1、綠洲與周邊荒漠的地表溫度差異的時(shí)序變化引言地表溫度是地球外表能量傳輸?shù)闹匾蜃樱堑?氣間相互作用 及能量交換的關(guān)鍵參數(shù)，在氣候、水文、農(nóng)業(yè)、生態(tài)以及環(huán)境等研究 中重要意義。地表溫度的時(shí)空變化在一定程度上影響了水分、熱量等 條件的變化，并進(jìn)而對位于其中的人類社會(huì)以及生產(chǎn)生活產(chǎn)生了影 響。MODIS它包含36個(gè)波段，分別針對陸地、海洋、水汽、氣溶膠等 來設(shè)計(jì)的。MODIS的第31和32波段和TM的第6波段常被用來反演 地表溫度。MODIS地面分辨率分別為250m、500m、1000m,因此MODIS 適用于反映大區(qū)域地表溫度的空間分布規(guī)律。綠洲是自然界一種獨(dú)特的地理區(qū)域類型口，并在全球廣泛分布。

2、 它是人類文明發(fā)祥地的重要組成局部。綠洲是自然界唯一能抗御干旱 氣候環(huán)境的特殊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之一。由于綠洲對自然界水資源和光熱 能源的巧妙組合，使其擁有了得天獨(dú)厚的生態(tài)技能和生產(chǎn)效率。并且 綠洲生態(tài)系統(tǒng)在對抗干旱氣候環(huán)境的過程中，“綠洲效應(yīng)”在某些方 面也發(fā)揮了比擬重要的作用。也正因?yàn)槿绱?，我國西北地區(qū)面積不到 5%的綠洲哺育著該地區(qū)的95%以上的人口。正是綠洲內(nèi)有了人類活動(dòng), 逐步完善了綠洲的灌溉系統(tǒng)、改進(jìn)了綠洲的植被類型、健全了綠洲的 林網(wǎng)系統(tǒng)才使綠洲的結(jié)構(gòu)更加合理生態(tài)能力更強(qiáng)。但人類活動(dòng)對綠洲 是雙刃劍，它既創(chuàng)造了綠洲的輝煌也斷送了綠洲的未來。譬如人類對 綠洲相關(guān)區(qū)域環(huán)境的干預(yù)（如山區(qū)涵養(yǎng)

3、林的破壞）以及全球范圍內(nèi)的 人類活動(dòng)引起的全球變暖所造成的山區(qū)冰雪融化和荒漠化擴(kuò)大等。而 通過對綠洲的小氣候特征分析，發(fā)現(xiàn)存在一種“綠洲冷島效應(yīng)”T 而這種綠洲冷島效應(yīng)是由于綠洲下墊面熱力性質(zhì)與沙漠不同造成的。本文嘗試從以往研究成果中概括和提煉出綠洲在地理和氣候效 應(yīng)方面的一些本質(zhì)特性。近年來,隨著遙感技術(shù)的快速開展，國內(nèi)不少 學(xué)者在地表溫度研究領(lǐng)域有了一定的成果并廣泛的應(yīng)用在一些研究 領(lǐng)域，如預(yù)測森林火災(zāi)、作物的長勢、農(nóng)田旱情監(jiān)測、生態(tài)評估和城 市環(huán)境監(jiān)測等方面。Gallo等人分析了 NDVI與利用遙感數(shù)據(jù)反演的Remote Sensing Analysis of Land Surface

4、TemperatureDifferentiation between Oasis and its Surrounding AreaAbstract: Taking Weining Plain, an exoreic-river oasis, as an instance, the temporal variability of land surface temperature (LST) differentiation between the oasis and its surrounding area was analyzed using MODIS data, and the spatia

5、l variability of LST in this area was analyzed at representative days using TM data. The results revealed that the obvious LST differentiation between the oasis and its surrounding existed during middle April to early October, and it no longer existed out of this period. The exploiting or protecting

