喀斯特與非喀斯特區地表溫度對比分析
——基于近鄰成對像元的比較

廖夢垚羅婭余軍林徐雪張春長趙爽

(1.貴州師范大學地理與環境科學學院,貴州 貴陽 550025;2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地，貴州 貴陽 550025;3.貴州省水利科學研究院，貴州 貴陽 550001)

引言

地表溫度指地表的輻射表層溫度，是陸地-大氣能量相互作用的主要驅動力和地球表面熱液狀態的關鍵指標[1-3]。地表溫度是地表過程變化研究中一個不可或缺的重要地球物理參數，蘊含著豐富的地學信息，對農業生產、城市熱島、氣候變化、自然災害和環境監測等方面有著重要意義[4]，而地貌、氣候[5]、下墊面[6]等環境因素也不斷影響著地表溫度的空間分布。不同下墊面具有不同的自然背景[7]、土地利用類型[8]和植被覆蓋程度[9]，這些因素的變化影響著地表的能量輻射吸收，引起局部地區小氣候的變化。因此，對比分析不同下墊面地表溫度的差異性，對維持地表能量平衡和保護生態環境具有重要意義。

喀斯特區擁有獨特的地貌形態、水文循環、土地覆被等下墊面要素，其地表溫度特征與非喀斯特區有明顯的差異。對比分析喀斯特與非喀斯特區的地表溫度差異，有助于因地制宜地對相關區域開展生態保護和產業布局。研究表明，喀斯特區夏季地表溫度異常高溫的原因可能與喀斯特石漠化相關[10]。海拔與緯度是影響地溫變化的主導驅動因子[11]。喀斯特城市的熱環境受到的地形地貌影響與非喀斯特城市具有差異[12]，不透水面、植被、水體、裸巖是影響喀斯特城市地表溫度的主要因素[13]，并且喀斯特城市的熱島現象與其他城市類型不同，受地形地貌的影響，主城區以外的區域同樣分布有一定面積的高溫區[12]。這些研究較好地闡釋了喀斯特與非喀斯特區地表溫度特征及影響因素，但開展研究的喀斯特與非喀斯特區的地理位置和空間尺度不同，未能有效控制經度、緯度、地形因子和空間尺度等因素對地表溫度的影響，對喀斯特與非喀斯特區的地表溫度差異定量分析精度不夠，導致研究成果的適應性受到一定限制。

基于近鄰成對像元比較的方法，使所研究的喀斯特與非喀斯特區在地理位置和空間尺度保持相似性和一致性，可降低經度、緯度、地形因子和空間尺度對研究結果的不確定影響，對于對比分析喀斯特區與非喀斯特區的地表溫度差異有著較好的優勢。因此，運用近鄰成對像元比較法，對比分析喀斯特與非喀斯特區地表溫度的年均差異、季節差異和月差異，為精準開展生態保護和產業布局提供參考。

1 研究方法和數據來源

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省西南部的紫云、望謨兩縣，見圖1，地理位置為N24°53′～26°3′，E105°49′～106°32′，總面積為5392km2。該區喀斯特和非喀斯特交錯分布，兩者面積分別占總面積55.84%和44.16%。氣候屬亞熱帶季風濕潤氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑；雨量充沛，熱量豐富，水熱同季，年均氣溫15.3～19.5℃，年降雨量1236.8～1337mm。因地處貴州高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶，海拔275～1718m，海拔差異大，對地表溫度的影響明顯。

圖1 研究區位置及近鄰成對像元分布

1.2 數據來源

地表溫度(Land surface temperature，LST)數據源自國家青藏高原科學數據中心(http://data.tpdc. ac.cn)的數據集TRIMS LST(Thermal and Reanalysis Integrating Moderate-resolution Spatial-seamless LST)[14],時間分辨率為逐日，空間分辨率為1km，時間跨度為2000—2018年[15-17]。

其余相關輔助數據中，紫云、望謨兩縣的行政區劃圖來源于國家地球系統科學中心(http://www. geodata.cn/)，喀斯特區與非喀斯特區分布圖來源于中國科學院地球化學研究所喀斯特科學數據中心(http://www.karstdata.com/)。

2 研究方法

2.1 喀斯特區和非喀斯特區地表溫度數據處理

在研究中，按年、季節、月3種時間尺度，對喀斯特與非喀斯特區2000—2018年的地表溫度開展對比分析，每個時間尺度的地表溫度數據均通過均值合成法獲取。具體地，將每日數據合成為月數據，按3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—第2年2月為冬季合成四季數據，將月數據合成為年數據。

2.2 近鄰成對像元選擇

在喀斯特與非喀斯特區交界處兩側各選1個點，形成近鄰成對像元，確保所選的成對像元具有相同的面積與相似的經度、緯度、海拔等條件。共選出502個像元形成251組像元對，見圖1，統計所選出的251組近鄰成對像元的地表溫度，分析喀斯特與非喀斯特區地表溫度的差異性。

2.3 變異系數

運用變異系數分析喀斯特區和非喀斯特區地表溫度的波動情況[18]。公式如下：

(1)

式中，CV為喀斯特區和非喀斯特區地表溫度的變異系數；xi表示第i個對比點的地表溫度；ˉx表示平均值；n為對比點數量。其中，Cv值越小，表明波動性越小，穩定性越高；反之則越低。

3 結果分析

3.1 喀斯特與非喀斯特區年均地表溫度對比

如圖2所示，年均地表溫度及其變異系數在喀斯特區分別為26.70℃和0.06，在非喀斯特區分別為26.51℃和0.06。可以看出，年均地表溫度在喀斯特區比在非喀斯特區高0.19℃，但變異系數在兩類地區相同，說明喀斯特區地表溫度比非喀斯特區高，但兩者的波動性未出現明顯差異。

