王豫 ，趙小艷 *，李艷春，王詠薇，朱婷婷

1. 南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇 南京 210044；2. 耶魯-南京信息工程大學大氣環(huán)境中心，江蘇 南京 210044；3. 南京信息工程大學/江蘇省農業(yè)氣象重點實驗室，江蘇 南京 210044；4. 寧夏氣象防災減災重點實驗室，寧夏 銀川 750002

濕地是自然界中生態(tài)功能最高，受破壞和威脅最嚴重的生態(tài)系統(tǒng)之一（Jiang et al.，2005；賈萍等，2003）。國家林業(yè)局最近的一次濕地資源普查結果顯示：近 10年，中國濕地面積減少了 339.63×104hm2，其中自然濕地占比99.4%（耿國彪，2014）。濕地具有增加局地空氣濕度、縮小晝夜溫差等氣候調節(jié)作用（Gardner et al.，2011），作為全球最重要的碳匯（Picek et al.，2007），對緩解由氣候變暖及城市擴張帶來的一系列生態(tài)問題都具有極其重要的意義。在干旱半干旱的中國西北地區(qū)，濕地即綠洲的“心臟”（馬建林等，2002），它每年調節(jié)氣候的生態(tài)服務價值占濕地總生態(tài)服務價值的32%，居各項生態(tài)價值之首（孔東升等，2015）。寧夏平原地處中國干旱半干旱地區(qū)，70%濕地資源分布在平原地區(qū)（周立彪等，2009）。20世紀60年代，寧夏平原素有“七十二連湖”之稱，在全球氣候變暖的大背景下，隨著城市化的快速發(fā)展，其濕地資源大量萎縮。2003年起，寧夏地區(qū)實施了大面積的濕地修復與重建工作，那么近年來寧夏平原的濕地面積是如何演變？

發(fā)達國家對濕地的研究較早、范圍廣，涉及到濕地的定義（Cowardin et al.，2005；Mitsch et al.，2007）、濕地的生態(tài)經濟及保護（Duarte et al.，2013；Webb et al.，2013）等方面。中國開展?jié)竦匮芯康臅r間較晚，目前主要集中在濕地的形成與演化（楊玉盛，2017）、濕地生態(tài)效應（楊麗萍等，2010；孟偉慶等，2011）等。地表溫度和地表能量的流通交換是影響局地氣候變化的重要因素（Karnieli et al.，2010），傳統(tǒng)的測量手段均是基于點位開展的，忽略了地表的不均一性和水熱流通的動態(tài)性（Ambast et al.，2002），而遙感技術作為一種新興的科學技術手段，在受地面條件限制小的情景下可實現(xiàn)大范圍同步觀測、反映土地的動態(tài)變化，反演地表熱通量，在土地利用、氣候研究等方面得到了廣泛的應用（張廣宇，2015）。在黃河長期沖擊積累下，寧夏平原具有豐富的濕地資源，這在西北干旱半干旱地區(qū)實屬罕見（白林波等，2011）。目前，針對寧夏平原濕地的研究內容集中在濕地景觀變化、水資源利用及地質構造等方面，但對寧夏平原濕地氣候效應的定量化研究偏少。那么，在半干旱地區(qū)濕地面積的動態(tài)變化會對局地氣候產生怎樣的影響？

本研究以寧夏平原為研究對象，利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術，分析研究區(qū)濕地面積動態(tài)演變，并量化濕地面積變化對局地氣候效應的影響，為寧夏平原濕地修復效果的監(jiān)測和評價以及緩解其氣候惡化問題提供一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏平原（105°56′～106°58′E，38°12′～39°17′N）深居西北內陸（圖1），北起惠農縣，南至永寧縣，東靠陶樂縣，西倚賀蘭山山脈，海拔高度在1010～1150 m（王瑞平等，2006）。屬中溫帶內陸干旱氣候，干旱少雨（平均降水量僅為262.3～363.2 mm·a-1），日照充足（年日照時間為2842 h），冬冷夏熱，氣溫年較差及日較差均較大，7月氣溫最高，平均為 20.0～23.1 ℃，1月氣溫最低，平均為-8.2～-6.6 ℃（李媛等，2016），大陸性氣候特征十分典型（雍國正，2015）。

