基于遥感数据的水库局地气温调节功能分析——以龙滩水库为例

杨 青,杨广斌,赵青松，戴 丽

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院,贵州 贵阳 550025;2.贵州省山地资源与环境遥感应用重点实验室,贵州 贵阳 550025)

0 引言

大量研究表明，全球气候变化趋势是气温上升，降水区域变化的过程[1]。气候变化对供水、防洪、水生态环境安全造成多方面的影响，并且不同区域的气候变化特征都有所差别[2-4]。相关研究指出水库蓄水对周围气温具有白天降温、夜间增温的效应，并且冬季和夏季各有不同的增温特点[5]。有关水库对局地气温的调节作用傅抱璞[6]等提出,冬季多为增温效应，而夏季多为减温效应,即水域可以对周围气温有一定的影响，冬季提高温度,夏季降低温度。陈华[7]等利用Mann-Kendall检验方法和空间插值方法,分析了汉江流域年和春、夏、秋、冬四季降水和气温变化趋势的时空分布，得出近50 a来大部分地区气温呈上升趋势。陈鲜艳[8]等通过1961—2010年逐日气温、降水等气象观测资料分析三峡库区和长江流域等地区气象要素的气候长期变化趋势,结果表明水库蓄水后对库区附近气温产生调节作用，夏季降温和冬季增温效应明显。张强[9]等通过水库周围气象站逐日气温资料水体对水库气候特点进行分析，得出水库对周围气温有白天降温、夜间增温的效应,增温幅度比降温幅度大,而且夏季大于冬季,降温幅度夏季小于冬季。王娜[10]等利用陕西安康水库上游气象站点的气候资料，分析得出研究区年平均气温呈增暖趋势，蓄水后的平均气温高于蓄水前，并且冬季升温幅度最大。刘红年[11]等研究出水库对气温影响的日变化规律冬季和其它季节不同,冬季是全天增温,白天增温幅度大,夜间增温幅度小,其余季节在夜间使气温增加。

现有研究大多都是借助于气象站点数据进行分析，鲜有结合遥感数据或直接利用遥感数据对水库的调节功能进行分析。而遥感数据具有时效性高、覆盖面广、能对研究区进行动态监测等特点[12]，本文采用通过遥感手段获取的1 km栅格月平均气温数据集，结合气象站点地面观测数据，以期动态分析水库局地气温在空间上的分布规律。

龙滩水库是为修建中国第三大水电站——龙滩电站而在红水河上形成的大(一)型水库，主要库区位于贵州省境内[13]。研究区气候属于干热河谷气候，干热河谷气候特点是日趋干热[14]。贵州是中国西南喀斯特地区[15]，其特点是干热河谷灾变与石漠化灾变复合并存。受石漠化与当地独特气候特征的影响，如不加强治理，就会引发地表的无序增温，局地气温呈现上升趋势，进而导致干热河谷灾变面积迅速扩大[16]。所以水库对局地的气候调节功能就显得十分重要，需要对库区周围气温定期进行变化监测和分析。

1 研究区概况

龙滩水电工程位于黔桂省区交界处,是南北盘江、红水河水电开发的龙头工程,是目前仅次于三峡工程的我国第2大水电工程,也是水电开发、防洪及航运规划中的重点工程[17]，于2006年9月30日下闸蓄水[13]。龙滩水库地处中国西南部，流域地处喀斯特山区，地势自西北向东南倾斜；属于亚热带气候区，水库位于南盘江，流域平均海拔高程1 450 m，流域内各地的多年平均降雨量在 760～1 860 mm之间，汛期(4—10月) 占全年水量的 88.4%，流域内各地区多年平均气温在12. 3～21. 3 ℃之间[18]，流域是典型的干热河谷，其特征是描述具备干、热两个基本属性河谷带状区域，这样的区段又干又热，在生态、社会发展等都有一定的负面影响[16]。

贵州库区由西向东为册亨、望谟和罗甸3个县，库区周边为贞丰、紫云、长顺、惠水、平塘、独山、荔波等县。广西库区由西向东为田林、乐业和天峨3个县，库区周边为百色、凌云、凤山、河池市、南丹等县。在水库周围建立缓冲区分析栅格数据，缓冲区分别为10 km、50 km、100 km、150 km；并且结合缓冲区的区域选取罗甸、天峨作为近库区代表站；望谟、凤山、册亨、乐业、田林为远库区代表站；独山、河池、百色、贞丰、安龙、紫云、惠水为库区周围代表站。

