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湘阙
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1 三峡水利工程气候效应分析与评估 19 三峡水利工程气候效应分析与评估郑国光宋连春陈鲜艳高学杰郭战峰摘要: 本文利用气象观测资料和区域气候模式研究了三峡库区气候变化特征及未来气候变化趋势, 并对三峡水利工程的气候效应进行了评估结果表明: 近 50 年三峡库区年平均气温呈上升趋势, 降水量具有年代际变化特征, 21 世纪库区转为少雨期, 这种变化趋势与西南地区长江上游乃至整个长江流域基本一致未来 20 年, 长江流域的气温仍将升高, 降水量上游增加中下游减少水库蓄水后对库区附近气温产生调节作用, 夏季降温和冬季增温效应明显, 而库区年降水量没有明显变化数值模拟显示三峡水库对气候的影响范围一般不超过 20 公里关键词: 三峡水库气候效应影响一引言 2006 年重庆发生了百年一遇的干旱, 2007 年重庆又遭创纪录的大暴雨袭击, 2009 / 2010 年西南地区发生特大干旱, 2011 年长江中下游在发生了近 60 年来最严重的冬春持续气象干旱后, 6 月连续遭受 4 轮强降水, 致使部分地区旱涝急转面对长江流域发生的各类极端天气气候事件, 关于三峡大坝诱发极端天气气候事件的说法争论不止, 三峡工程的气候效应受到社会各界的广泛关注有人认为三峡大坝的兴建, 在长江上堵住了向四川盆地输送水汽的通道, 从而引起了长江上游的降水郑国光, 中国气象局局长, 研究员, 研究领域为气象学与气象发展战略; 宋连春, 国家气候中心主任, 研究员, 研究领域为气候灾害风险管理; 陈鲜艳, 国家气候中心高级工程师, 研究领域为气候影响评估 227

影响一引言 2006 年重庆发生了百年一遇的干旱, 2007 年重庆又遭创纪录的大暴雨袭击, 2009 / 2010 年西南地区发生特大干旱, 2011 年长江中下游在发生了近 60 年来最严重的冬春持续气象干旱后, 6 月连续遭受 4 轮强降水, 致使部分地区旱涝急转面对长江流域发生的各类极端天气气候事件,

2 气候变化绿皮书减少 ; 也有研究通过卫星资料分析发现三峡大坝建成后大坝附近的降水有所减少, 而大坝和秦岭山脉之间区域的降水有所增加, 从而认定三峡大坝气候效应可达上百公里但是国家气候中心多年的监测发现, 四川盆地形成降水的水汽主要来源于孟加拉湾南海和青藏高原, 而且水汽输送通道处于 1000 米到 5000 米的海拔高度, 可以说三峡大坝对长江上游水汽输送的影响微乎其微, 大坝的木桶效应没有科学依据此外, 三峡大坝建成期正好处于我国东部旱涝的年代际转变时期, 2003 年后, 不仅大坝和秦岭山脉之间降水增多, 而且整个北方地区降水也是增多的卫星资料的结果恰好反映了我国夏季雨带北抬的空间分布变化, 并未反映出三峡大坝的气候效应大型水利工程对周边气候到底有没有影响? 国内外相关研究成果一般认为水库的建成蓄水, 对大范围气候的影响并不明显位于巴西和巴拉圭两国交界的伊泰普大坝是特大型水利工程, 伊泰普水文站在水库建成 (1984 年 ) 前后的监测数据分析表明, 水库周围的年均温度和空气相对湿度都增加很少, 兴建水库并未引起库区周边地区的气候发生任何趋势性的变化位于埃及境内的阿斯旺水库 (1967 年建成 ) 是非洲最大的水库, 在控制尼罗河洪水解决干旱区灌溉问题利用水力发电等方面都起到了巨大的作用相关研究表明, 阿斯旺水库未对附近地区的气候和大气环流产生明显的影响为了系统分析三峡水利工程的气候效应, 本文利用 1961 ~ 2010 年三峡库区 (33 个站 ) 长江流域 (163 个站 ) 和西南地区 (118 个站 ) 的逐日气象站资料, 揭示了库区近 50 年气候变化特征在进行三峡库区气候效应分析时, 分别在三峡水库外围 ( 远库区 ) 和三峡水库边 ( 近库区 ) 选择趋势变化接近的代表站, 计算蓄水后 (2004 ~ 2010 年 ) 和蓄水前 (1993 ~ 2004 年 ) 两段时期近库区和远库区各气候要素的差值和比值, 得到两者气温降水等要素的相对变化和差异, 进行库区局地气候效应分析高分辨率的区域气候模式是研究三峡水库蓄水对周边气候和环境影响的有效工具, 国内外已有的一些三峡工程对周边气候的数值模拟研究, 大部分试验或多或少存在不够完善之处, 如模式运行时没有考虑初始化过程积分时间不够长结果缺乏统计显著性检验等为此, 国家气候中心使用区域气候模式 RegCM3, 通过双重嵌套和次网格陆面过程方法, 通过系列数值模拟研究, 系统分析了三峡水库对局地和区域气候的影响对模拟结果的分析表明, RegCM3 模式能较好地模拟中国和川渝地区的气候 ; 有无三峡水库的对比试验表明, 水库对周边区域气 228

