三峡蓄水对局地气候变化的影响

赵子皓，江晓东，杨沈斌

(1.江苏省农业气象重点实验室，南京 210044； 2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心， 南京 210044； 3.南京信息工程大学 应用气象学院，南京 210044)

1 研究背景

由于特殊的下垫面性质，大型水体对局部地区(简称“局地”)水热循环及气候造成一系列影响[1-4]。大型水体对局地温度产生影响[1,5-7]，埃及阿斯旺水坝使库区气温较大坝建成前降低[8]，伊泰普水电站使湖区在7月份至次年1月份白天温度降低0～1.5 ℃，其他月份降温达到2～3 ℃[6]。小浪底水库蓄水后，邻近的孟津县年平均温度升温变慢[5]，受洞庭湖影响，洞庭湖区最高气温偏低1～2 ℃，最低气温偏高0.5～1.0 ℃[9]，邻近的岳阳站温度日较差比较远处站点小，在7月份偏小1.7 ℃，在12月份偏小5.0 ℃以上[9]，罗马尼亚伊兹伏卢尔·蒙特诺伊水库库区晴天温度日较差减少2 ℃[10]。大型水体有增雨、增湿作用[1,10]，阿斯旺水坝蓄水使库区年蒸发量从60亿m3增加到100亿m3[8]，造成库区相对湿度增加[1]。伊兹伏卢尔·蒙特诺伊水库使库区相对湿度较大坝建成前增加20%以上[10]。俄罗斯车尔尼雪夫斯基水库使库区夏季相对湿度较大坝建成前上升33%[10]。大型水体还造成局地风速增大[11-12]，对局地日照时数造成影响[5]。可见，大型水体对温度、降水、相对湿度、日照时数等气象条件产生一定影响，主要导致降温以及降水和相对湿度的增加。

三峡工程是当今中国最大也是世界规模最大的水利水电枢纽工程，三峡蓄水对局地气候产生了影响。三峡蓄水对局地起到降温作用[13-15]，并造成水面上方夏季降温1.5 ℃、冬季降温1 ℃[13]，蓄水后库区高温日数减少[15]。也有研究指出三峡库区因为受到气候变暖的大背景影响，温度呈升高趋势[16]。三峡库区降水量呈增加趋势[17-18]，蓄水后库区降水量的变化在-3.6%～14.8%之间[16]。也有研究表明，虽然三峡库区的相对湿度有所增加，例如黄亚[19]利用RegCM4模式模拟得到三峡蓄水后湖区蒸发量增加了0.04 mm/d，但因为三峡蓄水后水汽蒸发离开库区，库区的降水量没有明显变化[20]。蓄水后三峡库区年平均日照时数减少5～25 h[21]，具体表现为东部的日照时数增加，西部降低[22]。三峡蓄水后，局地辐射量、水体蒸发热量也显著增加[23]。三峡蓄水对气象要素的影响距离较近[13,24-25]，对降水的影响距离最远几十千米[26-27]，蓄水对局地气象要素的影响一般不超过20 km[13]，甚至仅10 km[25]。

三峡蓄水对局地气象要素产生影响，但目前结论不一。由于通航、蓄洪等需要，三峡水库面积在一年中有较大幅度的变化[28]。三峡工程修建时间长，分不同批次蓄水，蓄水时段的选取也将影响分析结果。鉴于三峡库区对局地气象要素的影响是长期的、变化的，为了研究三峡蓄水在较长时间尺度上的气候影响，本文在前人研究的基础上，研究三峡库区1951—2016年的气候变化特征及各要素突变情况，讨论三峡蓄水对局地气象要素的影响及影响范围和面积，为库区农业生产和防灾减灾提供科学依据。

2 研究区概况及资料方法

2.1 研究区概况

三峡大坝位于湖北省宜昌市三斗坪镇境内。三峡库区地处四川盆地与长江中下游平原过渡地区，属于亚热带季风气候，年降水量1 000～1 800 mm，年平均气温17～19 ℃，水体面积达到1万km2，水体长度达到600 km，最宽处超过2 000 m。

2.2 资料来源

本文所使用的气象数据来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/site/index.html)，选取三峡库区各气象要素序列连续性较好且海拔高度不高于800 m的宜昌、秭归、兴山、巴东、奉节、万州、丰都、长寿、沙坪坝、江津10个站点1951—2016年逐日日平均温度、降水量、日照时数、相对湿度等气象资料，站点分布见图1。

