廖夢垚,羅 婭, 2,余軍林,王 青,石春茂,徐 雪

(1.貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院, 貴陽 550025; 2.貴州師范大學 貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地, 貴陽 550025; 3.貴州省水利科學研究院,貴陽 550001)

0 引 言

地表溫度(Land Surface Temperature, LST)推動大氣和生物圈之間表面能量和水分通量的交換,是陸地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵驅(qū)動因素[1-2]。地表溫度不僅受到地表特征、植被緩沖效應和太陽短波輻射周期性的影響[3],與近地表氣溫(Near surface air temperature,Tair)之間也存在密切的關(guān)系[4]。近地表氣溫對農(nóng)業(yè)發(fā)展、城市環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[5-7],是研究氣候變化的重要因素之一[8-9]。不同下墊面具有不同自然條件,兩者關(guān)系在不同下墊面上具有差異,產(chǎn)生不同的氣象過程。分析不同下墊面地表溫度與近地表氣溫關(guān)系的差異,對于識別下墊面與近地表大氣相互作用過程有重要意義。

地表溫度和近地表氣溫屬于一個復雜的系統(tǒng),會隨氣候變化和地理條件的變化而變化。不同時空尺度上,地表溫度和近地表氣溫具有明顯差異和空間趨勢[10]。利用地表溫度估算近地表氣溫時[11-12],地表溫度和近地表氣溫之間能量傳輸受到太陽輻射、風速、土壤水分、土壤發(fā)射率、地形和地表粗糙度等因素的控制[13-17]。城市的地表溫度和近地表氣溫的相關(guān)性比農(nóng)村好[18],兩者的關(guān)系適合量化熱島指數(shù),評估城市熱島效應[19]。在復雜地形下,地表溫度和近地表氣溫的差異增大,兩者的關(guān)系受到環(huán)境因素的影響增強[20]。可看出,地表溫度和近地表氣溫具有高度的相關(guān)性。

喀斯特區(qū)石漠化程度高,表面物質(zhì)的比熱容和熱慣性小,不僅具有傳統(tǒng)的城市熱島效應,還有較多的異常高溫區(qū)[21]?？λ固貐^(qū)陸地-大氣之間能量傳輸具有明顯的波動性,以上特征導致喀斯特區(qū)地表溫度與近地表氣溫的關(guān)系有別于非喀斯特區(qū),兩類地區(qū)產(chǎn)生不同的生態(tài)效應?？λ固貐^(qū)由于高度的環(huán)境異質(zhì)性、獨特的水文地質(zhì)背景、薄弱的鈣環(huán)境[22],生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱;非喀斯特區(qū)主要為非碳酸鹽巖,土層深厚,植被發(fā)育好,地表通量的變化特征與喀斯特區(qū)不一致。兩類地區(qū)陸地-大氣能量交換的模式具有差異,產(chǎn)生不同的環(huán)境問題。非喀斯特區(qū)環(huán)境問題的治理策略不一定適用于喀斯特區(qū)。對比地表溫度和近地表氣溫在兩類地區(qū)的差異,是對不同區(qū)域的陸地-大氣之間能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的了解,也是解決不同地區(qū)生態(tài)問題和維護人類健康的重要需求。

綜上,運用近鄰成對像元比較和概率密度分布函數(shù)分析等方法,研究地表溫度與近地表氣溫在喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)的差異,揭示兩類地區(qū)陸地-大氣之間能量傳輸規(guī)律的區(qū)別,為研究氣候變化、解析地表環(huán)境模式和保護生態(tài)環(huán)境等方面提供參考。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇位于中國貴州省西南部、喀斯特與非喀斯特交錯分布的紫云、望謨兩縣(圖1),地理位置為24°53′N—26°3′N、105°49′E—106°32′E,總面積約為5 392 km2,喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)面積分別占總面積的55.84%和44.16%。氣候類型以亞熱帶季風濕潤氣候為主,溫和宜人、冬無嚴寒、夏無酷暑;雨水充沛,四季分明,年均氣溫為15.3～19.5 ℃、年降雨量為1 236.8～1 337.0 mm。該區(qū)地處貴州高原向廣西丘陵盆地過渡的斜坡地帶,地勢復雜,北部和中部海拔高,南部和西部海拔較低,地形多為高原山地,海拔275～1 718 m,海拔差異大。區(qū)內(nèi)土壤以黃壤、紅壤和石灰土為主,松散易蝕。植被類型主要有常綠闊葉林、次生針闊混交林、灌叢和灌草叢等。

