楊 青,楊廣斌,趙青松，戴 麗

(1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.貴州省山地資源與環(huán)境遙感應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550025)

0 引言

大量研究表明，全球氣候變化趨勢(shì)是氣溫上升，降水區(qū)域變化的過程[1]。氣候變化對(duì)供水、防洪、水生態(tài)環(huán)境安全造成多方面的影響，并且不同區(qū)域的氣候變化特征都有所差別[2-4]。相關(guān)研究指出水庫(kù)蓄水對(duì)周圍氣溫具有白天降溫、夜間增溫的效應(yīng)，并且冬季和夏季各有不同的增溫特點(diǎn)[5]。有關(guān)水庫(kù)對(duì)局地氣溫的調(diào)節(jié)作用傅抱璞[6]等提出,冬季多為增溫效應(yīng)，而夏季多為減溫效應(yīng),即水域可以對(duì)周圍氣溫有一定的影響，冬季提高溫度,夏季降低溫度。陳華[7]等利用Mann-Kendall檢驗(yàn)方法和空間插值方法,分析了漢江流域年和春、夏、秋、冬四季降水和氣溫變化趨勢(shì)的時(shí)空分布，得出近50 a來大部分地區(qū)氣溫呈上升趨勢(shì)。陳鮮艷[8]等通過1961—2010年逐日氣溫、降水等氣象觀測(cè)資料分析三峽庫(kù)區(qū)和長(zhǎng)江流域等地區(qū)氣象要素的氣候長(zhǎng)期變化趨勢(shì),結(jié)果表明水庫(kù)蓄水后對(duì)庫(kù)區(qū)附近氣溫產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，夏季降溫和冬季增溫效應(yīng)明顯。張強(qiáng)[9]等通過水庫(kù)周圍氣象站逐日氣溫資料水體對(duì)水庫(kù)氣候特點(diǎn)進(jìn)行分析，得出水庫(kù)對(duì)周圍氣溫有白天降溫、夜間增溫的效應(yīng),增溫幅度比降溫幅度大,而且夏季大于冬季,降溫幅度夏季小于冬季。王娜[10]等利用陜西安康水庫(kù)上游氣象站點(diǎn)的氣候資料，分析得出研究區(qū)年平均氣溫呈增暖趨勢(shì)，蓄水后的平均氣溫高于蓄水前，并且冬季升溫幅度最大。劉紅年[11]等研究出水庫(kù)對(duì)氣溫影響的日變化規(guī)律冬季和其它季節(jié)不同,冬季是全天增溫,白天增溫幅度大,夜間增溫幅度小,其余季節(jié)在夜間使氣溫增加。

現(xiàn)有研究大多都是借助于氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，鮮有結(jié)合遙感數(shù)據(jù)或直接利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)水庫(kù)的調(diào)節(jié)功能進(jìn)行分析。而遙感數(shù)據(jù)具有時(shí)效性高、覆蓋面廣、能對(duì)研究區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)[12]，本文采用通過遙感手段獲取的1 km柵格月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)集，結(jié)合氣象站點(diǎn)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，以期動(dòng)態(tài)分析水庫(kù)局地氣溫在空間上的分布規(guī)律。

龍灘水庫(kù)是為修建中國(guó)第三大水電站——龍灘電站而在紅水河上形成的大(一)型水庫(kù)，主要庫(kù)區(qū)位于貴州省境內(nèi)[13]。研究區(qū)氣候?qū)儆诟蔁岷庸葰夂?，干熱河谷氣候特點(diǎn)是日趨干熱[14]。貴州是中國(guó)西南喀斯特地區(qū)[15]，其特點(diǎn)是干熱河谷災(zāi)變與石漠化災(zāi)變復(fù)合并存。受石漠化與當(dāng)?shù)鬲?dú)特氣候特征的影響，如不加強(qiáng)治理，就會(huì)引發(fā)地表的無序增溫，局地氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，進(jìn)而導(dǎo)致干熱河谷災(zāi)變面積迅速擴(kuò)大[16]。所以水庫(kù)對(duì)局地的氣候調(diào)節(jié)功能就顯得十分重要，需要對(duì)庫(kù)區(qū)周圍氣溫定期進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)和分析。

