水庫對其周邊氣候環(huán)境的影響研究

袁馬強 楊鳳婷 祝傳棟

（南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京210044）

0 引言

水庫建設(shè)是一項造福地方人民的民生工程， 隨著社會的快速發(fā)展，水庫在人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮的作用日益增大，它的建設(shè)對防洪，供水，發(fā)電，航運，灌溉等產(chǎn)生了重要影響。但是，在水庫給人們帶來巨大利益的同時，它的大范圍建設(shè)也引起了一些專家學(xué)者的異議。諸如：氣候環(huán)境異常，植被減少造成水土流失，生態(tài)平衡破壞，以及動植物多樣性減少等一系列問題開始被人們關(guān)注。三峽庫區(qū)屬中亞熱帶濕潤氣候區(qū)。 由于冬、夏季風(fēng)交替, 氣溫與降水季節(jié)變化明顯。 庫區(qū)四季分明,冬季溫和, 日時較短; 夏季炎熱, 日時較長。 氣溫的年較差和日較差都比較小。 庫區(qū)熱量資源較為豐富, 雨量較充足, 雨熱同季, 降水主要集中在仲春到仲秋時段, 庫區(qū)西段秋季多連陰雨天氣。 本文選取三峽水庫作為研究對象，利用1954-2011 中國753 站逐日站點資料，分析討論了水庫建成前后庫區(qū)附近的氣溫的時空分布特征，重點對其對周邊氣候環(huán)境的影響，搜集氣象數(shù)據(jù)資料和相關(guān)文獻并分析，最后得出結(jié)論，給出三峽水庫對周邊環(huán)境影響的評價。

1 資料及方法

1.1 背景介紹

三峽水庫， 是三峽水電站建立后蓄水形成的人工湖泊， 總面積1084 平方公里， 范圍涉及湖北省和重慶市的1 個縣市， 淹沒2 個城市、11 個縣城、1711 個村莊，其中有150 多處國家級文物古跡，庫區(qū)受淹沒影響人口共計84.62 萬人，搬遷安置的人口有113 萬。 淹沒房屋總面積3479.47 萬平方米。175 米正常蓄水位高程，總庫容393 億立方米,形成總面積達1000 多平方公里的人工湖泊。

1.2 氣象站點資料

本文選取三峽水庫上游的恩施、奉節(jié)、巴東站，庫區(qū)周邊的宜昌站，下游的荊州、天門、武漢站這七個氣象站點作為研究對象，資料來自于中國753 站逐日站點資料， 將其處理為月平均資料后， 分別對1954-2011 年的月平均氣溫氣象資料做統(tǒng)計分析。 圖1 為各站點分布的相對位置。

圖1 各站點分布相對位置

1.3 研究方法

主要采用五點滑動平均算法?；瑒悠骄勤厔輸M合技術(shù)最基礎(chǔ)的方法，它相當(dāng)于低通濾波器，用確定時間序列的平滑值來顯示變化趨勢。 具體方法為：對樣本量為n 的序列x，其滑動平均序列表示為：

式中k 為滑動長度。作為一種規(guī)則，k 最好取奇數(shù)（本實習(xí)k=11），以使平均值可以加到時間序列中項的時間坐標(biāo)上。 若k 取偶數(shù)，可以對滑動平均后的新序列取每兩項的平均值，以使滑動平均對準中間排列。通過滑動平均后，可濾掉數(shù)據(jù)中頻繁隨機起伏，顯示出平滑的變化趨勢，通過隨機誤差的變化過程，還可估計其統(tǒng)計特征量。

