基于ITA的三峽庫(kù)區(qū)地溫時(shí)空演變格局

葉琰， 翁薛柔，2， 馬黎華，3， 葉勇， 龍訓(xùn)建

1. 西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2. 中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣州 510006；3. 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究中心，重慶 400715

地表溫度是反映全球和區(qū)域熱環(huán)境的重要環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一, 是影響地表能量和水分平衡的重要參數(shù)[1-2]． 政府間氣候變化專門委員會(huì)第六次評(píng)估報(bào)告指出, 從1880年到2012年, 全球平均地表溫度提高了0.92 ℃(0.68～1.17 ℃)[3], 已對(duì)全球和區(qū)域尺度的地表溫度產(chǎn)生了重大影響, 如產(chǎn)生城市熱島[4]、 局部溫度異常災(zāi)害[5-6]等．

三峽工程作為目前世界上最大的水利水電工程, 范圍涉及鄂西和渝東北的26個(gè)區(qū)縣, 整體區(qū)域山水交錯(cuò), 氣候復(fù)雜． 在全球氣候變化背景下, 三峽庫(kù)區(qū)形成后, 區(qū)域水面擴(kuò)張, 山體相對(duì)高度降低, 山體與地勢(shì)低洼地區(qū)的熱力作用也隨之發(fā)生改變, 三峽庫(kù)區(qū)局地氣候效應(yīng)明顯[7]． 大量學(xué)者基于統(tǒng)計(jì)分析、 數(shù)值模擬等數(shù)學(xué)方法, 對(duì)三峽工程建成后的區(qū)域氣候效應(yīng)開展相關(guān)研究, 均表明三峽工程對(duì)庫(kù)區(qū)局部氣溫[8-10]、 降水[7, 11]及徑流[12-13]等氣象要素產(chǎn)生了一定影響． 盡管多數(shù)研究普遍認(rèn)為三峽水庫(kù)建成后對(duì)庫(kù)區(qū)夏季具有弱降溫效應(yīng), 對(duì)冬季有增溫效應(yīng)[8, 10, 14], 但關(guān)于庫(kù)區(qū)內(nèi)地表溫度局域變化特征的研究相對(duì)較少．

長(zhǎng)序列地表溫度的相關(guān)研究中, Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法[15]、 線性趨勢(shì)法[16]是較為常用的檢驗(yàn)氣候突變的方法, 但它們對(duì)微趨勢(shì)的識(shí)別具有一定的局限性．en[17]在2012年提出的創(chuàng)新趨勢(shì)分析(Innovative Trend Analysis, ITA)方法, 則在微趨勢(shì)識(shí)別方面具有特別優(yōu)勢(shì)． 它通過數(shù)據(jù)圖形化的方式, 可識(shí)別長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的突變微趨勢(shì)特征[18-19]． 基于此, 對(duì)變化微敏的地表溫度而言, ITA方法有利于更好地解析區(qū)域熱環(huán)境變化特征． 鑒于此, 本研究基于三峽庫(kù)區(qū)及周邊共計(jì)82個(gè)國(guó)家基本氣象站點(diǎn)1981-2014年逐日平均、 最高、 最低地表溫度數(shù)據(jù), 利用ITA方法對(duì)三峽庫(kù)區(qū)地表溫度的時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行分析研究, 探討水庫(kù)蓄水前后地表溫度的變化情況以及水庫(kù)調(diào)度對(duì)月平均地表溫度的影響, 以期解析區(qū)域熱環(huán)境動(dòng)態(tài)變化規(guī)律, 為促進(jìn)區(qū)域綠色發(fā)展、 實(shí)現(xiàn)三峽庫(kù)區(qū)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)支撐．

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)分區(qū)

1.1.1 研究時(shí)段劃分

三峽庫(kù)區(qū)位于長(zhǎng)江上游, 地理位置為105°50′-111°40′E, 28°31′-31°44′N, 回水范圍涉及26個(gè)區(qū)縣, 其中22個(gè)為重慶市管轄, 4個(gè)由湖北省管轄, 總面積約5.8萬(wàn)km2． 三峽庫(kù)區(qū)位于亞熱帶北緣, 屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū), 區(qū)域內(nèi)溫暖濕潤(rùn), 年均氣溫為17～19 ℃, 年降水量為1 000～1 200 mm, 水熱條件良好．

