王艷麗，宋承運(yùn)，2*

(1.安徽理工大學(xué) 空間信息與測繪工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 礦山采動(dòng)災(zāi)害空天地協(xié)同監(jiān)測與預(yù)警安徽普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232001)

0 引言

地表溫度(Land Surface Temperature,LST)是地球表面能量平衡和溫室效應(yīng)一個(gè)很好的指標(biāo)，它在氣象、水文、環(huán)境、生態(tài)等眾多領(lǐng)域有著廣泛的需求[1]?；跓峒t外遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度，可獲得大范圍空間與時(shí)間連續(xù)的地表溫度，被廣泛用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、地表干旱監(jiān)測及森林火災(zāi)監(jiān)測等領(lǐng)域[2]。目前，已經(jīng)發(fā)布的地表溫度遙感產(chǎn)品主要有Landsat、MODIS、HIRS、FY系列等地表溫度產(chǎn)品，其中，風(fēng)云系列衛(wèi)星提供了自2009年以來地表溫度產(chǎn)品，可以為區(qū)域及全球環(huán)境、資源等提供有效的、連續(xù)的地表溫度數(shù)據(jù)支持[3]。

由于受到地表溫度遙感反演算法、區(qū)域地表覆蓋類型、地形特征以及氣候變化等因素的影響，不同遙感地表溫度產(chǎn)品在不同區(qū)域的反演精度存在差異[4]，因此，地表溫度產(chǎn)品的適用性也成為地表溫度遙感產(chǎn)品應(yīng)用研究的一個(gè)重要方面。目前，地表溫度遙感產(chǎn)品的驗(yàn)證分析多針對于MODIS地表溫度產(chǎn)品。于文憑[5]等以黑河流域?yàn)槔?，結(jié)合自動(dòng)氣象站紅外輻射溫度計(jì)數(shù)據(jù)和長波輻射數(shù)據(jù)，指出長時(shí)間序列的MODIS地表溫度產(chǎn)品與夜間長波輻射數(shù)據(jù)之間的平均絕對偏差小于2.2 ℃；閔文琳[6]等利用青藏高原東側(cè)理塘大氣邊界層觀測站熱紅外測溫儀和長波輻射實(shí)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證MODIS地表溫度產(chǎn)品適用性，指出夜間地表溫度相關(guān)性大于白天；王圓圓[7]等以西藏林芝地區(qū)為例，通過多點(diǎn)同時(shí)觀測結(jié)合面積加權(quán)的方法驗(yàn)證MODIS地表溫度產(chǎn)品混合像元精度，均方根誤差為1.4 K；王之夏[8]等從單點(diǎn)、區(qū)域、模型3個(gè)方面驗(yàn)證了MODIS地表溫度產(chǎn)品在青藏高原地區(qū)的適用性，指出該產(chǎn)品與地面觀測數(shù)據(jù)時(shí)間序列變化一致，二者暖季比冷季差異大且相關(guān)系數(shù)小。國產(chǎn)風(fēng)云三號衛(wèi)星搭載的可見光紅外掃描輻射計(jì)(Visible and Infra-Red Radiometer,VIRR)反演的地表溫度產(chǎn)品FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品的驗(yàn)證分析，及適用性評價(jià)較少。

為進(jìn)一步分析FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品的適用性，以那曲地區(qū)為研究區(qū)，利用2012年1月至2014年12月青藏高原那曲地區(qū)土壤水分觀測網(wǎng)的地面實(shí)測數(shù)據(jù)，評價(jià)了FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品的精度，并分析了研究期內(nèi)那曲地區(qū)地表溫度的時(shí)空分布特征。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

那曲市位于西藏北部、青藏高原中部，83°55′～95°5′E，29°55′～36°30′N之間(如圖1所示)。那曲市境內(nèi)多山，面積42萬平方公里，平均海拔4 500 m以上，地處西藏北部的唐古拉山脈、念青唐古拉山脈以及岡底斯山脈之間，地形地貌復(fù)雜，北部為高原山川地形，東部為高原山地，南部為藏北高原與藏東高山峽谷的交匯地帶。那曲市為典型的亞寒帶氣候區(qū)，高寒缺氧，氣候惡劣，風(fēng)沙較大，分為干、濕兩季，冬季干燥少雨，夏季溫和濕潤。年均溫度0 ℃左右,年相對濕度為48%～51%，年降水量380 mm。那曲市水資源多樣，湖泊眾多，是長江和怒江的源頭，境內(nèi)也交錯(cuò)分布著大大小小的支流，如那曲河，青藏四大名湖之一納木錯(cuò)也分布于此地[9-11]。

