三峡水库蓄水后库区气候要素变化趋势分析

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　　摘要：为获取三峡水库建成蓄水后各种水循环要素的变化情况，基于2004～2016年库区12个沿江代表站的气象数据，采用趋势分析法和相关分析法研究了三峡库区相关气候要素的变化情况，并与前人的相关研究成果对比，探讨其变化趋势及变化原因。结果表明：水库蓄水后，由于下垫面的改变，水库年均气温呈弱的下降趋势，年均降水量与降水日数增加，年均相对湿度减小，风速增加，蒸发量下降;影响蒸发量的主要因素是年均气温、年均相对湿度与日照时数。研究成果可为气候变化背景下三峡库区水分、能量循环研究提供理论依据和参考。
　　关键词：降水量;蒸发量;气候要素;统计分析;三峡水库
　　中图法分类号：P33
　　文献标志码：A
　　DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.020
　　三峡水库自修建以来，其可能产生的局地气候效应就引起了学者的广泛关注，尤其是2003年水库开始蓄水以后，库区水位明显提高，下垫面水域的扩大会影响三峡库区局地气候，气候变化也会影响水文循环，引起水资源在时空上的重新分配，并对降水、蒸发、径流等造成直接影响。此前相关研究已有很多，但针对蓄水后各相关要素的对比分析研究则相对较少。因此，本文重点研究三峡水库建成蓄水后，库区各气象要素的变化趋势并分析其原因。目前的相关研究中，陈鲜艳、张强对三峡库区周围33个站点1961～2006年降水与温度观测资料进行了时间与空间的分析。张天宇采用区域平均的算法，分析了1961～2008年库区的气候特征。韩庆忠对三峡库首典型区2001～2010年各气象因子变化进行了趋势分析与研究。之前的研究或只分析建库前长时间系列的变化或建库前后的对比分析，但包含气候因素较少，时间上也相对较短。本文基于前人对三峡库区多年水循环要素变化趋势的研究结果，对2004～2016年各要素观测数据进行统计分析，对比三峡水库建库蓄水前后库区水循环要素的变化趋势，在全球气候变化背景下，结合其下垫面的改变，研究其变化趋势，对理解三峡库区水文循环规律和能量循环具有重要意义。
　　1 材料与方法
　　1.1 研究区概况
　　三峡库区地处四川盆地与长江中下游平原的结合部，跨越鄂中山区峡谷及川东岭谷地带，西起重庆江津，东至湖北宜昌，包括重庆市22个县（区）以及湖北省的4个县，总面积约5.8万km2。其特殊的地理位置决定了其独特的气候变化，库区为亚热带湿润季风气候，冬季短夏季长，降雨丰沛但季节分配不均，冬干、夏雨、伏旱、秋淋。
　　1.2 数据来源
　　三峡水库宜昌库首向西分布的12个沿江代表站（重庆、长寿、涪陵、丰都、忠县、万州、云阳、奉节、巫山、巴东、秭归、宜昌）2004～2016年相关资料数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）。该数据包括气温、降水量、蒸发量、相对湿度、平均风速、日照时数等。
　　1.3 分析方法
　　采用线性趋势法分析库区各要素的年度和季度变化趋势。采用回归模型、相关分析法5]，分析年均气温、年降水量、年蒸发量、年均风速、年日照总时数、年均相对湿度之间的关系，确定年蒸发量的主要影响因子及影响关系。同时计算了12个沿江代表站相关气候要素年值和月值的逐年变化与区域平均的相关关系，其相关系数通过了P<0.01的显著性水平检验，因此可以用均值代表三峡库区气候要素的变化情况。
　　本文利用SPSS 19.0分析各气候要素与蒸发量在年尺度上的相关性及月尺度上的相关性并用Origin2018作图。
　　2 计算分析
　　2.1 温度变化趋势
　　气温是反映热量特征的重要指标之一，已成为自然区划、地域热量资源分析和农业生产潜力评估的重要参数，被广泛应用于温室效应、热岛效应、城市化过程等研究领域。因此，分析三峡库区气温变化趋势也是反映其区域气候变化的重要标识因素之一。
　　在之前研究中，林德生、吴昌广对库区周边32个气象站1960～2006年气温变化趋势的研究结果显示呈上升趋势;廖要明分析了三峡库区5个代表站1951～2006年夏季的气候变化特征，发现其平均气温.呈下降趋势;张强等根据三峡水库周边气候考察站1992～2004年逐日气温资料，研究发现其平均气温有上升趋势，但对比2003年与2004年平均气温，得出结论：水库蓄水后对水域周围地区起到了降温的作用。
　　本文根据区域平均的方法，取12个沿江站点的平均值，得出自三峡库区蓄水后自2004～2016年的年平均气温为18.19C。通过分析历年年均气温序列可以发现，库区蓄水后年平均气温总体上呈下降趋势（图1）。
　　图2为三峡库区2004～2016年多年平均季节的气温变化趋势图（3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月～次年2月为冬季）。春、夏、秋、冬四季温度变化率分别为-0.0469，-0.0523，-0.005，0.0694，春、夏、秋呈降温趋势，冬季增温趋势。其中，冬季变化速率较为明显，秋季变化速率最小。
