90°。坡向范圍同原來不變，仍是0°～360°，按照坡向劃分標準，從正北方向0°開始按順時針方向回到正北方向360°結束。

對重采樣后的高程、坡度、坡向3組數(shù)據進行分析計算，得到三者不同數(shù)值下的頻率直方圖，如圖3(a)、圖3(c)、圖3(e)所示。

根據新疆綜合自然區(qū)劃概要[3]，將研究區(qū)劃分為7個高程帶，分別為梭梭荒漠帶(800m以下)、草原至半灌木過渡帶(800m～1200m)、山地草甸草原帶(1200m～1600m)、云杉林帶(1600m～2700m)、高山嵩草草原帶(2700m～3000m)、高山墊狀植被帶(3000m～3800m)以及冰雪帶(3800m以上)；為了研究地表溫度在不同坡度下的年內變化規(guī)律，將研究區(qū)劃分為4個坡度段，分別是15°以下、15°～25°、25°～45°、45°以上；為了研究地表溫度在不同坡向的年內變化規(guī)律，將研究劃分為8個坡向，分別是北坡(0°～22.5°和337.5°～360°)、東北坡(22.5°～67.5°)、東坡(67.5°～112.5°)、東南坡 (112.5°～157.5°)、南坡(157.5°～202.5°)、西南坡 (202.5°～247.5°)、西坡(247.5°～292.5°)以及西北坡(292.5°～337.5°)。據此得到高程、坡度、坡向在空間上的分布，如圖3(b)、圖3(d)、圖3(f)所示。

圖3 高程、坡度、坡向的頻率直方圖和空間分布圖

4 高程差異分析

將DEM和10年的地表溫度產品疊置，提取不同高程帶每年相同時間點(約11：30am)的地表溫度像元進行平均，得到不同高程帶上平均地表溫度在一年內的變化情況，并進行三點滑動平均處理，如圖4所示。從曲線的分布情況來看，大致可按高程分為3個區(qū)，分別是1600m以下，1600m～3800m和3800m以上。1600m以下區(qū)域，溫度從3月開始急速升高，由1月、2月的約-13℃升高到5月、6月的最高溫度約40℃，5月至8月維持一段時間的高溫后，溫度自9月開始下降并在11月底達到最低溫約-15℃，并一直持續(xù)低溫到翌年3月初，呈現(xiàn)低溫最低，高溫最高的現(xiàn)象，年較差可達55℃，有4個月平均溫度在0℃以下；1600m～3800m區(qū)域，溫度變化趨勢同1600m以下區(qū)域相似，變化幅度較小，呈現(xiàn)低溫偏高，高溫偏低的現(xiàn)象，年較差約為35℃，有4個月平均溫度在0℃以下；3800m以上區(qū)域，溫度變化趨勢相同，但幅度更小，呈現(xiàn)低溫最低，高溫最低的現(xiàn)象，年較差約為25℃，有6個月平均溫度在0℃以下?？偟膩碚f，整體的溫度變化趨勢大致相同，而海拔越高，年較差越小。如果垂直于橫軸畫一條豎線從左至右滑動，觀察與各高程溫度曲線的交點可以發(fā)現(xiàn)，每個時間點上，地表溫度隨海拔并不呈線性關系，而是隨時間不斷變化的，低溫季節(jié)隨高程先升高后降低，高溫季節(jié)隨高程總體上是降低的。

