喀斯特山区地表反照率时空变化及其驱动因子_胡海涛.pdf

测 绘 通 报 年 第 期引文格式：胡海涛，刘绥华 喀斯特山区地表反照率时空变化及其驱动因子 测绘通报，（）：喀斯特山区地表反照率时空变化及其驱动因子胡海涛，刘绥华，（贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州 贵阳；贵州省山地资源与环境遥感应用重点实验室，贵州 贵阳）摘要：为了解全球气候变暖背景下湿润喀斯特山区地表反照率的气候效应，本文以贵州省为例，利用 地表反照率产品，结合植被、土地利用、地质岩性等数据，基于 斜率计算及 统计检验等方法，分析贵州省近 年地表反照率的时空变化特征；利用地理探测器分析影响贵州地表反照率的主导驱动因子。结果表明：贵州省 年的地表反照率均值为.，并以每年平均.的速率在缓慢波动下降，下降区域面积占总面积的.。多年季节平均反照率为夏（.）秋（.）春（.）冬（.），年平均增长速率为夏（.）秋（.）春（.）冬（.）。地表反照率年内变化呈“倒”形，表现出显著的季节性特征。植被、土地利用、岩组是贵州地表反照率时空异质的主导驱动因子，各因子间对地表反照率的交互作用均为双因子增强或非线性增强。关键词：气候变化；地表反照率；时空变化；驱动因子中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：.，.，.（.）（.）（.）（.），（.）（.）（.）（.），：；地表反照率体现了地表吸收的太阳辐射量，直接影响地气相互作用，是气候观测系统的基本变量，其对全球地表温度的影响效力是二氧化碳的.倍，已被广泛应用于气候变化、水文过程、城市热岛等研究。地表反照率的细微变化可引起区域乃至全球范围内的气候变化，因此，在分析生物地球物理反馈机制时，地表反照率被作为一个重要的地表参数帮助理解其变化对区域气候的影响。下垫面条件，如积雪、植被、土壤水分，通常是收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：胡海涛（），女，硕士生，研究方向为地理信息与遥感应用。：通信作者：刘绥华。：年 第 期 胡海涛，等：喀斯特山区地表反照率时空变化及其驱动因子地表反照率时空异质的原因。积雪融化和地表绿化可降低地表反照率，增加地表吸收的太阳能，可能导致气候变暖。积雪因其极高的反射率（.），对气候的影响比其他参数更明显。土壤由干变湿时颜色变暗，会通过增强土壤表面对光的吸收能力降低地表反照率。文献利用 年 全球地表反照率产品研究发现，高纬度地区地表反照率呈下降趋势，而中纬度地区呈上升趋势，但全球范围内的地表反照率下降了.，这可能对全球变暖起积极作用。文献发现，在中国不同气候背景和地理位置下，气候因子对地表反照率的影响和滞后时间存在差异。文献发现，青藏高原近 年地表反照率呈微弱的下降趋势，地表反照率在空间上与积雪、植被、土壤水分呈负相关关系，并存在季节差异。研究发现，低纬地区反照率时空变化及其影响因子研究较缺乏，但低纬地区地表反照率变化对区域乃至全球气候变化的反馈不容忽视。贵州属于中国低纬湿润喀斯特高原山地，在全球变暖背景下，近年极端天气趋多趋强。遥感技术为长时间序列、时空完整的地表反照率研究提供了技术手段。基于上述背景，本文利用地表反照率、植被、岩组分类等数据，通过 斜率计算、统计检验及地理探测器等方法，从年、季节尺度分析贵州近 年地表反照率时空变化特征及其主导驱动因子，这将有助于理解低纬湿润喀斯特山区地表反照率的气候效应，以期为改进气候变化提供参考。数据与方法.数据来源本文根据相关研究及研究区特点，选用的数据包括贵州地表反照率、植被叶面积指数、土壤水分、气温、降水、土地利用分类、高程、坡度、坡向和岩组分类数据，数据相关信息见表。表 研究数据基本信息数据时间分辨率空间分辨率 时段 年来源精度 每天美国航空航天宇航局全球平均误差在.天美国航空航天宇航局土壤水分月均中国农业科学院毛克彪老师团队年均值与地面实测值之间相关系数为.