引言

长江三峡水利枢纽工程，是当今世界上建成的最大型水利枢纽工程。三峡库区是该工程中三峡大坝修建蓄水形成的区域，其位于长江流域腹地，是长江流域防洪调度的关键区和国家战略性淡水资源库(王若瑜等，2017；张天宇等，2020)。目前针对世界各地大型水利工程对气候影响的研究倾向于水库会改变周围地区的小气候，尤其是库区蓄水后对其局地气候的影响较大(符坤等，2018)。三峡库区地处亚热带季风区，是典型的气候敏感区和气象灾害脆弱区(孙晨和刘敏，2018；崔豪等，2021；唐永兰等，2023)，其降水年内和年际变化大，且地形以山地为主，降水冲刷易造成区域性洪涝灾害，并引发崩塌、滑坡、泥石流等次生灾害(矫梅燕，2014；郑衍欣等，2018；董钊煜等，2020)。在气候变暖背景下，三峡库区蓄水引起的局地气候效应与大尺度背景场气候变化的叠加，可能会导致库区降水特征及其致灾机理发生改变，因此研究三峡库区蓄水前后降水变化特征，对于认识库区蓄水引起的局地气候效应和科学防灾减灾具有重要意义。

三峡库区自2003年开始蓄水，在防洪、发电、航运等方面发挥了重要作用。库区蓄水后水位提高、下垫面水域扩大，其引起的局地气候效应及库区降水所受影响等科学问题引起了广泛关注。张静等(2019)研究三峡库区相关气候要素的变化特征指出，库区蓄水后年降水量和降水日数均呈显著上升趋势，且后者的增加速率明显高于前者。武慧铃等(2021)分析三峡库区蓄水前后降水的变化趋势指出，库区蓄水后降水受到影响，降水量在秦岭—大巴山一带以及四川盆地增加，在寸滩宜昌段沿河以及右岸区域减少。Wu et al(2006)基于美国国家航空航天局(NASA)热带测雨卫星(TRMM)探测资料的研究结论也支持了这一观点。Zheng et al(2024)应用WRF模式研究三峡库区春季连续降雨的未来变化特征指出，库区蓄水后中西部的春季连续降雨的持续时间、雨量和强度将增加。然而，也有研究表明三峡库区蓄水前后局地降水没有明显变化，如陈鲜艳等(2013)研究指出库区蓄水对气候影响范围一般不超过20 km，尚未发现库区蓄水后周边地区降水有明显变化；张天宇等(2020)研究指出三峡远、近库区站点蓄水前后年降水量的比值呈平稳波动状态，库区蓄水对周边地区降水量没有明显影响；黄亚(2019)研究指出库区蓄水后的局地气候效应对2021—2050年各项极端降水指数的年际变化趋势没有明显影响。以上研究从不同角度探讨了三峡库区蓄水引起的局地气候效应及其对库区降水的影响，为后续相关研究工作的开展提供了重要的参考价值。由于大型水利工程的局地气候效应是一个长期复杂的气候调节过程，加之气候变化的复杂性和三峡库区腹心地带观测资料的缺乏，目前学术界对三峡库区蓄水引起的局地气候效应认识并不全面，尤其是库区蓄水前后降水的时空变化特征尚没有明确结论。如今三峡库区的观测资料逐年累积，较长时间序列、高质量的站点小时降水资料为描述细致、精准的库区降水特征提供了支持。在气候变暖背景下，利用长时间序列的最新气象资料来更新研究库区蓄水前后小时降水的精细化特征，进而探讨库区蓄水引起的局地气候效应，是亟需开展的工作。

本文利用国家气象信息中心小时降水资料，结合三峡库区地形的多样性，分析库区蓄水前(1992—2002年)、蓄水后(2003—2021年)夏季(6—8月)小时降水时空变化以及不同类型强降水事件(HRE)变化特征，以探明库区蓄水对降水的影响范围和程度，为深入认识气候变暖背景下库区蓄水引起的局地气候效应和防灾减灾提供科学依据。

