喀斯特区与非喀斯特区的地表温度与近地表气温差异分析

廖梦垚,罗 娅, 2,余军林,王 青,石春茂,徐 雪

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院, 贵阳 550025; 2.贵州师范大学 贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地, 贵阳 550025; 3.贵州省水利科学研究院,贵阳 550001)

0 引 言

地表温度(Land Surface Temperature, LST)推动大气和生物圈之间表面能量和水分通量的交换,是陆地生态系统的关键驱动因素[1-2]。地表温度不仅受到地表特征、植被缓冲效应和太阳短波辐射周期性的影响[3],与近地表气温(Near surface air temperature,Tair)之间也存在密切的关系[4]。近地表气温对农业发展、城市环境和生态系统产生影响[5-7],是研究气候变化的重要因素之一[8-9]。不同下垫面具有不同自然条件,两者关系在不同下垫面上具有差异,产生不同的气象过程。分析不同下垫面地表温度与近地表气温关系的差异,对于识别下垫面与近地表大气相互作用过程有重要意义。

地表温度和近地表气温属于一个复杂的系统,会随气候变化和地理条件的变化而变化。不同时空尺度上,地表温度和近地表气温具有明显差异和空间趋势[10]。利用地表温度估算近地表气温时[11-12],地表温度和近地表气温之间能量传输受到太阳辐射、风速、土壤水分、土壤发射率、地形和地表粗糙度等因素的控制[13-17]。城市的地表温度和近地表气温的相关性比农村好[18],两者的关系适合量化热岛指数,评估城市热岛效应[19]。在复杂地形下,地表温度和近地表气温的差异增大,两者的关系受到环境因素的影响增强[20]。可看出,地表温度和近地表气温具有高度的相关性。

喀斯特区石漠化程度高,表面物质的比热容和热惯性小,不仅具有传统的城市热岛效应,还有较多的异常高温区[21]。喀斯特区陆地-大气之间能量传输具有明显的波动性,以上特征导致喀斯特区地表温度与近地表气温的关系有别于非喀斯特区,两类地区产生不同的生态效应。喀斯特区由于高度的环境异质性、独特的水文地质背景、薄弱的钙环境[22],生态系统十分脆弱;非喀斯特区主要为非碳酸盐岩,土层深厚,植被发育好,地表通量的变化特征与喀斯特区不一致。两类地区陆地-大气能量交换的模式具有差异,产生不同的环境问题。非喀斯特区环境问题的治理策略不一定适用于喀斯特区。对比地表温度和近地表气温在两类地区的差异,是对不同区域的陆地-大气之间能量转换规律的了解,也是解决不同地区生态问题和维护人类健康的重要需求。

综上,运用近邻成对像元比较和概率密度分布函数分析等方法,研究地表温度与近地表气温在喀斯特区和非喀斯特区的差异,揭示两类地区陆地-大气之间能量传输规律的区别,为研究气候变化、解析地表环境模式和保护生态环境等方面提供参考。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究区概况

研究区选择位于中国贵州省西南部、喀斯特与非喀斯特交错分布的紫云、望谟两县(图1),地理位置为24°53′N—26°3′N、105°49′E—106°32′E,总面积约为5 392 km2,喀斯特区和非喀斯特区面积分别占总面积的55.84%和44.16%。气候类型以亚热带季风湿润气候为主,温和宜人、冬无严寒、夏无酷暑;雨水充沛,四季分明,年均气温为15.3～19.5 ℃、年降雨量为1 236.8～1 337.0 mm。该区地处贵州高原向广西丘陵盆地过渡的斜坡地带,地势复杂,北部和中部海拔高,南部和西部海拔较低,地形多为高原山地,海拔275～1 718 m,海拔差异大。区内土壤以黄壤、红壤和石灰土为主,松散易蚀。植被类型主要有常绿阔叶林、次生针阔混交林、灌丛和灌草丛等。

