基于遙感數(shù)據(jù)的水庫局地氣溫調節(jié)功能分析
——以龍灘水庫為例

楊 青,楊廣斌,趙青松，戴 麗

(1.貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院,貴州 貴陽 550025;2.貴州省山地資源與環(huán)境遙感應用重點實驗室,貴州 貴陽 550025)

0 引言

大量研究表明，全球氣候變化趨勢是氣溫上升，降水區(qū)域變化的過程[1]。氣候變化對供水、防洪、水生態(tài)環(huán)境安全造成多方面的影響，并且不同區(qū)域的氣候變化特征都有所差別[2-4]。相關研究指出水庫蓄水對周圍氣溫具有白天降溫、夜間增溫的效應，并且冬季和夏季各有不同的增溫特點[5]。有關水庫對局地氣溫的調節(jié)作用傅抱璞[6]等提出,冬季多為增溫效應，而夏季多為減溫效應,即水域可以對周圍氣溫有一定的影響，冬季提高溫度,夏季降低溫度。陳華[7]等利用Mann-Kendall檢驗方法和空間插值方法,分析了漢江流域年和春、夏、秋、冬四季降水和氣溫變化趨勢的時空分布，得出近50 a來大部分地區(qū)氣溫呈上升趨勢。陳鮮艷[8]等通過1961—2010年逐日氣溫、降水等氣象觀測資料分析三峽庫區(qū)和長江流域等地區(qū)氣象要素的氣候長期變化趨勢,結果表明水庫蓄水后對庫區(qū)附近氣溫產生調節(jié)作用，夏季降溫和冬季增溫效應明顯。張強[9]等通過水庫周圍氣象站逐日氣溫資料水體對水庫氣候特點進行分析，得出水庫對周圍氣溫有白天降溫、夜間增溫的效應,增溫幅度比降溫幅度大,而且夏季大于冬季,降溫幅度夏季小于冬季。王娜[10]等利用陜西安康水庫上游氣象站點的氣候資料，分析得出研究區(qū)年平均氣溫呈增暖趨勢，蓄水后的平均氣溫高于蓄水前，并且冬季升溫幅度最大。劉紅年[11]等研究出水庫對氣溫影響的日變化規(guī)律冬季和其它季節(jié)不同,冬季是全天增溫,白天增溫幅度大,夜間增溫幅度小,其余季節(jié)在夜間使氣溫增加。

現(xiàn)有研究大多都是借助于氣象站點數(shù)據(jù)進行分析，鮮有結合遙感數(shù)據(jù)或直接利用遙感數(shù)據(jù)對水庫的調節(jié)功能進行分析。而遙感數(shù)據(jù)具有時效性高、覆蓋面廣、能對研究區(qū)進行動態(tài)監(jiān)測等特點[12]，本文采用通過遙感手段獲取的1 km柵格月平均氣溫數(shù)據(jù)集，結合氣象站點地面觀測數(shù)據(jù)，以期動態(tài)分析水庫局地氣溫在空間上的分布規(guī)律。

龍灘水庫是為修建中國第三大水電站——龍灘電站而在紅水河上形成的大(一)型水庫，主要庫區(qū)位于貴州省境內[13]。研究區(qū)氣候屬于干熱河谷氣候，干熱河谷氣候特點是日趨干熱[14]。貴州是中國西南喀斯特地區(qū)[15]，其特點是干熱河谷災變與石漠化災變復合并存。受石漠化與當?shù)鬲毺貧夂蛱卣鞯挠绊懀绮患訌娭卫?，就會引發(fā)地表的無序增溫，局地氣溫呈現(xiàn)上升趨勢，進而導致干熱河谷災變面積迅速擴大[16]。所以水庫對局地的氣候調節(jié)功能就顯得十分重要，需要對庫區(qū)周圍氣溫定期進行變化監(jiān)測和分析。

