下垫面参数与地表温度的时空差异性研究：以鄱阳湖流域为例

阙元燕，胡欣雨，陈舒玲，王升红，林仕宇，陆东芳

(福建农林大学 园林学院，福州 350002)

气候变化容易改变区域水热循环，导致极端气候事件发生，进而引起一系列生态环境问题，其中湖水环境的退化问题较为明显[1].鄱阳湖作为水陆生态系统交汇带，具有保护、连接、缓冲等重要生态功能，其作为我国第一大淡水湖，是长江下游仅存的2个大型通江湖泊之一，是世界上重要的湿地生态区，同时也是全球最大的鸟类保护区和候鸟的重要迁徙地[2].因此，鄱阳湖流域有着重要的战略地位.随着人为干扰的加剧，城市扩张迁移、生产生活等活动使得鄱阳湖水环境问题日益突出[3].因此，探究鄱阳湖流域不同时期(枯水期和丰水期)的地表温度时空分布特征，对鄱阳湖流域的生态保护和发展具有重要意义.

目前，城市热岛受到了广泛的关注.其研究方法主要有气象数据观测法、数字模拟研究法以及遥感影像反演法3大类[4].其中遥感影像反演的方法具有同步观测、数据易获取等优点，被广泛应用.在研究内容上，诸多学者聚焦土地利用变化及绿地景观格局对热岛的影响[5-7]，其研究对象主要为城市建成区.如李军等[8]分析了重庆市主城区的地表温度分布差异；陈斌等[9]研究了武汉市主城区公园景观的热环境.其他研究对象还有脆弱性高的山区、高原、河流、湖泊等.如夏龙等[10]研究了青藏高原草地植被与地表温度的关系；热伊莱等[11]研究了博斯腾湖流域温度时空分异特征.

鄱阳湖流域因其独特的季节性特点，不同时期呈现不同的下垫面性质特征.针对湖泊流域的地表温度时空分布特征的研究各具特色，但综合分析其空间聚集特征及尺度效应的研究并不多.因此，本文从鄱阳湖流域不同时期的温度分布时空特征、尺度效应以及其与下垫面参数的关系角度出发，探究鄱阳湖流域不同时期的地表温度与下垫面关系的时空特征，以期为鄱阳湖生态-经济圈[12]的发展提供参考.研究基于目标区独特的湖泊形态特征，利用遥感影像反演其不同时期的地表温度和下垫面参数，利用ArcGIS、ENVI 软件进行数据分析以及影像处理，并通过5种网格尺度下的采样分析，得出了鄱阳湖流域研究的空间适宜尺度，以及该尺度下的下垫面参数与地表温度的相关性及其特征.

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

鄱阳湖，位于江西省北部，是中国最大的淡水湖，也是长江中下游主要支流之一.它是长江流域的一个重要的过水性、吞吐性、季节性的浅水湖泊，受季节影响大，“高水是湖、低水似河”是鄱阳湖独有的形态特征[13].其湖区面积，在高水位的6～8 月时达4 125 km2以上，而低水位的12 月和1 月时仅500 km2.该地属亚热带季风气候，年均温度为18 ℃左右，8 月最高为29.9 ℃左右，1 月最低为5.9 ℃左右.流域内自然资源丰富，且在调节长江水位、涵养水源、改善当地气候和维护地区生态平衡方面起着巨大作用，具有重要的生态战略地位.本研究选取鄱阳湖区的一部分，其行政范围包括湖口县、庐山市、共青城市、都昌县、永修县、濂溪区、鄱阳县、余干县、南昌市区、南昌县、进贤县等区域，如图1所示.

图1 研究区范围

1.2 数据来源及预处理

研究区主要为大面积湖泊，晴朗少云的影像并不多.因此，本研究选取云量＜5%且质量较好的影像，以鄱阳湖枯水期(2017 年12 月)和丰水期(2019 年 8 月)的 Landsat8 影像(来源于USGUEarthExplorer(usgs.gov))TIRS 热红外10 波段数据用来计算地表温度；陆地成像仪OLI 用于计算归一化植被指数NDVI、改进后的归一化水体指数MNDWI以及归一化建筑指数NDBI.在ENVI5.3 中对影像数据分别进行辐射定标、大气校正等预处理，并按研究区矢量边界裁剪得到研究区范围.