图1 研究区位置及近邻成对像元分布

1.2 研究方法

为减弱地理位置、环境要素和空间尺度等因素对地表温度与近地表气温关系的影响,运用近邻成对像元比较,分析不同时间尺度下地表温度和近地表气温在喀斯特区与非喀斯特区的差异。具体方法为:在喀斯特区与非喀斯特区交界处两侧各选一个点,形成近邻成对像元,确保所选的成对像元具有相同的面积与相似的经度、纬度、海拔等条件。共选出502个像元形成251组近邻成对像元,统计251组像元对的地表温度和近地表气温,分析地表温度和近地表气温在喀斯特区与非喀斯特区的差异。

1.2.1 概率密度分布函数

对地表温度和近地表气温的差值进行分区,将每个区间的差值进行概率密度计算,绘制分布函数的正态曲线;使用正态曲线的偏度(Skewness)来分析地表温度和近地表气温之间的差异[20]。偏度的绝对值越接近0,分布的偏移程度小,概率分布函数接近正态,说明地表温度和近地表气温能量传输越稳定。公式为

(1)

式中:f(x)为概率密度函数;μ为期望值;σ为标准差;x为随机变量。

(2)

1.2.2 均方根误差

均方根误差(RMSD)常用来衡量两因素之间的偏差[10],利用均方根误差,可揭示喀斯特区和非喀斯特区地表温度与近地表气温的差异,公式为

(3)

1.2.3 变异系数

变异系数反映遥感数据长时序的波动程度[23-24],可进一步分析喀斯特区和非喀斯特区地表温度和近地表气温差异的波动情况。公式为

(4)

式中Cv为喀斯特区和非喀斯特区地表温度和近地表气温差值的变异系数,Cv值越小,说明地表温度和近地表气温差异的波动性越小,稳定性越好;反之则越差。

1.3 数据来源

地表温度数据源自国家青藏高原科学数据中心(http:∥data.tpdc.ac.cn)的数据集TRIMS LST(Thermal and Reanalysis Integrating Moderate-resolution Spatial-seamless LST)[25],时间分辨率为逐日,空间分辨率为1 km,时间跨度为2000—2018年[26]。

近地表气温数据源于开放获取的数字存储库和数据存储平台(https:∥zenodo.org/record/5502275)的数据集CDAT(China Daily near-surface Air Temperature dataset),时间分辨率为逐日,空间分辨率为0.1°,时间跨度为2000—2018年[27]。

其余相关辅助数据中,紫云、望谟两县行政区划图和喀斯特区分布数据均来源于国家地球系统科学中心(http:∥www.geodata.cn/)。

2 结果分析

2.1 喀斯特区与非喀斯特区年均地表温度与近地表气温的差异

从图2和表1可知,喀斯特区和非喀斯特区年均地表温度与近地表气温差值的概率密度分布函数的正态曲线偏度分别为0.09和-0.06。两者差值的概率密度分布在非喀斯特区比喀斯特区更接近于正态分布。地表温度与近地表气温差值的均方根误差在喀斯特区和非喀斯特区分别为9.32 ℃和9.16 ℃,变异系数分别为0.13和0.12,均方根误差和变异系数皆为喀斯特区高于非喀斯特区。说明地表温度与近地表气温的差异在喀斯特区更明显,两者差异的波动性在喀斯特区更大,陆地-大气之间能量传输的稳定性在非喀斯特区更好。

表1 喀斯特区和非喀斯特区地表温度与近地表气温差值的正态曲线偏度、均方根误差和变异系数(年均、季节)

