喀斯特与非喀斯特区地表温度对比分析——基于近邻成对像元的比较

廖梦垚罗娅余军林徐雪张春长赵爽

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

引言

地表温度指地表的辐射表层温度，是陆地-大气能量相互作用的主要驱动力和地球表面热液状态的关键指标[1-3]。地表温度是地表过程变化研究中一个不可或缺的重要地球物理参数，蕴含着丰富的地学信息，对农业生产、城市热岛、气候变化、自然灾害和环境监测等方面有着重要意义[4]，而地貌、气候[5]、下垫面[6]等环境因素也不断影响着地表温度的空间分布。不同下垫面具有不同的自然背景[7]、土地利用类型[8]和植被覆盖程度[9]，这些因素的变化影响着地表的能量辐射吸收，引起局部地区小气候的变化。因此，对比分析不同下垫面地表温度的差异性，对维持地表能量平衡和保护生态环境具有重要意义。

喀斯特区拥有独特的地貌形态、水文循环、土地覆被等下垫面要素，其地表温度特征与非喀斯特区有明显的差异。对比分析喀斯特与非喀斯特区的地表温度差异，有助于因地制宜地对相关区域开展生态保护和产业布局。研究表明，喀斯特区夏季地表温度异常高温的原因可能与喀斯特石漠化相关[10]。海拔与纬度是影响地温变化的主导驱动因子[11]。喀斯特城市的热环境受到的地形地貌影响与非喀斯特城市具有差异[12]，不透水面、植被、水体、裸岩是影响喀斯特城市地表温度的主要因素[13]，并且喀斯特城市的热岛现象与其他城市类型不同，受地形地貌的影响，主城区以外的区域同样分布有一定面积的高温区[12]。这些研究较好地阐释了喀斯特与非喀斯特区地表温度特征及影响因素，但开展研究的喀斯特与非喀斯特区的地理位置和空间尺度不同，未能有效控制经度、纬度、地形因子和空间尺度等因素对地表温度的影响，对喀斯特与非喀斯特区的地表温度差异定量分析精度不够，导致研究成果的适应性受到一定限制。

基于近邻成对像元比较的方法，使所研究的喀斯特与非喀斯特区在地理位置和空间尺度保持相似性和一致性，可降低经度、纬度、地形因子和空间尺度对研究结果的不确定影响，对于对比分析喀斯特区与非喀斯特区的地表温度差异有着较好的优势。因此，运用近邻成对像元比较法，对比分析喀斯特与非喀斯特区地表温度的年均差异、季节差异和月差异，为精准开展生态保护和产业布局提供参考。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省西南部的紫云、望谟两县，见图1，地理位置为N24°53′～26°3′，E105°49′～106°32′，总面积为5392km2。该区喀斯特和非喀斯特交错分布，两者面积分别占总面积55.84%和44.16%。气候属亚热带季风湿润气候，冬无严寒，夏无酷暑；雨量充沛，热量丰富，水热同季，年均气温15.3～19.5℃，年降雨量1236.8～1337mm。因地处贵州高原向广西丘陵过渡的斜坡地带，海拔275～1718m，海拔差异大，对地表温度的影响明显。

图1 研究区位置及近邻成对像元分布

1.2 数据来源

地表温度(Land surface temperature，LST)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)[14],时间分辨率为逐日，空间分辨率为1km，时间跨度为2000—2018年[15-17]。

其余相关辅助数据中，紫云、望谟两县的行政区划图来源于国家地球系统科学中心(http://www. geodata.cn/)，喀斯特区与非喀斯特区分布图来源于中国科学院地球化学研究所喀斯特科学数据中心(http://www.karstdata.com/)。

2 研究方法

2.1 喀斯特区和非喀斯特区地表温度数据处理

在研究中，按年、季节、月3种时间尺度，对喀斯特与非喀斯特区2000—2018年的地表温度开展对比分析，每个时间尺度的地表温度数据均通过均值合成法获取。具体地，将每日数据合成为月数据，按3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月—第2年2月为冬季合成四季数据，将月数据合成为年数据。

2.2 近邻成对像元选择

在喀斯特与非喀斯特区交界处两侧各选1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组像元对，见图1，统计所选出的251组近邻成对像元的地表温度，分析喀斯特与非喀斯特区地表温度的差异性。

2.3 变异系数

运用变异系数分析喀斯特区和非喀斯特区地表温度的波动情况[18]。公式如下：

(1)

式中，CV为喀斯特区和非喀斯特区地表温度的变异系数；xi表示第i个对比点的地表温度；¯x表示平均值；n为对比点数量。其中，Cv值越小，表明波动性越小，稳定性越高；反之则越低。

3 结果分析

3.1 喀斯特与非喀斯特区年均地表温度对比

如图2所示，年均地表温度及其变异系数在喀斯特区分别为26.70℃和0.06，在非喀斯特区分别为26.51℃和0.06。可以看出，年均地表温度在喀斯特区比在非喀斯特区高0.19℃，但变异系数在两类地区相同，说明喀斯特区地表温度比非喀斯特区高，但两者的波动性未出现明显差异。

