李可相，肖玖軍，謝元貴，陳 遠(yuǎn)，陳 陽(yáng)，張藍(lán)月

(1貴州科學(xué)院 貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001；2貴州科學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001)

地表溫度(land surface temperature，LST)決定了陸地表層系統(tǒng)輻射能量平衡中的長(zhǎng)波輻射，是陸面過(guò)程及巖石圈與大氣圈之間物質(zhì)流、能量流交換的重要參數(shù)，在全球氣候變化和農(nóng)業(yè)、生態(tài)、水文等領(lǐng)域的研究中具有重要應(yīng)用[1-6]。地表溫度的變化能夠改變地面與大氣之間物質(zhì)與能量平衡，引起氣溫、降水和植被等發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與演變產(chǎn)生重要影響[7]。因此，準(zhǔn)確、及時(shí)獲取LST數(shù)據(jù)，掌握其時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)及區(qū)域氣候演變等方面具有重要意義。

目前，針對(duì)中國(guó)西南地區(qū)地表溫度的研究較少，缺乏連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間跨度的LST變化特征研究。云貴高原作為中國(guó)第四大高原之一，是中國(guó)西南喀斯特地貌發(fā)育最典型的區(qū)域，具有水熱空間分布不均、氣候變化敏感、生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn)，對(duì)其太陽(yáng)輻射特征、氣溫變化特征及氣溶膠排放量變化等方面的研究較多，還未見(jiàn)到對(duì)其地表溫度連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間跨度的研究。傳統(tǒng)的地面溫度監(jiān)測(cè)站存在站點(diǎn)少且相互不聯(lián)系等問(wèn)題，難以準(zhǔn)確反映整個(gè)區(qū)域的地表溫度變化狀況。遙感技術(shù)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)存在的不足，且已被廣泛應(yīng)用于大氣科學(xué)、生物學(xué)及生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域。此外，有研究表明在天氣晴朗和已知發(fā)射率的條件下，基于遙感數(shù)據(jù)計(jì)算的地表溫度精度能夠達(dá)到1K范圍內(nèi)[8]。

本文利用2000—2019年的MODIS數(shù)據(jù)，結(jié)合趨勢(shì)分析和相關(guān)分析等方法，研究分析云貴高原近20年來(lái)LST的時(shí)空變化特點(diǎn)，以期為云貴高原氣候變化研究提供基礎(chǔ)資料，并為該區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及石漠化治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

云貴高原是世界上喀斯特地貌發(fā)育最典型的地區(qū)之一，處于中低緯度過(guò)渡帶，位于中國(guó)地勢(shì)的第二級(jí)階梯上，地勢(shì)西北高，東南低，以烏蒙山為界可將云貴高原大致分為云南高原和貴州高原兩部分[9-11]。受到熱帶和亞熱帶季風(fēng)的影響，氣候多樣且區(qū)域差異顯著，降水具有時(shí)空分布不均，干濕季分明的特點(diǎn)。本文所述云貴高原為云、貴兩省的行政區(qū)域范圍。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文選用的EOS系列衛(wèi)星，具有數(shù)據(jù)免費(fèi)、高光譜分辨率和時(shí)間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，它搭載有中分辨率成像光譜儀(MODIS)，最大空間分辨率可達(dá)250 m，最小為1000 m，掃描寬度2330 km，有36個(gè)離散波段，主要分布在0.4～14 μm，其地表溫度產(chǎn)品(MOD11A2)，每幅產(chǎn)品周期8 d，空間分辨率1000 m，包括7個(gè)波段，以及相應(yīng)的質(zhì)量控制、云覆蓋、獲取時(shí)間、獲取角度等12個(gè)數(shù)據(jù)，基于較為成熟的分裂窗算法分別計(jì)算白天、黑夜地表溫度(K)。MOD11A2數(shù)據(jù)從NASA官方網(wǎng)站(http：//reverb.echo.nasa.gov/)下載，并同時(shí)下載5km空間分辨率的MOD11C3數(shù)據(jù)(月合成全球地表溫度產(chǎn)品)作為補(bǔ)充；土地利用數(shù)據(jù)采用具有相同空間分辨率的WESTDC2.0，來(lái)源于中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//westdc.westgis.ac.cn)；DEM數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http：//www.gscloud.cn/)上獲取。

1.3 研究方法

本文采用斜率分析法和相關(guān)分析法對(duì)研究區(qū)地表溫度的時(shí)空特征及其與下墊面的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究。利用斜率分析法對(duì)不同的柵格變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，得到地表溫度的空間年際變化特征；采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的相關(guān)分析法計(jì)算年均地表溫度與歸一化植被指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，分析二者的密切程度，指出地表溫度與植被之間的聯(lián)系(詳見(jiàn)表1)。基于ArcGIS 13.4、ENVI5.3等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析及處理。

