基于LandSat的寧波城市化進程對氣溫的影響評估

夏靜雯，高愛臻，王 晶，史浩輝

(1.鄞州區(qū)氣象局，寧波 315194；2.寧波市氣象網(wǎng)絡(luò)與裝備保障中心，寧波 315000)

0 引言

目前，全球氣候變暖已成為社會熱點問題，IPCC第5次評估報告指出，氣候系統(tǒng)的變暖是明確無誤的，“人類活動導致了20世紀中葉以來一半以上的全球氣候變暖”這一結(jié)論的可信度超過95%[1]。熱島效應指的是城市氣溫明顯高于郊區(qū)氣溫的現(xiàn)象[2]，在一定程度上也能作為反映氣候變暖的參量。目前，學者對于城市熱島的研究多是將地面氣象觀測臺站劃分為城市站和鄉(xiāng)村站，再對比兩類臺站之間氣溫序列的差異[3-5]。但是以往對于城市站和鄉(xiāng)村站的劃分只是基于臺站探測環(huán)境歷史資料或城市總?cè)丝诘群唵蔚闹笜?，而忽略了氣象站搬遷及城區(qū)擴張使鄉(xiāng)村站“進城”等因素的影響。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，長時間序列、高分辨率的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以用來更加精確、具體、直觀地重現(xiàn)氣象觀測站周邊環(huán)境的時空演變特征[6-9]，可被用來更好地評估城市熱島研究中指標站的代表性。同時，基于衛(wèi)星遙感的土地利用和土地覆蓋類型(LUCC)作為衡量城市化發(fā)展的重要指標[10]，可用于定量分析城市化進程與城市熱島效應、氣候變化[11-13]等的關(guān)系。

文章將基于陸地衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)，分析鄞州國家基本氣象站和石浦國家基本氣象站這兩個具有代表性的寧波氣象觀測站周邊的LUCC變化，并對鄞州站和石浦站觀測到的氣溫動態(tài)變化特征進行對比分析，建立基于LUCC與氣溫的模型，以此定量分析LUCC所表征的寧波城市化進程對城市熱島、氣溫變化等的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

文章所使用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為美國陸地衛(wèi)星(LandSat)系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，是美國用于探測地球資源與環(huán)境的系列地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)，為近極地太陽同步軌道。

1972—1984年，美國陸續(xù)發(fā)射了LandSat-1—LandSat-5衛(wèi)星，其中LandSat-1—LandSat-3衛(wèi)星搭載了返束光導管攝像機(RBV)和多光譜成像儀(MSS)；LandSat-4—LandSat-5衛(wèi)星搭載了MSS和專題制圖儀(TM)。

目前仍在軌運行的有Landsat-7和Landsat-8衛(wèi)星。Landsat-7衛(wèi)星搭載了8個波段的增強型專題制圖儀(ETM+)，覆蓋了從紅外線到可見光的不同波長范圍。Landsat-8衛(wèi)星于2013年發(fā)射，搭載了陸地成像儀(OLI)和熱紅外傳感器(TIRS)，其中OLI增加了藍色波段和短波紅外波段，可用于海岸帶觀測和云檢測。

1.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)解譯和LUCC提取

文章選取了1980年以來的MSS、TM、ETM+和OLI衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，以5 a為時間間隔，整理出寧波地區(qū)的9期遙感影像數(shù)據(jù)。

以國家1∶5萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)高程模型對寧波地區(qū)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進行精確配準，將影像的4、3、2波段進行組合，同時選取晴天少云的天氣以避免大氣對圖像清晰度的影響，再采用決策樹法結(jié)合支持向量機SVW對衛(wèi)星影像進行解譯，并賦土地利用和土地覆蓋(LUCC)屬性值[14，15]。