1 资料与方法

站点小时降水资料来源于国家气象信息中心建立的国家级地面气象台站小时降水数据集，该数据集经过了严格的质量控制，主要包括气候界限值检查、内部一致性检查和时间一致性检查，具有较高的可靠性和准确性(张强等，2016)。地形资料来源于美国国家地球物理数据中心(NGDC, http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/etopo1source.html)。三峡库区地处长江中游平原与四川盆地的结合部，以山地(约占75%)和丘陵(约占22%)为主，库区内东南地势高，西北地势低，地势起伏较大。三峡库区内分布有25个国家级地面气象台站(图 1)，符合本文研究时间序列长度要求的站点有20个(四川1个站、湖北4个站和重庆15个站)，站点海拔高度为139.9~698.8 m，最高站点为重庆南川站(29.16°N、107.11°E)，最低站点为湖北三峡站(30.86°N、111.08°E)。全文所用时间均为北京时。

三峡水库从2003年开始蓄水，本文以2003年为界，分别以1992—2002年和2003—2021年作为蓄水前、蓄水后时间序列开展研究。为避免因蓄水前后使用的数据年限不一致对分析结果造成影响，本文使用物理量年均值或比例来对比分析蓄水前后小时降水特征的差异。参照Zheng et al(2019)研究方法，定义了7个小时降水量标准，即0.1、0.5、1、5、10、20、50 mm，以此来划分小时降水等级，考察库区蓄水前后夏季不同等级小时降水的变化特征。≥20 mm等级的小时降水定义为小时强降水(HHR)(郑永光等，2017；伍红雨等，2020)。参考李争辉和罗亚丽(2021)的方法，定义HRE如下：对于某一站点，从降水出现(小时降水量R_{1 h}≥0.1 mm)到终止，期间最多只有连续1 h的间断，这样的一次过程称为一次降水事件，HRE定义为至少包含1个R_{1 h}≥20 mm的降水事件。HRE起止时刻之间的时长称为HRE历时，根据历时的不同，将HRE分为短历时(1~6 h)、中历时(7~ 12 h)和长历时(>12 h)三种类型，以研究不同历时类型HRE特征。

为对比分析不同等级小时降水的降水量、频次、强度的日变化，将研究时段不同等级小时降水的降水量、频次、强度分别按时次(01—24时)分类累加，并进行标准化处理(Li et al，2008)。参照宇如聪和李建(2016)研究中国降水日变化峰值时间位相(日最大值出现时刻)的办法，将一日时间段分为4类：清晨(04—09时)、中午(10—13时)、下午(14—21时)和夜间(22—03时)。另外，采用最小二乘法求气象要素趋势变化的线性方程，使用趋势系数研究气象要素变化的定量程度，利用t检验判断变化趋势是否显著。

2 结果与分析 2.1 蓄水前后夏季小时降水时空变化特征 2.1.1 年际变化特征

分析三峡库区蓄水前后夏季小时降水的年际变化特征，可加强对气候变暖背景下库区蓄水引起的局地气候效应的科学认识。分析图 2可知，库区蓄水前后夏季小时降水的降水量、频次、强度的年际变化有明显差异。蓄水前降水量、频次、强度的变化范围分别为316.5~797.9 mm、174~346次、1.6~ 2.3 mm·h^-1；蓄水后三者的变化范围分别为272.1~ 699.3 mm、121~337次、1.8~2.5 mm·h^-1，表明库区蓄水后小时降水的降水量、频次减少，而强度增加。分析距平可知，蓄水前小时降水的降水量、频次、强度距平的变化范围分别为-159.9~321.5 mm、-66~106次、-0.5~0.3 mm·h^-1；蓄水后三者距平的变化范围分别为-209.0~218.2 mm、-115 ~101次、-0.3~0.5 mm·h^-1，表明蓄水后小时降水量的年际变幅减小、频次的年际变幅增加、强度的年际变幅相当。分析变化趋势可知，蓄水前小时降水的降水量、强度分别以18 mm·(10 a)^-1、0.2 mm· h^-1·(10 a)^-1的变率增加，而频次以-29次·(10 a)^-1的变率减少；蓄水后降水量、频次、强度分别以48 mm·(10 a)^-1、15次·(10 a)^-1、0.04 mm· h^-1·(10 a)^-1的变率增加，表明蓄水后夏季小时降水的降水量、频次的变化趋势增加，强度的变化趋势减少。但无论蓄水前后，三者的趋势系数均未通过0.05的显著性水平检验，变化趋势均不显著。

