天山北坡人类活动强度与地表温度的时空关联性

人类活动强度与地表温度的时空关联研究对于充分认识气候变化的成因和机制、积极适应气候变化、合理开发及保护生态环境等均具有重大意义。本文以地处西北干旱区且对气候变化极为敏感的天山北坡为研究区,基于MODIS数据反演地表温度,以夜间灯光数据、人口分布数据及土地利用数据等共同表征人类活动强度,分析2000—2018年人类活动强度与地表温度的演变特征,并进一步探究二者的时空关联性。研究结果显示：① 2000年以来天山北坡平均人类活动强度（0.11）较低,整体呈阶梯式缓慢上升趋势（0.0024 a^-1）,其中人类活动强度较建设用地和人口规模增加滞后1~2 a。② 天山北坡年均地温为7.18 ℃且呈显著升温态势,变化率（0.02 ℃·a^-1）约为全球的2.33倍,春季显著增温（0.068 ℃·a^-1）对整体升温的贡献最大;受高程和植被覆盖度等下垫面性状的显著影响,研究区地温空间上呈南低北高特征。③ 天山北坡人类活动区人类活动强度与地表温度显著正相关,呈东强西弱分布特征,其空间分异与相关性的表达受到人类活动范围、表现形式及土地利用变化等因素的综合影响,农林种植、城市绿化和植树造林等与植被相关的人为干预能够有效减弱人类活动造成的地表增温。本文不仅为人类活动强度的精细刻画提出了新思路,更可为区域人地协调和统筹发展等提供科学参考。     

天山北坡城镇化进程中的水土资源效益及其时空分异

通过空间分析的Global Moran''s I指数和Getis-Ord G_i^*指数以及协调发展度函数选取1995年、2000年、2005年和2008年4个年份数据对天山北坡城镇化进程中的土地资源效益、水资源效益的集聚扩散状态及其冷热点空间格局演化与空间联动发展效应进行分析,研究发现:(1)天山北坡在绿洲自然地理格局下发育起来的城镇,受自然地理条件和水土资源分布特点及城镇发展水平不一、城镇性质各异而对水土资源利用程度不一等因素影响,其城镇化水平和水土资源效益的空间格局表现出不同的发展状态。(2)土地资源效益相似的县市具有明显的空间差异,呈现出分散的格局并保持相对稳定的态势。(3)水资源效益的空间集聚和扩散状态不稳定,变化显著。(4)水土资源效益在城镇化进程中各自的空间演化格局与路径迥异,区域联动效应差异显著。绿洲城镇发展的实际决定了水土资源效益的冷热点区域演化相比自身发展水平更具敏感性。     

天山北坡西部树木年轮对气候因子的响应分析及气温重建

利用博尔塔拉蒙古自治州三个采点的树轮宽度年表,通过相关和响应面分析的方法,分析三个树木年轮宽度对气候因子的响应。分析表明,三个年表与博州地区的年平均最低气温和7月降水量呈较显著的正相关,且呈现相同的响应,仅在气温偏低时,三个年表响应不一致。通过分析,选择年最低气温作为重建对象,具有明显的树木生理学意义。利用树轮年表重建了博州1576—2002年的年最低气温,通过逐一剔除检验,发现重建值稳定可靠。在427 a中,存在2~3 a和40~50 a左右的周期性振荡,1631年、1832年 、1920年和1961年左右发生过突变。     

天山北坡土地利用/覆被及生态系统服务功能变化

土地利用/覆被变化及其生态效应是生态环境演变最重要的因素之一,其研究对于促进区域生态经济协调发展有重要意义。以天山北坡土地利用/覆被数据为基础,分析了土地利用/覆被与生态系统服务功能的时空特征及其差异。结果表明:1989年到2000年研究区草地、未利用土地面积明显减少,其它类型土地面积在增加,奇台县土地利用变化动态度最高,乌鲁木齐最低;区域生态系统服务功能从1989年的31 993.31×106元增加到2000年的32 126.27×106元,增加量为132.96×106元,增长率为0.42%,其中,增长最多的是奇台县,下降最大的是玛纳斯县;山前倾斜平原圈是土地利用/覆被变化与生态系统服务功能价值变化的集中区域。天山北坡生态系统服务价值没有降低不能说明生态环境得到了良好的维护与保育,将来区域发展必须加强生态环境保护力度。     