三峽工程從開工建設(shè)到正常蓄水運(yùn)行前, 蓄水階段經(jīng)歷了3個(gè)重要時(shí)間節(jié)點(diǎn): 圍堰蓄水(2003年), 水庫(kù)蓄水至135 m水位; 初期蓄水(2006年), 水庫(kù)蓄水至156 m水位; 試驗(yàn)蓄水(2008年), 水庫(kù)進(jìn)入試驗(yàn)蓄水期, 2010年10月首次達(dá)到正常蓄水位175 m． 三峽水庫(kù)蓄水及調(diào)度運(yùn)行水面在145～175 m之間變化, 2003年可視為蓄水關(guān)鍵節(jié)點(diǎn), 據(jù)此將研究時(shí)段劃分為兩個(gè)部分, 即1981-2002年為水庫(kù)蓄水前, 2003-2014年為水庫(kù)蓄水后．

根據(jù)三峽水庫(kù)的調(diào)度規(guī)則, 水庫(kù)正常蓄水后, 在每年的汛末關(guān)閘蓄水至正常蓄水位175 m, 發(fā)揮興利作用; 在枯水期末逐漸釋放并騰出庫(kù)容, 汛期開始時(shí)水位降至145 m汛限水位, 發(fā)揮汛期防洪功能, 以最大限度地發(fā)揮防洪、 發(fā)電、 通航、 水資源利用等方面的綜合效益． 從時(shí)間節(jié)點(diǎn)角度, 三峽水庫(kù)水位通常在每年4月開始消落, 5月逐漸下降到145 m的三峽水庫(kù)汛限水位． 7-9月是洪水期, 9月底左右開始蓄水, 10月逐漸蓄至175 m的正常蓄水位． 因此, 自2003年蓄水后, 將每年的4-5月視為預(yù)泄期, 9-10月視為蓄水期．

1.1.2 研究子單元?jiǎng)澐?/p>

由于三峽庫(kù)區(qū)全域內(nèi)自然環(huán)境、 人為活動(dòng)聚集度和影響范圍存在差異, 為了探討三峽庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)區(qū)域地表溫度隨大壩距離的空間變化特征, 本研究以社會(huì)經(jīng)濟(jì)、 環(huán)境特征相似為基本原則, 參考國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《三峽水庫(kù)及其上游水污染防治規(guī)劃(2001-2010)》[20]和翟羽佳等[21]的研究成果, 結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)匯入的重要支流節(jié)點(diǎn)位置, 將空間位置臨近且相互關(guān)聯(lián)的一定范圍水域和陸域劃為同一子單元, 按照三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)尾到壩前的順序, 共計(jì)5個(gè)子單元, 依次編號(hào)為A,B,C,D,E． 其中, A區(qū)距離三峽大壩最遠(yuǎn), 包括重慶的中心城區(qū)渝中區(qū)、 大渡口區(qū)、 江北區(qū)、 沙坪壩區(qū)、 九龍坡區(qū)、 南岸區(qū)、 北碚區(qū)、 渝北區(qū)、 巴南區(qū), 以及江津區(qū); B區(qū)由三峽庫(kù)區(qū)腹部的長(zhǎng)壽、 涪陵、 武隆、 豐都、 石柱、 忠縣和萬(wàn)州7個(gè)行政區(qū)組成; C區(qū)僅涉及開州區(qū); D區(qū)由重慶市東北部的云陽(yáng)、 巫溪、 巫山和奉節(jié)4個(gè)縣組成; E區(qū)則由距離三峽大壩最近, 庫(kù)水面變化最劇烈的湖北省西部的興山、 巴東、 秭歸和夷陵4個(gè)行政區(qū)組成． 研究區(qū)地理位置及分區(qū)情況如圖1所示．

