地表能量平衡方程在新疆地表温度模拟中的应用

地表温度是影响地表能量收支平衡和气候变化的重要因子,也是评价陆面模式性能的主要指标。新疆下垫面包括沙漠、绿洲、冰川、积雪等多种类型,其地表温度变化对生态环境和天气气候变化有重要影响。为了找到影响第三代陆面模式NCAR CLM4.5模拟新疆地表温度效果的主要因子,促进该模式发展,在对ERA-5再分析资料评估基础上,以其作为实况资料,首先对CLM4.5长时段模拟新疆地表温度的效果开展评估,然后利用地表能量平衡方程得到的地表温度变化影响因子分离方法,揭示出引起新疆地表温度模拟偏差的主要因子。结果表明：ERA-5地表温度的空间分布特征、量级和时间变化与观测结果一致,可用来研究该区域地表温度变化。CLM4.5对新疆地表温度模拟冷偏差值较大,但相关性显著,且误差与气候背景和下垫面条件有关。CLM4.5模拟的潜热值偏大是地表温度模拟值偏低的主要原因,CLM4.5模拟的潜热值在新疆大部分区域比ERA-5的多90%以上。CLM4.5对新疆0—10 cm土壤湿度模拟值偏大,蒸散过强,导致潜热通量偏大,因此改进土壤湿度计算方案是提高该陆面模式对新疆地表温度模拟水平的有效途径。     

NPP-VIIRS热红外数据地表温度反演方法研究

地表温度作为监测陆地表面与大气变化的重要参数,对于研究地表能量平衡和全球气候变化具有重要作用。可见光红外成像辐射仪套件（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite,VIIRS）是搭载在新一代对地观测卫星NPP上的一个重要传感器。与其他传感器相比,VIIRS拥有更高的空间分辨率。分裂窗算法是反演地表温度最常用的方法,主要是利用两个热红外通道来反演地表温度,经过多年的研究和改进,发展了多种形式的分裂窗算法。由于过去很少有人利用VIIRS数据对多种分裂窗算法进行对比分析,因此利用VIIRS传感器上M15和M16两个热红外通道数据计算辐亮度和星上亮温,采用多种形式的分裂窗算法反演获得多组地表温度数据,再利用海拉尔野外观测站点的实测数据对结果进行验证,对比各算法精度,得到反演精度较高的算法。结果显示PR84算法的反演误差最大达到1.8 K,其余各算法反演地表温度的RMSE都在1.5 K以内,算法中加入二次项和水汽项可以提高算法精度,其中BL95的算法精度最高达到了1.23 K。研究结果表明,BL95算法更适用于VIIRS热红外数据地表温度反演。     

基于多源遥感数据反演地表温度的单窗算法

利用单窗算法反演地表温度时,一景影像通常使用一个大气透过率。大气水汽含量空间异质性会导致像元尺度上大气透过率不同,从而给地表温度反演带来误差。该文通过从研究区MODIS数据中反演出大气水汽含量,经过配准、重采样之后获得该区域像元尺度的大气透过率,利用同时相TM数据,采用单窗算法反演地表温度。结果表明:基于多源遥感数据反演地表温度的单窗算法,由于减少了大气水汽含量空间异质性带来的地表温度反演误差,能够得到更为合理的地表温度。     

热红外遥感图像中云覆盖像元地表温度估算初论

云覆盖是热红外遥感应用和地表温度(Land Surface Temperature,LST)遥感定量反演的重要障碍。如何估算热红外遥感图像中云覆盖像元的地表温度,是热红外遥感的前沿研究难题。以地表热量平衡为基础,根据地表温度的空间分布连续性、植被对地表温度的影响,提出三种解决云覆盖像元地表温度估算方案:空间插值修正法、植被关系修正法和改进型地表热量平衡法,并探讨云覆盖区地表温度空间分布的洼地效应现象、洼地效应强度及计算方法。基于地表热量平衡方程的洼地效应强度因子和影像灰度值之间关系的数值模拟,是三种估算方案切实可行的关键。     

