精河流域绿洲“冷岛效应”时空格局遥感研究

doi:10.6046/gtzyyg.2020.03.14

精河流域绿洲“冷岛效应”时空格局遥感研究

毋兆鹏^,¹^,², 牛苏娟¹, 毛敏¹, 月热买提汗·艾买提¹, 张金燕¹

1.新疆师范大学地理科学与旅游学院,乌鲁木齐 830054

2.干旱区湖泊环境与资源新疆维吾尔自治区重点实验室,乌鲁木齐 830054

Remote sensing research on the spatial-temporal pattern of “cold island effect” of oasis in Jinghe River basin

WU Zhaopeng^,¹^,², NIU Sujuan¹, MAO Min¹, Yurimatih Amat¹, ZHANG Jinyan¹

1. College of Geographical Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China

2. Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone, Urumqi 830054, China

责任编辑: 李瑜

收稿日期: 2019-08-26 修回日期: 2019-12-16 网络出版日期: 2020-09-15

基金资助:

国家自然科学基金项目“新疆艾比湖流域潜在土地利用冲突动态演变及建模研究”. 41761113
新疆师范大学大学生创新创业训练计划项目“精河流域土地利用/覆盖变化及驱动力分析”. 201810762006

Received: 2019-08-26 Revised: 2019-12-16 Online: 2020-09-15

作者简介 About authors

毋兆鹏(1976-),男,博士,教授,主要从事3S技术与绿洲资源开发研究。Email: wuzhaopengxj@sina.com。

摘要

绿洲“冷岛效应”对干旱地区绿洲节水和农业发展具有明显的生态意义。选取既是国家重点开发区域又是绿洲典型生态脆弱区的新疆精河流域绿洲为对象,基于地表温度进行了绿洲“冷岛效应”研究,结果表明: 自1990年以来的近26 a间精河流域绿洲“冷岛效应”呈现不断增强趋势,次热岛减幅较大。相对而言,1990年研究区绿洲“冷岛效应”不很明显,但随着研究区人类活动不断增强,尤其是 2000年以来耕地、草地、水体占比的不断增加,进一步提升了绿洲“冷岛效应”。N-S和W-E剖面线分析表明,绿洲“冷岛效应”的影响范围在南北向上占据了主导。研究区绿洲“冷岛效应”增强与年降水量增多有较一致的响应,地表植被覆盖度对绿洲“冷岛效应”的影响显著。

关键词： 冷岛效应 ; 时空格局 ; 绿洲 ; 精河流域

Abstract

“Cold island effect” has obvious ecological significance to oasis water saving and agricultural development in arid areas. In this paper, the “cold island effect” of oasis was studied based on oasis surface temperature in Jinghe basin, which is both a national key development area and a typical ecologically fragile oasis in Xinjiang. The results are as follows: ① In the past 26 years, there was a great decrease of sub-heat island in Jinghe basin, and the oasis cold island effect showed an increasing trend; ② Relatively,the cold island effect of oasis in the research area was not obvious in 1990,but, with the increasing human activities, especially the increasing proportion of cultivated land, grassland and water since 2000, the cold island effect of oasis was more significant than the heat island effect in the study area. ③ The N-S and W-E trending profile analysis shows that the influence range of oasis cold island effect is dominated in the north-south direction; ④ The enhancement of oasis effect in the study area has a relatively consistent response with the increase of annual precipitation and temperature change,and the surface vegetation coverage is the main influencing factor of oasis cold island effect.