1 研究區(qū)概況

龍灘水電工程位于黔桂省區(qū)交界處,是南北盤江、紅水河水電開發(fā)的龍頭工程,是目前僅次于三峽工程的我國第2大水電工程,也是水電開發(fā)、防洪及航運規(guī)劃中的重點工程[17]，于2006年9月30日下閘蓄水[13]。龍灘水庫地處中國西南部，流域地處喀斯特山區(qū)，地勢自西北向東南傾斜；屬于亞熱帶氣候區(qū)，水庫位于南盤江，流域平均海拔高程1 450 m，流域內各地的多年平均降雨量在 760～1 860 mm之間，汛期(4—10月) 占全年水量的 88.4%，流域內各地區(qū)多年平均氣溫在12. 3～21. 3 ℃之間[18]，流域是典型的干熱河谷，其特征是描述具備干、熱兩個基本屬性河谷帶狀區(qū)域，這樣的區(qū)段又干又熱，在生態(tài)、社會發(fā)展等都有一定的負面影響[16]。

貴州庫區(qū)由西向東為冊亨、望謨和羅甸3個縣，庫區(qū)周邊為貞豐、紫云、長順、惠水、平塘、獨山、荔波等縣。廣西庫區(qū)由西向東為田林、樂業(yè)和天峨3個縣，庫區(qū)周邊為百色、凌云、鳳山、河池市、南丹等縣。在水庫周圍建立緩沖區(qū)分析柵格數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)分別為10 km、50 km、100 km、150 km；并且結合緩沖區(qū)的區(qū)域選取羅甸、天峨作為近庫區(qū)代表站；望謨、鳳山、冊亨、樂業(yè)、田林為遠庫區(qū)代表站；獨山、河池、百色、貞豐、安龍、紫云、惠水為庫區(qū)周圍代表站。

2 數(shù)據(jù)與方法

氣象資料：選取龍灘水庫及庫區(qū)周圍的1982—2016年地面觀測站逐年氣象數(shù)據(jù)，2000—2016年地面觀測站逐月氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源：中國氣象數(shù)據(jù)共享網站。

遙感數(shù)據(jù)：獲取研究區(qū)2000—2010年1 km柵格月平均氣溫數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)是通過月平均氣溫、月合成NDVI、DEM、地理坐標之間建立回歸樹模型，再將建立的模型應用到1 km尺度的DEM 和月合成NDVI 數(shù)據(jù)，進而得到1 km尺度的全國逐月平均氣溫數(shù)據(jù)[19]。數(shù)據(jù)來源：全球變化科學研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)。

本文對水庫的氣溫進行季節(jié)、年際變化研究，春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12—次年2月)；通過在ArcGis中建立緩沖區(qū)，獲取不同緩沖區(qū)的氣溫柵格數(shù)據(jù)，再做建庫前后的時間溫差對比；采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[20]確定近庫區(qū)氣溫的突變位置；結合氣象站點逐月氣溫觀測數(shù)據(jù)進一步驗證研究結果，進而分析水庫建庫后對局地氣溫的調節(jié)功能。

3 結果與分析

3.1 變化趨勢及突變分析

結合氣象站點構建的氣溫數(shù)據(jù)時間序列圖1，結果顯示，近庫區(qū)年均溫普遍高于遠庫區(qū)和庫區(qū)周圍，并且距離水庫越遠氣溫越低。這是由于水庫地處南盤江流域屬于干熱河谷，其特點是日趨干、熱，流域內氣溫普遍要高，所以庫區(qū)多年氣溫變化趨勢顯示近庫區(qū)的氣溫遠高于遠庫區(qū)和庫區(qū)周圍。

圖1 水庫庫區(qū)年氣溫變化Fig.1 Annual temperature change in reservoir area

用M-K檢驗方法對近庫區(qū)氣溫變化進行趨勢突變分析，由圖2分析可知，2002年以前UF<0，氣溫呈現(xiàn)出不顯著的波動降低趨勢；2002年以后UF>0,氣溫開始逐漸上升，在2011年UF與UB出現(xiàn)交點，且交點在0.05顯著性水平臨界值內；在2002年后氣溫整體呈現(xiàn)上升趨勢，并且通過0.05顯著性水平的檢驗，氣溫增溫達到顯著程度。

圖2 M-K檢驗Fig.2 Mann-Kendall mutation detection

3.2 月平均氣溫柵格數(shù)據(jù)集分析

分別選取4、7、9、12月的柵格數(shù)據(jù)為代表在水庫周圍建立緩沖區(qū)(10 km、50 km、100 km、150 km)，如圖3所示。

獲取研究區(qū)2000—2010年1 km空間分辨率月平均氣溫模型計算數(shù)據(jù)集。圖4為研究區(qū)水庫蓄水后(2010年7月)的研究區(qū)氣溫空間分布圖。