基于ETM+影像的土地覆盖类型与地表温度相关性研究

以福建省福州市为研究区域,通过Landsat 7 ETM+影像热红外波段反演地表温度,研究土地覆盖类型对地表温度的影响.用6S模型软件对2001年3月4日Landsat 7 ETM+影像进行辐射校正,从遥感影像上反演地表的真实温度.用监督分类方法对多光谱合成影像进行土地覆盖类型划分,得到林地、居民地、水域、沙滩以及其他用地分布图.把地表温度图和土地覆盖图进行空间叠加,按土地覆盖类型对温度值进行统计特征分析,得出5种土地覆盖类型温度排序,从高到低依次为沙滩、居民地、其他用地、林地、水域,其中温度最高的沙滩达23℃,温度最低的水域仅14℃,居民地和其他用地的温度在19℃左右.沙滩因早晨增温比较快,表现出较高的温度;温度第二高的居民地,表现为较明显的城市热岛现象.     

2000-2010年西伯利亚地表覆盖变化特征——基于GlobeLand30的分析

西伯利亚是全球环境变化的重要敏感性区域,但以往缺乏该区域中高分辨率地表覆盖数据,对其地表覆盖的整体分布与变化缺乏深入的认识。本文利用中国新近研制的2000、2010年两期30 m分辨率地表覆盖数据产品GlobeLand30,对2000-2010年西伯利亚地表覆盖的空间分布格局、变化幅度、区域差异及主要地类的变化原因进行了综合分析。研究发现：①西伯利亚地表覆盖的空间分布现状具有明显的地带性特征。②10年间,西伯利亚地区地表覆盖整体变化幅度较大,其中林地及草地呈显著缩减、湿地呈较大幅度增加、耕地呈微弱减少、人造地表呈增加态势。③10年间,西伯利亚地表覆盖变化具有显著的区域差异性。变化最显著的为西西伯利亚地区,其中以湿地增加最明显,主要分布于鄂毕河—叶尼塞河流域,林地、草地及耕地减少集中于西伯利亚西南部。④人类活动和气候变暖是引发西伯利亚地表覆盖变化的主要原因。大规模林地砍伐导致林地减少;冰冻层消融,林地、草地和水体向湿地的转化是湿地增加的主要原因;耕地的人为废弃和撂荒导致耕地面积有所减少。     

利用空间插值法估算云覆盖像元地表温度的可行性研究

云覆盖是热红外遥感应用和地表温度遥感定量反演的重要障碍。实验选取河北衡水地区Landsat TM影像,借助GIS的空间分析功能,探索运用反距离加权(IDW)和普通克里金插值(OK)方法近似估算3种典型地表类型(水面、城镇、农田)下的云覆盖像元地表温度的可行性。实验结果显示:当云覆盖区域达15 000个像元(约等于13.5km2)时,两种空间插值方法对城镇的云覆盖像元地表温度估算误差都为1.6°C左右,而农田和水面的估算误差在1°C左右(且水面估算误差小于农田),这与3种典型地表类型的地表温度空间异质性密切相关。因此,当Landsat TM图像中有少块云覆盖而发生地表温度值缺失时,利用空间插值法估算云覆盖像元的地表温度是切实可行的。     

城市绿地水热通量的遥感反演与实验验证

为了定量评估北京绿色奥运城市绿地建设对生态环境的改善作用,根据北京城市下垫面状况改进了SE-BAL模型地表比辐射率、地表温度参数,应用模型对北京TM遥感图像反演了城市绿地水热通量,并用涡度相关系统地面同步观测数据进行验证,模型反演值与地面观测值基本相符。秋季植被覆盖下垫面显热约为建筑区的78%,为裸土的60%;而潜热约为建筑区的1.24倍,为裸土的1.55倍;林地显热约为草地的97%,潜热为草地的1.12倍。显热随植被覆盖度Pv的增加而降低,而潜热随Pv的增加而增加;在低植被覆盖度(Pv0.6)区域,提高Pv对降低显热、增加潜热的效果比高植被覆盖度(Pv0.6)区域要显著。     

