新疆典型沙漠和绿洲植被-水汽-地表温度相关性分析

程丹妮， 王颖琪， 程勇翔， 黄敬峰

（1.石河子大学生命科学学院，新疆 石河子 832000；2.浙江大学农业遥感与信息技术应用研究所，浙江 杭州 310058）

地区植被的变化能够直接反映出该地环境变化［1］。植被在调节气候［2］，维持地球表面环境稳定［3］中起着重要作用。归一化植被指数（NDVI）能很好的反映地区植被的变化和覆盖程度［3］，已被广泛用于研究植物时空变化和生态环境监测［4-5］。NDVI与地表温度［6］和大气水汽含量［7］关系密切，植被覆盖度越高对于地表温度的调控作用就会越强，对大气水汽的调控效果越好［8］。

蔡朝朝等［2］利用2000—2018 年NDVI 月值合成数据集，通过趋势分析，得出新疆沿天山绿洲带植被有明显增加趋势。王丽平等［6］基于2003—2018年MODIS 地表温度产品，使用地表温度最大值，采用长时间序列趋势分析得出新疆塔里木盆地以及新疆北部地表温度呈现明显上升趋势。雷磊等［8］利用Landsat TM影像以及于田地区气象站的日地表温度数据，得出植被覆盖度的增加，对于地表温度上升变缓起着重要作用。杨青等［9］对伊犁河流水汽含量做了相关研究，得出了在研究区水汽含量集中在夏季；姚俊强等［10］利用气象站观测数据结合探空站观测资料对天山山区及周边地区的水汽含量进行了特征分析，得出水汽含量呈现明显的季节变化，夏季最高、冬季最小。此外，还有不少学者，分别对于新疆石河子地表温度［11］、天山植被［12］、和田地区植被变化［13］等局部地区做过研究，得出具有参考价值的研究结果，结果显示上述地区植被呈现增加趋势，夏季地表温度下降明显。

经文献查询，目前对新疆沙漠、绿洲各系统间的比较研究较少，对南北疆各系统植被-水汽-地表温度相关性分析更鲜有报道。因此，本文通过对新疆沙漠、绿洲典型生境的选取，对比南北疆沙漠、绿洲植被指数、大气水汽含量、地表温度变化特征，揭示在当前环境变化背景下三者间的内在联系，为更好地认识新疆生态环境变化提供有价值的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆地处欧亚大陆腹地，远离海洋，属于典型温带大陆性气候［14］。天山山脉将新疆分为北疆和南疆，在北疆有固定、半固定古尔班通古特沙漠，植被覆盖度在30%左右。南疆有流动性塔克拉玛干沙漠，植被覆盖度几乎为零（图1）。海拔高度是北疆低于南疆［15］，降水是北疆多于南疆［16］，植被是北疆整体好于南疆［17］。由于南北疆显著的气候差异，造就了彼此生态环境的巨大差异，因此具有较高的探索、比较和研究价值。

图1 新疆典型生境选取示意图Fig.1 Schematic diagram of typical habitat selection in Xinjiang

1.2 数据与处理

2001—2019年MOD13C3植被指数及MOD11C3地表温度数据空间分辨率均为5.5 km，时间分辨率为月。2013—2017 年Suomi NPP VIIRS 水汽数据空间分辨率为0.5°，时间分辨率为月。研究从NASA官网（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov）下载获取了上述数据。利用MOD13C3、MOD11C3 各自数据质量信息，对数据进行了去云处理，并结合质量信息，对于有气溶胶影响的像元也进行处理，确保后续参与运算的数据准确可靠。研究利用交互式数据语言（Interactive data language，IDL）编程读取NC格式的水汽产品，并将该数据转换成遥感图像处理软件ENVI 支持的TIF 格式。选取以VIIRS 为基础，并加入NUCAPS（美国国家海洋和大气管理局CrIS/ATMS处理系统）水汽积来补偿VIIRS水汽通道缺失的水汽总量（TPW）产品，获取白天、夜晚全球月平均值用于研究。利用图1各典型生境矢量图获取研究所需数据。

