基于遙感的農(nóng)田等土地利用變化對(duì)氣象探測(cè)環(huán)境的影響評(píng)估

夏靜雯， 王增輝， 王晶， 周杰

(寧波市鄞州區(qū)氣象局，浙江 寧波 315194)

國家基本氣象站是根據(jù)全國氣候分析和天氣預(yù)報(bào)的需要所設(shè)置的地面氣象觀測(cè)站，為了保證氣象探測(cè)設(shè)施準(zhǔn)確獲取氣象觀測(cè)信息，氣象觀測(cè)站周邊探測(cè)環(huán)境必需實(shí)行分類保護(hù)、分級(jí)管理。但是隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，氣象探測(cè)環(huán)境已發(fā)生較大改變，進(jìn)而影響氣象探測(cè)資料的準(zhǔn)確性。以往對(duì)于氣象探測(cè)環(huán)境的評(píng)估多是基于臺(tái)站歷史資料或?qū)嵉乜睖y(cè)，具有一定的局限性，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，長時(shí)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(cè)站周邊環(huán)境的時(shí)空演變特征。

本文利用美國陸地衛(wèi)星(LandSat)系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)鄞州和石浦2個(gè)國家基本氣象站周邊探測(cè)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，定量分析氣象站周邊農(nóng)田等覆蓋情況的時(shí)空演變特征，以此來為開展城市熱島、氣候變化研究提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

本文所使用的衛(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(cè)地球資源與環(huán)境的系列地球觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)，為近極地太陽同步軌道。

1972—1984年，美國陸續(xù)發(fā)射了LandSat 1～5衛(wèi)星，其中LandSat 1～3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)，MSS有4個(gè)波段，空間分辨率為80 m；LandSat4～5衛(wèi)星搭載了MSS和專題制圖儀(TM)，TM有7個(gè)波段，空間分辨率為30 m(波段6為120 m)。

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增加了一個(gè)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

本文選取了1980年以來的MSS、TM、ETM+、OLI衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，以5 a為間隔，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(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/覆蓋(LUCC)屬性值。

1.3 LUCC提取

本文選取了鄞州國家基本站為中心生成半徑分別為1、2.5和5 km的緩沖區(qū)矢量數(shù)據(jù)，以不同的緩沖區(qū)切割解譯后的衛(wèi)星影像，同時(shí)將緩沖區(qū)內(nèi)的土地利用類型分為農(nóng)田(含耕地、植被等)、水體、城建3類，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的數(shù)據(jù)。

根據(jù)鄞州國家基本氣象站的臺(tái)站歷史數(shù)據(jù)可知，該站1953年1月建成時(shí)在寧波市桂井街30號(hào)；1960年10月遷移到虹橋巷大鵬橋，即后來的百丈東路83號(hào)“城郊”(現(xiàn)名為舟孟北路8弄)；1994年10月遷入新河路396號(hào)；2008年5月搬入天童南路1858號(hào)；2016年1月1日搬入石碶街道黃隘村東側(cè)奉化江邊。石浦國家基本氣象站自建站以來一直位于象山縣石浦鎮(zhèn)東門漁村所在的東門島上，因此，以海島邊界為緩沖區(qū)切割得到解譯后的衛(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)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄞州國家基本氣象站周邊探測(cè)環(huán)境評(píng)估

鄞州國家基本氣象站所在的鄞州區(qū)作為計(jì)劃單列市寧波的核心城區(qū)，近年來經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，2019年GDP總量達(dá)到2 211億元，位列“全國綜合實(shí)力百強(qiáng)區(qū)”第四。隨著鄞州城市化進(jìn)程的持續(xù)加快，鄞州國家基本氣象站周邊的探測(cè)環(huán)境也在不斷變化。

圖1給出1980、1985和1990年以鄞州國家基本氣象站為圓心、半徑5 km區(qū)域內(nèi)土地利用類型的變化，圖中綠色代表農(nóng)田、藍(lán)色代表水體、紅色代表城建，黑色圓點(diǎn)代表鄞州站所在位置，此階段鄞州站位于舟孟北路8弄。由圖可以看出，10 a土地利用類型發(fā)生了明顯變化，鄞州站周圍城建用地面積不斷增大、農(nóng)田面積不斷減小，氣象站已經(jīng)逐漸深入城市內(nèi)部，因此，1994年鄞州站進(jìn)行了遷站。

圖1 1980年(a)、1985年(b)和1990年(c)鄞州國家基本氣象站周邊5 km區(qū)域內(nèi)土地利用類型變化

圖2給出1995、2000和2005年鄞州站周邊5 km區(qū)域內(nèi)土地利用類型變化，此階段鄞州站搬遷至新河路396號(hào)。由圖可以看出，此次遷站并未改變氣象站“進(jìn)城”的狀況，鄞州站周邊城建面積所占比例仍舊不斷增大，至2005年鄞州站周邊5 km區(qū)域內(nèi)有超過九成的土地為城建用地，而農(nóng)田用地僅占5.62%，城市擴(kuò)建已嚴(yán)重影響氣象探測(cè)環(huán)境，氣象站已完全位于城市之中，因此，2008年鄞州站再次進(jìn)行遷站。