Keywords： cold island effect ; spatial and temporal pattern ; oasis ; Jinghe River basin

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本文引用格式

毋兆鹏, 牛苏娟, 毛敏, 月热买提汗·艾买提, 张金燕. 精河流域绿洲“冷岛效应”时空格局遥感研究. 国土资源遥感[J], 2020, 32(3): 106-113 doi:10.6046/gtzyyg.2020.03.14

WU Zhaopeng, NIU Sujuan, MAO Min, Yurimatih Amat, ZHANG Jinyan. Remote sensing research on the spatial-temporal pattern of “cold island effect” of oasis in Jinghe River basin. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES[J], 2020, 32(3): 106-113 doi:10.6046/gtzyyg.2020.03.14

0 引言

“绿洲效应”在绿洲系统自我稳定维持过程中扮演着比较重要的角色^[1]。其中,由于荒漠戈壁和绿洲不同下垫面热力的非均匀性,决定了绿洲相对于其周围荒漠环境是个冷源,即形成绿洲最显著的“冷岛效应”^[2,3,4]。

国内自苏从先、胡隐樵先生1984年最早提出干旱区绿洲“冷岛效应”以来,不断受到干旱区研究者的广泛关注。早期主要基于观测和数值模拟展开研究,如周定文^[5]参照小扰动方法,陈家宜^[6]根据夜间流场方法,吕世华等^[7]利用两维高分辨率边界层数值模拟方法,潘林林^[8]采用一维地气耦合模式,左洪超等^[9]利用常规气象站观测资料都对绿洲冷岛效应的成因进行了研究。

2002年起国内学者开始借助遥感技术对敦煌绿洲^[10]、奇台绿洲^[11]、张掖绿洲^[12]、格尔木绿洲^[13]及石河子绿洲^[14]的冷岛效应进行了相应研究,在方法上大致是通过温度/比辐射率分离法、单窗算法、分裂窗方法、多角度温度反演方法、普适性单通道方法和多角度与多通道相结合等地表温度定量反演进行。

新疆绿洲主要分布于北疆、南疆和东疆,其中精河流域绿洲属于北疆沿天山北部呈条带状分布的绿洲区,2010年被列为《全国主体功能区规划》的国家层面重点开发区域,也是新疆重点发展的天山北坡经济带重要组成部分。但由于该区域生态环境对气候变化的响应和承受力具有高度敏感性,该绿洲近成已成为西北干旱区典型生态退化区。长期以来,虽然围绕该区域日益恶化的生态环境,重点研究了水系变迁^[15]、土壤盐渍化^[16]、风沙尘暴灾害^[17]以及土地沙漠化^[18]等生态环境问题,但缺少借助遥感技术展开对整个区域冷岛效应动态变化的关注。因此,探讨精河流域是否也普遍存在绿洲“冷岛效应”的某种一致性变化趋势,既可为生态极其脆弱的研究区生态问题治理和生态系统规划提供依据,也可为干旱区绿洲“冷岛效应”研究提供实证支撑。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

精河流域绿洲位于新疆维吾尔自治区博尔塔拉蒙古自治州东部,地处E81°46'~83°51',N44°02'~45°10'之间,总面积10.3×10⁵ hm²。地形南高北低,南部主要为山区,中部是山前冲洪积倾斜平原,北部为冲积湖积平原,属典型的北温带干旱荒漠型大陆性气候区(图1)。

图1

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图1 研究区位置图

Fig.1 Location of the study area

1.2 数据源及其处理

本研究所采用的空间影像数据包括1990年9月30日、2000年9月28日及2016年9月25日Landsat晴空影像,云量均低于10%,重采样后的分辨率为60 m×60 m。土地利用类型参考中国科学院资源环境遥感监测土地利用/覆盖分类体系,按耕地、草地、林地、建设用地、未利用土地和水体6类进行解译。所有数据在ArcGIS 10.1和ENVI 5.1软件平台中处理。

2 研究方法

2.1 绿洲“冷岛效应”反演

2.1.1 地表温度反演

考虑到Landsat5 TM,Landsat7 ETM+与Landsat8-TIRS影像的热红外波段的波长和数量不同,本文对1990和2000年两期TM/ETM+数据主要采用覃志豪的单窗算法^[19]进行地表温度(T_s)反演,即

(1)

