基于地表裸露度和地表反照率影響的喀斯特地區(qū)熱環(huán)境變化分析

梁萍萍，劉綏華，賀中華，陳 艷，宋善海，王 堃

(貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽 550001)

喀斯特地區(qū)作為地球表層一種具有獨(dú)特生物化學(xué)特征的區(qū)域，地表土層淺薄，是典型的脆弱生態(tài)環(huán)境區(qū)域類型[1]，碳酸鹽巖出露面積廣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形成了非常典型喀斯特景觀類型。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城鄉(xiāng)建設(shè)、城市擴(kuò)張高速發(fā)展，人為活動(dòng)加劇導(dǎo)致土地逐漸退化，水土流失、石漠化等生態(tài)環(huán)境問題日益突出，地表覆被受到破壞，地表裸露成為常態(tài)，因出露的土壤和巖石熱容量小，以至周圍地表環(huán)境的溫度升高。同時(shí)，大量的人為活動(dòng)改變了地表性質(zhì)導(dǎo)致地表反照率發(fā)生變化，進(jìn)而影響著地表溫度的變化。地表反照率是指地球表面總的反射的太陽輻射與入射到地表的太陽輻射之比[2]，地表反照率的大小直接影響著地表能量收支情況，影響著局部、區(qū)域乃至全球的氣候變化。

地表溫度(land surface temperature，LST)是反映地表能量平衡的一個(gè)重要參數(shù)，在研究陸地表面與大氣之間相互作用過程中起著重要作用[3-4]，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，地表溫度在反演方法[5-7]、城市熱島效應(yīng)[8-9]以及不同影響因素[10-12]等方面都取得了一定的研究成果。對(duì)于地表裸露度與地表反照率對(duì)地表溫度的影響也有部分學(xué)者進(jìn)行了研究。徐涵秋[13]通過對(duì)福建省長汀縣水土流失區(qū)1988—2010年地表裸露度變化及其熱環(huán)境進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)地表裸露度每降10%可使地表溫度降低0.72～0.94 ℃；陳云浩等[14]對(duì)可見光波段地表反照率與地表溫度進(jìn)行線性回歸分析，認(rèn)為在地表反照率較小情況下變化趨勢(shì)與地表溫度一樣，但當(dāng)?shù)乇矸凑章蚀笥谀骋婚撝禃r(shí)，地表溫度將隨著地表反照率升高而降低；王艷姣等[15]研究表明受到地表植被的調(diào)控作用，地表反照率的減少導(dǎo)致地表溫度增加；江曉燕等[16]模擬地表反照率變化對(duì)城市熱島的影響，發(fā)現(xiàn)減小城市反照率0.03會(huì)使得城市熱島強(qiáng)度增強(qiáng)0.8 ℃左右。

目前，喀斯特地區(qū)地表溫度的相關(guān)研究成果多集中在植被指數(shù)、下墊面等[17-18]因子對(duì)地表溫度的影響，有關(guān)地表裸露度對(duì)地表溫度的影響、地表反照率對(duì)地表溫度的影響研究卻鮮有報(bào)道。基于此，以貴州省典型喀斯特地區(qū)安順市為例，探討分析了2006—2017年地表裸露度與地表反照率變化對(duì)地表溫度的影響，其結(jié)果對(duì)喀斯特地區(qū)的氣候變化、地表植被的恢復(fù)以及熱環(huán)境的改善具有重大意義。

1 研究區(qū)概況

安順市位于貴州省中西部(圖 1)，地處東經(jīng)105°13′～106°34′，北緯25°21′～26°38′，是長江水系烏江流域和珠江水系北盤江流域的分水嶺地帶，總面積約9 223.6 km2，其中山地面積占46.8%，丘陵面積占38.2%。境內(nèi)山高坡陡，土層淺薄，是貴州省水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域之一，也是世界上典型的喀斯特地貌集中地區(qū)，石漠化較為嚴(yán)重，轄區(qū)內(nèi)的關(guān)嶺縣、鎮(zhèn)寧縣和紫云縣更是被列入國家石漠化防治生態(tài)功能區(qū)。安順平均海拔高度在1 102～1 694 m，屬典型的高原型濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14 ℃，歷史最高溫34.3 ℃，歷史最低溫-7.6 ℃，在季風(fēng)的影響下，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，太陽輻射低。