2 研究方法

2.1 地表温度反演

地表温度反演可分为多波段和单波段算法.根据不同遥感数据的特点，地表温度反演主要的算法有大气校正法[14](也称辐射传输方程法)、单窗算法[15-16]和分裂窗算法(也称劈窗算法)[17-18].本文采用适合Landsat 影像的大气校正法中的单波段算法.由于Landsat8 影像第11 波段精度不高，故采用第10 波段进行地表温度反演.其基本原理是去除大气对地表热辐射产生的误差，把热辐射强度转换为相应的地表温度[19].因此，需对第10波段进行辐射定标并计算其辐射亮度，即

其中，Lλ为热辐射亮度；DN代表热红外波段像元灰度值；Gain和Offset分别代表增益参数和偏移参数.

卫星传感器接收的辐射亮度值Lλ由3 部分组成：地面真实辐射亮度经过大气层后到达卫星传感器的能量；大气向下辐射到达地面后反射的能量(L↓)；大气向上的辐射亮度(L↑)[20].其表达式为

其中τ为大气在热红外波段的透过率.真实地表温度sT的值可以通过普朗克公式得到，即

其中，L↑、L↓和τ可以通过NASA 官网(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)获取；K1和K2为常量，在Landsat8TIRS 第10 波段中，K1=774.89 W/(cm2·μm·sr)，K2=1 321.08 K.

2.2 地表温度等级划分

常用的划分温度等级的方法有均值-标准差法、自然断点法和温度正规化法.本研究采用均值-标准差法对鄱阳湖地表温度进行划分.此方法能够较好地反映不同地表温度的差异细节和体现热环境空间分布的优势[21].以0.5 为分割点将鄱阳湖流域地表温度划分为5 个等级，见表1.

表1 均值-标准差法温度等级划分

2.3 下垫面参数计算

地表参数与地表温度密切相关且具有显著的时空效应，同一地表参数在不同季节与地表温度相关性存在一定差异[21].参考前人研究成果，并结合研究区域特征，选取归一化植被指数(NDVI)、改进后的归一化水体指数(MNDWI)及归一化建筑指数(NDBI)来揭示鄱阳湖丰水期、枯水期与地表温度(LST)的相关性特点.其表达式分别为

其中，ρNIR代表近红外波段反射率；ρRed代表红光波段反射率；ρGreen代表绿光波段反射率；ρMIR为中红外波段反射率.

2.4 空间自相关分析

空间自相关分析能表达某一空间与其相邻空间观测值是否存在相关性及其强度，从而探索空间事物的分布特征[22].空间自相关分为全局空间自相关和局部空间自相关.全局空间自相关分析用于衡量整个地理单元空间与周围相邻空间之间的聚集性，其计算公式为

局部空间自相关分析则用于衡量局部区域中变量的聚集性以及分异特征，其计算公式如下：

其中，n为单元格总数；xi和xj分别为某变量在空间单元i和j的观测值；wij为w位置ij观测值权重；为某变量在第n个空间的平均值；S2为所有空间单元中变量观测值的方差.

3 结果与分析

3.1 鄱阳湖流域枯水期和丰水期地表温度分布特征

基于均值-标准差的等级方法，通过不同倍数分割密度来区分不同阈值，可在一定程度上减小不同时期的背景差异，能够更好地表现区域地表温度的差异，使数据更具可比性[23].依据该方法，将鄱阳湖枯水期和丰水期地表温度划分为5 个等级，依次为低、次低、中、次高和高温区，如图2 所示.

图2 鄱阳湖流域枯水期(左)、丰水期(右)地表温度分布特征

由图2 可知，鄱阳湖流域丰水期即夏季，高温区和次高温区分布在湖体周围，其主要原因是该区域受下垫面性质以及人类活动的影响，大量分布着城市建筑群、耕地以及滩涂地，并且绿地面积破碎使得地表温度高于其他地区；中温区主要分布在耕地平原地区，以及水体与山地的过度地带；次中温区和低温区主要分布在鄱阳湖主体区域以及庐山、梅岭等海拔较高的山体部分.枯水期正值冬季，水位下降导致湖底泥沙裸露，同时水田也处于裸露状态，主要以中温区为主；高温区主要分布在西南以及西北区域.为进一步揭示研究区不同时期温度的差异，对其地表温度等级的面积占比进行了统计，见表2.