1 研究區(qū)概況

龍灘水電工程位于黔桂省區(qū)交界處,是南北盤江、紅水河水電開發(fā)的龍頭工程,是目前僅次于三峽工程的我國(guó)第2大水電工程,也是水電開發(fā)、防洪及航運(yùn)規(guī)劃中的重點(diǎn)工程[17]，于2006年9月30日下閘蓄水[13]。龍灘水庫(kù)地處中國(guó)西南部，流域地處喀斯特山區(qū)，地勢(shì)自西北向東南傾斜；屬于亞熱帶氣候區(qū)，水庫(kù)位于南盤江，流域平均海拔高程1 450 m，流域內(nèi)各地的多年平均降雨量在 760～1 860 mm之間，汛期(4—10月) 占全年水量的 88.4%，流域內(nèi)各地區(qū)多年平均氣溫在12. 3～21. 3 ℃之間[18]，流域是典型的干熱河谷，其特征是描述具備干、熱兩個(gè)基本屬性河谷帶狀區(qū)域，這樣的區(qū)段又干又熱，在生態(tài)、社會(huì)發(fā)展等都有一定的負(fù)面影響[16]。

貴州庫(kù)區(qū)由西向東為冊(cè)亨、望謨和羅甸3個(gè)縣，庫(kù)區(qū)周邊為貞豐、紫云、長(zhǎng)順、惠水、平塘、獨(dú)山、荔波等縣。廣西庫(kù)區(qū)由西向東為田林、樂業(yè)和天峨3個(gè)縣，庫(kù)區(qū)周邊為百色、凌云、鳳山、河池市、南丹等縣。在水庫(kù)周圍建立緩沖區(qū)分析柵格數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)分別為10 km、50 km、100 km、150 km；并且結(jié)合緩沖區(qū)的區(qū)域選取羅甸、天峨作為近庫(kù)區(qū)代表站；望謨、鳳山、冊(cè)亨、樂業(yè)、田林為遠(yuǎn)庫(kù)區(qū)代表站；獨(dú)山、河池、百色、貞豐、安龍、紫云、惠水為庫(kù)區(qū)周圍代表站。

2 數(shù)據(jù)與方法

氣象資料：選取龍灘水庫(kù)及庫(kù)區(qū)周圍的1982—2016年地面觀測(cè)站逐年氣象數(shù)據(jù)，2000—2016年地面觀測(cè)站逐月氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源：中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站。

遙感數(shù)據(jù)：獲取研究區(qū)2000—2010年1 km柵格月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)是通過月平均氣溫、月合成NDVI、DEM、地理坐標(biāo)之間建立回歸樹模型，再將建立的模型應(yīng)用到1 km尺度的DEM 和月合成NDVI 數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到1 km尺度的全國(guó)逐月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)[19]。數(shù)據(jù)來源：全球變化科學(xué)研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)。

本文對(duì)水庫(kù)的氣溫進(jìn)行季節(jié)、年際變化研究，春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12—次年2月)；通過在ArcGis中建立緩沖區(qū)，獲取不同緩沖區(qū)的氣溫柵格數(shù)據(jù)，再做建庫(kù)前后的時(shí)間溫差對(duì)比；采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[20]確定近庫(kù)區(qū)氣溫的突變位置；結(jié)合氣象站點(diǎn)逐月氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證研究結(jié)果，進(jìn)而分析水庫(kù)建庫(kù)后對(duì)局地氣溫的調(diào)節(jié)功能。

