NASA公布的三峽大壩建設(shè)環(huán)境影響報告
2009年完工的三峽大壩，橫跨中國長江，將是世界上最大的水電站，也將是世界上少有的幾個能從太空用肉眼觀測到的人工建筑。NASA的地球資源探測衛(wèi)星自這座大壩1994年破土動工以來，就一直提供詳細(xì)、清晰的大壩上空場面。長江是世界第三大河流，在中國境內(nèi)綿延3900多英里，諸如上海附近的出？。歷史上，這條大河一直容易發(fā)生水患，基本上每十年就會泛濫一次。單是20世紀(jì)這一百年里，據(jù)中國官方統(tǒng)計，約有30萬人死于長江水患。
大壩的修筑將改善長江的洪水控制，保護(hù)下游平原地區(qū)1500萬人口以及370萬畝農(nóng)田。通過NASA的地球資源探測衛(wèi)星，可以俯瞰這座大壩的修筑情況。第一幅圖片顯示的是工程開始前的三峽地區(qū)。到2000年，河流兩岸的工程已經(jīng)開始動工，但是被截流的河水還是能順著河南岸一條窄窄的水道流出。2004年的圖片顯示大壩主墻的有限進(jìn)程，以及注了一部分水的水庫，以及邊上的許多峽谷。到2006年中，主墻已經(jīng)竣工，長達(dá)2英里（合三公里）的水庫橫跨在大壩上，注滿了來自上游的江水。
三峽大壩的絕對面積與發(fā)電量是難以想象的。工程建設(shè)成本高達(dá)6250億美元，長大約1.4英里（合：2.3公里），高607英尺，比亞利桑那和內(nèi)華達(dá)州交界的胡佛大壩大5倍。
三峽大壩水庫工程儲水量達(dá)5兆加侖，到2009年全部26個機(jī)輪安裝完成投入使用時，三峽大壩的電輸出量可達(dá)1萬8千兆瓦特，是胡佛大壩的20倍。水庫也將容許萬噸貨輪進(jìn)入中國的內(nèi)部城市，打開新興內(nèi)陸城市的農(nóng)業(yè)和制造業(yè)市場，增加進(jìn)入中國城市的商業(yè)船只。
盡管擁有這些預(yù)期的優(yōu)勢，但是建造三峽大壩還是免不了成為備受爭議的焦點(diǎn)。雖然水庫的儲水能力能夠減輕今后下游水患的頻繁性，但是大壩的水庫將高于海平面574英尺（合：175米），淹沒244平方英里（合：393平方公里）的土地，包括這三座命名大壩的瞿塘峽、巫峽，和西陵峽。其后果導(dǎo)致超過100萬人口必須重新安置，數(shù)十座建筑和文化景觀將消失在水庫里。
除此之外還有環(huán)境方面的憂慮。三峽大壩的修筑是為了治理百年一遇的大水，
2007年4月，中國新華通訊社報道，三峽大壩的水庫被殺蟲劑、化肥和污水污染。根據(jù)由中國科學(xué)院、世界野生動物基金會和長江水資源管理委員會聯(lián)合實(shí)施的一項(xiàng)研究，30%的長江主要支流均受到嚴(yán)重污染。
雖然地球資源衛(wèi)星是觀測地球表面變化的主導(dǎo)研究工具，但是NASA的其他衛(wèi)星在決定土地覆蓋和土地使用對氣候和環(huán)境的影響也發(fā)揮著重要作用。就像森林變成城市可以影響當(dāng)?shù)貧夂蛞粯樱茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，三峽大壩和它巨大的水庫對當(dāng)?shù)丨h(huán)境和氣候也可能有相似的影響。
研究者在最近一次研究中，利用計算機(jī)模型，分析NASA熱帶降雨測量衛(wèi)星發(fā)回的數(shù)據(jù)，預(yù)測出三峽大壩的建設(shè)對地區(qū)降雨的影響。NASA的地球與水資源衛(wèi)星的訊息也顯示出大壩對地表溫度的影響。
“衛(wèi)星數(shù)據(jù)和計算機(jī)模型清楚地表明，大壩建設(shè)帶來的土地使用改變增加了大巴山和秦嶺山脈中間這一區(qū)域的降雨量。”位于馬里蘭州的NASA哥達(dá)德航空航天中心首席作者吳力廣（音）這樣說道。他也效力于馬里蘭大學(xué)巴蒂摩爾分院。大壩水平面在2003年六月陡增以來，土地改變同樣減少了三峽大壩周圍地區(qū)的降雨。
