三峽水庫蓄水后庫區(qū)氣候要素變化趨勢分析

張靜　劉增進(jìn)　肖偉華　王賀佳

摘要：為獲取三峽水庫建成蓄水后各種水循環(huán)要素的變化情況，基于2004～2016年庫區(qū)12個沿江代表站的氣象數(shù)據(jù)，采用趨勢分析法和相關(guān)分析法研究了三峽庫區(qū)相關(guān)氣候要素的變化情況，并與前人的相關(guān)研究成果對比，探討其變化趨勢及變化原因。結(jié)果表明：水庫蓄水后，由于下墊面的改變，水庫年均氣溫呈弱的下降趨勢，年均降水量與降水日數(shù)增加，年均相對濕度減小，風(fēng)速增加，蒸發(fā)量下降;影響蒸發(fā)量的主要因素是年均氣溫、年均相對濕度與日照時數(shù)。研究成果可為氣候變化背景下三峽庫區(qū)水分、能量循環(huán)研究提供理論依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：降水量;蒸發(fā)量;氣候要素;統(tǒng)計分析;三峽水庫

中圖法分類號：P33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.020

三峽水庫自修建以來，其可能產(chǎn)生的局地氣候效應(yīng)就引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注，尤其是2003年水庫開始蓄水以后，庫區(qū)水位明顯提高，下墊面水域的擴(kuò)大會影響三峽庫區(qū)局地氣候，氣候變化也會影響水文循環(huán)，引起水資源在時空上的重新分配，并對降水、蒸發(fā)、徑流等造成直接影響。此前相關(guān)研究已有很多，但針對蓄水后各相關(guān)要素的對比分析研究則相對較少。因此，本文重點研究三峽水庫建成蓄水后，庫區(qū)各氣象要素的變化趨勢并分析其原因。目前的相關(guān)研究中，陳鮮艷、張強(qiáng)對三峽庫區(qū)周圍33個站點1961～2006年降水與溫度觀測資料進(jìn)行了時間與空間的分析。張?zhí)煊畈捎脜^(qū)域平均的算法，分析了1961～2008年庫區(qū)的氣候特征。韓慶忠對三峽庫首典型區(qū)2001～2010年各氣象因子變化進(jìn)行了趨勢分析與研究。之前的研究或只分析建庫前長時間系列的變化或建庫前后的對比分析，但包含氣候因素較少，時間上也相對較短。本文基于前人對三峽庫區(qū)多年水循環(huán)要素變化趨勢的研究結(jié)果，對2004～2016年各要素觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，對比三峽水庫建庫蓄水前后庫區(qū)水循環(huán)要素的變化趨勢，在全球氣候變化背景下，結(jié)合其下墊面的改變，研究其變化趨勢，對理解三峽庫區(qū)水文循環(huán)規(guī)律和能量循環(huán)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)地處四川盆地與長江中下游平原的結(jié)合部，跨越鄂中山區(qū)峽谷及川東嶺谷地帶，西起重慶江津，東至湖北宜昌，包括重慶市22個縣（區(qū)）以及湖北省的4個縣，總面積約5.8萬km2。其特殊的地理位置決定了其獨特的氣候變化，庫區(qū)為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，冬季短夏季長，降雨豐沛但季節(jié)分配不均，冬干、夏雨、伏旱、秋淋。

1.2 數(shù)據(jù)來源

三峽水庫宜昌庫首向西分布的12個沿江代表站（重慶、長壽、涪陵、豐都、忠縣、萬州、云陽、奉節(jié)、巫山、巴東、秭歸、宜昌）2004～2016年相關(guān)資料數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）。該數(shù)據(jù)包括氣溫、降水量、蒸發(fā)量、相對濕度、平均風(fēng)速、日照時數(shù)等。

1.3 分析方法

采用線性趨勢法分析庫區(qū)各要素的年度和季度變化趨勢。采用回歸模型、相關(guān)分析法5]，分析年均氣溫、年降水量、年蒸發(fā)量、年均風(fēng)速、年日照總時數(shù)、年均相對濕度之間的關(guān)系，確定年蒸發(fā)量的主要影響因子及影響關(guān)系。同時計算了12個沿江代表站相關(guān)氣候要素年值和月值的逐年變化與區(qū)域平均的相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)通過了P<0.01的顯著性水平檢驗，因此可以用均值代表三峽庫區(qū)氣候要素的變化情況。