基于Cubist模型的天山北坡草地鼠群密度时空分布特征

鼠害是影响草原生态健康的重要因素,了解小型啮齿动物种群密度时空分布特征,对精准的鼠害综合防治具有重要意义。以往对小型啮齿动物时空分布的研究多局限于静态的站点分布或小范围的种群密度时间变化分析,缺乏对较大时空尺度小型啮齿动物种群密度变化的分析。从已发表的文献中收集了天山北坡草地1982—2015年小尺度的有效洞口密度实地调查信息,同时结合环境因子数据,再根据海拔将研究区划分为≤900 m和>900 m 2类,运用Cubist模型和随机森林模型,分析有效洞口密度时空分布。结果表明：（1） 1982—2015年天山北坡海拔≤900 m地区的有效洞口密度总体呈增加趋势,而海拔>900 m的地区总体呈减少趋势。基于Cubist模型构建有效洞口密度与环境因子的模型拟合精度明显优于随机森林模型。（2） 植被状况、气象因子和放牧强度是天山北坡有效洞口密度时空分布主要的环境驱动因素。在天山北坡内海拔≤900 m和>900 m的地区中,有效洞口密度的驱动机制存在着显著差异。（3） 在海拔≤900 m地区,影响有效洞口密度时空分布主要是叶面积指数,而对于海拔>900 m地区为归一化植被指数。这可能是受到大沙鼠（Rhombomys opimus）和黄兔尾鼠（Eolagurus luteus）消耗不同类型植被的影响。     

基于遥感影像的雪线高程提取方法对比分析——以天山北坡为例

利用2010-2014年6~8月MOD10A1、MOD10A2及HJ-1/CCD数据,以天山北坡为研究区,对比分析了积雪持续时间比率法及最大值合成法在雪线高程提取中的精度和适用性。结果表明:当MOD10A1以旬合成,积雪持续时间比率阈值为40%时,提取的雪线高程与"真值"最为接近;基于混淆矩阵法,以目视解译得到的HJ-1/CCD积雪面积为"真值",分析得出,积雪持续时间比率法提取积雪面积的总体精度较高,为98.59%,khat系数为0.90,最大值合成法的总体精度仅为85.29%,khat系数为0.70;基于统计学的方法,计算得出,积雪持续时间比率法提取的雪线高程与"真值"的相关系数较高,为0.77,其平均误差、正、负误差、绝对平均误差以及均方根误差相对较低;最大值合成法提取的雪线高程与"真值"的相关系数较低,仅为0.54,其平均误差、正、负误差、绝对平均误差以及均方根误差相对较高;积雪持续时间比率法提取的雪线高程结果优于最大值合成法。     

天山北麓前山带对平原区水文过程的影响

借助地理信息系统与遥感图像处理技术,分析了天山北麓前山带对平原区水文过程的影响,结果表明:阻碍地下水的流动使其转化为地表水从而增加了河川径流流量;增大了河川径流的年调节能力,使绿洲可以稳定地发展;阻止山区洪水与泥石流对绿洲的危害;影响到山前潜水埋藏深度、潜水溢出带分布与溢出量变化。对山区生态环境有一定的保护作用;对土地利用和土地覆被变化有重要的影响     

Sustainable land-use patterns for arid lands:A case study in the northern slope areas of the Tianshan Mountains

Sustainable land use patterns are ecological and economic prerequisites of regional sustainable development. This is especially true for arid lands, where the environment is wholly fragile thanks to extremely limited precipitation, and where human activities have greatly transformed natural desert system by clearing natural vegetation, expanding oases and even building dams on inland rivers. However, the current studies on land use patterns are still characterized by field investigations and case studies, with almost no solid scientific basis. This paper holds that land types and their combination patterns are the principal basis for designing sustainable land use patterns, and that GIS and RS-based large-scale land type mapping and the study of their spatial combination structures should be coordinated with the demand of social development. The existing environmental problems induced by irrational land use mostly result from their deviation from the natural properties of land types. Taking the northern slope of the Tianshan Mountains (NSTM) as an example and considering land type patterns as the basis of land use patterns, this paper improves the vertical oasis- and-mid-mountain two-belts development model and the sustainable mountain land use model for arid lands put forward in recent years; and in terms of oases patterns, it outlines oasis development models, including intensive land use pattern in alluvial-diluvial fans, moderate agricultural development pattern in alluvial plains, and ecological land use pattern in river-end oases.     

天山北麓黄土发育特征及形成年代

对天山北麓黄土年代的认识还存在一定分歧.文章在对天山北麓河流阶地进行划分的基础上,通过分析黄土分布与地貌单元(河流阶地与冲积扇)的依附关系,同时结合黄土-古土壤序列分析与ESR测年,初步确定天山北麓地貌面上覆盖的最老黄土年代为0.54Ma B.P.,这为分析黄土所赋含的环境信息提供时间标尺.     

