基于MODIS的地表温度空间降尺度方法

针对卫星遥感技术监测地表温度(land surface temperature,LST)存在时空分辨率矛盾这一难题,以Ts HARP温度降尺度方法中的3种不同转换关系为基础,提出引入地表比辐射率ε和修正的土壤调节植被指数MSAVI的新转换关系,并用4种转换关系直接将原始1 km MODIS LST产品降尺度到250 m。为了验证4种降尺度转换关系的效果,以Landsat 8 TIRS反演的LST作为当日地表温度的参考值,从定性和定量两个角度评价了4种降尺度转换关系的精度。结果表明:4种转换关系在提高LST空间分辨率的同时又能较好地保持原始LST影像热特征的空间分布格局,消除了原始1 km影像中的"马赛克"效应;4种转换关系降尺度的250 m MODIS LST均值均接近于TIRS升尺度的LST均值,平均偏差的绝对值都小于1℃,降尺度结果非常接近真实地表温度,表明4种转换关系均能够达到较好的降尺度效果;原始转换关系1的降尺度结果虽然具有较高的空间变异性(SD较大),但与TIRS LST之间的RMSE是4种转换关系中最大的(2.375℃),而改进的转换关系4仅为1.252℃,并且转换关系4在描绘城市高温区和水体低温区方面具有明显的优势。     

城市不同地表覆盖类型对土壤呼吸的影响

采用Licor-6400-09的土壤呼吸测量系统对北京市区3种不同覆盖类型地表(全硬地表、半透砖地表、草坪覆盖地表)的土壤呼吸速率及其影响因子进行了测定和分析。结果表明:(1)不同地表覆盖类型的土壤呼吸速率年均值分别为7.928 μmol·m^-2·s^-1(全硬地表),5.592 μmol·m^-2·s^-1(部分硬化地表)、2.625 μmol·m^-2·s^-1(草坪覆盖地表);土壤呼吸日均值最高均出现在夏季(14.785,10.296,5.143 μmol·m^-2·s^-1),最低为冬季(0.490,0.319,0.239 μmol·m^-2·s^-1);(2)3种地表类型的土壤呼吸速率有显著差异(P<0.05),大小排序为:草坪覆盖地表<部分硬化地表<全硬地表;(3)3种地表类型土壤呼吸速率均与土壤温度呈显著的指数相关,Q₁₀值排序为:草坪覆盖地表<部分硬化地表<全硬地表;(4)土壤含水率和土壤电导率与土壤呼吸均有一定的相关性,但关系较为复杂,有待于进一步研究。     

玉龙雪山地区地表三维温度场时空变化分析

玉龙雪山属于海洋型冰川,对全球气候变化敏感,具有重要的生态研究价值。为了获取玉龙雪山地区的地表温度变化情况,提出了一种基于地表三维温度场的定量分析方法。首先,采用高分辨率立体测绘卫星影像构建数字表面模型,作为三维底图参考,并利用多时序热红外卫星影像数据反演地表温度场模型,提供地表温度变化依据;然后,在统一参考坐标系下将数字表面模型和多时序地表温度场模型套合,准确地分析地表温度时空变化情况。试验利用1987年至2018年间同一季节的Landsat卫星遥感影像反演地表温度,结合资源三号卫星立体影像构建的数字表面模型,并采用四阶温度区间分析多时序范围内玉龙雪山地区的地表温度变化情况。试验结果表明玉龙雪山低温区和次低温区面积逐渐减小,减小速度分别为2.096 km²/a和2.662 km²/a,中温区和暖温区面积逐渐增大,增大速度分别为2.902 km²/a和1.703km²/a,玉龙雪山地区的地表温度呈现整体上升的趋势,为全球生态环境变化提供参考。     

