三峡水库季节性生物物理效应的时空分异特征及其气候调控机制

本文通过整合地面观测、卫星遥感和过程模型(WRF)，系统量化了三峡水库(TGR)2010-2021年运行期的生物物理效应。研究发现水库蓄水导致白天局地地表温度(LST)降温(-1.28±0.05 K)，夜间升温(+0.22±0.06 K)，这种效应可向周边传播12公里。能量平衡分析表明，水库通过增加潜热通量(LE)和改变风场，抵消了反照率(α)降低导致的增温效应，最终产生净冷却作用。研究为大型水坝规划提供了应对气候变化的科学依据。

　　

1 引言

大型人工水库作为缓解水资源短缺和气候变化的重要工具，全球已建成超过5万座。三峡水库(TGR)作为世界最大水电工程，其生物物理效应存在争议：既有研究报道夏季降温冬季增温，也有显示夜间增温白天降温。这些矛盾源于研究方法局限——地面观测空间代表性不足，卫星数据难以解析能量分配，而传统模型分辨率(50-100 km)无法捕捉平均宽度仅1.5 km的水库效应。本研究创新性地整合多源数据与高分辨率WRF模型，首次系统揭示水库调控下的季节性生物物理过程。

2 材料与方法

采用MODIS卫星数据获取1 km分辨率地表温度(LST)、500米分辨率蒸散发(ET)和反照率(α)。通过混合Landsat OWDM-EIC分类与地形淹没分析，构建月尺度水库边界数据集。开发窗口搜索算法(WSA)量化水体-陆地温差(ΔLST)，建立缓冲区分析传播范围。WRF模型设置三重嵌套域(最内层1 km)，设计夏季(JJA，水位145 m)和冬季(DJF，水位175 m)两组情景模拟能量收支变化。

3 结果与讨论

3.1 土地利用变化与水文气候特征

三峡水库蓄水使水域面积扩大85%，草地农田减少6.8%。水库运行形成独特的水文反季节模式：夏季降水充沛(179.4 mm/月)时保持低水位(588 km²)，冬季干旱(24.55 mm/月)反而维持高水位(1084 km²)，这种人为调控显著改变了地表能量交换过程。

3.2 卫星观测的温度效应

WSA分析显示水库导致年均白天降温1.28 K，夜间升温0.22 K，日净降温0.51 K。夏季降温最显著(白天ΔLST=-2.41 K)，而冬季夜间出现0.76 K增温。能量分解表明，水体较低的反照率(Δα=-10.8%)虽增加短波吸收(ΔF_α=+0.36 MJ m^-2 d^-1)，但更强的蒸散发(ΔET=+3.8 mm/d)通过潜热冷却(ΔF_ET=-3.8 MJ m^-2 d^-1)主导了净能量收支(ΔF_budget=-3.46 MJ m^-2 d^-1)。

3.3 气候效应的空间传播

缓冲区分析显示降温效应可延伸12 km，白天影响范围(5-12 km)大于夜间(5-7 km)。地面站点验证发现，水库周边8个站点中有6个呈现显著降温趋势，且风速变化与ET增强显著相关(r>0.6)，证实水库通过改变局地环流强化了蒸发冷却。

3.4 区域能量收支变化

WRF模拟显示：夏季LE增加7.81 W m^-2(+6.15%)，冬季增加1.84 W m^-2(+3.38%)，而感热通量(H)相应减少。能量分解表明LE贡献了52%-58%的降温效应，反照率变化仅贡献1.9%-10%。值得注意的是，水库扩张还通过增加云量使短波辐射(SW)减少3-4 W m^-2，形成二次冷却机制。

4 结论

三峡水库通过"高水位-强蒸发-大冷却"的生物物理链条，在区域尺度形成净冷却效应。这种人工调控的气候效应具有显著季节性分异和空间传播特征，为全球水库建设应对气候变化提供了重要范式。研究建议未来水电工程规划应充分考虑水位调度对能量平衡的调控潜力，将其纳入气候适应战略体系。