干旱区可持续土地利用模式——以天山北坡为例

Sustainable land use patterns are ecological and economic prerequisites of regional sustainable development. This is especially true for arid lands, where the environment is wholly fragile thanks to extremely limited precipitation, and where human activities have greatly transformed natural desert system by clearing natural vegetation, expanding oases and even building dams on inland rivers. However, the current studies on land use patterns are still characterized by field investigations and case studies, with almost no solid scientific basis. This paper holds that land types and their combination patterns are the principal basis for designing sustainable land use patterns, and that GIS and RS-based large-scale land type mapping and the study of their spatial combination structures should be coordinated with the demand of social development. The existing environmental problems induced by irrational land use mostly result from their deviation from the natural properties of land types. Taking the northern slope of the Tianshan Mountains (NSTM) as an example and considering land type patterns as the basis of land use patterns, this paper improves the vertical oasis- and-mid-mountain two-belts development model and the sustainable mountain land use model for arid lands put forward in recent years; and in terms of oases patterns, it outlines oasis development models, including intensive land use pattern in alluvial-diluvial fans, moderate agricultural development pattern in alluvial plains, and ecological land use pattern in river-end oases.     

Sensitivity of mountain runoff to climate change for Urumqi and Kaidu rivers originating from the Tianshan Mountains

The mountain watersheds of Kaidu River and Urumqi River, which separately originate from the south and north-side of the Tianshan Mountains in Xinjiang, are selected as the study area. The characteristics and trends on variation of temperature, precipitation and runoff, and the correlativity between temperature, precipitation, and runoff were analyzed based on the past 40 years of observational data from the correlative hydrological and weather stations in the study areas. Various weather scene combinations are assumed and the response models of runoff to climate change are established in order to evaluate the sensitivity of runoff to climate change in the study areas based on the foregoing analysis. Results show that all variations of temperature, precipitation, and runoff overall present an oscillating and increasing trend since the 1960s and this increase are quite evident after 1990. There is a markedly positive correlation between mountain runoff, temperature, and precipitation while there are obvious regional differences of responding degree to precipitation and temperature between mountain runoff of Urumqi River and Kaidu River Basins. Also, mountain runoff of Urumqi River Basin is more sensitive to precipitation change than that of Kaidu River Basin, and mountain runoff of Kaidu River Basin is more sensitive to temperature change than that of Urumqi River Basin.     

天山北坡中东部高海拔树轮宽度年表的建立

通过对天山北坡中东部高海拔的几个树木年轮采样点样本的研究,建立了天山北坡中东部高海拔树木的一系列树木年轮宽度的可靠年表,其中最长差值年表为321年。差值年表间的相关分析和主成分分析显示,不同树种之间树木生长存在很大的差异。不同树种的标准年表（STD）的均方差都比差值年表（RES）的大,而平均敏感度都较差值年表（RES）的小,说明差值年表（RES）保留的高频振荡信息要比标准年表（STD）多;偏度系数几乎都偏向大于均值的一方,而天山云杉的差值年表峰度系数变化更趋平缓;六个采样点共同区间上的符项指标几乎都是差值年表（RES）值高于标准年表（STD）值,说明天山北坡中东部高海拔的不同树种中差值年表（RES）均含有较高的环境信息。这些树木年轮宽度年表特征将为今后本地区的树木年轮生态学研究奠定基础。     

城市地表温度与NDVI空间相关性的尺度效应

城市地表温度与NDVI的空间相关性已被广泛研究,但是其尺度效应常常被忽略,给研究结果带来不确定性。本文以郑州市为例,基于四幅Landsat8影像,经辐射传导法反演地表温度(LST),运用半变异函数识别地表温度的空间相关性分析尺度,并结合空间相关指数Moran's I,从多尺度、多季节、多邻接范围3个方面对地表温度与植被覆盖的空间相关性的尺度效应进行了探讨,结果表明：①LST和NDVI的单变量空间自相关和双变量空间相关尺度均在300 m左右;②300 m相关尺度内,单变量空间自相关性存在显著尺度效应,相比之下双变量空间相关性尺度效应较为微弱;③LST和NDVI的单变量空间自相关性和双变量空间相关性尺度效应均表现出明显的季节差异;④随着邻接范围增大,LST和NDVI的空间自相关性减弱,尺度效应更明显。因此度量LST和NDVI的空间相关性要考虑时空尺度效应,本文研究结果有助于进一步认识LST和NDVI间空间相关性的尺度效应。     