以鄞州國家基本氣象站為中心生成半徑1 km、2.5 km和5 km的緩沖區(qū)矢量數(shù)據(jù)，以不同的緩沖區(qū)切割后的衛(wèi)星影像，將緩沖區(qū)內(nèi)的土地利用類型分為植被、水體和城建3種，并由此計算出不同土地利用類型對應的面積，提取出鄞州站周邊土地利用類型數(shù)據(jù)。而石浦國家基本氣象站自建站以來一直位于象山縣東門島上，因此以海島邊界為緩沖區(qū)對其進行切割以得到解譯后的衛(wèi)星影像，并用同樣的方法得到石浦站不同時期的土地利用類型數(shù)據(jù)。

1.3 多元線性回歸方法

采用多元線性回歸法[16]建立氣溫和LUCC之間的模型：

T=aPz+bPs+cPc+d

(1)

式中，T代表氣溫；Pz、Ps、Pc分別代表植被、水體、城建面積占總面積的百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄞州和石浦國家基本氣象站周邊探測環(huán)境評估

近年來經(jīng)濟社會高速發(fā)展，鄞州區(qū)作為寧波的核心城區(qū)，2019年GDP總量就達到了2211億元，位列“全國綜合實力百強區(qū)”第4。而石浦國家基本氣象站所在的東門島，漁業(yè)經(jīng)濟發(fā)達，被譽為“浙江漁業(yè)第一村”。文章基于LandSat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對1980年以來兩個國家基本氣象站周邊的探測環(huán)境進行分析，以此來定量評估寧波城市化發(fā)展進程和熱島研究指標站的代表性。

1980—1990年鄞州站位于舟孟北路8弄，這段時期周圍城建用地面積不斷增大，氣象站逐漸深入城市內(nèi)部，因此1994年鄞州站搬遷至新河路396號。但此次遷站并未改變氣象站“進城”的狀況，新站址周邊城建面積仍不斷增大，至2005年周邊城建用地所占比例超過9成，氣象站已完全位于城市之中，因此2008年鄞州站再次搬遷至天童南路1858號。此次遷站以后，周邊探測環(huán)境得到改善，2010年氣象站周邊5 km區(qū)域內(nèi)植被覆蓋率接近60%。但是，隨著鄞州經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，城市快速擴張，僅經(jīng)過5 a，至2015年鄞州站周邊原有的大量植被等又被居住、工業(yè)用地等代替，植被所占比例降至25%，氣象站再次“進城”，因此2016年鄞州站再次搬遷至石碶街道黃隘村東側(cè)奉化江邊。再次搬遷后，周邊探測環(huán)境得到了有效改善，超半數(shù)的土地被植被覆蓋。

1980—2020年石浦國家基本氣象站周邊區(qū)域內(nèi)的土地利用類型出現(xiàn)了變化，由于石浦站位于海島上，因此研究區(qū)域以海島為界。石浦站周邊區(qū)域內(nèi)土地利用類型變化不大，探測環(huán)境保護得比較好，40 a間植被等覆蓋率一直維持在57%～77%，城建用地一直低于42%，至2020年觀測站周邊植被覆蓋率仍能達到63.4%。

綜上所述，經(jīng)濟社會的發(fā)展和城市化進程的演變對鄞州站氣象探測環(huán)境的影響較大，對石浦站的影響較小，因此在熱島效應、氣候變化等研究中，位于城市環(huán)境內(nèi)的鄞州國家基本氣象站可被選作“城市站”，而站址未經(jīng)遷移、遠離城市、周邊探測環(huán)境保護較好且未發(fā)生較大改變的石浦國家基本氣象站，可以作為“鄉(xiāng)村站/對比站”[17]。

2.2 鄞州和石浦國家基本氣象站氣溫比較分析

文章對1953—2019年鄞州和石浦國家基本氣象站的氣溫變化進行了分析，得出兩站氣溫總體上都呈增溫趨勢，鄞州站增溫速率高于石浦站(圖1)。就年平均氣溫而言，20世紀90年代以前，氣溫普遍低于平均值，1986年以后氣溫顯著升高，2007年達到峰值(鄞州站18.7 ℃，石浦站17.9 ℃)，隨后又略有降低。