圖1 研究區(qū)分布

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

以Landsat影像為主要數(shù)據(jù)源，分別選用安順市2006年4月[專題制圖儀(thematic mapper, TM)]、2011年5月[增強(qiáng)專題制圖儀(enhanced thematic mapper, ETM+)]和2017年5月(OIL_TIRS, OIL為陸地成像儀，TIRS為熱紅外傳感器)的三期影像，每期由行列號(hào)127/42和128/42的兩景影像拼接而成，因受到喀斯特地貌及多云雨季風(fēng)氣候的影響，數(shù)據(jù)獲取較為困難，三期影像時(shí)間間隔不一致。為了減少不同年份的溫度差，選用影像均為相近日期的夏季影像，并通過ENVI軟件操作平臺(tái)，對(duì)影像進(jìn)行了輻射定標(biāo)、地形校正、大氣校正、拼接裁剪等預(yù)處理工作。

2.2 地表溫度的計(jì)算

在地表溫度遙感反演中主要是應(yīng)用傳感器接收到的地面熱輻射強(qiáng)度來推算，即運(yùn)用熱紅外波段來反演地表溫度。目前，應(yīng)用熱紅外波段反演地表溫度的方法有很多，如單窗算法(mono-window algorithm，MW)、大氣校正法(也稱輻射傳輸方程：radiative transfer equation，RTE)、單通道算法(single channel method，SC)等[5,19-20]。采用大氣校正法反演地表溫度。大氣校正法的基本原理是估計(jì)大氣對(duì)地表熱輻射的影響，然后將這一部分從衛(wèi)星傳感器所觀測(cè)到的熱輻射總量中減去，得到地表熱輻射強(qiáng)度，再把熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的地表溫度。

衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值即輻射傳輸方程為

Lλ=[εB(Ts)+(1-ε)Ld]τ+Lu

(1)

式(1)中:Lλ為衛(wèi)星熱紅外波段的輻射亮度;ε為地表比輻射率;Ts為地表真實(shí)溫度,K;B(Ts)為黑體熱輻射亮度；Lu為大氣向上輻射亮度;Ld為大氣向下輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過率。

由式(1)可知，溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(Ts)為

B(Ts)=[Lλ-Lu-τLd(1-ε)]/τε

(2)

Ts的計(jì)算方法可采用普朗克公式的函數(shù)：

Ts=k2/ln[k1/B(Ts)+1]

(3)

式(3)中:k1、k2為熱紅外波段的定標(biāo)參數(shù)。對(duì)于TM影像，k1=607.76 W/(m2·μm·sr)，k2=1 260.56 K；對(duì)于ETM+影像，k1=666.09 W/(m2·μm·sr)，k2=1 282.71 K；對(duì)于TIRS影像，k1=774.89 W/(m2·μm·sr)，k2=1 321.08 K。

在上述地表溫度反演過程中，參數(shù)地表比輻射率ε可通過覃志豪等[21]提出的方法將遙感影像分為水體、城鎮(zhèn)和自然表面三種類型，根據(jù)可見光和近紅外波段光譜信息計(jì)算的歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)和植被覆蓋類型得到。Lu、Ld、τ三個(gè)大氣參數(shù)則通過在美國國家航空航天局(NASA)官網(wǎng)(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov)中輸入遙感影像成像時(shí)間、中心經(jīng)緯度及其他相關(guān)參數(shù)獲得。

2.3 地表裸露度的計(jì)算

在喀斯特自然背景下，人為活動(dòng)對(duì)地表植被、土壤的破壞形成石漠化、水土流失等自然災(zāi)害，導(dǎo)致土壤巖石大面積裸露[22]。在喀斯特地區(qū)，除居民點(diǎn)、水域、道路區(qū)域外，其他區(qū)域的土地覆蓋結(jié)構(gòu)可分為植被、土壤和巖石三大類[23]，土壤裸露和區(qū)域水土流失程度密切相關(guān)，而巖石裸露則是表示石漠化程度，由于裸土和巖石具有相似的反射率，因此在喀斯特地區(qū)地表的裸露程度是指土壤裸露和基巖裸露的結(jié)合，即無植被覆蓋的區(qū)域。部分學(xué)者在研究地表裸露的過程中認(rèn)為裸露土壤的亮度值能直接反映地表的裸露程度[24-25]，并提出歸一化差值裸土指數(shù)(normalized difference soil index，NDSI)適合表征水土流失區(qū)域的裸土信息。因此，采用歸一化差值裸土指數(shù)的值來量化地表的裸露程度，計(jì)算公式如式(4)所示：

