喀斯特與非喀斯特區(qū)地表溫度對比分析
——基于近鄰成對像元的比較

廖夢垚羅婭余軍林徐雪張春長趙爽

(1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，貴州 貴陽 550025;3.貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550001)

引言

地表溫度指地表的輻射表層溫度，是陸地-大氣能量相互作用的主要驅(qū)動(dòng)力和地球表面熱液狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)[1-3]。地表溫度是地表過程變化研究中一個(gè)不可或缺的重要地球物理參數(shù)，蘊(yùn)含著豐富的地學(xué)信息，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市熱島、氣候變化、自然災(zāi)害和環(huán)境監(jiān)測等方面有著重要意義[4]，而地貌、氣候[5]、下墊面[6]等環(huán)境因素也不斷影響著地表溫度的空間分布。不同下墊面具有不同的自然背景[7]、土地利用類型[8]和植被覆蓋程度[9]，這些因素的變化影響著地表的能量輻射吸收，引起局部地區(qū)小氣候的變化。因此，對比分析不同下墊面地表溫度的差異性，對維持地表能量平衡和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

喀斯特區(qū)擁有獨(dú)特的地貌形態(tài)、水文循環(huán)、土地覆被等下墊面要素，其地表溫度特征與非喀斯特區(qū)有明顯的差異。對比分析喀斯特與非喀斯特區(qū)的地表溫度差異，有助于因地制宜地對相關(guān)區(qū)域開展生態(tài)保護(hù)和產(chǎn)業(yè)布局。研究表明，喀斯特區(qū)夏季地表溫度異常高溫的原因可能與喀斯特石漠化相關(guān)[10]。海拔與緯度是影響地溫變化的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子[11]?？λ固爻鞘械臒岘h(huán)境受到的地形地貌影響與非喀斯特城市具有差異[12]，不透水面、植被、水體、裸巖是影響喀斯特城市地表溫度的主要因素[13]，并且喀斯特城市的熱島現(xiàn)象與其他城市類型不同，受地形地貌的影響，主城區(qū)以外的區(qū)域同樣分布有一定面積的高溫區(qū)[12]。這些研究較好地闡釋了喀斯特與非喀斯特區(qū)地表溫度特征及影響因素，但開展研究的喀斯特與非喀斯特區(qū)的地理位置和空間尺度不同，未能有效控制經(jīng)度、緯度、地形因子和空間尺度等因素對地表溫度的影響，對喀斯特與非喀斯特區(qū)的地表溫度差異定量分析精度不夠，導(dǎo)致研究成果的適應(yīng)性受到一定限制。

基于近鄰成對像元比較的方法，使所研究的喀斯特與非喀斯特區(qū)在地理位置和空間尺度保持相似性和一致性，可降低經(jīng)度、緯度、地形因子和空間尺度對研究結(jié)果的不確定影響，對于對比分析喀斯特區(qū)與非喀斯特區(qū)的地表溫度差異有著較好的優(yōu)勢。因此，運(yùn)用近鄰成對像元比較法，對比分析喀斯特與非喀斯特區(qū)地表溫度的年均差異、季節(jié)差異和月差異，為精準(zhǔn)開展生態(tài)保護(hù)和產(chǎn)業(yè)布局提供參考。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省西南部的紫云、望謨兩縣，見圖1，地理位置為N24°53′～26°3′，E105°49′～106°32′，總面積為5392km2。該區(qū)喀斯特和非喀斯特交錯(cuò)分布，兩者面積分別占總面積55.84%和44.16%。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑；雨量充沛，熱量豐富，水熱同季，年均氣溫15.3～19.5℃，年降雨量1236.8～1337mm。因地處貴州高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶，海拔275～1718m，海拔差異大，對地表溫度的影響明顯。

圖1 研究區(qū)位置及近鄰成對像元分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

地表溫度(Land surface temperature，LST)數(shù)據(jù)源自國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.tpdc. ac.cn)的數(shù)據(jù)集TRIMS LST(Thermal and Reanalysis Integrating Moderate-resolution Spatial-seamless LST)[14],時(shí)間分辨率為逐日，空間分辨率為1km，時(shí)間跨度為2000—2018年[15-17]。

其余相關(guān)輔助數(shù)據(jù)中，紫云、望謨兩縣的行政區(qū)劃圖來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)中心(http://www. geodata.cn/)，喀斯特區(qū)與非喀斯特區(qū)分布圖來源于中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所喀斯特科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.karstdata.com/)。

