基于GIS的大型水電工程庫(kù)區(qū)氣溫空間模擬方法

郭新春

（西南電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 610021）

0 引 言

二灘水電站位于四川省西部雅礱江下游，壩址距雅礱江與金沙江的交匯口33 km，距攀枝花市區(qū)46 km，是雅礱江梯級(jí)開發(fā)的第一個(gè)水電站。二灘水電站于1998年5月1日蓄水，水庫(kù)正常蓄水位為1200 m，發(fā)電運(yùn)行最低水位1155 m，總庫(kù)容58億m3，從發(fā)電運(yùn)行最低水位到正常蓄水位之間的調(diào)節(jié)庫(kù)容為33.7億m3，水域面積101 km2，回水長(zhǎng)度145 km，屬于季調(diào)節(jié)水庫(kù)。已有研究表明，二灘工程為區(qū)域帶來(lái)巨大效益的同時(shí)，對(duì)局地生態(tài)和環(huán)境可能會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[1-2]。大型水庫(kù)對(duì)局地氣候環(huán)境的影響，已經(jīng)日益受到學(xué)界的關(guān)注[3-6]。因此，研究水庫(kù)氣候效應(yīng)及庫(kù)區(qū)氣溫的時(shí)空分布對(duì)全面評(píng)價(jià)水庫(kù)工程的環(huán)境影響，對(duì)區(qū)域工程設(shè)計(jì)和水庫(kù)的小氣候效應(yīng)研究具有重要的意義。

為了準(zhǔn)確地對(duì)庫(kù)區(qū)氣溫進(jìn)行空間小尺度模擬，首先必須對(duì)水庫(kù)的氣候效應(yīng)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析。目前，研究水電工程氣候效應(yīng)的方法多數(shù)是通過(guò)單個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)直接對(duì)比分析或是理想化的數(shù)值模擬[7-9]，參數(shù)大多需要現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期實(shí)測(cè)，且少有考慮全球氣候變化的影響。本文擬在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，分析在西南山區(qū)大氣候背景下二灘水庫(kù)對(duì)局地氣溫的影響，提出在常規(guī)統(tǒng)計(jì)模型的基礎(chǔ)上計(jì)入水庫(kù)溫度效應(yīng)的修正模型，并通過(guò)GIS技術(shù)，對(duì)庫(kù)區(qū)氣溫時(shí)空分布進(jìn)行較高精度的模擬。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

考慮到大型水庫(kù)的氣候影響范圍最大可達(dá)80 km[10]，選取的研究區(qū)域是以二灘水庫(kù)為中心，大致為300 km×300 km的區(qū)域，處于云貴高原西部的云南和四川省之間 （99°36'E～100°47'E 和 36°32'N～37°15'N）。區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜多樣，海拔高度差異明顯，變化范圍為513～5365 m，屬于川西高原氣候區(qū)，干濕分明，大致每年11月至次年4月為旱季，5月至10月為雨季。多年平均氣溫為-4.9～19.7℃，大致由西北向東南遞增。

1.2 數(shù)據(jù)收集

在研究區(qū)域內(nèi)收集了26個(gè)氣象臺(tái)站1978年～2009年的月平均氣溫資料，以及各站點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔高程，建立了月均氣溫資源GIS數(shù)據(jù)庫(kù)。由于研究區(qū)內(nèi)的氣象站點(diǎn)相對(duì)稀疏，選取其中22個(gè)站點(diǎn)來(lái)建立模型及空間插值運(yùn)算，其余的4個(gè)站點(diǎn)用來(lái)驗(yàn)證模型。利用美國(guó)國(guó)家宇航局 （NASA）提供的90 m精度的數(shù)值高程模型 （DEM）數(shù)據(jù)建立地形空間數(shù)據(jù)庫(kù)；利用ArcInfo地理信息系統(tǒng)，直接獲取二次數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)內(nèi)的實(shí)測(cè)氣溫資源和地形等空間數(shù)據(jù)庫(kù)，分別進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，形成統(tǒng)一的地圖投影坐標(biāo)系統(tǒng)。

1.3 模型描述

常規(guī)統(tǒng)計(jì)模型是通過(guò)建立溫度與海拔高度和地理坐標(biāo)之間的線性回歸關(guān)系，用以進(jìn)行溫度推算。模型可表示為

式中，TH為常規(guī)統(tǒng)計(jì)模型模擬的氣溫值；X為經(jīng)度；Y為緯度；H為海拔高度；a為常數(shù)；b，c，d為偏回歸系數(shù)。

利用二灘水庫(kù)蓄水后11年 （1998年～2009年）22個(gè)站點(diǎn)的月平均氣溫資料及其經(jīng)度、緯度和海拔高度數(shù)據(jù)按月份和季節(jié)分別進(jìn)行多元逐步回歸分析（信度5%），計(jì)算結(jié)果見表1。