图2 喀斯特区和非喀斯特区年均地表温度与近地表气温差值的概率密度分布

2.2 喀斯特区与非喀斯特区季节地表温度与近地表气温的差异

图3和表1表明,在春、夏、秋、冬四季,地表温度与近地表气温差值的概率密度分布函数的正态曲线偏度在喀斯特区分别为0.13、0.33、0.20和0.12,非喀斯特区分别为-0.01、0.19、0.03和0.05。4个季节中,非喀斯特区均比喀斯特区更接近正态分布,两类地区的正态曲线在冬季最接近。春季、夏季、秋季和冬季,地表温度与近地表气温差值的均方根误差在喀斯特区分别为16.11、7.06、8.64、11.85 ℃,在非喀斯特区分别为16.10、7.05、8.63、11.85 ℃,喀斯特区两者差值的均方根误差在春季、夏季和秋季大于非喀斯特区;冬季,变异系数为喀斯特区(0.10)大于非喀斯特区(0.09),其余季节基本一致,呈夏季(0.15)>秋季(0.12)>春季(0.08)。结果表明,在春季、夏季和秋季,喀斯特区的地表温度和近地表气温的差异比非喀斯特区明显;冬季,两类地区无明显差异;冬季,喀斯特区地表温度与近地表气温差异的波动性大于非喀斯特区,其他季节均无明显差异;4个季节的陆地-大气之间能量传输均为非喀斯特区比喀斯特区稳定。

图3 喀斯特区和非喀斯特区各季节地表温度与近地表气温差值的概率密度分布

2.3 喀斯特区与非喀斯特区月均地表温度与近地表气温的差异

如图4和表2所示,从各月的变化情况看,3月份和4月份,地表温度与近地表气温差值的概率密度分布函数的正态曲线偏度为喀斯特区大于非喀斯特区,证明这两月中喀斯特区均比非喀斯特区更接近于正态的分布,其余月份相反。喀斯特区月均的地表温度和近地表气温差值的均方根误差均大于非喀斯特区。从变异系数来看,喀斯特区在4月份大于非喀斯特区,其余月份均无明显差异。表明喀斯特区地表温度与近地表气温的差异在各月均比非喀斯特区明显;在4月份,喀斯特区地表温度与近地表气温差异的波动性高于非喀斯特区,其余月份基本一致;除去3月份和4月份,其余月份非喀斯特区陆地-大气之间能量传输的稳定性均比喀斯特区好。

表2 喀斯特区和非喀斯特区地表温度与近地表气温差值正态曲线偏度、均方根误差和变异系数(月均)

图4 喀斯特区和非喀斯特区月均地表温度与近地表气温差值的概率密度分布

3 讨 论

3.1 地表温度与近地表气温在喀斯特区和非喀斯特区的变化差异

喀斯特区和非喀斯特区的地表温度逐渐下降,近地表气温逐渐上升。地表温度和近地表气温多年平均值在喀斯特区分别为26.31、17.23 ℃,在非喀斯特区分别为26.27、17.61 ℃。喀斯特区地表温度以-0.133 7 ℃/a速度下降,近地表气温以0.025 4 ℃/a速度上升。非喀斯特区地表温度以-0.135 8 ℃/a速度下降,近地表气温以0.029 5 ℃/a速度上升(图5)。结果表明,喀斯特区地表温度高于非喀斯特区,近地表气温比非喀斯特区低,且地表温度和近地表气温的变化速度也低于非喀斯特区。地表温度和近地表气温之间的关系取决于能量源的复杂相互作用及其在陆地和大气之间的分布[28],说明喀斯特区和非喀斯特区地表性质与下垫面因素对能量源的接收转换存在差异。

图5 地表温度与近地表气温在喀斯特区和非喀斯特区的变化

3.2 下垫面性质对喀斯特区和非喀斯特区地表温度与近地表气温差异的影响

下垫面性质是地表温度与近地表气温在不同区域产生差异的重要因素。喀斯特区脆弱的地质环境,大面积的裸岩和脆弱的植被生长条件,导致喀斯特区的陆地-大气能量的传输特征与非喀斯特区具有区别。一般地,地表温度和近地表气温的差异会受到植被覆盖程度[29]和土壤水分[30]等下垫面因素的强烈影响[31]。

植被覆盖程度会通过蒸散作用影响大气湿度[32]进而影响地表温度与近地表温度之间的差异。植被覆盖程度高,蒸发量大,大量水蒸气可以在大气中保留更多的能量来缓解温室效应[33],缩小地表温度与近地表温度之间的差异。喀斯特区基岩裸露,土层稀薄,导致植被发育程度差[34],植被覆盖率较低[35],整体的植被覆盖程度不如非喀斯特区好,蒸散发小于非喀斯特区[36],导致喀斯特区地表温度与近地表气温的差异比非喀斯特区明显。

