喀斯特与非喀斯特区地表温度...——基于近邻成对像元的比较_廖梦垚.pdf

资源环境农业与技术2023，Vol.43，No.06喀斯特与非喀斯特区地表温度对比分析基于近邻成对像元的比较基于近邻成对像元的比较廖梦垚1罗娅1，2余军林3徐雪1张春长1赵爽1(1.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025;2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵州 贵阳 550025;3.贵州省水利科学研究院，贵州 贵阳 550001)摘要:地表温度深受下垫面条件的影响，对维持地表能量平衡和保护生态环境具有重要意义。喀斯特区的地表温度特征与非喀斯特区有所不同，已有研究未能有效控制经度、纬度、地形因子和空间尺度等因素对地表温度的影响，对喀斯特与非喀斯特区的地表温度差异定量分析精度不够。基于近邻成对像元比较的方法，获取贵州西南紫云、望谟两县 20002018 年的地表温度，对比分析喀斯特与非喀斯特区地表温度的差异。结果表明:在年尺度，喀斯特区地表温度高于非喀斯特区，差值为 0.19，但两类地区的地表温度波动性无明显差异。在季节尺度，喀斯特区四季的地表温度均高于非喀斯特区，两者差异在夏、冬季节(0.12)略大于春季(0.10)和秋季节(0.11);两类地区的地表温度波动性在冬季最大，在夏季最小，但两者差异在四季均不明显。在月尺度，喀斯特区各月的地表温度均高于非喀斯特区，两者差异在 8 月最大，为 0.24;在 2 月最小，为 0.10;两类地区的地表温度波动性除在 2 月和 11 月存在明显差异外，在其他月份均无明显差异。以上研究结果降低了经度、纬度、地形因子和空间尺度对喀斯特与非喀斯特区地表温度差异的不确定影响，可为同类地区的生态保护和产业规划提供参考。关键词:喀斯特区;非喀斯特区;地表温度;近邻成对像元比较中图分类号:S181文献标识码:ADOI:10.19754/j.nyyjs.20230330018收稿日期:20230106基金项目:国家自然科学基金委员会贵州省人民政府喀斯特科学研究中心项目(项目编号:U1812401);贵州省普通高等学校科技拔尖人才支持计划项目(项目编号:黔教 KY 2018 042);贵州省科技计划项目(项目编号:黔科合支撑 2020 4Y016);贵州省水利科技经费项目(项目编号:KT202108)作者简介:廖梦垚(1997)，女，硕士在读。研究方向:生态水文遥感与水土资源保护;通讯作者罗娅(1979)，女，教授。研究方向:生态水文遥感与水土资源保护。引言地表温度指地表的辐射表层温度，是陆地大气能量相互作用的主要驱动力和地球表面热液状态的关键指标13。地表温度是地表过程变化研究中一个不可或缺的重要地球物理参数，蕴含着丰富的地学信息，对农业生产、城市热岛、气候变化、自然灾害和环境监测等方面有着重要意义4，而地貌、气候5、下垫面6 等环境因素也不断影响着地表温度的空间分布。不同下垫面具有不同的自然背景7、土地利用类型8 和植被覆盖程度9，这些因素的变化影响着地表的能量辐射吸收，引起局部地区小气候的变化。因此，对比分析不同下垫面地表温度的差异性，对维持地表能量平衡和保护生态环境具有重要意义。喀斯特区拥有独特的地貌形态、水文循环、土地覆被等下垫面要素，其地表温度特征与非喀斯特区有明显的差异。对比分析喀斯特与非喀斯特区的地表温度差异，有助于因地制宜地对相关区域开展生态保护和产业布局。研究表明，喀斯特区夏季地表温度异常高温的原因可能与喀斯特石漠化相关10。海拔与纬度是影响地温变化的主导驱动因子11。喀斯特城市的热环境受到的地形地貌影响与非喀斯特城市具有差异12，不透水面、植被、水体、裸岩是影响喀斯特城市地表温度的主要因素13，并且喀斯特城市的热岛772023，Vol.43，No.06农业与技术资源环境现象与其他城市类型不同，受地形地貌的影响，主城区以外的区域同样分布有一定面积的高温区12。