審圖號(hào): GS(2019)3333號(hào)．

1.2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)國(guó)家基本氣象臺(tái)站分布情況, 三峽庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)有21個(gè)基本氣象站點(diǎn), 分別位于重慶市江津區(qū)、 巴南區(qū)、 沙坪壩區(qū)、 渝北區(qū)、 北碚區(qū)、 長(zhǎng)壽區(qū)、 涪陵區(qū)、 武隆區(qū)、 豐都縣、 石柱縣、 忠縣、 萬(wàn)州區(qū)、 云陽(yáng)縣、 開州區(qū)、 奉節(jié)縣、 巫溪縣、 巫山縣和湖北省巴東縣、 秭歸縣、 興山縣、 夷陵區(qū)． 為滿足空間插值需要, 同時(shí)收集了三峽庫(kù)區(qū)周邊61個(gè)基本氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)． 本研究使用的各基本氣象站點(diǎn)1981-2014年的逐日平均、 最高、 最低地表溫度數(shù)據(jù)來自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http: //data. cma. cn/)．

1.3 分析方法

1.3.1 ITA方法

ITA方法[17]的基本分析計(jì)算不需要基于任何假設(shè), 就可輕松獲取長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)低、 中、 高等不同等級(jí)數(shù)據(jù)的微趨勢(shì), 在水文氣象、 環(huán)境變量的趨勢(shì)分析研究中已有應(yīng)用[22-23]． 基本計(jì)算方法與步驟如下:

1) 將收集的地表溫度時(shí)間序列數(shù)據(jù)a1,a2, …,an分為兩組長(zhǎng)度相等的子序列: {b1, n/2}={a1,a2, …,an/2}和{b2, n/2}={an/2+1,an/2+2, …,an}．

2) 對(duì)兩組子序列各自按升序排序以便后續(xù)作圖, 記為:

{s1}={min(b1, n/2), …,bi, …, max(b1, n/2)}(1

(1)

{s2}={min(b2, n/2), …,bj, …, max(b2, n/2)}(1

(2)

3) 在直角坐標(biāo)系內(nèi)以{s1}為橫坐標(biāo), 以{s2}為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖, 并將各點(diǎn)與45°無趨勢(shì)直線(1∶1直線)進(jìn)行比較． 如果散點(diǎn)分布在45°線上方(下方), 則認(rèn)為此時(shí)間序列呈單調(diào)增加(減少)趨勢(shì); 若散點(diǎn)恰好位于45°線上, 則認(rèn)為此序列不存在變化趨勢(shì)． 若存在變化趨勢(shì), 則由下式計(jì)算時(shí)間序列的趨勢(shì)斜率b:

(3)

式中:y1和y2分別為{s1},{s2}兩組子序列的算術(shù)平均值;n為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度．

4) 計(jì)算b的標(biāo)準(zhǔn)偏差σb:

(4)

5)b服從均值為0, 方差為σb的正態(tài)分布, 如果在α置信水平內(nèi), 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的置信限為bcri, 則b的置信限CL(1-α)為:

CL(1-α)=0±bcriσb

(5)

如果b落于置信區(qū)間之外, 就認(rèn)為ITA檢測(cè)出來的趨勢(shì)具有顯著性．

1.3.2 克里金空間插值法

克里金空間插值法是空間統(tǒng)計(jì)分析中較為常用的方法之一, 是在半變異函數(shù)理論分析的基礎(chǔ)上建立, 并對(duì)有限區(qū)域內(nèi)的區(qū)域變化取值進(jìn)行無偏最優(yōu)有效估計(jì)的一種插值方法[24]． 本研究以三峽庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)和周邊站點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 用ArcGIS空間分析工具中的Kriging插值工具生成研究區(qū)地溫空間分布圖．

2 結(jié)果分析

2.1 三峽庫(kù)區(qū)地表溫度年際變化

2.1.1 多年平均值空間特征

基于三峽庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)和庫(kù)區(qū)周邊國(guó)家基本氣象站1981-2014年的逐日平均、 最低和最高地表溫度數(shù)據(jù), 采用克里金空間插值法生成各分析時(shí)段內(nèi)的多年平均溫度空間分布圖(圖2)． 由圖2a可知, 三峽庫(kù)區(qū)多年日平均地表溫度范圍為15.99～20.75 ℃, 高值區(qū)主要發(fā)生在子單元分區(qū)A和分區(qū)C, 低值區(qū)則位于大壩附近的子單元分區(qū)E． 而多年平均每日最低(圖2b)和最高地表溫度(圖2c)則介于9.43～24.85 ℃和21.88～34.34 ℃． 整體上, 三峽庫(kù)區(qū)地表溫度溫差表現(xiàn)出西北高、 東南低的空間分布特征．

