烏江流域水域面積變化的氣候效應(yīng)

朱曉絲，周國富，鐘九生

(貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 520001)

0 引 言

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告表示，近60年來，地球氣候發(fā)生了很大變化[1-3]，地球溫度普遍升高，由此產(chǎn)生了相應(yīng)的氣候現(xiàn)象：地球表面氣溫上升、海洋溫度和海平面上升、南極和格陵蘭冰蓋消融、冰川退縮和極端氣候事件頻率增加，氣候變化對地球表面環(huán)境系統(tǒng)及人類生存發(fā)展有重要影響。水域面積變化對氣候有重要影響[4]，會造成不同的局地氣候[5-10]。

目前，已有很多學(xué)者研究水域面積變化對局地氣候影響。比如，陳柏林[8]研究了洞庭湖水域?qū)夂虻挠绊?，研究發(fā)現(xiàn)湖泊能調(diào)節(jié)氣溫，緩和溫度極端變化，湖泊面積增加，冬季降水量增多、夏季降水量減少，空氣濕度增加。王慧等人[11]也研究了洞庭湖水域面積變化對當(dāng)?shù)貧夂虍a(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)洞庭湖水域面積縮減時，極端氣候出現(xiàn)頻率增多。岳丹[12]研究了內(nèi)蒙古大型湖泊濕地水域面積變化引起的氣候效應(yīng)，湖泊水域面積減少導(dǎo)致沙地面積增加，從而造成大風(fēng)天氣、沙塵暴災(zāi)害天氣。張東坡[13]研究了邛海水域變化對西昌氣候影響，研究發(fā)現(xiàn)湖泊對周邊氣候有調(diào)節(jié)作用，可改變周邊環(huán)境的氣溫和降水量。于俊偉等人[4]研究了威寧草海水體變化的氣候效應(yīng)，草海排水后水域面積減少，冬季平均氣溫降低、相對濕度減小、降水量減少。

目前，已有的研究多集中在湖泊、濕地等小尺度區(qū)域，對喀斯特地區(qū)流域尺度研究尚有不足，選取的氣象因子也較單一，僅研究水域面積對某一個或兩個氣象因子的影響，未從氣溫、降水量、相對濕度、風(fēng)速等多方面進行研究。本文基于流域尺度，選取了烏江流域2000年、2005年、2010年、2015年、2018年5期遙感影像提取水域，來分析水域面積變化的氣候效應(yīng)。

1 研究區(qū)概況

烏江位于104°10′～109°12′E，25°26′～30°22′N，是長江上游右岸的最大支流，發(fā)源于貴州省威寧縣香爐山花魚洞，流經(jīng)黔北及渝東南酉陽彭水，在重慶市涪陵注入長江。烏江干流全長1 037 km，天然落差2 124 m，流域面積87 920 km2，平均比降0.205%[14]。本文以流域(貴州境內(nèi))作為研究區(qū)。烏江在貴州境內(nèi)河長889 km，天然落差2 007.6 m，流域面積 66 807 km2，占全流域面積的76%，整個流域地處云貴高原東側(cè)梯級狀斜坡上，境內(nèi)西高東低，平均海拔1 100 m左右，地貌類型主要為高原山地。氣候為中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫為14～16 ℃，年平均日照時數(shù)是250 h，相對濕度在75%～84%，年平均風(fēng)速是1.5m/s，多年平均降水量是1 100.0 mm，降水集中在5月～8月，約占全年的60%，地層從前震旦系板溪群至第四系均有岀露，烏江流域北部及其下游廣泛分布寒武系、奧陶系及志留系為主的古生代地層，以碳酸鹽巖石為主[15]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

從地理空間數(shù)據(jù)云下載2000年、2005年、2010年、2015年、2018年landsat8遙感影像，運用ENVI5.3，提取出研究區(qū)內(nèi)水域圖像資料和面積數(shù)據(jù)。從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載流域內(nèi)各氣象站2000年、2005年、2010年、2015年、2018年氣溫、降水量、相對濕度、風(fēng)速數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1歸一化差異水體指數(shù)法

水體在綠光處反射強度比在近紅外處的高，除水體以外絕大多數(shù)地物則相反。如，植被和土壤。Mcfeeters在研究歸一化差異植被指數(shù)NDVI后，從中有所體會，使用TM影像的綠光和近紅外光波建立了專門提取水域的歸一化差異水體指數(shù)[16-17]

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(1)

基于ENVI5.3，采用該方法提取研究區(qū)2000年、2005年、2010年、2015年、2018年水域。

2.2.2普通克里金法

普通克里金應(yīng)用最廣泛[18-21]，其計算公式如下

(2)