3 結(jié)果與分析

3.1 變化趨勢(shì)及突變分析

結(jié)合氣象站點(diǎn)構(gòu)建的氣溫?cái)?shù)據(jù)時(shí)間序列圖1，結(jié)果顯示，近庫(kù)區(qū)年均溫普遍高于遠(yuǎn)庫(kù)區(qū)和庫(kù)區(qū)周圍，并且距離水庫(kù)越遠(yuǎn)氣溫越低。這是由于水庫(kù)地處南盤江流域?qū)儆诟蔁岷庸?，其特點(diǎn)是日趨干、熱，流域內(nèi)氣溫普遍要高，所以庫(kù)區(qū)多年氣溫變化趨勢(shì)顯示近庫(kù)區(qū)的氣溫遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)庫(kù)區(qū)和庫(kù)區(qū)周圍。

圖1 水庫(kù)庫(kù)區(qū)年氣溫變化Fig.1 Annual temperature change in reservoir area

用M-K檢驗(yàn)方法對(duì)近庫(kù)區(qū)氣溫變化進(jìn)行趨勢(shì)突變分析，由圖2分析可知，2002年以前UF<0，氣溫呈現(xiàn)出不顯著的波動(dòng)降低趨勢(shì)；2002年以后UF>0,氣溫開始逐漸上升，在2011年UF與UB出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在0.05顯著性水平臨界值內(nèi)；在2002年后氣溫整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且通過0.05顯著性水平的檢驗(yàn)，氣溫增溫達(dá)到顯著程度。

圖2 M-K檢驗(yàn)Fig.2 Mann-Kendall mutation detection

3.2 月平均氣溫柵格數(shù)據(jù)集分析

分別選取4、7、9、12月的柵格數(shù)據(jù)為代表在水庫(kù)周圍建立緩沖區(qū)(10 km、50 km、100 km、150 km)，如圖3所示。

獲取研究區(qū)2000—2010年1 km空間分辨率月平均氣溫模型計(jì)算數(shù)據(jù)集。圖4為研究區(qū)水庫(kù)蓄水后(2010年7月)的研究區(qū)氣溫空間分布圖。

圖4 研究區(qū)氣溫空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of temperature in the study area

通過不同年份不同月份的空間分布數(shù)據(jù)來看，水庫(kù)蓄水前后庫(kù)區(qū)的氣溫總是偏高于庫(kù)區(qū)周圍。2000年最高氣溫為29.5 ℃,2010年為30.4 ℃，研究區(qū)氣溫總體呈現(xiàn)增溫趨勢(shì)；其中羅甸、天峨、望謨、樂業(yè)縣的值域分布來看，2010年的總體溫度要低于2000年，為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)合氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，再獲取緩沖區(qū)內(nèi)的柵格數(shù)據(jù)，得出定量的變化趨勢(shì)和值。

獲取研究區(qū)1 km 柵格月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)集，分別得到各緩沖區(qū)水庫(kù)蓄水前(2000—2006年)、后(2007—2010年)的氣溫。研究得出水庫(kù)蓄水后的均溫低于蓄水前，并且直到緩沖區(qū)150 km的區(qū)域沒有氣溫下降的趨勢(shì)，其他緩沖區(qū)內(nèi)氣溫均有不同程度的下降。

7月屬于夏季氣溫較高的月份，水庫(kù)蓄水后7月的氣溫呈小幅降低趨勢(shì)，并且這樣的趨勢(shì)持續(xù)到緩沖區(qū)為100 km的區(qū)域，并且溫差只達(dá)到0.02 ℃，在150 km時(shí)水庫(kù)蓄水后的氣溫沒有降低反而出現(xiàn)上升的趨勢(shì)(見表2)。說明蓄水后，水庫(kù)對(duì)局地氣溫起到了一定的調(diào)節(jié)作用，在氣溫較高的月份起到了降溫的作用，并且距離水庫(kù)越近的影響越大。

表1 柵格數(shù)據(jù)緩沖區(qū)4月溫差(℃)Tab.1 Temperature difference of raster data buffer in April(℃)