圖1 研究區(qū)位置及近鄰成對像元分布

1.2 研究方法

為減弱地理位置、環(huán)境要素和空間尺度等因素對地表溫度與近地表氣溫關(guān)系的影響,運用近鄰成對像元比較,分析不同時間尺度下地表溫度和近地表氣溫在喀斯特區(qū)與非喀斯特區(qū)的差異。具體方法為:在喀斯特區(qū)與非喀斯特區(qū)交界處兩側(cè)各選一個點,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個像元形成251組近鄰成對像元,統(tǒng)計251組像元對的地表溫度和近地表氣溫,分析地表溫度和近地表氣溫在喀斯特區(qū)與非喀斯特區(qū)的差異。

1.2.1 概率密度分布函數(shù)

對地表溫度和近地表氣溫的差值進行分區(qū),將每個區(qū)間的差值進行概率密度計算,繪制分布函數(shù)的正態(tài)曲線;使用正態(tài)曲線的偏度(Skewness)來分析地表溫度和近地表氣溫之間的差異[20]。偏度的絕對值越接近0,分布的偏移程度小,概率分布函數(shù)接近正態(tài),說明地表溫度和近地表氣溫能量傳輸越穩(wěn)定。公式為

(1)

式中:f(x)為概率密度函數(shù);μ為期望值;σ為標準差;x為隨機變量。

(2)

1.2.2 均方根誤差

均方根誤差(RMSD)常用來衡量兩因素之間的偏差[10],利用均方根誤差,可揭示喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)地表溫度與近地表氣溫的差異,公式為

(3)

1.2.3 變異系數(shù)

變異系數(shù)反映遙感數(shù)據(jù)長時序的波動程度[23-24],可進一步分析喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)地表溫度和近地表氣溫差異的波動情況。公式為

(4)

式中Cv為喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)地表溫度和近地表氣溫差值的變異系數(shù),Cv值越小,說明地表溫度和近地表氣溫差異的波動性越小,穩(wěn)定性越好;反之則越差。

1.3 數(shù)據(jù)來源

地表溫度數(shù)據(jù)源自國家青藏高原科學數(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)[25],時間分辨率為逐日,空間分辨率為1 km,時間跨度為2000—2018年[26]。

近地表氣溫數(shù)據(jù)源于開放獲取的數(shù)字存儲庫和數(shù)據(jù)存儲平臺(https:∥zenodo.org/record/5502275)的數(shù)據(jù)集CDAT(China Daily near-surface Air Temperature dataset),時間分辨率為逐日,空間分辨率為0.1°,時間跨度為2000—2018年[27]。

其余相關(guān)輔助數(shù)據(jù)中,紫云、望謨兩縣行政區(qū)劃圖和喀斯特區(qū)分布數(shù)據(jù)均來源于國家地球系統(tǒng)科學中心(http:∥www.geodata.cn/)。

2 結(jié)果分析

2.1 喀斯特區(qū)與非喀斯特區(qū)年均地表溫度與近地表氣溫的差異

從圖2和表1可知,喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)年均地表溫度與近地表氣溫差值的概率密度分布函數(shù)的正態(tài)曲線偏度分別為0.09和-0.06。兩者差值的概率密度分布在非喀斯特區(qū)比喀斯特區(qū)更接近于正態(tài)分布。地表溫度與近地表氣溫差值的均方根誤差在喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)分別為9.32 ℃和9.16 ℃,變異系數(shù)分別為0.13和0.12,均方根誤差和變異系數(shù)皆為喀斯特區(qū)高于非喀斯特區(qū)。說明地表溫度與近地表氣溫的差異在喀斯特區(qū)更明顯,兩者差異的波動性在喀斯特區(qū)更大,陸地-大氣之間能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性在非喀斯特區(qū)更好。

表1 喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)地表溫度與近地表氣溫差值的正態(tài)曲線偏度、均方根誤差和變異系數(shù)(年均、季節(jié))