2000-2010年西伯利亚地表覆盖变化特征——基于GlobeLand30的分析

西伯利亚是全球环境变化的重要敏感性区域,但以往缺乏该区域中高分辨率地表覆盖数据,对其地表覆盖的整体分布与变化缺乏深入的认识。本文利用中国新近研制的2000、2010年两期30 m分辨率地表覆盖数据产品Globe Land30,对2000-2010年西伯利亚地表覆盖的空间分布格局、变化幅度、区域差异及主要地类的变化原因进行了综合分析。研究发现:1西伯利亚地表覆盖的空间分布现状具有明显的地带性特征。210年间,西伯利亚地区地表覆盖整体变化幅度较大,其中林地及草地呈显著缩减、湿地呈较大幅度增加、耕地呈微弱减少、人造地表呈增加态势。310年间,西伯利亚地表覆盖变化具有显著的区域差异性。变化最显著的为西西伯利亚地区,其中以湿地增加最明显,主要分布于鄂毕河—叶尼塞河流域,林地、草地及耕地减少集中于西伯利亚西南部。4人类活动和气候变暖是引发西伯利亚地表覆盖变化的主要原因。大规模林地砍伐导致林地减少;冰冻层消融,林地、草地和水体向湿地的转化是湿地增加的主要原因;耕地的人为废弃和撂荒导致耕地面积有所减少。     

基于MODIS数据的石羊河流域地表温度空间分布

地表温度是生态系统中极其重要的环境因子,中小尺度区域的热场空间分布对生态系统稳定性的研究以及干旱区流域的农业生产建设具有重要意义。利用MODIS数据,采用劈窗算法反演石羊河流域的陆地表面温度(LST),并计算植被指数(NDVI);利用TM影像,通过目视解译获得研究区的土地利用数据,结合DEM数据,采用GIS空间分析方法,分析LST的空间分布特征和LST与NDVI在不同土地利用类型之间的差异以及二者之间的定量关系。结果表明:研究区陆地表面温度北高南低,东高西低,整体上表现为由东北向西南逐渐降低的趋势;地表温度与海拔呈负线性相关,相关系数为-0.928;不同土地利用类型的地表温度存在差异,地表温度最高的未利用土地要比最低的林地高出16.42 K;对于单一土地利用类型,耕地、林地、草地、建设用地的地表温度与NDVI具有明显负相关;对于整个研究区土地利用空间结构,地表温度与NDVI表现为LST-NDVI梯形关系,反映了流域地表温度和植被覆盖之间的关系,由此看出绿色植被对调节区域气候温度的重要性。     

基于斑块层次的土地利用变化对土地质量影响的初步分析——以河北省张北县为例

利用SPOT2/4、SPOT5 等遥感数据源, 以人工目视解译为主, 分析了1999 年到2003 年河 北省张北县土地利用( 耕地) 变化情况; 运用GIS 和统计分析的方法, 初步分析林草地转变为耕 地、耕地转变为林草地和未变化耕地斑块等的土地退化特征。从1999 年到2003 年, 张北县耕地 减少20229.5ha, 耕地的主要流向为林草地, 其中又以旱地转化为人工草地为主, 2003 年新增耕 地的主要来源为牧草地。除耕地转为疏林地外, 耕地转为林草地的其余类型未退化斑块的面积较 大; 林草地转化为耕地的情况比较复杂: 林地转化为旱地、牧草地转化为水浇地的斑块发生了比 较明显的土地退化; 而牧草地转化为旱地、其它土地转化为旱地、牧草地转化为菜地斑块中退化 斑块数和面积比例都不大。和未变化耕地斑块的退化特征比较, 旱地转化为牧草地, 退化斑块与 未退化斑块数量比例比较接近, 但未退化斑块面积比例远远高于未变化耕地斑块; 而牧草地转为 旱地的退化与未退化斑块数量和面积比例没有明显差别。旱地转化为林地的未退化斑块数量和 面积比例要大于林地转化为旱地的斑块。说明旱地向林草地转化有助于提高区域土地质量。     

