近20年全球地表温度时空变化特征及其归因分析
文献类型：学位论文
| 作者 | 李静 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 李召良 ; 吴骅 |
| 关键词 | 地表温度 真实性检验 采样方法 时间变化检测方法 时空变化规律 土地利用/覆被变化 地表温度变化的归因 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 地表温度（Land surface temperature，LST）的时空变化规律及其归因分析对于理解当前环境条件和预测未来变化至关重要。卫星遥感观测资料为解释大尺度LST的长期变化规律提供了有力的数据支撑，同时其产品精度的差异也为LST的时空变化分析带来了不确定性。现有针对LST的变化分析多限制于年际尺度，对于LST长期变化规律的刻画不够充分，这也为解释土地利用/覆被变化（Land use/land cover change，LUCC）这一最为重要的人为活动对LST的影响机制带来了挑战。本论文设计了一种优化采样方法，以期为遥感反演LST的真实性检验提供可靠的像元尺度相对真值；在对比分析现有时间变化检测方法的基础上，针对其不足进行改进，以期准确提取LST的长期趋势、季节性变化及突变特征；在此基础上，分析LUCC影响下的LST变化模式，研究准确量化森林损失对局地气候影响的方法；同时基于变化检测方法获取多尺度LST影响因素的变化信息，开展森林损失对LST的生物物理影响的归因分析。本论文主要开展的工作如下： （1）发展了一种基于空间和昼夜温度循环（DTC）约束的采样方法（SDCS），以获取全天时异质下垫面在像元尺度内的最优样本布设方案，为LST在异质下垫面的真实性检验提供像元尺度相对真值。将SDCS应用于四个不同的研究区域，以及与传统采样方法的对比分析表明，相比传统采样方法，SDCS可以显著提高小样本量的代表性。在较为均质的表面，即LST的标准差（SD）小于2K,0.20%（总体个数为2500）的样本可使RMSE<0.3K，在极度异质表面（SD>6K），0.96%的样本可使RMSE<0.5K；且SDCS选择的样本在空间上分布离散，在日内尺度具有稳定的代表性，其不确定度小于0.27K。此外SDCS具有时间可扩展性，在指导野外实地采样中具备实用性。 （2）利用模拟数据针对3个时间变化检测模型（DBEST、BFAST和BEAST）的对比分析表明，BEAST的组分分解精度及突变检测精度最高，其分解的趋势和季节组分的RMSE分别为0.28K和0.27K，两个组分中突变检测的F1分值分别为0.83和0.95；当数据复杂度较高（如同时包含趋势和季节突变时）BFAST突变检测精度较低，且对季节突变的敏感性较低；DBEST输出的组分包含较多无意义的变化信息。BFAST和DBEST对数据缺失具有较高的敏感性。将3种方法应用于MODIS LST时间序列数据中的结果证实了BEAST在检测真实扰动中的适用性。BEAST正确提取了15个LUCC中的13个，但在探测小规模自然干扰时精度较低。在此基础上，本研究提出的改进BEAST变化检测方法可有效剔除伪断点，使用户精度提高约13.9%。 （3）将改进的BEAST应用于全球近20年、时间分辨率为10天的MODIS LST序列数据中，从长期趋势、季节性变化以及突变3个尺度分析LST的变化规律及其空间分布差异。结果表明，全球地表在近20年内显著增温，每年增加约0.03K，南纬25°左右及西伯利亚部分地区显著增温，而在北美洲、格陵兰岛及南极区域显著降温。全球约35%的陆地区域发生趋势突变，其对趋势组分的综合影响为降温0.63K，其中由突变前后趋势斜率变化带来的实际影响的贡献较大。低纬度地区增温趋势有所减弱，北美洲和南极部分地区降温加剧，其余中高纬度地区增温加剧。全球约10%的陆地区域发生季节性突变，导致季节性振幅增加约4%，相位小幅度提前。 （4）在提取全球LUCC数据的基础上，通过LUCC与LST突变的时空匹配提取LUCC导致的LST组分变化的特征，并分析了其时空分布规律。分析表明：近20年来全球陆地上城市用地迅速扩张、农用地先扩张后稳定、还林的规模大于毁林、荒漠大幅度绿化。LUCC减缓了赤道及低纬度地区的增温趋势，加剧了北半球中高纬度地区的趋势增温，综合影响为降温0.53K。其中，退耕还林在北半球中高纬度地区使趋势增温，在低纬度地区减缓增温趋势；北半球中高纬度地区的城市化对趋势产生增温影响的程度最大；毁林在低纬度地区减缓趋势增温，在北半球中高纬度地区有增温作用。LUCC使全球温度的季节性振幅增加12%，相位提前5天，主要影响来自于发生在低纬度地区的大面积毁林。 （5）基于LST的突变检测结果定位森林损失的具体时间，在此基础上提取森林损失前后LST的时间变化特征，通过剔除背景林地的LST变化来准确量化森林损失对局地气候的影响，并对比趋势组分和季节组分变化的贡献。同时，基于改进的时间变化检测方法提取反照率和蒸散发响应森林损失的时间变化特征，开展多类型森林损失对LST的生物物理影响的归因分析。研究发现：全球尺度上，森林损失使反照率增加0.16%，蒸散显著减少1.13mm/10D，导致局地气候升温0.60K，其中趋势增温的贡献为65%，季节组分中夏季温度增加的贡献为35%。森林损失引起的生物物理效应具有明显的纬度依赖性：低纬度地区增温0.95~1.77K，主要原因是趋势蒸散减少；中高纬度地区温度降低0.16~1.22K，主要受冬季反照率增加调控；而高纬度地区林火驱动下的森林损失通过显著减少蒸散导致局地气候增温。不同类型的森林损失的影响分别为：农田扩张（+0.95K）、短暂性农耕（+0.64K）、野火（+0.58K）、城市化（+0.11K）和林业管理（-0.14K）。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 128 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/186918]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李静. 近20年全球地表温度时空变化特征及其归因分析[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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