气候变化背景下天山区域地表反照率特征分析

气候变化背景下地表反照率的变化能够深刻影响整个陆-气系统的能量收支平衡,引起区域以至全球的生态环境发生变化。基于2001-2013年16 d合成的MODIS/MCD43A3等数据,结合均值分析、斜率分析以及相关分析等研究方法,对气候变化背景下天山区域地表反照率时空变化特征进行分析。在空间分布上,近13 a来天山区域年均地表反照率达到0.217,伊犁河谷地区及天山北麓地表反照率较高,山区地表反照率较低,空间上呈交叉分布的特点;在时间分布上,研究区年均地表反照率缓慢增加,季节性差异明显,地表反照率秋季最高、春季最低,冬、春两季地表反照率波动强于其他季节;近13 a来地表反照率与气候因子之间存在较为明显的响应关系。年均地表反照率随着4、12月份气温的增加不断减小,随着7、8月份降水的减少而明显增加,与同期气温、滞后1月降水之间存在显著相关。     

基于MODIS的新疆地表温度时空变化特征分析

地表温度（LST）作为陆地环境相互作用过程研究中的重要地学参量,其时空分异与下垫面属性、地形地貌格局等息息相关。本文基于2000—2020年MOD11C3数据,采用GIS空间分析、空间重心模型及改进的半径法等手段,对新疆地区月、季、年及昼夜等序列时空尺度LST的分布特征及变化趋势进行研究,并借助LUCC、DEM等多源遥感数据进一步探讨各类下垫面、不同地貌单元及部分典型区域的LST垂直递减率、增减温及热（冷）岛效应等地理特征。结果表明：① 研究期间新疆年均LST为9.45 ℃,呈减温和增温趋势的区域分别占研究区面积的13.3%和86.7%,增温区域占绝大部分,故近20年研究区整体呈升温趋势（0.024 ℃·a^-1）,较全国高出约0.01 ℃·a^-1,其中春季增幅最大,冬季次之;夜间LST变化明显强于白天,春、夏两季昼夜温差均大于23.7 ℃,而冬季最小（约15 ℃）;研究区年际高、低温重心迁移轨迹大多分布于LST变幅较大区域,各月LST空间分布及高低温重心转移轨迹均表现出以7月为中点的年内强对称性规律。② 不同下垫面地表冷热环境空间分布差异较显著。其中以荒漠和裸土为主的未利用地年均LST最高（13.42 ℃）且昼夜温差最大（23.6 ℃）,高寒区冰川年均LST最低（-7 ℃）且昼夜温差（14.3 ℃）最小,其他下垫面年均LST在2.6~11 ℃之间,昼夜温差较小且较一致（平均16.75 ℃）。③ 东西走向的“三山夹两盆”地貌结构,使新疆LST的纬度地带规律被大幅削弱。研究区各山区（群）LST垂直递减率不尽相同,地处较高纬的阿尔泰山递变（0.63 ℃/100 m）最明显,山体高大的帕喀昆阿山群递变（0.57 ℃/100 m）次之,天山山脉递变（0.54 ℃/100 m）最小。另外各山区（群）山麓处均出现了不同程度的逆温现象,而山腰处LST垂直递减率线性拟合效果最佳。④ 本研究所选取的部分典型城市大都表现出不同程度的热岛效应。其中乌鲁木齐市热岛效应最为强烈,伊宁市其次,哈密市最微弱,而阿克苏市则表现出绿洲城市冷岛效应,但各城市热（冷）岛效应均存在一定环数（8环）范围的冷、热岛足迹。     

昆仑山北麓两次极端暴雨水汽特征对比分析

使用高空、地面观测资料、地面自动站雨量资料和美国国家环境预报中心（NCEP）再分析资料,通过水汽通量诊断分析、后向轨迹模型等方法,分析了昆仑山北麓和田地区2020年5月5-7日（简称“05·06”过程）和2021年6月14-17日（简称“06·15”过程）两次极端暴雨过程的环流形势、中尺度系统、水汽输送和收支特征。结果表明：（1） 两次暴雨过程有共同的特点：影响系统都为中亚低涡,均有来自里海、咸海一带的水汽输送;对流层低层偏东急流作用显著,最强水汽辐合集中在700~850 hPa。（2） 两次暴雨过程也有明显差异：“05·06”过程的南亚高压为带状分布,水汽输送路径为西方和偏东路径,其中西方路径水汽输送最明显,西边界水汽输入贡献占88%;“06·15”过程的南亚高压为双体型,水汽输送路径为北方和偏南路径,水汽来自阿拉伯海和孟加拉湾的偏南气流向北输送,南方路径输送量远远大于其他路径,南边界水汽输入贡献占78%。（3） 和田大气可降水量（PW）增大尤其是超过平均状态时,对强降水出现有指示意义,当PW≥20 mm以上时,可能会出现暴雨或极端暴雨天气。     