圖1 那曲市范圍及TP-SMTMN地面觀測網(wǎng)站點(diǎn)分布Fig.1 Map of Naqu city and the distribution of TP-SMTMN ground observation sites

1.2 數(shù)據(jù)

1.2.1 地面觀測數(shù)據(jù)

本文所用的地面觀測數(shù)據(jù)來源于第三極地區(qū)土壤水分/溫度監(jiān)測網(wǎng)(Soil Moisture/Temperature Monitoring Networks on the Tibetan Plateau，TP-SMTMN)[12]，TP-SMTMN位于青藏高原中部那曲地區(qū)(如圖1中黑色框所示)，海拔4 470～4 950 m，監(jiān)測范圍可達(dá)10 000 km2，地面相對平坦，地表覆蓋類型單一，多為草地覆蓋，且生物量低，是監(jiān)測土壤溫度的適宜區(qū)域。

TP-SMTMN提供大尺度(1°)、中尺度(0.3°)、小尺度(0.01°)下地表溫度與土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，觀測深度分別為0～5、10～20、40 cm，觀測間隔為0.5 h；由于是熱紅外遙感只能監(jiān)測地表表層的溫度變化，選取2012年1月—2014年12月土壤深度為0～5 cm的土壤溫度數(shù)據(jù)用于FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品的驗(yàn)證分析[16]。

由于地面觀測站分布較為分散，F(xiàn)Y-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品的空間分辨率為1 km，在其單個(gè)像元內(nèi)最多有一個(gè)觀測站。為減小由觀測站點(diǎn)與地表溫度產(chǎn)品之間空間尺度差異引起的誤差，選取位于地勢平坦、坡度較小、且周圍地表覆蓋類型均一的觀測站，并取地表溫度月平均值進(jìn)行對比分析。選取站點(diǎn)所處區(qū)域坡度小于3°的站點(diǎn)觀測值作為驗(yàn)證值，共選取27個(gè)地面觀測站，如圖1中紅色站點(diǎn)，站點(diǎn)基本信息如表1所示。

表1 站點(diǎn)基本信息表

1.2.2 FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品

風(fēng)云三號B星是中國自主研制的新一代太陽同步軌道氣象衛(wèi)星，也是中國第二代極軌氣象衛(wèi)星的第二顆衛(wèi)星，于2010年11月5日在太原發(fā)射。其搭載的可見光紅外掃描輻射計(jì)(Visible and Infra-Red Radiometer,VIRR)，探測光譜范圍 為0.43～12.5 μm，可以對地表溫度、植被、泥沙等進(jìn)行探測[13-14]。

FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品是在Becker地表溫度反演算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合Becker & Li模型，由半經(jīng)驗(yàn)局部分裂窗算法反演得到，其算法具有適用范圍廣且簡單易行等特點(diǎn)[15-17]。FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品可以提供日尺度下白天與夜間地表溫度，空間分辨率為1 km，采用Hammer投影方式。本研究采用2012年1月至2014年12月日尺度下，白天與夜間地表溫度產(chǎn)品進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。

2 研究方法

為了客觀評價(jià)FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品，以地面觀測數(shù)據(jù)作為地物實(shí)際溫度數(shù)據(jù)，以MODIS地表溫度產(chǎn)品作為輔助數(shù)據(jù)，對進(jìn)行對比分析，通過均方根誤差(Root Mean Squard Error，RMSE)、決定系數(shù)(R2)等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析[18-20]。

RMSE為觀測值與真實(shí)值偏差的平方和觀測次數(shù)比值的平方根，衡量觀測值與真實(shí)值之間的偏差。其數(shù)學(xué)表達(dá)示為：

(1)

