气候变化导致湖泊快速变暖、热浪加剧

表层水温是湖泊最重要的物理属性之一，它直接或间接影响着湖泊中的一系列物理、化学和生物过程。在气候变化背景下，已有观测记录发现湖泊普遍变暖，并有模拟研究将这一变化归因于人类活动。但由于观测数据覆盖时空范围有限、数据不连续，我国湖泊表层水温的长期变化规律及空间分布格局尚不明确。 

近日，中国科学院南京地理与湖泊研究所张运林课题组在综合类学术期刊Science Bulletin发表题为Climate change drives rapid warming and increasing heatwaves of lakes的研究论文。该研究创新性耦合卫星遥感-数值模型开展湖泊水温高时空分辨率模拟，揭示1980年以来168个中国湖泊表层水温与湖泊热浪的时空变化规律及驱动机制。此外，课题组基于该研究在国家青藏高原科学数据中心发布了“中国区域湖泊表层水温数据集(1950-2100）”一套。 

湖泊物理模型应用到具体湖泊时的一大难点是确定模型中描述湖泊特征的参数，例如水深、面积、反照率、消光系数等。其中形态信息参数（例如水深和面积）可以通过HydroLAKES等湖泊数据库获取，而光学信息难以获得实测数据。研究选择应用最为广泛的一维湖泊模型FLake（淡水湖模型）为基础，结合欧洲航空局气候变化倡议项目发布的湖泊表层水温遥感产品，构建了无需湖泊特征实测数据即可自动率定模型参数的水温模拟方法，即耦合遥感观测的CSFLake模型。超过17万个卫星观测数据验证结果显示，CSFLake模型能够显著提升湖泊水温的模拟精度，均方根误差从4.46°C（FLake）降低至1.39°C。

基于CSFLake方法，分别以大气再分析资料ERA5-Land和第六次国际耦合模式比较计划的降尺度产品NEX-GDDP-CMIP6为驱动数据，模拟了历史时期（1980—2021）的逐小时湖泊表层水温，并对21世纪末的湖泊表层水温进行未来预估。研究发现（图1b），1980—2021年期间所有研究湖泊的表层水温平均每十年增加0.11°C，增温最快的是东部平原湖区（0.22°C/10a），最慢的是青藏高原湖区（0.08°C/10a）。研究同时发现平原和高原湖泊在不同季节的增温速率不同，其中东部平原湖区在春季增温最快。伴随水温的长期上升，湖泊水温的极端高温事件——湖泊热浪的持续时间和平均强度相应延长和增强，其中湖泊热浪每年的持续时间平均每十年增加7.7天。研究同时分析了中国湖泊表层水温变化的驱动因素，发现浅水湖泊和受人类影响大的湖泊通常有更快的增温速率，长波辐射、气温和比湿是对湖泊变暖和热浪延长贡献最大的三个气象要素。未来预估结果表明，中国湖泊的水温升高和热浪增加趋势仍将持续。在高排放情景SSP5-8.5下，21世纪末（2071—2100）相比历史时期（1980—2021）的湖泊表层水温年均值将增加2.2°C，热浪持续时间将增加197.2天，一些湖泊甚至将进入永久热浪状态。 

该研究为大范围精准模拟湖泊水温提出了新的解决方案，为进一步研究湖泊生态过程对气候变化的响应机制提供科学依据，同时对制定切实可行的湖泊生态管理措施具有重要的应用价值。 

中国科学院南京地理与湖泊研究所施坤和张运林研究员为该论文通讯作者，硕士研究生王溪雯为论文第一作者。合作作者包括秦伯强研究员、班戈大学R. Iestyn Woolway博士、北京大学朴世龙院士、奥胡斯大学Erik Jeppesen教授等。研究得到了国家自然科学基金、第二次青藏高原综合科学考察研究以及中国科学院南京地理与湖泊研究所青年科学家小组项目等联合资助。 

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.06.028 

“中国区域湖泊表层水温数据集（1950-2100）”链接：https://data.tpdc.ac.cn/en/data/38ea426e-f99c-40c6-87a0-2354419eb2df 

悦读科学文章链接：https://doi.org/10.1360/TB-2023-0666 

图 （a）CSFLake的构建（b）1980—2021年均湖表水温变化速率（c）1980—2022年均湖表水温距平

来源：中国科学院南京地理与湖泊研究所