圖4 不同高程帶地表溫度年內變化圖

圖5 不同高程帶溫度均方差年內變化圖

根據不同高程帶的平均地表溫度，計算每一個高程帶上的地表溫度均方差，同樣進行三點滑動平均處理，結果如圖5所示。均方差曲線可間接反映每一高程帶的平均溫差在年內的分布情況，均方差值越高，說明此時此地的地表溫度分布越不均勻。而在同一高程帶上，地表溫度的不均勻程度是受光照條件、風場以及下墊面等季節(jié)性差異因素影響的。根據曲線的分布，大致可按高程分為4個區(qū)，1600m以下、1600m～3800m和3800m以上。1600m以下區(qū)域，地表溫度均方差一年中在6月、7月出現(xiàn)一個較大峰值，經分析可知，這和低海拔區(qū)下墊面例如植被(草原)和裸土(荒漠)在高溫下溫差擴大有關，在2月、3月份和11月、12月出現(xiàn)小的起伏，這與這段時間植被開始生長或衰退，冷暖氣流交替出現(xiàn)相一致；1600m～3800m區(qū)域，均方差在2月、3月、4月和10月、11月出現(xiàn)明顯的峰值，原因同上。在7月、8月、9月出現(xiàn)明顯的谷值，主要因為該高程帶的植被下墊面在此期間發(fā)育達到一致與穩(wěn)定(均是植被)，暖空氣占主導，相對低海拔區(qū)溫差較小；3800m以上區(qū)域，均方差在2月上升至3月的穩(wěn)定值并一直持續(xù)到10月底開始下降，因為雪線以上區(qū)域下墊面常年不變，只在春秋季受氣溫變化影響部分積雪消融或形成。從整體上看，海拔越高，則地表溫度均方差越大，溫度在該高程帶分布越不均勻，但在11月至翌年2月(冬期)內各高程帶均方差值均較小。

5 坡度差異分析

將DEM圖像、坡度圖像和10年地表溫度圖像疊置，分析全高程帶和不同高程帶4種坡度下平均地表溫度的年內變化情況，如圖6和圖8所示。從全高程帶來看，除了坡度15°以外，其他坡度區(qū)域的地表溫度年內整體變化一致，15°以下地區(qū)主要集中在瑪納斯河下游河口平原地區(qū)，從3月到11月，地表溫度明顯高于其他坡度區(qū)域，從11月到翌年3月，地表溫度略低于其他坡度區(qū)域。全高程上不同坡度的地表溫度均方差與溫度變化類似，15°以下坡度均方差年內變化最為明顯，15°以上坡度均方差隨著坡度的增加逐漸減小，如圖7所示。

圖6 不同坡度帶地表溫度年內變化圖

圖7 不同坡度帶溫度均方差年內變化圖

從不同高程帶來看，可發(fā)現(xiàn)以下特征：

(1)不同高程帶上，地表溫度受坡度的影響大小是改變的。3000m以下區(qū)域，坡度越大，地表溫度變化幅度相對越小，即冬季的溫度略高，夏季的溫度略低。造成這種現(xiàn)象的原因是中低海拔區(qū)小坡度區(qū)域夏天因陽光直射升溫和冬天因蒸發(fā)散熱降溫的程度比大坡度區(qū)域要明顯，而大坡度區(qū)域多集中在中間河谷兩側，冬季溫度較山體外圍平原要高，這與山體效應的增溫效應[4-6]比較一致。3000m以上區(qū)域，地表溫度變化幅度基本相同，總體呈現(xiàn)大坡度溫度高，小坡度溫度低的現(xiàn)象。其中，3000m～3800m高程帶上不同坡度溫度由高到低依次是：45°以上區(qū)域>25°～45°區(qū)域>15°以下區(qū)域>15°～25°區(qū)域；3800m以上高程帶是45°以上區(qū)域>25°～45°區(qū)域>15°～25°區(qū)域>15°以下區(qū)域。經分析可知，3000m以上區(qū)域海拔較高，全年溫度較低，積雪頻率和覆蓋率均較高，而坡度越緩，越易積雪，衛(wèi)星測得的地表溫度越低。

(2)坡度的影響是在高程影響基礎上產生的，高程越高，在年內變化曲線上表現(xiàn)為冬夏兩季的變幅越小，但坡度的影響相對高程要小的多，任意兩坡度的最大溫差出現(xiàn)在1200m～1600m和3800m以上高程帶的高溫月份，最大溫差約為5℃，其他高程段溫差較小，約為2℃～3℃。主要受MODIS圖像分辨率的限制(1km)，DEM重采樣后計算的坡度圖丟失很多信息，雖然進行了線性拉伸，但和真實坡度仍有較大差距。