部旱涝的年代际转变时期, 2003 年后, 不仅大坝和秦岭山脉之间降水增多, 而且整个北方地区降水也是增多的卫星资料的结果恰好反映了我国夏季雨带北抬的空间分布变化, 并未反映出三峡大坝的气候效应大型水利工程对周边气候

3 三峡水利工程气候效应分析与评估温降水的影响很小, 通过统计信度检验的格点基本集中于水库水体上方, 表现为气温降低降水减少, 这一效应在夏季较冬季更明显, 而邻近区域内气温和降水的变化随距库区的距离变远而迅速变小, 到 20 公里距离时基本可以忽略不计二三峡库区气候变化特征及未来变化趋势三峡库区南依云贵高原, 北有秦岭大巴山阻挡, 北方冷空气不易侵入, 这种独特的地理条件形成了独特的气候环境, 终年气候温暖湿润库区年平均气温为 17. 8, 气温自东向西递增 ; 长江以北及重庆市区年平均气温基本上都在 18 左右, 而长江以南大部地区年平均气温基本都在 17 以下 1 月平均气温为 6. 7, 全年最低 ; 8 月平均气温为 28. 2, 全年最高 1961 年以来, 库区年平均气温整体呈升温趋势, 平均每 10 年增加 0. 08, 最近 10 年较 20 世纪 60 年代增加 0. 4, 与西南地区长江上游乃至整个长江流域的年平均气温的变化趋势基本一致, 2004 年水库蓄水后这种趋势未有明显变化 ( 见图 1 和图 2) 图 1 三峡库区西南地区和长江上游平均气温历年变化 (1961 ~ 2010 年 ) 库区各地降水丰富, 年降水量大多超过 1000 毫米, 沿江河谷降水略少, 外围山地降水多 ; 库区降水主要集中在夏季, 占全年降水的 43%, 冬季降水仅占 5%, 5 ~ 9 月常有暴雨出现 1961 以来, 三峡库区年降水量呈现出年代际变化特征 20 世纪 70 ~ 80 年代降水略偏多 ; 20 世纪 60 年代和 90 年代降水略偏少 ; 21 世纪以来降水是近 50 年 229

8, 气温自东向西递增 ; 长江以北及重庆市区年平均气温基本上都在 18 左右, 而长江以南大部地区年平均气温基本都在 17 以下 1 月平均气温为 6. 7, 全年最低 ; 8 月平均气温为 28.