2 三峽庫區(qū)氣溫及其變化特征分析

2.1 庫區(qū)站點氣溫的氣候特征

三峽庫區(qū)處于長江上游，北有秦嶺、大巴山阻擋，北方冷空氣不易侵入，氣溫較高。庫區(qū)各地年平均氣溫為16.3-18.2℃。其中，恩施州是由巫山山脈、武陵山脈、齊躍山脈等三大主要山脈組成的山地，屬亞熱帶季風(fēng)性山地濕潤氣候，雨熱同期，但地勢高低懸殊；奉節(jié)縣地處四川盆地東端，屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨量充沛，日照時間長，海波高度變化很大；巴東在大巴山東，位于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，溫暖多雨；宜昌市地處長江上游與中游的結(jié)合部，在山區(qū)與平原的交匯地帶，三峽大壩、葛洲壩都在此處，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，四季分明；荊州位于江漢平原腹地，相對高度在20 米以下，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，熱量豐富；天門市主體位于平原地區(qū)，整個地勢呈西北向東南傾斜，亞熱帶季風(fēng)氣候使其光照充足，氣候濕潤；武漢市處于長江與漢江的交匯處，江漢平原東部， 亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候使得這個區(qū)域中心城市雨量充沛，日照充足。

2.2 站點溫度年際對比

圖2 是對恩施、奉節(jié)、巴東、宜昌、荊州、天門、武漢等所選七個站點的年平均氣溫值做五點平滑后所呈現(xiàn)的變化曲線。

圖2 各站點氣溫年平均值五點平滑

由圖2 可知，巴東站年平均氣溫為庫區(qū)最高，氣溫基本在17℃-18℃區(qū)間內(nèi)波動，水庫建成前，整體呈弱降溫趨勢，但幅度不明顯，變幅小于1℃，氣溫在1961 年、1976-1979 年期間出現(xiàn)峰值，在17.5℃以上。 水庫建成之后，巴東站水汽呈現(xiàn)弱升溫趨勢，在2000 年氣溫達到峰值，但之后氣溫又有所回落。 奉節(jié)、恩施站由于海拔較高，所以年平均氣溫表現(xiàn)為較低值，僅在17℃以下波動。 在60 年代以前，奉節(jié)站氣溫出現(xiàn)明顯降低趨勢，而恩施站氣溫則上升，之后到水庫建成前，二者的氣溫接近，總體呈若降溫趨勢，總體波動變幅在0.5℃左右，氣溫都在1976-1979 年期間出現(xiàn)峰值。水庫建成后，奉節(jié)、恩施站都表現(xiàn)為升溫趨勢，但奉節(jié)變化幅度更大，氣溫峰值一度達到18.5℃以上，而恩施雖有所增長，但變幅僅在0.8℃左右。 宜昌站在水庫建成前的氣溫變化情況與巴東站類似，也呈若降溫變化，同樣在1961 年、1976-1979 年期間出現(xiàn)峰值，達17℃。 水庫建成后，宜昌站氣溫出現(xiàn)了明顯的升高，變幅在1℃左右，在2005 年氣溫達到峰值。 荊州站在水庫建成前的氣溫呈平穩(wěn)波動形式，在水庫建成后呈微弱的上升，但隨著水庫的蓄水完成，氣溫在2008 年出現(xiàn)了明顯的下降，變幅0.5℃左右。天門站及武漢站在水庫建設(shè)前后的變化情況大致與荊州站相同，建成前都成平穩(wěn)的波動形式，建成后突變上升，蓄水完成后又突變下降，降幅分別為0.8℃左右及0.3℃左右。 綜上所述，庫建設(shè)前（1997 年前），七個站的年平均溫度呈現(xiàn)出較明顯的年代際變化，年代際變化表現(xiàn)為較小的減弱趨勢，且大概是準14 年周期振蕩。 蓄水前，七個站的年平均溫度的變化趨勢為顯著的增長趨勢，除巴東，荊州這兩站之外，其余五站的年平均溫度均在2006 年達到最大。 蓄水完成后年平均溫度均呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，且以武漢降幅最大，達到0.8 度左右。 此結(jié)果與段德寅[1]研究的基本一致。 由上下游的對比來看，下游站的年平均溫度較上游站要低。 年平均溫度的年際與年代際變化趨勢無明顯差別。 從總的趨勢來看，三峽建庫前七個站的年平均氣溫呈現(xiàn)減小的趨勢，而建庫之后呈現(xiàn)出較明顯的增溫趨勢，這可能是因為水體的熱容量很大，能夠調(diào)節(jié)水體周圍大氣的溫度，且對太陽輻射能有很強的吸收，再通過水-氣感熱與潛熱交換對附近大氣產(chǎn)生增溫效應(yīng)。