6、 of desertsemi-desert land could determine the extent and shape of an oasis, and then the cold-island structure in the area. The paper proposed that the influences of land use on the cold-island structure and then the cold-island effect should be considered in practice of planning and management of

7、desertsemi-desert land use.Key words: oasis; land surface temperature; MODIS; Landsat TM地表溫度之間的關(guān)系;戚鵬程、覃志豪、白潔、孟憲紅等人利用Landsat TM的熱紅外數(shù)據(jù)反演得到地表溫度來研究土地利用變化與地表溫度 的關(guān)系5。高志強(qiáng)、蘇偉忠等人利用遙感分類和定量反演技術(shù)，提 取兩期土地利用/土地覆蓋(LUCC)信息和對應(yīng)的地表溫度信息1文獻(xiàn)綜述近年來，隨著遙感技術(shù)的快速開展，國內(nèi)不少學(xué)者利用MODIS等 衛(wèi)星遙感資料進(jìn)行的NDVI和LST變化及應(yīng)用方面的研究領(lǐng)域有了一 定的成果并廣泛的應(yīng)用在一些研究領(lǐng)

8、域，如預(yù)測森林火災(zāi)、作物的長 勢、農(nóng)田旱情監(jiān)測、生態(tài)評估和城市環(huán)境監(jiān)測等方面，從而為防災(zāi)減 災(zāi)提供了重要的參考依據(jù)。Gallo等人分析了 NDVI與利用遙感數(shù)據(jù) 反演的地表溫度之間的關(guān)系；戚鵬程、覃志豪、白潔、孟憲紅等人利 用Landsat TM的熱紅外數(shù)據(jù)反演得到地表溫度來研究土地利用變化 與地表溫度的關(guān)系。高志強(qiáng)、蘇偉忠等人利用遙感分類和定量反演技 術(shù)，提取兩期土地利用/土地覆蓋(LUCC)信息和對應(yīng)的地表溫度信 息。劉慧敏等對MODIS與AVIIRR數(shù)據(jù)的植被變化檢測進(jìn)行了比擬。何 彬方皿等利用MODIS NDVI對衛(wèi)寧平原土地覆蓋進(jìn)行了分類研究。 Price (1984)最先把分裂窗算

9、法推廣到陸地面積的反演，他通過引 入比輻射率改正項(xiàng)來減少因陸地外表比輻射率變化而引起的誤差。 Beeker (1987)從理論上證明了用分裂窗技術(shù)反演地表溫度的可行性， 并且第一次從理論上給出了使用分裂窗技術(shù)時(shí)的大氣和比輻射率對 地表溫度反演的影響。由于自然界綠洲的千差萬別，對綠洲給出一個(gè) 能高度概括其共性的科學(xué)定義在理論研究方面是很有重要意義的。有 幾個(gè)學(xué)者從不同的角度給綠洲做了一些定義。比擬有概括在干旱性的 在我國有韓德麟給出的“綠洲是干旱地區(qū)人類對特殊自然環(huán)境的生 態(tài)、景觀?！痹谖鞣接袕垙?qiáng)等人給出的“綠洲是荒漠中的稠密植被的 地方”。賈保全曾提出綠洲是在干旱氣候條件下形成的在荒漠背 景基

10、質(zhì)上以天然徑流為依托小尺度非地帶性景觀。在本文利用MODIS 遙感數(shù)據(jù)，對衛(wèi)寧平原地面溫度的季節(jié)和空間分布特征進(jìn)行了詳盡分 析。利用衛(wèi)星資料進(jìn)行的區(qū)域性NVDI和LST變化及其應(yīng)用方面的研 究已取得較多進(jìn)展，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和布局、生態(tài)系統(tǒng)、地表資源環(huán)境進(jìn) 行宏觀、大范圍、動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測和研究中得到廣泛應(yīng)用，從而為減災(zāi) 提供重要參考依據(jù)。2研究區(qū)域概況衛(wèi)寧平原位于北緯35 14-39 23、東經(jīng)104 17,-107 39, 之間，處在中國西部的黃河上游地區(qū)，展布于黑山峽至青銅峽間黃河 干流的兩側(cè)。寧夏東鄰陜西省，西部、北部接內(nèi)蒙古自治區(qū)，南部與 甘肅省相連。自古以來就是內(nèi)接中原，西通西域，北連大漠，

