余寒,陽(yáng)昌霞,劉漢湖,曾敏
(成都理工大學(xué) 國(guó)土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059)
冰川溫度是冰川最基本的物理特征[1],而冰川表面溫度反映了冰川表面與外界能量交換,從而影響著冰川運(yùn)動(dòng)和變化[2-5]。19世紀(jì),國(guó)外學(xué)者開(kāi)始開(kāi)展對(duì)冰川溫度的研究,20世紀(jì)中期中國(guó)開(kāi)始對(duì)冰川溫度研究[1]。目前,對(duì)冰川溫度的研究多數(shù)是實(shí)測(cè)[6-9],耗時(shí)耗力且獲取的數(shù)據(jù)有限,遙感數(shù)據(jù)具有更新周期快,易獲取等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于城市和海洋表面溫度的研究中[10-11],如金旭峰等利用AMSR2遙感數(shù)據(jù)對(duì)地表溫度進(jìn)行了反演[12],鄭貴洲等利用MODIS遙感數(shù)據(jù)對(duì)海洋表面溫度進(jìn)行了反演[13],但對(duì)于冰川表面溫度的遙感反演研究甚少。
目前地表溫度反演算法主要有單通道算法、劈窗算法和多通道算法三大類,運(yùn)用比較成熟的是單通道算法,具有代表性的有輻射傳輸方程、Jiménez-Muoz(JM)模型算法[14]和覃志豪單窗算法[15]。其中JM算法只需求取地表比輻射率和大氣含水量便可得到地表溫度,算法簡(jiǎn)單,參數(shù)少,被廣泛應(yīng)用于溫度反演,而Landsat系列衛(wèi)星參數(shù)易獲取,是良好的溫度反演源數(shù)據(jù)。本研究利用Landsat 8遙感數(shù)據(jù)反演了祁連山脈老虎溝12號(hào)冰川的表面溫度,并進(jìn)行了冰川溫度分布及規(guī)律的相關(guān)性分析。
老虎溝12號(hào)冰川(39°25′N~39°30′N,96°30′E~96°34′E,圖1) 位于青藏高原祁連山西段北坡,面積約為20.42 km2,長(zhǎng)約9.7 km,海拔跨度約1 200 m,平均海拔4 943 m,是祁連山最大的山谷多溫型冰川,降水集中在5—9月[16-18]。老虎溝12號(hào)冰川分東西兩支,匯合于4 550 m的消融區(qū)。過(guò)去50年間,老虎溝12號(hào)冰川萎縮顯著,冰川長(zhǎng)度減少了403 m( 總長(zhǎng)度的4%) ,面積減少了1.54 km2( 總面積的7%)[19],平衡線高度也在不斷增加,冰川表面流速也較1959 年減慢了11%[20]。此外,老虎溝12 號(hào)冰川東、西支的平均厚度分別為190 m 和150 m,冰川槽谷形態(tài)具有空間差異,東、西支冰川槽谷形態(tài)近似于對(duì)稱的V型,4 550 m匯合區(qū)中部冰川厚度增加到162 m,槽谷底部變寬,邊坡變緩,發(fā)育有不對(duì)稱槽谷[21-22]。
圖 1 研究區(qū)位置示意及RGB影像(B2-B4)Figure 1 Location of study area, RGB images (B2-B4)
表 1 遙感影像信息 Table 1 Image information
表 2 大氣參數(shù) Table 2 Atmospheric parameters
數(shù)據(jù)來(lái)源于中科院Landsat下載共享系統(tǒng)(http://ids.ceode.ac.cn/query.html)。由于研究區(qū)可利用的Landsat 8數(shù)據(jù)較少,因此選取了近年來(lái)6期過(guò)境老虎溝12號(hào)冰川云量較少的遙感影像,多光譜波段OLI分辨率為30 m,熱紅外波段TIRS分辨率為100 m,具體信息見(jiàn)表1。
JM算法是通過(guò)一個(gè)熱紅外波段來(lái)計(jì)算地表溫度單通道算法[14],它由輻射傳輸方程演變而來(lái),簡(jiǎn)化后具體形式如下式:
式(1)中:TS為地表溫度,單位為K;ε為地表比輻射率;L0為熱紅外波段地表輻射亮度值,由ENVI軟件Radiometric Calibration工具可計(jì)算得到。τ為大氣透過(guò)率;L↑為上行輻射率;L↓為下行輻射率,在NASA公布的網(wǎng)站(https://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)輸入成像時(shí)間及中心緯度,即可查詢。本研究利用的大氣參數(shù)見(jiàn)表2,αT0、βT0為參數(shù)。
2.2.1地表比輻射率
地表比輻射率又稱發(fā)射率,是指在同一溫度下地表發(fā)射的輻射量與一黑體發(fā)射的輻射量的比值,其計(jì)算方法是由多光譜數(shù)據(jù)求得NDVI,再由下式求得:
(2)
ε=0.004×Pv+0.986
(3)