　　之前的研究只有蓄水后两三年的年均气温对比情况，本文扩展到了蓄水后13a来的平均气温变化趋势，分析可见，水库蓄水后对近库区有降温作用，而且确实有“冬季增温，夏季降温”的作用。
　　2.2 降水量、降水日数变化趋势
　　三峡库区所包含的重庆和湖北部分地区，地表水、地下水主要依赖于降水补给，所以研究降水量的变化趋势有助于分析径流的变化情况，同时降水日数也可以在一定程度上表征降水，因此，本文结合降水日数来分析平均降水量的年际和年内变化情况。
　　针对三峡库区的不同降水特征前人已有研究。陈祥义等研究了1951～2012年三峡库区的降水时空变化，得出：62a中年均降水量和降水日数都有减少趋势，且降水日数的减少趋势更加明显。张天宇等系统分析了库区17个气象站1961～2008年的气候变化特征，发现年降水量为弱的减少趋势，年降水日数线性减少。张树奎认为三峡水库运行前45a与运行后6a的时间内的年降水与四季降水并无明顯变化。 　　本文通过分析2004～2016年年均降水量的变化情况，最大降水量和最大降水日数均出现在2016年，分别为1229.8mm和145.4d，从图3～4可看出，库区蓄水后近十几年来，年均降水量和降水日数均呈显著上升趋势，从变化的速率来看，蓄水后年均降水日数的增加速率显然高于降水量的增长速率。降水日数和降水量的不同步变化，意味着旱涝灾害发生的可能性增加12]，这对农业生产和生态环境会产生极大的威胁。
　　2.3 蒸发量变化
　　蒸发作为水分与能量转换的枢纽环节，是决定天气与气候条件的重要因子，在全球水陆循环与气候演变中起重要作用。王艳君等对长江流域1961～2000年蒸发量变化趋势研究结果表明13：近40a来长江流域年实际蒸发量呈现出明显的下降趋势。廖要明通过系统地分析三峡库区1951～2006年夏季的气候变化的，得出：三峡库区从1951年以来夏季区域平均蒸发量与长江流域全年蒸发量变化趋势保持一致，呈下降趋势。张祎分析了1984～2005年宜昌地区水面蒸发量的时空分布，从逐年变化情况来看，蒸发量有减少趋势。近年来，自三峡水库蓄水后，其蒸发量变化呈显著下降趋势（图5），且蒸发量的下降速率大于降水量的增加速率。
　　2.4 年日照时数、相对湿度与风速
　　表1给出了三峡水库蓄水以来（2004～2016年），库区年均相对湿度与风速。可以看出，2004年以来，三峡库区年均相对湿度与风速均呈现增加趋势，其平均值分别为74%，1.3m/s;年日照时数呈下降趋势，多年平均年日照时数为1308h。与建库前多年的变化趋势相比，年均相对湿度平均值有所降低，但单从2004～2016年来看，其呈现增加趋势。年平均风速与建库前相比呈增加趋势，年日照时数呈下降趋势。
　　3 结果和讨论
　　与蓄水前相比，库区内气温有微弱的下降趋势，由于本文采用的沿江代表站，因此结论也只是针对近库区的平均气温。库区下垫面由原来的陆地转变为水面，而水体的辐射性质、热容、导热率等均与陆地不同，所以会改变库区与大气之间的热交换，这也是水库蓄水使得近库区“冬季增温，夏季降温”的原因。
　　水库蓄水后年均降水量呈增加趋势，降水量的变化与大气水循环有关，大气中的水分循环有外循环和内循环，外循环即按地球自转规律，水汽随大气环流进行输送，内循环即局部区域内大气局地环流中的水分循环。研究发现，就自然降水而言，外循环的水汽对各地降雨的影响远超过内循环水汽对各地降雨的影响。除大气水分外循环，作为典型的河道型水库，蓄水后水体面积扩大，使得其与局地特殊地形相耦合造成水汽与风场的变化，引起局地水循环变化，从而也会导致降水的变化。
　　蓄水后水面的扩大使得风速增加，主要是由于水面的粗糙度比陆面小，而空气湿度的变化会受到风速和气温的影响，风速增加相对湿度则会降低。
　　蒸发量的变化不是单个因素的影响造成的，而是多因素共同作用的结果。为深入分析三峡水库蓄水后年蒸发量变化的主要影响因子，对各气候因子与蒸发量进行相关性分析（见表2）。结果显示，在年尺度上，各气候因子与蒸发量的相关性均达到了显著性水平。其中气温与蒸发量的相关系数最大且为正相关，年均相对湿度与蒸发量呈负相关关系。在月尺度上，年均相对湿度、年均气温、年日照时数与蒸发量的相关性达到了显著性水平，年均气温和年日照时数与蒸发量为正相关关系，其余为负相关。其中年均气温与蒸发量的相关系数最大，年均相对湿度次之，年降水量与年蒸发量的相关系数最小。
　　从以上分析得知，三峡水库蓄水后影响年蒸发量变化的主要因子是年均气温、年日照时数、年均相对湿度。因此，本文在此基础，上对年蒸发量进行线性拟合，结果显示，拟合方程的决定系数均较高（表3）。
　　为进一步了解各气象要素對年蒸发量产生的综合影响效应，选取以上3个气候因素为自变量，构建库区内年蒸发量的多元回归方程：
　　公式