图1 研究区站点分布Fig.1 Studied sites in the Three Gorges Reservoir area

2.3 研究方法

2.3.1 气候倾向率法

本文以1997年大坝一期工程截流完成[29]为界限，采用气候倾向率法计算温度、降水、相对湿度、日照时数等气象要素在1951—2016年、1977—1996年(开始蓄水前20 a)及1997—2016年(开始蓄水后20 a)的变率。蓄水前后气候倾向率的改变可以去除要素长期变化的大背景影响，结合要素是否在蓄水期间发生突变，可以反映出要素受蓄水的影响。

用Xi表示样本量为n的某一气象要素序列，所对应的时间序列为t，建立Xi与t之间的一元线性回归为

Xi=a+bti，i=1,2,…,n。

(1)

式中：a为回归常数；b为回归系数。a和b可用最小二乘法进行估计，并以b作为气候要素变化速率。

2.3.2 CVM检验

本文以1997年大坝一期工程截留完成为起点，至2003年大坝二期工程蓄水[29]为蓄水时段。采用Cramér-von Mises(CVM)检验[30]计算要素发生突变的年份，并判断各要素是否在蓄水年间(1997—2003年)发生突变。首先利用式(1)、式(2)计算样本的经验分布。

(2)

(3)

(4)

式中Wτ,n是2个经验分布平均距离的平方，实际计算中可表示为

(5)

散度值W越大，说明累积分布的变化越大，检验结果的峰值为要素序列的突变点。

2.3.3 空间插值方法

选用反距离权重法[31]对数据点进行空间插值。反距离权重法将插值点与样本点的距离作为权重，距离样本点越近的插值点权重越大。计算公式为

(6)

式中：Z(S0)为S0处的预测值;N为样本点数;λi为各样本点的权重;Z(Si)为Si处的测量值。权重的计算公式为

(7)

式中:di0为点S0与各已知点Si的距离；p为指数值。

3 结果与分析

3.1 蓄水前后温度的变化趋势

三峡库区1951—2016年平均温度为17.74 ℃(图 2(a))，整体呈南高北低的分布，库区西部、东部温度高于中部。库区西部的江津年平均温度最高为18.49 ℃，东部的宜昌年平均温度最低为16.98 ℃。库区1951—2016年整体呈升温趋势，平均温度变率为0.06 ℃/(10 a)(图 2(b))。除库区东部秭归呈降温趋势外，其余地区均呈升温趋势，库区中部升温快于东部、西部。库区中部的奉节升温最快，温度变率为0.24 ℃/(10 a)，东部的秭归降温最快，温度变率为-0.32 ℃/(10 a)。三峡水库蓄水前(1977—1996年)与蓄水后(1997—2016年)温度变率差值(蓄水后温度变率减蓄水前)分布见图2(c)。由图2(c)可见，蓄水后库区温度变率整体增加，平均变率差值为0.35 ℃/(10 a)，除库区东部的秭归、宜昌温度变率降低外，其他大部分地区温度变率增加，库区中部的奉节温度变率增加最多，差值为1.59 ℃/(10 a)，东部的宜昌温度变率减少最多，差值为-0.29 ℃/(10 a)。采用CVM检验得出的蓄水期间温度突变站点分布见图2(d)，库区东部的秭归在1997年发生突变，中部的奉节在2002年发生突变，西部的丰都、长寿、江津都在2000年发生突变。5个站点的CVM检验结果p值都<0.01，达到极显著水平。

图2 蓄水前后库区温度变化Fig.2 Change of temperature in reservoir area before and after impoundment

为进一步研究三峡蓄水在距大坝不同距离尺度上对温度的影响，选取秭归(110.68°E, 31.00°N; 高程151.5 m)、宜昌(111.32°E, 30.77°N; 高程116.8 m)、万州(108.40°E, 30.77°N;高程186.7 m)3个站点进行对比分析。3个站点经度最大相差3.28°，纬度最大相差0.23°，海拔最大相差69.9 m，地理环境相似。3个站点温度数据之间的差异可反映蓄水的影响。3个站点蓄水后20 a较蓄水前20 a平均温度差值(蓄水后平均温度减蓄水前)见表1。蓄水后，大坝附近的秭归站温度下降1.15 ℃，随着距离增大，温度变化趋势变为上升，且升温幅度随距离增加而增大。蓄水后宜昌站温度升高0.55 ℃，万州站升温幅度更大，达到了0.89 ℃。上述结果表明蓄水对秭归站存在降温作用。

表1 蓄水前后不同站点的温度均值及差值Table 1 Mean and difference of temperature at stations of different distances to the dam before and after impoundment

