大興安嶺地區(qū)2001—2019年地表溫度時空分布及影響因素分析

都彥廷　張冬有

摘 要：作為分析區(qū)域尺度上氣候變化特征的重要參數(shù)，地表溫度（Land Surface Temperature，LST）可反映地表能量及水分循環(huán)過程。研究地處我國高緯度且對于生態(tài)環(huán)境敏感的大興安嶺地區(qū)，選取2001—2019年期間LST的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用MODIS LST產(chǎn)品和研究區(qū)內(nèi)氣象站點實測值，通過線性回歸及皮爾森相關(guān)分析等方法，探討LST時空分布情況及其與地形和氣象因子的關(guān)系。結(jié)果表明，研究區(qū)近19 a的LST具有由西北向東南遞增的趨勢，年均值在1～3 ℃的區(qū)域占63 %，月均最高和最低值分別為38.93 ℃和-27.80 ℃。LST具有“升高—降低—升高—降低”波動上升的特征，秋、冬兩季氣候傾向率相對于春夏季高，為0.265 ℃/a和0.871 ℃/a，呈現(xiàn)干暖化的趨勢。LST的升降過程會受到地形、空氣濕度、污染物含量和太陽輻射等因子綜合影響，其中海拔、氣溫和降水量為主控因素，平均水氣壓和日照時數(shù)次之。研究結(jié)果可為大興安嶺地區(qū)氣候資源利用和維護(hù)生態(tài)平衡提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地表溫度;時空變化;大興安嶺;影響因子

中圖分類號：K909;S771??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2020）06-0009-010

Spatio-temporal Distribution of Surface Temperature and Its Influencing

Factors in Daxingan Mountains from 2001 to 2019

DU Yanting， ZHANG Dongyou*

（Heilongjiang Province Key Laboratory of Geographical Environment Monitoring and Spatial Information

Service in Cold Regions， Harbin Normal University， Harbin 150025， China）

Abstract：As an important parameter to analyze the characteristics of climate change on the regional scale， land surface temperature （LST） can reflect the process of surface energy and water cycle. In order to study climate change in Daxing an Mountains， which is located in high latitude and sensitive to ecological environment in China， LST data from 2001 to 2019 were selected for analysis. Using MODIS LST products and the measured values of meteorological stations in the study area， the temporal and spatial distribution of LST and its relationship with topography and meteorological factors were discussed by means of linear regression and Pearson correlation analysis. The results showed that the LST of the study area had a trend of increasing from northwest to southeast in the past 19 years. The area with an average annual value of 1-3 ℃ accounts for 63%， and the highest and lowest monthly average values were 38.93 ℃ and - 27.80 ℃， respectively. LST had the characteristics of “increase -decrease-increase-decrease”. The climate tendency rate of autumn and winter was higher than that of spring and summer， which was 0.265 ℃/a and 0.871 ℃/a， showing the trend of dry and warm. The rise and fall process of LST would be affected by terrain， air humidity， pollutant content and solar radiation， among which altitude， temperature and precipitation were the main control factors， and the average water pressure and sunshine hours took second places. The results provide scientific basis for the utilization of climate resources and the maintenance of ecological balance in Daxingan Mountains.

Keywords：Land surface temperature; spatio-temporal variation; Daxingan Mountains; impact factor

收稿日期：2020-06-03

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（41671064）

第一作者簡介：都彥廷，碩士研究生。研究方向：3S技術(shù)與地學(xué)應(yīng)用研究。E-mail：dyting325@163.com

通信作者：張冬有，博士，教授。研究方向：3S技術(shù)與森林生態(tài)研究。E-mail：zhangdy@163.com

引文格式：都彥廷，張冬有.大興安嶺地區(qū)2001—2019年地表溫度時空分布及影響因素分析 [J]. 森林工程，2020，36（6）：9-18.