令研究者震驚的是，他們發(fā)現(xiàn)，三峽大壩影響降雨的區(qū)域面積達(dá)到62平方英里(160.6平方公里)，而不是先前研究中提出的6平方英里（15.5平方公里）。
降雨的增多的區(qū)域，地表溫度也有所改變。白天，大巴山和秦嶺山脈之間的氣溫平均減少了1.2華氏度（合：0.67攝氏度）。由于降雨增多，云層也多起來，減少了陽光直射，降低到達(dá)地表的熱量，所以白天的氣溫更涼爽。
研究表明，氣溫變化的原因是長江寬度的擴(kuò)大和水庫的形成。建成之后，在群山之間出現(xiàn)一座401平方英里的水庫。大壩修筑之前，長江的寬度只有三分之一英里。巨大的水庫引起了“湖效應(yīng)”，導(dǎo)致氣溫降低，以及大巴山和秦嶺山脈中間的的降雨增多，但是水庫沿線周圍相接的地區(qū)的降雨卻減少了。美國航天航天局（NASA）的研究人員撰寫的研究報告指出，在2003年蓄水水位從66米提升到135米之后，三峽大壩建設(shè)引起的土地使用變化增加了大巴山和秦嶺之間的降水，減少了三峽大壩附近地區(qū)的降水。這項(xiàng)研究表明三峽大壩對氣候的影響是地區(qū)性的，影響范圍是100公里，而不是三峽建設(shè)專家組給出的 10公里。到2009年，三峽地區(qū)的長江水面寬度將從平均0.6千米擴(kuò)大到1.6千米，水域面積的增加將增強(qiáng)當(dāng)?shù)氐恼舭l(fā)，降低當(dāng)?shù)氐臏囟。?dāng)?shù)厣峡盏乃?將更加穩(wěn)定，可能導(dǎo)致長江660千米長的水路的水汽垂直運(yùn)動不協(xié)調(diào)，很可能進(jìn)一步改變區(qū)域降水。
到2009年大壩完全投入使用，水庫儲水達(dá)到峰值，屆時，根據(jù)科學(xué)家預(yù)測，地區(qū)氣溫和降水量變化將會更明顯。2006年這次研究報告出版在美國地球物理聯(lián)盟的《地球物理研究》。下面為這次報告的譯文。
提要
有關(guān)為發(fā)電及防洪而修建大型水壩的課題，一直為各個領(lǐng)域的自然和社會科學(xué)家，包括政策制定人和普通百姓進(jìn)行著廣泛的討論。自從中國政府正式批準(zhǔn)三峽大壩建造以來，這個世界最大水電項(xiàng)目就引起了許多從社會經(jīng)濟(jì)到氣候影響諸方面的爭辯。三峽大壩從2003年6月起開始投入使用。
本文對三峽大壩的對地區(qū)降雨的影響，通過美國航天總署（NASA）的熱帶降雨量測計劃程序（TRMM）進(jìn)行了研究，對地表溫度和高分辨精度地理模擬，則利用中等分辨率影像光譜射電儀（MODIS）及美國賓州大學(xué)大氣研究國家中心（PSU-NCAR）第五代中等尺度規(guī)模模型（MM5）予以考察。獨(dú)立的衛(wèi)星資料數(shù)據(jù)和數(shù)字模擬技術(shù)表明，在三峽大壩水位于2003年6月突然從66米提升到135米后，因三峽工程造成的土地使用的改變，已經(jīng)引起了大巴山和秦嶺山脈之間地域降雨量的增加及三峽大壩附近降雨的減少。本研究說明：三峽大壩對氣候的影響范圍是地域性的（約100公里量級），而不是過去某些研究估計的是局部性的（約10公里量級）。
1.引言
