天津市西青區(qū)生態(tài)質(zhì)量氣象評價及其動態(tài)變化分析

王靜

摘要? ? 生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣關(guān)乎到全人類的生存，當前經(jīng)濟發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的破壞嚴重影響了社會的可持續(xù)發(fā)展。本文著眼于天津市西青區(qū)的生態(tài)質(zhì)量，參考《生態(tài)質(zhì)量氣象評價規(guī)范（試行）》標準，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合優(yōu)勢性地面觀測氣象數(shù)據(jù)，采用遙感圖像處理、統(tǒng)計分析、目視解譯、實地檢驗等方法，對西青區(qū)生態(tài)質(zhì)量的氣象評價方法進行了研究。通過遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，計算K（濕潤指數(shù)）、NDVI（植被覆蓋指數(shù)）、水體密度指數(shù)、土地退化指數(shù)、DIS（災(zāi)害指數(shù)）等參數(shù)，構(gòu)建了西青區(qū)生態(tài)質(zhì)量氣象評價指數(shù)模型，對西青區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和變化進行氣象評價與分析，為西青區(qū)生態(tài)監(jiān)測的全面開展和生態(tài)評估系統(tǒng)的建立提供了一定的技術(shù)方法和理論參考。

關(guān)鍵詞? ? 遙感;生態(tài)質(zhì)量;氣象評價;天津市;西青區(qū)

中圖分類號? ? X823? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）08-0186-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣與人類的生存質(zhì)量好壞密切相關(guān)。隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展、人類活動范圍的迅速擴張，生態(tài)環(huán)境遭受到了嚴重的破壞，危害到了全人類的生存。因此，保護和改善生態(tài)環(huán)境成為全人類面臨的共同挑戰(zhàn)之一[1]。生態(tài)環(huán)境的保護離不開高質(zhì)量的監(jiān)測和評價手段，利用遙感數(shù)據(jù)耦合氣象數(shù)據(jù)對生態(tài)質(zhì)量進行監(jiān)測和評價是中國氣象局的重點工作之一。

近年來，天津市西青區(qū)在大力發(fā)展經(jīng)濟的同時，也高度重視生態(tài)環(huán)境建設(shè)，相繼開展了大綠、快綠工程和城市綠化提升工程。2015—2018年，植被覆蓋度年均增幅達到2%以上，并建成了天津市首個國家級生態(tài)區(qū)。5年的氣象數(shù)據(jù)顯示，全球氣候變暖對天津市小氣候影響明顯，降水量總體呈顯著增加趨勢，溫濕度明顯增加。為監(jiān)測和評估生態(tài)質(zhì)量，提前預(yù)防生態(tài)異常變化，提高群眾生活環(huán)境宜居度，保證生態(tài)環(huán)境安全和健康發(fā)展，促進生態(tài)文明建設(shè)，本文擬利用高質(zhì)量長時間序列的氣象數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等，對天津市西青區(qū)生態(tài)環(huán)境各參數(shù)進行精細化監(jiān)測，做好西青區(qū)生態(tài)環(huán)境氣象服務(wù)。

利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測和評價已有廣泛的研究。王? 利等[2]利用黑龍江省氣象數(shù)據(jù)、EOS/MODIS遙感資料、DEM數(shù)據(jù)及相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，基于GIS技術(shù)對黑龍江省2009年的生態(tài)質(zhì)量進行綜合評價。李立純等[3]基于模糊綜合評價方法，利用地面觀測氣象數(shù)據(jù)和遙感土地利用數(shù)據(jù)，對2007—2010年福建省的年際生態(tài)質(zhì)量變化狀況進行了評價和分析。陳興鵑等[4]耦合氣象和遙感數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計分析和資料調(diào)查等方式，對江西省的生態(tài)質(zhì)量進行了氣象評價。天津市氣象衛(wèi)星遙感中心利用EOS/MODIS衛(wèi)星制作了天津市2018年春季生態(tài)質(zhì)量氣象評價報告。上述研究為利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)進行生態(tài)質(zhì)量氣象的評價提供了參考，但研究大多以省級為單位，空間尺度較大，所使用的低分辨率遙感圖像難以滿足西青區(qū)小尺度的研究工作。因此，本研究擬利用30 m分辨率的遙感圖像，充分發(fā)揮高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)優(yōu)勢，并結(jié)合西青區(qū)氣象局的地面觀測數(shù)據(jù)，對西青區(qū)的生態(tài)質(zhì)量進行動態(tài)評價。

1? ? 資料與方法

1.1? ? 研究區(qū)概況

西青區(qū)位于天津市西南部，東部為城市密集區(qū)，南部與郊區(qū)相鄰，減河貫穿西青區(qū)。自然地勢為西高東低，南北長東西寬，全區(qū)總面積545 km2 [5]。氣候上屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，季節(jié)分明，全年自然降水總量586.1 mm，其中夏季443.2 mm;冬季較為寒冷，植被主要生長季在夏季。