2 研究方法

2.1 喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)地表溫度數(shù)據(jù)處理

在研究中，按年、季節(jié)、月3種時(shí)間尺度，對喀斯特與非喀斯特區(qū)2000—2018年的地表溫度開展對比分析，每個(gè)時(shí)間尺度的地表溫度數(shù)據(jù)均通過均值合成法獲取。具體地，將每日數(shù)據(jù)合成為月數(shù)據(jù)，按3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—第2年2月為冬季合成四季數(shù)據(jù)，將月數(shù)據(jù)合成為年數(shù)據(jù)。

2.2 近鄰成對像元選擇

在喀斯特與非喀斯特區(qū)交界處兩側(cè)各選1個(gè)點(diǎn)，形成近鄰成對像元，確保所選的成對像元具有相同的面積與相似的經(jīng)度、緯度、海拔等條件。共選出502個(gè)像元形成251組像元對，見圖1，統(tǒng)計(jì)所選出的251組近鄰成對像元的地表溫度，分析喀斯特與非喀斯特區(qū)地表溫度的差異性。

2.3 變異系數(shù)

運(yùn)用變異系數(shù)分析喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)地表溫度的波動(dòng)情況[18]。公式如下：

(1)

式中，CV為喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)地表溫度的變異系數(shù)；xi表示第i個(gè)對比點(diǎn)的地表溫度；ˉx表示平均值；n為對比點(diǎn)數(shù)量。其中，Cv值越小，表明波動(dòng)性越小，穩(wěn)定性越高；反之則越低。

3 結(jié)果分析

3.1 喀斯特與非喀斯特區(qū)年均地表溫度對比

如圖2所示，年均地表溫度及其變異系數(shù)在喀斯特區(qū)分別為26.70℃和0.06，在非喀斯特區(qū)分別為26.51℃和0.06?？梢钥闯?，年均地表溫度在喀斯特區(qū)比在非喀斯特區(qū)高0.19℃，但變異系數(shù)在兩類地區(qū)相同，說明喀斯特區(qū)地表溫度比非喀斯特區(qū)高，但兩者的波動(dòng)性未出現(xiàn)明顯差異。

3.2 喀斯特與非喀斯特區(qū)季節(jié)地表溫度對比

如圖3所示，在春、夏、秋、冬四季，喀斯特區(qū)的地表溫度分別為28.64℃、30.79℃、26.57℃、20.98℃；非喀斯特區(qū)的地表溫度分別為28.54℃、30.67℃、26.46℃、20.86℃。四季的地表溫度在喀斯特與非喀斯特區(qū)的差值分別為0.10℃、0.12℃、0.11℃、0.12℃，但變異系數(shù)在兩類地區(qū)相同，呈現(xiàn)冬季(0.08)>春季、秋季(0.06)>夏季(0.05)。結(jié)果表明，喀斯特區(qū)四季的地表溫度均高于非喀斯特區(qū)，且兩者差異在夏冬季節(jié)大于春秋季節(jié)；兩類地區(qū)地表溫度的波動(dòng)性在冬季最大，在夏季最小，但兩者差異在四季均不明顯。

圖2 喀斯特與非喀斯特區(qū)地表溫度年均值和變異系數(shù)

圖3 喀斯特與非喀斯特區(qū)地表溫度季節(jié)均值和變異系數(shù)

3.3 喀斯特與非喀斯特區(qū)月均地表溫度對比

如圖4所示，從各月的變化情況看，喀斯特區(qū)的月均地表溫度高于非喀斯特區(qū)，兩者的差值在8月最大，為0.24℃；在2月最小，為0.10℃。從地表溫度的變異系數(shù)來看，兩類地區(qū)均呈現(xiàn)1月最大(0.09)，6—9月最小(0.05)的特征；兩者差異除2月和11月表現(xiàn)為喀斯特區(qū)高于非喀斯特區(qū)外，其余各月基本一致。結(jié)果表明，喀斯特區(qū)各月的地表溫度均高于非喀斯特區(qū)，兩類地區(qū)地表溫度差異在8月最大，在2月最??；兩類地區(qū)的地表溫度波動(dòng)性除在2月和11月存在明顯差異外，在其他月份均無明顯差異。

