论文部分内容阅读
土地覆被变化作为人类活动对地表影响的重要载体,已经从局地、区域和全球尺度上,对气候变化产生了深远的影响。从全球变暖的背景中,分离出土地覆被变化对气候变化的反馈,并且厘清土地覆被变化是如何通过生物地球物理过程来影响区域气候变化,将有助于科学的认识人类活动对气候变化的影响、从而在更大尺度上研究土地覆被变化产生的气候效应以及为未来全球战略的制定提供理论依据。作为世界四大农牧交错带之一的中国北方农牧交错带,是典型的生态环境脆弱区和气候变化敏感区,是我国重要的粮食和草原畜牧业生产基地,也是中东部平原区的天然生态屏障。然而,受人类活动的干扰,特别是自1999年以来实施的一系列生态恢复工程,已经使得研究区土地覆被状况发生了剧烈改变。而这种改变对于区域气候变化产生的反馈作用至今缺乏定量的研究,亟需开展深入研究和分析。本文首先以时序MODIS-NDVI作为主数据源,采用优化后的动态时间规整算法,提出了适合研究区的土地覆被制图方案,实现了20012017年土地覆被状况的空间制图,并根据经过多次检查的样本单元对2010年的制图结果（LC-2010）从传统方法和空间一致性（与GlobLand30-2010进行比较;GL-2010）的角度分别进行了全局精度验证。同时根据在20152017年三次毛乌素沙地野外考察采集的样本点进行土地覆被制图结果的局部验证。在此基础上,从年际尺度揭示了研究区土地覆被变化的演变特征。然后,以MODIS-LST作为主数据源,在对其进行数据质量分析、高质量数据重建以及精度验证的基础上,从空间、时间和趋势三方面,系统分析了研究区LST在年际/季节/月尺度以及白天/夜间的演变特征。最后提出了借助土地覆被数据对LST进行线性变换,以消除或者削弱背景气候对LST影响,并选用日较差作为衡量LST变化的指标,详细分析了3种土地覆被及其变化、草地恢复和退化对日较差的反馈作用以及土地覆被变化是如何通过生物地球物理参数（主要为Albedo和ET）影响LST变化,本研究得出的认识可以为研究区土地资源管理策略的制定,人类土地利用行为的科学调控,以缓减与适应全球气候变化的影响提供借鉴和参考。论文得到以下几点结论:（1）基于时序MODIS-NDVI数据和优化后的动态时间规整方法的土地覆被制图方案,可以实现较高精度的土地覆被信息提取。在进行MODIS-NDVI时序重建时,采用谐波个数为4和拟合容忍误差为0.08谐波参数组合,重建结果最优。真实的缺值模式,会使得高植被覆盖区的均方根误差和最大绝对偏差显著增加;而中-低植被覆盖区,短时间的缺值对重建精度的影响较小。LC-2010的制图精度为77.89%,kappa系数为0.71。不同覆被类型的生产者精度介于69.83%100%;用户精度介于58%86%。LC-2010与GL-2010的总体空间一致性为64.44%。不同的土地覆被,空间一致性表现为草地>水体>耕地>林地>裸地>建设用地。在毛乌素沙地地区的局部验证结果表明,土地覆被制图精度达到了82.16%,kappa系数为0.75。（2）研究时段里,草地和裸地面积呈减小趋势,其中草地以低-中覆盖度草地的面积减小为主,而高覆盖度草地呈增加趋势。耕地,林地（以混交林增加为主）,水体和建设用地面积总体呈增加趋势。耕地与草地的交替演化是研究区最主要的土地覆被变化过程。在17年里,耕地以1.93%的年际变化率增加了61173.18km2,表现为一年一季耕地和一年两季耕地的同时增加。在年际尺度,耕地面积经历了20012003年增加,20032008年减小和20082017年的缓慢增加过程。