R2取值范圍為[0,1],一般來說，R2值越大，表示擬合效果越好。如果R2=0，說明擬合效果很差;如果R2=1，說明模型沒有錯(cuò)誤。其數(shù)學(xué)表達(dá)示為：

(2)

3 結(jié)果分析

3.1 FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品與地面觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析

選取TP-SMTMN觀測網(wǎng)中，地面坡度小3°的觀測站的月平均地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與FY-3B/VIRR地表溫度月平均地表溫度的R2與RMSE值的分布圖如圖2所示。與地面觀測站的R2的平均值為0.56，RMSE的平均值為5.57 K。其中，在L16站的R2值最大(0.7)，RMSE值為4.3 K，具有較好的精度。與其他站點(diǎn)相比，L16站處于河谷地區(qū)，地勢較為寬闊平坦，地表覆蓋類型較為一致，區(qū)域地表溫度變化較小。同時(shí)，R2的最小為0.43，位于L36站，RMSE值最大值為6.8 K,位于L06站，該兩站點(diǎn)所處區(qū)域坡度較大，分別為2.8°與3°，因此，觀測站點(diǎn)所處區(qū)域周圍環(huán)境的不一致性，區(qū)域地表溫度有較大差異，可能會(huì)引起地面觀測值與FY-3B/VIRR地表溫度之間誤差。

圖2 2012—2014年FY-3B/VIRR地表溫度與 地面觀測值的R2與RMSEFig.2 R2 and RMSE of FY-3B/VIRR surface temperature and ground-based observation from 2012 to 2014

圖3為2011—2014年地面觀測站點(diǎn)平均值與對應(yīng)像元的FY-3B/VIRR地表溫度的平均值的散點(diǎn)圖，據(jù)圖可知，地面觀測數(shù)據(jù)與FY-3B/VIRR地表溫度決定系數(shù)為0.56，RMSE值為5.47 K,FY-3B/VIRR地表溫度值大于地面觀測值。

圖3 FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品與地面觀測所有站點(diǎn) 均值散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of FY-3B/VIRR surface temperature products and mean values of all ground observation sites

3.2 時(shí)間序列分析

將2012年1月—2014年12月 FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品與地面觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間序列進(jìn)行對比(如圖4所示)，由圖4可知，F(xiàn)Y-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品與地面觀測數(shù)據(jù)變化趨勢一致，6—9月地表溫度值高，12—3月地表溫度值低。2012—2014年，那曲市多年平均地溫為272.89K，最高年均地溫為273.29 K(2014年)，最低年均地溫為272.60 K(2013年)。地表溫度年際變化較小，最大溫差為0.69 K；此外，地溫具有明顯的季節(jié)變化趨勢，如表2所示，夏季地表溫度較高，秋冬季逐漸降低，那曲市2012—2014年春季地溫均值為272.16 K，夏季地溫均值為280.77 K，秋季地溫均值為274.24 K，冬季地溫均值為263.91 K；2012年7月達(dá)到月均最高地溫為284.06 K，2013年12月達(dá)到月均最低地溫為258.92 K。但在FY-3B/VIRR地表溫度在6—9月地表溫度值高于地面觀測值，尤其是在2013年與2014年。經(jīng)過分析，引起誤差的原因一方面是由FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品采用植被覆蓋度法估算地表比輻射率，在植被生長茂盛的6—9月，植被覆蓋度大，地表溫度反演值偏小，而在冬季，進(jìn)入冰凍期，土壤中水分以固態(tài)形式存在，地表比輻射率估算存在一定誤差。另一方面， 在植被生長茂盛的6—9月份，F(xiàn)Y-3B/VIRR觀測的為上層植被溫度，而地面觀測站為植被覆蓋下土壤0～5cm深度的溫度，下層土壤溫度會(huì)低于上層植被的溫度，造成FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品的像元值高于地面觀測值。

圖4 2012年1月—2014年12月那曲市地表溫度時(shí)間序列圖Fig.4 Time series ofland surface temperature in Naqu city from 2012 to 2014

表2 2012.1—2014.12那曲市不同季節(jié)地表溫度表

綜合以上分析，F(xiàn)Y-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品與地面觀測值變化趨勢一致，但FY-3B/VIRR地表溫度比地面觀測值偏高，尤其是在植被覆蓋區(qū)域。