T_{s} = \frac{{a_{6} \times (1 - c_{6} - d_{6}) + [b_{6} \times (1 - c_{6} - d_{6}) + c_{6} + d_{6}] \times T_{1} - d_{6} \times T_{a}}}{c_{6}}

式中: $a_{6}$ =-67.355 35, $b_{6}$ =0.458 606, $c_{6}$ = $ε \cdot τ$ , $d_{6}$ = $(1 - τ) \cdot [1 + (1 - ε) \cdot τ]$ ; $ε$ 为地表比辐射率; $τ$ 为大气透射率; $T_{1}$ 为传感器亮温,K; $T_{a}$ 为大气平均作用温度,K。

对2016年的地表温度则考虑其独立热红外传感器且具有双波段的特性,采用Rozenstein等^[20]提出的两因素分裂窗算法进行反演,即

(2)

T_{s} = A_{0} + A_{1} \times T_{10} - A_{2} \times T_{11}

式中: T₁₀,T₁₁分别代表Landsat8 TIRS数据第10,11波段的亮温; A₀,A₁及A₂的算法详见参考文献[20]。

2.1.2 “冷岛强度”分级与绿洲冷岛确定

本文采用冷岛强度指标(cold island intensity,CII)来反映绿洲与周围地区的温度差异,设定该指标在时间和空间上保持兼容性的同时,还能比较不同区域的冷岛强弱与分布特征。CII本质属于地表温度的归一化指标,由于其计算是以特定的研究区域为基准,所以更具有针对性,即

(3)

CII = \frac{(T_{s i} - T_{smin})}{(T_{smax} - T_{smin})}

式中: T_s_i为第i个像元的地表温度; T_smin为地表温度的最小值; T_smax为地表温度的最大值。CII值越小,冷岛强度越大,即冷岛效应越明显。

在此基础上,根据绿洲是镶嵌在荒漠、半荒漠中的“绿色岛屿”这一基本特征,充分考虑地形影响,对CII进行分级并具体区分出了山区冷岛和绿洲冷岛(表1)。

表1 研究区冷岛强度分级

Tab.1 The cold island intensity in study area

分类	极冷岛	山区冷岛	绿洲冷岛	次冷岛	次热岛	热岛	极热岛
范围	CII<-2.25	-2.25≤CII <-1.25	-2.25≤CII <-1.25	-1.25≤CII <-0.25	-0.25≤CII <0.25	0.25≤CII <1.25	CII≥1.25

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2.2 精度检验

利用研究区内中国地面国际交换站精河气象站(站点编号: 51334)1953—2016年间日值数据,对反演当日地表温度进行精度检验, 1990年、2000年及2016年分别为-9.51%,4.57%和-1.90%,总体吻合较好。在此基础上,利用2016年9月20日—9月30日预先埋设的MSR145微型数据记录仪连续实测数据与反演结果进行回归分析t检验(α=0.05),线性回归方程显著(图2)。对研究区土地利用类型的分类结果经随机抽样结合实地验证,三期影像分类平均总体精度90%,Kappa系数均大于0.85,符合精度要求。

图2

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图2 精度检验结果

Fig.2 Results of accuracy evaluation

3 结果与分析

3.1 绿洲“冷岛效应”的时间变化特征

绿洲冷岛强度分布表明,低温及较低温区所处位置与绿洲冷岛出现的区域有很好的对应关系,其周围被较高温区和高温区所包围,即绿洲区温度低于非绿洲区,且几乎与水体及山区冷岛温度相近,表现出明显的绿洲“冷岛效应”(图3,图4)。对冷岛强度变化进行统计(表2)。

图3

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图3 研究区地表温度分布

Fig.3 Surface temperature distribution map of the study area

图4

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图4 研究区冷岛强度分布

Fig.4 Intensity distribution map of cold island in the study area

表2 研究区不同时期冷岛强度变化表

Tab.2 Intensity variation table of oasis cold island at different periods in the study area