DU Y T， ZHANG D Y. Spatio-temporal distribution of surface temperature and its influencing factors in Daxingan Mountains from 2001 to 2019[J]. Forest Engineering，2020，36（6）：9-18.

0 引言

地表溫度（Land Surface Temperature，LST）是陸氣相互作用過程中的重要因子，包括下墊面溫度及各種深度的土壤熱量狀況[1-3]。LST受太陽輻射、植被、地形、濕度、氣溫和降水等因素共同影響，其年際與季節(jié)的變化直接影響到作物的生長和土壤質(zhì)量的優(yōu)劣[4-6]。為了解氣候變動及預(yù)測未來趨勢，指導(dǎo)大興安嶺地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和分析城市熱島效應(yīng)，本文對大興安嶺地區(qū)的LST時空變化進(jìn)行探究。

已有多名學(xué)者探討了LST的時空演變規(guī)律，如李帥等[7]研究黑龍江省LST變化時發(fā)現(xiàn)，由于近年氣候變暖，春季出現(xiàn)淺層LST偏低的現(xiàn)象有所減少;王萍等[8]研究得到黑龍江糧食主產(chǎn)區(qū)LST的變化范圍，并建立了研究區(qū)內(nèi)各城市適用的地氣模型;胡召玲等[9]在研究東北城鄉(xiāng)植被物候變化時發(fā)現(xiàn)，LST與植被生長季開始和結(jié)束時間均有顯著的相關(guān)性;于曉靜等[10]在研究黑龍江黑土區(qū)LST的過程中，得到土地利用類型和土壤類型是影響LST的重要因素;帥晨等[11]利用提取的歸一化植被指數(shù)來解釋莆田市都市區(qū)LST的時空特征，并構(gòu)建出二者的最小二乘擬合模型;王會等[12]選取1965—2011年黑龍江的生長季進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與其他深度LST相比，0 cm LST與氣溫相關(guān)性更為顯著。

大興安嶺地區(qū)森林資源豐富，位于高緯度地區(qū)，且該區(qū)域為國有重點林區(qū)分布地之一，嚴(yán)寒周期較長，對于生態(tài)環(huán)境變化也較為敏感[13-15]。以上研究多是從植被與LST關(guān)系的角度分析，而有關(guān)地形、氣候和地氣溫差等因子對大興安嶺地區(qū)LST影響的研究較少。因此本文選取海拔、坡度、坡向、氣溫和降水量等因素，以不同時間尺度，利用氣候傾向率和像元統(tǒng)計分析法獲取大興安嶺地區(qū)MODIS LST時空分布特征，并通過皮爾森（Pearson）相關(guān)分析進(jìn)一步揭示不同影響因子與LST的關(guān)系。旨在了解東北高緯度山區(qū)地表能量狀況及氣候變化趨勢，為應(yīng)對大興安嶺地區(qū)的生態(tài)危機(jī)和進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測提供參考。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺地區(qū)位于我國東北部，是中國緯度最高的行政區(qū)，橫跨黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)兩個區(qū)域。選取其在黑龍江省轄區(qū)內(nèi)的部分進(jìn)行研究，地理位置為121°12′ ～127°00′ E，50°11′ ～53°33′ N，北部臨近俄羅斯并以黑龍江為界，總面積約為835萬hm2。該區(qū)屬寒溫帶季風(fēng)性針葉林氣候，春秋少雨，年均降水量約460 mm，年均溫為-2.6 ℃。平均海拔573 m，山地丘陵較多，森林覆蓋率高達(dá)79.83%，樹木以樟子松、白樺和興安落葉松為主。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源與處理

MODIS數(shù)據(jù)來自美國航天航空局（NASA）提供的MOD11A2產(chǎn)品，此數(shù)據(jù)集空間分辨率為1 km，合成時期為8 d，每年45期，編號為h25v03和h26v03的兩幅影像位于研究區(qū)范圍內(nèi)，2001—2019年總計855景數(shù)據(jù)。利用MRT、ENVI5.3以及ArcGIS10.2軟件進(jìn)行拼接、投影轉(zhuǎn)換、重采樣和剪裁等預(yù)處理工作，并使用最大值合成法降低大氣、太陽和云的不利影響后，再將生成的逐月數(shù)據(jù)分別按年、月和季節(jié)計算白天LST的平均值，從而分析LST的年度、月份及四季變化規(guī)律。