圖3、圖4 是分季節(jié)討論各站點氣溫變化的五點平滑曲線，將6、7、8 三月定為夏季，12、1、2 三月定為冬季。

圖3 各站點夏季氣溫年平均變化五點平滑

由圖3 可知，巴東站的夏季氣溫并不是最高，且總體呈現(xiàn)降溫趨勢。 水庫建成前，70 年代中期以前氣溫變化較為平緩，在1978 年出現(xiàn)一次明顯降溫，幅度在1℃以上，此后又表現(xiàn)為緩慢升高的趨勢。 水庫建成后，氣溫表現(xiàn)為降溫趨勢，但幅度較小，變幅在0.5℃左右。奉節(jié)站在60 年代前夏季出現(xiàn)大幅降溫，之后波動平緩，在70 年代末有再次出現(xiàn)明顯降溫，跌至庫區(qū)的最低值。 水庫建成以后，在2000 年-2005年表現(xiàn)為顯著升溫現(xiàn)象，變幅在2℃以上。恩施站在水庫建成前，60 年代前表現(xiàn)為升溫趨勢，之后與奉節(jié)站氣溫變化幅度、數(shù)值大致相同。水庫建成后，雖然表現(xiàn)為升溫，但較為平緩。 宜昌站在水庫建成前，與巴東站的變化相近，但在水庫建成后，表現(xiàn)為與巴東站相反位相的變化，其氣溫峰值對應(yīng)巴東站氣溫谷值，但總體也呈弱升溫趨勢。 荊州站在水庫建設(shè)前50 年代出現(xiàn)明顯升溫，60 年代初到達頂峰，在經(jīng)歷10 年的平緩期后呈波動式的微弱遞減，在水庫建設(shè)后，成微弱上升趨勢，蓄水完成后又突變下降。 天門站在水庫建設(shè)前呈波動式地下降趨勢，在水庫建成后出現(xiàn)明顯的升溫，但是在蓄水完成后又突變下降。 武漢站在水庫建設(shè)前后的溫度變化趨勢與荊州、天門站趨于一致，但是其蓄水完成后的溫度降幅要大于其他各站。 綜上所述，七個站的夏季氣溫在水庫建設(shè)前均呈現(xiàn)波動減小的趨勢，建成后又呈上升趨勢，蓄水后，這七站的夏季氣溫均呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢， 且以武漢站降幅最大。通過上下游對比發(fā)現(xiàn)，水庫建成前上下游站的夏季氣溫年際變化劇烈程度大致一樣；水庫建成后下游站的夏季氣溫的年際變化較上游站顯著，且增溫或降溫幅度較上游站大。

