夏靜雯，高愛(ài)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(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題，IPCC第5次評(píng)估報(bào)告指出，氣候系統(tǒng)的變暖是明確無(wú)誤的，“人類活動(dòng)導(dǎo)致了20世紀(jì)中葉以來(lái)一半以上的全球氣候變暖”這一結(jié)論的可信度超過(guò)95%[1]。熱島效應(yīng)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(xué)者對(duì)于城市熱島的研究多是將地面氣象觀測(cè)臺(tái)站劃分為城市站和鄉(xiāng)村站，再對(duì)比兩類臺(tái)站之間氣溫序列的差異[3-5]。但是以往對(duì)于城市站和鄉(xiāng)村站的劃分只是基于臺(tái)站探測(cè)環(huán)境歷史資料或城市總?cè)丝诘群?jiǎn)單的指標(biāo)，而忽略了氣象站搬遷及城區(qū)擴(kuò)張使鄉(xiāng)村站“進(jìn)城”等因素的影響。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，長(zhǎng)時(shí)間序列、高分辨率的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以用來(lái)更加精確、具體、直觀地重現(xiàn)氣象觀測(cè)站周邊環(huán)境的時(shí)空演變特征[6-9]，可被用來(lái)更好地評(píng)估城市熱島研究中指標(biāo)站的代表性。同時(shí)，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(biāo)[10]，可用于定量分析城市化進(jìn)程與城市熱島效應(yīng)、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(guó)家基本氣象站和石浦國(guó)家基本氣象站這兩個(gè)具有代表性的寧波氣象觀測(cè)站周邊的LUCC變化，并對(duì)鄞州站和石浦站觀測(cè)到的氣溫動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行對(duì)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(jìn)程對(duì)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(guó)陸地衛(wèi)星(LandSat)系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，是美國(guó)用于探測(cè)地球資源與環(huán)境的系列地球觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)，為近極地太陽(yáng)同步軌道。

1972—1984年，美國(guó)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(dǎo)管攝像機(jī)(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(yùn)行的有Landsat-7和Landsat-8衛(wèi)星。Landsat-7衛(wèi)星搭載了8個(gè)波段的增強(qiáng)型專題制圖儀(ETM+)，覆蓋了從紅外線到可見(jiàn)光的不同波長(zhǎng)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(lán)色波段和短波紅外波段，可用于海岸帶觀測(cè)和云檢測(cè)。

1.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)解譯和LUCC提取

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

以國(guó)家1∶5萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)高程模型對(duì)寧波地區(qū)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行精確配準(zhǔn)，將影像的4、3、2波段進(jìn)行組合，同時(shí)選取晴天少云的天氣以避免大氣對(duì)圖像清晰度的影響，再采用決策樹(shù)法結(jié)合支持向量機(jī)SVW對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行解譯，并賦土地利用和土地覆蓋(LUCC)屬性值[14，15]。

以鄞州國(guó)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(jì)算出不同土地利用類型對(duì)應(yīng)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(guó)家基本氣象站自建站以來(lái)一直位于象山縣東門島上，因此以海島邊界為緩沖區(qū)對(duì)其進(jìn)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(shí)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(guó)家基本氣象站周邊探測(cè)環(huán)境評(píng)估

近年來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(dá)到了2211億元，位列“全國(guó)綜合實(shí)力百?gòu)?qiáng)區(qū)”第4。而石浦國(guó)家基本氣象站所在的東門島，漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，被譽(yù)為“浙江漁業(yè)第一村”。文章基于LandSat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)1980年以來(lái)兩個(gè)國(guó)家基本氣象站周邊的探測(cè)環(huán)境進(jìn)行分析，以此來(lái)定量評(píng)估寧波城市化發(fā)展進(jìn)程和熱島研究指標(biāo)站的代表性。

1980—1990年鄞州站位于舟孟北路8弄，這段時(shí)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(hào)。但此次遷站并未改變氣象站“進(jìn)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(guò)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(hào)。此次遷站以后，周邊探測(cè)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(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，城市快速擴(kuò)張，僅經(jīng)過(guò)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(jìn)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(cè)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(guó)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(cè)環(huán)境保護(hù)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(cè)站周邊植被覆蓋率仍能達(dá)到63.4%。

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

2.2 鄞州和石浦國(guó)家基本氣象站氣溫比較分析

文章對(duì)1953—2019年鄞州和石浦國(guó)家基本氣象站的氣溫變化進(jìn)行了分析，得出兩站氣溫總體上都呈增溫趨勢(shì)，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(jì)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(dá)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(jì)60—80年代，鄞州站年最高氣溫普遍較低，1965年甚至沒(méi)有出現(xiàn)35 ℃以上的高溫天氣；20世紀(jì)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(guò)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(shì)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(dòng)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(jì)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(duì)比站”，因此計(jì)算鄞州站和石浦站氣溫差值，可以用來(lái)衡量寧波城市熱島效應(yīng)[18，19]。從圖2中可以看出，20世紀(jì)60—80年代后期，鄞州站和石浦站觀測(cè)到的年平均氣溫基本相同，20世紀(jì)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(diǎn)，其中2005年溫差最大，達(dá)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(shì)，溫差增大趨勢(shì)達(dá)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(duì)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(guò)年最低氣溫差值的變化比較平穩(wěn)，沒(méi)有明顯的增加或減小趨勢(shì)。

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(duì)氣溫觀測(cè)影響的顯著性分析

為了更加定量地評(píng)估觀測(cè)場(chǎng)周圍土地利用和土地覆蓋類型對(duì)于氣溫觀測(cè)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(guò)了90%的顯著性檢驗(yàn)，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(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。這表明，鄞州國(guó)家基本氣象站周邊5 km區(qū)域內(nèi)的LUCC對(duì)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(yǔ)

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

鄞州國(guó)家基本氣象站周邊5 km區(qū)域內(nèi)的LUCC對(duì)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(lái)表征寧波城市熱島效應(yīng)，由此可見(jiàn)寧波城市化進(jìn)程對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響不容忽視。