當(dāng)世界最大水電工程長江三峽大壩，從宜昌市直到重慶直轄市延伸660公里長，并覆蓋水面1040平方公里，成為中國水利樞紐的骨干（參考文獻(xiàn)Wang 2002）。自從1992年4月中國人民代表大會正式批準(zhǔn)立項(xiàng)，三峽大壩已經(jīng)引起了廣泛的爭論。其影響包括對水庫區(qū)域的自然環(huán)境和社會環(huán)境兩個方面（Wang 2002； Edmonds 1992；Gwynne and Li 1992；Xie 2003；Shen and Xie 2004；Miller et. al. 2005）。然而土地使用的改變最終將怎樣影響區(qū)域的氣候，仍然不清楚。根本文據(jù)幾個特定的現(xiàn)場試驗(yàn)和理想化模擬（Zhang et al. 2005），過去的估計是，三峽水庫對氣候的影響主要在長江水道數(shù)十公里范圍之內(nèi)（Zhang et al. 2004, Miller et al. 2005）。
因三峽大壩引起的土地使用的變化對區(qū)域氣候的影響，應(yīng)當(dāng)跟周邊復(fù)雜的地域山勢有關(guān)。長江總的流動趨勢是沿著四川盆地南緣向東，切斷巫山山脈之后到達(dá)三峽大壩（圖1）。跟巫山在東頭相連，跟北面的秦嶺相對的，是大巴山山脈。大巴山沿四川盆地的北緣自西南向東北而行，其平均海拔為2000米左右。三峽水庫在2009年之后將淹沒632平方公里的土地，其水道的平均寬度將從0.6公里增加為1.6公里。增加的水道面積將加強(qiáng)當(dāng)?shù)卣舭l(fā)并降低附近的溫度。其結(jié)果是水道上方的大氣更加穩(wěn)定，進(jìn)而使660公里長江水道大氣產(chǎn)生不規(guī)則向下垂直運(yùn)動（Miller et al. 2005）。如果所產(chǎn)生的中等尺度的向下垂直運(yùn)動跟三峽大壩附近幾百公里內(nèi)的復(fù)雜地貌相互作用，那過去所估計的三峽大壩對氣候的影響尺度范圍將受到質(zhì)疑。
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三峽大壩自2003年6月起被部分啟用，其水位從66米驟然提升到135米。水面加大了的水道提供了一個觀察研究三峽大壩對氣候影響的機(jī)會，這正是本文的主要目的。本研究的數(shù)據(jù)資料來自美國航天總署（NASA）的熱帶降雨量測計劃（TRMM）和Terra衛(wèi)星，加上使用美國賓州州立大學(xué)大氣研究中心（PSU-NCAR）第五代中等尺度模型（MM5）的高精密度數(shù)字模擬技術(shù)，來考察世界最大的水電工程對區(qū)域性（100公里數(shù)量級）氣候可能產(chǎn)生的影響。
2.對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分析
因?yàn)樵谏降貐^(qū)域難以得到常規(guī)雨量測量計數(shù)據(jù)，我們利用NASA TRMM 多衛(wèi)星降雨分析技術(shù)（TMPA）得到的逐月降雨數(shù)據(jù)來代表三峽大壩區(qū)域的降雨。數(shù)據(jù)是綜合來自衛(wèi)星（包括微波及紅外降雨估計）多重降雨估計，也包括可以得到的精度0.25°x0.25°雨計分析結(jié)果（Huffman et al. 2006）。衛(wèi)星觀測降雨（mm/month, 毫米/月）數(shù)據(jù)被分為兩組，1998年1月到2003年1月一組，2004年1月到2006年1月另一組。分別代表三峽大壩水位驟增前后兩個時期。
圖1表現(xiàn)了TRMM技術(shù)給出的上述兩個時期月降雨差別的空間分布。其中正值的等值線（實(shí)線）基本上出現(xiàn)在長江以北，而減低了的降雨率（虛線）處在三峽大壩附近及長江以南。正值等值線的最大值粗略地說平行于長江，且分布在距離長江約150公里地帶，說明由于三峽大壩的修建土地使用改變結(jié)果在這些地方增大了降雨。雖然，降雨率等值線里也包含某些自然界的變化以及衛(wèi)星得到數(shù)據(jù)產(chǎn)品的不確定因素。