黄土高原刺槐人工林地表凋落物对土壤呼吸的贡献

于黄土高原沟壑区王东沟小流域26年刺槐人工林(Robinia pseudoacacia)中,设置对照(CK)、去除凋落物(no litter, NL)和倍增凋落物(double litter, DL)3个处理,利用Li-8100系统测定各处理的土壤呼吸速率。结果表明,添加或去除凋落物显著影响土壤呼吸(P = 0.091-0.099),与对照(CK)的土壤呼吸速率(3.23 μmol m^-2 s^-1)相比,添加凋落物(DL)使土壤呼吸速率增加26%,去除凋落物(NL)使土壤呼吸速率减少22%。NL、CK和DL的累积土壤呼吸分别为631、787和973 g C m^-2a^-1。各处理土壤呼吸速率与土壤温度呈显著的指数关系(R²=0.81-0.90,P < 0.0001),但与土壤水分的关系不明显。NL、CK和DL的Q₁₀依次为1.92、2.29和2.31。地表凋落物对土壤呼吸年平均贡献量为20%。相关性分析表明,各测定日地表凋落物贡献与土壤温度(r=0.54,P < 0.05)或土壤水分关系显著(r=0.68, P < 0.05)。刺槐人工林地表凋落物的输入量为213 g C m^-2a^-1,大于凋落物引起的呼吸量156 g C m^-2a^-1。在黄土区通过植被恢复治理水土流失过程中,随着地表凋落物的积累,林地生态系统的碳汇功能将逐步得到加强。     

胡杨异形叶叶绿素荧光特性对高温的响应

胡杨(Populus euphratica Oliv)是塔里木极端干旱荒漠区优势乔木树种,由于其生长在荒漠环境中,极端高温远高于其它地区,因此研究胡杨对高温胁迫的响应特征对于解释胡杨的抗逆机理与生态适应策略具有极为重要的意义。以胡杨3种典型的异形叶为材料,研究不同温度对其叶绿素荧光特性和能量分配的影响。结果表明,25-45 ℃温度下胡杨异形叶的F₀、F_m、F_v/F_m与F_v/F₀变化不大,尤其F_v/F_m仍能保持在0.78左右,光合反应正常;高温胁迫下(＞45 ℃)F_m、F_v/F₀、F_v/F_m、F'_v/F'_m、qP、ΦPSⅡ、P和ETR均大幅降低;F₀、qN、E显著上升,而D先上升后下降,说明高温抑制了PSⅡ的功能,使PSⅡ反应中心活性下降,QA^-的还原速率加快,光化学电子传递速率降低,某些能量耗散途径受阻,影响了PSⅠ和PSⅡ激发能的平衡分配,最终导致光合机构受损、光合速率降低。胡杨3种异形叶的叶绿素荧光参数随温度升高变幅不同,高温处理下锯齿阔卵形叶各参数均高于卵形叶与条形叶,表明锯齿阔卵形叶比卵形叶和条形叶具有更强的高温耐受能力。用模糊数学的隶属度函数对胡杨3种异形叶的耐热性进行综合评价,锯齿阔卵形叶的耐热性最强。     

塔里木河下游地下水埋深对胡杨气体交换和叶绿素荧光的影响

为了分析干旱环境下地下水埋深变化对胡杨(Populus euphratica oliv.)光合作用的影响,对塔里木河下游3个地下水埋深(4.91,6.93m和8.44m)环境下胡杨叶片的气体交换日变化、光响应曲线、PN-C_i曲线以及叶绿素荧光特性等进行了比较研究。研究结果表明:当地下水埋深从4.91m增加到6.93m和8.44m,胡杨光合速率(P_N)(10:00),初始荧光(F₀)、最大荧光(F_m)、以及PSⅡ实际光化学效率(Ω_PSⅡ)、电子传递速率(ETR)、非光化学猝灭系数(NPQ)和正午叶水势(Ψ_midday)等都发生了明显变化,其中胡杨NPQ增加了109% 127%,Ω_PSⅡ,ETR和Ψ_midday分别减小了24% 29%,17% 22%和31.6% 45.6%,表明胡杨受到的干旱胁迫程度在增加;而当地下水埋深在6.93 8.44m之间时,上述参数无显著变化,表明胡杨很可能处于相同干旱胁迫程度;并且在地下水埋深4.91 8.44m范围内,最大光化学效率(F_v/F_m),表观量子效率(φ),Rubisco羧化速率(V_cmax), 等参数都未发生明显变化,表明即使地下水埋深增加到8.44m,此时的干旱胁迫程度也未超过胡杨的耐受能力,其光合能力也未受到不可逆转的伤害。     