表1 研究分析方法Tab.1 Research and analysis method

2 結(jié)果與分析

2.1 云貴高原地表溫度空間變化特征

2000-2019年，云貴高原多年平均地表溫度的空間分布存在明顯差異，總體呈現(xiàn)由南部低緯度區(qū)域向北部高緯度區(qū)域逐漸減少的趨勢(shì)，并與山脈走勢(shì)相對(duì)一致(如圖2)；多年平均地表溫度的最大值為28.66℃，最小值為-5.180℃，平均值達(dá)到19.0℃，西北部高海拔地區(qū)，包括德欽縣、貢山獨(dú)龍族怒族自治縣及迪慶藏族自治州等縣/州是研究區(qū)地表溫度低值分布較為集中的區(qū)域，多年平均地表溫度僅10.66℃，并隨著怒江、瀾滄江及金沙江向南逐漸升溫。

圖2 2000-2019年研究區(qū)地表溫度的空間分布Fig.2 Spatial distribution of LST in the studyarea from 2000 to 2019

由圖3可見(jiàn)，云貴高原大部分地區(qū)升溫幅度為1.5～2.0℃·a-1，分布在海拔123～4044m范圍內(nèi)；部分區(qū)域地表溫度升溫幅度超過(guò)2.0℃·a-1，主要分布在云南省中部及東部，貴州省西部區(qū)域，多為低洼河谷地帶，人口相對(duì)集中，城鎮(zhèn)發(fā)展較快，例如云南境內(nèi)的紅河縣、元陽(yáng)縣及貴州境內(nèi)的望謨縣等市縣的低洼區(qū)域。

如圖4，將海拔(這里用y表示)劃分為7個(gè)梯度(I：y≤500；II：5005500；單位：m)，并分別計(jì)算各海拔梯度范圍內(nèi)近20年地表溫度的平均值，由圖可知，隨著海拔的升高，地表溫度逐漸降低，并且夜晚降低幅度較白天明顯，白天、夜晚的斜率分別為4.29和4.42。

晝夜溫差總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，上升到4500～5500m范圍后晝夜溫差開(kāi)始下降。

圖4 研究區(qū)地表溫度隨海拔的變化Fig.4 Change of LST with altitude in the study area

2.2 云貴高原地表溫度時(shí)間變化特征

2000-2019年云貴高原地表溫度的變化趨勢(shì)與全球氣候變暖趨勢(shì)相吻合，年際變化總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但變化率較小，僅為0.015℃·a-1，地表增溫幅度不明顯(圖5)。

圖5 2000-2019年研究區(qū)地表溫度年際變化Fig.5 Interannual variation of LST in the studyarea from 2000 to 2019

2000—2019年，云貴高原秋季和冬季的地表溫度季節(jié)差異明顯(圖6)，平均溫差為5.03℃，而春季和夏季的地表溫度季節(jié)差異卻不是很明顯，平均溫差僅為0.60℃。冬季地表溫度的變異系數(shù)最大，為4.84%，其次是秋季，秋季地表溫度的變異系數(shù)為2.71%，春、夏兩個(gè)季節(jié)地表溫度變異系數(shù)分別為2.55%和1.89%，這可能是因?yàn)橄募咎?yáng)輻射及地表反射和吸收太陽(yáng)輻射的能力均比較固定，而冬季不同年份的降雪量會(huì)隨氣候的年際變化而變化，導(dǎo)致不同年份冬季下墊面反射和吸收太陽(yáng)輻射的能力出現(xiàn)明顯變化，從而引起冬季地表溫度波動(dòng)幅度較其他季節(jié)高。

圖6 2000—2019年云貴高原地表溫度的季節(jié)變化(全天)Fig.6 Seasonal variation of LST in the study areafrom 2000 to 2019 (throughout the day)

2000—2019年，研究區(qū)春季白天平均地表溫度較其他季節(jié)高(圖7)，這與云貴高原太陽(yáng)平均輻射量春季最多，秋季最少，夏季多于冬季有關(guān)[12]。春天地表溫度晝夜溫差最大，為12.89℃，秋季地表溫度晝夜溫差最小，為8.64℃，冬季和夏季地表溫度晝夜溫差分別為9.86 ℃和9.09℃。這是由于云貴高原地處巖溶地區(qū)為中心[13]，碳酸鹽巖出露面積廣，土層淺薄，母巖出露，由于露的土壤和巖石熱容量小，且大量的人為活動(dòng)改變了地表性質(zhì)導(dǎo)致地表反照率發(fā)生變化[14-15]，白天在太陽(yáng)輻射影響下，地表溫度迅速升高，特別是春季太陽(yáng)輻射較其他季節(jié)強(qiáng)，平均地表溫度較其他季節(jié)高，到了夜晚地表則以長(zhǎng)波輻射形式向外散熱，地表溫度迅速回落，導(dǎo)致地表溫度晝夜溫差較大，而秋季云貴高原太陽(yáng)輻射量較其他季節(jié)低，夜晚地表向外散熱量也就最小，因此地表溫度晝夜溫差最小。