由于自然環(huán)境的變化，諸如厄爾尼諾現(xiàn)象和十年周期震蕩等，都是在一個大的時間尺度內(nèi)發(fā)生，所以我們可以得到一個新的時間系列，即把TRMM降雨率時間系列所在的空間地理區(qū)間分成相互對照的兩個區(qū)域：一個是降雨增加的地域（北緯區(qū)間31.0-34.0°N，東經(jīng)區(qū)間107.0-111.0°E）；另一個是包括整個三峽水庫周圍地域（北緯區(qū)間28.0-34.0°N，東經(jīng)區(qū)間107.0-111.0°E）。對于這兩個地域，自然環(huán)境變化的影響應(yīng)當(dāng)是非常相似的，因此這一影響在新的時間系列中可以在很大程度上予以削減。此外，就整個三峽水庫地域來說，時間系列中三峽大壩的影響是相對弱小的，因?yàn)樵摰赜蛑邪苏?fù)兩種等值線的緣故。圖2表現(xiàn)了新的時間序列，展示了2003年開始水位驟增69米后的降雨強(qiáng)化現(xiàn)象。注意，2004年的降雨增加在后三年中雖然是最小的，然而跟之前5年中出現(xiàn)在2000年的峰值還有得一比。一個學(xué)生的T實(shí)驗(yàn)表明，此變化的統(tǒng)計重要性水平為98%。此圖明示，三峽工程對長江以北夾在大巴山和秦嶺山脈之間地域的降水有著顯著的增強(qiáng)。
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三峽大壩對大巴山與秦嶺山脈間降雨的增強(qiáng)會導(dǎo)致地表溫度（LST）的變化，其原因是增強(qiáng)了的對流對于到達(dá)地面的太陽射線會有影響。為了考察這種可能的地表溫度的變化，我們利用了在航天總署的Terra衛(wèi)星上的中等精度影像光譜射線儀（MODIS），其影像精度為0.05°x 0.05°。圖3 展示了日夜溫度差對整個三峽水庫地域（北緯區(qū)間28-34°N，東經(jīng)區(qū)間105-112°E）的平均，和對一個相對小的對應(yīng)于增強(qiáng)了的降雨區(qū)（北緯區(qū)間31-33°N，東經(jīng)區(qū)間108-110°E）的平均。在2003年水位增加到135米之后，此圖展示了三峽大壩對夾在大巴山和秦嶺山脈之間區(qū)域地表溫度LST減少的效應(yīng)，以及主要來自于白日溫度冷卻之差（圖3b），約0.67°C，還有出現(xiàn)在夜間的地表溫度LST較小的變化（圖3c）。這里白日地表溫度LST的冷卻效應(yīng)，是跟前面由TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)得來的降雨量增加的結(jié)論相一致的。
3.數(shù)值模擬
為模擬根據(jù)TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)得來的三峽大壩的影響，進(jìn)行了兩個MM5模型的非靜水版本的數(shù)值試驗(yàn)。試驗(yàn)是對八月1日到30日的一個月的整合，包括9公里和3公里范圍兩種精度，并采用雙向筑巢技術(shù)（two-way nesting technique）。共有28個鉛直水平面，具有高分辨精度平面邊界層（PBL）。作為初始和邊界條件，使用了來自環(huán)境預(yù)報國家中心（NCEP）的粗（2.5°x 2.5°）分辨率12小時再分析法。模型物理選擇包括伽達(dá)分辨微波物理技術(shù)、高分辨率布萊卡達(dá)PBL技術(shù)、以及對射線的快速雷達(dá)轉(zhuǎn)換模型。三峽工程造成的土地使用變化，是以3公里寬的網(wǎng)格覆蓋東經(jīng)108°到111°E之間的沿長江谷地的水面模擬。