NDSI=(ρb5-ρb4)/(ρb5+ρb4)

(4)

式(4)中:ρb5和ρb4分別為TM影像中第5、第4波段的反射率，由于三期影像的傳感器不同，波段所對(duì)應(yīng)的波長也不相同，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)的波段。

為了使不同年份的土壤裸露度能在統(tǒng)一的量綱下進(jìn)行對(duì)比，需對(duì)各年份的NDSI進(jìn)行正規(guī)化處理[26-27]，將正規(guī)化后的NDSI為0～1，其公式為

NDSI′=(NDSI-NDSImin)/(NDSImax-

NDSImin)

(5)

式(5)中:NDSI′為正規(guī)化后的土壤裸露度；NDSI為原始的裸土指數(shù)；NDSImax和NDSImin分別為原始裸土指數(shù)的最大值和最小值。

2.4 地表反照率的計(jì)算

地表反照率的反演原理是地表反射的全部能量與入射的全部能量之比，用公式表示為

α=Fu總/Fd總

(6)

式(6)中:α為地表反照率；Fu總為地表反射率的全部太陽輻射能量；Fd總為地表入射的全部太陽輻射能量。

利用遙感手段估算地表反照率具有觀測(cè)范圍廣、時(shí)空分辨率高、同一地區(qū)可多次重復(fù)觀測(cè)等特點(diǎn)，使得利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演地表反照率成為重要的途徑[28]，基于遙感手段的地表反照率反演模型與算法主要有三種，分別為統(tǒng)計(jì)模型、地表二向反射特性的雙向反射分布函數(shù)(bidirectional reflectance distribution function, BRDF)模型、能量模型[29-31]，但在區(qū)域尺度的反照率反演中，統(tǒng)計(jì)模型更具有優(yōu)勢(shì)。

統(tǒng)計(jì)模型法是直接建立窄波段的大氣頂層反射率和地表寬波段反照率之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，研究主要參照Liang[32]于2011年發(fā)表的9種傳感器對(duì)應(yīng)短波窄波段向?qū)挷ǘ畏凑章实霓D(zhuǎn)換系數(shù)直接反演研究區(qū)的地表反照率，該模型適用于不同下墊面類型和天氣條件的反照率反演，其計(jì)算公式為

αshort=0.356a1+0.13a3+0.373a4+0.085a5+

0.072a7-0.001 8

(7)

式(7)中:αshort為傳感器對(duì)應(yīng)的短波地表反照率；a1～a7分別為各個(gè)波段的反照率。

3 結(jié)果分析

3.1 地表溫度變化

圖2 地表溫度反演結(jié)果

根據(jù)式(1)～式(3)的大氣校正法反演得到安順市2006、2011、2017年的地表溫度(圖 2)，2006—2017年地表溫度空間分布特征存在較大差異。在2006年，研究區(qū)地表溫度呈現(xiàn)出從西南到東北逐漸遞減的分布格局，高溫區(qū)域主要集中在西南部關(guān)嶺縣和鎮(zhèn)寧縣南部，屬于典型的喀斯特區(qū)域，石漠化較為嚴(yán)重，植被覆蓋低，導(dǎo)致地表升溫快，低溫區(qū)則集中在中部往北部區(qū)域。2011年，地表溫度高溫區(qū)域呈現(xiàn)西南部往西北部偏移，并在西秀區(qū)和平壩區(qū)的交界處形成了明顯的熱島現(xiàn)象，主要是因?yàn)槲餍銋^(qū)屬于人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快、植被覆蓋較低的區(qū)域，低溫區(qū)域則往東南部偏移。2017年，西秀區(qū)熱島現(xiàn)象明顯減弱，溫度降低，整個(gè)安順市高溫區(qū)域減少，只有少部分集中在南部石漠化等較為嚴(yán)重的鎮(zhèn)寧縣、紫云縣部分區(qū)域，低溫區(qū)域則零星分布在研究區(qū)內(nèi)各地，西秀區(qū)北部和平壩區(qū)西北部溫度明顯下降。從時(shí)間來看(表1)，2006年地表最高溫為30.64 ℃，地表最低溫為11.95 ℃，2011年地表最高溫為29.85 ℃，而地表最低溫為13.21 ℃，到2017年地表最高溫為29.4 ℃，地表最低溫則為12.1 ℃。整個(gè)研究時(shí)間段內(nèi)平均溫最高是2011年17.23 ℃，平均最低溫是2017年14.74 ℃。從不同時(shí)段來看，2006—2011年平均溫升高了2.13 ℃，而到2011—2017年平均溫度降低了2.49 ℃，對(duì)比歷史記錄的平均溫度，變化趨勢(shì)相一致，均呈現(xiàn)從升高到降低趨勢(shì)。