为探讨这种变化是三峡库区蓄水影响的结果，还是蓄水前后气候变化的结果，选取距离库区南北边界(库区东西边界以外区域有长江流域水体影响)20~40 km的站点，分别为恩施站、彭水站、道真站、广安站、宣汉站、城口站、保康站7个站点(简称库区外站点)，使用年时间序列的物理量减去其平均值(即距平)的方法去除气候变化的影响(Tang et al，2022)后，与库区内站点的夏季小时降水变化进行对比分析。图 3显示蓄水后库区内站点平均的小时降水的降水量、频次、强度的距平变化范围分别为-209.0~218.2 mm、-115~101次、-0.4~0.5 mm·h^-1；蓄水后库区外站点平均的小时降水的降水量、频次、强度的距平变化范围分别为-239.5~233.8 mm、-119~88次、-0.3~0.6 mm·h^-1，可见蓄水后库区内站点较库区外站点小时降水的降水量年际变幅小、频次年际变幅大、强度年际变幅相当，结合上文得出的“蓄水后库区小时降水的降水量年际变幅减小，频次年际变幅增加，强度年际变幅相当”结论可知，库区夏季小时降水的年际变幅特征是库区蓄水影响的结果。此外，蓄水后库区内站点平均的小时降水的降水量距平、频次距平分别以48 mm·(10 a)^-1、15次·(10 a)^-1的变率增加，较库区外站点平均的小时降水的降水量距平的变率[41 mm·(10 a)^-1]、频次距平的变率[1次·(10 a)^-1]大；强度距平以0.06 mm·h^-1·(10 a)^-1的变率增加，较库区外的变率[0.17 mm·h^-1·(10 a)^-1]小，结合上文得出的“蓄水后库区夏季小时降水的降水量、频次的变化趋势增加，强度的变化趋势减少”可知，库区夏季小时降水的降水量、频次的变化趋势增加而强度的变化趋势减少也是库区蓄水影响的结果。

2.1.2 空间分布特征

分析三峡库区蓄水前后夏季小时降水的空间分布特征，可进一步探明库区蓄水对降水空间分布的影响。分析图 4可知，库区蓄水前后夏季小时降水的降水量、频次、强度具有明显空间差异。蓄水前降水量(图 4a)在库区东南部有一个高值区(中心值为555.7 mm)，在库区中北部和西南部分别有一个低值区；蓄水后降水量(图 4d)在库区东南部的高值区增强(中心值达599.3 mm)，且在库区中北部出现了大范围的高值区(中心值为536.9 mm)，而在库区西南部的低值区范围更广，库区中南部出现一个低值区。蓄水前降水频次(图 4b)在库区东部和西南部分别有一个高值区(中心值分别为269次、278次)，库区中部为大范围低值区；蓄水后降水频次(图 4e)在库区东南部出现高值区(中心值为276次)，且在库区中北部出现了狭窄的带状高值区(中心值为245次)，库区西南部至中部为大范围低值区。蓄水前降水强度(图 4c)在库区中南部有一个高值区(中心值为2.19 mm·h^-1)，在库区西南部有一个低值区；蓄水后降水强度(图 4f)在库区中北部出现高值区(中心值为2.30 mm·h^-1)，库区西南部低值区强度减弱。从蓄水后减去蓄水前差值的空间分布(图 4g~4i)来看，蓄水后降水量、频次、强度在库区中北部增加，降水量、频次在库区西南部减少，强度在库区中南部和西北部减弱。蓄水后较蓄水前的降水变化存在明显的地理分布规律，降水量、频次、强度增加的区域多位于长江以北地区，尤其是大巴山一带，而减少的区域多位于31°N以南，这与李博和唐世浩(2014)基于TRMM和测站资料研究得出的结论一致。这种现象形成的原因可能与库区蓄水后水域扩大使其与周边特殊地形相耦合所造成水汽与风场的变化引起的局地水循环变化有关(张静等，2019；武慧铃等，2021；李超等，2022)，其中的物理机制有待进一步探索。此外，张天宇等(2023)研究指出，三峡库区小时强降水(≥20 mm·h^-1)增加的区域主要集中在东部更靠近坝址的区域，与本文对三峡库区夏季小时降水(≥0.1 mm·h^-1)的研究结论存在差异，这可能与研究选取的降水量级、代表站、时段和季节不同有关。