圖1 1953—2019年鄞州站和石浦站年平均氣溫(a)、年最高氣溫(b)和年最低氣溫(c)的變化

20世紀60—80年代，鄞州站年最高氣溫普遍較低，1965年甚至沒有出現(xiàn)35 ℃以上的高溫天氣；20世紀90年代以后年最高氣溫持續(xù)升高，2003、2005、2007、2009、2013年的最高氣溫都超過了40 ℃，其中2013年出現(xiàn)極端最高氣溫(42.1 ℃)；2014年起氣溫有所緩解。而石浦站年最高氣溫的增溫趨勢并不明顯，增溫速率僅為0.041 ℃/10 a，極端最高氣溫出現(xiàn)在1971年(38.8 ℃)，有近一半的年份氣溫都低于35 ℃。

兩站年最低氣溫波動更為劇烈。鄞州站極端最低氣溫出現(xiàn)在1955年，為-8.8 ℃；石浦站的極端最低氣溫出現(xiàn)在1967年，為-7.9 ℃。20世紀90年代以后，兩站年最低氣溫明顯升高，特別是2019年，石浦站全年氣溫都在0 ℃以上。

綜上所述，鄞州站可作為“城市站”，石浦站可作為“鄉(xiāng)村站/對比站”，因此計算鄞州站和石浦站氣溫差值，可以用來衡量寧波城市熱島效應[18，19]。從圖2中可以看出，20世紀60—80年代后期，鄞州站和石浦站觀測到的年平均氣溫基本相同，20世紀90年代起，年平均氣溫差值顯著加大，在1994、2005、2013年溫差變化有比較明顯的轉(zhuǎn)折點，其中2005年溫差最大，達到了1.1 ℃。鄞州站的年最高氣溫基本都高于石浦站，且差值呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢，溫差增大趨勢達到了0.435 ℃/10 a，2005年鄞州站的年最高氣溫比石浦站高5.1 ℃。對于年最低氣溫而言，鄞州站的年最低氣溫基本都低于石浦站，不過年最低氣溫差值的變化比較平穩(wěn)，沒有明顯的增加或減小趨勢。

圖2 1953—2019年鄞州站和石浦站年平均氣溫差值、年最高氣溫差值和年最低氣溫差值的變化

2.3 不同半徑范圍內(nèi)LUCC對氣溫觀測影響的顯著性分析

為了更加定量地評估觀測場周圍土地利用和土地覆蓋類型對于氣溫觀測的影響，文章還利用公式(1)構(gòu)建鄞州站氣溫變量或鄞州-石浦站溫差變量與LUCC所占百分比的關(guān)系模型。

結(jié)果表明，年平均氣溫差值和氣象站周邊5 km區(qū)域內(nèi)LUCC的回歸方程通過了90%的顯著性檢驗，回歸方程為：

ΔTave=-0.023Pz+0.015Pc-0.395，α=0.06

(2)

而其余氣溫變量或溫差變量與LUCC的回歸方程沒有通過顯著性檢驗。這表明，鄞州國家基本氣象站周邊5 km區(qū)域內(nèi)的LUCC對平均氣溫溫差的變化影響顯著，其中城建面積越大溫差越大，植被面積越大溫差越小。

3 結(jié)束語

文章利用LandSat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對寧波市兩個具有代表性的氣象觀測站周邊探測環(huán)境進行評估，分析表明，鄞州國家基本氣象站地處寧波核心都市區(qū)，氣象探測環(huán)境受城市化進程影響較大，植被面積不斷縮減，導致氣象站不斷面臨搬遷。而石浦國家基本氣象站位于海島，周邊探測環(huán)境保護較好，植被等覆蓋率維持在較高比例。

鄞州國家基本氣象站周邊5 km區(qū)域內(nèi)的LUCC對平均氣溫溫差的變化影響顯著，城建面積越大溫差越大，植被面積越大溫差越小。而鄞州站和石浦站的平均氣溫溫差可用來表征寧波城市熱島效應，由此可見寧波城市化進程對城市熱島效應的影響不容忽視。