3.2 蓄水前后降水的变化趋势

三峡库区1951—2016年平均降水量为1 092.49 mm/a(图3(a))，库区中部降水量多于西部、东部。库区中部的万州降水最多，年平均降水量为1 183.68 mm/a，库区东部的兴山降水最少，年平均降水量为981.19 mm/a。库区1951—2016年多数降水量站点呈减少趋势(图3(b))。库区东部的秭归、西部的沙坪坝降水量呈增加趋势，其余地区均呈减少趋势。库区东部的秭归降水增加最快，变率为50.71 mm/(10 a)，中部的奉节降水减少最快，变率为-13.23 mm/(10 a)。三峡蓄水前后20 a库区降水变率差值分布见图3(c)，由图3(c)可见，蓄水后库区降水变率整体增加，平均变率差值为22.82 mm/(10 a)。降水变率差值没有明显分布规律，在库区东部、西部都有高值和低值中心。库区东部的巴东降水变率增加最大，差值为91.49 mm/(10 a)，库区东部的宜昌降水变率减少最大，差值为-50.23 mm/(10 a)。

图3 蓄水前后库区降水变化Fig.3 Change of precipitation in reservoir area before and after impoundment

库区蓄水期间降水突变站点分布见图3(d)，仅库区东部的秭归降水在1997年发生突变，对秭归降水的CVM检验结果p值<0.01，达到极显著水平。

为进一步研究蓄水在不同距离尺度上对降水的影响，计算秭归、宜昌和万州3个站点蓄水前后20 a平均降水量差值。蓄水后，各站点的降水量差值见表2。库区东部的秭归降水增加245.90 mm。随着距离增加，降水增加幅度减小，宜昌蓄水后降水仅增加2 mm。随着距离增加，降水变化趋势最终变为减少，蓄水后万州降水减少了83.29 mm。上述结果表明蓄水对秭归存在增雨作用。

表2 蓄水前后不同站点降水均值及差值Table 2 Mean and difference of precipitation at stations of different distances to the dam before and after impoundment

3.3 蓄水前后相对湿度的变化趋势

三峡库区1951—2016年平均相对湿度为76.18%(图4(a))，相对湿度自西向东递减。库区西部的长寿平均相对湿度最大为80.72%，中部的奉节平均相对湿度最小为70.20%。三峡库区1951—2016年相对湿度整体呈减少趋势，平均相对湿度变率为-0.10%/(10 a)(图4(b))。库区东部的秭归、巴东及中部的奉节相对湿度呈增加趋势，其余大部分地区呈下降趋势，中部相对湿度下降较快。库区东部的秭归相对湿度增加最快，变率为1.06%/(10 a)，西部的万州相对湿度减少最快，变率为-0.81%/(10 a)。三峡蓄水前后20 a相对湿度变率差值分布见图4(c)，由图4(c)可见，蓄水后库区相对湿度变率全部下降，平均变率差值为-3.04%/(10 a)。除库区西部的江津下降较少外，相对湿度变率差值整体呈西低东高趋势。库区东部的秭归相对湿度变率下降最少，差值为-0.57%/(10 a)，库区西部的长寿相对湿度变率减少最多，差值为-4.75%/(10 a)。蓄水期间相对湿度发生突变的站点分布见图4(d)，库区东部的秭归相对湿度在1997年突变、兴山在2003年突变，西部的丰都在2000年、江津在1999年发生突变，对各站相对湿度的SVM检验结果p值都<0.01，达到极显著水平。

图4 蓄水前后库区相对湿度变化Fig.4 Changes of relative humidity in reservoir area before and after impoundment

为进一步研究蓄水在不同距离尺度上对相对湿度的影响程度，计算3个参考站点蓄水前后20 a平均相对湿度差值，结果见表3。蓄水后，大坝附近的秭归相对湿度增加5.29%，随着距离增大，变化趋势变为减小，且减少程度随距离增加而增大，蓄水后宜昌相对湿度减少0.53%，万州相对湿度减少4.54%。上述结果表明蓄水对秭归存在增湿作用。

表3 蓄水前后不同站点相对湿度均值及差值Table 3 Mean and difference of relative humidity at stations of different distances to the dam before and after impoundment