審圖號(hào): GS(2019)3333號(hào)．

2.1.2 典型年平均地表溫度空間特征

已有研究資料充分表明, 近年來全球地溫處于持續(xù)升溫狀態(tài), 但表現(xiàn)出空間異質(zhì)性． 為對(duì)比分析研究區(qū)內(nèi)的地溫空間分布特征, 繪制得到1981-1985年和2010-2014年三峽庫(kù)區(qū)5年滑動(dòng)平均地表溫度的空間分布圖(圖3)． 由圖3a可知, 三峽庫(kù)區(qū)成庫(kù)前的1981-1985年平均地表溫度低值區(qū)主要位于分區(qū)B,C,D, 高值區(qū)則出現(xiàn)在分區(qū)E和分區(qū)A; 三峽庫(kù)區(qū)全面蓄水后的2010-2014年(圖3b), 地表平均溫度整體略升高, 地表溫度高值中心轉(zhuǎn)移到開州, 低值區(qū)增加了分區(qū)E．

審圖號(hào): GS(2019)3333號(hào)．

2.1.3 整體變化趨勢(shì)

統(tǒng)計(jì)分析三峽庫(kù)區(qū)逐日平均、 最高和最低地表溫度在1981-2014年的年際變化特征, 結(jié)果如表1所示． 整體上, 三峽庫(kù)區(qū)多年日平均地表溫度為19.69 ℃, 總體呈中間高、 兩端低的空間分布特征; 分區(qū)C多年平均地表溫度最高, 達(dá)20.21 ℃, 分區(qū)E最低, 為19.37 ℃, 兩者多年平均溫差0.84 ℃． 最高、 最低地表溫度的多年平均值分別為31.41 ℃和13.87 ℃, 在區(qū)域分布上, 表現(xiàn)出明顯的地域特征, 如距離大壩越近, 最高和最低地表溫度之間相差越大, 分區(qū)A的多年平均最高溫度是多年平均最低溫度的2.06倍, 但分區(qū)E則達(dá)到2.62倍． 各分區(qū)1981-2014年平均地表溫度的標(biāo)準(zhǔn)差為0.55～0.74, 分區(qū)D的年際差異最大, 分區(qū)C,E較小． 最高地表溫度的年際差異最為明顯, 其標(biāo)準(zhǔn)差約為最低地表溫度的兩倍． 三峽庫(kù)區(qū)各分區(qū)平均、 最高、 最低地表溫度的離差系數(shù)相似, 約為0.03．

表1 三峽庫(kù)區(qū)多年日平均、 最高和最低地表溫度及其變化趨勢(shì) ℃

對(duì)三峽庫(kù)區(qū)5個(gè)分區(qū)的1981-2014年平均地表溫度應(yīng)用ITA進(jìn)行微趨勢(shì)分析, 結(jié)果如圖4所示． 各分區(qū)的散點(diǎn)均位于1∶1直線上方, 說明三峽庫(kù)區(qū)平均、 最高和最低地表溫度在1981-2014年均呈明顯的增加趨勢(shì)． 按照其趨勢(shì)結(jié)果規(guī)律, 即散點(diǎn)距離1∶1直線越遠(yuǎn), 變化幅度(斜率)越大, 反之則越小, 可知, 分區(qū)D的平均地表溫度增加幅度最大, 分區(qū)B次之, 而分區(qū)E最小．

圖4 三峽庫(kù)區(qū)各分區(qū)多年日平均地表溫度ITA趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 三峽水庫(kù)蓄水前后庫(kù)區(qū)地表溫度變化

2.2.1 地表溫度空間變化整體特征

以2003年三峽庫(kù)區(qū)開始蓄水為時(shí)間分界點(diǎn), 繪制1981-2002年蓄水前、 2003-2014年蓄水后庫(kù)區(qū)日平均地表溫度的空間分布圖, 如圖5所示． 就平均地表溫度而言, 三峽水庫(kù)蓄水后, 庫(kù)區(qū)平均地表溫度整體較蓄水前增加了約0.5 ℃, 與全球氣候變暖的升溫情況較為一致． 然而, 巫溪、 渝北、 興山的平均地表溫度在蓄水后顯著降低, 分別減少了1.00,0.34,0.37 ℃． 最高地表溫度的空間變化中, 蓄水后除原有的高值區(qū)以外, 奉節(jié)、 云陽(yáng)和豐都成為新的地表溫度高值中心, 這與區(qū)域依托三峽庫(kù)區(qū)建設(shè), 水路交通質(zhì)量顯著改善, 建設(shè)配套陸域交通設(shè)施, 引領(lǐng)當(dāng)?shù)爻鞘锌焖贁U(kuò)展, 區(qū)域土地利用類型發(fā)生變化, 城市迅速擴(kuò)張, 形成區(qū)域性城市熱島有關(guān)．