2.1.3 趋势系数的空间分布特征

分析三峡库区蓄水前后夏季小时降水的变化趋势，可为区域水资源的合理管理与利用提供参考。分析图 5可知，无论蓄水前后，库区站点小时降水的降水量、频次、强度的趋势系数普遍表现为不显著(蓄水前秭归站降水量呈显著增加趋势除外，图 5a红色大三角形所示)；蓄水后降水量、频次、强度呈增加趋势的站点(红色三角形)增多，呈减少趋势的站点(绿色三角形)变少。具体而言，蓄水前降水量(图 5a)呈增加或减少趋势的站点各为10个，呈增加趋势的站点分布较为分散，呈减少趋势的站点主要分布在库区东部和西北部；蓄水后站点降水量(图 5d)以增加趋势为主，仅2个站点呈减少趋势，分布在库区东部。蓄水前站点降水频次(图 5b)以减少趋势为主，仅5个站点呈增加趋势，主要分布在库区西南部；蓄水后站点降水频次(图 5e)均呈增加趋势。蓄水前降水强度(图 5c)呈增加或减少趋势的站点数相差不大，呈增加趋势的站点主要分布在库区中东部，呈减少趋势的站点主要分布在库区西部；蓄水后站点降水强度(图 5f)以增加趋势为主，仅6个站点呈减少趋势，分布在库区中东部。综上所述，蓄水对目前库区站点小时降水的降水量、频次、强度的变化趋势的影响是不显著的。

2.1.4 日变化峰值时间位相的空间分布特征

图 6给出三峡库区蓄水前后夏季小时降水的降水量、频次、强度日变化峰值时间位相的空间分布。分析可知，蓄水前后三者的日变化峰值时间位相具有空间分布差异，其差异程度表现为降水强度>降水量>降水频次。具体而言，蓄水后较蓄水前降水量日变化峰值时间位相(图 6a，6d)出现在清晨(绿色)和中午(紫色)的站点增多，出现在下午(红色)的站点减少，且出现在中午(紫色)的站点分散在长江沿线附近，而库区西北部相对低海拔山区站点的降水量日变化峰值时间位相没有明显变化，仍然出现在清晨(绿色)，表明蓄水后相对高海拔山区站点的降水量日变化峰值时间位相前移，相对低海拔山区站点的降水量日变化峰值时间位相没有明显变化。蓄水前后降水频次日变化峰值时间位相空间分布(图 6b, 6e)没有明显变化，以大范围清晨(绿色)峰值时间位相为主，仅三峡站降水频次日变化峰值时间位相由蓄水前的下午(红色)变成蓄水后的夜间(蓝色)。蓄水后较蓄水前降水强度日变化峰值时间位相出现在清晨(绿色)和中午(紫色)的站点增多，出现在下午(红色)和夜间(蓝色)的站点减少，且出现在中午(紫色)的站点分散在长江沿线附近(图 6c, 6f)，表明蓄水后大部分站点的降水强度日变化峰值时间位相前移。

