基于遥感的农田等土地利用变化对气象探测环境的影响评估

夏静雯， 王增辉， 王晶， 周杰

(宁波市鄞州区气象局，浙江 宁波 315194)

国家基本气象站是根据全国气候分析和天气预报的需要所设置的地面气象观测站，为了保证气象探测设施准确获取气象观测信息，气象观测站周边探测环境必需实行分类保护、分级管理。但是随着经济社会的发展和城市化进程的加快，气象探测环境已发生较大改变，进而影响气象探测资料的准确性。以往对于气象探测环境的评估多是基于台站历史资料或实地勘测，具有一定的局限性，随着卫星遥感技术的发展，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。

本文利用美国陆地卫星(LandSat)系列卫星数据，对鄞州和石浦2个国家基本气象站周边探测环境进行评估，定量分析气象站周边农田等覆盖情况的时空演变特征，以此来为开展城市热岛、气候变化研究提供理论依据。

1 数据与方法

1.1 卫星遥感数据

本文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 1～5卫星，其中LandSat 1～3卫星搭载了返束光导管摄像机(RBV)和多光谱成像仪(MSS)，MSS有4个波段，空间分辨率为80 m；LandSat4～5卫星搭载了MSS和专题制图仪(TM)，TM有7个波段，空间分辨率为30 m(波段6为120 m)。

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增加了一个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

本文选取了1980年以来的MSS、TM、ETM+、OLI卫星影像数据，以5 a为间隔，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/覆盖(LUCC)属性值。

1.3 LUCC提取

本文选取了鄞州国家基本站为中心生成半径分别为1、2.5和5 km的缓冲区矢量数据，以不同的缓冲区切割解译后的卫星影像，同时将缓冲区内的土地利用类型分为农田(含耕地、植被等)、水体、城建3类，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的数据。

根据鄞州国家基本气象站的台站历史数据可知，该站1953年1月建成时在宁波市桂井街30号；1960年10月迁移到虹桥巷大鹏桥，即后来的百丈东路83号“城郊”(现名为舟孟北路8弄)；1994年10月迁入新河路396号；2008年5月搬入天童南路1858号；2016年1月1日搬入石碶街道黄隘村东侧奉化江边。石浦国家基本气象站自建站以来一直位于象山县石浦镇东门渔村所在的东门岛上，因此，以海岛边界为缓冲区切割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。

2 结果与分析

2.1 鄞州国家基本气象站周边探测环境评估

鄞州国家基本气象站所在的鄞州区作为计划单列市宁波的核心城区，近年来经济社会高速发展，2019年GDP总量达到2 211亿元，位列“全国综合实力百强区”第四。随着鄞州城市化进程的持续加快，鄞州国家基本气象站周边的探测环境也在不断变化。

图1给出1980、1985和1990年以鄞州国家基本气象站为圆心、半径5 km区域内土地利用类型的变化，图中绿色代表农田、蓝色代表水体、红色代表城建，黑色圆点代表鄞州站所在位置，此阶段鄞州站位于舟孟北路8弄。由图可以看出，10 a土地利用类型发生了明显变化，鄞州站周围城建用地面积不断增大、农田面积不断减小，气象站已经逐渐深入城市内部，因此，1994年鄞州站进行了迁站。

图1 1980年(a)、1985年(b)和1990年(c)鄞州国家基本气象站周边5 km区域内土地利用类型变化

图2给出1995、2000和2005年鄞州站周边5 km区域内土地利用类型变化，此阶段鄞州站搬迁至新河路396号。由图可以看出，此次迁站并未改变气象站“进城”的状况，鄞州站周边城建面积所占比例仍旧不断增大，至2005年鄞州站周边5 km区域内有超过九成的土地为城建用地，而农田用地仅占5.62%，城市扩建已严重影响气象探测环境，气象站已完全位于城市之中，因此，2008年鄞州站再次进行迁站。

图2 1995年(a)、2000年(b)和2005年(c)鄞州国家基本气象站周边5 km区域内土地利用类型变化

图3中a和b为2010和2015年鄞州站5 km区域内土地利用类型的变化，此时鄞州站搬迁至天童南路1858号。由图可以看出，此次迁站以后，鄞州国家基本气象站周边探测环境得到明显改善，2010年气象站周边5 km区域内农田覆盖率达到58.96%。但随着宁波的高速发展，作为宁波中心城区的鄞州，城市随之快速扩张，仅过了5 a，至2015年鄞州站周边原有的大量农田等又被居住、工业用地等所代替，城建用地占比达到64%以上，而农田所占比例仅为25.19%，气象站再次“进城”。因此，2016年鄞州站再次迁站。图3中c为2020年鄞州国家站5 km区域内土地利用类型的变化，此时鄞州站已搬迁石碶街道黄隘村东侧奉化江边。经再次搬迁后，鄞州国家基本气象站周边探测环境得到有效改善，周边有超半数的土地被农田等覆盖。

图3 2010年(a)、2015年(b)和2020年(c)年鄞州国家基本气象站周边5 km区域内土地利用类型变化

图4定量给出了鄞州站1 km(图a)、2.5 km(图b)和5 km(图c)区域内各土地利用类型的变化情况，图中柱体分别代表农田用地、水体用地和城建用地。由图可以看出，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，气象站周边农田面积逐渐被城建用地代替，导致气象站“进城”。同时将鄞州站和石浦站的年平均气温差与土地利用类型相对比，可以看出随着农田面积的减小、城建面积的增大，作为城市站代表的鄞州国家基本气象站和作为乡村站代表的石浦国家基本气象站之间的温差也随之增大。由此可见，城市化进程导致的气象站“进城”，对气温观测的影响不容忽视。

2.2 石浦国家基本气象站周边探测环境评估

石浦国家气象站自建成以来一直位于象山县石浦镇东门岛内的东门渔村，东门渔村与石浦镇城区隔港相望，渔业经济发达，被誉为“浙江渔业第一村”。

1980—2020年石浦国家基本气象站周边区域内的土地利用类型变化如图5所示，因石浦站位于海岛上，因此,研究区域以海岛为界。图6给出了石浦站所在海岛的土地利用类型的变化情况。由图5、6可知，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农田等覆盖率一直维持在57%～77%，城建用地一直低于42%，至2020年观测站周边农田覆盖率仍能达到63.4%。

图4 鄞州国家基本气象站周边1 km(图a)、2.5 km(图b)、5 km(图c)区域内土地利用类型和鄞州、石浦站年平均气温差值变化

图5 1980—2020年石浦国家基本气象站周边区域内土地利用类型变化

图6 石浦国家基本气象站周边区域内土地利用类型变化

3 小结与讨论

本文利用LandSat系列卫星数据，对宁波市2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，农田面积不断缩减，导致气象站“进城”而不断被>迫搬迁。而石浦国家基本气象站位于海岛，周边探测环境保护较好，农田等覆盖率维持在较高比例。因此，在热岛效应、气候变化等研究中，站址未经迁移、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，其历史气象观测资料具有很好的代表性，可作为参考(对比)站点。

虽然通过迁站可以提升气象站周边农田面积，有效改善气象探测环境，但城市的不断扩张又会使得气象观测站再次“进城”。因此，气象探测环境的保护是一项长期而持久的工作，定期对气象站周边区域的土地利用/覆盖类型(LUCC)进行评估及了解周边农田覆盖情况也就显得必不可少。而相比于纸质的台站探测环境历史资料，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，可以更好地评估气象观测资料的准确性、代表性和比较性，以及城市化进程对于气象观测的影响。