本研究對烏江流域各氣象站點2000年、2005年、2010年、2015年、2018年氣溫、降水量、相對濕度、風(fēng)速的年平均值采用普通克里金法進行空間插值，得出其空間分布情況。

2.2.3線性趨勢分析法

在分析氣象因子隨水域面積的變化時，采用該方法進行分析，其中線性趨勢模型通過最小二乘法獲得的，計算公式為

Y=ax+b

(3)

本研究將烏江流域各氣象站點2000年、2005年、2010年、2015年、2018年氣溫、降水量、相對濕度、風(fēng)速進行統(tǒng)計，計算4個氣象因子冬季(12月～次年2月)、夏季(6月～8月)和年平均值，將其與烏江流域水域面積變化進行線性趨勢分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域水域面積整體變化及氣候效應(yīng)

3.1.1水域面積整體變化

烏江流域2000年～2018年水域面積上升；2000年～2005年增加44.98 km2，比2000年增長12.26%；2005年～2010年增加31.62 km2，比2005年增長7.68%；2010年～2015年增加0.20 km2，比2010年增長0.05%；2015年～2018年增加29.22 km2，比2015年增長6.58%；2000年～2018年增加106.02 km2，比2000年增長28.89%。

3.1.2氣象因子整體變化

2000年～2018年冬季氣溫平均值上升3.88 ℃，年氣溫平均值上升1.84 ℃，夏季氣溫平均值下降2.53 ℃(見圖1a)；2000年～2018年冬季平均降水量增加20.5 mm，年平均降水量增加369.7 mm，夏季平均降水量減少59.3 mm(見圖1b)；2000年～2018年冬季平均相對濕度上升8.18%，夏季平均相對濕度增加5.38%，年平均相對濕度增加4.29%(見圖1c)；2000年～2018年冬季平均風(fēng)速增加0.50 m/s，夏季平均風(fēng)速增加0.67 m/s，年平均風(fēng)速增加0.28 m/s(見圖1d)。

圖1 烏江流域氣象因子折線

3.1.3水域面積整體變化產(chǎn)生的氣候效應(yīng)

對烏江流域2000年、2005年、2010年、2015年、2018年水域面積與氣溫、降水量、相對濕度、風(fēng)速4個氣象因子進行了統(tǒng)計(統(tǒng)計表略)，其流域水域面積和各氣象因子的關(guān)系見圖2。統(tǒng)計結(jié)果及圖2顯示，烏江流域水域面積增加時，冬季氣溫平均值、年氣溫平均值上升，夏季氣溫平均值下降；冬季降水量平均值、年降水量平均值變大，夏季降水量平均值變小；冬季、夏季、年平均相對濕度增加，冬季、夏季、年平均風(fēng)速均增加。總體看來，烏江流域2000年～2018年水域面積增加，氣溫和降水量冬季平均、年平均上升，夏季平均下降；相對濕度和風(fēng)速冬季平均、夏季平均、年平均都增加。

圖2 烏江流域水域面積與氣象因子關(guān)系分析

3.2 流域水域面積空間變化及氣候效應(yīng)

3.2.1水域面積空間變化

烏江流域水域的空間變化顯示，2000年～2005年流域水域面積增加，流域西南部水域增加比較明顯，中部、中北部、東北部有零星增加；2005年～2010年流域水域面積變大；西南部、中東部，2010年～2015年水域面積增加；流域南部，2015年～2018年水域面積有增有減，增加區(qū)域在流域東南部和南部，減少區(qū)域在流域北部、西北部和南部，變化區(qū)域比較分散；2000年～2018年水域面積有增有減，增加區(qū)域在流域東南部和南部，減少區(qū)域在流域北部、西北部和南部。總體看，2000年～2018年水域面積增多，變化區(qū)域比較分散。

3.2.2水域面積空間變化產(chǎn)生的氣候效應(yīng)