11、與其東 北的銀川平原共同組成寧夏平原。長期以來，人類在此汲取黃河水灌 溉農(nóng)田，形成了人工綠洲（下簡稱衛(wèi)寧綠洲），成為寧夏的重要糧食 產(chǎn)區(qū)。衛(wèi)寧綠洲西北側(cè)為騰格里沙漠，分布著以格狀沙丘為主的多種 沙丘。地貌復(fù)雜，山地迭起，盆地錯(cuò)落，大體可分為：黃土高原，鄂 爾多斯臺(tái)地，洪積沖積平原和六盤山、羅山、賀蘭山南北中三段山地。 平均海拔1000m以上。按地表特征，還可分為南部暖溫帶平原地帶， 中部中溫帶半荒漠地帶和北部中溫帶荒漠地帶。全區(qū)從南向北表現(xiàn)出 由流水地貌向風(fēng)蝕地貌過渡的特征。局部地表已發(fā)生沙化。氣候?yàn)榇?陸兼沙漠性氣候，據(jù)1961-1990年站點(diǎn)資料，年均日照時(shí)數(shù)2878 h, 年均氣溫&5

12、,叁10 積溫3319 ,年均降水量僅182 mm,年 均蒸發(fā)量達(dá)3001 mm。本文研究區(qū)包括衛(wèi)寧綠洲及其外圍區(qū)域（綠洲 周邊15km的環(huán)形區(qū)域）。3研究區(qū)域概況研究方法1基于MOD IS溫度產(chǎn)品的LST獲取使用MODIS 3級產(chǎn)品（MOD11A2）獲取年內(nèi)多時(shí)間點(diǎn)上的LST信 息。從2002年的M0D11A2數(shù)據(jù)集中得到“8日平均合成 LST圖像 47幅。由于云對熱紅外成像過程的影響，各幅MODIS LST圖像有不 同程度的缺失。根據(jù)MOD11A2數(shù)據(jù)集中的質(zhì)量控制圖層（Quality Control Layers）,將缺失像元數(shù)占研究區(qū)總像元數(shù)1/3以上的MODIS LST圖像排除于研究

13、之外。根據(jù)“綠洲”和“外圍區(qū)域”矢量多邊形 的范圍分別統(tǒng)計(jì)各時(shí)期綠洲和外圍的LST平均值，同時(shí)從質(zhì)量控制圖層中分別統(tǒng)計(jì)相應(yīng)誤差的平均值。3.2基于1_2$2七TM波段的地表溫度(LST)獲取獲取基于Landsat TM6波段的地表溫度(LST)的方法有多種，如 普適性單通道算法、大氣校正和單窗算法等。本文將采用覃志豪等以 地表熱輻射傳導(dǎo)方程為基礎(chǔ)，通過應(yīng)用Taloy公式對Planck函數(shù)線性 展開，對貢獻(xiàn)相近的兩個(gè)大氣平均作用溫度參數(shù)合并，以及對輻射亮 度及和亮度溫度丁6進(jìn)行線性回歸等方式。經(jīng)以往研究說明，單窗算法 有較高的精度，在大氣透射率、大氣平均作用溫度和地表比輻射率估 計(jì)有中等誤差的情