天山北坡区域发展与生态环境协调度评价

选取与区域发展水平和生态环境状况密切相关的34个指标,分别建立区域发展、生态环境综合评价指标体系,利用综合型协调度评价方法,构建了天山北坡经济带区域发展-生态环境协调度评价模型,对区域发展与生态环境之间的协调度及其整体发展水平作了定量研究.研究表明,天北各县市区域发展水平不均衡,生态环境条件不一致,各县市区域发展水平与生态环境的协调性也不尽相同.以协调度为分类标准,结合协调发展度与区域发展、生态环境综合评价指数,将天山北坡各县市分为3种类型:[1]同步协调型,包括石河子、米泉、阜康、奎屯、昌吉和玛纳斯;[2]趋近协调型,包括乌鲁木齐、克拉玛依、呼图壁、博乐、奇台、木垒;[3]生态主导型,包括温泉、精河、乌苏、沙湾、吉木萨尔.针对不同类型区域发展水平与生态环境状况,分析其社会经济与生态环境协调发展的制约因素与关键所在,并在此基础上提出相应的可持续发展对策.     

2000—2019年秦岭南北实际蒸散发时空变化特征

基于遥感数据全面认识复杂地形单元实际蒸散发时空规律,对区域可持续水资源管理具有重要的意义。论文基于MODIS实际蒸散发(ET)数据,对2000—2019年秦岭南北ET时空变化特征进行分析,探究不同分区ET对植被变化的响应关系,进而识别ET趋势和年代变化的高相关海气环流因素。结果表明：① 在变化趋势上,以1000 m等高线为界,即秦岭地区北亚热带和山地暖温带的分界线,低海拔河谷地带为ET显著增加区,山地高海拔地区为ET下降区;② 除城市、乡镇周边地区,研究期间秦岭南北下垫面相对稳定,转为生态用地的活跃区主要分布在山地1000 m过渡带,其是ET与NDVI变化显著相关区,而1000 m以上高海拔地区两者相关性较低;③ ENSO、青藏高原北部气压异常,与秦岭山地、汉江谷地ET的趋势变化和年代波动显著相关,而西太平洋副热带高压与ET的趋势显著相关,与年代波动特征相关较弱。即发生中部型厄尔尼诺事件时,西太平洋副热带高压偏强,对流层低层形成异常反气旋,导致中国东部雨带北移,秦岭山地和汉江谷地降水偏少,气温偏高,ET往往偏大。研究结果启示：秦岭南北科学适应气候变化时,应关注秦岭山地、汉江谷地ET变化显著相关的环流信号;应深刻理解秦岭高海拔地区蒸散发下降趋势对区域水资源管理的影响。     

中国天山积雪垂直分布异质性研究

基于2001—2018年MOD10A2积雪产品和MOD11A2陆地表面温度数据,采用精细分区统计和相关性分析方法,研究了中国天山不同海拔高度上积雪垂直分布特征及其与地表温度（Land surface temperature,LST）的响应关系。结果表明：中国天山积雪覆盖率（Snow cover percentage,SCP）随海拔的变化呈现春、夏、秋、冬4种不同的季节变化模式。SCP在海拔4200 m以下呈秋冬季增加、春夏季减少态势,在海拔4200 m以上呈秋冬季减少、春夏季增加态势。除冬季外,春、夏、秋3个季节的SCP与LST均具有显著强负相关性。     

利用树轮图像灰度重建南天山北坡西部初夏温度序列

通过相关普查发现,最大灰度标准化年表与6—7月平均温度存在显著的负相关,最高单相关系数为-0.588,且具有明确的树木生理学意义。利用阿合牙孜（AHY）次年、乔拉克铁热克（QLK）当年、腊拉散（LLS）当年、琼库什太（QKS）次年的最大灰度标准化年表能够较好地重建南天山北坡西部6—7月平均温度序列,方差解释量达55.2%,并通过交叉检验表明重建结果是稳定可靠。南天山北坡西部地区6—7月平均温度重建序列具有如下特征：①经历了6个偏暖阶段和5个偏冷阶段,且多个阶段与全球变暖有较好的响应;②利用功率谱分析发现11 a、52 a的准周期变化,利用小波分析对周期的时频变化研究发现气温中短周期振荡随时间不断减弱,进入20世纪这种趋势更加明显,同时50~60 a的长周期变化一直存在;③发生了2次明显的突变,其中包括1916年与1935年。