1.2? ? 數(shù)據(jù)來源

本次研究所用的氣象數(shù)據(jù)包括2015—2018年西青全區(qū)國家基本氣象站和區(qū)域站的地面氣象觀測數(shù)據(jù)。對氣溫、降水量、10 m風(fēng)速、相對濕度、氣壓、飽和水汽壓等6個氣象參數(shù)進行統(tǒng)計，計算2015—2018年共計48個月均值，進一步計算季度均值，作為西青區(qū)生態(tài)質(zhì)量氣象評價參數(shù)。

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來自美國NASA發(fā)射的Landsat 8-TM傳感器，Landsat 8衛(wèi)星發(fā)射于2013年，空間分辨率30 m，重返周期16 d。根據(jù)西青區(qū)空間坐標范圍，獲取覆蓋西青全境的遙感資料，選取2015—2018年每季度一幅晴朗無云的Landsat 8-TM圖像數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，使用ENVI 5.1進行圖像拼接、裁剪和遙感特征參數(shù)計算。其他數(shù)據(jù)包括西青國家基本氣象站年報、區(qū)農(nóng)委統(tǒng)計的災(zāi)害數(shù)據(jù)、西青區(qū)行政區(qū)劃圖以及西青區(qū)土地利用類型圖。

1.3? ? 研究方法

1.3.1? ? 生態(tài)質(zhì)量氣象評價模型。本文根據(jù)《生態(tài)質(zhì)量氣象評價規(guī)范（試行）》標準[6]，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)耦合氣象數(shù)據(jù)進行生態(tài)質(zhì)量氣象評價?；?0 m空間分辨率Landsat 8衛(wèi)星遙感觀測數(shù)據(jù)計算植被覆蓋指數(shù)、水體密度指數(shù)、土地退化指數(shù)，利用西青區(qū)域站的氣象觀測數(shù)據(jù)計算濕潤指數(shù)，利用區(qū)農(nóng)委獲得的統(tǒng)計資料計算災(zāi)害指數(shù)，從而構(gòu)建生態(tài)質(zhì)量氣象評價指數(shù)模型[7]，對西青區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況進行氣象評價。

研究區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評價模型采用公式如下。

式中，Mi為i區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量評價指數(shù)，Wij為i區(qū)域第j項指標的權(quán)重值，Yij為i區(qū)域第j項指標值。生態(tài)質(zhì)量M分為5級：Ⅰ級為100～70（優(yōu)），Ⅱ級為70～55（良好），Ⅲ級為55～30（一般），Ⅳ級為30～15（較差），Ⅴ級為15～0（差）。按照《生態(tài)質(zhì)量氣象評價規(guī)范（試行）》中各指標的權(quán)重取值公式如下[7]。

生態(tài)質(zhì)量指標=100×[濕潤指數(shù)×0.25+植被覆蓋指數(shù)×0.3+水體密度指數(shù)×0.2+（1-土地退化指數(shù)）×0.15+（1-災(zāi)害指數(shù)）×0.1]（2）

1.3.2? ? 生態(tài)質(zhì)量氣象評價時空分析。根據(jù)2015—2018年生態(tài)質(zhì)量氣象評價結(jié)果，分析濕潤指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水體密度指數(shù)等指標的變化對生態(tài)質(zhì)量氣象評價指數(shù)年際間變化的影響，結(jié)合本地特點對西青區(qū)及各街鎮(zhèn)因地制宜開展生態(tài)環(huán)境保護工作提供技術(shù)支持。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? 濕潤指數(shù)的變化情況

由圖1可以看出，2015—2018年西青區(qū)季度濕潤指數(shù)呈現(xiàn)明顯的夏季高冬季低的趨勢，這與西青區(qū)氣候上屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，季節(jié)分明、夏季降水較多有關(guān)。濕潤指數(shù)最大值出現(xiàn)在2018年夏季，為1.31，最小值在2018年冬季，為0.04，對應(yīng)當季度降水量的平均值分別為388.9、4.1 mm。由線性擬合結(jié)果看出，西青區(qū)的濕潤指數(shù)自2015年開始總體呈現(xiàn)出下降趨勢。

2.2? ? 植被覆蓋指數(shù)的變化情況

由圖2可以看出，2015—2018年西青區(qū)植被覆蓋指數(shù)在0.15～0.46之間變化，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化。整體看，西青區(qū)植被覆蓋度不高，且近幾年植被覆蓋狀況沒有明顯變化，但每年9月植被覆蓋度有小幅上升的趨勢，且9月的植被覆蓋指數(shù)值平均最高。主要是因為西青區(qū)屬副熱帶氣候，在夏季植被都處于旺盛生長階段，植被與作物均處于全生長期，植被活動頻繁，植被覆蓋度增幅明顯;北半球冬季氣溫降至0 ℃以下，西青區(qū)植被類型以白楊、刺槐和農(nóng)作物為主，冬季低溫溫帶植被進入冬眠時期停止活動，農(nóng)作物停止生長，覆蓋指數(shù)值平均最低，植被覆蓋度降低。