對(duì)于大型水電工程庫(kù)區(qū)而言，區(qū)域回歸可以減小因個(gè)別氣象站點(diǎn)在某個(gè)時(shí)期特殊變化引起的偏差。然而，大型水庫(kù)對(duì)局地氣溫的影響是不可忽略的，在對(duì)庫(kù)區(qū)氣溫空間分布進(jìn)行較高精度的模擬時(shí)，應(yīng)當(dāng)將水庫(kù)的溫度效應(yīng)考慮在內(nèi)。為了準(zhǔn)確地計(jì)算水庫(kù)的凈影響，首先要剔除大氣候背景變動(dòng)的影響，由于要準(zhǔn)確直接地計(jì)算全球氣候變化對(duì)區(qū)域氣溫的影響并不可行，本文采用一種間接的方法來(lái)分析水庫(kù)對(duì)局地氣溫的凈影響，計(jì)算過(guò)程和模式如下:

設(shè)y0和x0分別為受水庫(kù)影響點(diǎn)A和不受水庫(kù)影響的對(duì)照點(diǎn)B在水庫(kù)蓄水前的氣溫實(shí)測(cè)值，兩者之間的關(guān)系為

表1 研究區(qū)月平均氣溫與經(jīng)度、緯度和海拔高度之間的回歸關(guān)系

式中，e，f為回歸系數(shù)。

若無(wú)水庫(kù)的影響，而僅存在大氣候背景的變動(dòng)，則水庫(kù)建成后影響點(diǎn)A與對(duì)照點(diǎn)B之間的上述函數(shù)關(guān)系與水庫(kù)未建前一致[10-11]。因此，可計(jì)算假設(shè)無(wú)水庫(kù)影響僅有氣候變動(dòng)時(shí)影響點(diǎn)A在水庫(kù)建成后應(yīng)有的氣溫值

式中，y1′為水庫(kù)建成后假設(shè)無(wú)水庫(kù)影響下A點(diǎn)的氣溫推算值；x1為水庫(kù)建成后對(duì)照點(diǎn)B的氣溫實(shí)測(cè)值。

然后，計(jì)算單純由于水庫(kù)影響所產(chǎn)生的氣溫變化值，即

式中，△y為影響點(diǎn)A的水庫(kù)氣溫凈影響值；y1為影響點(diǎn)A在水庫(kù)建成后的氣溫實(shí)測(cè)值。

從理論上講,如果水庫(kù)建成前后氣溫觀測(cè)記錄都較長(zhǎng)，用該方法來(lái)計(jì)算水庫(kù)對(duì)氣溫的影響是比較可靠的。因?yàn)樵谒畮?kù)建成前后影響點(diǎn)和對(duì)照點(diǎn)的位置都固定不變，地形是一樣的，不涉及到地形影響的問(wèn)題[11]。確保該模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵是影響點(diǎn)和對(duì)照點(diǎn)選取的準(zhǔn)確性。綜合前人的研究結(jié)果[8，10]，對(duì)照點(diǎn)B的選擇范圍確定為距離庫(kù)區(qū)80 km以外的區(qū)域。為準(zhǔn)確反映水庫(kù)區(qū)域氣候背景特征，避免因個(gè)別對(duì)照點(diǎn)在某個(gè)時(shí)期特殊變化和局地小氣候引起的誤差，選取以庫(kù)區(qū)為中心距離水庫(kù)80～100 km之間，在研究區(qū)域內(nèi)大致呈對(duì)稱分布的8個(gè)氣象臺(tái)站作為對(duì)照點(diǎn)，并取其氣溫平均值作為計(jì)算影響點(diǎn)的對(duì)照點(diǎn)背景值，這樣具有較好的代表性和穩(wěn)定性。在水庫(kù)的影響范圍內(nèi)有15個(gè)氣象站點(diǎn)，選取其中的11個(gè)作為影響點(diǎn)，在影響區(qū)內(nèi)大致呈對(duì)稱分布的其余4個(gè)點(diǎn)被用來(lái)驗(yàn)證模型。

表2 二灘水庫(kù)蓄水后對(duì)局地氣溫的凈影響

根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)1978年～2009年的月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)集，將其分別按二灘水庫(kù)蓄水前 （1978年～1998年）和蓄水后 （1998年～2009年）兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用式 （2）～（4）計(jì)算二灘水庫(kù)蓄水11年 （1998年～2009年）對(duì)局地氣溫的凈影響，結(jié)果見表2。

由表2可看出:二灘水庫(kù)蓄水后對(duì)局地氣溫的影響比較明顯，尤其是距離水庫(kù)較近的站點(diǎn) （小得石，鹽邊，攀枝花）表現(xiàn)得更為顯著。總體上，由于水庫(kù)的熱源作用，庫(kù)周年均氣溫增加；除夏季外，其余季節(jié)氣溫均增加，冬季增加最為明顯；影響點(diǎn)中最大增溫達(dá)1.49℃。此結(jié)果與相關(guān)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果[7，8]和同類水庫(kù)的分析結(jié)果[9，10]基本一致。 由此可見，大型水庫(kù)的溫度效應(yīng)是不可忽略的，必須計(jì)入庫(kù)區(qū)氣溫的空間模擬中。