2.2 蓄水前后夏季不同等级小时降水变化特征 2.2.1 降水概率和降水占比

图 7给出三峡库区蓄水前后夏季不同等级小时降水的降水概率和降水占比，降水概率、降水占比分别定义为某种等级的小时降水频次与总降水频次的比值，以及某种等级的小时降水量与总降水量的比值。分析可知，各等级小时降水的降水概率和降水占比在蓄水前后变化不明显。降水概率在蓄水前后均在[0.1，0.5)mm等级最大，约为42%；其次为[1，5)mm等级，约为31%；≥20 mm等级最小，约为1%。降水占比随着降水等级的增强先增加后减少，在蓄水前后均在[1，5)mm等级最大，约为35%；其次为[5，10)mm等级，约为22%；[0.1，0.5)mm等级最小，未超过4%。值得注意的是，≥20 mm等级的小时降水在三峡库区蓄水前后的降水概率虽然仅约为1%，但其降水占比却达15%，其突发性和高强度性容易造成区域性洪涝灾害，需要重点关注。

2.2.2 日变化特征

图 8给出三峡库区蓄水前后夏季不同等级小时降水标准化的降水量、频次、强度日变化，分析可知，蓄水后小时降水的日变化特征更加明显，其中≥20 mm等级的小时降水量和频次的双峰结构更为突出，峰值时间段比蓄水前延长，集中出现在01—10时和15—21时，其他等级的小时降水量和频次的峰值时间范围有扩大趋势，而各等级小时降水强度的次日尺度波动更频繁。如蓄水后[10，20)mm等级的小时降水强度在18—24时出现峰值，[1，5)mm等级的小时降水强度在06—10时出现峰值，[0.1，0.5)mm等级的小时降水强度在12—17时出现峰值。由上可知，三峡库区蓄水前后各等级小时降水的日变化特征差异明显。这可能与库区蓄水后下垫面水域的扩大引起的局地水循环和能量循环有关，研究表明因水体的辐射性质、热容量、导热率等均与陆地不同，蓄水后水域的扩大会改变库区与大气之间的热交换，并引起水资源在时空上的重新分配，进而对降水变化造成影响(张静等，2019)。

综上所述，三峡库区蓄水前后夏季≥20 mm等级的小时降水频次占比变化不大(均约为1%)，由年际变化及趋势(图略)分析可知，蓄水后夏季≥20 mm等级的小时降水频次以0.5次·(10 a)^-1的变率增加，但其趋势系数未通过0.05的显著性水平检验，增加趋势均不显著。这与孟芳等(2018)研究得出的“三峡大坝蓄水后≥20 mm·h^-1短时强降水频次呈显著增多趋势”结论不同。此外，蓄水后夏季≥ 20 mm等级的小时降水的降水量和频次的双峰结构更为突出，峰值时间段比蓄水前延长，集中出现在01—10时和15—21时。这与孟芳等(2018)研究指出的“≥20 mm·h^-1短时强降水频次在夜间至凌晨的高峰期比蓄水前延长1~2 h，在22—00时频次大幅增加”的结论略有不同。究其原因，可能与研究选取的代表站、时段和季节不同有关。

2.3 蓄水前后夏季不同类型HRE变化特征

造成洪涝灾害的原因往往是持续一段时间的总降水量过大，即强度和历时的综合贡献(李争辉和罗亚丽，2021)，因此超过一定强度和历时的强降水事件(HRE)容易造成气象及次生灾害，给人民生命财产安全造成严重威胁(Schumacher and Johnson, 2005)。下文将分析三峡库区蓄水前后夏季HRE变化特征。

2.3.1 统计特征

统计可得(表 1)，1992—2021年三峡库区夏季共发生1300次HRE，其中蓄水前486次，蓄水后814次。无论蓄水前后，HRE均是短历时型最多，占比超过50%；中历时型次之，占比不足30%；长历时型最少，占比不足20%。HRE在蓄水后较蓄水前，短历时型占比减少约5.7%，中历时型占比增加约0.4%，而长历时型占比增加约5.3%。可见，三峡库区蓄水有利于HRE维持。进一步分析库区蓄水前后夏季不同历时类型HRE年均频次的空间分布(图略)可知，库区蓄水后长历时型HRE频次增加的站点主要位于库区中北部，即多位于长江以北地区，尤其是大巴山一带，与蓄水后总降水量、频次增加的区域一致(图 4d，4e)。