　　式中，E为库区年蒸发量;x1为库区年均气温;x2为库区年日照时数;x3为库区年均相对湿度。方程相关系数为0.883，通过了显著性水平为0.01的检验，表明年均气温对库区蒸发量的影响最大，这一结果与相关分析的结果保持一致。
　　4 结论
　　（1） 三峡水库蓄水后年均气温呈弱的下降趋势且近库区有冬季气温增加、夏季气温降低的趋势。但只是蓄水后短系列年的相对变化趋势。其原因主要是由于库区大面积的陆地转变为水面，而水体的辐射性质、热容、导热率等均与陆地不同，所以会改变库区与大气之间的热交换，从而使得近库区“冬季增温，夏季降
　　（2） 由于建库后水体面积扩大，使得其与局地特殊地形相耦合造成水汽与风场的变化，加，上大气外循环的相互作用，使得蓄水后降水量与降水日数均呈增加趋势。
　　（3） 蓄水后由于水面面积扩大且水面的粗糙度比陆面小，使得风速增加，年均相对湿度减小。
　　（4） 蓄水后蒸发量呈下降趋势，影响蒸发量的主要因素是年均气温、年均相对湿度与日照时数。
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　　引用本文：张静，刘增进，肖伟华，王贺佳.三峡水库蓄水后库区气候要素变化趋势分析[J].人民长江，2019，50（3）：113-116.
　　Analysis on variation trend of climate factors in Three Gorges Reservoir area after impoundment
　　ZHANG Jing'，LIU Zengjin'，XIAO Weihua2，WANG Hejia2
　　（1. School of Water Conservancy，North China Universily of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China;2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Bejing 100038，China）
　　Abstract：In order to obtain the variation of the water cycle elements in Three Gorges Reservoir area after impoundment，westudied the variation trend of climate factors by trend analysis method and related analysis method based on the meteorological da-ta of 12 representative stations along the Yangtze River in the reservoir area from 2004 to 2016. Furthermore，we explored thecauses for the change by comparing the results with relevant research of predecessors. The results showed that：after the reservoirimpoundment，for the change of the underlying surface，the annual average temperature weakly decreased，the annual averageprecipitation and precipitation days increased，the annual average relative humidity decreased，the wind speed increased，and theevaporation decreased. The main factors affecting evaporation were annual average temperature，annual average relative humidityand sunshine duration. The results can provide theoretical basis and reference for the study of water and energy cycle in the ThreeGorges Reservoir area under the background of climate change.
　　Key words：precipitation;evaporation;climatic factors;statistical analysis;Three Gorges reservoir
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