本文利用SPSS 19.0分析各氣候要素與蒸發(fā)量在年尺度上的相關(guān)性及月尺度上的相關(guān)性并用Origin2018作圖。

2 計算分析

2.1 溫度變化趨勢

氣溫是反映熱量特征的重要指標(biāo)之一，已成為自然區(qū)劃、地域熱量資源分析和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力評估的重要參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于溫室效應(yīng)、熱島效應(yīng)、城市化過程等研究領(lǐng)域。因此，分析三峽庫區(qū)氣溫變化趨勢也是反映其區(qū)域氣候變化的重要標(biāo)識因素之一。

在之前研究中，林德生、吳昌廣對庫區(qū)周邊32個氣象站1960～2006年氣溫變化趨勢的研究結(jié)果顯示呈上升趨勢;廖要明分析了三峽庫區(qū)5個代表站1951～2006年夏季的氣候變化特征，發(fā)現(xiàn)其平均氣溫.呈下降趨勢;張強(qiáng)等根據(jù)三峽水庫周邊氣候考察站1992～2004年逐日氣溫資料，研究發(fā)現(xiàn)其平均氣溫有上升趨勢，但對比2003年與2004年平均氣溫，得出結(jié)論：水庫蓄水后對水域周圍地區(qū)起到了降溫的作用。

本文根據(jù)區(qū)域平均的方法，取12個沿江站點的平均值，得出自三峽庫區(qū)蓄水后自2004～2016年的年平均氣溫為18.19C。通過分析歷年年均氣溫序列可以發(fā)現(xiàn)，庫區(qū)蓄水后年平均氣溫總體上呈下降趨勢（圖1）。

圖2為三峽庫區(qū)2004～2016年多年平均季節(jié)的氣溫變化趨勢圖（3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月～次年2月為冬季）。春、夏、秋、冬四季溫度變化率分別為-0.0469，-0.0523，-0.005，0.0694，春、夏、秋呈降溫趨勢，冬季增溫趨勢。其中，冬季變化速率較為明顯，秋季變化速率最小。

之前的研究只有蓄水后兩三年的年均氣溫對比情況，本文擴(kuò)展到了蓄水后13a來的平均氣溫變化趨勢，分析可見，水庫蓄水后對近庫區(qū)有降溫作用，而且確實有“冬季增溫，夏季降溫”的作用。

2.2 降水量、降水日數(shù)變化趨勢

三峽庫區(qū)所包含的重慶和湖北部分地區(qū)，地表水、地下水主要依賴于降水補(bǔ)給，所以研究降水量的變化趨勢有助于分析徑流的變化情況，同時降水日數(shù)也可以在一定程度上表征降水，因此，本文結(jié)合降水日數(shù)來分析平均降水量的年際和年內(nèi)變化情況。

針對三峽庫區(qū)的不同降水特征前人已有研究。陳祥義等研究了1951～2012年三峽庫區(qū)的降水時空變化，得出：62a中年均降水量和降水日數(shù)都有減少趨勢，且降水日數(shù)的減少趨勢更加明顯。張?zhí)煊畹认到y(tǒng)分析了庫區(qū)17個氣象站1961～2008年的氣候變化特征，發(fā)現(xiàn)年降水量為弱的減少趨勢，年降水日數(shù)線性減少。張樹奎認(rèn)為三峽水庫運行前45a與運行后6a的時間內(nèi)的年降水與四季降水并無明顯變化。

本文通過分析2004～2016年年均降水量的變化情況，最大降水量和最大降水日數(shù)均出現(xiàn)在2016年，分別為1229.8mm和145.4d，從圖3～4可看出，庫區(qū)蓄水后近十幾年來，年均降水量和降水日數(shù)均呈顯著上升趨勢，從變化的速率來看，蓄水后年均降水日數(shù)的增加速率顯然高于降水量的增長速率。降水日數(shù)和降水量的不同步變化，意味著旱澇災(zāi)害發(fā)生的可能性增加12]，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生極大的威脅。