表2 研究区温度统计

由表2 可知，研究区丰水期的温度标准差大于枯水期的温度标准差，这说明丰水期温度的变异性要大于枯水期.丰水期湖泊流域面积大，主体景观为水体，次中温区面积占比大，占整个研究区的27.81%，这说明水体的降温作用明显；丰水期各温度等级占比依次为中温区(35.44%)＞次中温区(27.81%)＞高温区(16.77%)＞次高温区(10.23%)＞低温区(9.72%).枯水期因水位低，大部分泥沙地裸露导致地面升温快，温度高，因此中温区面积比重大，占整个区域的44.6%；枯水期各温度等级占比依次为中温区(44.6%)＞次高温区(18.65%)＞低温区(13.66%)＞高温区(12.63%)＞次中温区(10.44%).由此可知，下垫面特征是引起地表温度变化的关键性因素.

3.2 不同尺度下鄱阳湖流域季节性地表温度的空间聚集特征

为定量分析季节性地表温度的空间聚集特征以及尺度效应，借鉴黄木易等[22]的研究方法，对地表温度栅格图分别在1 km×1 km、2 km×2 km、3 km×3 km、4 km×4 km 以及5 km×5 km 5 种尺度下进行采样.利用ArcGIS10.5 软件的空间分析模块和统计模块计算出研究区2019 年的地表温度、全局Moran′sI、方差等各项参数.限于篇幅，本研究仅以鄱阳湖流域丰水期的地表温度数据为例，计算研究区地表温度与下垫面特征的最佳研究尺度，结果见图3.

Moran′sI一般采用Z 方法进行显著性检验，当p-value＜0.05 且z-score＞1.96 时，则存在空间自相关.在此前提下，当Moran′sI＞0 时，其数值越大，空间正相关性就越强，z-score得分越大，则空间正相关就越显著.本文中5 种尺度下都通过了显著性检验.由图3 可知，莫兰指数值在5种尺度下鄱阳湖流域都呈现出显著的空间自相关，并随着网格尺度的增大呈不断下降趋势，这表明LST的空间分布呈多中心分布趋势，且发生团状集聚变化，随着尺度增大，其分布格局逐渐简化，空间相关性减弱；z-score值呈下降趋势，这表明随着尺度增大，空间显著性在逐渐降低，且在1～2 km 尺度下降幅度最大；LST方差随尺度增大而减少，这表明尺度越小，LST的空间差异性越大，且在1 km 尺度下的热场分布信息最丰富.综上可知，本研究区适宜尺度为1 km，此时的研究结果能够较好地表现出鄱阳湖流域的温度聚集特征.

图3 研究区地表温度空间统计变量与尺度关系曲线

为进一步揭示鄱阳湖流域地表温度的空间异质性，本研究选取了2019 年丰水期进行局部空间自相关分析(local indicator of spatial association，LISA)，观察其空间聚集情况，结果见图4.

图4 鄱阳湖流域局部空间自相关(1 km 尺度)

Moran′sI散点图分别对应4 个象限，代表4种类型的空间聚集关系，其含义参考王鹏龙等[24]的研究.由图4可知，鄱阳湖丰水期水域面积大、连通性好，其水体空间呈低低(LL)聚集区，在1 km尺度下也较好地反映了水体的形态及其分布特征；围绕湖体周围的高高(HH)聚集区为城市区域以及未利用地；高温区出现低值区，即低值被高值包围呈低高(LH)聚集区，这表明城市建设用地中存在公园绿地、水体等具有降温作用的区域；同样，在水体低值区分布着高值区，即高值区被低值区包围呈现高低(HL)聚集区，这表明湖体存在部分裸露的滩涂地，温度高于周边地区.山体低值区域范围内出现部分高值区，是受人为活动影响，其导致了下垫面性质发生变化引起的温度升高.这进一步表明了地表温度受下垫面特征变化影响.