圖2 喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)年均地表溫度與近地表氣溫差值的概率密度分布

2.2 喀斯特區(qū)與非喀斯特區(qū)季節(jié)地表溫度與近地表氣溫的差異

圖3和表1表明,在春、夏、秋、冬四季,地表溫度與近地表氣溫差值的概率密度分布函數(shù)的正態(tài)曲線偏度在喀斯特區(qū)分別為0.13、0.33、0.20和0.12,非喀斯特區(qū)分別為-0.01、0.19、0.03和0.05。4個季節(jié)中,非喀斯特區(qū)均比喀斯特區(qū)更接近正態(tài)分布,兩類地區(qū)的正態(tài)曲線在冬季最接近。春季、夏季、秋季和冬季,地表溫度與近地表氣溫差值的均方根誤差在喀斯特區(qū)分別為16.11、7.06、8.64、11.85 ℃,在非喀斯特區(qū)分別為16.10、7.05、8.63、11.85 ℃,喀斯特區(qū)兩者差值的均方根誤差在春季、夏季和秋季大于非喀斯特區(qū);冬季,變異系數(shù)為喀斯特區(qū)(0.10)大于非喀斯特區(qū)(0.09),其余季節(jié)基本一致,呈夏季(0.15)>秋季(0.12)>春季(0.08)。結(jié)果表明,在春季、夏季和秋季,喀斯特區(qū)的地表溫度和近地表氣溫的差異比非喀斯特區(qū)明顯;冬季,兩類地區(qū)無明顯差異;冬季,喀斯特區(qū)地表溫度與近地表氣溫差異的波動性大于非喀斯特區(qū),其他季節(jié)均無明顯差異;4個季節(jié)的陸地-大氣之間能量傳輸均為非喀斯特區(qū)比喀斯特區(qū)穩(wěn)定。

圖3 喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)各季節(jié)地表溫度與近地表氣溫差值的概率密度分布

2.3 喀斯特區(qū)與非喀斯特區(qū)月均地表溫度與近地表氣溫的差異

如圖4和表2所示,從各月的變化情況看,3月份和4月份,地表溫度與近地表氣溫差值的概率密度分布函數(shù)的正態(tài)曲線偏度為喀斯特區(qū)大于非喀斯特區(qū),證明這兩月中喀斯特區(qū)均比非喀斯特區(qū)更接近于正態(tài)的分布,其余月份相反。喀斯特區(qū)月均的地表溫度和近地表氣溫差值的均方根誤差均大于非喀斯特區(qū)。從變異系數(shù)來看,喀斯特區(qū)在4月份大于非喀斯特區(qū),其余月份均無明顯差異。表明喀斯特區(qū)地表溫度與近地表氣溫的差異在各月均比非喀斯特區(qū)明顯;在4月份,喀斯特區(qū)地表溫度與近地表氣溫差異的波動性高于非喀斯特區(qū),其余月份基本一致;除去3月份和4月份,其余月份非喀斯特區(qū)陸地-大氣之間能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性均比喀斯特區(qū)好。

表2 喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)地表溫度與近地表氣溫差值正態(tài)曲線偏度、均方根誤差和變異系數(shù)(月均)

圖4 喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)月均地表溫度與近地表氣溫差值的概率密度分布

3 討 論

3.1 地表溫度與近地表氣溫在喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)的變化差異

喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)的地表溫度逐漸下降,近地表氣溫逐漸上升。地表溫度和近地表氣溫多年平均值在喀斯特區(qū)分別為26.31、17.23 ℃,在非喀斯特區(qū)分別為26.27、17.61 ℃。喀斯特區(qū)地表溫度以-0.133 7 ℃/a速度下降,近地表氣溫以0.025 4 ℃/a速度上升。非喀斯特區(qū)地表溫度以-0.135 8 ℃/a速度下降,近地表氣溫以0.029 5 ℃/a速度上升(圖5)。結(jié)果表明,喀斯特區(qū)地表溫度高于非喀斯特區(qū),近地表氣溫比非喀斯特區(qū)低,且地表溫度和近地表氣溫的變化速度也低于非喀斯特區(qū)。地表溫度和近地表氣溫之間的關(guān)系取決于能量源的復雜相互作用及其在陸地和大氣之間的分布[28],說明喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)地表性質(zhì)與下墊面因素對能量源的接收轉(zhuǎn)換存在差異。

圖5 地表溫度與近地表氣溫在喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)的變化

3.2 下墊面性質(zhì)對喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)地表溫度與近地表氣溫差異的影響

下墊面性質(zhì)是地表溫度與近地表氣溫在不同區(qū)域產(chǎn)生差異的重要因素。喀斯特區(qū)脆弱的地質(zhì)環(huán)境,大面積的裸巖和脆弱的植被生長條件,導致喀斯特區(qū)的陸地-大氣能量的傳輸特征與非喀斯特區(qū)具有區(qū)別。一般地,地表溫度和近地表氣溫的差異會受到植被覆蓋程度[29]和土壤水分[30]等下墊面因素的強烈影響[31]。

植被覆蓋程度會通過蒸散作用影響大氣濕度[32]進而影響地表溫度與近地表溫度之間的差異。植被覆蓋程度高,蒸發(fā)量大,大量水蒸氣可以在大氣中保留更多的能量來緩解溫室效應[33],縮小地表溫度與近地表溫度之間的差異。喀斯特區(qū)基巖裸露,土層稀薄,導致植被發(fā)育程度差[34],植被覆蓋率較低[35],整體的植被覆蓋程度不如非喀斯特區(qū)好,蒸散發(fā)小于非喀斯特區(qū)[36],導致喀斯特區(qū)地表溫度與近地表氣溫的差異比非喀斯特區(qū)明顯。