氣象站LST數(shù)據(jù)來源于國家基準(zhǔn)氣象觀測站的逐日氣象資料，選取大興安嶺地區(qū)內(nèi)的漠河、塔河、呼瑪、新林和呼中5個站點，對2001—2019年的每日LST統(tǒng)計分析得到19 a間各月平均值。

2.2 研究方法

2.2.1 氣候傾向率

利用氣候傾向率表示某一要素的變化趨勢，通常地溫和降水等氣象要素使用一元線性回歸方程表示，公式如下：

ni=a+bti。（1）

式中： ni為第i年的要素值; ti為時間;a為常數(shù);b為回歸系數(shù)。

趨勢率變化方程即為：b=dnidt，將b擴(kuò)大10倍作為氣候傾向率。

2.2.2 像元統(tǒng)計分析

對于一年或者季節(jié)中的各月LST進(jìn)行統(tǒng)計時，使用均值法獲取年度和四季的LST平均數(shù)據(jù)（用LST表示），公式為：

LST=∑LSTa，b/N。（2）

式中：LST表示研究區(qū)LST的平均值;LSTa，b表示第a行第b列的LST像元值;N代表區(qū)域內(nèi)像元總數(shù)。

2.2.3 相關(guān)分析法

選取Pearson系數(shù)法計算19 a間LST與各類因子的相關(guān)程度，相關(guān)系數(shù)r的范圍為[-1，1]，其值大于0時表示為正相關(guān)關(guān)系，反之則為負(fù)相關(guān)，公式為：

r=∑i=1（LSTi-LST）（Mi-M）∑i=1（LSTi-LST）2∑i=1（Mi-M）2。（3）

式中：LSTi、LST分別表示研究區(qū)LST的統(tǒng)計值和平均值;Mi、M分別為影響因子的統(tǒng)計值和平均值;i為時間段。

2.2.4 MODIS LST數(shù)據(jù)精度檢驗

利用2001—2019年大興安嶺地區(qū)內(nèi)5個氣象站的逐日LST數(shù)據(jù)合成月均溫，并在MODIS LST產(chǎn)品中提取相應(yīng)點的各月數(shù)據(jù)值，二者相關(guān)分析得到表1和圖2。從圖表可以看出，兩種數(shù)據(jù)相關(guān)性較強(qiáng)且具有一定的線性關(guān)系，表明MODIS LST對于大興安嶺地區(qū)的LST變化有較好的指示作用。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表溫度空間格局

利用MODIS影像處理得到大興安嶺地區(qū)多年LST的空間分布格局如圖3所示，結(jié)合氣象站實測地溫數(shù)據(jù)，采用等間距法劃分出6個溫度等級?？傮w上看，研究區(qū)0 cm LST因受緯度和地形影響，大體呈現(xiàn)西北低東南高的趨勢。LST的最低值（-1.47 ℃）出現(xiàn)在最北端漠河市，高值集中在較為平坦的東南部區(qū)域，年均最高值為5.33 ℃。在北部、西南部達(dá)到地溫較低值的主要地形為山區(qū)，大布勒山、卡爾加山和霍洛臺山等地具有約1 000 m的較高海拔，使得該區(qū)域的LST偏低，其中低于1 ℃的區(qū)域占大興安嶺地區(qū)總體的8.4 %; 1～3 ℃大致位于海拔約600～700 m的中部地區(qū)，所占比重為63.0 %;溫度在3 ℃以上的地區(qū)占28.6 %，主要位于塔河縣、呼瑪縣及二者的周邊區(qū)域，這些地區(qū)除了具有地勢較低的特點，人口聚集度還相對較高，受到的土地耕作、建筑物修建等人類活動影響較強(qiáng)烈。