2.3 蒸發(fā)量變化

蒸發(fā)作為水分與能量轉(zhuǎn)換的樞紐環(huán)節(jié)，是決定天氣與氣候條件的重要因子，在全球水陸循環(huán)與氣候演變中起重要作用。王艷君等對長江流域1961～2000年蒸發(fā)量變化趨勢研究結(jié)果表明13：近40a來長江流域年實際蒸發(fā)量呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。廖要明通過系統(tǒng)地分析三峽庫區(qū)1951～2006年夏季的氣候變化的，得出：三峽庫區(qū)從1951年以來夏季區(qū)域平均蒸發(fā)量與長江流域全年蒸發(fā)量變化趨勢保持一致，呈下降趨勢。張祎分析了1984～2005年宜昌地區(qū)水面蒸發(fā)量的時空分布，從逐年變化情況來看，蒸發(fā)量有減少趨勢。近年來，自三峽水庫蓄水后，其蒸發(fā)量變化呈顯著下降趨勢（圖5），且蒸發(fā)量的下降速率大于降水量的增加速率。

2.4 年日照時數(shù)、相對濕度與風(fēng)速

表1給出了三峽水庫蓄水以來（2004～2016年），庫區(qū)年均相對濕度與風(fēng)速?？梢钥闯?，2004年以來，三峽庫區(qū)年均相對濕度與風(fēng)速均呈現(xiàn)增加趨勢，其平均值分別為74%，1.3m/s;年日照時數(shù)呈下降趨勢，多年平均年日照時數(shù)為1308h。與建庫前多年的變化趨勢相比，年均相對濕度平均值有所降低，但單從2004～2016年來看，其呈現(xiàn)增加趨勢。年平均風(fēng)速與建庫前相比呈增加趨勢，年日照時數(shù)呈下降趨勢。

3 結(jié)果和討論

與蓄水前相比，庫區(qū)內(nèi)氣溫有微弱的下降趨勢，由于本文采用的沿江代表站，因此結(jié)論也只是針對近庫區(qū)的平均氣溫。庫區(qū)下墊面由原來的陸地轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，而水體的輻射性質(zhì)、熱容、導(dǎo)熱率等均與陸地不同，所以會改變庫區(qū)與大氣之間的熱交換，這也是水庫蓄水使得近庫區(qū)“冬季增溫，夏季降溫”的原因。

水庫蓄水后年均降水量呈增加趨勢，降水量的變化與大氣水循環(huán)有關(guān)，大氣中的水分循環(huán)有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)，外循環(huán)即按地球自轉(zhuǎn)規(guī)律，水汽隨大氣環(huán)流進(jìn)行輸送，內(nèi)循環(huán)即局部區(qū)域內(nèi)大氣局地環(huán)流中的水分循環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)，就自然降水而言，外循環(huán)的水汽對各地降雨的影響遠(yuǎn)超過內(nèi)循環(huán)水汽對各地降雨的影響。除大氣水分外循環(huán)，作為典型的河道型水庫，蓄水后水體面積擴(kuò)大，使得其與局地特殊地形相耦合造成水汽與風(fēng)場的變化，引起局地水循環(huán)變化，從而也會導(dǎo)致降水的變化。

蓄水后水面的擴(kuò)大使得風(fēng)速增加，主要是由于水面的粗糙度比陸面小，而空氣濕度的變化會受到風(fēng)速和氣溫的影響，風(fēng)速增加相對濕度則會降低。