3.3 鄱阳湖流域地表温度与下垫面参数的相关性分析

下垫面是大气的直接热源，而地表温度场又与大气温度场关系密切，因此，下垫面性质的变化是影响地表温度的关键性因素[25-27].为研究鄱阳湖流域地表指数与地表温度的定量关系，本研究以1 km 为研究尺度，对鄱阳湖流域丰水期和枯水期分别提取其地表指数，探讨其在不同时期的地表指数响应情况以及其与地表温度的相关性强度的差异，并揭示其在不同时期的地表指数对地表温度的贡献程度.枯水期和丰水期鄱阳湖流域的NDVI、MNDWI以及NDBI的提取情况如图5所示.由图5 可知，NDVI在丰水期因处于夏季，植被茂盛，高值区面积大，主要分布在山体的林地区域以及水田耕地区；枯水期则为12 月份，植被正处于衰退期，且此时因水田的作物已经被收割完，处于裸地状态，因此高值区只分布在山体林地区域.从丰水期和枯水期来看，MNDWI能够较好地提取水体范围，对水体的轮廓特征表现较好，能明显地表达鄱阳湖流域的水系特征及范围；NDBI对鄱阳湖流域丰水期时建筑等不透水面的提取较好，而枯水期因鄱阳湖水位下降，水系基本干涸，大量泥沙裸露以及水田的裸露导致其对不透水面的提取出现像元混合情况，主要表现为建筑或道路与高亮裸土的混合像元，此结果与马羽赫等[28]的研究相符；因鄱阳湖流域枯水期存在大面积的裸地而形成干扰，出现了图5 的大面积NDBI高值区，其主要分布在城市区域、水田耕地区、水体裸露部分等区域.为进一步解释不同时期3 种地表指数与地表温度的相关性强度及其差异，本研究分别对鄱阳湖流域丰水期以及枯水期的NDVI、MNDWI和NDBI与地表温度进行了相关性分析，如图6 所示.

图5 鄱阳湖流域枯水期(左)、丰水期(右)的NDVI，MNDWI 和NDBI

图6 鄱阳湖流域枯水期和丰水期的LST 与NDVI，MNDWI，NDBI 的关系

参考帅晨等[25]的研究，因不同的地物类型会影响地表指数与地表温度的相关性，因此，本文为减少不同土地覆盖类型对地表指数与地表温度相关性的干扰，剔除了不同时期的NDVI和MNDWI＜0 的指数，而NDBI因受地表覆盖类型影响小，整体趋势不变，因此保留了NDBI原有的值，结果如图6 所示.由图6可知，丰水期的LST与NDVI相关性比枯水期要好，这是因为丰水期处于夏季，植被覆盖度高，不同地物类型之间的温差大.从图6 还可以看出，不同时期NDVI与温度都呈负相关性，这表明植被具有降温作用，尤其是夏季作用更为明显；鄱阳湖流域枯水期的MNDWI与LST的相关性比丰水期好，造成此结果的原因是夏季鄱阳湖水面积大，水体以及水田的控制力强使得水体与周围的温度差异性减少，加之夏季植被覆盖度高，对结果也会产生一定的影响.不同时期的MNDWI与温度都呈现不同程度的负相关，这说明水体具有降温作用；丰水期的NDBI与LST的相关性比枯水期要好，其原因与前文提到的冬季NDBI出现混合像元情况有关.不同时期的NDBI与温度呈正相关，而丰水期即夏季呈显著相关，这表明不透水地面对地表温度具有升温作用，且升温幅度明显大于植被和水体.因此，人类活动是导致城市热岛和地表温度强烈变化的主要原因.

4 结论

鄱阳湖流域丰水期地表温度差异明显，其低温区分布在湖体以及山体区域，高温区分布在城市区域以及未利用地等不透水面区域；枯水期因大量湖底泥沙裸露，主要以中温区为主，高温区分布较分散；枯水期温度变异性要小于夏季.

空间异质性表明，LST网格化单元在5 种尺度下均呈现显著的空间正相关；LST的空间聚集特征受尺度变化的影响，鄱阳湖流域地表温度空间研究的适宜尺度为1 km，该尺度对空间异质性表现显著，并且能够很好地反映流域内高低温度聚集的情况与下垫面性质的关系.

丰水期NDVI与地表温度相关性高于枯水期，且不同时期两者均呈负相关；枯水期MNDWI与地表温度的相关性高于丰水期，其原因是受水体降温的影响，削弱了与周边地区的温度差异，且两者在不同时期均呈负相关性；丰水期NDBI与温度的相关性高于枯水期，且两者呈正相关性.这说明水体和植被对地表具有降温作用，而不透水地面具有升温作用，且升温幅度大于NDVI和MNDWI的降温幅度.