时间序列丨1979年—2014年三峡库区月平均气温的时空变化分析
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了时间序列丨1979年—2014年三峡库区月平均气温的时空变化分析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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导语
近30多年三峡库区月气温如何变化？三峡大坝蓄水后，区域年平均气温是升高还是降低？气温变化趋势如何受地形以及森林覆盖的影响？本文结合台站气温和遥感地表温度数据，对这些问题进行了探讨。
文章创新点
(1)以夜间地表温度作为GAM算法中的辅助变量，明显增加了气温插值精度；
(2)从年际趋势、空间格局、值域分布等多个角度分析了三峡库区月气温的变化特征。
引用格式
王圆圆,李贵才,郭徵,郭兆迪.2018. 1979年—2014年三峡库区月平均气温的时空变化分析.遥感学报, 22(3): 487-496
DOI: 10.11834/jrs.20187359
原文链接：
01
研究区介绍
三峡库区位于长江中上游，东起湖北宜昌，西至重庆江津，全长约600 km，跨长江两岸数公里，本研究区为紧邻长江两岸的16个县(市)，面积约1.3万km，主要土地覆盖类型为森林和农田。森林主要位于在中东部以及西南部海拔较高的地区。
图 1 三峡库区县名、矢量边界以及气象站点信息
02
数据获取及处理
(1)利用研究区2000年—2014年MOD11A2/LST产品作为GAM气温插值时的辅助信息，并计算2000年—2014年每月多年平均LSTnight作为相应月份气温插值时的辅助数据。
(2)下载研究区及附近地区52个站点的1979年—2014年月均气温数据。
(3)根据站点的经纬度，确定其在遥感图像上的位置，提取以站点位置为中心3×3窗口内的平均LSTnight，将站点每年每月的气温数据与该月多年平均的LSTnight进行一一对应。
图 2 三峡库区高程和森林覆盖率分布数据(高程由GTOPO产品提供，森林覆盖率由2006年MOD44B产品提供)
03
结果分析
从图3可以看到明显的地形特征，海拔高处气温低，年均气温小于10℃，河谷以及西部平坦地区气温高，年均气温高于16℃。
GAM气温插值精度很高，夏季误差偏高，春秋季偏低；加入LSTnight信息，各月的插值误差都明显下降，对冬春季气温估算精度的提高幅度高于夏秋季。
图 3 三峡库区多年(1979年—2014年)平均气温分布格局
三峡库区区域平均气温的变化趋势
1979年—2014年年均气温上升显著。气温显著增加起始于90年代，97年后上升更为明显，2003年蓄水以后年均气温仍为15.3 ℃m，与蓄水前的气温年均值没有明显变化，说明水库建设并没有改变大尺度的气候变化趋势。
各月气温的变化趋势：除12月外，所有月的气温都出现上升，春，夏，秋季气温变暖速度超过冬季，其中季节过渡的时期3月和9月的气温上升速度最快。
图 4 三峡库区年平均气温的时间序列图
月气温变化的空间格局
分析3、7、9月及年平均气温1979年—2014年变化趋势的空间格局。
(1)7月和9月的变化格局较接近，西部增温速度快于东部，且很多区域的变化未达到显著水平。
(2)3月气温变化趋势的格局则与7月和9月不同，东部增温速度明显快于西部，东西分界明显。
(3)年均气温长江中段增温速度最快，其次为西部，东部最慢，几乎所有像素的气温增加趋势都达到了显著。
图 5 1979年—2014年3月、7月、9月气温和年均气温变化MK斜率分布图(白色区域表明变化趋势未达到显著(p>0.05))
月气温变化的动态范围
(1)低温对于平均气温和高温而言变化更为显著。
(2)由于多数月份低温区的增速超过了高温区的增速，导致了气温变化范围缩小，缩小显著的是2、3、5、6月。
(3)3月气温的上升主要来自于低温区的贡献，而9月的升温则更多来自高温区的贡献。
气温变化趋势和海拔、森林覆盖率的关系
年平均温度在中部海拔较高的地区增速更快，气温增加速度和高程的相关系数0.76。
除去海拔干扰，分析森林对于气温变化的影响，森林对全年平均气温偏相关系数为–0.357，说明森林覆盖率对于年均温的上升有抑制作用。
从图6可看出，增温速度都随着海拔的升高而增加，但在同等海拔高度处，低森林覆盖率的增温速度高于高森林覆盖率的增温速度，暗示高覆盖率森林对增温的抑制作用在低海拔处更明显。
图 6 不同森林覆盖率条件下海拔与升温速率的关系(低覆盖率森林(<30%)分布于海拔200—1100 m的区域，高覆盖率森林(≥30%)分布于海拔300—1800 m的区域，故两条变化曲线对应不同的海拔区间)
气温直减率的变化
三峡库区的年均气温直减率存在明显的年际变化，在90年代后气温直减率明显下降。以1998年为界，前后两个时期年平均气温的气温直减率分别为0.53和0.51，变化显著。推测年气温直减率的下降很大程度上来自冬春季节低温上升迅速的结果。
图 7 年平均气温直减率的年际变化(1979年—2014年)(虚线为两个时期(1979年—1997年和1998年—2014年)气温直减率的均值)
04
结 论
(1)在插值算法中引入遥感产品LSTnight作为辅助变量可以明显改善气温估算精度，冬春季的改善幅度高于夏秋季。
(2)三峡库区年平均气温在1997年后明显上升，但在2003年库区蓄水后无明显变化趋势，几乎所有月(除12月)的气温都呈现上升趋势，增温趋势最显著是3月和9月，3月增温主要来自于库区东部山区的贡献，而9月主要来自于库区西部平原的贡献；
(3)多数月份(除7、8、9月以外)的低温上升速度超过高温上升速度，导致区域气温的动态变化范围缩小；
(4)三峡库区年平均气温上升速度与高程呈正相关，但在同一海拔高度处，森林覆盖率越高，年均气温上升速度越慢，暗示森林具有抑制增温的作用。
专家点评
论文以GAM为插值算法，以高程和夜间地表温度遥感产品为辅助变量，估算了三峡库区1979-2014年1 km空间分辨率的月气温数据；分析了气温的年季变化并考虑了海拔高程与森林覆盖情况与气温的关系，论文逻辑性强，分析的结果可信。
由于三峡地区的特殊性，论文的研究结果对三峡地区的气候生态研究有一定参考意义。
团队介绍
王圆圆
博士
副研究员
2008年毕业于北京师范大学地图学与地理信息系统专业，获博士学位。现就职于国家卫星气象中心。研究兴趣和领域：长时间序列遥感数据分析、数据挖掘、遥感数据在植被、气候、水文等领域的应用。
E-mail: wangyuany@cma.gov.cn
李贵才
博士
副研究员
2004年毕业于中国科学院遥感应用研究所地图学与地理信息系统专业，获博士学位。现就职于国家卫星气象中心，任风云三号地面系统主任设计师。主要从事植被遥感、生态过程遥感模型等研究。
E-mail: ligc@cma.gov.cn
郭徵
博士
高级工程师
2013年毕业于北京师范大学地图学与地理信息系统专业，获博士学位。现就职于国家卫星气象中心。研究方向：热红外遥感、城市热环境研究、大气污染物遥感监测。E-mail: guozheng@cma.gov.cn
郭兆迪
博士
高级工程师
2011年毕业于北京大学自然地理学专业，获博士学位。现就职于国家卫星气象中心。研究兴趣和领域：植被生物量估算、植被遥感参数反演、植被变化与气候变化研究等。E-mail: guozd@cma.gov.cn
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