通過圖4可以看出LST平均值的逐月變化情況， 從11月份開始到次年的3月份，整個地區(qū)的月均LST一直在0 ℃以下。1月出現(xiàn)的最低值為-27.80 ℃，所在區(qū)域為緯度最高的大興安嶺北部地區(qū)。自3月末太陽直射點北移開始，研究區(qū)由東南部逐漸回暖，后蔓延到東北部和南部地區(qū)，直至7月達(dá)到最高溫度38.93 ℃。在8月和9月時稍有降低，大部分地區(qū)LST值為6～24 ℃。此后LST逐步下降，10月已有小部分地區(qū)低于0 ℃。

3.2 地表溫度時序變化

2001—2019年大興安嶺地區(qū)年際和季節(jié)的LST變化如圖5所示，總體上看LST具有“升高—降低—升高—降低”的走向，近19 a呈現(xiàn)出以每十年2.5 ℃的上升走勢。當(dāng)?shù)豅ST的年均值為2.39 ℃，2014年達(dá)到4.45 ℃的最高值， 最低值則位于2001年（-2.56 ℃），其中的波動與氣候關(guān)系較密切，如2012年受西伯利亞高壓的影響出現(xiàn)寒潮，2014年厄爾尼諾現(xiàn)象使得春天溫度偏高。LST除了受到全球變暖的大趨勢而逐漸上升外，其他因素如近地層空氣污染的加重、空氣濕度、太陽輻射量的變化及地溫本身的滯后性也會綜合影響其變化幅度和趨勢[16]。

按12—次年2月、3—5月、6—8月和9—11月劃分冬季、春季、夏季和秋季，以獲取逐年的LST季節(jié)變化?？傮w上看，不同季節(jié)間LST年均值差別較大，冬季平均LST值為-15.79 ℃，而夏季高達(dá)20.60 ℃，二者相差36.39 ℃，春、秋兩季平均地溫分別為2.86 ℃和-0.02 ℃?？梢钥闯鼋?9 a間同一季節(jié)的LST值大體呈階段性變化，且具有逐年上升的趨勢。春、夏季年均LST呈現(xiàn)輕微波動上升的特征，傾向率為0.087 ℃/ a和0.003 ℃/ a，而秋、冬季傾向率較高，分別為0.265 ℃/ a和0.871 ℃/ a，傾向率由大到小為冬季、秋季、春季、夏季。由此可以看出2014年研究區(qū)的LST變化較為異常，春季和秋季LST與前一年相比變幅明顯。2018—2019年期間均出現(xiàn)LST冬季偏高而春季偏低的現(xiàn)象，這與研究區(qū)該時間段的氣溫變化特征相一致[17]。

3.3 地氣溫差變化分析

人類活動會影響大氣中二氧化碳等溫室氣體的含量，進(jìn)而影響大氣溫度的變化[18]。而氣溫與平均LST關(guān)系密切[19]，據(jù)漠河氣象站和MODIS LST數(shù)據(jù)顯示，漠河2001—2019年間氣溫和LST均增加，且地氣溫差呈0.23 ℃/ a幅度上升。綜合圖5和圖6可以看出，LST與地氣溫差的年變化趨勢相近。地氣溫差通常大于0，從2005年開始大興安嶺地區(qū)地氣溫差的值顯著增加，由此可知，在此期間地氣系統(tǒng)能量收支不平衡，近地面空氣流動性較低造成污染物集聚。同時，隨著研究區(qū)凍土退化現(xiàn)象的發(fā)生，淺層凍土吸收的地表熱量也會逐漸減少，可能會導(dǎo)致LST不斷升高[20-21]。