統(tǒng)計烏江流域2000年～2018年水域面積發(fā)生變化的區(qū)域，用GIS區(qū)域分析功能計算水域面積變化區(qū)域各氣象因子的值，2000年～2005年水域面積增加44.98 km2，該區(qū)域年平均氣溫增加0.35 ℃，年平均降水量增加125.4 mm，年平均相對濕度增加3.18%，年平均風(fēng)速減少0.16 m/s；2005年～2010年水域面積增加31.62 km2，該區(qū)域年平均氣溫上升0.51 ℃，年平均降水量增多100.2 mm，年平均相對濕度增大0.76%，年平均風(fēng)速減少0.1 m/s；2010年～2015年水域面積增加0.2 km2，該區(qū)域年均氣溫上升0.15 ℃，年平均降水量增多30.0 mm，年平均相對濕度增大0.5%，年平均風(fēng)速減小0.02 m/s；2015年～2018年水域面積增加224.6 km2，減小195.38 km2，水域面積增加區(qū)域年平均氣溫上升0.1 ℃，年平均降水量增多43.0 mm，年平均相對濕度增大0.81%，年平均風(fēng)速減小0.10 m/s，水域面積減少區(qū)域年平均氣溫增加0.06 ℃，年平均降水量減少10.4 mm，年平均相對濕度增加1%，年平均風(fēng)速減少0.06 m/s。2000年～2018年水域面積增加247.43 km2，減少141.41 km2，水域面積增加區(qū)域年平均氣溫上升1.07 ℃，年平均降水量增多348.2 mm，年平均相對濕度增加4.92%，年平均風(fēng)速增加0.04 m/s，水域面積減少區(qū)域年平均氣溫增加1.07 ℃，年平均降水量增加284.0 mm，年平均相對濕度增加4.74%，年平均風(fēng)速減少0.03 m/s。

4 討 論

水域面積變化對氣溫的影響緣于3個因素：第一，水體較陸地反射率小，吸收太陽輻射較多，導(dǎo)致氣溫上升；第二，水體比熱容大，增溫時，水體儲存較多熱量，緩和水上空氣的增溫，帶來減溫效應(yīng)，減溫時，水體釋放熱量，緩和水上空氣的降溫，帶來增溫效應(yīng)；第三，水面蒸發(fā)散熱帶來減溫效應(yīng)。水域?qū)鉁氐挠绊?，取決上述3個因素的綜合作用[22-24]。冬季，前2個作用大于第3個，夏季，后2個作用大于第1個。水域面積增加，則冬季平均氣溫、年平均氣溫增加，夏季平均氣溫降低。

水域面積變化從以下3個方面影響降水：第一，水域上方蒸發(fā)強，空氣濕度大，導(dǎo)致降水量增加；第二，水域上方氣流發(fā)生流線輻射，做下沉運動，降水量減少；第三，在冷季，水體溫度相對較高，水上氣層不穩(wěn)定，對流運動和空氣上升運動會加強，降水量增加；在暖季，水體溫度相對較低，水上大氣層結(jié)穩(wěn)定，氣體對流運動減弱，降水量減少。冬季前兩者作用較大，夏季后兩者作用較大。總體來說，降水主要受水汽來源和空氣濕度影響，當(dāng)流域水域面積增加，水上空氣濕度大，為降水提供了有利條件。因此，水域面積增加時，冬季平均降水量增加、夏季平均降水量減少、年平均降水量增加。

水域面積變化對相對濕度的影響，取決于蒸發(fā)和水汽壓，水域上方供蒸發(fā)的水源充足，蒸發(fā)較大，水域上方水汽壓較高，空氣相對濕度與水汽壓成正比[25]，當(dāng)水域面積變大，相對濕度增大。因此，當(dāng)水域面積增加，冬季平均相對濕度、夏季平均相對濕度、年平均相對濕度增大。

水域面積變化對風(fēng)速的影響，取決于水面對風(fēng)的摩擦力，水體表面光滑，風(fēng)吹過時受到的摩擦力減弱，水上風(fēng)速相對較大[26-27]，因此，從流域水域面積整體變化來看，當(dāng)水域面積增加，冬季平均風(fēng)速、夏季平均風(fēng)速、年平均風(fēng)速增大。

本文基于流域尺度研究烏江流域水域面積變化的氣候效應(yīng)，氣象要素選取相對全面，但未考慮極端氣候、災(zāi)害性天氣，其次，也未考慮地形因素對氣候的影響，時間跨度相對較短，后期研究應(yīng)將這幾方面考慮進來。

5 結(jié) 論

(1)水域能調(diào)節(jié)氣溫。在冬季，水域?qū)鉁赜猩郎氐恼?yīng)；在夏季，有減溫的負效應(yīng)。

(2)水域能帶來降水。在冬季，水域?qū)邓坑姓?yīng)；在夏季，有負效應(yīng)。

(3)水域能增濕。水域?qū)Χ尽⑾募酒骄鄬穸燃澳昶骄鄬穸榷加性鰸竦恼?yīng)。

(4)水域能提高風(fēng)速。水域?qū)Χ酒骄L(fēng)速、夏季平均風(fēng)速、年平均風(fēng)速都有增速的正效應(yīng)。