表2 柵格數(shù)據(jù)緩沖區(qū)7月溫差(℃)Tab.2 Temperature difference of raster data buffer in July(℃)

蓄水后的氣溫普遍低于蓄水前的，特別在12月均達(dá)到0.7 ℃左右，9月份最高達(dá)到0.48 ℃(見表3、表4)；說明蓄水后，水庫(kù)對(duì)局地氣溫起到了一定的調(diào)節(jié)作用，在氣溫較低的月份起到了升溫的作用，并且相對(duì)于夏季降溫作用，冬季升溫明顯。

表3 柵格數(shù)據(jù)緩沖區(qū)9月溫差(℃)Tab.3 Temperature difference of raster data buffer in September(℃)

表4 柵格數(shù)據(jù)緩沖區(qū)12月溫差(℃)Tab.4 Temperature difference of raster data buffer in December(℃)

3.3 氣象站點(diǎn)氣溫變化分析

為進(jìn)一步體現(xiàn)出龍灘水庫(kù)不同季節(jié)的局地氣候效應(yīng)，結(jié)合氣象站點(diǎn)信息分別計(jì)算了2000—2006年春、夏、秋、冬近庫(kù)區(qū)和遠(yuǎn)庫(kù)區(qū)的平均氣溫與2007—2016年冬季、夏季的氣溫差值(見表5)，結(jié)果顯示：龍灘水庫(kù)2000—2006年近庫(kù)區(qū)與遠(yuǎn)庫(kù)區(qū)冬季平均氣溫差為-0.29 ℃，夏季平均氣溫差為0.58 ℃；2007—2016年冬季平均氣溫差為0.01 ℃，夏季平均氣溫差為0.42 ℃；冬季溫差建庫(kù)后增加了0.3 ℃，夏季溫差減少了0.16 ℃。表5中還給出了近庫(kù)區(qū)與庫(kù)區(qū)周圍的氣溫差值結(jié)果，二者分析結(jié)果基本一致。說明由于建庫(kù)以來隨著水域面積增大，對(duì)周圍氣候起到了一定的調(diào)節(jié)作用，冬季對(duì)水庫(kù)周邊有增溫效應(yīng)；夏季有降溫效應(yīng)，但是夏季總體來說還是以增溫為主，主要在近庫(kù)區(qū)有降溫作用。關(guān)于建庫(kù)前后氣溫對(duì)周圍氣候產(chǎn)生影響的研究結(jié)果與傅抱璞[6]、陳鮮艷[8]等的研究結(jié)果一致。

表5 近庫(kù)區(qū)與遠(yuǎn)庫(kù)區(qū)、庫(kù)區(qū)周圍氣溫差值比較(℃)Tab.5 Comparison of temperature difference between near reservoir area and far reservoir area(℃)

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，統(tǒng)計(jì)得出近庫(kù)區(qū)龍灘水庫(kù)蓄水前后氣溫變化統(tǒng)計(jì)表，以2000—2006年代表水庫(kù)蓄水前，2007—2016代表水庫(kù)蓄水后。如表6所示：庫(kù)區(qū)年平均溫度總體呈上升趨勢(shì)，這與全國(guó)氣溫變化趨勢(shì)一致。在1 km柵格月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)集中獲取的結(jié)果顯示：在7月和12月的柵格數(shù)據(jù)中緩沖區(qū)50 km之內(nèi)的夏季溫差高于100 km緩沖區(qū)的值；按庫(kù)區(qū)及其緩沖區(qū)的范圍劃分近庫(kù)區(qū)、遠(yuǎn)庫(kù)區(qū)以及庫(kù)區(qū)周圍，也得出同樣的結(jié)論，即近庫(kù)區(qū)的氣溫變化幅度更大，特別是在夏季和冬季變化為夏季氣溫減少0.16 ℃，冬季增加0.3 ℃；普遍低于遠(yuǎn)庫(kù)區(qū)，說明在氣溫較高的季節(jié)，水庫(kù)對(duì)近庫(kù)區(qū)的氣溫起到了調(diào)節(jié)作用，降低了周圍的溫度。