4 气候变化绿皮书图 2 三峡库区西南地区和长江上游平均气温年代际变化 (20 世纪 60 年代以来 ) 来最少的 10 年, 年降水量由原来的 1100 多毫米减少到 1000 多毫米, 减少了 10% 左右对比分析表明, 三峡工程建成前后库区降水的变化与西南地区长江上游乃至整个长江流域的变化趋势是一致的 ( 见图 3 和图 4) 图 3 三峡库区西南地区和长江上游历年平均降水变化 (1961 ~ 2010 年 ) 图 4 三峡库区西南地区和长江上游各年代降水变化 230

区降水的变化与西南地区长江上游乃至整个长江流域的变化趋势是一致的 ( 见图 3 和图 4) 图 3 三峡库区西

5 三峡水利工程气候效应分析与评估三峡库区降水日数较多, 各地全年降水日数约 130 ~ 170 天, 几乎是 2 ~ 3 天一场雨 1961 年以来, 库区降水日数呈下降趋势, 每 10 年减少 4. 6 天, 与长江上游和西南地区降水日数的变化趋势基本一致 ( 见图 5) 图 5 三峡库区西南地区和长江上游年降水日数变化 (1961 ~ 2010 年 ) 由于三峡特殊的地理位置, 库区年平均相对湿度较大, 在 70% ~ 80% 近 50 年来, 西南地区长江上游地区的年平均相对湿度均呈现出弱的下降趋势, 但库区相对湿度变化趋势不明显, 21 世纪以来有所降低, 比西南地区长江上游的变化幅度小 ( 见图 6) 图 6 三峡库区西南地区和长江上游年平均相对湿度变化 (1961 ~ 2010 年 ) 三峡库区是我国多雾地区, 1 月和 10 ~ 12 月雾日较多, 7 月和 8 月较少 1976 年以来, 库区雾日数呈下降趋势, 每 10 年减少 2. 5 天, 但与西南地区 ( 每 10 年减少 5. 3 天 ) 长江上游 ( 每 10 年减少 5. 0 天 ) 变化趋势相比, 下降趋势缓慢 ( 见图 7) 231

南地区长江上游地区的年平均相对湿度均呈现出弱的下降趋势, 但库区相对湿度变化趋势不明显, 21 世纪以来有所降低, 比西南地区长江上游的变化幅度小 ( 见图 6) 图 6 三峡库区西南地区和长江上游年平均相对湿度变化

6 气候变化绿皮书图 7 三峡库区西南地区和长江上游年平均雾日数变化 (1976 ~ 2010 年 ) 利用区域气候模式对未来的气候变化预估表明, 未来 20 年长江流域的气温将有明显升高, 幅度一般在 0. 5 ~ 0. 8 之间, 以上游和下游的升温幅度更大长江上游降水量将可能增加, 上游和中游南部地区强降水极端事件的发生频率会有较大增加, 增加幅度可以达到 10% 以上, 而长江中下游降水将减少, 幅度可能达到 5% ~ 10%, 下游干旱将呈增加趋势三三峡水库的气候效应三峡库区位于长江上游下段, 东起湖北省宜昌, 西迄重庆江津区水库蓄水至 175 米时, 回水长度 663 公里, 水库平均水深约 70 米, 坝前最大水深 170 米左右, 干流平均宽度约 1. 5 公里, 断面窄深, 仍然保持狭长的条带河道形状, 属典型的峡谷河道型水库三峡水库属季节性调控水库, 秋冬季蓄水, 汛期放水, 年水位在 145 米至 175 米调整 2010 年 10 月 22 日水位米, 接近水库设计的最高水位, 2011 年 7 月 8 日水位米, 接近汛期防洪限制水位, 为年内水位最低时期根据这两个时段卫星遥感监测显示, 库区水体面积差异最大的地方为坝区, 受水位降低影响, 坝区水体面积由 253 平方公里减少至 179 平方公里, 减少约 29%, 2011 年 7 月水库干流较 2010 年 10 月有所变窄, 同时部分支流入河口变窄, 长度退缩, 库区其余地方水体面积差异不大 ( 见图 8) 由此表明, 库区不同蓄水时期河道宽度变化不大, 其气候效应主要反映在南北两岸范围, 一般不超过几十公里 232

趋势三三峡水库的气候效应三峡库区位于长江上游下段, 东起湖北省宜昌, 西迄重庆江津区水库蓄水至 175 米时, 回水长度 663 公里, 水库平均水深约 70 米, 坝前最大水深 170 米左右, 干流平均宽度约 1.