2.3? ? 水體密度指數(shù)變化情況

西青區(qū)水域情況豐富，共有3條一級河道流經(jīng)西青區(qū)，即中亭河、子牙河、減河，其中減河為獨流，此外西青區(qū)內(nèi)還有14條區(qū)屬二級河道，河道豐富、水體密度較高。西青區(qū)境內(nèi)還有較多大型水庫和湖泊，王穩(wěn)莊水稻種植區(qū)域也有部分水域，水體密度高值區(qū)主要集中在以上這些水域附近。衛(wèi)星遙感監(jiān)測結(jié)果表明，2015—2018年西青區(qū)水體密度指數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢，幅度變化較為穩(wěn)定，維持在0.06～0.1之間（圖3）。季度時序變化可以看出，西青區(qū)水體密度季節(jié)變化比較明顯，夏季水體密度較高，冬季較低，這主要與西青區(qū)氣候類型有關(guān)，降水量夏季多、冬季少，對水體密度影響較大。

2.4? ? 土地退化指數(shù)

土地退化指數(shù)是評價該區(qū)域內(nèi)因為水蝕、重力侵蝕、風(fēng)力侵蝕和工程侵蝕等影響從而造成土地惡化的面積占評價區(qū)域總面積的比重[8]，是生態(tài)系統(tǒng)退化的重要表征之一。由于西青區(qū)海拔較低，且土地均被建筑和植被覆蓋，因而不存在風(fēng)蝕、水體流失等土地退化現(xiàn)象。

2.5? ? 災(zāi)害指數(shù)

災(zāi)害指數(shù)是指被評價區(qū)域內(nèi)農(nóng)田、草地等生態(tài)系統(tǒng)遭受氣象災(zāi)害的面積占被評價區(qū)域面積的比重[9]。本研究所用的數(shù)據(jù)來自國家基本氣象站的年報和區(qū)農(nóng)委統(tǒng)計的災(zāi)害數(shù)據(jù)。西青區(qū)的災(zāi)害主要是夏季短時強降水和暴雨產(chǎn)生的農(nóng)田漬澇及大風(fēng)天氣導(dǎo)致的農(nóng)田作物倒伏。例如2018年的夏季暴雨致使西青區(qū)楊柳青鎮(zhèn)1 810 hm2農(nóng)田和蔬菜大棚受災(zāi)，其中農(nóng)田水淹面積達到452.7 hm2。

2.6? ? 生態(tài)質(zhì)量氣象評價結(jié)果分析

通過計算上述參數(shù)，構(gòu)建生態(tài)質(zhì)量氣象評價指數(shù)模型，對西青區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況進行氣象評價[10]。動態(tài)評價結(jié)果表明，2015—2018年西青區(qū)生態(tài)質(zhì)量綜合指數(shù)變化范圍為22～65，呈現(xiàn)較為明顯的季節(jié)變化，冬季指數(shù)較低，夏季指數(shù)較高。生態(tài)質(zhì)量夏季較好，植被覆蓋度較高，生物多樣性良好，較適合人類活動。2015年以來西青區(qū)生態(tài)質(zhì)量綜合指數(shù)隨時間變化不大，有略微下降的趨勢，季度變化沒有異常出現(xiàn)，說明總體氣候和生態(tài)質(zhì)量較為穩(wěn)定，沒有極端氣候或災(zāi)害發(fā)生（圖4）。

3? ? 結(jié)論

2015—2018年西青區(qū)生態(tài)質(zhì)量綜合指數(shù)年際變化不大，整體屬于一般水平，植被覆蓋指數(shù)變化區(qū)間為0.15～0.46，植被覆蓋度整體較為穩(wěn)定，近幾年植被覆蓋狀況沒有明顯變化，但每年9月由于降水增多呈現(xiàn)小幅上升的趨勢。在年尺度上濕潤指數(shù)呈現(xiàn)小幅下降趨勢，主要由于年平均降水量有所下降。災(zāi)害指數(shù)主要是夏季降水造成的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。例如2016年造成西青區(qū)87 km2農(nóng)田受災(zāi)，2017年西青區(qū)14 km2農(nóng)田受災(zāi)，2018年西青區(qū)32 km2農(nóng)田受災(zāi)。本文研究基于高精度氣象數(shù)據(jù)以及30 m空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對比了2015—2018年的濕潤指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、土地退化指數(shù)、災(zāi)害指數(shù)及生態(tài)質(zhì)量狀況，真實地反映了區(qū)域內(nèi)的生態(tài)質(zhì)量狀況，研究方法首次基于30 m空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)對生態(tài)環(huán)境的變化進行監(jiān)測，可運用在氣象業(yè)務(wù)化系統(tǒng)中，對區(qū)縣小尺度生態(tài)質(zhì)量進行氣象評價，為各級部門進行生態(tài)環(huán)境建設(shè)決策提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

4? ? 參考文獻

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