地区	1990年		2000年		2016年		面积变化
地区	面积/hm²	百分比/%	面积/hm²	百分比/%	面积/hm²	百分比/%	1990—2000 年/hm²	2000—2016 年/hm²	1990—2016 年/hm²
极冷岛	142 858	13.86	188 383	18.28	186 972	18.14	45 525	-1 410	44 114
绿洲冷岛	79 641	7.73	86 496	8.39	129 484	12.56	6 855	42 987	49 842
山区冷岛	99 110	9.62	112 670	10.94	133 848	12.99	13 560	21 178	34 738
次冷岛	218 489	21.20	236 538	22.96	151 989	14.75	18 049	-84 549	-66 500
次热岛	259 288	25.16	219 531	21.31	126 618	12.29	-39 758	-92 913	-132 670
热岛	214 439	20.81	169 713	16.47	206 480	20.04	-44 725	36 767	-7 959
极热岛	16 692	1.62	17 007	1.65	95 133	9.23	315	78 125	78 440

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进一步分析可以看出,1990—2000年间研究区除极热岛外,其余热岛全部趋于减少,而冷岛的面积整体都在增加,但绿洲冷岛的增加幅度最小,约0.685 5×10⁴ hm²,在2000年中占比8.39%,仅稍高于位居末位的极热岛。然而,2000—2016年间研究区绿洲冷岛的增加幅度却跃居第二,增加了4.298 7×10⁴hm²,在2016年中以12.56%的占比上升至第5位。从1990—2016年整体来看,体现“冷岛效应”的绿洲冷岛一直处于增加趋势并位居第二,达到4.984 2×10⁴ hm²。与此同时,研究区次热岛则成为减幅第一的类型,达到-13.267×10⁴ hm²。绿洲冷岛强度的变化说明,近26 a年间研究区绿洲“冷岛效应”呈现增加趋势,且明显跃增的临界时间节点出现在2000年。

3.2 绿洲“冷岛效应”的空间变化特征

将研究区地表温度与土地利用分类结果进行叠加,运用地统计分析模块得到精河流域绿洲不同土地利用类型的地表温度平均值(表3),用以更准确地研究精河流域绿洲土地利用对地表温度的影响。以精河县县城(坐标: E82.88°,N44.41°)为中心,以最远耕地作为人工绿洲边缘,分别自北向南、自西向东绘制剖面线构建1990年和2016年北-南向和西-东向冷岛强度指标剖面图(图5)。

表3 研究区土地利用类型的地表温度平均值和标准差

Tab.3 Mean surface temperature and standard deviation of land use types in the study area(℃)

土地利用类型	1990年		2000年		2016年
土地利用类型	地表均温	标准差	地表均温	标准差	地表均温	标准差
耕地	22.32	1.45	26.98	2.28	26.87	1.58
草地	22.90	4.11	18.94	4.55	26.33	4.33
林地	9.60	7.10	14.54	3.60	15.67	3.01
水体	23.20	1.17	25.94	1.12	24.91	2.71
建设用地	23.74	2.46	28.34	2.57	31.68	3.49
未利用地	27.69	2.07	31.15	1.64	35.61	2.79

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图5

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图5 研究区冷岛强度指标剖面图

Fig.5 The profile of cold island intensity index in the study area

由表3可知,各年份地表高温位列前两位的分别为未利用土地和建设用地,两者显然是造成研究区“热岛效应”主要因子; 而相对应的林地、水体、草地、耕地则对绿洲“冷岛效应”产生着积极影响。同时,图4也表明绿洲“冷岛效应”空间变化与绿洲扩展密切相关,从外围荒漠到绿洲边缘再到内部,绿洲冷岛范围不断增大。1990年,大部分土地未被开发利用,耕地、水体占比不高,绿洲“冷岛效应”相对不很明显。2000年6月,研究区内艾比湖湿地成为新疆维吾尔自治区级自然保护区,2007年4月晋升为国家级自然保护区,其实行的生态补偿和保护湿地等有效措施使天然绿洲的面积得到有效恢复。此外,研究区耕地由1990年的1.22×10⁴hm²增加到2016年的6.92×10⁴hm²,使得人工绿洲面积也迅速扩张,由此导致绿洲“冷岛效应”相较于区域内热岛效应更加显著。但必须注意的是,由于绿洲外部荒漠化、内部盐渍化及垦荒后废弃导致大量的未利用地将会是导致绿洲“冷岛效应”弱化的主要威胁。