圖4 各站點冬季氣溫年平均變化五點平滑

由圖4 可知，從冬季氣溫年平均變化來看，與夏季不同，巴東站冬季氣溫達庫區(qū)最高，且整體變化不明顯。 水庫建成前，氣溫波動平緩，在1960 年、1981 年出現(xiàn)峰值。 水庫建成后，氣溫平穩(wěn)上升。 奉節(jié)站氣溫冬季不再是最低，水庫建成前總體變化趨勢與巴東站相同。 水庫建成后，奉節(jié)氣溫迅速升高，達到9℃左右。 恩施站在水庫建成前與奉節(jié)站變化趨勢相同， 但在水庫建成后雖然總體呈現(xiàn)弱升溫趨勢， 但在2000 年之后與奉節(jié)站出現(xiàn)了相反的變化，表現(xiàn)為弱降溫。 宜昌站在水庫建成前，表現(xiàn)為明顯的兩次波動，在60 年代初、80 年代初出現(xiàn)氣溫峰值。水庫建成后，宜昌站氣溫在波動中上升，在2000 年達峰值。荊州站在水庫建設(shè)前氣溫表現(xiàn)為三次明顯的波動且波動較為平緩，在水庫建設(shè)后氣溫呈平緩的上升。天門站在水庫建設(shè)前氣溫表現(xiàn)為兩次明顯的波動，波動也相對平緩，在水庫建設(shè)后氣溫趨于不變。武漢站在水庫建設(shè)前表現(xiàn)為兩次明顯的波動上升， 在建設(shè)后呈現(xiàn)微弱的下降趨勢。綜上所述，水庫建設(shè)前，七個站的冬季季氣溫在1960-1978 年呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，在1984-1997 年呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，且在1960 年和1980 年為冬季氣溫的峰值。 建成后， 七個站的冬季氣溫呈現(xiàn)上升趨勢。蓄水后，除武漢與恩施的冬季氣溫呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，其余5 站均呈現(xiàn)微弱的增大趨勢。水庫建成前上下游站的冬季氣溫年際變化劇烈程度大致一樣；水庫建成后下游站的東、冬季氣溫的年際變化較上游站顯著，且增溫或降溫幅度較上游站大。

從總的線性趨勢來看，出現(xiàn)了夏季弱降溫，冬季增溫的效應(yīng)。此結(jié)果與馬占山[2]的研究基本一致。

2.3 站點氣溫年較差、日較差

一年中最高月平均氣溫與最低月平均氣溫之差， 稱為氣溫年較差。 一般受大陸性影響的地區(qū)氣溫年較差較大，它也隨緯度的增高而增大。 氣溫年較差是劃分氣候類型的依據(jù)之一。 氣溫日較差則是一天之中氣溫最高值與最低值之差。 其大小與緯度、季節(jié)、地表情況、天氣等有關(guān)。

圖5 是分上下游討論的站點氣溫年較差變化曲線。

圖5 上下游站點氣溫年較差變化

由圖5 可知，建庫前，上游站點年較差在1954-1972 年年際變化趨勢呈現(xiàn)弱的增加趨勢， 在1983-1997 年年際變化趨勢呈現(xiàn)減少趨勢；下游站點年較差在1954-1978 年年際變化趨勢不明顯， 基本無變化，1978年之后氣候平均值明顯減少，1979-1997 年年際變化趨勢不明顯。 建庫后，上游站點與下游站點年較差年際變化趨勢呈現(xiàn)增加的趨勢。

圖6 是上下游站點氣溫的年較差變化曲線。

圖6 上下游站點氣溫日較差變化

由圖6 可知， 從氣溫日較差來看， 建庫前， 上游站點日較差在1954-1982 年年際變化呈現(xiàn)減小的趨勢，之后呈現(xiàn)增加的趨勢；下游站點日較差在1954-1966 年年際變化趨勢不顯著，在1966-1976 年年際變化呈現(xiàn)減小的趨勢，1980 年之后年際變化不顯著，且氣候平均值較1954-1978 年這一時期明顯偏小。 建庫后，上游站點的日較差年際變化趨勢不顯著，但下游站點在2006 年之后呈現(xiàn)增大的趨勢。

表1 1954-2011 年庫區(qū)站點氣溫比較

從表1 可以看出，對于年平均氣溫，在水庫建設(shè)后都比建設(shè)前成上升趨勢，且離水庫較遠的上游奉節(jié)站及下游的天門和武漢站增幅均超過1℃，而庫區(qū)周邊的巴東、宜昌、荊州站的增幅小于庫區(qū)外圍站。恩施站雖然增幅只有0.33℃，但是因為其離長江比較遠，所以可能會有其他諸如水源，植被等因素的影響，造成其增溫幅度比較小。由此可見，在全球變暖的大背景下，隨著水庫的建設(shè)、截流、蓄水，會使得庫區(qū)周邊范圍內(nèi)的增溫幅度減緩，并且越靠近庫區(qū)，增幅就越緩慢。此結(jié)論與毛以偉[3]的研究基本一致。