1.2 數(shù)據來源與預處理

圖1 研究區(qū)域Fig. 1 The study area

為分析濕地修復前（1999—2003年）與修復后（2003—2016年），寧夏平原濕地面積變化對局地氣候效應的影響，從地理空間數(shù)據云下載了寧夏平原1999—2016年不同時期冷暖兩季共7景云量少于1%的Landsat/TM（ETM+，OLI，TRIS）遙感數(shù)據，其中暖季豐水期影像用于面積變化分析，冷、暖季影像用于氣候效應分析。數(shù)據應用前均進行了圖像地圖投影轉換、輻射定標、圖像間配準、大氣校正、圖像裁剪等預處理工作，部分 ETM+數(shù)據進行了條帶修復。

1.3 研究方法

1.3.1 濕地提取

研究區(qū)的黃河、湖泊、人工池塘等都屬于水體，光譜特征相似，容易混淆，為保證濕地信息提取的精確性，結合使用監(jiān)督分類法中的最大似然法（沙占江等，2005）和決策樹分類法（徐涵秋，2005），并根據《全國濕地資源調查與監(jiān)測技術規(guī)程》對濕地的分類標準，將研究區(qū)土地利用類型分為河流濕地（包括永久性河流、季節(jié)性或間歇性河流，主要是黃河及其支流）、非河流濕地（包括永久性或季節(jié)性淡水湖及咸水湖泊濕地、池塘、水庫、水渠、水產養(yǎng)殖地）、植被/耕地、鄉(xiāng)村/裸地、城市建筑地等5種類型，并于Google Earth中驗證分類結果，其空間分布見圖2。

1.3.2 地表溫度反演

地表溫度（ts）是控制地表-大氣相互作用的重要變量（Wang et al.，2011），在局地小氣候中發(fā)揮重要作用。不同傳感器地表溫度的反演算法存在一定差異，選用覃志豪等（2003）提出的地表溫度單窗反演算法對TM（ETM+）數(shù)據進行反演，公式：

式中，ts為像元地表溫度（℃）；a、b為常量，據文獻分別取值為-67.355351、0.458608（徐涵秋，2005）；ε為地表比輻射率，根據ASTER光譜庫，對各典型地物分別進行賦值：濕地為 0.99、植被/耕地為0.981、城市建筑地與鄉(xiāng)村裸地為0.9697；τ為大氣透過率，據文獻由2 m氣溫和相對濕度估算得到；Ta為大氣平均作用溫度（K），由2 m氣溫的估算方程計算得到；TB為地面亮度溫度（K），由普朗克公式計算得到。

采用分裂窗算法（Rozenstein et al.，2014）對TIRS數(shù)據進行反演，公式如下：

式中，ts是像元地表溫度（℃）；A0、A1、A2是簡化參數(shù)，據文獻由TIRS第10和11通道的大氣透過率（Rozenstein et al.，2014）及地表比輻射率（楊槐，2014）計算得到；T10、T11是第10、11通道的亮度溫度（K），由普朗克公式得到。

圖2 寧夏平原1999年和2016年土地利用分類Fig. 2 Land use and Land cover classification of Ningxia Plain in 1999 and 2016Ⅰ：河流濕地river wetland；Ⅱ：非河流濕地non river wetland；Ⅲ：植被/耕地plant/farm land；Ⅳ：鄉(xiāng)村/裸地rural/bare land；Ⅴ：城市建筑地urban built-up land

1.3.3 SEBAL模型估算熱通量

地表熱通量通過基于陸面能量平衡方程SEBAL模型估算，首先選取影像中冷熱像元，建立像元地表溫度和溫度梯度差之間的線性關系，利用Monin-Obukhov相似理論多次迭代獲得穩(wěn)定的感熱通量（H），結合地面觀測資料計算凈輻射通量（Rn）、土壤熱通量（G）及潛熱通量（LE）（李根，2014）。

