三峡工程建成前后宜昌市气候变化研究

何 军，陈 鹏，冯 睿，董秋明

(1. 三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；3. 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002)

全球范围来看，农业生产的可持续发展严重依赖当地气候条件。世界粮农组织(FAO)把应对气候变化列为解决世界粮食供应和缓解饥饿的全球重大挑战。我国是自然资源缺乏、自然灾害严重的发展中国家，我国国民经济和社会生活已经受到气候变化的严重影响，未来可持续发展受到日益加剧的气候变化的严峻挑战，首当其冲的便是农业生产。三峡库区是生态环境脆弱地区，三峡工程建成后，水库的蓄(泄)洪水等运行调度可能造成局部气候条件变化，进而影响宜昌市农业生产。本文选取宜昌市(气象台站)1952-2011年逐日气象资料，分析其变化趋势，并采用参考作物需水量(ET0)进行综合评价。研究结论可为宜昌及长江三峡两岸类似地区农业发展模式、农作灌溉制度制定、农业结构调整等科学和生产实际问题提供参考。

1 研究方法及数据分析

选取宜昌市(台站编号57461，N30°42′，E111°18′)1953-2011年近60 a逐日气象资料，包括平均气压P、平均气温T、最高气温Tmax、最低气温Tmin、平均相对湿度RH、降雨量H、平均风速V、日照时数h等。对数据进行整理，采用EXCEL软件分析其变化规律。

ET0可反映气象要素对农业生产体系----“土壤-植物-大气连续体(SPAC)”水分传输与水汽扩散速率影响[1]，是制定农作物需水量和灌溉制度的重要参数[2]。其计算方法很多，本文采用标准化、统一化后的FAO Penman-Monteith[3,4]公式：

(1)

式中：ET0为参考作物蒸腾蒸发量，mm/d；Rn为参照作物表面冠层接受的净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量密度，MJ/(m2·d)；T为2 m高处日平均气温，℃；U2为2 m高处风速，m/s；ea、ed分别为空气饱和、实际水汽压，kPa；Δ为温度～饱和水气压关系曲线上在T处的切线斜率，kPa/℃；γ为湿度计常数，kPa/℃。各参数计算参考文献[5,6]。

1.1 气象要素时间序列变化趋势

考虑三峡工程建设周期长，经综合比对，本次研究选取1997年三峡工程大江截留年份作为建成前后时段分界线，对建成前后各气象要素随时间序列变化趋势进行分析对比，见表1。平均气温、最高气温、最低气温等系列温度因子的多年平均值在三峡工程建成后一律要高于建成前，分别高出0.7、0.7、0.8 ℃。该系列温度因子的极大值在三峡工程建成后也均高出建成前，分别高出0.4、0.3、0.6 ℃。系列温度因子的极小值在三峡工程建成后也均高出建成前，分别高出0.7、1.3、1.2 ℃。结合趋势线方程，平均气温、最高气温在三峡工程建成前及建成后均呈现下降趋势，除最高气温建成前呈显著下降外，其余均为不显著。最低气温在三峡工程建成前后均呈现不显著的上升。上述分析可以看出，三峡工程建成后宜昌市气温一定程度上升。

表1 三峡工程建成前后各气象要素时间序列变化趋势对比Tab.1 Variation tendency comparison of every meteorological factor with time series before and after the construction of Three Gorges Project

注：“[]”外表示三峡工程建成前，“[]”内表示三峡工程建成后；趋势线方程形式为y=kx+b，y为各气象要素，x为年份；α取0.01、0.05，下同。

平均气压、平均相对湿度和日照时数在三峡工程建成后的均值、极大值和极小值均比建成前有所下降。均值分别下降了0.33%、1.69%和18.42%；极大值分别下降了1.68%、3.16%和19.34%；极小值分别下降了0.02%、1.01%和5.67%。从趋势线方程可知，平均相对湿度和日照时数在工程建成前后均呈现下降趋势，前者为不显著下降，后者下降趋势由特显著变为显著。值得注意的是，平均气压的变化趋势在工程建成前呈现特显著的下降，建成后则是一定规模的上升。降雨量的均值、极大值分别下降0.1、0.8 mm，极小值上升了0.1 mm，总体呈现不显著的下降趋势。平均风速变化趋势由工程建成前不显著上升变为建成后的显著下降，其均值、极小值分别上升了0.03、0.38 m/s，极大值下降0.42 m/s。

平均气压由特显著下降呈现不显著上升趋势，风速由不显著上升呈现显著下降趋势。最低气温总体呈现上升趋势，其余气象要素表现为总体下降。

将研究时段1953-2011年划分为4个阶段，每部分约14 a，比对不同阶段各气象要素的均值。其中，第Ⅳ阶段为三峡工程建成后。如表2所示，平均气温、最高气温、最低气温均第Ⅳ阶段均值高于前3个阶段，结合表1中平均气温、最高气温、最低气温工程建成前后变差系数Cv值均介于0.020 6～0.028 3，样本点离散程度较为均一，进一步表明三峡工程建成后会一定程度促使宜昌气温的上升。平均气压、平均相对湿度和日照时数第Ⅳ阶段均值均小于前3个阶段。

