表層水溫是湖泊最重要的物理屬性之一，它直接或間接影響著湖泊中的一系列物理、化學和生物過程。在氣候變化背景下，已有觀測記錄發(fā)現(xiàn)湖泊普遍變暖，并有模擬研究將這一變化歸因于人類活動。但由于觀測數(shù)據(jù)覆蓋時空范圍有限、數(shù)據(jù)不連續(xù)，我國湖泊表層水溫的長期變化規(guī)律及空間分布格局尚不明確。 

近日，中國科學院南京地理與湖泊研究所張運林課題組在綜合類學術期刊Science Bulletin發(fā)表題為Climate change drives rapid warming and increasing heatwaves of lakes的研究論文。該研究創(chuàng)新性耦合衛(wèi)星遙感-數(shù)值模型開展湖泊水溫高時空分辨率模擬，揭示1980年以來168個中國湖泊表層水溫與湖泊熱浪的時空變化規(guī)律及驅(qū)動機制。此外，課題組基于該研究在國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心發(fā)布了“中國區(qū)域湖泊表層水溫數(shù)據(jù)集(1950-2100）”一套。 

湖泊物理模型應用到具體湖泊時的一大難點是確定模型中描述湖泊特征的參數(shù)，例如水深、面積、反照率、消光系數(shù)等。其中形態(tài)信息參數(shù)（例如水深和面積）可以通過HydroLAKES等湖泊數(shù)據(jù)庫獲取，而光學信息難以獲得實測數(shù)據(jù)。研究選擇應用最為廣泛的一維湖泊模型FLake（淡水湖模型）為基礎，結合歐洲航空局氣候變化倡議項目發(fā)布的湖泊表層水溫遙感產(chǎn)品，構建了無需湖泊特征實測數(shù)據(jù)即可自動率定模型參數(shù)的水溫模擬方法，即耦合遙感觀測的CSFLake模型。超過17萬個衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)驗證結果顯示，CSFLake模型能夠顯著提升湖泊水溫的模擬精度，均方根誤差從4.46°C（FLake）降低至1.39°C。

基于CSFLake方法，分別以大氣再分析資料ERA5-Land和第六次國際耦合模式比較計劃的降尺度產(chǎn)品NEX-GDDP-CMIP6為驅(qū)動數(shù)據(jù)，模擬了歷史時期（1980—2021）的逐小時湖泊表層水溫，并對21世紀末的湖泊表層水溫進行未來預估。研究發(fā)現(xiàn)（圖1b），1980—2021年期間所有研究湖泊的表層水溫平均每十年增加0.11°C，增溫最快的是東部平原湖區(qū)（0.22°C/10a），最慢的是青藏高原湖區(qū)（0.08°C/10a）。研究同時發(fā)現(xiàn)平原和高原湖泊在不同季節(jié)的增溫速率不同，其中東部平原湖區(qū)在春季增溫最快。伴隨水溫的長期上升，湖泊水溫的極端高溫事件——湖泊熱浪的持續(xù)時間和平均強度相應延長和增強，其中湖泊熱浪每年的持續(xù)時間平均每十年增加7.7天。研究同時分析了中國湖泊表層水溫變化的驅(qū)動因素，發(fā)現(xiàn)淺水湖泊和受人類影響大的湖泊通常有更快的增溫速率，長波輻射、氣溫和比濕是對湖泊變暖和熱浪延長貢獻最大的三個氣象要素。未來預估結果表明，中國湖泊的水溫升高和熱浪增加趨勢仍將持續(xù)。在高排放情景SSP5-8.5下，21世紀末（2071—2100）相比歷史時期（1980—2021）的湖泊表層水溫年均值將增加2.2°C，熱浪持續(xù)時間將增加197.2天，一些湖泊甚至將進入永久熱浪狀態(tài)。 

該研究為大范圍精準模擬湖泊水溫提出了新的解決方案，為進一步研究湖泊生態(tài)過程對氣候變化的響應機制提供科學依據(jù)，同時對制定切實可行的湖泊生態(tài)管理措施具有重要的應用價值。 

中國科學院南京地理與湖泊研究所施坤和張運林研究員為該論文通訊作者，碩士研究生王溪雯為論文第一作者。合作作者包括秦伯強研究員、班戈大學R. Iestyn Woolway博士、北京大學樸世龍院士、奧胡斯大學Erik Jeppesen教授等。研究得到了國家自然科學基金、第二次青藏高原綜合科學考察研究以及中國科學院南京地理與湖泊研究所青年科學家小組項目等聯(lián)合資助。 

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.06.028 

“中國區(qū)域湖泊表層水溫數(shù)據(jù)集（1950-2100）”鏈接：https://data.tpdc.ac.cn/en/data/38ea426e-f99c-40c6-87a0-2354419eb2df 

悅讀科學文章鏈接：https://doi.org/10.1360/TB-2023-0666 

圖 （a）CSFLake的構建（b）1980—2021年均湖表水溫變化速率（c）1980—2022年均湖表水溫距平

來源：中國科學院南京地理與湖泊研究所