2.3.2 时间变化特征

分析三峡库区蓄水前后夏季三种类型HRE不同开始时间和结束时间的比例(图 9)可知，蓄水前后三种类型HRE的日变化特征明显不同。蓄水后较蓄水前，短历时型HRE在10—21时开始的比例增加，在14—22时结束的比例增加；中历时型HRE在02—09时开始的比例增加，在10—17时结束的比例增加；长历时型HRE在01—03时开始的比例增加，在10—16时结束的比例增加。表明蓄水后短历时型HRE在中午和下午开始的概率增加，在下午结束的概率增加；中历时型、长历时型HRE在清晨开始的概率增加，在中午和下午结束的概率增加。无论蓄水前后，短历时型HRE多开始于下午，中历时型、长历时型HRE多开始于夜间。

3 结论与讨论

本文利用国家气象信息中心小时降水资料，结合三峡库区地形的多样性，分析了库区蓄水前后夏季小时降水时空变化以及不同类型强降水事件(HRE)变化特征，得到主要结论如下：

(1) 蓄水前后夏季小时降水的降水量、频次、强度的年际变化和空间分布有明显差异。蓄水后小时降水的降水量和频次减少，而强度增加，但三者的变化趋势均不显著。蓄水后降水变化存在明显的地理分布规律，降水量、频次、强度在库区中北部增加，且多位于长江以北地区，尤其是大巴山一带；降水量、频次在库区西南部减少，强度在库区中南部和西北部减弱，且多位于31°N以南。

(2) 蓄水前后小时降水的降水量、频次、强度的日变化峰值时间位相具有空间分布差异，其差异程度表现为降水强度>降水量>降水频次，三者的趋势系数普遍表现为不显著。蓄水后降水量、频次、强度呈增加趋势的站点增多，且降水量和强度的日变化峰值时间位相在高海拔山区具有位相前移特征。

(3) 蓄水前后各等级小时降水的降水概率和降水占比变化不明显，其中降水概率在[0.1，0.5)mm等级最大(约为42%)，≥20 mm等级最小(约为1%)，而降水占比在[1，5)mm等级最大(约为35%)，[0.1，0.5)mm等级最小(未超过4%)，≥20 mm等级约为15%。

(4) 蓄水后夏季小时降水的日变化特征更加明显，其中≥20 mm等级的小时降水量和频次集中出现在01—10时和15—21时，双峰结构更为突出，其余等级的小时降水量和频次的峰值时间范围有扩大趋势，而各等级小时降水强度的次日尺度波动更频繁。

(5) 对不同历时类型的HRE分析发现，蓄水前后HRE均是短历时型最多(超过50%)，中历时型次之(不足30%)，长历时型最少(不足20%)。蓄水后有利于HRE维持，短历时型占比减少约5.7%，中历时型占比增加约0.4%，而长历时型占比增加约5.3%。

(6) 蓄水前后短历时型HRE多开始于下午，中历型、长历时型HRE多开始于夜间。蓄水后短历时型HRE在中午和下午开始的概率增加，在下午结束的概率增加；中历时型、长历时型HRE在清晨开始的概率增加，在中午和下午结束的概率增加。

本文研究表明三峡库区蓄水后夏季小时降水的变化存在明显的地理分布规律，且日变化特征更加明显，有利于HRE维持。这种现象形成的原因可能与库区蓄水后水域扩大引起的局地水循环和能量循环变化有关。研究指出，库区蓄水后下垫面由原来的陆地转变为水面，而水体的辐射性质、热容、导热率等均与陆地不同，所以会改变库区与大气之间的热交换，且作为典型的河道型水库，蓄水后水体面积扩大，使得其与局地特殊地形相耦合造成水汽与风场的变化，引起局地水循环变化(张静等，2019；武慧铃等，2021；李超等，2022)。但库区蓄水后水域的扩大如何在地形的作用下改变库区与大气之间的水汽和热交换，进而影响库区的降水变化且有利于HRE维持，其中的物理机制有待进一步研究。