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數(shù)值解說明，三峽大壩效應(yīng)改變了月平均降雨，與此同時并沒有改變降雨過程的頻率。相應(yīng)與東經(jīng)108°至111°E土地使用的變化，降雨的變化主要集中在東經(jīng)109.0°-111.0°范圍。跟TRMM降雨率相比，圖4展示了中度的百分比的降雨變化，二者都是對于東經(jīng)109.0°- 111.0°E的平均。
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所有圖1到圖4的TRMM數(shù)據(jù)展示的基本特征的一致指出，介于大巴山和秦嶺山脈之間谷地的模擬降雨是被明顯地增強(qiáng)了，而在三峽大壩附近的降雨卻被降低了。這種一致說明了本數(shù)值模擬抓住了三峽大壩的效應(yīng)的主要特征。在圖3 中展示的TRMM降雨率的變化，除了秦嶺山脈之外，可以大致上用來作為數(shù)值解的降雨變化率的平滑整合。
進(jìn)一步的數(shù)值模擬試驗(yàn)指出，大巴山與秦嶺山脈之間因三峽大壩而增強(qiáng)的降雨在下午期間達(dá)到了峰值。這是跟白日地表溫度被冷卻相一致的。
雖然如圖4所示模擬降雨的變化基本上與TRMM數(shù)據(jù)相符，數(shù)值模擬畢竟也有某些無法跟TRMM數(shù)據(jù)相容的特征。例如，模擬降雨在剛剛過長江以南處突然驟增，以及在大巴山與秦嶺山脈間的谷地范圍降雨隨緯度的變化，從-15%至50%是太快了些。由于缺乏這種尺度細(xì)節(jié)的降雨數(shù)據(jù)，我們還無法確定這些局部的表現(xiàn)是否來自單個一月數(shù)字模擬的不穩(wěn)定性。
4.總結(jié)
通過美國航天總署（NASA）的熱帶降雨量測計劃程序（TRMM）進(jìn)行的降雨率分析表明，三峽大壩水位自2003年6月驟增至135米之后，三峽工程相關(guān)連的土地使用的變化，增加了大巴山與秦嶺山脈之間區(qū)域的降水，而減少了長江附近的降水。將三峽大壩的影響利用MM5模型處理就可以對其增強(qiáng)降雨進(jìn)行數(shù)字模擬，而其結(jié)果同由MODIS/Terra數(shù)據(jù)產(chǎn)品導(dǎo)出的地表溫度的下降是相一致的。本研究指出，像三峽大壩一類的人造水庫對氣候的影響的尺度是地域性的（100公里數(shù)量級），而不是局部性的（10公里量級），如過去一些研究所估計那樣（Zhang et al.2004;Miller et al. 2005）。到2009年，三峽大壩將完全淹沒660公里的長江江段，其水位將進(jìn)一步加高到175米。到那時，三峽大壩將很可能會進(jìn)一步改變區(qū)域性的降雨。應(yīng)當(dāng)指出，基于TRMM的降雨計算結(jié)果也許會包含重要的不確定性，因?yàn)樗浅Ｒ蕾嚺c低精度的來自地球同步衛(wèi)星的紅外數(shù)據(jù)及到手的雨量計測定數(shù)據(jù)去抵消TRMM微波數(shù)據(jù)的時空局限（Huffman et al. 2006）。我們?nèi)匀恍枰M(jìn)一步的研究來完全了解三峽大壩對地域氣候的影響。
致謝
Liguang Wu 衷心感謝 Ramesh Kakar 經(jīng)過 NASA EOS 項(xiàng)目（EOS/03-0000-0144）提供的資助。我們感謝 Guojun Gu 獲取 TRMM 數(shù)據(jù)的工作。同樣要感謝三名匿名文獻(xiàn)評審人提供的審稿評議，使原稿得以改進(jìn)發(fā)表。
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