由图5可知,各方向均能很好反映绿洲内外部冷岛效应差异。从北-南方向看,绿洲“冷岛效应”几乎与艾比湖区水体一致; 从西-东方向看,随着过渡带的开发利用,相较于26 a前绿洲“冷岛效应”同样整体显著。从影响范围来看,1990—2016年间,北-南向宽度由19 km扩展至39 km,增幅20 km; 西-东向由54 km扩展至65 km,增幅11 km,沿精河流向的绿洲南-北扩张趋势占据主导。相对于整个绿洲内部,以精河县城为代表的“城市热岛”始终处于波动曲线峰顶,但在绿洲“冷岛效应”的背景影响下,仍然明显低于绿洲外部区域。

4 绿洲“冷岛效应”的影响因素

4.1 气候变化的影响

降水影响着径流的形成,进而决定地表土地覆盖特征。精河流域绿洲近50 a来降水量呈现波动上升^[21],年均增加0.99 mm,绝对变幅为151 mm,年径流量增加率为0.176 m³/(s·10 a),绝对变幅为2.33×10⁸ m³(图6)。在降水影响下,研究区2000—2016年间绿洲冷岛面积大幅增加了4.29×10⁴ hm²,而次热岛面积大幅减少9.29×10⁴ hm²,从一个侧面反映了降水是影响精河流域绿洲冷岛变化的外部影响因子之一。同时,在绿洲和外围荒漠之间由于存在巨大地表热平衡差异,使得在绿洲区极易诱发中尺度对流并产生充沛局部降水,从而起到增雨效果。因此,在全球气候变暖背景下发挥精河流域绿洲这种“冷岛效应”,实际上是重新对绿洲地表水分蒸散后的利用,能有效帮助干旱植物成长从而形成绿洲外围缓冲过渡带,保持绿洲的稳定。绿洲开发过程中应注重科学规划和布局,以维持“冷岛效应”这一重要绿洲重要局部气候特征。

图6

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图6 研究区年降水量及径流量变化

Fig.6 Change of annual precipitation and runoff

4.2 植被覆盖的影响

自西南向东北选取经过祼地、水域、过渡带、绿洲、市区、荒漠等不同下垫面性质的样带(UL: E82°06'32″,N44°01'25″; LL: E82°07'12″,N44°00'48″; UR: E83°00'51″,N44°09'04″; LR: E83°00'45″,N44°08'34″; 长95 km,宽2 km),以NDVI为自变量,冷岛强度指标CII为应变量,对研究区绿洲冷岛效应与NDVI的相关性进行分析,结果表明,两者呈明显线性负相关,可见绿色植被通过改变垫面温度对于绿洲“冷岛效应”有着显著作用(表4,图7)。

表4 冷岛效应与NDVI相关分析

Tab.4 Correlation analysis of cold island effect and NDVI

年份	线性回归方程	相关系数	R²
1990年	Y=-0.803 6X+0.7789	-0.873 2	0.762 4
2000年	Y=-1.046 1X+0.8947	-0.792 5	0.628 1
2016年	Y=-1.118 5X+0.9987	-0.779 9	0.608 2

