周曙光，張耀生，趙新全，米兆榮

(1.中國科學(xué)院西北高原生物研究所 高原生物適應(yīng)與進(jìn)化重點實驗室，青海 西寧 810001；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049)

氣溫是植物生理、水文、氣象、環(huán)境科學(xué)非常關(guān)注的一個近地表氣象參數(shù)，是描述陸地環(huán)境條件的重要參數(shù)，也是氣象觀測資料中最基本的觀測項目之一[1]。近地表氣溫同時控制著大部分陸地表面過程(如光合作用、呼吸作用及陸地表面蒸散過程等)，氣溫變化也影響著農(nóng)作物栽培[2-3]、種子萌發(fā)[4-6]、農(nóng)情監(jiān)測、森林火險監(jiān)測[7]、高山凍土[8]等諸多方面。

青藏高原是世界上海拔最高、面積最大、最年輕的高原，具有獨特的氣候和自然環(huán)境，占我國國土面積的 26%，長波輻射在地表輻射平衡中占有重要分量，所以青藏高原對“溫室效應(yīng)”的響應(yīng)比其他地域靈敏[9]，并與全球環(huán)境變化關(guān)系密切[10]，獲取氣溫的時間和空間分布數(shù)據(jù)對于更好地理解青藏高原氣候變化、陸地表面過程以及對全球變化的響應(yīng)研究等都有著非常重要的意義。

從區(qū)域能量平衡的觀點來看，遙感獲取的陸地表面溫度(land surface temperature，LST)和氣溫之間必然存在著能量方面的聯(lián)系，因此，用遙感獲取LST并建立它和氣溫之間的關(guān)系也是可能的。李超等[11]研究表明，在各個季節(jié)，地表溫度平均值與近地面氣溫平均值之間呈高度線性正相關(guān)。用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來反演溫度已有很長的歷史，最早可以追溯到20世紀(jì)60年代初期所發(fā)射TIROS-II[12]。近年來，越來越多人用NOAA/AVHRR及MODIS等遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行反演溫度的研究[1,13-15]，也曾有人用遙感的方法對青藏高原的溫度狀況進(jìn)行了研究[16-17]。遙感資料具有大范圍、實時、周期性的特點，能夠滿足對地表溫度的宏觀、動態(tài)監(jiān)測和分析，可以彌補(bǔ)人工氣象站數(shù)量稀少的不足，改進(jìn)實測資料稀少地區(qū)的數(shù)值天氣預(yù)報模式精度[18]，也可以減少因氣象臺站布設(shè)問題而產(chǎn)生的誤差。本研究利用面向全球發(fā)布、可以免費接收和無償使用的MODIS數(shù)據(jù)，這極有助于研究方法和成果的普及和推廣。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于黃河上游的同德縣，是三江源自然保護(hù)區(qū)的試驗區(qū)，屬于大陸高原性氣候。海拔3 105～4 036 m，位于34°38′～35°39′ N，100°08′～101°09′ E，年均溫為 -3．0～6．1 ℃，最熱月7月的平均氣溫為11．9 ℃，最冷月1月的平均氣溫為-13．2 ℃；年降水量230～540 mm，蒸發(fā)量1 466 mm；各地降水差異懸殊，雨量分布呈南多北少、東多西少的趨勢，降水多集中在5-9月，占年總降水量的85%以上，季節(jié)分布極不均勻；年日照時數(shù)2 550～2 760 h。

試驗選擇在比較有代表性的高寒草甸、高寒草原、溫性草原和栽培草地4種草地類型上，高寒草甸優(yōu)勢種為高山嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草(K.humilis)、苔草(Carexscaposa)等，此草地為夏季牧場。高寒草原優(yōu)勢種為紫花針茅(Stipapurpurea)、矮嵩草等，通常在冬季放牧。溫性草原優(yōu)勢種為克氏針茅(S.krylovii)、青海固沙草(Orinuskokonorica)等，該草地為冬季放牧地。栽培草地優(yōu)勢種為垂穗披堿草(Elymusnutans)、高山嵩草等，栽培草地已種植6年，一直嚴(yán)格禁牧，但每年定期收割，隨著種植年限的延長，草地早熟禾(Poapratensis)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)等種群在草地群落中呈逐年增加趨勢。各觀測點概況如表1所示。

表1 各觀測點概況

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1觀測數(shù)據(jù) 實測氣溫來自每種草地類型上架設(shè)的小型自動氣象站(HOBO weather station，USA)，數(shù)據(jù)為2007年全年采集的距地表2 m處的氣溫，數(shù)據(jù)自動記錄間隔為20 min。

遙感數(shù)據(jù)來自美國(Land Process Distributed Active Archive Center,LPDAAC)，為MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MOD11A1)，該產(chǎn)品時間分辨率為1 d，空間分辨率為1 000 m，數(shù)據(jù)的時間序列為2007年1月1日-12月31日，共計363景影像(有2 景缺失，分別為3 月20日和11月13日)。數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格的輻射校正和幾何校正，可以用于科學(xué)研究。

2.2數(shù)據(jù)處理 在MODIS數(shù)據(jù)處理軟件MRT的支持下，用ERDAS 9.2圖像處理軟件將覆蓋研究區(qū)的*.hdf文件重采樣到Albers投影，參考橢球WGS84，中央經(jīng)線為105° E，兩條標(biāo)準(zhǔn)緯線分別為25° N和47° N。然后根據(jù)GPS測定的4種草地類型上氣象站的經(jīng)緯度信息，從遙感影像中獲取相應(yīng)站點的LST值。對全年白天與夜間衛(wèi)星過境時間分別求均值，發(fā)現(xiàn)白天過境時間約為11:45，夜間過境時間約為 22:20，為了與白天和夜間衛(wèi)星過境時間相對應(yīng)，使近地表氣溫反演更精確，取11:00、12:00、13:00為白天實測近地表氣溫值，取21:00、22:00、23:00地面氣象站記錄的氣溫的均值作為夜間實測近地表氣溫值。

