乌江流域水域面积变化的气候效应

朱晓丝，周国富，钟九生

(贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州 贵阳 520001)

0 引 言

联合国政府间气候变化专门委员会第五次评估报告表示，近60年来，地球气候发生了很大变化[1-3]，地球温度普遍升高，由此产生了相应的气候现象：地球表面气温上升、海洋温度和海平面上升、南极和格陵兰冰盖消融、冰川退缩和极端气候事件频率增加，气候变化对地球表面环境系统及人类生存发展有重要影响。水域面积变化对气候有重要影响[4]，会造成不同的局地气候[5-10]。

目前，已有很多学者研究水域面积变化对局地气候影响。比如，陈柏林[8]研究了洞庭湖水域对气候的影响，研究发现湖泊能调节气温，缓和温度极端变化，湖泊面积增加，冬季降水量增多、夏季降水量减少，空气湿度增加。王慧等人[11]也研究了洞庭湖水域面积变化对当地气候产生的影响，发现洞庭湖水域面积缩减时，极端气候出现频率增多。岳丹[12]研究了内蒙古大型湖泊湿地水域面积变化引起的气候效应，湖泊水域面积减少导致沙地面积增加，从而造成大风天气、沙尘暴灾害天气。张东坡[13]研究了邛海水域变化对西昌气候影响，研究发现湖泊对周边气候有调节作用，可改变周边环境的气温和降水量。于俊伟等人[4]研究了威宁草海水体变化的气候效应，草海排水后水域面积减少，冬季平均气温降低、相对湿度减小、降水量减少。

目前，已有的研究多集中在湖泊、湿地等小尺度区域，对喀斯特地区流域尺度研究尚有不足，选取的气象因子也较单一，仅研究水域面积对某一个或两个气象因子的影响，未从气温、降水量、相对湿度、风速等多方面进行研究。本文基于流域尺度，选取了乌江流域2000年、2005年、2010年、2015年、2018年5期遥感影像提取水域，来分析水域面积变化的气候效应。

1 研究区概况

乌江位于104°10′～109°12′E，25°26′～30°22′N，是长江上游右岸的最大支流，发源于贵州省威宁县香炉山花鱼洞，流经黔北及渝东南酉阳彭水，在重庆市涪陵注入长江。乌江干流全长1 037 km，天然落差2 124 m，流域面积87 920 km2，平均比降0.205%[14]。本文以流域(贵州境内)作为研究区。乌江在贵州境内河长889 km，天然落差2 007.6 m，流域面积 66 807 km2，占全流域面积的76%，整个流域地处云贵高原东侧梯级状斜坡上，境内西高东低，平均海拔1 100 m左右，地貌类型主要为高原山地。气候为中亚热带湿润季风气候，年均气温为14～16 ℃，年平均日照时数是250 h，相对湿度在75%～84%，年平均风速是1.5m/s，多年平均降水量是1 100.0 mm，降水集中在5月～8月，约占全年的60%，地层从前震旦系板溪群至第四系均有岀露，乌江流域北部及其下游广泛分布寒武系、奥陶系及志留系为主的古生代地层，以碳酸盐岩石为主[15]。

2 数据与方法

2.1 数据来源

从地理空间数据云下载2000年、2005年、2010年、2015年、2018年landsat8遥感影像，运用ENVI5.3，提取出研究区内水域图像资料和面积数据。从中国气象数据网下载流域内各气象站2000年、2005年、2010年、2015年、2018年气温、降水量、相对湿度、风速数据。

2.2 研究方法

2.2.1归一化差异水体指数法

水体在绿光处反射强度比在近红外处的高，除水体以外绝大多数地物则相反。如，植被和土壤。Mcfeeters在研究归一化差异植被指数NDVI后，从中有所体会，使用TM影像的绿光和近红外光波建立了专门提取水域的归一化差异水体指数[16-17]

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(1)