农林复合生态系统防护林斑块边缘效应对节肢动物的影响

于2008和2009年在黄淮海平原典型地区商丘民权林场(34°31'-34°52'N, 115°00'-115°28'E)进行。选择杨树林、槐树林和杨槐混交林3种人工林模式,调查节肢动物群落构成、生物多样性及边缘效应对节肢动物群落结构的影响。结果显示,节肢动物科级水平上不同年份间的类群数和个体数差异都不显著(P>0.05),防护林不同模式间个体数(df=2, F=59.48, P<0.001)和类群数(df=2, F=15.44, P<0.001)差异均显著。3种防护林中以杨树林物种丰富度指数较高,S_杨树林(9.65)>S_{杨槐混交林}(8.78)>S_槐树林(7.47);生物多样性指数H'_杨树林(1.78)>H'_{杨槐混交林}(1.65)>H'_槐树林(1.46),其中杨树与槐树林的S和H'差异显著(P<0.05)。杨树林和槐树林边缘效应对节肢动物群落的影响大于杨槐混交林,林地边缘节肢动物的类群数和个体数均较高。节肢动物类群组成表现为林地边缘的偶见种和农田种多于林内。杨树林和槐树林边缘节肢动物多样性指数较高,向林内40m显著下降;而杨槐混交林边缘效应对节肢动物多样性指数的影响较小。综合分析认为,杨树林和槐树林边缘效应对节肢动物群落结构和多样性的影响距离为40m,杨槐混交林距离为20m。单一树种农田防护林斑块不小于80m宽,混交林斑块不小于40m宽,可以保护林内物种生存,维持农田生态系统生物多样性。     

昆仑山北坡不同海拔塔里木沙拐枣的光合生理生态特性

在2008年7月25日-8月6日的连续晴天中,选择昆仑山北坡塔里木沙拐枣自然分布区3个海拔高度(2100,2300,2500m),利用便携式光合测定仪LI-6400测定塔里木沙拐枣的光合生理生态特性。结果表明:2100m处塔里木沙拐枣的光补偿点(LCP)和光饱和点(LSP)与2300m,2500m处差异分别达到显著,而3者间的最大净光合速率(P_max)差异均达显著。表观量子效率(AQY)在3个海拔之间差异均不显著,但在2100m处的羧化效率(CE)分别与2300m和2500m处的差异显著。相同海拔下塔里木沙拐枣的暗呼吸速率值(R_day)要高于光呼吸速率值(R_p),且2500m处的暗呼吸速率分别与2100m和2300m处的有显著的差异,2100m处的光呼吸速率分别与2300m和2500m差异显著。3个海拔塔里木沙拐枣的净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)和气孔导度(G_s)的日变化均为单峰曲线。随着海拔的升高,塔里木沙拐枣P_n,T_r,G_s和L_s的日均值降低,但光能利用率(LUE)和水分利用效率(WUE)却显著增加。塔里木沙拐枣的P_n与叶温(T_l)、大气温度(T_a)和光照强度(PPFD)具有极显著的正相关关系,与海拔呈显著负相关,与空气相对湿度(RH)和大气CO₂浓度(C_a)之间均不具有显著相关性。T_r与T_a,T_l和PPFD具有极显著的正相关性,与RH之间存在显著的负相关。G_s只与C_a之间呈极显著的负相关。P_n与T_r,L_s,G_s,WUE和V_pdl分别具有极显著的正相关性,与C_i呈极显著的负相关。通过对不同海拔高度塔里木沙拐枣光合生理参数与光、温等生态因子关系的对比分析表明:塔里木沙拐枣对山地荒漠草地自然环境变化的温度和光照有很好的生态适应性。     