气温年均中国气象数据网全省共 个站点降水年累积量中国气象数据网全省共 个站点土地利用分类每年武汉大学黄昕教授团队整体精度为.高程地理空间数据云坡度高程数据坡向高程数据岩组分类贵州省地质调查院.研究方法.时空变化分析采用 标 准 差、斜 率 计 算 及 统计检验相结合分析长时间序列贵州省地表反照率时空变化特征，与 相结合是长时间序列分析中的常用方法。（）地表反照率标准差反映多年地表反照率之间的离散程度，可用于表示地表反照率异常变化情况。在空间分布上，标准差高值区是地表反照率异常变化敏感区。（）为明确贵州省近 年地表反照率变化趋势，使用 斜率计算方法进行分析。该方法对异常值不敏感，可抵抗数据噪声，是稳健的非参数检验时间序列数据趋势的计算方法。（）统计用于检验长时间序列数据变化的显著性，可直观清晰地了解事物的发展变化规律。该方法最主要的优势为试验数据无需服 从 正 态 分 布，其 对 异 常 值 和 缺 失 值 也 不测 绘 通 报 年 第 期敏感。.主导驱动因子分析地理探测器是探测地理事物空间分异性并定量化探究其驱动力、影响因子及多因子交互作用的一种新方法，不仅能定量分析各因子所占权重，而且还能探测多因子交互作用于因变量的程度。研究采用因子探测、交互探测及生态探测，以地表反照率为因变量，探究植被覆盖、土地利用类型、土壤含水量、气象因子、地形及岩组对地表反照率的影响及其交互作用。结果与分析.地表反照率时空变化特征.空间分布特征图（）为贵州省近 年的地表反照率空间分布，贵州因地表破碎，大部分区域地表反照率呈高低值交叉分布，同时贵州属中国低纬湿润区，降雨丰富、植被覆盖良好，其多年地表反照率均值较低（.）。进一步分析不同季节多年平均地表反照率空间分布特征（如图 所示）为：春、冬季具有相似的反照率空间分布，夏季反照率明显高于其他季节。经统计，不同季节多年反照率平均为：夏（.）秋（.）春（.）冬（.），这与多年季节平均气温排序一致，即夏（.）秋（.）春（.）冬（.），说明贵州地表反照率季节变化主要受当地正午太阳高度角影响。从年均地表反照率标准差空间分布（如图（）所示）来看，遵义市中部、铜仁市中东部、黔东南州北部及毕节市西部年间地表反照率变化较大，可能是城市建设和经济发展改变了这些地方的地表覆被类型的原因。图（）（）为四季平均地表反照率标准差空间分布，发现夏季年间反照率变化最大，且不同季节反照率标准差高低值区分布呈显著差异性，即春季中部以南年际变化大于西部；夏季年际变化大的区域出现在西、中、东部；秋季西北年际变化大于东南部；冬季东部年际变化大于西部。不同区域的不同季节反照率变化敏感性不同，这与区域植被、降水、气温、耕种等因素的季节性变化相关。四季平均地表反照率年间变化为：夏（.）春（.）冬（.）秋（.）。图（）为地表反照率年际变化速率空间分布，表现为西高东低，全域以年均.的速率下降，下降区域面积占.，年均下降速率为.；上升区域面积占.，年均上升速率为.。夏（如图（）所示）、冬（如图（）所示）两季反照率年际变化趋势空间分布差异明显：夏季.的区域反照率呈增加趋势；冬季.的区域反照率呈降低趋势；春季（如图（）所示）.的区域反照率呈降低趋势；秋季（如图（）所示）.的区域反照率呈降低趋势，且两者具有相似的空间分布特征。四季反照率近 年的 年 均 增 长 速 率 为：夏（.）秋（.）春（.）冬（.），除夏季反照率增加外，其他季节反照率均降低，这与贵州近 年的地表绿化有关，夏季气温大幅升高，植被绿化增加了夏季蒸散量，导致夏季地表反照率上升。图 贵州省 年平均地表反照率空间分布 年 第 期 胡海涛，等：喀斯特山区地表反照率时空变化及其驱动因子图 贵州省 年平均地表反照率标准差空间分布图 贵州省 年平均地表反照率变化趋势空间分布.时间变化特征 年贵州地表反照率整体呈缓慢波动下降（如图（）所示），波动范围为.。从季节上来看（如图（）所示），整体为夏季呈上升趋势，春、秋、冬季呈下降趋势，且冬季在 .、.（为反照率随时间变化的相关性，为置信度）时显著下降。年平均地表反照率年内变化呈“倒”形（如图（）所示），表现出显著季节性变化特征，反照率在 月（.）