蒸發(fā)量的變化不是單個因素的影響造成的，而是多因素共同作用的結(jié)果。為深入分析三峽水庫蓄水后年蒸發(fā)量變化的主要影響因子，對各氣候因子與蒸發(fā)量進(jìn)行相關(guān)性分析（見表2）。結(jié)果顯示，在年尺度上，各氣候因子與蒸發(fā)量的相關(guān)性均達(dá)到了顯著性水平。其中氣溫與蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)最大且為正相關(guān)，年均相對濕度與蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在月尺度上，年均相對濕度、年均氣溫、年日照時數(shù)與蒸發(fā)量的相關(guān)性達(dá)到了顯著性水平，年均氣溫和年日照時數(shù)與蒸發(fā)量為正相關(guān)關(guān)系，其余為負(fù)相關(guān)。其中年均氣溫與蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)最大，年均相對濕度次之，年降水量與年蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)最小。

從以上分析得知，三峽水庫蓄水后影響年蒸發(fā)量變化的主要因子是年均氣溫、年日照時數(shù)、年均相對濕度。因此，本文在此基礎(chǔ)，上對年蒸發(fā)量進(jìn)行線性擬合，結(jié)果顯示，擬合方程的決定系數(shù)均較高（表3）。

為進(jìn)一步了解各氣象要素對年蒸發(fā)量產(chǎn)生的綜合影響效應(yīng)，選取以上3個氣候因素為自變量，構(gòu)建庫區(qū)內(nèi)年蒸發(fā)量的多元回歸方程：

公式

式中，E為庫區(qū)年蒸發(fā)量;x1為庫區(qū)年均氣溫;x2為庫區(qū)年日照時數(shù);x3為庫區(qū)年均相對濕度。方程相關(guān)系數(shù)為0.883，通過了顯著性水平為0.01的檢驗，表明年均氣溫對庫區(qū)蒸發(fā)量的影響最大，這一結(jié)果與相關(guān)分析的結(jié)果保持一致。

4 結(jié)論

（1） 三峽水庫蓄水后年均氣溫呈弱的下降趨勢且近庫區(qū)有冬季氣溫增加、夏季氣溫降低的趨勢。但只是蓄水后短系列年的相對變化趨勢。其原因主要是由于庫區(qū)大面積的陸地轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，而水體的輻射性質(zhì)、熱容、導(dǎo)熱率等均與陸地不同，所以會改變庫區(qū)與大氣之間的熱交換，從而使得近庫區(qū)“冬季增溫，夏季降

（2） 由于建庫后水體面積擴(kuò)大，使得其與局地特殊地形相耦合造成水汽與風(fēng)場的變化，加，上大氣外循環(huán)的相互作用，使得蓄水后降水量與降水日數(shù)均呈增加趨勢。

（3） 蓄水后由于水面面積擴(kuò)大且水面的粗糙度比陸面小，使得風(fēng)速增加，年均相對濕度減小。

（4） 蓄水后蒸發(fā)量呈下降趨勢，影響蒸發(fā)量的主要因素是年均氣溫、年均相對濕度與日照時數(shù)。

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引用本文：張靜，劉增進(jìn)，肖偉華，王賀佳.三峽水庫蓄水后庫區(qū)氣候要素變化趨勢分析[J].人民長江，2019，50（3）：113-116.

Analysis on variation trend of climate factors in Three Gorges Reservoir area after impoundment

ZHANG Jing'，LIU Zengjin'，XIAO Weihua2，WANG Hejia2

（1. School of Water Conservancy，North China Universily of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China;2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Bejing 100038，China）

Abstract：In order to obtain the variation of the water cycle elements in Three Gorges Reservoir area after impoundment，westudied the variation trend of climate factors by trend analysis method and related analysis method based on the meteorological da-ta of 12 representative stations along the Yangtze River in the reservoir area from 2004 to 2016. Furthermore，we explored thecauses for the change by comparing the results with relevant research of predecessors. The results showed that：after the reservoirimpoundment，for the change of the underlying surface，the annual average temperature weakly decreased，the annual averageprecipitation and precipitation days increased，the annual average relative humidity decreased，the wind speed increased，and theevaporation decreased. The main factors affecting evaporation were annual average temperature，annual average relative humidityand sunshine duration. The results can provide theoretical basis and reference for the study of water and energy cycle in the ThreeGorges Reservoir area under the background of climate change.

Key words：precipitation;evaporation;climatic factors;statistical analysis;Three Gorges reservoir