三峽工程建成前后宜昌市氣候變化研究

何 軍，陳 鵬，馮 睿，董秋明

(1. 三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；2. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；3. 三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心，湖北 宜昌 443002)

全球范圍來看，農業生產的可持續發展嚴重依賴當地氣候條件。世界糧農組織(FAO)把應對氣候變化列為解決世界糧食供應和緩解饑餓的全球重大挑戰。我國是自然資源缺乏、自然災害嚴重的發展中國家，我國國民經濟和社會生活已經受到氣候變化的嚴重影響，未來可持續發展受到日益加劇的氣候變化的嚴峻挑戰，首當其沖的便是農業生產。三峽庫區是生態環境脆弱地區，三峽工程建成后，水庫的蓄(泄)洪水等運行調度可能造成局部氣候條件變化，進而影響宜昌市農業生產。本文選取宜昌市(氣象臺站)1952-2011年逐日氣象資料，分析其變化趨勢，并采用參考作物需水量(ET0)進行綜合評價。研究結論可為宜昌及長江三峽兩岸類似地區農業發展模式、農作灌溉制度制定、農業結構調整等科學和生產實際問題提供參考。

1 研究方法及數據分析

選取宜昌市(臺站編號57461，N30°42′，E111°18′)1953-2011年近60 a逐日氣象資料，包括平均氣壓P、平均氣溫T、最高氣溫Tmax、最低氣溫Tmin、平均相對濕度RH、降雨量H、平均風速V、日照時數h等。對數據進行整理，采用EXCEL軟件分析其變化規律。

ET0可反映氣象要素對農業生產體系----“土壤-植物-大氣連續體(SPAC)”水分傳輸與水汽擴散速率影響[1]，是制定農作物需水量和灌溉制度的重要參數[2]。其計算方法很多，本文采用標準化、統一化后的FAO Penman-Monteith[3,4]公式：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸騰蒸發量，mm/d；Rn為參照作物表面冠層接受的凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)；T為2 m高處日平均氣溫，℃；U2為2 m高處風速，m/s；ea、ed分別為空氣飽和、實際水汽壓，kPa；Δ為溫度～飽和水氣壓關系曲線上在T處的切線斜率，kPa/℃；γ為濕度計常數，kPa/℃。各參數計算參考文獻[5,6]。

1.1 氣象要素時間序列變化趨勢

考慮三峽工程建設周期長，經綜合比對，本次研究選取1997年三峽工程大江截留年份作為建成前后時段分界線，對建成前后各氣象要素隨時間序列變化趨勢進行分析對比，見表1。平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫等系列溫度因子的多年平均值在三峽工程建成后一律要高于建成前，分別高出0.7、0.7、0.8 ℃。該系列溫度因子的極大值在三峽工程建成后也均高出建成前，分別高出0.4、0.3、0.6 ℃。系列溫度因子的極小值在三峽工程建成后也均高出建成前，分別高出0.7、1.3、1.2 ℃。結合趨勢線方程，平均氣溫、最高氣溫在三峽工程建成前及建成后均呈現下降趨勢，除最高氣溫建成前呈顯著下降外，其余均為不顯著。最低氣溫在三峽工程建成前后均呈現不顯著的上升。上述分析可以看出，三峽工程建成后宜昌市氣溫一定程度上升。

表1 三峽工程建成前后各氣象要素時間序列變化趨勢對比Tab.1 Variation tendency comparison of every meteorological factor with time series before and after the construction of Three Gorges Project

注：“[]”外表示三峽工程建成前，“[]”內表示三峽工程建成后；趨勢線方程形式為y=kx+b，y為各氣象要素，x為年份；α取0.01、0.05，下同。

平均氣壓、平均相對濕度和日照時數在三峽工程建成后的均值、極大值和極小值均比建成前有所下降。均值分別下降了0.33%、1.69%和18.42%；極大值分別下降了1.68%、3.16%和19.34%；極小值分別下降了0.02%、1.01%和5.67%。從趨勢線方程可知，平均相對濕度和日照時數在工程建成前后均呈現下降趨勢，前者為不顯著下降，后者下降趨勢由特顯著變為顯著。值得注意的是，平均氣壓的變化趨勢在工程建成前呈現特顯著的下降，建成后則是一定規模的上升。降雨量的均值、極大值分別下降0.1、0.8 mm，極小值上升了0.1 mm，總體呈現不顯著的下降趨勢。平均風速變化趨勢由工程建成前不顯著上升變為建成后的顯著下降，其均值、極小值分別上升了0.03、0.38 m/s，極大值下降0.42 m/s。

平均氣壓由特顯著下降呈現不顯著上升趨勢，風速由不顯著上升呈現顯著下降趨勢。最低氣溫總體呈現上升趨勢，其余氣象要素表現為總體下降。

將研究時段1953-2011年劃分為4個階段，每部分約14 a，比對不同階段各氣象要素的均值。其中，第Ⅳ階段為三峽工程建成后。如表2所示，平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均第Ⅳ階段均值高于前3個階段，結合表1中平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫工程建成前后變差系數Cv值均介于0.020 6～0.028 3，樣本點離散程度較為均一，進一步表明三峽工程建成后會一定程度促使宜昌氣溫的上升。平均氣壓、平均相對濕度和日照時數第Ⅳ階段均值均小于前3個階段。