2 数据与方法

气象资料：选取龙滩水库及库区周围的1982—2016年地面观测站逐年气象数据，2000—2016年地面观测站逐月气象数据。数据来源：中国气象数据共享网站。

遥感数据：获取研究区2000—2010年1 km栅格月平均气温数据集。该数据是通过月平均气温、月合成NDVI、DEM、地理坐标之间建立回归树模型，再将建立的模型应用到1 km尺度的DEM 和月合成NDVI 数据，进而得到1 km尺度的全国逐月平均气温数据[19]。数据来源：全球变化科学研究数据出版系统。

本文对水库的气温进行季节、年际变化研究，春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12—次年2月)；通过在ArcGis中建立缓冲区，获取不同缓冲区的气温栅格数据，再做建库前后的时间温差对比；采用Mann-Kendall非参数统计检验方法[20]确定近库区气温的突变位置；结合气象站点逐月气温观测数据进一步验证研究结果，进而分析水库建库后对局地气温的调节功能。

3 结果与分析

3.1 变化趋势及突变分析

结合气象站点构建的气温数据时间序列图1，结果显示，近库区年均温普遍高于远库区和库区周围，并且距离水库越远气温越低。这是由于水库地处南盘江流域属于干热河谷，其特点是日趋干、热，流域内气温普遍要高，所以库区多年气温变化趋势显示近库区的气温远高于远库区和库区周围。

图1 水库库区年气温变化Fig.1 Annual temperature change in reservoir area

用M-K检验方法对近库区气温变化进行趋势突变分析，由图2分析可知，2002年以前UF<0，气温呈现出不显著的波动降低趋势；2002年以后UF>0,气温开始逐渐上升，在2011年UF与UB出现交点，且交点在0.05显著性水平临界值内；在2002年后气温整体呈现上升趋势，并且通过0.05显著性水平的检验，气温增温达到显著程度。

图2 M-K检验Fig.2 Mann-Kendall mutation detection

3.2 月平均气温栅格数据集分析

分别选取4、7、9、12月的栅格数据为代表在水库周围建立缓冲区(10 km、50 km、100 km、150 km)，如图3所示。

获取研究区2000—2010年1 km空间分辨率月平均气温模型计算数据集。图4为研究区水库蓄水后(2010年7月)的研究区气温空间分布图。

图4 研究区气温空间分布图Fig.4 Spatial distribution of temperature in the study area

通过不同年份不同月份的空间分布数据来看，水库蓄水前后库区的气温总是偏高于库区周围。2000年最高气温为29.5 ℃,2010年为30.4 ℃，研究区气温总体呈现增温趋势；其中罗甸、天峨、望谟、乐业县的值域分布来看，2010年的总体温度要低于2000年，为进一步验证结合气象站点数据统计分析，再获取缓冲区内的栅格数据，得出定量的变化趋势和值。

获取研究区1 km 栅格月平均气温数据集，分别得到各缓冲区水库蓄水前(2000—2006年)、后(2007—2010年)的气温。研究得出水库蓄水后的均温低于蓄水前，并且直到缓冲区150 km的区域没有气温下降的趋势，其他缓冲区内气温均有不同程度的下降。

7月属于夏季气温较高的月份，水库蓄水后7月的气温呈小幅降低趋势，并且这样的趋势持续到缓冲区为100 km的区域，并且温差只达到0.02 ℃，在150 km时水库蓄水后的气温没有降低反而出现上升的趋势(见表2)。说明蓄水后，水库对局地气温起到了一定的调节作用，在气温较高的月份起到了降温的作用，并且距离水库越近的影响越大。

表1 栅格数据缓冲区4月温差(℃)Tab.1 Temperature difference of raster data buffer in April(℃)

表2 栅格数据缓冲区7月温差(℃)Tab.2 Temperature difference of raster data buffer in July(℃)

蓄水后的气温普遍低于蓄水前的，特别在12月均达到0.7 ℃左右，9月份最高达到0.48 ℃(见表3、表4)；说明蓄水后，水库对局地气温起到了一定的调节作用，在气温较低的月份起到了升温的作用，并且相对于夏季降温作用，冬季升温明显。

表3 栅格数据缓冲区9月温差(℃)Tab.3 Temperature difference of raster data buffer in September(℃)

表4 栅格数据缓冲区12月温差(℃)Tab.4 Temperature difference of raster data buffer in December(℃)