3.4 蓄水前后日照时数的变化趋势

三峡库区1951—2016年平均日照时数为1 383.61 h/a(图5(a))，由东向西递减。库区东部的秭归日照时数最大，为1 600.75 h/a，西部的沙坪坝日照时数最少，为1 092.86 h/a。1951—2016年库区日照时数全部呈减少趋势，平均日照时数变率为-43.44 h/(10 a)(图5(b))，库区中部、东部减少较快，西部减少较慢。库区西部的丰都日照时数减少最慢，变率为-13.67 h/(10 a)，东部的宜昌减少最快，变率为-89.77 h/(10 a)。蓄水前后20 a日照时数变率差值分布见图5(c)，由图5(c)可见，蓄水之后库区日照时数变率整体增加，平均日照时数变率差值为72.52 h/(10 a)。蓄水后日照时数变率差值分布无明显规律，库区东部、中部、西部都有日照时数增加以及减少的变化中心。库区中部的万州日照时数变率差值最大，为275.28 h/(10 a)，东部的秭归日照时数变率差值最小，为-161.00 h/(10 a)。蓄水期间库区日照时数发生突变的站点分布见图5(d)，日照时数发生突变的站点较少，仅秭归一站在2002年发生突变。对秭归的日照时数CVM检验结果p值<0.01，达到极显著水平。

图5 蓄水前后库区日照时数变化Fig.5 Variation of sunshine hours in reservoir area before and after impoundment

3.5 蓄水对各气象要素的影响范围

综合3.1—3.4节，蓄水期间气象四要素全部发生突变的仅秭归一站，其余站点如奉节、丰都、长寿、江津站仅1～2个要素在蓄水期间发生突变，各站各要素突变的年份见表4。并且，考虑到大气中的水分更多受到外循环(海-陆循环)的影响，受内循环(陆-陆循环)影响较小，外循环对降水的影响甚至达到95%，内循环对降水的影响仅5%[13]。故认为仅与大坝相连且蓄水后要素变率差值符号(正负)与大坝处相同的地区受到蓄水的影响，不考虑由于大气环流对与大坝不相连地区造成的轻微影响。本文在各要素蓄水前后变率差值图上用0等值线界定蓄水对各气象要素的具体影响范围。

表4 库区各站各要素发生突变的年份Table 4 Year of sudden change of each element at each station in the reservoir area

蓄水对温度、降水及日照时数的影响范围见图6。由图6可知：

图6 蓄水对气象要素的影响范围Fig.6 Scope of influence of water storage on meteorological elements

(1)蓄水对温度的影响范围较小，仅影响秭归附近，影响面积为299.83 km2，影响距离最远距大坝12.65 km。

(2)蓄水对库区降水影响范围较小，主要影响大坝下游地区。影响面积为2 914.88 km2(库区内)，影响距离最远109.15 km(库区内)。

(3)蓄水对日照时数影响范围较小，主要影响大坝下游地区，仅影响秭归附近，影响范围面积为2 045.66 km2(库区内)，影响距离最远距大坝41.06 km(库区内)。

3.6 蓄水对秭归各气象要素的影响

综合3.1—3.5节，蓄水主要对大坝附近秭归站点的气象要素造成影响。蓄水对温度、降水、日照时数三要素产生影响的范围并集见图7(a)，影响范围总面积为4 527.42 km2，影响距离最远距大坝109.15 km。蓄水对3种要素都产生影响的地区(影响范围交集)见图7(b)，蓄水期间，3个气象要素全部受到影响的只有秭归周边小片地区，面积为75.27 km2，影响距离最远距大坝12.09 km。故单独提取大坝所在的秭归站各气象要素进行分析。

图7 蓄水对三要素影响范围Fig.7 Scope of influence of water storage on three factors

对秭归站蓄水前后20 a(1977—2016年)的年平均温度、降水量、相对湿度、日照时数的CVM检验结果见图8，检验量结果最大值所在年份代表要素突变年份。秭归站的温度、降水量、相对湿度都在1997年发生突变(p值都<0.01，达到极显著水平)，日照时数在2002年发生突变。4个要素都在1997—2003年蓄水期间发生突变，说明蓄水对秭归各气象要素造成显著影响。

图8 1977—2016年秭归各要素CVM检验结果Fig.8 CVM test results of various factors at Zigui from 1977 to 2016

秭归站蓄水前后20 a各气象要素累计距平见图9。温度累计距平最大值在1997年，为13.42 ℃，说明秭归站的温度在1997年前较多年均值偏高，在1997年之后偏低，证明了三峡蓄水后秭归温度降低。降水量累计距平最小值在1997年，为-3 116.5 mm，说明秭归降水量在1997年前较多年均值偏低，在1997年后偏高，证明了蓄水后秭归降水增加。相对湿度累计距平最小值在1997年，为-57.38%，说明秭归相对湿度在1997年之前较多年均值偏低，在1997年之后偏高，证明了蓄水后秭归相对湿度增加。日照时数累计距平最大值在2002年，为1 202.06 h，说明秭归日照时数在2002年前较多年均值偏高，在2002年后偏低，证明了蓄水后秭归日照时数降低。温度、降水、相对湿度、日照时数累计距平最值都出现在蓄水期间，且年份与CVM检验结果一致，可以说明蓄水对秭归各气象要素造成显著影响。