14、況下，基于單窗算法的地表溫度反演誤差約為 1. 2K 。信息源為2009年6月25日的TM影像的第6波段以及3、4波段。首先, 將原始數(shù)據(jù)中的第6波段DN值按下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，換算為大氣層頂進(jìn)入 傳感器的輻射亮度L6 (W /(m2 . sr . j) TOC o 1-5 h z L6 = GainX DN + Bias(1)式中，DN為TM6波段的DN值：Gain和Bias為定標(biāo)參數(shù)，從各期數(shù)據(jù)的 頭文件中獲得。用下式求得亮度溫度丁6 (K)o% 1260. 56 / In(607. 76 / Z.+ l)(2)利用下式求算地表溫度T s( K )(3)式中7；為大氣平均作用溫度，在無實(shí)時(shí)探空資

15、料時(shí)，可用地面附近氣 溫的線性函數(shù)近似7； =16.0110 + 0.92621 T。(4)式中7；為地面附近氣溫。公式(3)中的C和D為中間變量C = 44(5)/)= (l-r6)l + (l-f6)r6(6)(7)(8)(7)(8)因此，只要知道參數(shù)7；、分和4,即可用上述單窗算法推算任何像元 的實(shí)際地表溫度。(式中，分為大氣透射率；為地表比輻射率。分、4 由下式計(jì)算r6 = 1.031412 -0.11536 w4= /+ Q 一 R)4 式中沙為大氣總水分密度，1. 44g/c加，可據(jù)近地面水汽壓推算，公 式和參數(shù)見文獻(xiàn)；風(fēng)為植被比輻射率；邑為裸土比輻射率，分別取 值為0.986和0

16、.970； R為植被覆蓋度，可據(jù)NDVI推算。NDVI=(b4-b3)/(b4+b3)(9)式中，b4、b3分別是TM4、TM3波段的DN值。NDVI值越大，地表越 接近于完全的植被葉冠覆蓋;NDVI值越小，越接近于完全裸地;而DNVI 介于植被于裸地之間時(shí)，那么說明有一定比例的植被葉冠覆蓋和一定比 例的裸土。因此，可以用以下公式確定各像元的植被覆蓋度，即植被 構(gòu)成比例Pv = (NDVI - NDVIs)/(NDVIv - NDVI)(10)式中，和NDWs分別是植被和裸土的NDVI值。4結(jié)果與分析1LST的時(shí)間變化圖1表示2002年各時(shí)段(如1月1日至1月8日，依次類推) 綠洲和外圍區(qū)域地

17、表溫度平均值，以及從質(zhì)量控制圖層中統(tǒng)計(jì)得到的 誤差平均值。從圖中可見，綠洲與外圍區(qū)域的LST都表現(xiàn)為“冬低夏 高，春升秋降”的規(guī)律。圖2中亦可見，從4月中旬至10月上旬， 綠洲與外圍區(qū)域之間的LST差異(下簡稱ALST夕卜圍一綠洲)超過MODIS LST 產(chǎn)品誤差的范圍，說明這種差異是顯著的，是自然規(guī)律的表現(xiàn)；而1 月至4月上旬以及10月中旬至12月，綠洲與外圍之間的LST差異在 MODIS LST產(chǎn)品誤差的范圍之內(nèi)，說明二者之間的LST不存在顯著差 異340340一-荒漠地表溫度 綠洲地表溫度O 23O O 3O 82o O 6 42 2O 22Ln匚 gaooz wgHUN m2卬二出NO

18、ON Hgnr= Hzooz wzznrOI卅 NOON 二8哎01將ZOOZ Ln一、znr6H zooz H24 62 zooz 8 哥 ZOOZ mglBmz mogiaHZOOZ H9I 叱ZHZOOZ mQZHZOOZ Ens之 9卅 zooz 巴向9Hzooz InIZ 亡 g卅 zooz EulrgHZOOZ HCOZK寸吩 zooz m6女寸丹zooz m9znI:gHZ(oz In?亡 8* zooz R9ZOE:Z9ZOOZ WZEgzooz In6Z哎I 卅zooz rng 一叫一肝zooz nI 哎 i 卅zooz圖1不同日期綠洲及其外圍區(qū)域的地表溫度地表溫度差125