4 討論

4.1 地形因子與LST的相關(guān)關(guān)系

從圖1和圖3綜合來看，大興安嶺地區(qū)海拔西南向東北遞減而LST變化趨勢相反，通過Pearson相關(guān)分析計算出二者之間的相關(guān)系數(shù)為-0.368，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)LST與海拔呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。將該區(qū)海拔分為 <380、380～540、540～700、700～860、>860 m 5級，各級區(qū)域的多年平均LST計算結(jié)果分別為2.84、2.63、2.24、2.05、1.60 ℃，結(jié)果表明，LST隨海拔上升而逐漸降低。研究區(qū)西南部高山區(qū)（>540 m）占大興安嶺地區(qū)總面積的49.4 %，空氣、云層較少以及低矮苔蘚類植被的覆蓋造成該區(qū)域出現(xiàn)LST偏低的現(xiàn)象，其中年均LST最低至9.92 ℃。中部區(qū)域（380～540 m）約為26.3%，興安落葉松和樟子松等樹種的繁茂廣布是維持當(dāng)?shù)豅ST相對穩(wěn)定的重要因素。平原低地的范圍相對較少（24.3%），位于大興安嶺東北部人口相對較密集的區(qū)域，植被類型主要為耕地和已開墾草地，日常農(nóng)業(yè)、工商業(yè)活動和交通等因素均會不同程度地作用于當(dāng)?shù)豅ST。除此之外，地形因子中的坡度和坡向與LST相關(guān)性分別為0.031和0.021，可知LST隨坡度或坡向的上升而升高，但二者影響程度均較弱，海拔對于LST的升降變化仍具有重要意義。

4.2 氣象因子與LST的相關(guān)關(guān)系

提取MODIS LST中LST數(shù)據(jù)平均值與漠河氣象站的逐月日照時數(shù)、空氣水氣壓、平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)，分別以年和季節(jié)尺度進(jìn)行Pearson相關(guān)分析。通過表3可以看出，氣溫和地氣溫差與LST的年相關(guān)性均較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)分別為0.966和0.947。從季節(jié)尺度來看，四季的地氣溫差與LST全部呈極顯著正相關(guān)，春、夏、秋三季的氣溫與LST相關(guān)性也極為顯著。此外，夏季的降水量相關(guān)系數(shù)為-0.552，通過了p<0.05的顯著性檢驗。這是由于研究區(qū)內(nèi)的降水主要由夏季風(fēng)帶來，夏季較多的降水量對LST的影響較大。

夏季日照時數(shù)和春秋季的空氣水汽壓與LST相關(guān)關(guān)系相對較弱，但對于LST的變化也起到一定的作用。白天LST的直接來源為太陽輻射，而日照時數(shù)與晴朗的天數(shù)呈正相關(guān)，因此日照時數(shù)能夠作為直接衡量太陽輻射高低的標(biāo)準(zhǔn)[22]。在復(fù)雜的能量傳輸過程中，空氣中水汽的存在不僅會產(chǎn)生一定的反射、折射和散射作用來減弱太陽輻射，還會造成大氣逆輻射的現(xiàn)象，通過多個過程綜合影響LST。

氣溫會受到太陽輻射和人類活動所排放的二氧化碳的共同影響，隨著漠河地區(qū)旅游業(yè)的發(fā)展，旅游人數(shù)的增長會提升森林資源需求量，但與此同時也增加了空氣中二氧化碳含量，使得當(dāng)?shù)貧鉁刂鹉晟仙?。雖然氣溫與LST均在上升過程中，但研究區(qū)處于秋冬季節(jié)時，地表會存在較多積雪的累積，使得LST的上升速率與氣溫相比相對較慢。地氣溫差的傾向率在秋、冬季較高，分別為0.25 ℃/ a和0.83 ℃/ a。另外，在冰雪覆蓋情況下得到的LST可能存在一定的誤差，冰雪也會與其他氣候因素共同作用導(dǎo)致地氣溫差上升。21世紀(jì)初期LST的增長原因，可能是由于氣溫和地氣溫差升高導(dǎo)致的降水量及水氣壓的相對偏低，進(jìn)而使得日照時數(shù)增幅較大，已有研究也提出2006年漠河的日照總時數(shù)高達(dá)2 691.8 h[23]。到2010年之后，由于氣溫升高、森林火災(zāi)的有效管控和人工降雨等因素使得降水量大體呈現(xiàn)上升趨勢[24-25]。漠河市年降水量的最高值出現(xiàn)在2013年，達(dá)到507.8 mm。