基于ENVI5.3，采用该方法提取研究区2000年、2005年、2010年、2015年、2018年水域。

2.2.2普通克里金法

普通克里金应用最广泛[18-21]，其计算公式如下

(2)

本研究对乌江流域各气象站点2000年、2005年、2010年、2015年、2018年气温、降水量、相对湿度、风速的年平均值采用普通克里金法进行空间插值，得出其空间分布情况。

2.2.3线性趋势分析法

在分析气象因子随水域面积的变化时，采用该方法进行分析，其中线性趋势模型通过最小二乘法获得的，计算公式为

Y=ax+b

(3)

本研究将乌江流域各气象站点2000年、2005年、2010年、2015年、2018年气温、降水量、相对湿度、风速进行统计，计算4个气象因子冬季(12月～次年2月)、夏季(6月～8月)和年平均值，将其与乌江流域水域面积变化进行线性趋势分析。

3 结果与分析

3.1 流域水域面积整体变化及气候效应

3.1.1水域面积整体变化

乌江流域2000年～2018年水域面积上升；2000年～2005年增加44.98 km2，比2000年增长12.26%；2005年～2010年增加31.62 km2，比2005年增长7.68%；2010年～2015年增加0.20 km2，比2010年增长0.05%；2015年～2018年增加29.22 km2，比2015年增长6.58%；2000年～2018年增加106.02 km2，比2000年增长28.89%。

3.1.2气象因子整体变化

2000年～2018年冬季气温平均值上升3.88 ℃，年气温平均值上升1.84 ℃，夏季气温平均值下降2.53 ℃(见图1a)；2000年～2018年冬季平均降水量增加20.5 mm，年平均降水量增加369.7 mm，夏季平均降水量减少59.3 mm(见图1b)；2000年～2018年冬季平均相对湿度上升8.18%，夏季平均相对湿度增加5.38%，年平均相对湿度增加4.29%(见图1c)；2000年～2018年冬季平均风速增加0.50 m/s，夏季平均风速增加0.67 m/s，年平均风速增加0.28 m/s(见图1d)。

图1 乌江流域气象因子折线

3.1.3水域面积整体变化产生的气候效应

对乌江流域2000年、2005年、2010年、2015年、2018年水域面积与气温、降水量、相对湿度、风速4个气象因子进行了统计(统计表略)，其流域水域面积和各气象因子的关系见图2。统计结果及图2显示，乌江流域水域面积增加时，冬季气温平均值、年气温平均值上升，夏季气温平均值下降；冬季降水量平均值、年降水量平均值变大，夏季降水量平均值变小；冬季、夏季、年平均相对湿度增加，冬季、夏季、年平均风速均增加。总体看来，乌江流域2000年～2018年水域面积增加，气温和降水量冬季平均、年平均上升，夏季平均下降；相对湿度和风速冬季平均、夏季平均、年平均都增加。

图2 乌江流域水域面积与气象因子关系分析

3.2 流域水域面积空间变化及气候效应

3.2.1水域面积空间变化

乌江流域水域的空间变化显示，2000年～2005年流域水域面积增加，流域西南部水域增加比较明显，中部、中北部、东北部有零星增加；2005年～2010年流域水域面积变大；西南部、中东部，2010年～2015年水域面积增加；流域南部，2015年～2018年水域面积有增有减，增加区域在流域东南部和南部，减少区域在流域北部、西北部和南部，变化区域比较分散；2000年～2018年水域面积有增有减，增加区域在流域东南部和南部，减少区域在流域北部、西北部和南部。总体看，2000年～2018年水域面积增多，变化区域比较分散。