3.2 喀斯特与非喀斯特区季节地表温度对比

如图3所示，在春、夏、秋、冬四季，喀斯特区的地表温度分别为28.64℃、30.79℃、26.57℃、20.98℃；非喀斯特区的地表温度分别为28.54℃、30.67℃、26.46℃、20.86℃。四季的地表温度在喀斯特与非喀斯特区的差值分别为0.10℃、0.12℃、0.11℃、0.12℃，但变异系数在两类地区相同，呈现冬季(0.08)>春季、秋季(0.06)>夏季(0.05)。结果表明，喀斯特区四季的地表温度均高于非喀斯特区，且两者差异在夏冬季节大于春秋季节；两类地区地表温度的波动性在冬季最大，在夏季最小，但两者差异在四季均不明显。

图2 喀斯特与非喀斯特区地表温度年均值和变异系数

图3 喀斯特与非喀斯特区地表温度季节均值和变异系数

3.3 喀斯特与非喀斯特区月均地表温度对比

如图4所示，从各月的变化情况看，喀斯特区的月均地表温度高于非喀斯特区，两者的差值在8月最大，为0.24℃；在2月最小，为0.10℃。从地表温度的变异系数来看，两类地区均呈现1月最大(0.09)，6—9月最小(0.05)的特征；两者差异除2月和11月表现为喀斯特区高于非喀斯特区外，其余各月基本一致。结果表明，喀斯特区各月的地表温度均高于非喀斯特区，两类地区地表温度差异在8月最大，在2月最小；两类地区的地表温度波动性除在2月和11月存在明显差异外，在其他月份均无明显差异。

4 讨论

4.1 下垫面性质对喀斯特与非喀斯特区地表温度的影响

下垫面的热容量性质是影响地表温度的重要因素。喀斯特区土层薄，水分含量低，比热容小；非喀斯特区土层厚，水分含量高，比热容大。接收相同的辐射时，喀斯特区增温较非喀斯特区快而强[19]。因此，在确保地理位置和空间尺度相似或一致的前提下，喀斯特区的地表温度要高于非喀斯特区。研究区位于北半球，辐射夏强冬弱，两者的差异也自然呈现8月大、2月小的特征。

此外，地表植被通过调节潜热和显热交换，也会影响地表温度[20]。所研究的251组近邻成对像元中，喀斯特区的增强型植被指数(enhancedvegetation index,EVI)(0.565)小于非喀斯特区(0.574)，表明喀斯特区的植被覆盖度较非喀斯特区低。同时，研究区位于湿润区，非喀斯特区植被相对较好，其留存的水分较丰富，吸收的热量较多，使到达地表的热量减少，最终促使非喀斯特区的地表温度比喀斯特区低。2000—2018年，伴随增强型植被指数(EVI)的增加，喀斯特与非喀斯特区的地表温度呈显著下降趋势，见图5，也能说明这个现象。

图4 喀斯特与非喀斯特区地表温度月均值和变异系数

4.2 研究结果的适用边界条件及未来研究方向

本研究为了减弱外部环境因素的影响，采用近邻成对像元选择比较相邻喀斯特和非喀斯特区地表温度的差异，研究结果从微观的像元尺度分析两类地区地表温度的差异，提高分析的精度，为准备开展生态保护和产业规划的相关工作者提供参考。但是，地表温度的变化不仅受到大气热量的影响，还会受到植被类型[21]、日照时数[22]、地形条件以及人类活动的影响[23]。在宏观尺度上，这些因素之间的复杂交互作用会强烈影响地表温度的变化规律。因此，研究结果仅代表微观尺度上地表温度在喀斯特区和非喀斯特区的差异规律，不代表宏观尺度上两类地区的地表温度差异性。

图5 2000—2018年喀斯特与非喀斯特区增强型植被指数(EVI)和地表温度的关系

在微观尺度上，相邻的喀斯特与非喀斯特区具有不同的微地形条件和水热特征，导致近地表大气-陆地之间的能量传输在两类地区具有不同的微气象过程，进而会对两类地区的地表温度产生不同的影响效果。因此，未来应在微观尺度上深入研究微气象因素对地表温度的影响在两类地区的差异性，丰富已有研究，为管理者制定更加精准的地表温度调控措施提供参考。

5 结论

运用近邻成对像元比较的方法，研究相邻喀斯特和非喀斯特区地表温度的均值、差值及变异系数，以此来揭示喀斯特和非喀斯特区地表温度的差异。结果表明，年均上，喀斯特区地表温度高于非喀斯特区，差值为0.19℃，但地表温度波动差异不大；季节上，喀斯特区地表温度均高于非喀斯特区，两类地区的地表温度在夏、冬季节的差值最大，为0.12℃，地表温度的波动无明显差异；月均上，喀斯特区地表温度均高于非喀斯特区，地表温度的差值在8月最大，为0.24℃，在2月最小，为0.10℃，在2月和11月，喀斯特区地表温度的波动强于非喀斯特区，其余各月无明显差异。喀斯特区由于比热容小、裸岩分布广、植被覆盖低，其调节热量的能力弱，导致其地表温度高于非喀斯特区。