三峡大坝对地区降雨的影响

　　江鸟又见译自http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20060026168_2006228297.pdf

　　作者

　　Liguang Wu , Goddard Earth and Technology Center, University of Maryland, Baltimore County and Mesoscale

　　Atmospheric Processes Branch, Laboratory for Atmospheres, NASA Goddard Space Flight Center,

　　Greenbelt, Maryland;

　　Qiang Zhang, 中国、北京、中国气象所国家气候中心;

　　Zhihong Jian, 中国、南京、南京科技信息大学.

　　联系作者地址 Dr. Liguang Wu, NASA/GSFC, Code 613.1, Greenbelt, MD 2007 1.

　　E-mail: Liguang@agnes.gsfc.nasa.gov

　　提要

　　有关为发电及防洪而修建大型水坝的课题，一直为各个领域的自然和社会科学家，包括政策制定人和普通百姓进行着广泛的讨论。自从中国政府正式批准三峡大坝建造以来，这个世界最大水电项目就引起了许多从社会经济到气候影响诸方面的争辩。三峡大坝从2003年6月起开始投入使用。

　　本文对三峡大坝的对地区降雨的影响，通过美国航天总署(NASA)的热带降雨量测计划程序(TRMM)进行了研究，对地表温度和高分辨精度地理模拟，则利用中等分辨率影像光谱射电仪(MODIS)及美国宾州大学大气研究国家中心(PSU-NCAR)第五代中等尺度规模模型(MM5)予以考察。独立的卫星资料数据和数字模拟技术表明，在三峡大坝水位于2003年6月突然从66米提升到135米后，因三峡工程造成的土地使用的改变，已经引起了大巴山和秦岭山脉之间地域降雨量的增加及三峡大坝附近降雨的减少。本研究说明：三峡大坝对气候的影响范围是地域性的(约100公里量级)，而不是过去某些研究估计的是局部性的(约10公里量级)。

　　1.引言

　　当世界最大水电工程长江三峡大坝，从宜昌市直到重庆直辖市延伸660公里长，并覆盖水面1040平方公里，成为中国水利枢纽的骨干(参考文献Wang 2002)。自从1992年4月中国人民代表大会正式批准立项，三峡大坝已经引起了广泛的争论。其影响包括对水库区域的自然环境和社会环境两个方面(Wang 2002; Edmonds 1992;Gwynne and Li 1992;Xie 2003;Shen and Xie 2004;Miller et. al. 2005)。然而土地使用的改变最终将怎样影响区域的气候，仍然不清楚。根本文据几个特定的现场试验和理想化模拟(Zhang et al. 2005)，过去的估计是，三峡水库对气候的影响主要在长江水道数十公里范围之内(Zhang et al. 2004, Miller et al. 2005)。

　　因三峡大坝引起的土地使用的变化对区域气候的影响，应当跟周边复杂的地域山势有关。长江总的流动趋势是沿着四川盆地南缘向东，切断巫山山脉之后到达三峡大坝(图1)。跟巫山在东头相连，跟北面的秦岭相对的，是大巴山山脉。大巴山沿四川盆地的北缘自西南向东北而行，其平均海拔为2000米左右。三峡水库在2009年之后将淹没632平方公里的土地，其水道的平均宽度将从0.6公里增加为1.6公里。增加的水道面积将加强当地蒸发并降低附近的温度。其结果是水道上方的大气更加稳定，进而使660公里长江水道大气产生不规则向下垂直运动(Miller et al. 2005)。如果所产生的中等尺度的向下垂直运动跟三峡大坝附近几百公里内的复杂地貌相互作用，那过去所估计的三峡大坝对气候的影响尺度范围将受到质疑。

　　三峡大坝自2003年6月起被部分启用，其水位从66米骤然提升到135米。水面加大了的水道提供了一个观察研究三峡大坝对气候影响的机会，这正是本文的主要目的。本研究的数据资料来自美国航天总署(NASA)的热带降雨量测计划(TRMM)和Terra卫星，加上使用美国宾州州立大学大气研究中心(PSU-NCAR)第五代中等尺度模型(MM5)的高精密度数字模拟技术，来考察世界最大的水电工程对区域性(100公里数量级)气候可能产生的影响。