苹果三维树冠的净光合速率分布模拟

构建三维树冠光合模型可模拟出叶片净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)和光能利用效率(LUE)在树冠内的三维分布。以17年生纺锤形"富士"苹果树(Malus domestica Borkh. cv. ‘Fuji’)为试材,通过实测确定三维树冠内叶片和辐射分布,根据不同部位叶片最大光合速率经验公式模拟叶片P_n 在三维树冠空间内分布,并据2007-2009年测定数据拟合相关模型参数。模拟表明,苹果树冠叶片P_n 和辐射的三维分布相似,在树冠上部P_n 三维分布比较平缓,然后随辐射的减少而迅速降低。高辐射条件下(PAR=1500 μmol·m^-2·s^-1),从树冠上部3 m处降到到1 m,平均相对辐射从71.18%降到8.05%,减少了89%,叶片平均P_n从15.05 μmol·m^-2·s^-1降到1.92 μmol·m^-2·s^-1,减少了87%。单位体积小室内的总净光合速率大小主要取决于叶面积密度,部分取决于P_n。G_s三维分布与P_n相似,而LUE分布与辐射相反,中下部高,上部低。根据光合机理模型、树冠内辐射和叶面积三维分布可模拟出苹果三维树冠内叶片的P_n、G_s和LUE分布,该模型参数少,可方便用于其它果树三维光合模型构建和果树整形修剪研究。     

鄱阳湖苔草湿地甲烷释放特征

2009年5月-2010年4月在鄱阳湖南矶湿地国家级自然保护区选择以灰化苔草为建群种的洲滩,设置土壤-植物系统(TC)、剪除植物地上部分 (TJ)2个试验处理,利用密闭箱-气相色谱法测定了鄱阳湖典型苔草湿地的甲烷(CH₄)释放通量。结果表明:1)TC、TJ 2个试验处理CH₄释放速率变化范围分别为-0.094-17.75 mg · m^-2 · h^-1、-0.122-19.16 mg · m^-2 · h^-1,均表现出明显的季节变化规律;2)地表未淹水期间,剪草处理CH₄释放显著高于非剪草处理(t=2.69, P<0.05);地表淹水达到15 cm后,剪草处理CH₄释放明显低于非剪草处理。3)土壤5 cm温度、土壤水分与2处理非淹水期间CH₄释放速率均呈显著正相关,是非淹水期间CH₄通量变化的主要控制因子,2因子能够共同解释非淹水期苔草湿地65%-74%的CH₄通量变异;4)试验期间,苔草湿地CH₄释放量约为12.77 gC/m²,相当于同期土壤有机质分解碳排放量的4%,甲烷释放的碳消耗不足苔草湿地年NPP的1%。     

基于光纤测温技术的城市地表温度精细化分析

城市景观空间构型与热岛效应关联性较强,研究高时空分辨率的城市不同下垫面地表温度变化,可以更加精细地掌握城市热环境的时空特征。光纤温度传感系统具有实时在线、测温精度高和不受电磁干扰等优点,具备实时、在线、连续开展城市地表温度在线监测的能力。在北京市通州某园区内,选择有太阳辐射的4个时段,对多种类型下垫面的地表温度进行了时间间隔为1 min、空间间隔为1 m的连续4 h、总长度为100 m的实时在线监测。通过对监测时间段内不同类型下垫面地表温度的变化分析,发现这种分布式光纤测温系统能够有效辨识小尺度下地表温度的时间变化性和空间变化性,能有效区分透水和不透水地面,并监测和评估沥青马路地表温度的升温速率以及遮荫效果对地表温度的降温作用。同时,这种监测模式获取的数据能够对地表温度空间序列开展自相关分析,进一步验证了地表温度空间序列在较小尺度上仍然具有自相关性,且距离越近,相关性越大。研究同时表明,光纤测温技术能直接地获取城市热环境的现场真实数据,可以有效应用于小尺度城市热环境的观测与研究。     