19、49 73 97 121 145 169 193 217 241 265 289 313 337 361圖2綠洲-外圍區(qū)域地表溫度差5討論地表溫度與植被狀況的關(guān)系以衛(wèi)寧綠洲及其外圍區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，基于Landsat TM影像分別獲取了陸地外表溫度(LST)以及歸一化植被指數(shù)(NDVI),定量分320315310305300295290285-0.析了 LST與NDVI的關(guān)系。結(jié)果說明：LST和NDVI具有明顯相反的變 化趨勢，LST與NDVI平均值也具有顯著的差異性；NDVI越高，那么 LST越低。通常認(rèn)為，NDVI的季節(jié)變化是十分顯著的，并具有典型的 地域特征，受當(dāng)?shù)貧夂蛴绊?，植被、農(nóng)作物類

20、型地域差異較大，那么 NDVI的變化是否會(huì)對LST有明顯的影響呢？干旱區(qū)的植被覆蓋程度 的年內(nèi)變化往往是很大的，其年際變化通常會(huì)很大，那么，這種明顯 的植被變化很可能會(huì)影響到地表溫度的空間分異，從而影響綠洲的冷 島結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響綠洲冷島效應(yīng)。200.000.200.400.600.80NVDI圖3地表溫度與NDVI之間的關(guān)系2綠洲冷島效應(yīng)對農(nóng)業(yè)氣候的意義西北干旱地區(qū)的沙漠在夏季長時(shí)間處在晴天或少云天氣條件下， 造成酷熱和極干旱的環(huán)境，白天層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，湍流強(qiáng)烈開展，而在 這時(shí)候綠洲冷島效應(yīng)內(nèi)卻處于逆溫穩(wěn)定層結(jié)，抑制湍流的開展，這是 有利于植物生長的，因?yàn)榫G洲這種氣溫較低，湍流開展較弱的涼濕環(huán)

21、境必然抑制植物的蒸騰過程和地面的蒸發(fā)過程，在干旱酷熱的戈壁或 沙漠之中蒸騰和蒸發(fā)的抑制，對于節(jié)約用水和植物或作物本身的生長 都是極為有利的。就是說，只要在干旱的沙漠中綠洲的范圍足夠大， 能形成綠洲冷島，那么就形成一種有利于植物生長的小氣候，這一結(jié) 論解釋了沙漠中種樹種草小片不易成活，大片易于成活的道理。自然 這一結(jié)論有利于指導(dǎo)我們在沙漠或戈壁等干旱地區(qū)的種樹種草活動(dòng) 和農(nóng)業(yè)開發(fā)。但這只是對冷島效應(yīng)的一些初步研究結(jié)果，無論是實(shí)驗(yàn) 還是理論都有待于進(jìn)一步的深入研究。6結(jié)論地表溫度具有強(qiáng)烈空間異質(zhì)性，單純依靠地面實(shí)測難以對研究區(qū) 的地表溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的分布式描述。而遙感資料在反映區(qū)域分異方面 具有明顯

22、優(yōu)勢，可以對地表溫度特征進(jìn)行平面化描述，使研究者易于 深入觀察綠洲與外圍區(qū)域的地表溫度分異情況。本文主要結(jié)論如下： 1)綠洲與外圍區(qū)域間地表溫度存在顯著差異的時(shí)段是自4月中旬起, 10月上旬止；而此時(shí)段之外綠洲與外圍區(qū)域間不存在顯著地表溫度 差異。2) 土地開發(fā)利用或保護(hù)恢復(fù)措施會(huì)影響綠洲大小和形狀，從 而影響冷島結(jié)構(gòu)；認(rèn)為土地利用規(guī)劃和管理中應(yīng)將不同利用方式對冷 島結(jié)構(gòu)的影響考慮在內(nèi)。參考文獻(xiàn)1沈玉凌.綠洲概念小議J.干旱區(qū)地理，1994, 17( 2) ： 70-74.2Gao Huajun. T he distribution and types of oasis in China J

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