基于LandSat的宁波城市化进程对气温的影响评估

夏静雯，高爱臻，王 晶，史浩辉

(1.鄞州区气象局，宁波 315194；2.宁波市气象网络与装备保障中心，宁波 315000)

0 引言

目前，全球气候变暖已成为社会热点问题，IPCC第5次评估报告指出，气候系统的变暖是明确无误的，“人类活动导致了20世纪中叶以来一半以上的全球气候变暖”这一结论的可信度超过95%[1]。热岛效应指的是城市气温明显高于郊区气温的现象[2]，在一定程度上也能作为反映气候变暖的参量。目前，学者对于城市热岛的研究多是将地面气象观测台站划分为城市站和乡村站，再对比两类台站之间气温序列的差异[3-5]。但是以往对于城市站和乡村站的划分只是基于台站探测环境历史资料或城市总人口等简单的指标，而忽略了气象站搬迁及城区扩张使乡村站“进城”等因素的影响。随着遥感技术的发展，长时间序列、高分辨率的遥感卫星数据可以用来更加精确、具体、直观地重现气象观测站周边环境的时空演变特征[6-9]，可被用来更好地评估城市热岛研究中指标站的代表性。同时，基于卫星遥感的土地利用和土地覆盖类型(LUCC)作为衡量城市化发展的重要指标[10]，可用于定量分析城市化进程与城市热岛效应、气候变化[11-13]等的关系。

文章将基于陆地卫星影像数据，并结合地理信息系统技术，分析鄞州国家基本气象站和石浦国家基本气象站这两个具有代表性的宁波气象观测站周边的LUCC变化，并对鄞州站和石浦站观测到的气温动态变化特征进行对比分析，建立基于LUCC与气温的模型，以此定量分析LUCC所表征的宁波城市化进程对城市热岛、气温变化等的影响。

1 数据与方法

1.1 卫星遥感数据

文章所使用的卫星遥感数据为美国陆地卫星(LandSat)系列卫星数据，是美国用于探测地球资源与环境的系列地球观测卫星系统，为近极地太阳同步轨道。

1972—1984年，美国陆续发射了LandSat-1—LandSat-5卫星，其中LandSat-1—LandSat-3卫星搭载了返束光导管摄像机(RBV)和多光谱成像仪(MSS)；LandSat-4—LandSat-5卫星搭载了MSS和专题制图仪(TM)。

目前仍在轨运行的有Landsat-7和Landsat-8卫星。Landsat-7卫星搭载了8个波段的增强型专题制图仪(ETM+)，覆盖了从红外线到可见光的不同波长范围。Landsat-8卫星于2013年发射，搭载了陆地成像仪(OLI)和热红外传感器(TIRS)，其中OLI增加了蓝色波段和短波红外波段，可用于海岸带观测和云检测。

1.2 卫星数据解译和LUCC提取

文章选取了1980年以来的MSS、TM、ETM+和OLI卫星影像数据，以5 a为时间间隔，整理出宁波地区的9期遥感影像数据。

以国家1∶5万基础地理信息数据中的数据高程模型对宁波地区的卫星影像数据进行精确配准，将影像的4、3、2波段进行组合，同时选取晴天少云的天气以避免大气对图像清晰度的影响，再采用决策树法结合支持向量机SVW对卫星影像进行解译，并赋土地利用和土地覆盖(LUCC)属性值[14，15]。

以鄞州国家基本气象站为中心生成半径1 km、2.5 km和5 km的缓冲区矢量数据，以不同的缓冲区切割后的卫星影像，将缓冲区内的土地利用类型分为植被、水体和城建3种，并由此计算出不同土地利用类型对应的面积，提取出鄞州站周边土地利用类型数据。而石浦国家基本气象站自建站以来一直位于象山县东门岛上，因此以海岛边界为缓冲区对其进行切割以得到解译后的卫星影像，并用同样的方法得到石浦站不同时期的土地利用类型数据。

1.3 多元线性回归方法

采用多元线性回归法[16]建立气温和LUCC之间的模型：

T=aPz+bPs+cPc+d

(1)

式中，T代表气温；Pz、Ps、Pc分别代表植被、水体、城建面积占总面积的百分比。

2 结果与分析

2.1 鄞州和石浦国家基本气象站周边探测环境评估

近年来经济社会高速发展，鄞州区作为宁波的核心城区，2019年GDP总量就达到了2211亿元，位列“全国综合实力百强区”第4。而石浦国家基本气象站所在的东门岛，渔业经济发达，被誉为“浙江渔业第一村”。文章基于LandSat系列卫星数据，对1980年以来两个国家基本气象站周边的探测环境进行分析，以此来定量评估宁波城市化发展进程和热岛研究指标站的代表性。

