王盛安 王新新 侯路瑤

摘要：基于Landsat TM影像、氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)及土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)，利用單通道法反演得到三工河流域地表溫度（LST），利用Zaksek算法估算衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫，通過(guò)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)分季節(jié)分下墊面類型建立衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫與日均氣溫的回歸方程估算日均氣溫空間數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，估算LST數(shù)據(jù)平均RMSE為1.23℃，計(jì)算衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫平均RMSE=1.06℃，瞬時(shí)氣溫與日均氣溫具有較好的相關(guān)性（p<0.01），且日均氣溫的計(jì)算值與站點(diǎn)觀測(cè)值具有較好的相關(guān)性，p<0.01，R²=0.96，RMSE=1.54℃，實(shí)現(xiàn)了干旱區(qū)站點(diǎn)分布不均勻流域高空間分辨率日均氣溫空間數(shù)據(jù)的估算研究。

關(guān)鍵詞：Landsat影像;地表溫度;衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫;日均氣溫;三工河流域

在全球氣候變化的大背景下，全球變暖已成為不爭(zhēng)的事實(shí)，區(qū)域或流域尺度的氣候變化已成為研究的熱點(diǎn)。日均氣溫作為氣候變化的主要度量指標(biāo)^[1]，參與陸面大部分生物物理過(guò)程（如光合作用、呼吸作用、蒸散發(fā)等）^[2-3]，是陸面過(guò)程模型、生態(tài)模型等的重要輸入數(shù)據(jù)^[4-5]。因此有效、準(zhǔn)確地獲取區(qū)域或流域尺度日均氣溫空間數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

日均氣溫的獲取方式主要有氣象站觀測(cè)和遙感反演兩種。氣象站獲得的是站點(diǎn)附近近地表1.5m～2.0m的大氣溫度，時(shí)間序列長(zhǎng)、數(shù)據(jù)精確卻無(wú)法體現(xiàn)日均氣溫的空間屬性。普通的空間捅值方法如反距離加權(quán)（IDW）、克里金（Kriging）、樣條函數(shù)捅值（ Spline）等，雖然可以得到氣溫空間數(shù)據(jù)，但需要數(shù)量足夠且分布均勻的氣象站作為捅值數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。西北干旱區(qū)氣象站點(diǎn)數(shù)量較少且分布極不均勻，主要分布于綠洲內(nèi)，荒漠及山區(qū)極少分布，因此傳統(tǒng)插值方法獲得的氣溫?cái)?shù)據(jù)僅能滿足站點(diǎn)附近的精度，無(wú)法準(zhǔn)確反映氣溫空間差異及變化規(guī)律。

相對(duì)于氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，遙感影像具有更好的空間化優(yōu)勢(shì)。已有學(xué)者從地表能量平衡原理闡述了地表溫度（LST）與近地表氣溫之間存在相關(guān)關(guān)系。利用遙感方法推算近地表日均氣溫常用的步驟為：遙感反演地表溫度（LST），通過(guò)建立LST與日平均氣溫（T_a）的單因子與多因子回歸方程推算氣溫影像。該方法具有較好的精度，但均是以數(shù)量充足且分布均勻的觀測(cè)站作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，建立LST與日均氣溫的回歸方程以推算日均氣溫?？紤]到干旱區(qū)站點(diǎn)分布的特殊性，這些方法均無(wú)法精確地獲得干旱區(qū)流域尺度高空間分辨率的日均氣溫空間數(shù)據(jù)。