表6 近庫(kù)區(qū)龍灘水庫(kù)蓄水前后氣溫變化統(tǒng)計(jì)表Tab.6 Statistical table of temperature change before and after storage in longtan reservoir near the reservoir area

龍灘水庫(kù)蓄水后，近庫(kù)區(qū)夏季氣溫總體呈降溫趨勢(shì)，最高氣溫7—9月，其中7月、9月最高氣溫比蓄水前降低0.43、0.72 ℃；平均氣溫降幅為0.13 ℃、0.47 ℃。在冬季氣溫較低的月份(1月、2月、12月)蓄水后溫度總體呈升溫趨勢(shì)，最大升溫為2月、12月平均氣溫升溫達(dá)到0.82 ℃、1.68 ℃ ℃，最低氣溫升溫達(dá)到0.13 ℃、0.79 ℃；2月最高氣溫升溫0.88 ℃。

4 討論與結(jié)論

本文通過空間分布的柵格數(shù)據(jù)與氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)的結(jié)合，更好的驗(yàn)證研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。研究得出建庫(kù)后水庫(kù)對(duì)局地氣溫起到一定的調(diào)節(jié)作用，且主要體現(xiàn)在近庫(kù)區(qū)。柵格數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，隨著緩沖區(qū)的不斷擴(kuò)增，蓄水前后冬季氣溫呈增加趨勢(shì)，夏季在緩沖區(qū)50 km以后氣溫下降趨勢(shì)不再明顯，直至呈上升趨勢(shì)。所以龍灘水庫(kù)蓄水前后近庫(kù)區(qū)(羅甸縣、望謨縣為代表)的氣溫變化幅度更明顯，主要表現(xiàn)為夏季水庫(kù)對(duì)周圍氣溫有降溫作用，冬季有增溫作用。這一結(jié)果與楊啟斌等對(duì)水庫(kù)的修建對(duì)羅甸的氣候影響進(jìn)行分析結(jié)果一致[21]，即水庫(kù)蓄水前后對(duì)氣溫的影響主要體現(xiàn)在近庫(kù)區(qū)。

進(jìn)一步分析水庫(kù)建成后對(duì)近庫(kù)區(qū)氣溫的調(diào)節(jié)作用，在夏季最高氣溫月(7—9月)，最高、平均氣溫整體呈下降趨勢(shì)；最大受益區(qū)在近庫(kù)區(qū)即羅甸、望謨、冊(cè)亨、樂業(yè)、樂業(yè)縣的范圍內(nèi)，水庫(kù)的建成對(duì)干熱河谷帶來的“干熱”氣候有很大的調(diào)節(jié)作用，能直接使近庫(kù)區(qū)受益，緩解當(dāng)?shù)貧鉁爻掷m(xù)增長(zhǎng)。

龍灘水庫(kù)位于西南喀斯特地區(qū)，其地貌特殊，有著水土流失、石漠化等生態(tài)環(huán)境問題，影響氣候的因素有很多，水庫(kù)建成后會(huì)對(duì)周邊的氣候產(chǎn)生一定的影響，并且夏季水庫(kù)對(duì)研究區(qū)干熱河谷氣候的調(diào)節(jié)起到了一定的作用。但是整個(gè)庫(kù)區(qū)的氣候效應(yīng)是一個(gè)慢慢積累的過程，還有待更深入的觀測(cè)和研究。結(jié)合其地理?xiàng)l件、土地利用類型等能更好的總結(jié)得出局地氣候變化規(guī)律。今后可以根據(jù)遙感數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理手段，準(zhǔn)確的判斷出研究區(qū)氣溫變化規(guī)律，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水庫(kù)局地氣溫在空間上的分布規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)水庫(kù)局地氣溫調(diào)節(jié)功能監(jiān)測(cè)和分析提供更快速和準(zhǔn)確的方法。