3.3 气象站点气温变化分析

为进一步体现出龙滩水库不同季节的局地气候效应，结合气象站点信息分别计算了2000—2006年春、夏、秋、冬近库区和远库区的平均气温与2007—2016年冬季、夏季的气温差值(见表5)，结果显示：龙滩水库2000—2006年近库区与远库区冬季平均气温差为-0.29 ℃，夏季平均气温差为0.58 ℃；2007—2016年冬季平均气温差为0.01 ℃，夏季平均气温差为0.42 ℃；冬季温差建库后增加了0.3 ℃，夏季温差减少了0.16 ℃。表5中还给出了近库区与库区周围的气温差值结果，二者分析结果基本一致。说明由于建库以来随着水域面积增大，对周围气候起到了一定的调节作用，冬季对水库周边有增温效应；夏季有降温效应，但是夏季总体来说还是以增温为主，主要在近库区有降温作用。关于建库前后气温对周围气候产生影响的研究结果与傅抱璞[6]、陈鲜艳[8]等的研究结果一致。

表5 近库区与远库区、库区周围气温差值比较(℃)Tab.5 Comparison of temperature difference between near reservoir area and far reservoir area(℃)

为进一步验证上述结论，统计得出近库区龙滩水库蓄水前后气温变化统计表，以2000—2006年代表水库蓄水前，2007—2016代表水库蓄水后。如表6所示：库区年平均温度总体呈上升趋势，这与全国气温变化趋势一致。在1 km栅格月平均气温数据集中获取的结果显示：在7月和12月的栅格数据中缓冲区50 km之内的夏季温差高于100 km缓冲区的值；按库区及其缓冲区的范围划分近库区、远库区以及库区周围，也得出同样的结论，即近库区的气温变化幅度更大，特别是在夏季和冬季变化为夏季气温减少0.16 ℃，冬季增加0.3 ℃；普遍低于远库区，说明在气温较高的季节，水库对近库区的气温起到了调节作用，降低了周围的温度。

表6 近库区龙滩水库蓄水前后气温变化统计表Tab.6 Statistical table of temperature change before and after storage in longtan reservoir near the reservoir area

龙滩水库蓄水后，近库区夏季气温总体呈降温趋势，最高气温7—9月，其中7月、9月最高气温比蓄水前降低0.43、0.72 ℃；平均气温降幅为0.13 ℃、0.47 ℃。在冬季气温较低的月份(1月、2月、12月)蓄水后温度总体呈升温趋势，最大升温为2月、12月平均气温升温达到0.82 ℃、1.68 ℃ ℃，最低气温升温达到0.13 ℃、0.79 ℃；2月最高气温升温0.88 ℃。

4 讨论与结论

本文通过空间分布的栅格数据与气象站点数据的结合，更好的验证研究数据的准确性。研究得出建库后水库对局地气温起到一定的调节作用，且主要体现在近库区。栅格数据分析结果显示，随着缓冲区的不断扩增，蓄水前后冬季气温呈增加趋势，夏季在缓冲区50 km以后气温下降趋势不再明显，直至呈上升趋势。所以龙滩水库蓄水前后近库区(罗甸县、望谟县为代表)的气温变化幅度更明显，主要表现为夏季水库对周围气温有降温作用，冬季有增温作用。这一结果与杨启斌等对水库的修建对罗甸的气候影响进行分析结果一致[21]，即水库蓄水前后对气温的影响主要体现在近库区。

进一步分析水库建成后对近库区气温的调节作用，在夏季最高气温月(7—9月)，最高、平均气温整体呈下降趋势；最大受益区在近库区即罗甸、望谟、册亨、乐业、乐业县的范围内，水库的建成对干热河谷带来的“干热”气候有很大的调节作用，能直接使近库区受益，缓解当地气温持续增长。

龙滩水库位于西南喀斯特地区，其地貌特殊，有着水土流失、石漠化等生态环境问题，影响气候的因素有很多，水库建成后会对周边的气候产生一定的影响，并且夏季水库对研究区干热河谷气候的调节起到了一定的作用。但是整个库区的气候效应是一个慢慢积累的过程，还有待更深入的观测和研究。结合其地理条件、土地利用类型等能更好的总结得出局地气候变化规律。今后可以根据遥感数据以及相应的数据处理手段，准确的判断出研究区气温变化规律，动态监测水库局地气温在空间上的分布规律，为实现水库局地气温调节功能监测和分析提供更快速和准确的方法。