不同覆被類型具有不同的生物物理屬性，這種地表非均一性通過(guò)地一氣系統(tǒng)對(duì)近地表氣溫產(chǎn)生不同程度的影響，而同一覆被類型地表屬性均一，影響近地表水熱平衡（顯熱通量）能力相似，因此分下墊面類型、分季節(jié)建立衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫（T_h）與日均氣溫（Ta）的回歸方程，可以更好地實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)分布不均勻流域由瞬時(shí)氣溫向日均氣溫的推算。本文基于Landsat TM影像、氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)及土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)，估算日均氣溫空間數(shù)據(jù)，主要研究目標(biāo)為：（1）利用單通道法反演地表溫度;（2）基于Zaksek等提出的算法估算衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫;（3）分季節(jié)分下墊面類型建立衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫與日均氣溫的回歸方程;（4）估算研究區(qū)日均氣溫空間數(shù)據(jù);（5）以天山北坡三工河流域?yàn)槔M(jìn)行方法驗(yàn)證。

1研究方法

為了精確的推算日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，首先對(duì)獲得的影像進(jìn)行地形校正、輻射定標(biāo)及大氣校正等一系列預(yù)處理，并裁剪影像中的水體，技術(shù)路線圖如圖1。

1.1地表溫度的計(jì)算

陸地衛(wèi)星（ Landsat） TM數(shù)據(jù)的熱紅外波段（TM6），波長(zhǎng)范圍為10.45～12.5um，天頂視角下的像元分辨率為120m120m，表征地表熱輻射和地表溫度變化。本文采用Jimenez-Munoz and Sobrino提出的單通道法（Single-ChannelAlgorithm）反演LST：

式中：LST為地表溫度（K），ε為地表比輻射率，L_sensor為傳感器輻射強(qiáng)度（mW·cm^-2·sr^-1·μm^-1），L_sensor為亮度溫度（K），λ為TM6中心波長(zhǎng)（um），c₁與c₂為大氣參數(shù)，分別為1.19104×10⁸ um⁴·m^-2·sr^-1與14387.7 um·K，ψ₁、ψ₂、ψ₃為大氣功能參數(shù)。

（1）輻射強(qiáng)度L_sensor的計(jì)算

參照覃志豪等^[17]提出的L_sensor與影像灰度值之間的關(guān)系計(jì)算L_sensor：

L_sensor=0.1238+0.005632156Q_dn

（4）

式中，Q_dn為TM6影像的灰度值。

（2）亮度溫度L_sensor的計(jì)算

式中，K₁、K₂為TM5影像的定標(biāo)參數(shù)，分別為60.776mW· cm^-2· sr^-1· μm^-1和1260.56K。

（3）大氣功能參數(shù)計(jì)算

ψ₁= 0.14714ω² -0.15583ω+1.1234

（6）

ψ₂= -1.1836ω² - 0.37607ω - 0.52894

（7）

ψ₃= -0.045546ω² +1.8719ω- 0.39071

（8）

式中，ω為空氣水汽含量，從MODIS05-L2水汽產(chǎn)品數(shù)據(jù)獲取。

1.2推算衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫

Zaksek等基于地表溫度（LST），同時(shí)考慮了季節(jié)、NDVI、反照率、海拔及地形等因子，推算出衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻的氣溫。

T_2m=LST +1.82 -10.66 cos z（1- NDVI）+ 0.566α-

3.72（1-Albedo）[cosis/cos z+（π-slope）]R^↓_s-3.41△h （9）

式中，T_2m（K）為衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻近地表2m處氣溫，LST （K）為地表溫度，Z（rad）為太陽(yáng)天頂角，α（rad）為太陽(yáng)方位角，Albedo為地表反射率， is（rad）為太陽(yáng)入射角，slope（rad）為坡度，R^↓_s為下行短波輻射，單位為kw·m^-2;△h為研究區(qū)高程與20km²范圍內(nèi)平均高程的差值，單位為km。

下行短波輻射R^↓_s的計(jì)算方法如下：

R^↓_s=G_SCτ_SW cosz/R²

（10）

式中，G_SC為太陽(yáng)常數(shù)，取值1367 w·m^-2，τ_SW為大氣單項(xiàng)透過(guò)率， z （rad）為太陽(yáng)天頂角，