草地面积以-0.48%的速率减小了35401.12km2,主要以低-中覆盖度草地面积的减小为主,而高覆盖度草地以3.16%的年际变化率增加了77877.02km2,增加区域主要分布在黄南-甘南高寒草地、锡林郭勒盟典型草原以及大兴安岭-阴山山脉的高山草地区。在年际尺度上,草地的变化趋势与耕地恰好相反。林地面积以14.61%的年际变化率增加了55111.94km2,以混交林的增加为主,增加区位于西南部的莲花-太子-积石山山脉、中部的吕梁山-燕山和东部的大兴安岭山脉沿线。在年际尺度上,林地的面积呈波动上升趋势,其面积分别在2001年和2014年达到最小值和最大值。水体和建设用地面积分别以0.34%和14.87%的年际变化率增加249.47km2和4290.28km2;而裸地面积以-4.97%的年际变化率减小81955.62km2。（3）LST在年际/季节/月尺度上的空间/时间/趋势变化特征各异。空间特征:年际尺度,LST的低值区、高/低值过渡区和高值区与植被覆盖密切相关。低值区主要位于植被覆盖度较高的高山/高寒草地区、林-草过渡带以及生产力较高的传统耕地区;高值区主要分布在低覆盖度草地区、沙地区以及生产力较低的耕地区;其它区域为高/低值过渡带。季节尺度上,受到太阳辐射、日照时数和下垫面性质等影响,LST均值的空间分布表现出一定的差异性。白天,LST在春季和夏季的空间格局相似,秋季和冬季相似;夜间,LST在春季和秋季分布格局相似,而夏季和冬季LST空间分布格局差异较大。时间特征:年际尺度,LST均值波动幅度为7.259.82℃,多年均值为8.92℃,相对变率介于-18.73%10.01%。夜间的相对变率变化远大于白天。季节尺度,LST的均值夏季>春季>秋季>冬季。相对变率在整个季节尺度和季节尺度白天的变化表现为冬季>秋季>春季>夏季;夜间相对变率变化表现为春季>秋季>冬季>夏季。月尺度,LST在年内呈单峰变化模式,在11月2月,LST均值全部小于0℃;其它月份均在0℃以上。趋势特征:在年际尺度上,LST总体表现为降温趋势,降温速率为-0.002℃/a,降温区面积比例为50.71%。白天,LST总体表现为降温趋势,降温速率为-0.037℃/a,而夜间呈增温趋势,增温速率为0.032℃/a,增温区面积比例达到了85.99%。季节尺度,春季和夏季总体表现为增温趋势,速率分别0.031℃/a和0.02℃/a,增温区面积比例分别为67.41%和61.82%;而秋季和冬季呈相反趋势,降温速率/面积比例分别为-0.056℃/a,-0.004℃/a,75.38%和50.83%。（4）在植被生长旺季,耕地、草地（包括低/中/高覆盖度草地）、退耕还草（耕地转为草地）以及草地退化（草地转为裸地,中覆盖度草地转为低覆盖度草地和高覆盖度草地转为中覆盖度草地）,趋向于增加日较差。Albedo减小产生的增温效应大于ET增加产生的降温效应,引起Tmax的升高,是日较差增加的原因。退耕还草后,Albedo和ET同时减小,使得Tmax显著升高是日较差增加的主要原因。（5）在植被生长期,林地、植树造林（草地转为林地）、农田开垦（草地转为耕地）和草地恢复（裸地转为草地,低覆盖度草地转为中覆盖度草地和中覆盖度草地转为高覆盖度草地）趋向于减小日较差。其原因是,由于ET显著增加产生的降温效应大于Albedo减小产生的增温效应,引起Tmax减小所致。而Albedo和ET共同增加引起Tmax显著减小,是导致植树造林区（草地转为林地）日较差减小的原因。在非植被生长期,林地和植树造林,由于Albedo显著增加产生的降温效应大于ET减小产生的增温效应,引起Tmax减小,是二者日较差减小的原因。