　　2.对卫星数据的分析

　　因为在山地区域难以得到常规雨量测量计数据，我们利用NASA TRMM 多卫星降雨分析技术(TMPA)得到的逐月降雨数据来代表三峡大坝区域的降雨。数据是综合来自卫星(包括微波及红外降雨估计)多重降雨估计，也包括可以得到的精度0.25°x0.25°雨计分析结果(Huffman et al. 2006)。卫星观测降雨(mm/month, 毫米/月)数据被分为两组，1998年1月到2003年1月一组，2004年1月到2006年1月另一组。分别代表三峡大坝水位骤增前后两个时期。

　　图 1表现了TRMM技术给出的上述两个时期月降雨差别的空间分布。其中正值的等值线(实线)基本上出现在长江以北，而减低了的降雨率(虚线)处在三峡大坝附近及长江以南。正值等值线的最大值粗略地说平行于长江，且分布在距离长江约150公里地带，说明由于三峡大坝的修建土地使用改变结果在这些地方增大了降雨。虽然，降雨率等值线里也包含某些自然界的变化以及卫星得到数据产品的不确定因素。

　　由于自然环境的变化，诸如厄尔尼诺现象和十年周期震荡等，都是在一个大的时间尺度内发生，所以我们可以得到一个新的时间系列，即把TRMM降雨率时间系列所在的空间地理区间分成相互对照的两个区域：一个是降雨增加的地域(北纬区间31.0-34.0°N，东经区间107.0-111.0°E);另一个是包括整个三峡水库周围地域(北纬区间28.0-34.0°N，东经区间107.0-111.0°E)。对于这两个地域，自然环境变化的影响应当是非常相似的，因此这一影响在新的时间系列中可以在很大程度上予以削减。此外，就整个三峡水库地域来说，时间系列中三峡大坝的影响是相对弱小的，因为该地域中包括了正负两种等值线的缘故。图2表现了新的时间序列，展示了2003年开始水位骤增69米后的降雨强化现象。注意，2004年的降雨增加在后三年中虽然是最小的，然而跟之前5年中出现在2000年的峰值还有得一比。一个学生的T实验表明，此变化的统计重要性水平为98%。此图明示，三峡工程对长江以北夹在大巴山和秦岭山脉之间地域的降水有着显著的增强。

　　三峡大坝对大巴山与秦岭山脉间降雨的增强会导致地表温度(LST)的变化，其原因是增强了的对流对于到达地面的太阳射线会有影响。为了考察这种可能的地表温度的变化，我们利用了在航天总署的Terra卫星上的中等精度影像光谱射线仪(MODIS)，其影像精度为0.05°x 0.05°。图3 展示了日夜温度差对整个三峡水库地域(北纬区间28-34°N，东经区间105-112°E)的平均，和对一个相对小的对应于增强了的降雨区(北纬区间 31-33°N，东经区间108-110°E)的平均。在2003年水位增加到135米之后，此图展示了三峡大坝对夹在大巴山和秦岭山脉之间区域地表温度 LST减少的效应，以及主要来自于白日温度冷却之差(图3b)，约0.67°C，还有出现在夜间的地表温度LST较小的变化(图3c)。这里白日地表温度 LST的冷却效应，是跟前面由TRMM卫星数据得来的降雨量增加的结论相一致的。

　　3.数值模拟

　　为模拟根据TRMM卫星数据得来的三峡大坝的影响，进行了两个MM5模型的非静水版本的数值试验。试验是对八月1日到30日的一个月的整合，包括9公里和3 公里范围两种精度，并采用双向筑巢技术(two-way nesting technique)。共有28个铅直水平面，具有高分辨精度平面边界层(PBL)。作为初始和边界条件，使用了来自环境预报国家中心(NCEP)的粗(2.5°x 2.5°)分辨率12小时再分析法。模型物理选择包括伽达分辨微波物理技术、高分辨率布莱卡达PBL技术、以及对射线的快速雷达转换模型。三峡工程造成的土地使用变化，是以3公里宽的网格覆盖东经108°到111°E之间的沿长江谷地的水面模拟。

　　数值解说明，三峡大坝效应改变了月平均降雨，与此同时并没有改变降雨过程的频率。相应与东经108°至111°E土地使用的变化，降雨的变化主要集中在东经109.0°-111.0°范围。跟TRMM降雨率相比，图4展示了中度的百分比的降雨变化，二者都是对于东经109.0°- 111.0°E的平均。