7 三峡水利工程气候效应分析与评估图 8 三峡地区水体变化卫星监测图选取靠近水库的气象测站 ( 巫山巴东 ) 与远离库区的气象测站 ( 巫溪兴山 ) 的监测数据, 分析库区蓄水前后距离水库不同远近的气温的变化结果显示, 近库区远库区年平均气温变化趋势一致, 但在 2003 年以后两地气温差值增大, 比 2003 年前的差值增大了 0. 3, 并在 2009 年后两者差值始终维持进一步分析发现, 蓄水后夏季近库区升温小于远库区, 导致两者夏季平均气温差值减小 0. 1 左右冬季近库区增温幅度略大于远库区, 两者平均气温差增大 0. 4 左右 ( 见表 1) 由于气温差值已经排除了大气候背景对整个库区的影响, 可以近似认为这种近远库区平均气温差值变化是由水库局地气候效应造成的, 冬季增温, 夏季降温表 1 近库区与远库区气温差值比较时段冬季温差夏季温差蓄水后蓄水前变化增温 0. 4 降温 0. 1 选取同样近库区和远库区气象代表站, 将两个区域的年降水量相除, 去除大尺度变化的影响并得到一个相对稳定的比值变化趋势近 50 年来, 两地降水比值没有呈现明显增加或减少的变化趋势, 蓄水后降水比值的波动仍处于正常的变化范围内, 表明三峡水库蓄水后附近地区降水没有明显变化 ( 见图 9) 利用 RegCM3 区域气候模式对三峡库区气候特征进行模拟, 结果显示三峡水库对周边地区气温和降水的影响非常小, 除引起库区水体上方气温有所降低外, 在其他地 233

8 气候变化绿皮书图 9 近库区与近库区降水量变化 (1961 ~ 2010 年 ) 方均看不出系统性的变化大范围的陆地覆盖状况的改变, 会对局地和区域气候产生明显影响, 而作为典型的非常狭窄的河道型水库, 三峡水库对区域气候的影响非常小图 10 给出沿三峡水库在距水体不同距离下, 冬夏季气温和降水的变化图 10 距三峡库区不同距离冬夏季降水 ( 上 ) 和气温 ( 下 ) 的变化 234

河道型水库, 三峡水库对区域气候的影响非常小图 10 给出沿三峡水库在距水体不同距离下, 冬

9 三峡水利工程气候效应分析与评估可以看出水库仅对水面上方的气温有明显降低作用, 冬夏季分别为 1 和 1. 5 左右, 而紧邻水面的陆地降温仅有 0. 1, 并迅速衰减至以下这主要是水体引起的蒸发冷却导致的, 这个冷却同时会引起空气下沉, 减少降水, 其中冬季降水的减少值很小, 在距水面 10 公里以内的减少程度仅在 1% ~ 2% 之间 ; 夏季稍大一些, 在水面上为 10% 左右, 而到 10 公里的地方已衰减至 5% 以下四长江流域旱涝灾害的成因近年来, 西南地区和长江中下流域先后发生严重干旱, 其中包括 2006 年川渝大旱 2009 / 2010 年西南地区干旱以及 2010 / 2011 年长江中下游冬春严重干旱等这些旱灾的发生与我国大尺度的旱涝转换规律和降水演变特征有关据统计, 20 世纪 80 年代前后长江流域经历了一个多雨的时期, 从 1999 年开始转为少雨期, 近十几年来, 长江流域年降水量减少了 10% ~ 12%, 长江流域的干旱正是在这种大的少雨气候背景下发生的大气中的水分循环包括外循环和内循环, 外循环即按地球自转规律水汽随大气环流进行输送的循环, 内循环即局部区域内大气局地环流中的水分循环就自然降雨而言, 外循环的水汽对各地降雨的影响占 95%, 内循环水汽对各地降雨的影响占 5% 左右三峡库区水汽主要来自孟加拉湾索马里和中国南海及青藏高原的输送, 库区水汽内循环不足 5% 水库蓄水虽使附近水汽的内循环有一定变化, 但这种水汽内循环相对于外循环是微不足道的, 不能导致比它面积大很多倍的区域性旱涝灾害的发生研究表明, 一个地区的暴雨发生需要从比它大十几倍以上面积的地区收集或获得水汽三峡水库不能左右比它面积大很多倍的区域性旱涝过程实际上, 长江流域近几年发生的干旱和洪涝等气象灾害主要是由海洋温度和青藏高原积雪的变化造成大范围大气环流和大气下垫面热力异常所引发的, 与三峡水库没有直接关系五结论与讨论近 50 年来三峡库区气温和降水的演变特征与我国西南地区长江上游乃至 235