審圖號(hào): GS(2019)3333號(hào)．

2.2.2 地表溫度空間變化局部特征

計(jì)算2003年前后研究區(qū)內(nèi)平均地表溫度的變化率, 生成空間分布圖, 如圖6所示． 三峽庫(kù)區(qū)平均、 最高、 最低地表溫度蓄水前后變化百分比分別為2.64%,3.02%,5.24%． 整體上, 庫(kù)區(qū)中部, 即分區(qū)D所在的云陽(yáng)、 巫溪、 奉節(jié)、 巫山平均地表溫度變化幅度最大, 較蓄水前增加幅度約為4.68%; 而庫(kù)區(qū)前后兩端變化幅度較小, 增加幅度不足2.00%． 各分區(qū)最高地表溫度增加的百分比為3.55%～9.35%, 分區(qū)D最大, 分區(qū)E最小． 而分區(qū)B的最低地表溫度變化幅度最大, 為4.38%, 分區(qū)E最小, 為1.49%．

審圖號(hào): GS(2019)3333號(hào)．

2.2.3 變化趨勢(shì)

計(jì)算各分區(qū)蓄水前后的平均、 最高、 最低地表溫度的年平均值, 并進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn), 結(jié)果如表2所示． 蓄水前, 三峽庫(kù)區(qū)整體平均、 最高、 最低地表溫度分別為19.51,31.08,13.62 ℃; 蓄水后三峽庫(kù)區(qū)的整體平均、 最高、 最低地表溫度分別為20.02,32.02,14.33 ℃, 與蓄水前相比, 分別增加0.51,0.94,0.71 ℃, 增加幅度為2.64%,3.02%,5.24%． 從各分區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看, 蓄水前后最高和最低地表溫度的變化程度從庫(kù)尾到庫(kù)首依次增加． 應(yīng)用ITA對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn), 結(jié)果表明, 蓄水前, 三峽庫(kù)區(qū)各分區(qū)平均、 最高地表溫度均呈顯著增加趨勢(shì), 最低地表溫度以下降為主; 蓄水后, 庫(kù)區(qū)平均地表溫度多呈下降趨勢(shì), 最高地表溫度的增加幅度較蓄水前有所減緩, 最低地表溫度依然呈下降趨勢(shì)．

表2 三峽水庫(kù)蓄水前后地表溫度年平均值及變化趨勢(shì) ℃

三峽水庫(kù)蓄水前后庫(kù)區(qū)平均地表溫度變化的ITA結(jié)果如圖7所示． 三峽水庫(kù)蓄水前, 散點(diǎn)多位于1∶1直線上方, 而蓄水后的點(diǎn)大部分位于1∶1直線下方, 這表明三峽水庫(kù)蓄水前后的庫(kù)區(qū)平均地表溫度變化趨勢(shì)相反, 蓄水前各分區(qū)均呈增加趨勢(shì), 蓄水后除分區(qū)C有不明顯的增加趨勢(shì)外, 其余分區(qū)均呈下降趨勢(shì)． 其中分區(qū)E蓄水前后的散點(diǎn)分布差異最為明顯, 分區(qū)E蓄水前的點(diǎn)在較小值處靠近1∶1直線, 較大值處位于1∶1直線上方且距1∶1直線較遠(yuǎn), 蓄水后的點(diǎn)均位于1∶1直線下方, 有明顯的下降趨勢(shì)．