　　所有图1到图4的TRMM数据展示的基本特征的一致指出，介于大巴山和秦岭山脉之间谷地的模拟降雨是被明显地增强了，而在三峡大坝附近的降雨却被降低了。这种一致说明了本数值模拟抓住了三峡大坝的效应的主要特征。在图3 中展示的TRMM降雨率的变化，除了秦岭山脉之外，可以大致上用来作为数值解的降雨变化率的平滑整合。

　　进一步的数值模拟试验指出，大巴山与秦岭山脉之间因三峡大坝而增强的降雨在下午期间达到了峰值。这是跟白日地表温度被冷却相一致的。

　　虽然如图4所示模拟降雨的变化基本上与TRMM数据相符，数值模拟毕竟也有某些无法跟TRMM数据相容的特征。例如，模拟降雨在刚刚过长江以南处突然骤增，以及在大巴山与秦岭山脉间的谷地范围降雨随纬度的变化，从-15%至50%是太快了些。由于缺乏这种尺度细节的降雨数据，我们还无法确定这些局部的表现是否来自单个一月数字模拟的不稳定性。

　　4.总结

　　通过美国航天总署(NASA)的热带降雨量测计划程序(TRMM)进行的降雨率分析表明，三峡大坝水位自2003年6月骤增至135米之后，三峡工程相关连的土地使用的变化，增加了大巴山与秦岭山脉之间区域的降水，而减少了长江附近的降水。将三峡大坝的影响利用MM5模型处理就可以对其增强降雨进行数字模拟，而其结果同由MODIS/Terra数据产品导出的地表温度的下降是相一致的。本研究指出，像三峡大坝一类的人造水库对气候的影响的尺度是地域性的(100公里数量级)，而不是局部性的(10公里量级)，如过去一些研究所估计那样(Zhang et al.2004;Miller et al. 2005)。到2009年，三峡大坝将完全淹没660公里的长江江段，其水位将进一步加高到175米。到那时，三峡大坝将很可能会进一步改变区域性的降雨。应当指出，基于TRMM的降雨计算结果也许会包含重要的不确定性，因为它非常依赖与低精度的来自地球同步卫星的红外数据及到手的雨量计测定数据去抵消 TRMM微波数据的时空局限(Huffman et al. 2006)。我们仍然需要进一步的研究来完全了解三峡大坝对地域气候的影响。

　　致谢

　　Liguang Wu 衷心感谢 Ramesh Kakar 经过 NASA EOS 项目(EOS/03-0000-0144)提供的资助。我们感谢 Guojun Gu 获取 TRMM 数据的工作。同样要感谢三名匿名文献评审人提供的审稿评议，使原稿得以改进发表。

　　参考文献

　　Edmonds, R. L., 1992: The Sanxia (Three Gorges) project: The environmental argument

　　surrounding China’s super dam. Global Ecology and Biogeography Letters, 2, 105- 125.

　　Gwynne, P, and Y. Q. Li, 1992: Yangtze project dammed with taint praise. Nature, 356, 736.

　　Huffman, G. J., R F. Adler, D. T. Bolvin, G. Guy E. J. Nelkin, K. Bowman, E. F. Stocker,

　　and D. Wolff, 2006: The TRMM multi-satellite precipitation analysis (TMPA): Quasi-global,

　　multi-year, combined-sensor precipitation estimates at fine scales. Submitted to Journal of Hydrology.

　　Miller, N. L., J. Jin, and C-F Tsang, 2005: Local climate sensitivity of the Three Gorges Dam. Geophysics Research Letters, 32, doi: lO.l029/2005GLO22821.

　　Shen, G., and Z. Xie, 2004. Three Gorges Project: Chance and challenge. Science, 304, 681.

　　Wang, J., 2002: Three Gorges Project: The largest water conservancy project in the world.

　　Public Admin. Dev. 22,369-375.

　　Zhang, Q., S. Wai, Y. Mao, Z. Chen, and Y. Liao, 2005: Characteristics of temperature

　　changes around the Three Gores with complex topography. Advances in Climate Change

　　Research, 4, 16-20 (In Chinsese).

　　Zhang, H., C. Zhuo, X Ju, and Q. Zhang, 2004: Numerical modeling of microclimate effects

　　of Shanxia Reservoir, Resources and Environment in the Yangtze Basin, 13, 133-137 (in Chinese).