3.2.2水域面积空间变化产生的气候效应

统计乌江流域2000年～2018年水域面积发生变化的区域，用GIS区域分析功能计算水域面积变化区域各气象因子的值，2000年～2005年水域面积增加44.98 km2，该区域年平均气温增加0.35 ℃，年平均降水量增加125.4 mm，年平均相对湿度增加3.18%，年平均风速减少0.16 m/s；2005年～2010年水域面积增加31.62 km2，该区域年平均气温上升0.51 ℃，年平均降水量增多100.2 mm，年平均相对湿度增大0.76%，年平均风速减少0.1 m/s；2010年～2015年水域面积增加0.2 km2，该区域年均气温上升0.15 ℃，年平均降水量增多30.0 mm，年平均相对湿度增大0.5%，年平均风速减小0.02 m/s；2015年～2018年水域面积增加224.6 km2，减小195.38 km2，水域面积增加区域年平均气温上升0.1 ℃，年平均降水量增多43.0 mm，年平均相对湿度增大0.81%，年平均风速减小0.10 m/s，水域面积减少区域年平均气温增加0.06 ℃，年平均降水量减少10.4 mm，年平均相对湿度增加1%，年平均风速减少0.06 m/s。2000年～2018年水域面积增加247.43 km2，减少141.41 km2，水域面积增加区域年平均气温上升1.07 ℃，年平均降水量增多348.2 mm，年平均相对湿度增加4.92%，年平均风速增加0.04 m/s，水域面积减少区域年平均气温增加1.07 ℃，年平均降水量增加284.0 mm，年平均相对湿度增加4.74%，年平均风速减少0.03 m/s。

4 讨 论

水域面积变化对气温的影响缘于3个因素：第一，水体较陆地反射率小，吸收太阳辐射较多，导致气温上升；第二，水体比热容大，增温时，水体储存较多热量，缓和水上空气的增温，带来减温效应，减温时，水体释放热量，缓和水上空气的降温，带来增温效应；第三，水面蒸发散热带来减温效应。水域对气温的影响，取决上述3个因素的综合作用[22-24]。冬季，前2个作用大于第3个，夏季，后2个作用大于第1个。水域面积增加，则冬季平均气温、年平均气温增加，夏季平均气温降低。

水域面积变化从以下3个方面影响降水：第一，水域上方蒸发强，空气湿度大，导致降水量增加；第二，水域上方气流发生流线辐射，做下沉运动，降水量减少；第三，在冷季，水体温度相对较高，水上气层不稳定，对流运动和空气上升运动会加强，降水量增加；在暖季，水体温度相对较低，水上大气层结稳定，气体对流运动减弱，降水量减少。冬季前两者作用较大，夏季后两者作用较大。总体来说，降水主要受水汽来源和空气湿度影响，当流域水域面积增加，水上空气湿度大，为降水提供了有利条件。因此，水域面积增加时，冬季平均降水量增加、夏季平均降水量减少、年平均降水量增加。

水域面积变化对相对湿度的影响，取决于蒸发和水汽压，水域上方供蒸发的水源充足，蒸发较大，水域上方水汽压较高，空气相对湿度与水汽压成正比[25]，当水域面积变大，相对湿度增大。因此，当水域面积增加，冬季平均相对湿度、夏季平均相对湿度、年平均相对湿度增大。

水域面积变化对风速的影响，取决于水面对风的摩擦力，水体表面光滑，风吹过时受到的摩擦力减弱，水上风速相对较大[26-27]，因此，从流域水域面积整体变化来看，当水域面积增加，冬季平均风速、夏季平均风速、年平均风速增大。

本文基于流域尺度研究乌江流域水域面积变化的气候效应，气象要素选取相对全面，但未考虑极端气候、灾害性天气，其次，也未考虑地形因素对气候的影响，时间跨度相对较短，后期研究应将这几方面考虑进来。

5 结 论

(1)水域能调节气温。在冬季，水域对气温有升温的正效应；在夏季，有减温的负效应。

(2)水域能带来降水。在冬季，水域对降水量有正效应；在夏季，有负效应。

(3)水域能增湿。水域对冬季、夏季平均相对湿度及年平均相对湿度都有增湿的正效应。

(4)水域能提高风速。水域对冬季平均风速、夏季平均风速、年平均风速都有增速的正效应。