從氣溫年較差來看，取各地夏季平均氣溫、冬季平均氣溫之差作為當(dāng)?shù)貧鉁氐哪贻^差，從表中可以看出，在水庫建設(shè)前后氣溫的年較差呈明顯的減小趨勢，上游三站減小量分別為0.68、0.18、0.63；庫區(qū)宜昌站減小量為0.22；下游三站減小量分別為0.31、0.41、0.21，可以認為水庫的建設(shè)能引起冬暖夏涼效應(yīng)。

對于氣溫的日較差，冬季氣溫日較差，上游的奉節(jié)、恩施兩站呈增大趨勢，增大量分別為0.26、0.02。 同是上游的近庫區(qū)巴東站與庫區(qū)的宜昌站及下游三站一樣呈減小趨勢， 減小量分別為：0.24、0.42、0.82、0.82、0.73。 夏季氣溫日較差， 上游三站呈增大趨勢， 增大量分別為0.63、0.41、0.24。 庫區(qū)及下游三站呈減小趨勢， 減小量分別為0.25、0.48、0.56、0.76。 綜上所述，水庫建設(shè)使上游氣溫日較差增大，庫區(qū)及下游氣溫日較差較小。

2.4 成因分析

從水體本身特性來看，水的比熱容相對沙粒、土壤要大得多，隨著工程建設(shè)的深入進行，大壩截流、水庫蓄水造成大片土地被淹沒，庫區(qū)水位抬升和水面積擴大使水體吸收的太陽輻射增多。 分季節(jié)來看，夏季，由于我國降水普遍較多，故三峽庫區(qū)蓄水較多，水域面積大，而水體具有熱容量大得特性，且對太陽輻射的吸收率較高，故吸收熱量多。然后通過水-氣感熱、潛熱交換向大氣輸送熱量，對局地氣候有較大的影響。 而冬季，由于我國降水普遍較少，故三峽庫區(qū)蓄水少，水域面積小，三峽水庫對局地氣候的影響就很弱了。 在對氣溫日較差的影響方面，水庫上游到庫區(qū)夏季白天蒸發(fā)量大，水體面積比較寬，水汽與空氣之間頻繁的對流交換伴隨著潛熱感熱的釋放，從而造成白天空氣溫度偏高；到了晚上，由于水體的比熱比較大，具有保溫效應(yīng)。這樣一來，上游及庫區(qū)的夏季氣溫日較差就呈異常的增長。 冬季，由于太陽輻射強度遠遠弱于夏季，所以造成的日較差變化往往不明顯?？偠灾?，大范圍水體對局地氣候的影響表現(xiàn)為在冬季為增溫作用，在夏季為降溫作用，全年仍表現(xiàn)為增溫作用；夏季氣溫的日較差升高，冬季日較差趨勢變化不明顯。這一結(jié)論與王浩[4]的經(jīng)典觀點的表述有一定的差異，但是因為三峽大壩建成時間短，在諸如人類活動，環(huán)流異常等因素共同影響下，無法單一地從溫度變化來得出其庫區(qū)夏季是否真的具有升溫效應(yīng)，還需綜合多方的因素討論。

地形因素方面，三峽庫區(qū)位于鄂西與渝東，其兩岸均為崇山峻嶺，長江貫穿于其中。局地氣候會受山谷的影響，河谷地區(qū)冬暖夏涼，高山地區(qū)則全年氣溫較低。 三峽大壩建成之后，蓄水增多，水位上升，水體面積擴大，兩岸的山脈的相對高度差減小，故地形的動力與熱力作用將發(fā)生改變，使局地氣候發(fā)生變化。 同時，由于地勢的不同，對流層大氣距離地表的遠近也不同，離下墊面越遠，平均氣溫越低，氣溫的日變化幅度也會越小，使得山谷地區(qū)的氣溫日較差大于山峰。