图9 1977—2016年秭归各要素累计距平曲线Fig.9 Cumulative anomaly curves of various factors at Zigui from 1977 to 2016

蓄水前后20 a秭归各要素变化趋势见图10。蓄水前后温度都呈下降趋势，但在蓄水期间迅速下降，形成明显断层，蓄水后20 a平均温度较蓄水前下降1.15 ℃，温度变率下降0.05 ℃/(10 a)(蓄水前为-0.25 ℃/(10 a)，蓄水后为-0.30 ℃/(10 a)。蓄水后秭归温度下降，且下降速度加快，证明了蓄水对秭归的降温作用。蓄水前后20 a秭归降水都呈下降趋势，但降水量在蓄水期间迅速增加，形成明显断层。蓄水后20 a秭归平均降水量较蓄水前增加245.90 mm，降水变率减少了1.25 mm/(10 a)(蓄水前为-28.39 mm/(10 a)，蓄水后为-29.64 mm/(10 a)。蓄水前后秭归相对湿度都呈上升趋势，但在蓄水期间迅速增加，形成明显断层。蓄水后20 a秭归平均相对湿度较蓄水前增加5.29%，相对湿度变率下降0.57%/(10 a)(蓄水前为1.64%/(10 a)，蓄水后为1.07%/(10 a))。蓄水后20 a秭归平均日照时数较蓄水前下降33.87 h/a，日照时数变率下降161.00 h/(10 a)(蓄水前为-26.94 h/(10 a)，蓄水后为-187.94 h/(10 a))，蓄水后秭归日照时数下降，且下降速度加快，证明了蓄水造成秭归日照时数下降。

图10 蓄水前后20 a秭归各要素变化趋势Fig.10 Change trends of various factors at Zigui in 20 years before and after impoundment

4 结 论

(1)三峡蓄水对局地各要素影响范围较小，这一点与陈鲜艳等[13]、马占山等[32]的结论类似。本文研究表明，三峡蓄水对气象要素影响的范围在299.83～2 045.66 km2之间变动，仅在75.27 km2范围内对温度、降水量、相对湿度和日照时数同时产生影响。三峡蓄水对局地气象要素影响的范围较小，这可能与三峡水库是河道型水库有关。三峡水库处于山区，受到两岸高山的影响，对气象要素的影响距离较近。近年来长江流域极端天气增加。例如2006年四川、重庆发生严重旱灾，2008年11月长江上游发生罕见的晚秋汛，2011中国长江中下游地区遭遇60 a最严重的冬春持续气象干旱，2020年武汉、安徽发生洪水。一些社会观点将这些自然灾害与三峡蓄水联系起来，本文研究表明，三峡蓄水的影响距离较近，这些极端天气的出现位置超出了三峡蓄水对气候的影响距离，因此，不足以说明这些极端天气的出现与三峡蓄水有关。

(2)除蓄水对局地温度影响范围较小外，蓄水对降水、日照时数的影响范围主要是大坝下游(大坝以东)地区。严少敏等[33]分析了35座大型水库的局地气候影响，同样得出大型水库蓄水导致局地降水增加，尤其是大坝下游地区年平均降水量增加的结论。由此可见利用不同方法研究不同水库的局地气候影响结论具有相似性。

(3)气象要素的变化还受到人类活动等多方面影响，关系较为复杂，难以精确区分。因此，本文利用CVM检验判断站点各要素是否全部在蓄水期间发生突变，以此反映蓄水是否对局地气候产生影响，并对大坝附近地理位置近似的不同距离的站点蓄水前后各要素的变化进行对比，以进一步验证结论，并利用各要素蓄水前后气候倾向率的差值反映影响的性质，可以去除气候变化的大背景影响，最终以三峡蓄水前后气候倾向率差值0等值线得到蓄水对各要素的影响范围。但本文所用资料空间分辨率较低，库区内仅10个站点，大坝周围站点较少，尽管气候倾向率差值结果在ArcGIS软件中进行了空间插值处理，但仍不足以反映蓄水对各要素的影响在空间上的变化趋势。故本文提出的方法可作为利用观测资料以及统计分析方法判断蓄水影响范围的一种参考，如果能利用与站点观测资料符合度好的更高空间分辨率的再分析资料，则可以得出更具体、更准确的影响范围。

分析表明，三峡蓄水对局地气候的影响范围较近，最远在75.27 km2内对温度、降水量、相对湿度和日照时数同时产生影响，四要素都在蓄水期间发生突变的仅秭归一站。蓄水主要对秭归起到降温和增雨增湿的作用。