城市地表温度与关键景观要素的关系

利用Landsat ETM+遥感影像,提取上海市外环线范围内的地表温度、不透水面率、归一化差值植被指数、改进的归一化差异水体指数,定量研究地表温度与城市关键景观类型之间的关系.结果表明:地表温度与不透水面率呈显著的线性正相关( R2=0.837);地表温度与归一化差值植被指数和改进的归一化差异水体指数呈非线性关系,但地表温度与正的归一化差值植被指数和正的改进的归一化差值水体指数呈显著线性关系.鉴于归一化差值植被指数和改进的归一化差异水体指数大于0时才能真正代表植被和水体,因此,建议今后研究地表温度时使用正的归一化差值植被指数和改进的归一化差异水体指数;地表温度与不透水面率、归一化差值植被指数和改进的归一化差值水体指数的多元线性回归分析表明,不透水面起着增温作用,植被、水体起降温作用,植被较水体的降温作用大.     

快速城市化山地城市地表温度的多维梯度——以重庆市主城区为例

以重庆市主城区为研究对象,利用TM/ETM+和MODIS数据获取地表温度(LST)和相对热岛强度(RHII),分析其在地形、人口和GDP等多维梯度上的分布规律以及可能存在的量化关系.结果表明:研究区LST、RHII分别在高程和地形起伏度两个梯度上呈非单调下降趋势,表现为显著的二次多项式函数关系,其中,200～ 350 m高程段内的城市建设活动剧烈,热岛强度最大.RHII与人口密度和单位面积GDP之间均呈显著的线性关系,人口密度每增加1000人·km-2,RHII上升0.10℃;单位面积GDP每增加1000万元·km-2,RHII上升0.08℃.     

山地城市坡向对地表温度的影响——以重庆市主城区为例

为揭示坡向对山地城市地表温度的影响,以重庆市主城区为例,由Landsat TM影像反演地表温度,提取各坡向上的地表温度,进行方差分析。结果发现,东南和南坡向的地表温度较高,而西北和北坡向的地表温度较低,8坡向分类时,各坡向的平均地表温度的差异具有显著性;用地类型没有坡向偏好,对于同一种用地类型,各坡向的平均地表温度没有显著差异。不同的用地类型上的城市建设强度和生产、生活活动差异是引起地表温度变化的主要因素,而坡向对城市地表温度的影响相比强烈的城市人为活动产生的环境效应而言是微弱的。     

Comparison of the urban heat island intensity quantified by using air temperature and Landsat land surface temperature in Hangzhou,China

This study compared different measures of urban heat island (UHI) intensity, which were calculated using both air temperature (T_air) at a height of 1.5 m and Landsat land surface temperature (LST) in Hangzhou, China. Two UHI-driven indicators (range and magnitude) and two land-cover-driven indicators (urban-rural and urban-agriculture) were calculated to quantify the UHI intensity based on hourly T_air from five stations and fifteen Landsat 5 LST images. Pearson correlation testing and a moving average times series of the previous 30 days were used to investigate the relationship between UHI intensities calculated by different indicators and data. The results indicate that the land-cover-driven indicators explain UHI better than the UHI-driven indicators, while the calculated values of UHI intensity using Landsat LST and hourly T_air are not comparable. We also investigated the influence of weather conditions on UHI intensity. Generally, Landsat-LST-based UHI performs best on hot sunny days, while T_air-based UHI has a better chance during the nighttime following a dry sunny day. This study suggests that the value of UHI intensity can be influenced by the selected indicators, the data used, the acquisition time and the weather conditions. Thus, these factors should be considered when comparing UHI intensity between different cities or quantifying their influences (e.g., population size, land use and land cover change) on UHI intensity.     