由式（3）計(jì)算得到水庫(kù)建成后假設(shè)無(wú)水庫(kù)影響的氣溫推算值，從而可以建立推測(cè)氣溫與海拔高度和地理坐標(biāo)之間的線性回歸關(guān)系。即

式中，Ti為水庫(kù)建成后假設(shè)無(wú)水庫(kù)影響下某點(diǎn)的月均氣溫推算值，其他變量和系數(shù)的意義同式 （1）。多元逐步回歸分析 （信度5%）的計(jì)算結(jié)果見表3。

設(shè)ε為計(jì)入水庫(kù)溫度效應(yīng)的氣溫修正值，則在水庫(kù)的影響下庫(kù)區(qū)的真實(shí)月均氣溫為

式中，Tc為水庫(kù)建成后計(jì)入水庫(kù)溫度效應(yīng)下某點(diǎn)的月均氣溫值。各氣象站點(diǎn)的 ε值可以通過(guò)式 （4）計(jì)算得到。然而，這些氣溫修正值在空間上呈不規(guī)則分布，必須將其進(jìn)行空間插值以便通過(guò)式（6）計(jì)算任意地理格點(diǎn)的真實(shí)月均氣溫值。對(duì)于氣象站點(diǎn)相對(duì)稀疏的山區(qū)，反距離加權(quán)法有助于提高插值的精度[12]；因此，采用該法來(lái)對(duì)ε值來(lái)進(jìn)行空間插值。

2 模型驗(yàn)證

為了比較常規(guī)統(tǒng)計(jì)模型 （式 （1））和修正模型（式 （6））的模擬結(jié)果，將26個(gè)氣象臺(tái)站的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)分為建模數(shù)據(jù)集 （22個(gè)臺(tái)站）和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集（4個(gè)臺(tái)站）。采用平均誤差 （ME），平均絕對(duì)誤差（MAE）和均方根誤差 （RMSE）三個(gè)指標(biāo)來(lái)比較兩個(gè)模型的模擬精度 （見表4）。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)模型驗(yàn)證結(jié)果，采用修正的多元回歸模型（式 （6））來(lái)進(jìn)行庫(kù)區(qū)氣溫空間模擬，從而得到二灘水庫(kù)蓄水后研究區(qū)的氣溫空間分布圖 （見圖1）?？臻g上，研究區(qū)氣溫空間分布趨勢(shì)大體上從西北向東南遞增，最高氣溫出現(xiàn)在盆地和峽谷區(qū)域 （包括二灘庫(kù)區(qū)）。

表4 兩種模型在各月所產(chǎn)生的預(yù)測(cè)誤差值的驗(yàn)證結(jié)果

圖1 兩種模型模擬月均氣溫所產(chǎn)生的平均絕對(duì)誤差值隨月份的變化

雅礱江流域的山嶺地區(qū)的氣溫梯度變化較大，體現(xiàn)出地形特征對(duì)氣溫的影響十分顯著，尤其是海拔高度的影響，大多數(shù)月份的R2值都在0.95以上（見表3），氣溫與海拔高度的相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)高度顯著[13]。研究 （圖略）還顯示了研究區(qū)氣溫分布的季節(jié)性變化，最高氣溫出現(xiàn)在夏季 （0.3～27.2℃），最低氣溫出現(xiàn)在冬季 （-9.1～15.8℃），其間春季和秋季的氣溫變化范圍分別是-4.6～25.7℃和-3.8～21.5℃。模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。

4 結(jié)論

（1）以氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，考慮了背景站與受水庫(kù)影響點(diǎn)之間氣溫變化的不同步性，采用一種情景假設(shè)的方法來(lái)間接分析水庫(kù)的溫度效應(yīng)。結(jié)果表明，大型水庫(kù)的溫度效應(yīng)不可忽略，在進(jìn)行庫(kù)區(qū)氣溫空間小尺度模擬時(shí)必須將其考慮在內(nèi)。

（2）在常規(guī)統(tǒng)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，建立了計(jì)入水庫(kù)溫度效應(yīng)進(jìn)行庫(kù)區(qū)氣溫空間模擬的修正模型。與常規(guī)模型相比，修正模型能有效提高庫(kù)區(qū)氣溫預(yù)測(cè)精度。

（3）修正的多元回歸模型模擬結(jié)果表明，二灘水庫(kù)蓄水后的研究區(qū)氣溫分布在空間上呈現(xiàn)出從西北向東南遞增趨勢(shì)，最高氣溫出現(xiàn)在峽谷和盆地區(qū)域。這體現(xiàn)出了地形特征對(duì)氣溫的影響；不同季節(jié)的氣溫分布特點(diǎn)與實(shí)際情況也基本一致。

（4）計(jì)入大型水電工程溫度效應(yīng)的氣溫修正模型在二灘庫(kù)區(qū)的成功應(yīng)用，為庫(kù)區(qū)任一地域單元?dú)鉁乜臻g分布的快速計(jì)算提供了一種可行的方法，對(duì)區(qū)域工程設(shè)計(jì)和水電工程的小氣候效應(yīng)研究有重要的意義。

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