表2 不同时段气象要素均值对比Tab.2 Comparison of mean of every meteorological factor at different periods

1.2 ET0变化规律及其影响因子

表3为三峡工程建成前后宜昌ET0时间序列变化趋势对比。可以看出三峡工程建成后ET0多年日均值、极大值均出现不同程度的下降，分别下降了3.1%、8.8%。三峡工程建成后极小值上升1.0%。从趋势线方程可以看出，三峡工程建成前、后ET0多年日均值总体呈现下降趋势，下降趋势均不显著。

表3 三峡工程建成前后ET0时间序列变化趋势对比Tab.3 Variation tendency comparison of ET0 with time series before and after the construction of Three Gorges Project

注：y为ET0多年日均值，mm/d；x为年份。

由图1可知，三峡工程建成前ET0多年日均值在与平均气温、最高气温、平均风速、日照时数呈现正相关，显著性检验为特显著；与平均相对湿度、降雨量呈现负相关，显著性检验为特显著。ET0多年日均值与平均气压呈现负相关，显著性检验为不显著。ET0多年日均值与最低气温呈现不显著正相关。三峡工程建成后ET0多年日均值与日照时数呈现特显著正相关，与平均气温呈显著正相关。ET0多年日均值与最高气温、最低气温、平均风速呈现不显著正相关；与平均气压、平均相对湿度、降雨量呈现不显著负相关。

图1 宜昌市各气象要素与ET0相关性对比Fig.1 Comparison of correlation of every meteorological factor with ET0 in Yichang

对比可知，ET0多年日均值在三峡工程建成前后均与平均气温、最高气温、最低气温、平均风速、日照时数呈现正相关，与降雨量、平均相对湿度以及平均大气压呈现负相关。这与刘增进[5]，曹红霞[7]等人研究结果一致，也与参考作物需水量表征“水分传输与水汽扩散速率”的实质相符合。结合表1～表3的分析，宜昌市参考作物需水量ET0呈现逐年不显著下降趋势，然而与之正相关的温度系列气象要素在三峡工程建成后表现为上升，日照时数表现为下降，且与之负相关的平均大气压在三峡工程建成后呈现不显著的上升，降雨量、平均相对湿度也均呈现下降。因此，宜昌参考作物需水量ET0未来的变化趋势是否表现为持续下降尚不能下定论，需要更多年份资料的收集和论证。

2 结 语

本文对宜昌市1953-2011年逐日气象资 料进行了整理，采用EXCEL软件以三峡工程建成前后为分界线对各气象要素变化规律进行了对比，并以参考作物蒸腾蒸发量ET0为指标分析了其影响因子以及未来变化趋势。主要有以下结论。

(1)三峡工程建成后宜昌市气温一定程度上升，平均气温、最高气温、最低气温的多年均值分别上升了0.7、0.7、0.8 ℃；多年极大值分别上升了0.4、0.3、0.6 ℃；多年极小值分别上升了0.7、1.3、1.2 ℃。宜昌市平均气压、平均相对湿度和日照时数一定程度下降，其多年均值分别下降了0.33%、1.69%和18.42%。

(2)三峡工程建成后平均气压、最低气温呈现不显著上升，平均风速、日照时数呈现显著下降趋势，其余气象要素均呈现不显著下降趋势。宜昌市参考作物需水量ET0呈现逐年不显著下降趋势，与平均气温、最高气温、最低气温、平均风速、日照时数呈现为正相关，与降雨量、平均相对湿度以及平均大气压呈现为负相关。

气象要素的变化规律对农业生产可持续发展尤为重要，下一步应持续收集更多年份资料，进一步丰富三峡工程建成后的数据样本，分别按枯水期、丰水期等影响作物灌溉制度制定的典型水文年份进行分析。

□

[1] Surendra Kumar Mishra, J V Tyagi, Vijay P Singh. Comparison of infiltration models [J]. Hydrological Processes, 2003,17:2 629-2 652.

[2] 雷志栋，杨诗秀，谢森传. 土壤水动力学[M]. 北京：清华大学出版社，1988:77-80.

[3] Allen R G, Smith M, Pereira L S, et al. An update for the calculation of reference evapotranspiration[J]. ICID Bulletin, 1994,43(2):35-92.

[4] 刘 钰，L S Pereira，J L Teixeira，等. 参照腾发量的新定义及计算方法对比[J]. 水利学报，1997,(6):27-33.

[5] 刘增进，何 军，陈洁荣，等. 豫东平原参考作物腾发量时空变化分析及影响研究[J]. 中国农村水利水电，2008,(9):65-69.

[6] 何 军，崔远来，李远祥. 气象资料缺测条件下武汉地区计算ET0方法适用性分析[J]. 中国农村水利水电，2009,(10)：68-71,75.

[7] 曹红霞，粟晓玲，康绍忠，等. 关中地区气候变化对主要作物需水量影响的研究[J]. 灌溉排水学报，2008,27(4):6-9.