1.3.4 地表熱通量及熱場等級劃分

為使不同時相遙感影像的熱環(huán)境及熱通量具有可比性，消除季節(jié)對陸面溫度的影響，采用均值-標準差分類法（陳松林等，2009）對地表溫度、感熱通量及潛熱通量進行分類，結果如表1所示。

1.3.5 波文比倒數(shù)的計算

波文比倒數(shù)（β-1）即自由水面向空氣中蒸發(fā)水汽的耗熱（LE）與水面與空氣間的亂流交換熱量（H）之比，可用于實現(xiàn)下墊面的蒸散發(fā)的高精度測定。公式如下：

2 結果與分析

2.1 濕地面積變化與分析

由圖2可知，寧夏平原的非河流濕地在修復前呈零散狀分布，而修復后河流濕地面積減小，存在斷流現(xiàn)象；非河流濕地分布呈由零散狀演變?yōu)檎w的空間分布規(guī)律，與張榮群等（2015）指出的1989—2010年寧夏平原土地利用方式對濕地景觀變化影響顯著，人工濕地面積大幅增加，濕地總面積呈增長趨勢的結論一致。銀川市的鳴翠湖、閱海、寶湖，石嘴山市的星海湖，賀蘭縣的沙湖等水域面積呈明顯擴張，一系列零星的非河流濕地明顯被連通，初步形成了以寧夏平原各主要縣市（銀川、石嘴山、平羅等）為主體的水環(huán)境生態(tài)圈，與白林波等（2011）指出的 1991—2006年寧夏平原人工濕地比例上升、斑駁面積增加，濕地類型破碎化指數(shù)降低的結論一致。

表1 地表熱場/熱通量等級劃分Table 1 Surface thermal/heat flux grade deviation

由表2可知，近17年來，研究區(qū)河流濕地面積呈減少的趨勢，非河流濕地面積呈增加的趨勢，總濕地面積呈增加趨勢，此結果與卜曉燕等（2016）分析銀川平原 2000—2014年濕地面積的變化趨勢一致。河流濕地面積 1999—2016年減少了 20.48 km2，總減幅為19.13%，減幅在2005年以后降低了4.82%。研究區(qū)自2003年進行大面積的濕地修復及重建工作后，1999—2016年非河流濕地面積增加了73.88 km2，其中1999—2013年累積增幅最大，可達18.38%；1999—2016年總濕地面積增加了53.4 km2。

表2 寧夏平原1999—2016年濕地面積及變化Table 2 The area of wetland in Ningxia Plain and it’s change in 1999—2016

2.2 濕地修復前后的局地氣候環(huán)境演變分析

2.2.1 地表熱環(huán)境的時空變化特征

圖3 寧夏平原地表濕地修復前（左）濕地修復后（右）熱環(huán)境空間分布Fig. 3 Spatial distribution of surface thermal grade in Ningxia Plain in four period before wetland restoration (left) and after wetland restoration (right)Ⅰ：低溫Low temperature；Ⅱ：次低溫Sub-low temperature；Ⅲ：中低溫Mid-low temperature；Ⅳ：中溫Mid-temperature；Ⅴ：中高溫Mid-high temperature；Ⅵ：次高溫Sub-high temperature；Ⅶ：高溫High temperature

由圖3可知，濕地修復前后暖季次高溫及高溫區(qū)均主要分布在平羅、銀川、石嘴山等城市集中區(qū)以及賀蘭山向陽面，次低溫區(qū)主要分布于植被/耕地區(qū)，低溫區(qū) 85%集中在沙湖、星海湖、黃河流域及其支流等濕地周圍。研究區(qū)暖季熱環(huán)境強度呈城市建筑地＞鄉(xiāng)村/裸地＞植被/耕地＞濕地的空間分布規(guī)律。