喀斯特地区地表温度空间降尺度方法初探

喀斯特地区地形起伏大,常规的降尺度方法及所选择的因子对其不适用。该文根据喀斯特地区的特点,选取反射率、遥感指数及高程因子为尺度因子,通过随机森林模型建立MODIS第31、32波段辐射亮度数据和尺度因子之间的非线性关系,构建适合喀斯特地区的随机森林(Karst Random Forest,KRF)模型,成功将空间分辨率为1 km的热红外辐射亮度降至100 m,最后利用劈窗算法反演得到空间分辨率为100 m的地表温度。将KRF方法与仅考虑常规因子的多因子随机森林回归模型(MTVRF)和热锐化算法(TsHARP)对比,结果表明:1)在不同高差的喀斯特地区,KRF方法可较大程度提高地表温度降尺度精度,均方根误差(RMSE)在遵义市西北部和贵阳市以南地区分别为2.46 K和1.45 K,较MTVRF模型分别降低了0.1419 K和0.2928 K,较TsHARP算法分别降低了0.6204 K和0.6953 K,且在地形起伏度较低的喀斯特山区城市(贵阳市以南)表现更好;2)在喀斯特地区不同地类上,KRF方法效果也较好,其中植被区域最优,RMSE为1.41 K,破碎的裸土区域RMSE为1.84 K。研究显示,考虑特殊尺度因子的KRF方法可提高喀斯特地区地表温度的降尺度精度,为该地区以地表温度为基础的研究提供更精细可靠的地表温度产品。     

土地利用类型转换对地表能量平衡和气候的影响——基于SiB2模型的模拟结果

利用SiB2 模型对中国东北地区农田、草地和森林3 种土地利用类型的地表能量平衡过程展开研究,分析不同土地利用类型对生物地球物理参数（反照率和粗糙度）、能量平衡（净辐射、潜热和显热）和气候（冠层温度）的影响。结果表明：①模型模拟的地表能量平衡与实测数据的年变化动态相似（R²>0.42）,差值保持在±30 W/m²,温度在±4 ℃。②利用相同气象数据模拟不同土地利用类型通过生物地球物理过程对地表能量平衡和气候的影响,发现森林吸收的净辐射最高且主要用于潜热分配,农田的净辐射最低且主要用于显热分配,草地净辐射和能量分配居中。③生态系统获得的净辐射主要受反照率的影响,净辐射分配受叶面积指数的调节。④冠层温度（℃）受反照率和净辐射在潜热和显热间分配的相对重要性的影响：年平均值为森林（7.7）>农田（7.64）>草地（6.67）。⑤降水对模拟结果有显著影响,是森林模拟差异的主要原因。在不同土地利用类型中,降水增加土壤水分,净辐射更多分配到潜热,较少分配到显热,降低冠层温度。     

1960-2010 年贵州省喀斯特山区陡坡土地利用变化

基于GIS 与RS技术, 以贵州省喀斯特山区坡度大于25°的区域为研究对象, 利用1960 年1:50000 地形图、1990 年Landsat TM遥感影像以及2010 年的环境减灾卫星(HJ-1A/1B)影像, 解译获取1960、1990、2010 年3 个时间点的土地利用数据, 并结合贵州省水文地质图、坡度图进行陡坡土地利用变化分析。结果表明:①1960-1990 年的30 年间, 有林地、灌木林、水体呈减少趋势, 其中灌木林减少的最多, 其次是有林地;而草地、建设用地、裸岩和耕地呈持续增长趋势, 其中草地增加的最多, 其次是耕地。②1990-2010 年的20 年间, 灌木林、裸岩、耕地呈减少趋势, 其中耕地减少的最多;而有林地、疏林地、草地、水体呈增长趋势, 其中疏林地增加的最多。③随坡度增加覆盖比例呈降低趋势的土地利用类型为有林地、疏林地、水体、建设用地和耕地;随坡度增加覆盖比例呈增加趋势的土地利用为灌木林、草地和裸岩。     

榆林市农业景观格局变化研究

根据1986年和2000年两期TM影像资料和其他辅助资料, 运用人机交互解译方法以及地理信息系统的空间分析和数理统计功能, 分析了榆林市农业景观格局变化, 包括土地利用数量变化、变化速度和区域差异等特征, 以及各景观类型之间的转化情况, 并对景观格局变化进行了定量分析。结果表明: 14a间, 榆林市未利用地减少1305.56km², 其中主要是沙地减少; 耕地、林地、草地分别增加567.11km²、99.6km²和616.79km²; 未利用地和建设用地的变化率最大, 分别为-22.11%和18.18%; 土地利用变化存在明显的区域差异; 各类型间的转化突出表现为未利用地向草地转化, 草地向林地和耕地转化。榆林市近十几年景观类型发生了明显转换, 土地整治取得显著成绩。     