分4個氣象站，把2007年全年的遙感影像數(shù)據(jù)和氣溫數(shù)據(jù)按時間先后排列，根據(jù)影像中的質(zhì)量控制信息對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，只使用影像質(zhì)量最好(QC_Day或QC_Night值為0)的數(shù)據(jù)，實測的近地表氣溫也只保留與質(zhì)量最好的影像對應(yīng)的那些天數(shù)的數(shù)據(jù)。然后把篩選出來的數(shù)據(jù)按時間先后排列并依次編號，再分成兩組，序號為奇數(shù)的數(shù)據(jù)為第1組，用這一組數(shù)據(jù)建立實測溫度與MODIS-LST的相關(guān)方程；序號為偶數(shù)的數(shù)據(jù)為第2組，用第2組數(shù)據(jù)檢驗第1組數(shù)據(jù)建立的方程。

3 結(jié)果與分析

3.14種草地白天氣溫與LST的相關(guān)分析 4種草地白天實測氣溫與LST的相關(guān)關(guān)系都較好，它們的相關(guān)方程的決定系數(shù)都較高(表2)，通過驗證每一個反演方程發(fā)現(xiàn)，實測值與方程反演值的差值的標(biāo)準(zhǔn)差都在4 K左右，實測值與方程反演值差值的平均值都在3 K左右,反演精度較高，具一定的應(yīng)用價值。

3.24種草地夜間氣溫與LST的相關(guān)分析 4種草地夜間實測氣溫與LST的相關(guān)關(guān)系都很好，4個方程的決定系數(shù)都超過0.900，實測值與方程反演值差值的標(biāo)準(zhǔn)差都在3 K左右，實測值與方程反演值差值的平均值都在2 K左右，反演精度較高(表2)。

3.3白天和夜間反演結(jié)果比較 對比4種草地的反演方程發(fā)現(xiàn)，無論是白天還是夜間，4個方程的反演結(jié)果之間的差異都不顯著。將4種草地白天和夜間的實測氣溫數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)放在一起，用類似2.2部分描述的方法建立方程并進(jìn)行檢驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，夜間距地面2 m處氣溫與MODIS-LST的相關(guān)性比白天強(qiáng)(圖1)。

分析白天和夜間對比遙感反演近地表氣溫的精度，發(fā)現(xiàn)精度都較高(表3)，白天反演的誤差平均值的絕對值比夜間高1.35 K，白天的誤差標(biāo)準(zhǔn)差比夜間高1.41 K。通過以上分析，并結(jié)合反演精度較高的樣本數(shù)占總樣本數(shù)的百分比可知，白天的反演精度不如夜間高。

表2 白天氣溫、夜間氣溫反演方程及精度

圖1 白天和夜間實測氣溫與陸地表面溫度(LST)的相關(guān)關(guān)系

表3 白天和夜間反演氣溫精度分析

4 討論與結(jié)論

無論白天還是夜間，MODIS-LST 與近地表氣溫均表現(xiàn)為強(qiáng)相關(guān)，這與Yan等[19]在中國東部地區(qū)的研究結(jié)果較一致，其研究表明，MODIS-LST與近地表氣溫有著較好的相關(guān)性。但是白天和夜間反演精度之間的差異比較明顯，白天的反演精度低，可能是因為白天隨著太陽高度角增加，近地面湍流活動加強(qiáng)，地表蒸發(fā)到大氣中的水汽增加，而水汽對10.5～12.5 μm 紅外輻射有著較強(qiáng)的吸收，造成MODIS-LST反演的誤差較大。夜間則沒有太陽輻射，地面溫度迅速下降，氣溫降低，空氣趨于穩(wěn)定層結(jié)，運動較少，大氣中水汽含量減少，因而反演效果較好。

雖然不同草地類型具有不同的物種組成、冠層結(jié)構(gòu)等，但本研究發(fā)現(xiàn)，不同下墊面對近地表氣溫反演的精度沒有明顯影響，這與Vancutsem等[20]在非洲多種生態(tài)系統(tǒng)類型的近地表氣溫反演研究較一致，其研究表明氣溫與MODIS_LST的相關(guān)性不受生態(tài)系統(tǒng)類型的影響。

本研究所采用的反演方法簡單，通過相應(yīng)軟件對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合較少的地面氣象數(shù)據(jù)建立反演方程，然后就可以將某個沒有實測記錄的特定位置的遙感數(shù)據(jù)代入反演方程，對近地表氣溫進(jìn)行反演。本研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用MODIS地表溫度產(chǎn)品能夠得到精度較高的近地表氣溫反演結(jié)果，白天和夜間反演誤差在4 K內(nèi)的樣點所占比例分別達(dá)到63.2%和84.5%，5 K內(nèi)的比例分別達(dá)到78.3%和92.7%，白天和夜間氣象站實測值與反演值的平均誤差分別為3.47 K和2.12 K，反演精度較高，具有較高的應(yīng)用價值。

本研究應(yīng)用空間分辨率為1 000 m的遙感數(shù)據(jù)，存在混合像元問題，但從結(jié)果來看，所用數(shù)據(jù)的空間分辨率已經(jīng)足以用于反演距地面2 m處的氣溫，影響遙感反演溫度的因素很多，但這些因素不是簡單疊加的，喬平林等[21]的研究結(jié)果認(rèn)為，把非均勻地表作為等效均勻地表處理進(jìn)行地面溫度衛(wèi)星反演是可行的。

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