这些研究较好地阐释了喀斯特与非喀斯特区地表温度特征及影响因素，但开展研究的喀斯特与非喀斯特区的地理位置和空间尺度不同，未能有效控制经度、纬度、地形因子和空间尺度等因素对地表温度的影响，对喀斯特与非喀斯特区的地表温度差异定量分析精度不够，导致研究成果的适应性受到一定限制。基于近邻成对像元比较的方法，使所研究的喀斯特与非喀斯特区在地理位置和空间尺度保持相似性和一致性，可降低经度、纬度、地形因子和空间尺度对研究结果的不确定影响，对于对比分析喀斯特区与非喀斯特区的地表温度差异有着较好的优势。因此，运用近邻成对像元比较法，对比分析喀斯特与非喀斯特区地表温度的年均差异、季节差异和月差异，为精准开展生态保护和产业布局提供参考。1研究方法和数据来源1.1研究区概况研究区位于贵州省西南部的紫云、望谟两县，见图 1，地理位置为 N2453 263，E10549 10632，总面积为 5392km2。该区喀斯特和非喀斯特交错分布，两者面积分别占总面积 55.84%和 44.16%。气候属亚热带季风湿润气候，冬无严寒，夏无酷暑;雨量充沛，热量丰富，水热同季，年 均气 温 15.3 19.5，年降雨量 1236.81337mm。因地处贵州高原向广西丘陵过渡的斜坡地带，海拔 2751718m，海拔差异大，对地表温度的影响明显。图 1研究区位置及近邻成对像元分布1.2数据来源地表温度(Land surface temperature，LST)数据源自国家青藏高原科学数据中心(http:/)的数据集 TIMS LST(Thermal and eanalysisIntegrating Moderateresolution Spatialseamless LST)14，时间分辨率为逐日，空间分辨率为 1km，时间跨度为20002018 年1517。其余相关辅助数据中，紫云、望谟两县的行政区划图来源于国家地球系统科学中心(http:/www.geo- 3 种时间尺度，对喀斯特与非喀斯特区 20002018 年的地表温度开展对比分析，每个时间尺度的地表温度数据均通过均值合成法获取。具体地，将每日数据合成为月数据，按35 月为春季、68 月为夏季、911 月为秋季、12月第 2 年 2 月为冬季合成四季数据，将月数据合成为年数据。2.2近邻成对像元选择在喀斯特与非喀斯特区交界处两侧各选 1 个点，形成近邻成对像元，确保所选的成对像元具有相同的面积与相似的经度、纬度、海拔等条件。共选出 502个像元形成 251 组像元对，见图 1，统计所选出的 251组近邻成对像元的地表温度，分析喀斯特与非喀斯特区地表温度的差异性。2.3变异系数运用变异系数分析喀斯特区和非喀斯特区地表温度的波动情况18。公式如下:CV=1xni=1(xi x)n 1(1)式中，CV为喀斯特区和非喀斯特区地表温度的变异系数;xi表示第 i 个对比点的地表温度;!x 表示平均值;n 为对比点数量。其中，Cv值越小，表明波动性越小，稳定性越高;反之则越低。3结果分析3.1喀斯特与非喀斯特区年均地表温度对比如图 2 所示，年均地表温度及其变异系数在喀斯特区分别为 26.70 和 0.06，在非喀斯特区分别为26.51和 0.06。可以看出，年均地表温度在喀斯特区比在非喀斯特区高 0.19，但变异系数在两类地区相同，说明喀斯特区地表温度比非喀斯特区高，但两者的波动性未出现明显差异。87资源环境农业与技术2023，Vol.43，No.063.2喀斯特与非喀斯特区季节地表温度对比如图3 所示，在春、夏、秋、冬四季，喀斯特区的地表温度分别为28.64、30.79、26.57、20.98;非喀斯特区的地表温度分别为 28.54、30.67、26.46、20.86。四季的地表温度在喀斯特与非喀斯特 区 的 差 值 分 别 为 0.10、0.12、0.11、0.12，但变异系数在两类地区 相同，呈现冬 季(0.08)春季、秋季(0.06)夏季(0.05)。结果表明，喀斯特区四季的地表温度均高于非喀斯特区，且两者差异在夏冬季节大于春秋季节;两类地区地表温度的波动性在冬季最大，在夏季最小，但两者差异在四季均不明显。