4 討論

4.1 下墊面性質(zhì)對喀斯特與非喀斯特區(qū)地表溫度的影響

下墊面的熱容量性質(zhì)是影響地表溫度的重要因素?？λ固貐^(qū)土層薄，水分含量低，比熱容?。环强λ固貐^(qū)土層厚，水分含量高，比熱容大。接收相同的輻射時(shí)，喀斯特區(qū)增溫較非喀斯特區(qū)快而強(qiáng)[19]。因此，在確保地理位置和空間尺度相似或一致的前提下，喀斯特區(qū)的地表溫度要高于非喀斯特區(qū)。研究區(qū)位于北半球，輻射夏強(qiáng)冬弱，兩者的差異也自然呈現(xiàn)8月大、2月小的特征。

此外，地表植被通過調(diào)節(jié)潛熱和顯熱交換，也會(huì)影響地表溫度[20]。所研究的251組近鄰成對像元中，喀斯特區(qū)的增強(qiáng)型植被指數(shù)(enhancedvegetation index,EVI)(0.565)小于非喀斯特區(qū)(0.574)，表明喀斯特區(qū)的植被覆蓋度較非喀斯特區(qū)低。同時(shí)，研究區(qū)位于濕潤區(qū)，非喀斯特區(qū)植被相對較好，其留存的水分較豐富，吸收的熱量較多，使到達(dá)地表的熱量減少，最終促使非喀斯特區(qū)的地表溫度比喀斯特區(qū)低。2000—2018年，伴隨增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)的增加，喀斯特與非喀斯特區(qū)的地表溫度呈顯著下降趨勢，見圖5，也能說明這個(gè)現(xiàn)象。

圖4 喀斯特與非喀斯特區(qū)地表溫度月均值和變異系數(shù)

4.2 研究結(jié)果的適用邊界條件及未來研究方向

本研究為了減弱外部環(huán)境因素的影響，采用近鄰成對像元選擇比較相鄰喀斯特和非喀斯特區(qū)地表溫度的差異，研究結(jié)果從微觀的像元尺度分析兩類地區(qū)地表溫度的差異，提高分析的精度，為準(zhǔn)備開展生態(tài)保護(hù)和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的相關(guān)工作者提供參考。但是，地表溫度的變化不僅受到大氣熱量的影響，還會(huì)受到植被類型[21]、日照時(shí)數(shù)[22]、地形條件以及人類活動(dòng)的影響[23]。在宏觀尺度上，這些因素之間的復(fù)雜交互作用會(huì)強(qiáng)烈影響地表溫度的變化規(guī)律。因此，研究結(jié)果僅代表微觀尺度上地表溫度在喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)的差異規(guī)律，不代表宏觀尺度上兩類地區(qū)的地表溫度差異性。

圖5 2000—2018年喀斯特與非喀斯特區(qū)增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)和地表溫度的關(guān)系

在微觀尺度上，相鄰的喀斯特與非喀斯特區(qū)具有不同的微地形條件和水熱特征，導(dǎo)致近地表大氣-陸地之間的能量傳輸在兩類地區(qū)具有不同的微氣象過程，進(jìn)而會(huì)對兩類地區(qū)的地表溫度產(chǎn)生不同的影響效果。因此，未來應(yīng)在微觀尺度上深入研究微氣象因素對地表溫度的影響在兩類地區(qū)的差異性，豐富已有研究，為管理者制定更加精準(zhǔn)的地表溫度調(diào)控措施提供參考。

5 結(jié)論

運(yùn)用近鄰成對像元比較的方法，研究相鄰喀斯特和非喀斯特區(qū)地表溫度的均值、差值及變異系數(shù)，以此來揭示喀斯特和非喀斯特區(qū)地表溫度的差異。結(jié)果表明，年均上，喀斯特區(qū)地表溫度高于非喀斯特區(qū)，差值為0.19℃，但地表溫度波動(dòng)差異不大；季節(jié)上，喀斯特區(qū)地表溫度均高于非喀斯特區(qū)，兩類地區(qū)的地表溫度在夏、冬季節(jié)的差值最大，為0.12℃，地表溫度的波動(dòng)無明顯差異；月均上，喀斯特區(qū)地表溫度均高于非喀斯特區(qū)，地表溫度的差值在8月最大，為0.24℃，在2月最小，為0.10℃，在2月和11月，喀斯特區(qū)地表溫度的波動(dòng)強(qiáng)于非喀斯特區(qū)，其余各月無明顯差異?？λ固貐^(qū)由于比熱容小、裸巖分布廣、植被覆蓋低，其調(diào)節(jié)熱量的能力弱，導(dǎo)致其地表溫度高于非喀斯特區(qū)。