衰减至 5% 以下四长江流域旱涝灾害的成因近年来, 西南地区和长江中下流域先后发生严重干旱, 其中包括 2006 年川渝大旱 2009 / 2010 年西南地区干旱以及 2010 / 2011 年长江中下游冬春严重干旱等这些旱灾的发生与我国大尺度

10 气候变化绿皮书整个长江流域的变化趋势基本一致, 这说明了三峡水利工程建设并未导致气候发生趋势性变化近几年长江流域发生的大范围旱涝灾害主要是由大尺度的大气环流和大范围地表热力异常造成的, 认为与三峡水利工程建设相关联是缺乏科学依据的库区气候变化趋势可能在某些方面会影响三峡水利工程的运行一方面, 气候均值的变化引起入库水量增加, 超出原库容设计标准及相应的正常蓄水位而带来水库运行风险 ; 另一方面, 未来长江上游强降水可能增加, 极端气候事件出现的概率将加大, 引起的滑坡泥石流等地质灾害可能对三峡水库形成冲击, 危害大坝的安全, 对水库调度运用和蓄水发电也将产生不利影响因此, 在全球气候变暖背景下, 要做好应对三峡大坝上游和山区强降水引发的暴雨洪涝以及其他极端天气气候事件的工作由于气候系统的复杂性, 加上三峡水库蓄水时间还不长, 气候观测网积累的资料较少, 水库的气候效应有一定的不确定性, 需要继续加强对三峡库区及周边的气候监测影响评估和科学研究参考文献 IPCC. Climate Change1995: The Science of Climate Change. Contribution of Working Group I tothesecond AssessmentReport ofthe InternationalPanel on Climate Change, Cambridge, UK: CambridgeUniversityPress, WU L G, ZHANG Q, JIANG Z H. Three Gorges Dam affects regional precipitation, Geophysical Research Letters, 2006, 33: L 李黄张强 : 长江三峡工程生态与环境监测系统局地气候监测评价, 气象出版社, 2003 吴佳高学杰张冬峰等 : 三峡水库气候效应及 2006 年夏季川渝高温干旱事件的区域气候模拟, 热带气象学报 2011 年第 1 期陈鲜艳张强叶殿秀等 : 三峡库区局地气候变化, 长江流域资源与环境 2009 年第 1 期陈鲜艳张强等 : 长江三峡局地气候监测 ( 1961 ~ 2007 年 ), 气象出版社, 2009 陈鲜艳廖要明张强 : 长江三峡工程生态与环境监测系统三峡气候及影响因子研究, 气象出版社,

可能增加, 极端气候事件出现的概率将加大, 引起的滑坡泥石流等地质灾害可能对三峡水库形成冲击, 危害大坝的安全, 对水库调度运用和蓄水发电也将产生不利影响因此, 在全球气候变暖背景下, 要做好应对三峡大坝上游和山区强降

11 三峡水利工程气候效应分析与评估高学杰石英 Giorgi F. : 中国区域气候变化的一个高分辨率数值模拟, 中国科学 2010 年第 7 期张冬峰高学杰赵宗慈等 : RegCM3 对东亚环流和中国气候模拟能力的检验, 热带气象学报 2007 年第 5 期 GIORGI F, FRANCISCO R, PAL J. Efects of a subgrid-scale topography and land use scheme on the simulation of surface climate and hydrology. part 1: Effects of temperature and water vapor disaggregation, Journal of Hydrometeorology, 2003, 4 (2):

能力的检验, 热带气象学报 2007 年第 5 期 GIORGI F, FRANCISCO R, PAL J.

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