土壤水分通過影響植被覆蓋和降水來重新分配地表的水-能通量,進而影響地表溫度和近地表氣溫的差異[37]。土壤水分高的地區(qū),通過土壤蒸發(fā)量能減弱地表溫度與近地表氣溫的差異[33]。由于非喀斯特區(qū)主要為非碳酸鹽巖,土層深厚,土壤儲水能力強于喀斯特地區(qū)[38],土壤蒸發(fā)量比喀斯特區(qū)大,因而地表溫度和近地表氣溫的差異比喀斯特區(qū)小。

3.3 氣候變化對地表溫度和近地表氣溫的影響

氣候變化對地表溫度和近地表氣溫的變化具有影響,其中氣溫[39]、降水[40]與太陽輻射[28]的影響程度較明顯。

氣溫通過向地表傳輸熱量,控制地表溫度的變化。氣溫升高時,大氣熱量充足,地表持續(xù)接收大氣熱量,持續(xù)升溫,氣溫降低也就對地表進行降溫,地表溫度下降[39]。

降水通過與植被的蒸發(fā),改變大氣濕度,進而影響地表溫度。降水與地表溫度呈負相關(guān)[40-41],降水越多,大氣濕度就越高,地表溫度就越低。降水與近地表氣溫同樣呈負相關(guān),主要通過土壤水分的蒸散發(fā)對近地表大氣進行降溫[42],并且,降水量越多,地表溫度和近地表氣溫的關(guān)系越弱[29]。

太陽輻射是陸地-大氣間的能量傳輸?shù)哪芰吭?能量分布由地表的反照率和大氣的反射率決定,大氣水汽壓會吸收地表的長波輻射,也會向地表發(fā)射輻射,最終影響大氣發(fā)射率[43-45],主導地表溫度與近地表氣溫關(guān)系。

3.4 未來研究的重點

通過研究,我們初步分析了地表溫度與近地表氣溫在喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)的差異。但因受到研究手段的限制,本研究還存在不足,需在未來不斷開展深入分析。首先,會對研究結(jié)果進行實地驗證,完善整個研究過程,更全面地了解陸地-大氣的耦合機制。其次,本研究運用近鄰成對像元比較法開展研究,分析結(jié)果僅能從兩類地區(qū)的物質(zhì)組成和下墊面性質(zhì)出發(fā),分析地表溫度與近地表氣溫差異,但從全球范圍來看,影響地表溫度與近地表氣溫關(guān)系的因素較多,這些因素之間會產(chǎn)生不同程度的交互作用,導致陸地-大氣耦合機制更復雜。想要深入揭示地表溫度與近地表氣溫在喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)的差異及其驅(qū)動機制,需要在更大范圍內(nèi)輸入更多相關(guān)的環(huán)境變量和人類活動指標進行考量,完善不同區(qū)域和緯度的喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)的陸地-大氣的能量平衡機制,補充已有研究結(jié)論,加強陸地-大氣耦合研究對理解全球氣候變化機制的重要意義。

4 結(jié) 論

本文基于近鄰成對像元比較和概率密度分布函數(shù),分析喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)地表溫度與近地表氣溫的差異。結(jié)果表明:

(1)從年平均看,喀斯特區(qū)地表溫度與近地表氣溫的差異及其波動性比非喀斯特區(qū)明顯,陸地-大氣之間能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性為非喀斯特區(qū)大于喀斯特區(qū)。

(2)從季節(jié)分析,地表溫度與近地表氣溫的差異在春、夏、秋三季為喀斯特區(qū)比非喀斯特區(qū)明顯,冬季無明顯差異;地表溫度與近地表氣溫差異的波動性在冬季為喀斯特區(qū)大于非喀斯特區(qū);喀斯特區(qū)陸地-大氣之間能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性在4個季節(jié)均大于非喀斯特區(qū)。

(3)從各月情況看,喀斯特區(qū)地表溫度與近地表氣溫差異在各月均比非喀斯特區(qū)明顯,差異波動性在4月份大于非喀斯特區(qū),其余月份基本一致;除去3月份和4月份,其余月份非喀斯特區(qū)陸地-大氣之間能量傳輸均比喀斯特區(qū)穩(wěn)定。由于非喀斯特區(qū)植被覆蓋度高、巖性與土壤狀況好,其調(diào)節(jié)熱量的能力較強,陸地-大氣的能量傳輸較穩(wěn)定;喀斯特區(qū)植被條件差、裸巖分布廣,加上高度的空間異質(zhì)性,使地表溫度與近地表氣溫差異及其波動性更明顯。