表1 地表溫度統(tǒng)計(jì)特征

3.2 地表裸露度變化及對(duì)LST的影響

通過計(jì)算分別得到2006、2011、2017年的地表裸露度，將其正規(guī)化后平均分為5個(gè)等級(jí)，分別為低裸露度、次低裸露度、中裸露度、次高裸露度和高裸露度，利用ArcGIS軟件中的統(tǒng)計(jì)工具得到不同裸露程度的面積(表2、圖3)。

表2 安順市各級(jí)地表裸露度面積變化

圖3中影像的亮度情況代表地表裸露情況，在空間分布上存在明顯差異，安順市地表裸露區(qū)域主要集中在西南部地區(qū)，包含關(guān)嶺縣、鎮(zhèn)寧縣、紫云縣以及西秀平壩部分建成區(qū)，在2017年地表裸露度圖中看出，高裸露度多集中在西秀、平壩的部分地區(qū)，是因?yàn)樽?012年第八個(gè)國家級(jí)新區(qū)——貴安新區(qū)成立后加大了建設(shè)力度，導(dǎo)致地表覆蓋受到人為破壞，地表裸露度增大。根據(jù)表2中不同地表裸露度面積可看出，2006—2017年中低裸露度的面積增加了868.19 km2，中低裸露度面積增加了916.43 km2，而中高裸露度和高裸露度面積大幅度降低，分別降低了855.42、812.3 km2，如地表裸露程度柱狀圖所示(圖 4)，在等級(jí)為低裸露度和次低裸露度下2006—2017年裸露面積逐漸增大，到中裸露等級(jí)呈持平狀態(tài)，而在次高裸露度和高裸露度等級(jí)，裸露面積逐漸減小，總體呈現(xiàn)升-平-降狀態(tài)。在時(shí)間分布上安順市2006—2017年整體地表裸露度逐漸下降，根據(jù)表3中地表裸露度的統(tǒng)計(jì)特征，安順市的地表裸露度2006—2011年下降了25.9%，2011—2017年下降了36.6%，總體下降了53%，整體的地表裸露情況得到了有效的控制。

表3 地表裸露度統(tǒng)計(jì)特征

圖4 地表裸露程度柱狀圖

圖5 地表裸露度與地表溫度關(guān)系回歸分析

利用ArcGIS空間分析工具建立漁網(wǎng)格網(wǎng)與格網(wǎng)中心點(diǎn)，批量將各年份的影像中心點(diǎn)像元值提取出來，對(duì)地表裸露度與地表溫度進(jìn)行擬合分析，結(jié)果如圖5所示，地表裸露度與地表溫度呈線性正相關(guān)。結(jié)合表4的回歸方程所示，地表裸露度與地表溫度的相關(guān)系數(shù)R2分別為2006年0.450 4、2011年0.472 6、2017年0.405 7，表明在地表裸露區(qū)域因?yàn)橹脖桓采w少，裸露地表土壤水分低，熱容量較小，導(dǎo)致地表溫度隨著裸露程度的加劇而上升，反之，地表溫度會(huì)降低。