濕地修復后，研究區(qū)冷季整體溫區(qū)分布提升一個等級，修復后的溫區(qū) 71%集中分布在中溫及中高溫區(qū)，而修復前，56%集中分布在中溫及中高溫區(qū)，濕地及其周圍均處于低溫，植被/耕地及其周圍均處于次低溫區(qū)，城市建筑地及裸地周圍均處于中溫區(qū)。

由圖4可知，在暖季，濕地修復后整個寧夏平原的中溫以上等級的熱場面積低于修復前，修復后中溫區(qū)面積變化最大，占比為16.23%，高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中高溫區(qū)面積累計減少745.45 km2，占比達7.82%，中低溫、次低溫、低溫區(qū)面積累計增加2291.68 km2，增加比例高達24.05%。這與全區(qū)內加強濕地管理，進行一系列濕地保護規(guī)劃和保護恢復等工作密不可分，說明濕地對研究區(qū)的局地氣候起到明顯的降溫作用。冷季同暖季有一定的類似，冷季較高溫度區(qū)域的面積在濕地修復后有一定的下降，中溫區(qū)面積變化仍最大，增加比例為9.02%，高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中高溫區(qū)累積面積減少855.92 km2，占比為8.9%，而中低溫、次低溫、低溫區(qū)累積面積減少3.33 km2。分析冷、暖季的差異，主要原因是研究區(qū)冷季采取供暖措施，造成研究區(qū)冷季城市熱島效應高于暖季，溫度等級整體呈現(xiàn)“冷季＞暖季”。

圖4 寧夏平原熱場等級面積統(tǒng)計Fig. 4 Thermal grade area of Ningxia Plain in four period

2.2.2 沙湖濕地降溫范圍變化

為確定濕地對地表溫度的影響范圍，考慮沙湖濕地的修復面積最大，故選取沙湖作為典型濕地，以沙湖中心點為質心構成半徑為300 m的圓域，圍繞此中心圓建立緩沖區(qū)，緩沖區(qū)間隔為300 m，形成10個緩沖區(qū)，以距離中心圓第i個緩沖區(qū)域內的平均地表溫度（ti，℃）與中心圓內平均地表溫度（t0，℃）的差值（Δt，℃）作為衡量研究區(qū)濕地降溫效應貢獻源區(qū)的標準：

由圖5可知，濕地修復前，暖季沙湖的降溫效應至 1200 m以后趨于平穩(wěn)，最大降溫可達到4.1 ℃；冷季沙湖對周圍地表溫度產生顯著影響的范圍為600 m，降溫幅度為0.5 ℃。這主要是由于半干旱地區(qū)冷季平均風速較小，湖面結冰，蒸發(fā)能力弱，導致冷季沙湖對局地溫度的影響小于暖季。進行濕地修復工程后，濕地降溫效應顯著提高，暖季沙湖的降溫效應可延伸至 1500 m，最大降溫可達 4.8 ℃；冷季降溫范圍為 600 m，降溫幅度約0.6 ℃。

圖5 沙湖濕地降溫范圍Fig. 5 The cooling range of Shahu wetland in four period

2.2.3 感熱通量的時空變化特征

由圖6可知，在平羅縣、銀川市等快速城市化地區(qū)，其暖季的感熱通量值由濕地修復前的中高值區(qū)（90～178 W·m-2）變?yōu)樾迯秃蟮闹兄祬^(qū)（48～153 W·m-2），冷季的感熱通量由修復前的次低值區(qū)（-13～28 W·m-2）變?yōu)樾迯秃蟮牡椭祬^(qū)（≤-7 W·m-2）；在惠農、永寧等農業(yè)發(fā)達地區(qū)，其暖季的感熱通量由修復前的中值區(qū)（2～90 W·m-2）變?yōu)樾迯秃蟮拇蔚椭祬^(qū)（-60～48 W·m-2），冷季的潛熱通量由修復前的低值區(qū)（≤-13 W·m-2）變?yōu)樾迯秃蟮拇蔚椭祬^(qū)（-7～43 W·m-2）?？傮w上，研究區(qū)感熱通量值呈“暖季＞冷季”的季節(jié)變化規(guī)律，不同地物類型的感熱通量呈“建筑地、裸地＞植被/耕地＞濕地”的空間分布規(guī)律；濕地修復后冷、暖季的感熱通量值均呈降低趨勢，表明濕地具有降溫效應。