據(jù)相關(guān)研究[26]顯示，研究區(qū)的降水是處于“豐—枯—豐—枯”變化過程中的，未來降水量仍會呈現(xiàn)下降趨勢?？赡艹霈F(xiàn)的這種氣溫偏高和降水量偏低的暖干氣候，會導(dǎo)致LST不斷升高，當(dāng)?shù)氐膬鐾镣嘶俣纫矊⑻嵘＿@種氣候變化作用于土壤之后，可能會破壞森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，促使森林衰退和火災(zāi)等現(xiàn)象的發(fā)生。因此在林區(qū)水分的調(diào)控和火災(zāi)的預(yù)警方面還應(yīng)予以重視。在春季播種期間，應(yīng)合理利用氣溫來提升LST估算值的精確性，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。對于人類活動較強(qiáng)烈的區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)管控，并適當(dāng)調(diào)整經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，保證生態(tài)資源的健康及可持續(xù)性。在指導(dǎo)大興安嶺地區(qū)發(fā)展與資源利用方面，將充分考慮到LST的時空特征作為前提，以保障林下經(jīng)濟(jì)模式的合理規(guī)劃、草地資源的開發(fā)和可持續(xù)利用、自然保護(hù)區(qū)生物多樣性等為現(xiàn)實目標(biāo)推進(jìn)地區(qū)發(fā)展。

綜合來看，海拔、氣溫和夏季降水量是影響LST變化的重要因子，近19 a來年均LST的變化受到了人類活動導(dǎo)致的氣溫升高、夏季降水量的波動以及地氣溫差升高導(dǎo)致的地表感熱度增強(qiáng)等影響，從而使得研究區(qū)氣候趨向于干暖化。對于土壤中含水量升降、土壤有機(jī)質(zhì)累積和分解過程、樹木種類變化、所選站點的差異性及出現(xiàn)特殊事件等情況造成的LST變化，有待于進(jìn)一步研究。此外，自然界中的氣候變化通常由多因子共同作用、綜合影響，目前已有研究[27]利用地理探測器探測所研究要素的主要驅(qū)動力，未來的研究可以從利用多種研究方法探究多因子綜合作用機(jī)制的方向來進(jìn)行。

5 結(jié)論

（1）經(jīng)過對5個氣象站點實測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗證發(fā)現(xiàn)，MODIS LST數(shù)據(jù)適用于大興安嶺地區(qū)LST的研究。

（2）大興安嶺地區(qū)2001—2019年LST空間上呈現(xiàn)出西北至東南逐漸增加的趨勢，63.0 %的地區(qū)年均LST在1～3 ℃范圍內(nèi)，月平均LST在1月達(dá)到最低值-27.80 ℃。從時序角度上看，LST值在19 a以0.25 ℃/ a的傾向率波動上升;季節(jié)尺度上來看，冬季LST升幅最大，其次為秋季和春季;2018—2019年期間LST具有冬暖夏涼的特征。

（3）地形因子中海拔與LST呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，坡度和坡向?qū)ST的影響不明顯。氣象因子中，地氣溫差在年際和季節(jié)時段內(nèi)均為主控因素，其升幅為0.23 ℃/ a。日照時數(shù)、平均水氣壓和降水量與LST在年尺度上相關(guān)性較弱，但夏季的降水量相關(guān)系數(shù)較高（-0.552），通過了顯著性檢驗。海拔、氣溫和夏季降水的變化對于LST的升降起到重要作用。

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