圖2 1995年(a)、2000年(b)和2005年(c)鄞州國家基本氣象站周邊5 km區(qū)域內(nèi)土地利用類型變化

圖3中a和b為2010和2015年鄞州站5 km區(qū)域內(nèi)土地利用類型的變化，此時(shí)鄞州站搬遷至天童南路1858號(hào)。由圖可以看出，此次遷站以后，鄞州國家基本氣象站周邊探測(cè)環(huán)境得到明顯改善，2010年氣象站周邊5 km區(qū)域內(nèi)農(nóng)田覆蓋率達(dá)到58.96%。但隨著寧波的高速發(fā)展，作為寧波中心城區(qū)的鄞州，城市隨之快速擴(kuò)張，僅過了5 a，至2015年鄞州站周邊原有的大量農(nóng)田等又被居住、工業(yè)用地等所代替，城建用地占比達(dá)到64%以上，而農(nóng)田所占比例僅為25.19%，氣象站再次“進(jìn)城”。因此，2016年鄞州站再次遷站。圖3中c為2020年鄞州國家站5 km區(qū)域內(nèi)土地利用類型的變化，此時(shí)鄞州站已搬遷石碶街道黃隘村東側(cè)奉化江邊。經(jīng)再次搬遷后，鄞州國家基本氣象站周邊探測(cè)環(huán)境得到有效改善，周邊有超半數(shù)的土地被農(nóng)田等覆蓋。

圖3 2010年(a)、2015年(b)和2020年(c)年鄞州國家基本氣象站周邊5 km區(qū)域內(nèi)土地利用類型變化

圖4定量給出了鄞州站1 km(圖a)、2.5 km(圖b)和5 km(圖c)區(qū)域內(nèi)各土地利用類型的變化情況，圖中柱體分別代表農(nóng)田用地、水體用地和城建用地。由圖可以看出，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，氣象站周邊農(nóng)田面積逐漸被城建用地代替，導(dǎo)致氣象站“進(jìn)城”。同時(shí)將鄞州站和石浦站的年平均氣溫差與土地利用類型相對(duì)比，可以看出隨著農(nóng)田面積的減小、城建面積的增大，作為城市站代表的鄞州國家基本氣象站和作為鄉(xiāng)村站代表的石浦國家基本氣象站之間的溫差也隨之增大。由此可見，城市化進(jìn)程導(dǎo)致的氣象站“進(jìn)城”，對(duì)氣溫觀測(cè)的影響不容忽視。

2.2 石浦國家基本氣象站周邊探測(cè)環(huán)境評(píng)估

石浦國家氣象站自建成以來一直位于象山縣石浦鎮(zhèn)東門島內(nèi)的東門漁村，東門漁村與石浦鎮(zhèn)城區(qū)隔港相望，漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，被譽(yù)為“浙江漁業(yè)第一村”。

1980—2020年石浦國家基本氣象站周邊區(qū)域內(nèi)的土地利用類型變化如圖5所示，因石浦站位于海島上，因此,研究區(qū)域以海島為界。圖6給出了石浦站所在海島的土地利用類型的變化情況。由圖5、6可知，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農(nóng)田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)站周邊農(nóng)田覆蓋率仍能達(dá)到63.4%。

圖4 鄞州國家基本氣象站周邊1 km(圖a)、2.5 km(圖b)、5 km(圖c)區(qū)域內(nèi)土地利用類型和鄞州、石浦站年平均氣溫差值變化

圖5 1980—2020年石浦國家基本氣象站周邊區(qū)域內(nèi)土地利用類型變化

圖6 石浦國家基本氣象站周邊區(qū)域內(nèi)土地利用類型變化

3 小結(jié)與討論

本文利用LandSat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)寧波市2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，農(nóng)田面積不斷縮減，導(dǎo)致氣象站“進(jìn)城”而不斷被>迫搬遷。而石浦國家基本氣象站位于海島，周邊探測(cè)環(huán)境保護(hù)較好，農(nóng)田等覆蓋率維持在較高比例。因此，在熱島效應(yīng)、氣候變化等研究中，站址未經(jīng)遷移、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家基本氣象站，其歷史氣象觀測(cè)資料具有很好的代表性，可作為參考(對(duì)比)站點(diǎn)。

雖然通過遷站可以提升氣象站周邊農(nóng)田面積，有效改善氣象探測(cè)環(huán)境，但城市的不斷擴(kuò)張又會(huì)使得氣象觀測(cè)站再次“進(jìn)城”。因此，氣象探測(cè)環(huán)境的保護(hù)是一項(xiàng)長期而持久的工作，定期對(duì)氣象站周邊區(qū)域的土地利用/覆蓋類型(LUCC)進(jìn)行評(píng)估及了解周邊農(nóng)田覆蓋情況也就顯得必不可少。而相比于紙質(zhì)的臺(tái)站探測(cè)環(huán)境歷史資料，長時(shí)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(cè)站周邊環(huán)境的時(shí)空演變特征，可以更好地評(píng)估氣象觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性、代表性和比較性，以及城市化進(jìn)程對(duì)于氣象觀測(cè)的影響。