1.3 研究方法

研究采用Slope 斜率公式对2001—2019 年NDVI、地表温度年平均值序列变化进行趋势分析，斜率计算公式为：

式中：j为年份；xj为第j年NDVI或地表温度的年平均值；n为总年数。当Slope>0 时，表示研究因子在n年中变化为上升趋势；当Slope<0 时，表示研究因子在n年中变化为下降趋势。

2 结果与分析

2.1 新疆NDVI变化趋势

从NDVI趋势变化分析结果（图2）可知，新疆绿洲植被增加显著。研究分析，绿洲植被的增加与盐碱地的改良和农田开发密切相关。一方面，受新疆农业生产模式转变的影响，特别是滴灌影响，使得灌头下土壤水分接近饱和，水分扩散后形成一个半圆锥形的土壤浸润体，土壤盐分随水移动后，盐被淋洗到浸润体的外围，结果导致土壤耕作层盐分下降［18-19］，促进了农作物生长，大面积盐渍化土地被充分利用。另一方面，滴灌提高了水分利用效率，耕地面积明显增加。受近年来区域降水增加的影响，新疆自然植被整体呈增加趋势，但在伊犁、塔城和阿勒泰部分地区植被却有所减少，特别是伊犁地区的植被下降明显。学者研究表明，伊犁地区植被的下降与该区人口的增加、人类对自然环境的干扰［20］、夏季超载过牧［21］、降水减少［22］以及外来植物入侵等关系密切［23］。

2.2 新疆地表温度变化趋势

从地表温度趋势分析（图3）可见，在植被明显增加的绿洲，白天地表温度明显下降，夜晚地表温度明显上升，昼夜地表温差降低。这表明植被增加对地表温度具有调控作用，可使地表温度变幅减小。受全球气候变暖的影响，在古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠等低植被覆盖的区域，白天和夜晚地表温度均升高，昼夜地表温差增加。虽然两大沙漠近年植被略有增加，但稀疏的植被对温度调控作用弱，沙漠地表温度变化更多受下垫面状况和气温变化所控制。上述分析表明，高植被覆盖区比低植被覆盖区对地表温度变化的调控作用强。

图3 地表温度斜率趋势分析Fig.3 Slope trends of land surface temperature

2.3 新疆整体植被-水汽-地表温度相关性

NDVI、地表温度与大气水汽含量两两相互关系表现为：植被增加，白天、夜晚大气水汽含量都增加，水汽差值增加（图4a）。伴随着植被指数增加，白天、夜晚地表温度增加，当植被指数最大时，即夏季昼夜地表温差逐渐减小（图4b）。比较植被增加对地表温差和水汽差变化的影响可得出，地表温度对植被变化的敏感度高，而大气水汽含量对植被变化的敏感度低，即在全疆水平上，平均较低的植被覆盖不能有效降低水汽差。另外，地表温度增加，白天、夜晚大气水汽含量都增加，且昼夜地表温差越大，水汽含量差值也越大（图4c）。

图4 NDVI、地表温度与大气水汽含量相关性Fig.4 Correlations between NDVI,land surface temperature and atmospheric water vapor content

2.4 北疆沙漠和绿洲植被-水汽-地表温度相关性

在北疆古尔班通古特沙漠，植被、大气水汽含量和地表温度均有明显的季节变化。大气水汽含量和地表温度及各差值每年夏季均达到一年中的最大值，冬季为最低值（图5a～c）。白天大气水汽含量和地表温度均高于夜晚（图5a～b、表1）。NDVI峰值出现在每年的春季（图5d）。由于古尔班通古特沙漠植被覆盖度低，调控作用弱，每年随沙漠植被增加地表温度差和水汽差未减小（图6a～b）。地表温度对大气水汽含量影响明显（图6c）。

图5 2013—2017年北疆古尔班通古特沙漠生态指标变化Fig.5 Changes of ecological indicators of Gurbantunggut Desert in northern Xinjiang from 2013 to 2017

图6 北疆古尔班通古特沙漠植被-水汽-地表温度相关性Fig.6 Correlations between vegetation,water vapor and land surface temperature in Gurbantunggut Desert of northern Xinjiang