式(2~3)中:Pv為植被覆蓋度;NDVISoil為完全是裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值;NDVIVeg為完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值,即純植被像元的NDVI值,取經(jīng)驗(yàn)值NDVIVeg= 0.70和NDVISoil= 0.05,即當(dāng)某個(gè)像元的NDVI大于0.70時(shí),Pv取值為1;當(dāng)NDVI小于0.05,Pv取值為0。
2.2.2 冰川表面溫度計(jì)算過(guò)程
由普朗克定律可得:
(4)
BT0=[L0-L↑-τ(1-ε)L↓]/(τ×ε)
(5)
(6)
式(4~6)中:T0為初始亮度溫度值;BT0為初始亮度溫度值下黑體輻射值;BTs為在溫度等于TS時(shí)黑體輻射值;λ為波長(zhǎng)(μm)。k1、k2為定標(biāo)常數(shù);c1、c2為普朗克輻射常數(shù);數(shù)值在表3中給出。
由式(4~6)很難求出地表溫度TS,但由高斯近似展開(kāi)可得到下式:
表 3 波段參數(shù)值 Table 3 Band parameter value
(7)
(8)
(9)
將式(8~9)代入式(1),即可得到溫度反演結(jié)果TS。
本研究采用了線性回歸方法研究了冰川表面溫度與高程和坡向之間的關(guān)系。線性回歸是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的回歸分析來(lái)確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法,運(yùn)用十分廣泛[22]。采用顯著性水平指標(biāo)來(lái)評(píng)判高程和坡向與冰川表面溫度之間的相關(guān)性。
利用簡(jiǎn)化后的JM算法對(duì)老虎溝12號(hào)冰川表面溫度進(jìn)行反演,得到研究區(qū)冰川表面溫度分布(圖2)。從表4得知,平均溫度與2013—2015年的同時(shí)期夏季氣溫[22]相比差別不大,說(shuō)明此方法可應(yīng)用于高原地區(qū)冰川表面溫度反演。表5列出了6年來(lái)老虎溝12號(hào)冰川消融區(qū)(4 450 m),冰川多年平衡線(4 900 m),冰川積累區(qū)(5 040 m)的反演結(jié)果和2010年、2011年夏季實(shí)測(cè)冰溫[1],雖然時(shí)期不同,但從溫度上升趨勢(shì)來(lái)看,反演結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度差別不大,進(jìn)一步說(shuō)明了該方法可用于冰川表面溫度反演,但由于各種誤差的存在,依然要對(duì)算法作進(jìn)一步的改進(jìn)。
表 4 冰川表面溫度統(tǒng)計(jì) Table 4 Glacier surface temperature statistics
表 5 反演結(jié)果與實(shí)測(cè)冰溫比較 Table 5 Comparison of retrieval results with measured ice temperature
根據(jù)圖2,2013年8月11日冰川溫度范圍在270.13~280.98 K之間,低溫主要分布在南部,北部和邊界溫度較高。2014年8月14日冰川溫度范圍在266.91~280.61 K之間,但相較于2013年,整體溫度有所升高,低溫依舊分布于南部,北部溫度有明顯升高。2015年8月17日冰川溫度范圍為268.48~281.93 K,整體變化相較于2014年同時(shí)期無(wú)明顯變化,2016年7月2日冰川溫度范圍為273.16~283.05 K,最低溫度較上一年有所上升。之所以從圖2中看溫度大部分呈現(xiàn)為藍(lán)色,是因?yàn)闇囟葮O差最小,且大部分溫度為273.15 K左右。2017年7月5日冰川溫度范圍為271.45~282.98 K,最低溫度較上一年有所降低,但整體溫度略微上升,2019年9月29日冰川溫度范圍為266.04~280.05 K,因其時(shí)間進(jìn)入秋季,整體比前一年有所降低,平均溫度為272.25 K。根據(jù)反演結(jié)果可以看出,研究區(qū)冰川表面溫度主要集中在270~278 K之間,研究區(qū)不同區(qū)域溫差較大,最大達(dá)到13.45 K,一般情況下,冰川表面溫度小于273.15 K,但由于冰雪在融化過(guò)程中吸收熱量并且流動(dòng)速率加快[24],導(dǎo)致冰川表面溫度可以上升到273.15 K以上。值得注意的是南部邊界冰川表面溫度沒(méi)有明顯的升高,因?yàn)槟喜窟吔缗c其他冰川相鄰,具體原因見(jiàn)討論部分。
冰川表面溫度受多種自然條件因素的影響,本研究主要從高程和坡向兩個(gè)自然條件因素進(jìn)行了相關(guān)性分析。