图 2喀斯特与非喀斯特区地表温度年均值和变异系数图 3喀斯特与非喀斯特区地表温度季节均值和变异系数3.3喀斯特与非喀斯特区月均地表温度对比如图 4 所示，从各月的变化情况看，喀斯特区的月均地表温度高于非喀斯特区，两者的差值在 8 月最大，为 0.24;在 2 月最小，为 0.10。从地表温度的变异系数来看，两类地区均呈现 1 月最大(0.09)，69 月最小(0.05)的特征;两者差异除 2 月和 11月表现为喀斯特区高于非喀斯特区外，其余各月基本一致。结果表明，喀斯特区各月的地表温度均高于非喀斯特区，两类地区地表温度差异在 8 月最大，在 2月最小;两类地区的地表温度波动性除在 2 月和 11月存在明显差异外，在其他月份均无明显差异。4讨论4.1下垫面性质对喀斯特与非喀斯特区地表温度的影响下垫面的热容量性质是影响地表温度的重要因素。喀斯特区土层薄，水分含量低，比热容小;非喀斯特区土层厚，水分含量高，比热容大。接收相同的辐射时，喀斯特区增温较非喀斯特区快而强19。因此，在确保地理位置和空间尺度相似或一致的前提下，喀斯特区的地表温度要高于非喀斯特区。研究区位于北半球，辐射夏强冬弱，两者的差异也自然呈现8 月大、2 月小的特征。此外，地表植被通过调节潜热和显热交换，也会影响地表温度20。所研究的 251 组近邻成对像元中，喀斯特区的增强型植被指数(enhancedvegetation in-dex，EVI)(0.565)小于非喀斯特区(0.574)，表明喀斯特区的植被覆盖度较非喀斯特区低。同时，研究区位于湿润区，非喀斯特区植被相对较好，其留存的水分较丰富，吸收的热量较多，使到达地表的热量减少，最终促使非喀斯特区的地表温度比喀斯特区低。20002018 年，伴随增强型植被指数(EVI)的增加，喀斯特与非喀斯特区的地表温度呈显著下降趋势，见图 5，也能说明这个现象。972023，Vol.43，No.06农业与技术资源环境图 4喀斯特与非喀斯特区地表温度月均值和变异系数4.2研究结果的适用边界条件及未来研究方向本研究为了减弱外部环境因素的影响，采用近邻成对像元选择比较相邻喀斯特和非喀斯特区地表温度的差异，研究结果从微观的像元尺度分析两类地区地表温度的差异，提高分析的精度，为准备开展生态保护和产业规划的相关工作者提供参考。但是，地表温度的变化不仅受到大气热量的影响，还会受到植被类型21、日照时数22、地形条件以及人类活动的影响23。在宏观尺度上，这些因素之间的复杂交互作用会强烈影响地表温度的变化规律。因此，研究结果仅代表微观尺度上地表温度在喀斯特区和非喀斯特区的差异规律，不代表宏观尺度上两类地区的地表温度差异性。08资源环境农业与技术2023，Vol.43，No.06图 520002018 年喀斯特与非喀斯特区增强型植被指数(EVI)和地表温度的关系在微观尺度上，相邻的喀斯特与非喀斯特区具有不同的微地形条件和水热特征，导致近地表大气陆地之间的能量传输在两类地区具有不同的微气象过程，进而会对两类地区的地表温度产生不同的影响效果。因此，未来应在微观尺度上深入研究微气象因素对地表温度的影响在两类地区的差异性，丰富已有研究，为管理者制定更加精准的地表温度调控措施提供参考。5结论运用近邻成对像元比较的方法，研究相邻喀斯特和非喀斯特区地表温度的均值、差值及变异系数，以此来揭示喀斯特和非喀斯特区地表温度的差异。结果表明，年均上，喀斯特区地表温度高于非喀斯特区，差值为 0.19，但地表温度波动差异不大;季节上，喀斯特区地表温度均高于非喀斯特区，两类地区的地表温度在夏、冬季节的差值最大，为 0.12，地表温度的波动无明显差异;月均上，喀斯特区地表温度均高于非喀斯特区，地表温度的差值在 8 月最大，为0.24，在 2 月最小，为 0.10，在 2 月和 11 月，喀斯特区地表温度的波动强于非喀斯特区，其余各月无明显差异。喀斯特区由于比热容小、裸岩分布广、植被覆盖低，其调节热量的能力弱，导致其地表温度高