2.2.4 潛熱通量的時空變化特征

圖6 寧夏平原濕地修復前（左）濕地修復后（右）感熱通量空間分布Fig. 6 Spatial distribution of sensible heat flux(H) in Ningxia Plain before wetland restoration (left) and after wetland restoration (right)Ⅰ：低感熱通量Low H；Ⅱ：次低感熱通量Sub～low H；Ⅲ：中低感熱通量Mid～low H；Ⅳ：中感熱通量Mid H；Ⅴ：中高感熱通量Mid～high H；Ⅵ：次高感熱通量Sub～high H；Ⅶ：高感熱通量High H

由圖7可知，在平羅縣、銀川市等快速城市化地區(qū)，其暖季的潛熱通量由修復前的低值區(qū)（-158～18 W·m-2）變?yōu)樾迯秃蟮拇蔚椭祬^(qū)（-44～65 W·m-2），冷季的潛熱通量由修復前的中值區(qū)（18～106 W·m-2）變?yōu)樾迯秃蟮拇蔚椭祬^(qū)（65～174 W·m-2）；河流濕地暖季的潛熱通量由修復前的次高值區(qū)（284～391 W·m-2）變?yōu)樾迯秃蟮母咧祬^(qū)（282～372 W·m-2），河流和非河流濕地冷季的潛熱通量均由修復前的中高值區(qū)（198～248 W·m-2）變?yōu)樾迯秃蟮拇胃咧祬^(qū)（147～198 W·m-2）?？傮w上，研究區(qū)潛熱通量呈“暖季＞冷季”的季節(jié)變化規(guī)律，不同地物類型的潛熱通量呈“濕地＞植被/耕地＞建筑地、裸地”的空間分布規(guī)律；濕地修復后，研究區(qū)冷、暖季潛熱通量值總體上均呈上升趨勢，暖季整體潛熱值提高 94 W·m-2，冷季整體提高 28 W·m-2，濕地潛熱值明顯高于其他地物類型，表明濕地具有增濕效應。

2.2.5 波文比倒數(shù)對局地氣候的影響分析

波文比倒數(shù)是潛熱通量與感熱通量之比，是表示能量分配的重要指標。由圖8可知，非河流濕地和河流濕地的波文比倒數(shù)值遠大于研究區(qū)其他土地利用類型的平均值且4個典型日的波文比倒數(shù)平均值均大于5，非河流濕地該值高達8.26。其他土地利用類型，波文比倒數(shù)值均低于 2，建筑地和裸地區(qū)域主要分布在 0.2以下，植被和耕地區(qū)域主要分布在 1.5～3之間。濕地區(qū)域的波文比倒數(shù)呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化：暖季＞冷季，且水體對改善城市熱環(huán)境的作用優(yōu)于具有相同面積的植被。

圖7 寧夏平原濕地修復前（左）濕地修復后（右）潛熱通量空間分布Fig. 7 Spatial distribution of latent heat flux(LE) in Ningxia Plain in four period before wetland restoration (left) and after wetland restoration (right)Ⅰ：低潛熱通量Low LE；Ⅱ：次低潛熱通量Sub-low LE；Ⅲ：中低潛熱通量Mid-low LE；Ⅳ：中潛熱通量Mid LE；Ⅴ：中高潛熱通量Mid-high LE；Ⅱ：次高潛熱通量Sub-high LE；Ⅲ：高潛熱通量High LE

圖8 寧夏平原四個時期不同土地利用類型平均波文比倒數(shù)Fig. 8 Inverse of bowen～ratio from different land use types in Ningxia Plain in four period