從6年的回歸方程和顯著性水平R2來(lái)看,冰川表面溫度總體上隨高程的升高而降低,且反演結(jié)果大致符合高程每升高1 000 m,溫度下降6 K的規(guī)律(圖3)。其中顯著性水平最高的年份是2015年,達(dá)到了0.914 6,顯著性水平最低的年份是2016年,數(shù)值為0.635 2,總體顯著性水平較高,說(shuō)明此反演方法在高原地區(qū)同樣適用。2016和2017年溫度整體高于2015、2014、2013年,因?yàn)榍皟烧邤?shù)據(jù)選取于7月,后三者數(shù)據(jù)選取于8月,太陽(yáng)直射緯度向南移動(dòng),所以7月接受的太陽(yáng)輻射相對(duì)較多,冰雪消融面積相對(duì)較大,冰川表面徑流速度加快,8月接受的太陽(yáng)輻射變少,因此7月的冰川表面溫度相對(duì)較高,而8月相對(duì)較低。2019年9月因?yàn)榧竟?jié)的原因,溫度整體偏低。圖3中某些高程存在溫度異常增高現(xiàn)象,原因或?yàn)榛旌舷裨蛘弑╊愋筒煌?/p>
影響不同坡向溫度差異的首要因素是太陽(yáng)輻射[25]。從圖4可以看出,由于老虎溝12號(hào)冰川88%左右的區(qū)域坡向向北,所以溫度絕大多數(shù)分布在0°~90°和270°~360°之間,且受衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間和太陽(yáng)輻射的影響,東北坡向(22.5°~67.5°)溫度略高于西北坡向(292.5°~337.5°)溫度,東南坡向(112.5°~157.5°)溫度略高于西南坡向(202.5°~247.5°)溫度,東部溫度分布區(qū)間較西部窄。由圖4和圖5可知,2013年至2017年100°~250°坡向溫度回歸曲線有一個(gè)略微向下凹的趨勢(shì),因?yàn)樵谶@個(gè)坡向范圍之內(nèi)的大部分區(qū)域位于高海拔地區(qū),因此平均氣溫較低。而2019年此處曲線向上凸,表明進(jìn)入秋冬季節(jié)后,由于坡向帶來(lái)的太陽(yáng)輻射影響減弱,東西坡向已沒(méi)有明顯的溫度差別。
圖 3 相同高程平均溫度分布Figure 3 Average temperature distribution at the same elevation
圖 4 不同坡向平均溫度分布Figure 4 Average temperature distribution in different aspect
圖 5 高程與坡向Figure 5 Elevation and aspect
由于各種各樣的原因,溫度反演結(jié)果存在誤差及異常,大約在-1~5 K左右,位于可接受范圍內(nèi)[12]。究其原因,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1)Landsat 8多光譜波段影像分辨率為30 m,熱紅外波段分辨率為100 m,兩個(gè)波段融合計(jì)算存在一定誤差,且由于不同冰雪類型的比輻射率不同,因此不同冰雪類型的混合像元在通過(guò)NDVI計(jì)算比輻射率時(shí),會(huì)產(chǎn)生一定誤差。
2)和其他區(qū)域相比,冰川邊界和冰舌區(qū)域誤差較大,這是由于冰與巖石等構(gòu)成了混合像元,導(dǎo)致像元的輻射亮度值被高估,因此使得冰川邊界部分溫度反演結(jié)果偏高[26],其中圖3顯示,在高程5 130 m左右有一個(gè)溫度異常,原因就是因?yàn)榇颂帋r石與冰川構(gòu)成了混合像元。但是,北部邊界冰川表面溫度反演結(jié)果沒(méi)有明顯的升高,因?yàn)楸辈窟吔缗c其他冰川相鄰,構(gòu)成了連續(xù)冰川,而不是與其他地物的混合像元。同時(shí),本研究為了方便比較,采用了相同的邊界數(shù)據(jù),但邊界可能隨時(shí)間會(huì)發(fā)生一定變化,在邊界區(qū)域出現(xiàn)其他地物也會(huì)導(dǎo)致溫度反演結(jié)果的偏差。
3)冰川溫度受外界影響因素較大,會(huì)隨時(shí)間變化,且周圍山脈眾多,太陽(yáng)照射產(chǎn)生的陰影也會(huì)導(dǎo)致溫度反演結(jié)果的偏差。另外,對(duì)于地表覆蓋的冰雪類型未作細(xì)致劃分,也可能產(chǎn)生一定誤差。
本研究利用多期Landsat 8多光譜和熱紅外遙感數(shù)據(jù)以及ENVI和ArcGIS軟件,通過(guò)JM單通道算法對(duì)老虎溝12號(hào)冰川表面溫度進(jìn)行了反演,分析了不同區(qū)域的溫度分布情況,并從高程、坡向?qū)Ψ囱萁Y(jié)果進(jìn)行了相關(guān)性分析,得到以下主要結(jié)論:
1)從溫度分布上看,冰川表面溫度總體上隨海拔升高而減小,冰川北部邊界區(qū)域和冰舌等低海拔區(qū)域溫度反演結(jié)果較高,低溫區(qū)域主要分布在冰川南部等高海拔區(qū)域。
2)冰川表面溫度反演結(jié)果范圍在265~285 K之間,平均溫度在274~277 K之間,冰川不同區(qū)域表面溫度溫差較大,最大達(dá)到了13.45 K,標(biāo)準(zhǔn)差在2 K左右,溫度呈逐年上升趨勢(shì),與文獻(xiàn)[23,27]具有一致性。
3)冰川表面溫度受到坡向的影響,東北坡向溫度略高于西北坡向,東南坡向溫度略高于西南坡向,東部溫度分布區(qū)間較西部窄。
亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào)2021年3期