圖7 三峽水庫(kù)蓄水前后各分區(qū)平均地表溫度的ITA結(jié)果

2.3 年內(nèi)水位變動(dòng)期地表溫度變化

蓄水前后三峽庫(kù)區(qū)平均地表溫度在水位變動(dòng)期(4-5月和9-10月)的變化情況如表3所示． 三峽水庫(kù)蓄水前, 4-5月的日平均溫度為22.00 ℃, 各分區(qū)中分區(qū)C地表溫度最高, 為22.62 ℃, 分區(qū)B最低, 為21.48 ℃; 9-10月的日平均地表溫度為22.80 ℃, 但分區(qū)C最高, 達(dá)23.41 ℃, 分區(qū)A最低, 為22.62 ℃． 三峽水庫(kù)蓄水后, 各分區(qū)在4-5月和9-10月的日平均地表溫度較蓄水前都有所增加, 4-5月均值增加了0.42 ℃, 9-10月則增加了0.50 ℃．

表3 蓄水前后4-5月和9-10月各分區(qū)平均地表溫度變化情況

年內(nèi)水位變動(dòng)時(shí)間段的日平均地表溫度的年際差異并不一致． 其中, 4-5月, 蓄水前的年際差異相對(duì)較小, 蓄水后年際差異略有增加, 各分區(qū)蓄水前后Cv值介于0.04～0.06; 9-10月, 蓄水前后的年際差異不大, 各分區(qū)蓄水前后Cv值介于0.03～0.05．

圖8為三峽庫(kù)區(qū)各分區(qū)在水位變動(dòng)期(4-5月和9-10月)的ITA趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果． 在4-5月的水位降低、 水面減小時(shí)段, 壩前(分區(qū)E)和庫(kù)尾區(qū)域(分區(qū)A)在三峽水庫(kù)蓄水前對(duì)應(yīng)時(shí)期的平均地溫多位于1∶1直線上或近上方, 呈增加趨勢(shì); 而庫(kù)區(qū)中部(分區(qū)C,D)在時(shí)段內(nèi)呈減小趨勢(shì)． 同時(shí)期, 水庫(kù)蓄水后三峽庫(kù)區(qū)地表溫度則表現(xiàn)為下降趨勢(shì), 圖上散點(diǎn)與1∶1直線距離明顯比水庫(kù)蓄水前的點(diǎn)對(duì)應(yīng)距離遠(yuǎn), 由此表明, 三峽水庫(kù)蓄水后, 庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的平均地表溫度整體下降趨勢(shì)明顯． 在9-10月對(duì)應(yīng)的水位上升、 水面增加階段, 除分區(qū)C未表現(xiàn)出顯著的差異變化趨勢(shì)外, 其余各分區(qū)地表溫度在蓄水前后的變化趨勢(shì)均相反, 水庫(kù)蓄水前各分區(qū)地表溫度均表現(xiàn)出增加趨勢(shì), 在蓄水后則呈減小趨勢(shì)．

圖8 三峽水庫(kù)運(yùn)行前后4-5月和9-10月各分區(qū)平均地表溫度變化的ITA結(jié)果

3 討論

3.1 庫(kù)區(qū)地溫空間變化

三峽庫(kù)區(qū)各分區(qū)多年平均地表溫度從大到小依次為: C,A,D,B,E． 這與馮茹等[25]利用三峽庫(kù)區(qū)(重慶段)2003-2009年MODIS數(shù)據(jù)分析得到的庫(kù)區(qū)地表溫度呈西南高、 東北低的碎帶狀分布特征大體一致． 整體上, 三峽庫(kù)區(qū)地表溫度的地域分布特征也符合溫度隨緯度升高而逐漸降低的基本規(guī)律． 1981-2014年庫(kù)區(qū)平均、 最高和最低地表溫度均表現(xiàn)出增加趨勢(shì), 平均地表溫度的變化幅度從大到小依次為: D,B,A,C,E, 與王圓圓等[26]基于Mann-Kendall得出的三峽庫(kù)區(qū)氣溫變化趨勢(shì)相似．