3.2 喀斯特與非喀斯特區季節地表溫度對比

如圖3所示，在春、夏、秋、冬四季，喀斯特區的地表溫度分別為28.64℃、30.79℃、26.57℃、20.98℃；非喀斯特區的地表溫度分別為28.54℃、30.67℃、26.46℃、20.86℃。四季的地表溫度在喀斯特與非喀斯特區的差值分別為0.10℃、0.12℃、0.11℃、0.12℃，但變異系數在兩類地區相同，呈現冬季(0.08)>春季、秋季(0.06)>夏季(0.05)。結果表明，喀斯特區四季的地表溫度均高于非喀斯特區，且兩者差異在夏冬季節大于春秋季節；兩類地區地表溫度的波動性在冬季最大，在夏季最小，但兩者差異在四季均不明顯。

圖2 喀斯特與非喀斯特區地表溫度年均值和變異系數

圖3 喀斯特與非喀斯特區地表溫度季節均值和變異系數

3.3 喀斯特與非喀斯特區月均地表溫度對比

如圖4所示，從各月的變化情況看，喀斯特區的月均地表溫度高于非喀斯特區，兩者的差值在8月最大，為0.24℃；在2月最小，為0.10℃。從地表溫度的變異系數來看，兩類地區均呈現1月最大(0.09)，6—9月最小(0.05)的特征；兩者差異除2月和11月表現為喀斯特區高于非喀斯特區外，其余各月基本一致。結果表明，喀斯特區各月的地表溫度均高于非喀斯特區，兩類地區地表溫度差異在8月最大，在2月最小；兩類地區的地表溫度波動性除在2月和11月存在明顯差異外，在其他月份均無明顯差異。

4 討論

4.1 下墊面性質對喀斯特與非喀斯特區地表溫度的影響

下墊面的熱容量性質是影響地表溫度的重要因素。喀斯特區土層薄，水分含量低，比熱容小；非喀斯特區土層厚，水分含量高，比熱容大。接收相同的輻射時，喀斯特區增溫較非喀斯特區快而強[19]。因此，在確保地理位置和空間尺度相似或一致的前提下，喀斯特區的地表溫度要高于非喀斯特區。研究區位于北半球，輻射夏強冬弱，兩者的差異也自然呈現8月大、2月小的特征。

此外，地表植被通過調節潛熱和顯熱交換，也會影響地表溫度[20]。所研究的251組近鄰成對像元中，喀斯特區的增強型植被指數(enhancedvegetation index,EVI)(0.565)小于非喀斯特區(0.574)，表明喀斯特區的植被覆蓋度較非喀斯特區低。同時，研究區位于濕潤區，非喀斯特區植被相對較好，其留存的水分較豐富，吸收的熱量較多，使到達地表的熱量減少，最終促使非喀斯特區的地表溫度比喀斯特區低。2000—2018年，伴隨增強型植被指數(EVI)的增加，喀斯特與非喀斯特區的地表溫度呈顯著下降趨勢，見圖5，也能說明這個現象。

圖4 喀斯特與非喀斯特區地表溫度月均值和變異系數

4.2 研究結果的適用邊界條件及未來研究方向

本研究為了減弱外部環境因素的影響，采用近鄰成對像元選擇比較相鄰喀斯特和非喀斯特區地表溫度的差異，研究結果從微觀的像元尺度分析兩類地區地表溫度的差異，提高分析的精度，為準備開展生態保護和產業規劃的相關工作者提供參考。但是，地表溫度的變化不僅受到大氣熱量的影響，還會受到植被類型[21]、日照時數[22]、地形條件以及人類活動的影響[23]。在宏觀尺度上，這些因素之間的復雜交互作用會強烈影響地表溫度的變化規律。因此，研究結果僅代表微觀尺度上地表溫度在喀斯特區和非喀斯特區的差異規律，不代表宏觀尺度上兩類地區的地表溫度差異性。

圖5 2000—2018年喀斯特與非喀斯特區增強型植被指數(EVI)和地表溫度的關系

在微觀尺度上，相鄰的喀斯特與非喀斯特區具有不同的微地形條件和水熱特征，導致近地表大氣-陸地之間的能量傳輸在兩類地區具有不同的微氣象過程，進而會對兩類地區的地表溫度產生不同的影響效果。因此，未來應在微觀尺度上深入研究微氣象因素對地表溫度的影響在兩類地區的差異性，豐富已有研究，為管理者制定更加精準的地表溫度調控措施提供參考。

5 結論

運用近鄰成對像元比較的方法，研究相鄰喀斯特和非喀斯特區地表溫度的均值、差值及變異系數，以此來揭示喀斯特和非喀斯特區地表溫度的差異。結果表明，年均上，喀斯特區地表溫度高于非喀斯特區，差值為0.19℃，但地表溫度波動差異不大；季節上，喀斯特區地表溫度均高于非喀斯特區，兩類地區的地表溫度在夏、冬季節的差值最大，為0.12℃，地表溫度的波動無明顯差異；月均上，喀斯特區地表溫度均高于非喀斯特區，地表溫度的差值在8月最大，為0.24℃，在2月最小，為0.10℃，在2月和11月，喀斯特區地表溫度的波動強于非喀斯特區，其余各月無明顯差異。喀斯特區由于比熱容小、裸巖分布廣、植被覆蓋低，其調節熱量的能力弱，導致其地表溫度高于非喀斯特區。