开始上升，在 月（.）开始下降，这与中高纬地区的 月达到峰值，月反照率最低恰好相反，这是冰雪覆盖变化的原因，冰雪覆盖变化是中高纬地区反照率变化的主要因素，贵州处于低纬地区，反照率主要受正午太阳高度和植被变化的影响。根据 检测结果（如图 （）所示），贵州近 年的地表反照率总体呈下降趋势，但不显著；年均地表反照率在.的置信区间内，与 两条统计量曲线存在 个交点，说明发生了 次突变，震荡频繁，突变频率最高的时间段发生在 年（次），说明此期间可能出现了较强烈的自然或人文干扰。.地表反照率时空变化驱动因子因子探测（如图 所示）反映了各影响因子对地表反照率不同程度的影响：植被覆盖（.）土地利用类型（.）岩性（.）坡度（.）气温（.）降水（.）海拔（.）土壤水分（.）坡向（.），所测 绘 通 报 年 第 期图 贵州省 年有因子均通过了显著性检验（坡向 .，其他.）。其中，植被是影响贵州地表反照率时空变化的主导因子，土地利用类型次之，除植被和土地利用外，岩组类型是地表反照率空间分异的最大影响因子，表明了贵州独特的喀斯特地理环境是影响贵州山区地表反照率空间异质的重要因素。坡向对贵州地表反照率的解释力是最弱的。图 因子探测结果地表反照率的时空异质性是多种因素共同作用的结果，本文两因子间交互（）值均大于单因子 值（见表），不同两因子间的交互作用均呈非线性增强和双因子增强，不存在减弱作用或互相独立的因子。其中，叶面积指数 土地利用类型 值最大（.），坡向 土壤水分 值最小（.）。海拔植被大于岩组植被，而海拔的单独解释力小于岩组，这表明不同因子间的交互作用对地表反照率的影响具有不同程度的增强作用。生态探测结果如图 所示（表示两因子对地表反照率的影响具有显著差异性（置信水平为），表示无显著差异），表明对地表反照率起主导作用的因子间作用机理不同，除气温、降水、海拔、土壤水分之间，以及坡度与岩组之间交互作用对贵州地表反照率的影响无显著差异外，其他影响因子之间的交互作用对贵州地表反照率的影响均存在显著差异性。表明研究区大部分地表反照率影响因子对地表反照率的作用机制各不相同，且这些因子间的联系机制错综复杂，这是导致单因子对地表反照率解释力较低的原因之一。年 第 期 胡海涛，等：喀斯特山区地表反照率时空变化及其驱动因子表 反照率影响因子交互作用下的 值影响因子叶面积指数土地利用类型土壤水分气温降雨海拔坡度坡向岩组叶面积指数.土地利用类型.土壤水分.气温.降水.海拔.坡度.坡向.岩组.图 生态探测结果 结论与讨论（）贵州省地表反照率较低（多年均值为.），并以.的年速率在缓慢波动下降，但下降趋势不显著，年间反照率多突变，震荡频繁。（）四季多年地表反照率平均为夏秋春冬，不同季节反照率敏感区分布呈显著差异性。夏季地表反照率呈上升趋势，春、秋、冬季呈下降趋势。反照率年内变化呈“倒”形，具有显著季节性特征，地表反照率在 月开始上升，在 月开始下降。（）植被、土地利用、岩组是影响贵州地表反照率空间分布的主要因素，各因子间对地表反照率的交互作用均为双因子增强或非线性增强，且大部分影响因子间对地表反照率的作用机制具有显著差异性。地表反照率的降低能够提高地表空气温度，温度升高区域植被变绿，生长季延长，蒸发的增加导致土壤水分减少，这些过程可以促进地表反照率的反馈效应。贵州近 年反照率呈下降趋势，反照率降低所增加的辐射强迫可能引起变暖效应，贵州近 年的气温呈上升趋势也证明了该观点。贵州近 年的植被覆盖率在总体上呈上升趋势，这增加了蒸散量和碳中和，从而有助于气候冷却，但贵州近 年气温呈上升趋势，在一定程度上说明森林覆盖率上升所增加的碳中和效应并没有完全抵消因地表反照率降低而增加的辐射强迫。本文利用 地表反照率产品，结合植被、土壤水分、气温、降水、土地利用、高程、坡度坡向、岩组分类，分析了贵州省 年地表反照率年、季节时空变化特征，并分析了影响贵州地表反照率时空变化的主导因子，为了解湿润喀斯特山区地表反照率对气候变化的响应提供参考。在分析影响因子对地表反照率的解释力时，其解释力较低还与数据的空