圖4 研究區(qū)氣溫空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of temperature in the study area

通過不同年份不同月份的空間分布數(shù)據(jù)來看，水庫蓄水前后庫區(qū)的氣溫總是偏高于庫區(qū)周圍。2000年最高氣溫為29.5 ℃,2010年為30.4 ℃，研究區(qū)氣溫總體呈現(xiàn)增溫趨勢；其中羅甸、天峨、望謨、樂業(yè)縣的值域分布來看，2010年的總體溫度要低于2000年，為進一步驗證結合氣象站點數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，再獲取緩沖區(qū)內的柵格數(shù)據(jù)，得出定量的變化趨勢和值。

獲取研究區(qū)1 km 柵格月平均氣溫數(shù)據(jù)集，分別得到各緩沖區(qū)水庫蓄水前(2000—2006年)、后(2007—2010年)的氣溫。研究得出水庫蓄水后的均溫低于蓄水前，并且直到緩沖區(qū)150 km的區(qū)域沒有氣溫下降的趨勢，其他緩沖區(qū)內氣溫均有不同程度的下降。

7月屬于夏季氣溫較高的月份，水庫蓄水后7月的氣溫呈小幅降低趨勢，并且這樣的趨勢持續(xù)到緩沖區(qū)為100 km的區(qū)域，并且溫差只達到0.02 ℃，在150 km時水庫蓄水后的氣溫沒有降低反而出現(xiàn)上升的趨勢(見表2)。說明蓄水后，水庫對局地氣溫起到了一定的調節(jié)作用，在氣溫較高的月份起到了降溫的作用，并且距離水庫越近的影響越大。

表1 柵格數(shù)據(jù)緩沖區(qū)4月溫差(℃)Tab.1 Temperature difference of raster data buffer in April(℃)

表2 柵格數(shù)據(jù)緩沖區(qū)7月溫差(℃)Tab.2 Temperature difference of raster data buffer in July(℃)

蓄水后的氣溫普遍低于蓄水前的，特別在12月均達到0.7 ℃左右，9月份最高達到0.48 ℃(見表3、表4)；說明蓄水后，水庫對局地氣溫起到了一定的調節(jié)作用，在氣溫較低的月份起到了升溫的作用，并且相對于夏季降溫作用，冬季升溫明顯。

表3 柵格數(shù)據(jù)緩沖區(qū)9月溫差(℃)Tab.3 Temperature difference of raster data buffer in September(℃)

表4 柵格數(shù)據(jù)緩沖區(qū)12月溫差(℃)Tab.4 Temperature difference of raster data buffer in December(℃)

3.3 氣象站點氣溫變化分析

為進一步體現(xiàn)出龍灘水庫不同季節(jié)的局地氣候效應，結合氣象站點信息分別計算了2000—2006年春、夏、秋、冬近庫區(qū)和遠庫區(qū)的平均氣溫與2007—2016年冬季、夏季的氣溫差值(見表5)，結果顯示：龍灘水庫2000—2006年近庫區(qū)與遠庫區(qū)冬季平均氣溫差為-0.29 ℃，夏季平均氣溫差為0.58 ℃；2007—2016年冬季平均氣溫差為0.01 ℃，夏季平均氣溫差為0.42 ℃；冬季溫差建庫后增加了0.3 ℃，夏季溫差減少了0.16 ℃。表5中還給出了近庫區(qū)與庫區(qū)周圍的氣溫差值結果，二者分析結果基本一致。說明由于建庫以來隨著水域面積增大，對周圍氣候起到了一定的調節(jié)作用，冬季對水庫周邊有增溫效應；夏季有降溫效應，但是夏季總體來說還是以增溫為主，主要在近庫區(qū)有降溫作用。關于建庫前后氣溫對周圍氣候產生影響的研究結果與傅抱璞[6]、陳鮮艷[8]等的研究結果一致。

表5 近庫區(qū)與遠庫區(qū)、庫區(qū)周圍氣溫差值比較(℃)Tab.5 Comparison of temperature difference between near reservoir area and far reservoir area(℃)