由氣候大背景知， 人類在近一個世紀以來大量使用礦物燃料，排放大量溫室氣體，導(dǎo)致全球變暖。 近100 多年來，全球平均氣溫經(jīng)歷了：冷→暖→冷→暖四次波動，總的來看氣溫為上升趨勢。進入八十年代后，全球氣溫明顯上升。 因而三峽庫區(qū)周圍的局地氣候變化可能受全球變暖這一大背景的影響。

從大氣過程角度分析，當(dāng)大氣中的水汽發(fā)生凝結(jié)時，水汽抬升凝結(jié)潛熱釋放造成氣溫升高。三峽庫區(qū)蓄水前后周邊地區(qū)的降水量的季節(jié)變化與年變化可能會導(dǎo)致凝結(jié)潛熱釋放量的變化，故而會對庫區(qū)周圍的氣溫造成一定的影響。 同時降水的多寡又會導(dǎo)致庫區(qū)蓄水的多少，水體自身的特性又會對庫區(qū)周圍局地氣候產(chǎn)生影響。

三峽工程引發(fā)了一些區(qū)域生態(tài)問題，如小氣候環(huán)境變化、土地質(zhì)量下降和破壞、物種的生活習(xí)性環(huán)境改變、百萬移民安置帶來的生態(tài)影響、“消落區(qū)”和下游鹽堿化等等，這些因素均會對三峽地區(qū)的植被分布及其演變產(chǎn)生直接影響。 而區(qū)域植被的變化通過影響碳匯、地表反射率、地-氣感熱交換過程等對局地氣候產(chǎn)生影響，較明顯的就是植被的減少對庫區(qū)及庫區(qū)周邊具有突變性的升溫作用。

3 小結(jié)與討論

通過對三峽庫區(qū)周邊七個站點1954-2011 年氣溫觀測資料的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)庫區(qū)建成后，近庫地區(qū)的氣溫呈現(xiàn)出較明顯的增溫趨勢，氣溫年較差與庫區(qū)及下游各站的日較差相對變小， 夏季有弱降溫效應(yīng)，冬季增溫的效應(yīng)，并且上游對水庫氣候變化的反饋比上游劇烈。在全球變暖大背景下，基本可以認為，水庫可以使晝夜溫差減小，夏天變涼。而冬暖效應(yīng)同冬季的平均氣溫，在氣候變暖的影響下，不能辨別其升溫是否由水庫的建設(shè)引起[5]。但是，三峽工程局地氣候影響將是一個復(fù)雜、長期的氣候調(diào)節(jié)過程。 由于本文所給出的結(jié)果只是三峽水庫建成前后多年的觀測資料統(tǒng)計分析結(jié)果，上述的結(jié)果是否只是大背景氣候變暖以及人類活動下庫區(qū)的氣溫變化，還有待更長時間的觀測分析及更多研究方法及模式結(jié)果的驗證。

［1］段德寅.三峽工程對氣候的影響及其對策[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，1996，3，19（1）.

［2］馬占山.三峽水庫對區(qū)域氣候影響的數(shù)值模擬分析[J].長江流域資源與環(huán)境，2010，9，19（9）。

［3］毛以偉.三峽水庫壩區(qū)蓄水前水體對水庫周邊氣溫的影響毛以偉[J].氣象科技，2005，8，33（4）。

［4］王浩.深淺水體不同氣候效應(yīng)的初步研究[J].南京大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1993，29（3）:517-522.

［5］陳鮮艷，張強，葉殿秀，等.三峽庫區(qū)局地氣候變化[M].長江流域資源與環(huán)境，2009(18):47-51.