為日地距離修訂因子，無(wú)量綱。大氣單向透過(guò)率τ_SW的計(jì)算方法如下：

τ_SW=0.75+2×10^-5×H

（11）

式中，H為地表高程（m）。

計(jì)算公式如下：

=1.000109 +0.033494 cos（dr） + 0.001472 × 0.000768 sin（dr）

（12 ）cos（2×dr）+0000079sin（2×dr）

dr =2π（DOY -1）1365

（13）

式中：dr是日地距離單位（天文單位），DOY是從公歷1月1日起算該天所在的天數(shù)。

1.3日平均氣溫的計(jì)算

將土地利用/土地覆被類型數(shù)據(jù)進(jìn)行相似類型合并，通過(guò)架設(shè)于各覆被類型的氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)分季節(jié)分下墊面類型建立衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫與日均氣溫的相關(guān)統(tǒng)計(jì)模型。基于該模型和利用公式9獲得的瞬時(shí)氣溫影像估算日均氣溫，公式如下：

T_ai=a+bT_hi

（14）

式中：T_ai為覆被類型i的日均氣溫，T_hi為覆被類型i的衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫，a為裁距，b為斜率。

2三工河流域應(yīng)用實(shí)例

三工河流域位于新疆阜康市轄區(qū)，由三工河、四工河和水磨河組成，北部為古爾班通古特沙漠，南部是東天山，海拔在360～1100m之間，年均溫為6.6℃，年平均降水量為164mm，年均潛在蒸發(fā)為1780～ 2453mm。在區(qū)域景觀分布上具有明顯的典型性：南部為低山丘陵區(qū)、中部為綠洲區(qū)、北部為由沙質(zhì)荒漠與土質(zhì)荒漠共同組成的荒漠區(qū)，景觀分界明顯，具有完整的山地一綠洲一荒漠復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

流域內(nèi)氣象站點(diǎn)分布極不均勻，北部荒漠區(qū)僅有一個(gè)觀測(cè)站，即中國(guó)科學(xué)院阜康北沙窩荒漠觀測(cè)站;綠洲內(nèi)有兩個(gè)氣象站即阜康市氣象站以及中科院阜康生態(tài)站;南部低山丘陵區(qū)有一個(gè)已經(jīng)停用的觀測(cè)站（1000m），此外本課題組在農(nóng)田中架設(shè)有波文比觀測(cè)儀。如圖2所示。

2.1影像數(shù)據(jù)

由于三工河流域Landsat影像冬季受云、霧、雪的影響較大，2000年以來(lái)的影像質(zhì)量均大于10%，因此本研究選擇研究區(qū)春、夏、秋三季各兩幅共六幅影像，行列號(hào)均為142 -029，具體信息如表1。

2.2觀測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)架設(shè)于不同下墊面類型中的氣象站及波文比觀測(cè)儀，獲得逐小時(shí)、逐日地表溫度及近地表氣溫?cái)?shù)據(jù)（表2）。

2.3土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)

本課題組已完成三工河流域2004、2010兩期土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)，選擇2004年的土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)為2004、2005年下墊面參考數(shù)據(jù)，選擇2010年的土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)作為2008—2011下墊面參考數(shù)據(jù)，并將各類型合并為5種大類：沙質(zhì)荒漠、土質(zhì)荒漠、農(nóng)田、建設(shè)用地及低山丘陵。

2.4 LST反演及驗(yàn)證

由于所有的觀測(cè)站點(diǎn)中僅有阜康生態(tài)站有逐小時(shí)的LST數(shù)據(jù)，且衛(wèi)星飛過(guò)研究區(qū)的時(shí)間大多介于北京時(shí)間12：30～13：00之間（表1），因此選擇13時(shí)站點(diǎn)觀測(cè)瞬時(shí)LST來(lái)驗(yàn)證本研究的LST反演結(jié)果（圖3）。平均RMSE=1.23℃，平均絕對(duì)誤差為1.19℃，其中秋季>春季>夏季，最大的秋季絕對(duì)誤差為1.42℃，最小的絕對(duì)誤差為0.85℃。