黄土台塬区土地利用转移流及空间集聚特征分析

提出了土地利用转移流和土地利用活跃度的概念,基于Landsat 遥感影像数据,采用土地利用变化测度模型,以5 年和25 年两种时间尺度对黄土台塬区土地利用时空动态特征进行分析,并将密度制图法应用到土地利用变化的空间集聚特征识别中.研究表明：① 黄土台塬区耕地占绝对优势,后备耕地资源严重不足,林地、草地、水域比例较低,存在较大生态风险;② 耕地与建设用地、草地、林地之间的转移关系是黄土台塬区土地利用转移的关键关系,决定着台塬区土地利用变化特征;③ 1985-2010 年耕地转建设用地流高达26668.80 hm²,占土地转移流40.75%,草地转耕地流18923.90 hm²,占28.91%,建设占用耕地情况严重,耕地占补平衡主要通过挤占草地实现;④ 25 年以来,土地利用变化对水域扰动最大,其次为森林,草地第三;⑤ 土地利用变化存在阶段性,1990-2000 年土地利用变化速率高于其他时段;⑥不同时间尺度下土地利用变化的空间集聚特征不同,25 年尺度下城镇附近土地变化幅度较高,5 年尺度下土地利用变化热点区由台塬中部向东西边缘区推移.     

Impact of Land Use Changes on Habitat Quality in Altay Region

Altay region is located in the northern part of Xinjiang, and has complex and diverse internal geomorphic types, undulating terrain and a fragile ecosystem. Studying the impact of land use changes on habitat quality is of great significance to regional ecological protection and development, rational planning and utilization, and ensuring the sustainable development of the ecological environment. Based on the InVEST model, combined with land use panel data and topographic relief data of the Altay region, this paper studied the habitat quality from 1995 to 2018. The results show that cultivated land, water area and construction land increased gradually from 1995 to 2018, while grassland and unused land decreased. Forestland remained stable in the first five periods, but increased significantly in 2018. During 1995-2018, all land use types were transferred, mainly between cultivated land, forestland, grassland and unused land in the flat and slightly undulating areas. Poor habitat quality was dominant during 1995-2018. Habitat quality decreased significantly in 2015, which was related to the rapid expansion of cultivated and construction land as threat sources, as well as the decrease of forest and grassland as sensitive factors. However, habitat quality improved significantly in 2018, because a large amount of cultivated land and unused land were converted into forest land and grassland with high habitat suitability. Land use type has an important influence on habitat quality. The distribution characteristics of habitat quality for topographic relief types from good to bad were: large undulating area>medium undulating area>small undulating area>flat area>slightly undulating area. The findings of this study are of great significance for coordinating social, economic, and ecological development in this region and in similar areas.     

阴山北麓不同用地方式下春季土壤可蚀性研究

阴山北麓位于中国北方农牧交错带内,此区属于生态环境脆弱地带,加之人类对土地资源的不合理利用,导致了严重的土壤风蚀问题,土壤可蚀性是影响土壤侵蚀大小的重要因素之一。本文通过对该区域土壤取样及室内理化分析,结合采样点的地表物质组成、植被覆盖度及土壤有机质含量等因素,分析了其潜在可蚀性。研究结果表明:阴山北麓草地的平均土壤潜在可蚀性最小,为63.82%,耕地的平均土壤潜在可蚀性最大,为66.05%,灌丛和林地居于其中,分别64.58%和64.88%。耕地的平均可蚀性>林地的平均可蚀性>灌丛的平均可蚀性>草地的平均可蚀性。随着春季温度的升高和不断的风蚀,土壤可蚀性也发生相应的变化,但这种变化并不是持续的,当温度达到一定程度时,土壤温度和湿度环境发生了变化,土壤潜在可蚀性反而降低,表现为第二次采样的土壤可蚀性>第三次采样的土壤可蚀性>第一次采样的土壤可蚀性。土地利用方式不同,土壤表层的理化性质、地表状况也会产生一定的差异,从而导致了表层土壤的潜在风蚀性不同。人类活动在土地利用过程中起主导作用,它是叠加在自然因素之上的影响土壤潜在风蚀性的人为因素。所以,应加强对耕地的保护,退耕还林草,减小其潜在风蚀性。