表4 地表裸露度與地表溫度的回歸方程

3.3 地表反照率變化及對(duì)LST的影響

地表反照率是遙感反演陸面狀況的一個(gè)動(dòng)態(tài)地表參數(shù)，在地形復(fù)雜、地表覆蓋類型多樣的喀斯特地區(qū)，地表反照率受到地表覆蓋、天氣情況和人為活動(dòng)等因素的影響而變化，地表反照率的變化影響著地表能量的收支平衡，從而影響著局部、區(qū)域乃至全球的氣候變化，地表反照率在空間分布上整體變化趨勢(shì)與地表溫度相一致，反演結(jié)果如圖6所示，2006—2017年地表反照率的空間分布存在明顯差異，圖6中亮度反映地表反照率的大小。2006年空間分布總體呈現(xiàn)西高東低、北高南低的趨勢(shì)；2011年地表反照率分布較為均勻，東北部較西南部偏低；而2017年地表反照率平均值明顯要低于2006、2011年，呈現(xiàn)西高東低、南高北低趨勢(shì)。由表5 可知2006—2017年地表反照率平均值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，從2006年的0.167下降到2011年的0.155，降低了7.2%，下降幅度較小，而2011—2017年下降了32.3%，2017年地表反照率平均值為0.105，總體下降了37.1%。

圖6 地表反照率反演結(jié)果

表5 地表反照率統(tǒng)計(jì)特征

根據(jù)提取的地表反照率像元值與地表溫度像元值進(jìn)行擬合分析，結(jié)果表明地表反照率和地表溫度也呈線性正相關(guān)(圖7)，但是相較地表裸露度，地表反照率與地表溫度的相關(guān)性較小，結(jié)合表6回歸方程，地表反照率與地表溫度的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.042 9(2006年)、0.126 2(2011年)、0.053 5(2017年)。地表反照率的大小受自然和人為因素影響較大，在植被覆蓋較高的區(qū)域，植被因其光合作用需吸收大量太陽輻射，導(dǎo)致地表反照率低，地表溫度隨著降低，而在城區(qū)等植被覆蓋較低，人為活動(dòng)較大的區(qū)域地表反照率增加使得地表溫度隨著增大。但在2006年西秀區(qū)地表反照率較高，地表溫度反而降低，與整體變化趨勢(shì)相反，是因?yàn)樵谙募窘邓枯^大，地表較為濕潤，地表溫度受蒸發(fā)潛熱等影響導(dǎo)致地表溫度較低。

圖7 地表反照率與地表溫度關(guān)系回歸分析

表6 地表反照率與地表溫度的回歸方程

4 結(jié)論

通過探討分析安順市地表裸露度、地表反照率和地表溫度的時(shí)空變化特征，以及兩者對(duì)地表溫度的影響，得到以下結(jié)論。

(1)研究區(qū)地表溫度、地表裸露度在2006年呈現(xiàn)西南到東北逐漸遞減的分布格局，地表反照率是西高東低的變化趨勢(shì)，到2011年均呈現(xiàn)出西北部往東南部由高到低偏移，在2017年地表溫度明顯隨著地表裸露度與地表反照率的減少而降低，空間分布較為均勻。2006—2017年地表裸露度、地表反照率與地表溫度在空間上整體變化趨勢(shì)相一致，是影響地表溫度的因素之一。

(2)2006—2017年地表平均溫度從15.1 ℃上升到17.23 ℃，最后又降低到14.74 ℃，總體下降了2.4%，地表裸露度和地表反照率呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，總體分別降低了53%和37.1%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的地表裸露程度面積，低裸露度的面積增加了868.19 km2，中低裸露度面積增加了916.43 km2，而中高裸露度和高裸露度面積大幅度降低，分別降低了855.42、812.3 km2，總體呈現(xiàn)升-平-降的趨勢(shì)，說明自然因素及人為因素對(duì)地表的破壞得到了有效控制，地表植被正在逐漸恢復(fù)，熱環(huán)境得到有效改善。

(3)地表裸露度與地表反照率和地表溫度均呈線性正相關(guān)，地表溫度隨著地表裸露度和地表反照率的增加而上升。反之，地表溫度則會(huì)降低，但是從相關(guān)系數(shù)R2表明地表裸露度對(duì)地表溫度的影響大于地表反照率對(duì)地表溫度的影響。