3 討論

3.1 濕地修復前后的面積變化

近 17年來，寧夏平原河流濕地面積總趨勢呈減少態(tài)，主要是由黃河徑流量減小、氣候變暖和研究區(qū)對河流濕地資源過度開發(fā)利用造成的；研究區(qū)成功實施大面積的濕地保護和修復工作后，非河流濕地面積呈增加態(tài)勢，使得研究區(qū)濕地總面積呈增加趨勢。自2003年研究區(qū)修復湖泊等濕地資源后，非河流濕地呈大面積連通狀，以群帶狀存在，植被/耕地類型所占比例明顯增加，這一結論與侯瑞萍（2015）對近20年來寧夏濕地動態(tài)與植被特征研究的結論基本一致。

3.2 濕地面積變化對局地氣候的影響

地表熱通量對氣候的調節(jié)功能主要表現(xiàn)在熱量交換及水汽循環(huán)方面，濕地和附近的土壤表面通過水汽蒸發(fā)、植被蒸騰和水陸間湍流運動等過程，間接或直接影響到周圍局地氣候。2005年以來，寧夏施行了“加快推進城鎮(zhèn)化建設”等一系列政策，銀川、平羅等城市地區(qū)工業(yè)發(fā)展迅速，北部的惠農，南部的永寧等地區(qū)農業(yè)種植面積大，植被覆蓋度高，全區(qū)范圍內濕地區(qū)的感熱通量值均處于低值區(qū)，與王煜東等（2016）對南京不同下墊面的感熱通量的時空變化規(guī)律一致，這主要是由于水體本身感熱值低，蒸散發(fā)作用強，且水-陸間湍流運動強，可降低周圍氣溫，說明濕地群對周圍大氣有降溫作用。濕地修復后，冷季典型濕地可使周圍氣溫最大降低0.6 ℃，暖季典型濕地可使周圍氣溫最大降低4.8 ℃，與崔麗娟等（2015）對北京典型城市濕地小氣候的研究結論“濕地最大降溫效果為4.4 ℃”較接近。修復后，冷季降溫范圍為600 m，暖季降溫范圍可延伸到1500 m，Hou et al.（2013）研究北京典型濕地的降溫范圍為300 m，與本研究結果存在差異的原因是沙湖的面積大于Hou et al.（2013）選取的幾個北京典型濕地。

城市下墊面與大氣水汽交換弱、蒸發(fā)能力小，而濕地及植被等下墊面具有水汽蒸發(fā)充分和熱容量大的特點，研究區(qū)快速城市化發(fā)展的同時潛熱值仍呈上升趨勢，說明研究區(qū)近 17年來進行濕地及綠化帶的修復擴張等工作使得研究區(qū)整體空氣濕度提高，這對提高半干旱地區(qū)的人體舒適度、改善農作物生長環(huán)境均有重要生態(tài)意義。

4 結論

（1）近 17年來，寧夏平原河流濕地面積減少了20.48 km2，非河流濕地面積增加了73.88 km2，濕地總面積增加了 53.4 km2，總濕地面積增加了1.86%。

（2）寧夏平原濕地總面積的增加對局地氣候有明顯的降溫作用。濕地修復后，地表熱環(huán)境降溫作用顯著增強，典型濕地沙湖在暖季的降溫效應可延伸至1500 m，最大降溫可達4.8 ℃；冷季其降溫范圍為600 m，降溫幅度約0.6 ℃。

（3）寧夏平原感熱通量呈“暖季＞冷季”的時間變化規(guī)律，呈“建筑地、裸地＞植被/耕地＞濕地”的空間分布規(guī)律；總濕地面積的增加使研究區(qū)冷、暖季的感熱通量值均呈降低趨勢，整體感熱值暖季下降了 25～62 W·m-2，冷季下降了 6～43 W·m-2。潛熱通量的時間變化規(guī)律與感熱通量一致，而空間分布規(guī)律與感熱通量相反；總濕地面積的增加使研究區(qū)暖季和冷季整體潛熱通量分別提高了 47～114 、21～68 W·m-2。

（4）寧夏平原的波文比倒數(shù)呈“暖季＞冷季”的時間變化規(guī)律。對于城區(qū)而言，濕地對城市熱環(huán)境的改善作用優(yōu)于具有相同面積的其他地物類型。