山体效应对秦巴山地太阳辐射及垂直带的影响研究

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山体效应指隆起地块产生的热力(增温)效应,山体/高原的隆起,改变了山地及周边的热量分配格局,导致山体内部温度高于外围同海拔自由大气的温度,并导致垂直自然带界线在山体内部比在外侧分布要高的现象,山体效应定量化是解决山地垂直带非地带性分布的关键。秦巴山地是我国的南北分界线,也是黄河和长江的分水岭,其山体效应的定量化影响秦巴山地垂直带的分布格局、非地带性因素的作用强度和机理,以及我国暖温带和北亚热带的具体位置的确定。本研究针对秦巴山地的山体效应,使用30m分辨率的STRM-1 DEM数据,提取与山体和高原隆起关系最密切的地形因子——山体基面高度,计算山体基面高度值;结合2001-2017年的MODIS地表温度(LST)数据和秦巴山地的118个气象站点的气温观测数据,采用地理加权回归(GWR)分析方法估算秦巴山地平均海拔(约1500m)上各月气温变化,展示秦巴山地的增温效应;基于Arc GIS的太阳辐射分析方法,使用DEM数据和通过419个气象站点的日照时数数据,运用克里金插值得到的日照时数空间分布数据,确定太阳辐射分析中的参数设定,得到秦巴山地的直接辐射、散射辐射和太阳辐射总量的空间分布数据;最后,结合从文献中收集的秦巴山地31个数据点的植被带分布上限数据,定量分析了山体基面高度、山地内外气温差大小与太阳辐射总量的关系及其对山地垂直带的影响。主要结果和结论如下:(1)秦巴山地可分为209个基面高度分区,其山体基面高度值从东向西呈阶梯状递增的趋势,从南到北,秦岭和大巴山的东段和中段均呈先增高后降低的趋势,体现了秦巴山地地势由东向西升高,由汉江谷地向秦岭和大巴山升高的特点。但是山地的不同侧翼的山体基面高度不同,秦岭南坡的基面高度(1000-1809m)明显高于北坡(850-1300m);(2)利用MODIS LST、DEM数据及气象站点观测数据建立的GWR模型进行秦巴山地气温估算,估算精度较为理想。各月气温估算结果的R~2均在0.89以上,均方根误差(RMSE)在0.68-0.98℃之间。山体效应的存在造成秦巴山地同海拔气温由东向西呈现阶梯型上升趋势,其中位于西秦岭的迭山生长季(5月份、6月份、7月份、8月份、9月份)和年均同海拔气温比东部伏牛山高3.3-6℃,大巴山西部红岗山比东部十堰市高4.5-8.5℃;由山体边缘向内部呈现明显升高趋势,相比地势较低的豫西汉中中山谷地,秦巴山地西部大起伏高山同海拔气温升高了约3.85-9.28℃;秦岭大起伏高中山升高了约1.49-3.34℃;大巴山大起伏中山山体气温升高了约0.43-3.05℃,秦巴山地增温效应最高达到了9.28℃,平均为3.50℃。这就导致了同海拔气温的纬向递减率缩小,甚至导致山体内部,相对较高纬度的同海拔气温高于低纬度地区。说明秦巴山地大起伏中高山的增温效应十分明显,改变了温度的地带性分布规律。(3)秦巴山地太阳辐射空间分布呈现出明显的自东向西逐渐递增,由山体边缘向内部递增的趋势,海拔越高的地区,太阳辐射值越高。秦巴山地直接辐射、散射辐射和太阳辐射总量最低值出现在山谷和山体边缘,其次是山体外部的谷地和坡度相对平缓的地区,在山坡地区有所升高,在秦巴山地西部高海拔地区和秦岭山脊、大巴山山脊和海拔较高的山峰地区(如太白山、米仓山、神农架等),均达到最高值。秦巴山地太阳辐射总量由东部的伏牛山至迭山升高了约25000W/m~2,从十堰市至西部的红岗山升高了约40000-50000W/m~2,从汉江谷地向南至米仓山升高了10000-25000W/m~2,向北至太白山升高了约25000-45000 W/m~2。从汉江谷地向北至华山升高了10000-15000W/m~2,至神农架升高了约15000-20000W/m~2。太阳辐射与山体基面高度、同海拔气温的线性拟合呈现出正相关的关系,与山体基面高度的R~2大于0.94,与同海拔气温的R~2大于0.81。(4)秦巴山地常绿-落叶阔叶林带上限与山体基面高度、太阳辐射总量的相关性均不显著,与同海拔气温的相关性在秦岭地区呈显著的负相关(-0.716,P<0.05;-0.738,P<0.01);山地落叶阔叶林带上限与山体基面高度、同海拔气温、太阳辐射总量的相关性均不显著;山地针阔混交林带分布上限与山体基面高度、同海拔气温和生长季太阳辐射总量均有显著正相关关系(P<0.05),其中与山体基面高度的R分别为0.824(P<0.05)和0.875(P<0.01),与同海拔气温的R分别在秦岭地区为0.950(P<0.01)和0.920(P<0.01),在大巴山地区为0.722(P<0.05)和0.758(P<0.05),与生长季太阳辐射总量的R在秦岭地区为0.810(P<0.05)。这体现了山体效应对秦岭和大巴山的山地垂直带界限尤其是针阔混交林分布上限的重要影响,它改变了山地垂直带界限分布的纬度和经度地带性分布规律,呈现了非地带性,即山体效应明显的地区,山地垂直带分布高度就越高。
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