表2 不同時段氣象要素均值對比Tab.2 Comparison of mean of every meteorological factor at different periods

1.2 ET0變化規律及其影響因子

表3為三峽工程建成前后宜昌ET0時間序列變化趨勢對比。可以看出三峽工程建成后ET0多年日均值、極大值均出現不同程度的下降，分別下降了3.1%、8.8%。三峽工程建成后極小值上升1.0%。從趨勢線方程可以看出，三峽工程建成前、后ET0多年日均值總體呈現下降趨勢，下降趨勢均不顯著。

表3 三峽工程建成前后ET0時間序列變化趨勢對比Tab.3 Variation tendency comparison of ET0 with time series before and after the construction of Three Gorges Project

注：y為ET0多年日均值，mm/d；x為年份。

由圖1可知，三峽工程建成前ET0多年日均值在與平均氣溫、最高氣溫、平均風速、日照時數呈現正相關，顯著性檢驗為特顯著；與平均相對濕度、降雨量呈現負相關，顯著性檢驗為特顯著。ET0多年日均值與平均氣壓呈現負相關，顯著性檢驗為不顯著。ET0多年日均值與最低氣溫呈現不顯著正相關。三峽工程建成后ET0多年日均值與日照時數呈現特顯著正相關，與平均氣溫呈顯著正相關。ET0多年日均值與最高氣溫、最低氣溫、平均風速呈現不顯著正相關；與平均氣壓、平均相對濕度、降雨量呈現不顯著負相關。

圖1 宜昌市各氣象要素與ET0相關性對比Fig.1 Comparison of correlation of every meteorological factor with ET0 in Yichang

對比可知，ET0多年日均值在三峽工程建成前后均與平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均風速、日照時數呈現正相關，與降雨量、平均相對濕度以及平均大氣壓呈現負相關。這與劉增進[5]，曹紅霞[7]等人研究結果一致，也與參考作物需水量表征“水分傳輸與水汽擴散速率”的實質相符合。結合表1～表3的分析，宜昌市參考作物需水量ET0呈現逐年不顯著下降趨勢，然而與之正相關的溫度系列氣象要素在三峽工程建成后表現為上升，日照時數表現為下降，且與之負相關的平均大氣壓在三峽工程建成后呈現不顯著的上升，降雨量、平均相對濕度也均呈現下降。因此，宜昌參考作物需水量ET0未來的變化趨勢是否表現為持續下降尚不能下定論，需要更多年份資料的收集和論證。

2 結 語

本文對宜昌市1953-2011年逐日氣象資 料進行了整理，采用EXCEL軟件以三峽工程建成前后為分界線對各氣象要素變化規律進行了對比，并以參考作物蒸騰蒸發量ET0為指標分析了其影響因子以及未來變化趨勢。主要有以下結論。

(1)三峽工程建成后宜昌市氣溫一定程度上升，平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫的多年均值分別上升了0.7、0.7、0.8 ℃；多年極大值分別上升了0.4、0.3、0.6 ℃；多年極小值分別上升了0.7、1.3、1.2 ℃。宜昌市平均氣壓、平均相對濕度和日照時數一定程度下降，其多年均值分別下降了0.33%、1.69%和18.42%。

(2)三峽工程建成后平均氣壓、最低氣溫呈現不顯著上升，平均風速、日照時數呈現顯著下降趨勢，其余氣象要素均呈現不顯著下降趨勢。宜昌市參考作物需水量ET0呈現逐年不顯著下降趨勢，與平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均風速、日照時數呈現為正相關，與降雨量、平均相對濕度以及平均大氣壓呈現為負相關。

氣象要素的變化規律對農業生產可持續發展尤為重要，下一步應持續收集更多年份資料，進一步豐富三峽工程建成后的數據樣本，分別按枯水期、豐水期等影響作物灌溉制度制定的典型水文年份進行分析。

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[1] Surendra Kumar Mishra, J V Tyagi, Vijay P Singh. Comparison of infiltration models [J]. Hydrological Processes, 2003,17:2 629-2 652.

[2] 雷志棟，楊詩秀，謝森傳. 土壤水動力學[M]. 北京：清華大學出版社，1988:77-80.

[3] Allen R G, Smith M, Pereira L S, et al. An update for the calculation of reference evapotranspiration[J]. ICID Bulletin, 1994,43(2):35-92.

[4] 劉 鈺，L S Pereira，J L Teixeira，等. 參照騰發量的新定義及計算方法對比[J]. 水利學報，1997,(6):27-33.

[5] 劉增進，何 軍，陳潔榮，等. 豫東平原參考作物騰發量時空變化分析及影響研究[J]. 中國農村水利水電，2008,(9):65-69.

[6] 何 軍，崔遠來，李遠祥. 氣象資料缺測條件下武漢地區計算ET0方法適用性分析[J]. 中國農村水利水電，2009,(10)：68-71,75.

[7] 曹紅霞，粟曉玲，康紹忠，等. 關中地區氣候變化對主要作物需水量影響的研究[J]. 灌溉排水學報，2008,27(4):6-9.