6 坡向差異分析

將DEM圖像、坡向圖像和10年地表溫度圖像疊置和處理，分析全高程帶和不同高程帶8種坡向下平均地表溫度的年內變化情況，如圖9和圖11所示。全高程帶上，南坡、東南坡、西南坡全年溫度都較高；北坡、西北坡溫度年內變化幅度最大，12月至翌年3月溫度最低，5月至9月溫度最高；東北坡全年溫度均較低；東坡、西坡全年溫度分布比較一致，溫度介于最高和最低之間，且東坡溫度一直略大于西坡。全高程帶上的地表溫度均方差可分為北坡、西北坡和其他坡向兩個區(qū)，如圖10所示。北坡和西北坡的均方差全年變化幅度最大，且與溫度呈正相關，低溫處方差最低，高溫處方差最高；其他坡向與溫度也呈正相關，但是變化幅度較小。

圖8 不同高程帶下幾種坡度地表溫度的年內變化差異圖

圖9 不同坡向下地表溫度年內變化圖

圖10 不同坡向下溫度均方差年內變化圖

圖11 不同高程帶下幾種坡向地表溫度的年內變化差異圖

從不同高程帶來看，可發(fā)現(xiàn)以下特征：

(1)2700m以下區(qū)域，地表溫度受坡向影響不是固定不變的，1200m以下區(qū)域溫度北坡全年范圍較其他坡向較高；1200m～1600m區(qū)域，12月至翌年1月、2月，東坡和東南坡溫度較高，西南坡最低，6月、7月、8月西南坡溫度最高，北坡、東北坡溫度最低；1600m～2700m區(qū)域，5月至9月都是南坡溫度最高，其他月份都是東南坡、東坡溫度最高，北坡、西北坡全年溫度都是最低。

(2)2700m以上區(qū)域，地表溫度受坡向影響較為固定，南坡、西南坡溫度在全年均是最高，北坡、西北坡溫度全年均是最低，其他坡向溫度雖有小幅波動但整體上不同坡向的溫差基本保持一致。

(3)坡向的溫度分布同樣受高程影響，任意兩坡向的平均最大溫差約為5℃，且在不同高程上的分布較為穩(wěn)定。

7 結束語

本文利用2001年～2010年的MODIS/Terra地表溫度8天合成產品對瑪納斯河流域的地表溫度年內變化特征進行分析，發(fā)現(xiàn)瑪納斯河流域地表溫度在高程、坡度、坡向上具有明顯的年內變化特征，可將其總結如下：

(1)在高程、坡度、坡向三者對地表溫度的影響效果中，高程影響最為明顯，坡向和坡度的影響則隨高程和時間而不斷變化。且在雪線3800m以下區(qū)域，變化較為復雜，3800m以上區(qū)域，由于下墊面比較單一(主要是積雪)，坡度和坡向成為主要影響因素，和地表溫度的關系比較明顯。

(2)不同高程、坡度和坡向下的地表溫度在空間上分布具有不均勻性，溫度均方差體現(xiàn)了這種空間上的不均勻性。由于其受下墊面、高程、坡向、坡度、光照、風場、地表蒸散等諸多因素的影響，且不同條件下的主導因素不同，有待進一步研究，在本文中只作為具體分析的輔助信息發(fā)現(xiàn)不同高程上均方差分布規(guī)律比較明顯。

(3)在4月至10月之間，平均地表溫度隨高程的增高是降低的，隨坡度的增高是降低的，在坡向上則基本符合南坡最高，北坡最低，東西坡相近的特征。在11月至翌年3月，平均地表溫度的變化則比較復雜，尤其是下游平原，即準噶爾盆地南緣，溫度年較差遠大于山區(qū)，需進一步結合高空間分辨率溫度反演圖像具體分析。

(4)地表溫度在年內最低溫穩(wěn)定出現(xiàn)在12月至翌年2月，最高溫度出現(xiàn)在6月至8月。故可將這兩個范圍的中間月份1月和7月定為具有代表性的冬季月和夏季月，將兩個范圍中間的4月和10月定位具有代表性的春季月和秋季月，便于以后做高空間分辨率下的代表月份地表溫度研究。

致謝：感謝美國NASA網站提供的衛(wèi)星遙感資料以及南京大學地理信息科學系提供的DEM數(shù)據。

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