三峽庫(kù)區(qū)尾部, 即分區(qū)A為快速城市化的重慶市中心城區(qū), 周邊高山地形相對(duì)較遠(yuǎn), 在人類活動(dòng)影響下, 該范圍內(nèi)高度城市化產(chǎn)生的熱島效應(yīng)更加明顯, 也導(dǎo)致分區(qū)A的平均地表溫度整體較高． 分區(qū)D北靠大巴山, 南抵七曜山, 形成兩山夾河谷的“V”形地貌, 近山區(qū)以經(jīng)濟(jì)林和森林為主, 河谷地帶聚集城鎮(zhèn), 因而形成南北山區(qū)地表溫度走低, 城鎮(zhèn)區(qū)域地表溫度走高的空間分布特征． 盡管分區(qū)E的多年平均地表溫度未出現(xiàn)高值聚集區(qū)(圖2), 但圖5的空間分布結(jié)果表明, 三峽庫(kù)區(qū)蓄水后, 多年平均地表溫度表現(xiàn)出降低的趨勢(shì), 這與該區(qū)域水域面積增加, 局域水汽小循環(huán)調(diào)節(jié)有關(guān), 但多年平均最高溫度的高值區(qū)在該區(qū)域變化不明顯．

事實(shí)上, 在全球氣候變暖的大背景下, 氣候統(tǒng)計(jì)研究表明, 中國(guó)近50年地表溫度顯著增加趨勢(shì)為0.29 ℃/10 a[27]． 從1981年到2014年, 三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)的地表溫度整體也呈上升特征, 但Miller等[28]針對(duì)三峽水位提升對(duì)區(qū)域氣候變化敏感性的研究表明, 三峽水庫(kù)蓄水后對(duì)局域空間溫度變化有一定的調(diào)節(jié)作用． 各分區(qū)蓄水前后平均、 最高、 最低地表溫度的空間變化對(duì)比情況也印證了Miller等[28]的結(jié)論, 即距大壩越近的區(qū)域, 三峽水庫(kù)蓄水后水面增加越多, 對(duì)局域降溫效果越明顯, 故分區(qū)E的平均、 最高、 最低地表溫度的增加幅度最小[11]． 此外, 地表溫度與植被覆蓋度呈負(fù)相關(guān)[8, 29], 自三峽工程建設(shè)以來, 三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)持續(xù)大力推行退耕還林和天然林保護(hù)工程, 實(shí)現(xiàn)綠水青山, 高覆蓋率的植被有降低地表溫度或緩和地表溫度變化程度的作用．

3.2 水庫(kù)運(yùn)行對(duì)地表溫度的影響

相對(duì)于大尺度的氣候變化, 局地氣候的重塑和演變受到自然條件演變和人類活動(dòng)痕跡所形成的特殊下墊面的共同影響[30]． 隨著三峽工程的穩(wěn)定運(yùn)行, 庫(kù)區(qū)水位在短時(shí)期內(nèi)抬高, 在庫(kù)首區(qū)域的庫(kù)岸交界地帶, 下墊面發(fā)生了明顯的變化, 對(duì)庫(kù)區(qū)周邊一定范圍內(nèi)的氣候可能產(chǎn)生了一定影響[8], 尤其是對(duì)近地層或水面的氣候影響最為明顯．

盡管1981-2014年三峽庫(kù)區(qū)地表溫度整體呈明顯增加趨勢(shì), 但三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后, 庫(kù)區(qū)地表溫度變化趨勢(shì)有所下降, 這說明盡管全球氣候變暖整體趨勢(shì)明顯, 但三峽工程成庫(kù)后形成的1 084 km2水域面積在一定程度上減緩了庫(kù)區(qū)地表溫度持續(xù)上升的速率, 與Miller等[28]得出的蓄水后庫(kù)區(qū)氣溫有微弱下降趨勢(shì)的結(jié)果一致． 圖7的蓄水前后的ITA檢驗(yàn)結(jié)果表明, 水庫(kù)蓄水前后庫(kù)區(qū)地表溫度變化趨勢(shì)或變化幅度有一定差異, 尤其是距離三峽大壩最近的分區(qū)E差異明顯． 這主要是由于三峽工程建成后, 距離三峽大壩最近的分區(qū)E的水域面積增加值較其他區(qū)域更大, 在水面調(diào)節(jié)的影響下, 分區(qū)E地表溫度增溫趨勢(shì)減緩; 而海拔較高的分區(qū)B和分區(qū)D的地表溫度在蓄水后增加趨勢(shì)顯著, 這可能是因?yàn)樵谟绊懙乇頊囟茸兓囊蛩刂? 其他因素引起的增溫作用大于水域發(fā)揮的減速調(diào)節(jié)作用[31]．