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图7

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图7 研究区冷岛效应与NDVI散点图

Fig.7 Oasis cold island effect and NDVI scatter plot in the study area

空间上,研究区西北部和东部NDVI值在0.02~0.16之间,整体的植被覆盖度低,从而对应出了地表高温分布区; 研究区中部NDVI值在0.73~0.91之间,植被覆盖度高,则成为了主要的地表低温区。时间上,1990年、2000年和2016年植被盖度超过30%的分布区域面积分别为6.22×10⁴ hm²,6.67×10⁴ hm²和9.91×10⁴ hm²,与研究区绿洲“冷岛效应”保持了一致的增加趋势。但需强调的是,针对绿洲内部而言,由于植被类型组成单一、生态功能简单,使得即使是微小的环境变化都会给绿洲生态系统带来深刻变化。加之,其在生态平衡和资源收支层面的回旋余地不足,人类不合理开发就更容易引起绿洲退化。因此,在绿洲开发过程中,就必须要合理规划农业产业结构、增加绿洲植被覆盖率和生态环境保护措施。

4.3 土地利用/土地覆被变化(LUCC)的影响

对研究区土地利用类型进行解译及面积变化计算的结果见图8和表5。在过去的26 a年间,水体、耕地、草地和建设用地呈增加趋势,林地和未利用地呈减少趋势。从变化速度来看,各类土地利用变化中,耕地面积变化最快,占比由1990年的1.1%增加到2016年的6.34%; 其次是草地,占比由1990年的12.03%增加到2016年的13.82%。20世纪90年代,精河流域绿洲的工业化程度低,大部分土地未被开发利用,因此除林地外各类型间地表温度相差不大,绿洲“冷岛效应”相对不很明显。随着全球气候变暖及年均降水量的不断增加,尤其是2000年以来,研究区人口增加和经济发展带来绿洲扩张,致使区域内在城市热岛效应增强的同时,绿洲“冷岛效应”也相对更加突显。

图8

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图8 研究区土地利用分类图

Fig.8 Land use classification map of the study area

表5 1990—2016年研究区土地利用类型变化

Tab.5 Change of land use types in 1990—2016 of the study area(%)

地类	1990年所占比例	2000年所占比例	2016年所占比例	1990—2000年比例变化	2000—2016年比例变化	1990—2016年比例变化
耕地	1.101 9	2.793 7	6.343 4	1.691 8	3.549 7	5.241 5
草地	12.039 1	11.312 6	13.819 6	-0.726 5	2.507 0	1.780 5
林地	6.849 1	1.833 3	1.585 9	-5.015 8	-0.247 4	-5.263 2
建设用地	0.153 5	0.266 9	0.679 7	0.113 4	0.412 8	0.526 2
水体	4.838 8	4.913 6	6.343 4	0.074 8	1.429 8	1.504 6
未利用地	75.017 6	78.879 9	71.228 0	3.862 3	-7.651 9	-3.789 6

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5 结论

本文在借助地表温度完成研究区7级冷岛强度分类的基础上,确定出绿洲冷岛并对其时空变化和影响因素进行了分析。

1)1990—2016年间,研究区绿洲冷岛面积增加4.984 2×10⁴ hm²,绿洲“冷岛效应”呈现不断增强趋势,明显跃增的临界时间节点出现在2000年。

2)1990—2016年间,伴随着研究区绿洲主体不断北扩,绿洲“冷岛效应”的东-西向波动弱于南-北向。从研究区近26 a土地利用类型变化空间格局呈现出的绿洲“冷岛效应”表明,绿洲内部耕地、草地、林地及水体对研究区绿洲“冷岛效应”增加产生了积极影响,而建设用地虽有着热岛效应表现,但在绿洲“冷岛效应”的背景影响下仍明显低于绿洲外部荒漠区域。

3)降水是影响精河流域绿洲冷岛变化重要外部影响因素,而地表植被覆盖度和土地开发利用方式则是影响绿洲冷岛效应的重要内因。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

张强, 胡隐樵.

干旱区的绿洲效应

[J]. 自然杂志, 2001,23(4):237-236.