為進一步驗證上述結論，統(tǒng)計得出近庫區(qū)龍灘水庫蓄水前后氣溫變化統(tǒng)計表，以2000—2006年代表水庫蓄水前，2007—2016代表水庫蓄水后。如表6所示：庫區(qū)年平均溫度總體呈上升趨勢，這與全國氣溫變化趨勢一致。在1 km柵格月平均氣溫數(shù)據(jù)集中獲取的結果顯示：在7月和12月的柵格數(shù)據(jù)中緩沖區(qū)50 km之內的夏季溫差高于100 km緩沖區(qū)的值；按庫區(qū)及其緩沖區(qū)的范圍劃分近庫區(qū)、遠庫區(qū)以及庫區(qū)周圍，也得出同樣的結論，即近庫區(qū)的氣溫變化幅度更大，特別是在夏季和冬季變化為夏季氣溫減少0.16 ℃，冬季增加0.3 ℃；普遍低于遠庫區(qū)，說明在氣溫較高的季節(jié)，水庫對近庫區(qū)的氣溫起到了調節(jié)作用，降低了周圍的溫度。

表6 近庫區(qū)龍灘水庫蓄水前后氣溫變化統(tǒng)計表Tab.6 Statistical table of temperature change before and after storage in longtan reservoir near the reservoir area

龍灘水庫蓄水后，近庫區(qū)夏季氣溫總體呈降溫趨勢，最高氣溫7—9月，其中7月、9月最高氣溫比蓄水前降低0.43、0.72 ℃；平均氣溫降幅為0.13 ℃、0.47 ℃。在冬季氣溫較低的月份(1月、2月、12月)蓄水后溫度總體呈升溫趨勢，最大升溫為2月、12月平均氣溫升溫達到0.82 ℃、1.68 ℃ ℃，最低氣溫升溫達到0.13 ℃、0.79 ℃；2月最高氣溫升溫0.88 ℃。

4 討論與結論

本文通過空間分布的柵格數(shù)據(jù)與氣象站點數(shù)據(jù)的結合，更好的驗證研究數(shù)據(jù)的準確性。研究得出建庫后水庫對局地氣溫起到一定的調節(jié)作用，且主要體現(xiàn)在近庫區(qū)。柵格數(shù)據(jù)分析結果顯示，隨著緩沖區(qū)的不斷擴增，蓄水前后冬季氣溫呈增加趨勢，夏季在緩沖區(qū)50 km以后氣溫下降趨勢不再明顯，直至呈上升趨勢。所以龍灘水庫蓄水前后近庫區(qū)(羅甸縣、望謨縣為代表)的氣溫變化幅度更明顯，主要表現(xiàn)為夏季水庫對周圍氣溫有降溫作用，冬季有增溫作用。這一結果與楊啟斌等對水庫的修建對羅甸的氣候影響進行分析結果一致[21]，即水庫蓄水前后對氣溫的影響主要體現(xiàn)在近庫區(qū)。

進一步分析水庫建成后對近庫區(qū)氣溫的調節(jié)作用，在夏季最高氣溫月(7—9月)，最高、平均氣溫整體呈下降趨勢；最大受益區(qū)在近庫區(qū)即羅甸、望謨、冊亨、樂業(yè)、樂業(yè)縣的范圍內，水庫的建成對干熱河谷帶來的“干熱”氣候有很大的調節(jié)作用，能直接使近庫區(qū)受益，緩解當?shù)貧鉁爻掷m(xù)增長。

龍灘水庫位于西南喀斯特地區(qū)，其地貌特殊，有著水土流失、石漠化等生態(tài)環(huán)境問題，影響氣候的因素有很多，水庫建成后會對周邊的氣候產生一定的影響，并且夏季水庫對研究區(qū)干熱河谷氣候的調節(jié)起到了一定的作用。但是整個庫區(qū)的氣候效應是一個慢慢積累的過程，還有待更深入的觀測和研究。結合其地理條件、土地利用類型等能更好的總結得出局地氣候變化規(guī)律。今后可以根據(jù)遙感數(shù)據(jù)以及相應的數(shù)據(jù)處理手段，準確的判斷出研究區(qū)氣溫變化規(guī)律，動態(tài)監(jiān)測水庫局地氣溫在空間上的分布規(guī)律，為實現(xiàn)水庫局地氣溫調節(jié)功能監(jiān)測和分析提供更快速和準確的方法。