1980—1990年鄞州站位于舟孟北路8弄，这段时期周围城建用地面积不断增大，气象站逐渐深入城市内部，因此1994年鄞州站搬迁至新河路396号。但此次迁站并未改变气象站“进城”的状况，新站址周边城建面积仍不断增大，至2005年周边城建用地所占比例超过9成，气象站已完全位于城市之中，因此2008年鄞州站再次搬迁至天童南路1858号。此次迁站以后，周边探测环境得到改善，2010年气象站周边5 km区域内植被覆盖率接近60%。但是，随着鄞州经济社会的高速发展，城市快速扩张，仅经过5 a，至2015年鄞州站周边原有的大量植被等又被居住、工业用地等代替，植被所占比例降至25%，气象站再次“进城”，因此2016年鄞州站再次搬迁至石碶街道黄隘村东侧奉化江边。再次搬迁后，周边探测环境得到了有效改善，超半数的土地被植被覆盖。

1980—2020年石浦国家基本气象站周边区域内的土地利用类型出现了变化，由于石浦站位于海岛上，因此研究区域以海岛为界。石浦站周边区域内土地利用类型变化不大，探测环境保护得比较好，40 a间植被等覆盖率一直维持在57%～77%，城建用地一直低于42%，至2020年观测站周边植被覆盖率仍能达到63.4%。

综上所述，经济社会的发展和城市化进程的演变对鄞州站气象探测环境的影响较大，对石浦站的影响较小，因此在热岛效应、气候变化等研究中，位于城市环境内的鄞州国家基本气象站可被选作“城市站”，而站址未经迁移、远离城市、周边探测环境保护较好且未发生较大改变的石浦国家基本气象站，可以作为“乡村站/对比站”[17]。

2.2 鄞州和石浦国家基本气象站气温比较分析

文章对1953—2019年鄞州和石浦国家基本气象站的气温变化进行了分析，得出两站气温总体上都呈增温趋势，鄞州站增温速率高于石浦站(图1)。就年平均气温而言，20世纪90年代以前，气温普遍低于平均值，1986年以后气温显著升高，2007年达到峰值(鄞州站18.7 ℃，石浦站17.9 ℃)，随后又略有降低。

图1 1953—2019年鄞州站和石浦站年平均气温(a)、年最高气温(b)和年最低气温(c)的变化

20世纪60—80年代，鄞州站年最高气温普遍较低，1965年甚至没有出现35 ℃以上的高温天气；20世纪90年代以后年最高气温持续升高，2003、2005、2007、2009、2013年的最高气温都超过了40 ℃，其中2013年出现极端最高气温(42.1 ℃)；2014年起气温有所缓解。而石浦站年最高气温的增温趋势并不明显，增温速率仅为0.041 ℃/10 a，极端最高气温出现在1971年(38.8 ℃)，有近一半的年份气温都低于35 ℃。

两站年最低气温波动更为剧烈。鄞州站极端最低气温出现在1955年，为-8.8 ℃；石浦站的极端最低气温出现在1967年，为-7.9 ℃。20世纪90年代以后，两站年最低气温明显升高，特别是2019年，石浦站全年气温都在0 ℃以上。

综上所述，鄞州站可作为“城市站”，石浦站可作为“乡村站/对比站”，因此计算鄞州站和石浦站气温差值，可以用来衡量宁波城市热岛效应[18，19]。从图2中可以看出，20世纪60—80年代后期，鄞州站和石浦站观测到的年平均气温基本相同，20世纪90年代起，年平均气温差值显著加大，在1994、2005、2013年温差变化有比较明显的转折点，其中2005年温差最大，达到了1.1 ℃。鄞州站的年最高气温基本都高于石浦站，且差值呈现出逐步增大的趋势，温差增大趋势达到了0.435 ℃/10 a，2005年鄞州站的年最高气温比石浦站高5.1 ℃。对于年最低气温而言，鄞州站的年最低气温基本都低于石浦站，不过年最低气温差值的变化比较平稳，没有明显的增加或减小趋势。

图2 1953—2019年鄞州站和石浦站年平均气温差值、年最高气温差值和年最低气温差值的变化

2.3 不同半径范围内LUCC对气温观测影响的显著性分析

为了更加定量地评估观测场周围土地利用和土地覆盖类型对于气温观测的影响，文章还利用公式(1)构建鄞州站气温变量或鄞州-石浦站温差变量与LUCC所占百分比的关系模型。

结果表明，年平均气温差值和气象站周边5 km区域内LUCC的回归方程通过了90%的显著性检验，回归方程为：

ΔTave=-0.023Pz+0.015Pc-0.395，α=0.06

(2)

而其余气温变量或温差变量与LUCC的回归方程没有通过显著性检验。这表明，鄞州国家基本气象站周边5 km区域内的LUCC对平均气温温差的变化影响显著，其中城建面积越大温差越大，植被面积越大温差越小。

3 结束语

文章利用LandSat系列卫星数据，对宁波市两个具有代表性的气象观测站周边探测环境进行评估，分析表明，鄞州国家基本气象站地处宁波核心都市区，气象探测环境受城市化进程影响较大，植被面积不断缩减，导致气象站不断面临搬迁。而石浦国家基本气象站位于海岛，周边探测环境保护较好，植被等覆盖率维持在较高比例。

鄞州国家基本气象站周边5 km区域内的LUCC对平均气温温差的变化影响显著，城建面积越大温差越大，植被面积越大温差越小。而鄞州站和石浦站的平均气温温差可用来表征宁波城市热岛效应，由此可见宁波城市化进程对城市热岛效应的影响不容忽视。