2.5衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫估算及驗(yàn)證

利用阜康荒漠站、阜康生態(tài)站與阜康氣象站驗(yàn)證瞬時(shí)氣溫（表3），平均RMSE=1.06℃，平均絕對(duì)誤差為1.00℃，荒漠站的絕對(duì)誤差為1.33℃，生態(tài)站的絕對(duì)誤差為0.82℃，氣象站為0.86℃，夏季（1.06℃）>春季（ 0.98℃）>秋季（0.97℃）。

2.6瞬時(shí)氣溫與日均氣溫的關(guān)系模型

選擇站點(diǎn)觀測(cè)得到的13時(shí)瞬時(shí)氣溫與日均氣溫建立單因子回歸方程（圖4）。結(jié)果表明：春季相關(guān)性（ R²=0.96，p<0 01）=秋季（ R²=0.96，p<0.01），夏季（R²= 0.78，p<0.01）。夏季植被蓋度差異性較大，覆被類型復(fù)雜，可能導(dǎo)致夏季擬合效果較差。本研究的相關(guān)性（P<0 01）明顯高于直接利用LST數(shù)據(jù)與日均氣溫建立的回歸模型。因此研究結(jié)果表明：通過(guò)分季節(jié)分下墊面類型建立衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫與日均氣溫的統(tǒng)計(jì)關(guān)系實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)氣溫向日均氣溫轉(zhuǎn)換的方法是可行的。

2.7日均氣溫估算與驗(yàn)證

由于低山丘陵站位于研究區(qū)南部邊緣，且觀測(cè)記錄只有四年，而波文比數(shù)據(jù)只有近一年的觀測(cè)記錄，因此本研究選擇阜康荒漠站、阜康生態(tài)站及阜康氣象站三個(gè)站點(diǎn)的日均氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證結(jié)果（圖5）。結(jié)果表明，本方法的計(jì)算值與站點(diǎn)觀測(cè)值具有較好的相關(guān)性，p<0.01，R²=0.96，RMSE=1.54℃?；哪酒骄鵕MSE最高，為1.96℃;其次是氣象站，RMSE= 1.34℃;最小的是生態(tài)站，RMSE= 1.22℃。

3結(jié)論

干旱區(qū)站點(diǎn)分布極不均勻，大多分布于綠洲內(nèi)，荒漠與山區(qū)極少分布，因此傳統(tǒng)獲取日均氣溫的方法在干旱區(qū)流域尺度適用性較差。本文基于Landsat TM影像、氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)和土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)，首先反演LST數(shù)據(jù)，繼而推算衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫，通過(guò)建立瞬時(shí)氣溫與日均氣溫的回歸方程估算三工河流域日均氣溫空問數(shù)據(jù)，結(jié)論如下：

（1）利用單通道法反演三工河流域LST數(shù)據(jù)，平均RMSE為1.23℃，秋季絕對(duì)誤差>春季>夏季;估算衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)氣溫，平均RMSE=1.06℃，平均絕對(duì)誤差夏季>春季>秋季。

（2）通過(guò)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)分季節(jié)分下墊面類型建立衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻（13時(shí)）瞬時(shí)氣溫與日均氣溫的回歸方程，相關(guān)性（P<0 01）明顯優(yōu)于直接利用LST與日均氣溫建立回歸方程的相關(guān)性。

（3）本方法估算日均氣溫的RMSE為1.54℃，絕對(duì)誤差介于0.50℃～ 2.87℃，其中夏季>春季>秋季，沙質(zhì)荒漠>土質(zhì)荒漠>建設(shè)用地。

（4）本方法實(shí)現(xiàn)了干旱區(qū)氣象站點(diǎn)分布不均勻流域高空問分辨率日均氣溫空間數(shù)據(jù)的獲取，同時(shí)也為獲取日最高、最低氣溫空問數(shù)據(jù)提供了方法參考。

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