圖7 2000—2019年地表溫度的季節(jié)變化(白天、夜晚)Fig.7 Seasonal variation of LST from 2000 to2019 (daytime and nighttime)

2.3 不同地類的地表溫度與植被NDVI指數(shù)的關(guān)系

植被指數(shù)是衡量地表植被狀況、指示生態(tài)環(huán)境變化的一個(gè)重要指標(biāo)[16]。植被指數(shù)中應(yīng)用最廣泛的是歸一化植被指數(shù)( Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)，是衡量地表植被狀況、指示生態(tài)環(huán)境變化的一個(gè)重要指標(biāo)，在地表溫度與植被之間的關(guān)系研究中有廣泛應(yīng)用[17-18]。在相同期間內(nèi)，云貴高原不同土地利用類型的地表溫度之間存在明顯差異(圖8)，由圖可以看出，研究區(qū)不同土地利用類型的地表溫度與歸一化植被指數(shù)之間總體均呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，NDVI每下降0.1，草地與林地的地表溫度分別下降2.04℃和2.73℃，而受到人為因數(shù)干擾嚴(yán)重的耕地和建設(shè)用地的降幅分別為1.84℃和1.22℃，說(shuō)明隨著地表植被蓋度的增加，地表溫度明顯下降。草地平均地表溫度達(dá)到了31.38℃，林地僅為26.17℃，溫差為5.21℃，耕地平均地表溫度為30.62℃，建設(shè)用地略高，達(dá)到31.21℃，溫差僅為0.59℃，而草地與建設(shè)用地平均地表溫度卻非常接近，且大于建設(shè)用地，表明在石漠化嚴(yán)重云貴高原，林地地表溫度明顯低于草地、耕地及建設(shè)用地，草地雖然比建設(shè)用地的降溫幅度明顯，但平均地表溫度卻高于建設(shè)用地。在地表溫度與NDVI間的擬合過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，林地地表溫度與NDVI之間的擬合效果較草地、建設(shè)用地和耕地好，決定系數(shù)達(dá)到0.6874。由于MODIS數(shù)據(jù)空間分辨率較低，單個(gè)像元不僅包含建設(shè)用地信息，同時(shí)也包含其他高植被覆蓋度地類(綠化帶、城市森林及人工草地等)信息，導(dǎo)致建設(shè)用地的植被指數(shù)NDVI也具有較高的值(>0.6)，說(shuō)明隨著人類活動(dòng)對(duì)地表物質(zhì)組成的不斷改變，人類活動(dòng)對(duì)地表溫度與植被之間的相互關(guān)系產(chǎn)生了較明顯的影響。

圖8 不同土地利用類型地表溫度與植被指數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between LST and NDVI ofdifferent land use types

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，2000—2019年云貴高原地表溫度變化趨勢(shì)與全球氣候變暖趨勢(shì)相吻合，年際變化總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但變化率較小，僅為0.015℃·a-1，地表增溫幅度不明顯。

云貴高原地表溫度的空間分布存在明顯差異，總體呈現(xiàn)由南部低緯度區(qū)域向北部高緯度區(qū)域逐漸減少的趨勢(shì)，并與山脈走勢(shì)相對(duì)一致；大部分地區(qū)升溫幅度為1.5～2.0℃·a-1，部分區(qū)域地表溫度升溫幅度超過(guò)2.0℃·a-1；隨著海拔的升高，地表溫度逐漸降低，晝夜溫差總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；秋季和冬季的地表溫度季節(jié)差異明顯，而春季和夏季的地表溫度季節(jié)差異卻不是很明顯；春季白天平均地表溫度較其他季節(jié)的高，且地表溫度晝夜溫差最大；歸一化植被指數(shù)能較好的反映人類活動(dòng)不斷改變地表物質(zhì)組成對(duì)地表溫度的影響。本文采用MODIS地表溫度產(chǎn)品，由于其空間分辨率較低，分析過(guò)程中會(huì)遇到區(qū)域數(shù)據(jù)缺失、地物分類不夠精細(xì)等情況，從而影響對(duì)區(qū)域地表溫度環(huán)境變化的研究。未來(lái)隨著遙感技術(shù)的愈發(fā)成熟，可以通過(guò)高空間、時(shí)間分辨率的遙感數(shù)據(jù)解決這一問(wèn)題。