3.3 那曲市地表溫度空間分布特征

由表2中可以看出年2012年1月—2014年12月FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品那曲地區(qū)平均地表溫度相差不大，最大溫差為0.69 K。2012—2014年年平均溫度分布如圖5所示。

(a) 2012

由圖5可以看出，2012—2014年地表溫度分布相似，呈現(xiàn)南部溫度高，北部溫度低，中部區(qū)域形成一條由西部至中東部的高溫帶， 尤其是在2012年與2014年。那曲北部屬唐古拉山區(qū)域，西北部海拔較高，溫度較低；中部屬高原丘陵地形，相較于東部地區(qū)，中部植被覆蓋稀少，植物蒸騰作用弱，年平均地表溫度偏高；東部屬高原山地，南部屬藏北高原與藏東高山峽谷交匯地帶，東部地區(qū)在夏季7、8月份植被生長較為茂盛，如圖6中，2012—2014年7月份東部區(qū)域NDVI值較大，年平均地表溫度較低。由以上分析可以看出，那曲地區(qū)地表溫度整體呈現(xiàn)由北到南逐漸升高的格局。

(a) 2012

在2012—2014年間，那曲地表溫度總體略微升高，中部地區(qū)溫度變化較大。結(jié)合那曲地區(qū)內(nèi)安多、班戈、申扎、那曲、索縣和嘉黎等6個(gè)氣象站點(diǎn)(如圖1中所示)的氣溫、降水以及日照時(shí)長等地面觀測數(shù)據(jù)(如表3)進(jìn)行分析。

表3 那曲市2012—2014年氣象站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)值表

由表3中可以看出，相較于2012年，2014年各氣象站點(diǎn)年平均氣溫升高了0.64℃，全年累計(jì)降水量均值減少了7 mm,各氣象站點(diǎn)全年累計(jì)日照時(shí)數(shù)均值減少了526.32 h。各氣象站點(diǎn)氣溫的升高，全年累計(jì)日照時(shí)長以及全年累計(jì)降水量的減少。

4 結(jié)束語

地表溫度是地學(xué)研究中的一個(gè)重要參量，是全球變化研究中的關(guān)鍵參數(shù)，對水文、生態(tài)、環(huán)境研究具有重要意義。由于那曲地區(qū)的特殊性，氣象站臺稀少且分布不均勻，數(shù)據(jù)獲取困難，無法為環(huán)境等研究提供良好的數(shù)據(jù)。伴隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)Y3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品為區(qū)域地表溫度監(jiān)測提供了重要的數(shù)據(jù)支持。結(jié)合地面觀測數(shù)據(jù)，對2012年1月—2014年12月FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品在那曲地區(qū)精度分析，評價(jià)其在該地區(qū)的適用性及地表溫度時(shí)空分布特征，結(jié)果表明：

(1) FY-3B/VIRR地表溫度產(chǎn)品與地面觀測站觀測值的決定系數(shù)大多在0.5以上，兩者值具有較好的相關(guān)性，但FY-3B/VIRR地表溫度高于地面觀測值，RMSE值小于7 K。FY-3B/VIRR地表溫度主要監(jiān)測表層土壤與上層植被的溫度，地面觀測值為0～5 cm土壤溫度的觀測值，尤其是在6—9月，植被生長茂盛時(shí)期，上層植被層溫度往往會(huì)高于0～5 cm深度的土壤溫度。同時(shí)，地面監(jiān)測站觀測值與區(qū)域地表溫度的尺度差異也是引起誤差較大的一個(gè)因素。

(2) 2012年1月—2014年12月那曲地區(qū)地表溫度年際變化較小，中部變化較大；季節(jié)變化明顯，夏季地表溫度較高，秋冬季較低。那曲地區(qū)地表溫度西高東低、北低南高，整體呈現(xiàn)由北到南逐漸升高的格局。

隨著風(fēng)云系列衛(wèi)星的完善，傳感器性能的提高，以及地表溫度反演算法與驗(yàn)證方法的完善，風(fēng)云三號地表溫度產(chǎn)品可以為區(qū)域及全球環(huán)境監(jiān)測提供更加精確的數(shù)據(jù)支持。