土壤水分通过影响植被覆盖和降水来重新分配地表的水-能通量,进而影响地表温度和近地表气温的差异[37]。土壤水分高的地区,通过土壤蒸发量能减弱地表温度与近地表气温的差异[33]。由于非喀斯特区主要为非碳酸盐岩,土层深厚,土壤储水能力强于喀斯特地区[38],土壤蒸发量比喀斯特区大,因而地表温度和近地表气温的差异比喀斯特区小。

3.3 气候变化对地表温度和近地表气温的影响

气候变化对地表温度和近地表气温的变化具有影响,其中气温[39]、降水[40]与太阳辐射[28]的影响程度较明显。

气温通过向地表传输热量,控制地表温度的变化。气温升高时,大气热量充足,地表持续接收大气热量,持续升温,气温降低也就对地表进行降温,地表温度下降[39]。

降水通过与植被的蒸发,改变大气湿度,进而影响地表温度。降水与地表温度呈负相关[40-41],降水越多,大气湿度就越高,地表温度就越低。降水与近地表气温同样呈负相关,主要通过土壤水分的蒸散发对近地表大气进行降温[42],并且,降水量越多,地表温度和近地表气温的关系越弱[29]。

太阳辐射是陆地-大气间的能量传输的能量源,能量分布由地表的反照率和大气的反射率决定,大气水汽压会吸收地表的长波辐射,也会向地表发射辐射,最终影响大气发射率[43-45],主导地表温度与近地表气温关系。

3.4 未来研究的重点

通过研究,我们初步分析了地表温度与近地表气温在喀斯特区和非喀斯特区的差异。但因受到研究手段的限制,本研究还存在不足,需在未来不断开展深入分析。首先,会对研究结果进行实地验证,完善整个研究过程,更全面地了解陆地-大气的耦合机制。其次,本研究运用近邻成对像元比较法开展研究,分析结果仅能从两类地区的物质组成和下垫面性质出发,分析地表温度与近地表气温差异,但从全球范围来看,影响地表温度与近地表气温关系的因素较多,这些因素之间会产生不同程度的交互作用,导致陆地-大气耦合机制更复杂。想要深入揭示地表温度与近地表气温在喀斯特区和非喀斯特区的差异及其驱动机制,需要在更大范围内输入更多相关的环境变量和人类活动指标进行考量,完善不同区域和纬度的喀斯特区和非喀斯特区的陆地-大气的能量平衡机制,补充已有研究结论,加强陆地-大气耦合研究对理解全球气候变化机制的重要意义。

4 结 论

本文基于近邻成对像元比较和概率密度分布函数,分析喀斯特区和非喀斯特区地表温度与近地表气温的差异。结果表明:

(1)从年平均看,喀斯特区地表温度与近地表气温的差异及其波动性比非喀斯特区明显,陆地-大气之间能量传输的稳定性为非喀斯特区大于喀斯特区。

(2)从季节分析,地表温度与近地表气温的差异在春、夏、秋三季为喀斯特区比非喀斯特区明显,冬季无明显差异;地表温度与近地表气温差异的波动性在冬季为喀斯特区大于非喀斯特区;喀斯特区陆地-大气之间能量传输的稳定性在4个季节均大于非喀斯特区。

(3)从各月情况看,喀斯特区地表温度与近地表气温差异在各月均比非喀斯特区明显,差异波动性在4月份大于非喀斯特区,其余月份基本一致;除去3月份和4月份,其余月份非喀斯特区陆地-大气之间能量传输均比喀斯特区稳定。由于非喀斯特区植被覆盖度高、岩性与土壤状况好,其调节热量的能力较强,陆地-大气的能量传输较稳定;喀斯特区植被条件差、裸岩分布广,加上高度的空间异质性,使地表温度与近地表气温差异及其波动性更明显。