表1 2013—2017年北疆生态指标情况Tab.1 Ecological indicators situation of northern Xinjiang from 2013 to 2017

在北疆绿洲受高植被覆盖的影响，地表温度差和水汽差，均较相邻古尔班通古特沙漠小（图7a～c），且每年随植被增加水汽含量差和地表温度差均减少（图8a～b），这充分体现出植被对环境的调控作用及绿洲效应。绿洲由于大部分为农作物，NDVI峰值出现在夏季（图7d）。大气水汽含量受地表温度的影响明显（图8c）。

图7 2013—2017年北疆绿洲生态指标变化Fig.7 Changes of ecological indicators of oasis in northern Xinjiang from 2013 to 2017

图8 北疆绿洲植被-水汽-地表温度相关性Fig.8 Correlations between vegetation,water vapor and land surface temperature in oasis of northern Xinjiang

2.5 南疆沙漠和绿洲植被-水汽-地表温度相关性

在南疆塔克拉玛干沙漠，白天地表温度明显高于夜晚（表2），昼夜地表温差巨大（图9b），大气水汽含量在每年3—10月会出现夜晚水汽含量超过白天水汽含量的现象（图9a、c），分析原因与春、夏、秋季沙漠夜晚逆温、逆湿现象关系密切。塔克拉玛干沙漠由于缺少植被调控，升温快，降温也快。夜晚地表因辐射冷却造成最接近地面的下层空气迅速降温，而上层的空气冷却降温较慢，因而使下层大气的气温低于上层大气的气温，出现逆温状态。在逆温层底部有大量的水汽堆积，在空中形成明显的逆湿层，因湍流交换弱，整个大气基本为稳定层结，而在白天，地表温度升高，整个大气变为不稳定层结，逆湿就会减弱，所以塔克拉玛干沙漠在气温较高的月份会出现反常的夜晚水汽含量高于白天水汽含量的情况。此外，极低覆盖度下的植被变化（图9d）对地表温度变化几乎无调控。地表温度对大气水汽含量的增加影响显著，夜晚相较于白天水汽含量受温度调控更明显（图10c）。

表2 2013—2017年南疆生态指标情况Tab.2 Ecological indicators situation of southern Xinjiang from 2013 to 2017

图9 2013—2017年南疆塔克拉玛干沙漠生态指标变化Fig.9 Changes of ecological indicators in Taklimakan Desert of southern Xinjiang from 2013 to 2017

图10 南疆塔克拉玛干沙漠植被-水汽-地表温度相关性Fig.10 Correlations between vegetation,water vapor and land surface temperature in Taklimakan Desert of southern Xinjiang

在南疆绿洲，受高植被覆盖影响，昼夜地表温差明显降低（图11b～c），表现为与北疆绿洲相同的特性，即每年随植被增加地表温度差减少（图12b）。但大气水汽含量变化与北疆绿洲不同，南疆绿洲受外围沙漠环境影响巨大，也会出现夜晚大气水汽含量超过白天大气水汽含量的现象，但月份却主要集中在夏季（图11a、图12a）。以上分析再次表明植被变化对地表温度的影响强于对水汽的影响。地表温度对大气水汽含量的控制明显（图12c）。

图11 2013—2017年南疆绿洲生态指标变化Fig.11 Changes of ecological indicators of oasis in southern Xinjiang from 2013 to 2017

图12 南疆绿洲植被-水汽-地表温度相关性Fig.12 Correlations between vegetation,water vapor and land surface temperature in oasis of southern Xinjiang