三峽工程蓄水運(yùn)行后, 不僅在年尺度上對(duì)庫(kù)區(qū)地表溫度有一定影響, 其年內(nèi)的水庫(kù)調(diào)度規(guī)則也對(duì)月平均地表溫度產(chǎn)生影響． 庫(kù)區(qū)水域面積的短歷時(shí)變化使得預(yù)泄期4-5月和蓄水期9-10月表現(xiàn)出不同的變化特征, 大部分區(qū)域地表溫度由蓄水前的增加趨勢(shì)演變?yōu)樾钏蟮臏p少趨勢(shì)． 比較蓄水期和預(yù)泄期在2003-2014年的點(diǎn)距1∶1直線的遠(yuǎn)近可以發(fā)現(xiàn), 預(yù)泄期的點(diǎn)與1∶1直線的距離較蓄水期更遠(yuǎn), 預(yù)泄期的下降幅度更加明顯． 這表明水庫(kù)放水時(shí)對(duì)地表溫度的影響大于蓄水時(shí)的影響． 三峽庫(kù)區(qū)蓄水期地表溫度在2003-2014年的下降幅度從大到小依次為: E,D,B,A,C, 水庫(kù)從9月開始蓄水應(yīng)對(duì)之后的枯水期, 水位不斷抬升, 對(duì)5個(gè)分區(qū)中距離大壩最近的分區(qū)E影響最大, 故分區(qū)E地表溫度在9-10月下降幅度最為明顯．

4 結(jié)論

基于三峽庫(kù)區(qū)21個(gè)國(guó)家基本氣象站點(diǎn)1981-2014年的地表溫度數(shù)據(jù), 本研究利用ITA創(chuàng)新趨勢(shì)分析法和克里金空間插值法, 對(duì)三峽水庫(kù)蓄水前后以及運(yùn)行后不同階段的地表溫度空間變化格局進(jìn)行探討, 得出以下結(jié)論:

1) 三峽庫(kù)區(qū)多年日平均地表溫度為19.69 ℃, 表現(xiàn)出空間異質(zhì)性, 多年平均地表溫度最高值分布在分區(qū)C, 達(dá)20.21 ℃, 較分區(qū)E高0.84 ℃． 距離大壩越近, 最高和最低地表溫度的多年平均值之間的差值越大． 各分區(qū)最高地表溫度的年際差異均明顯大于平均、 最低地表溫度． 同時(shí), ITA方法的趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果表明, 三峽庫(kù)區(qū)平均、 最高和最低地表溫度在研究時(shí)段內(nèi)均呈顯著增加趨勢(shì)．

2) 三峽庫(kù)區(qū)在1981-2002年蓄水前多年日平均、 最高、 最低地表溫度分別為19.51,31.08,13.62 ℃, 而在2003-2014年蓄水后分別增加了0.52,0.94,0.71 ℃, 其中分區(qū)D增加幅度最大, 庫(kù)區(qū)前后兩端較小． 三峽庫(kù)區(qū)在蓄水前, 日平均地表溫度呈明顯的增加趨勢(shì), 但蓄水后2003-2014年間增加趨勢(shì)有所減緩, 這一變化在距大壩最近的分區(qū)E表現(xiàn)最為明顯．

3) 三峽水庫(kù)蓄水后各分區(qū)在蓄水期和預(yù)泄期的日平均地表溫度較蓄水前的4-5月和9-10月分別增加了0.42,0.50 ℃． 受水庫(kù)調(diào)度影響, 蓄水后蓄水期(9-10月)和預(yù)泄期(4-5月)庫(kù)區(qū)地表溫度的變化趨勢(shì)存在明顯差異, 蓄水期較預(yù)泄期受水庫(kù)運(yùn)行的影響程度更為明顯, 而分區(qū)E較其他區(qū)域受影響程度更為明顯．

由于三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)自然—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)的復(fù)合系統(tǒng), 區(qū)域內(nèi)地表溫度的變化受到多種因素的共同影響． 本研究?jī)H對(duì)三峽庫(kù)區(qū)1981-2014年的地表溫度進(jìn)行了初步分析, 基于本次研究結(jié)果, 下一階段可嘗試結(jié)合遙感影像開展更為全面的庫(kù)區(qū)地表溫度變化特征及發(fā)展趨勢(shì)研究．