Surface temperature patterns in seals and sea lions: A validation of temporal and spatial consistency

We assessed infrared thermography (IRT) as a tool for evaluating spatial and temporal surface temperature patterns in juvenile female harbor seals (Phoca vitulina, n=6) and adult female Steller sea lions (Eumetopias jubatus, n=2). Following a technical assessment of the influence of environmental parameters on the specific camera to be used, we identified regional and seasonal variability of surface temperatures. Variation was observed in several seasonal transitions (winter, reproductive, molt) in ten monitored body regions. Spatially and temporally consistent thermal patterns in the shoulder, axillae, foreflipper and hindflipper suggest thermal windows in both species.     

Remote sensing-derived land surface temperature trends over South Asia

Spatiotemporal changes in land surface temperature (LST) over South Asia were estimated using MODIS (moderate resolution imaging spectroradiometer) data from 2000 to 2021. We calculated the monthly and annual LST trends and magnitudes by applying the Mann–Kendall test and Sen's slope estimator at both ecoregion and pixel level. More ecoregions experienced daytime cooling than warming. Central and west South Asia showed the highest daytime cooling in December compared to the nighttime warming in the central and northwest in July and September. Nineteen ecoregions demonstrated monthly daytime cooling trends at the 99% confidence level (CL), with the highest record observed in ecoregion ‘Indus Valley desert’ in March with the magnitudes of −0.26 °C/yr. While the monthly and annual nighttime warming magnitude was the maximum in ‘Gissaro-Alai open woodlands’ in December (0.19 °C/yr at 95% CL), and ‘Indus River Delta-Arabian Sea mangroves’ at annual scale (0.06 °C/yr at 99% CL). To understand the influence of large-scale atmospheric oscillations on the trends, we also correlated the estimated LST trends with the selected oscillation indices. Sea surface temperature (SST) Niño 3.4 showed the most significant influence on the trends, where it was positively correlated with 38 ecoregions during nighttime over the year. A better understanding of temperature trends and impacts on South Asia would guide sustainable development and ensures the excessive demands on food, water, and energy supplies coping with the growing population.     

近10年北京极端高温天气条件下的地表温度变化及其对城市化的响应

以北京市为研究区,利用2000年和2010年极端高温发生时MODIS卫星的地表温度（LST）产品数据,结合DMSP/OLS夜间灯光数据,应用差值、等温线、剖面分析等方法,分析了北京市近十年来极端高温发生时地表温度的时空变化特征及其对城市化的响应。研究结果表明：（1）近十年来,极端高温时的地表温度升高,高温区范围增加,城市功能拓展区与发展新区的高温区增加面积大于首都功能核心区与生态涵养区;（2）北京市城市化发展迅速,城市扩张对极端高温条件下的地表温度时空分布与变化趋势起着主导作用。     

A body temperature model for lizards as estimated from the thermal environment

A physically based model was built to predict the transient body temperature of lizards in a thermally heterogeneous environment. Six heat transfer terms were taken into account in this model: solar radiation, convective heat flow, longwave radiation, conductive heat flow, metabolic heat gain and respiratory energy loss. In order to enhance the model predictive power, a Monte Carlo simulation was employed to calibrate the bio-physical parameters of the target animal. Animal experiments were conducted to evaluate the calibrated body temperature model in a terrarium under a controlled thermal environment. To avoid disturbances of the animal, thermal infrared imagers were used to measure the land surface temperature and the body temperature. The results showed that the prediction accuracy of lizard's transient temperature was substantially increased by the use of Monte Carlo techniques (RMSE=0.59 °C) compared to standard model parameterization (RMSE=1.35 °C). Because the model calibration technique presented here is based on physical principles, it should be also useful in more complex, field situations.