3 讨论

研究所得新疆NDVI呈明显增加趋势与周紫燕等［24］研究结果基本一致。新疆绿洲NDVI增加显著与Yuan 等［25］利用MOD13Q1 数据对2000—2018 年中国西部植被生长季新疆绿洲呈现明显增加趋势的研究结果一致，与Dong等［26］所得近年来南北疆绿洲面积快速增加相吻合。新疆地表温度的趋势变化研究结果与韩春光等［11,27］的研究结果相似。新疆荒漠地表温度呈上升趋势，绿洲呈下降趋势，与胡云锋等［28］的研究结果一致。从划分的不同下垫面来看，耕地NDVI上升明显，其地表温度会因植被覆盖度增加呈明显下降趋势，而沙漠因植被稀疏，地表温度变化受植被影响较小，NDVI 与地表温度呈现正相关，与热伊莱·卡得尔等［29］的研究结果一致。经计算塔克拉玛干沙漠2013—2017 年的平均地表温度高于古尔班通古特沙漠，这与赵强等［30］研究结果近似。研究得出塔克拉玛干沙漠的白天、夜晚的地表温度均高于古尔班通古特沙漠（表1、表2），其白天、夜晚的平均地表温度分别为31.32 ℃、4.91 ℃，而古尔班通古特沙漠的白天、夜晚平均地表温度分别20.87 ℃、1.37 ℃。

Wang 等［7］研究得出随着NDVI 的增加，大气水汽含量与NDVI 的相关性也越来越强，两者呈现正相关关系，该结果与研究所得植被覆盖增加对水汽含量的影响程度增加相一致。2013—2017 年北疆白天、夜晚平均水汽含量分别为10.22 mm 和8.40 mm，均大于南疆白天、夜晚8.12 mm和7.62 mm的平均水汽含量（表1、表2），且有明显的年变化，夏季水汽含量最大，与张扬等［31］的研究结果一致。水汽含量会明显受到下垫面的影响，因绿洲农田灌溉和作物生长蒸发、蒸腾作用大，导致大气水汽含量高，而在沙漠因降水少、植被覆盖度低，大气水汽含量相对于绿洲低［32］。南疆耕地因作物生长导致植被覆盖相对于沙漠高，保证了水汽含量，所以南疆耕地的水汽含量总体大于塔克拉玛干沙漠［33］。研究所得NDVI呈现明显增加趋势的地区大部分是新疆早熟棉种植区，植被覆盖度高于沙漠，呈下降趋势的昼夜地表温差明显不同于沙漠［34-35］。魏浩林等［36-38］所得地表温度增加，大气水汽含量升高，且两者呈正相关的结论与研究结果一致。

北疆白天水汽含量高于夜晚水汽含量，符合水汽变化的一般规律，即温度越高水汽含量越高。南疆沙漠在3—10 月表现为夜晚高于白天，不符合水汽变化的一般规律，分析出现这种异常的原因与塔克拉玛干沙漠植被覆盖度低［39］、降水少［40］密切相关。沙漠白天经过太阳照射，地表温度高，到了夜晚地表会通过长波形式向空气中散热［41］。南北疆沙漠相比较，北疆沙漠因有植被覆盖，植被会对地表温度变化起一定调控作用，导致地表温度不会迅速下降，逆温、逆湿现象不明显。南疆沙漠由于基本无植被覆盖，夜晚地表会迅速冷却降温，逆温、逆湿现象明显，导致夜晚逆温层底部有大量的水汽堆积，水汽含量高于白天［42-44］。崔丽娜等［45］基于塔中站地基全球定位系统（GPS）观测的大气水汽含量数据，对塔克拉玛干沙漠腹地的水汽含量日变化特征进行了研究，得出沙漠腹地全年夜晚水汽含量均高于白天水汽含量，该结论与研究结果在时间上略有不同。分析差异原因主要与所采用的数据和研究手段不同有关，具体问题还有待深入研究。

4 结论

2001—2019 年新疆植被整体增加，局部减少，绿洲植被增加最为明显。新疆植被明显增加，白天地表温度降低，夜晚地表温度升高，地表温差减少，环境变得更加稳定。植被增加大气水汽含量也增加，两者呈正相关关系。植被对水汽含量的调控作用在高植被覆盖的绿洲才体现较为明显。植被对地表温度的影响强于对大气水汽含量的影响。植被增加有助于降低地表温差和水汽含量差。塔克拉玛干沙漠3—10月夜晚水汽含量高于白天水汽含量。南疆绿洲受近年植被增加和塔克拉玛干沙漠的双重影响，绿洲主要在夏季出现夜晚水汽含量高于白天水汽含量的现象。提高新疆植被覆盖度将有利于应对全球气候变化。