太湖實測水溫多時間尺度變化特征及影響因素

陳 爭， 王秀珍， 呂 恒， 鹿天逸， 萬梓文1, ， 王 偉, 3, 4*

(1.耶魯大學-南京信息工程大學大氣環境中心， 南京 210044； 2.南京信息工程大學應用氣象學院， 南京 210044； 3.南京信息工程大學 無錫研究院, 無錫 214105； 4.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心/江蘇省農業氣象重點實驗室， 南京 210044)

水溫是評價湖泊生態系統狀態、功能和過程的重要參數，其時間變化特征在多種時間尺度上直接影響著湖泊的物理、化學、生物和生態過程[1]。首先，在小時尺度上，湖面溫度與其上方氣溫的差異決定了湖泊與大氣之間的感熱和潛熱交換[2]，為大氣運動提供下邊界條件，進而影響湖泊能量平衡和水分循環[3-4]。其次，湖泊與周圍陸地之間的溫度差異決定了水陸熱力的晝夜差異，影響湖陸風發生發展和維持強度，進而促進城市熱島環流[5]，影響局地降水的時空分布[6]和流域內污染物的擴散[7]。再次，水溫影響著湖泊水體中多種化學反應速度，并在季節尺度上通過改變水體熱力層結影響深水區的溶解氧濃度和水生生物的數量與分布[1, 8-10]。如世界第二大淡水湖泊——坦噶尼喀湖的水體層結隨水面溫度升高而增強，水體垂直混合減弱，深層養分上涌減少，導致湖泊初級生產力下降了20%，魚類產量下降了30%[11]。此外，水溫的年際變化還直接影響湖泊的甲烷排放量和藍藻爆發頻率[12-13]。試驗表明，水溫較高階段的甲烷排放量約為水溫較低階段的5.2倍[14]。據估計，到21世紀末，因水溫升高，北方湖泊甲烷釋放量將增加20%～54%[15]，湖泊藍藻爆發頻率將增加20%[16-17]?？梢?，要深入研究湖泊的物理、化學、生物和生態過程及其對氣候變暖的響應，必須在多種時間尺度上獲取湖泊水溫的時間變化信息。

獲取湖泊水溫的方法主要包括原位觀測、遙感反演和模型模擬。原位觀測分為2種：定點、高頻的連續觀測和定期、低頻的走航觀測。原位觀測結果準確、時間分辨率高、操作簡單，所消耗的人力、物力和財力成本較低，且可以獲取水溫隨深度變化的信息。熱紅外遙感技術的發展使得在區域甚至全球尺度上分析湖泊水溫的時間變化特征成為可能，但在影像選取、影像處理、反演算法和結果驗證上均存在不確定性[18]，而且遙感手段只能得到水面溫度，無法獲取高時間分辨率的湖泊水溫垂直廓線。模型模擬可詳盡地描述影響湖泊水溫的各種物理過程[19]，以湖泊動力模型最為突出[9]。然而，湖泊模型由于輸入參數多、物理過程復雜、計算量大[20]，難以直觀體現湖泊水溫的多時間尺度變化特征。可見，定點、高頻的水溫觀測不僅為湖泊水溫遙感反演和模型模擬結果提供驗證數據，還可以詳盡地描述多種時間尺度的水體熱力結構特征。

太湖是中國第三大淡水湖，水域面積為 2 400 km2，平均水深為1.9 m，是典型的亞熱帶大型淺水湖泊[21]。亞熱帶淺水湖泊的水溫多時間尺度變化特征與中高緯度深水湖泊的結果存在以下幾點差異。首先，與北方中高緯度的深水湖泊相比，亞熱帶湖泊不會結冰，不存在覆冰變化、結冰和融化時間改變影響湖泊水溫的現象。其次，在不同的時間尺度上，較淺的亞熱帶淺水湖泊對大氣強迫的響應速度較深水湖泊更為迅速[22]，存在層結強度弱、持續時間短、變化特征快、過程更復雜的特點[23]。而且，深水湖泊通常呈現兩季混合的水文特征，即在春秋兩季經歷翻轉，在夏季發生熱分層[24-25]，而淺水湖泊的對流翻轉發生在日尺度上，白天形成穩定分層，夜間處于熱力對流不穩定狀態[26]。目前，中外對太湖水溫時間變化特征和熱力分層的研究多基于短時間、間斷性的觀測[27-28]，缺乏長時間、連續性、高頻率和多尺度的研究。為此，基于2012—2016年太湖中尺度通量網的水溫梯度、輻射四分量和小氣候觀測數據，闡明太湖水溫梯度的多尺度(小時、季節和年際)時間變化特征，選取夏季高溫和冷空氣過境個例分析太湖水溫對天氣條件變化的響應，并量化了太湖水溫、底泥溫度與氣象因子在多時間尺度上的相關性，以期為保護太湖生態系統、構建“綠水”太湖樣板提供科學參考。

1 站點與資料

1.1 觀測站點

選取太湖中尺度通量網[29]中的避風港站(BFG)(120°24′E, 31°10′N)為觀測站點，所用的數據為該站2012—2016年0.5 h的水溫梯度數據、小氣候數據(氣溫、濕度、風速等)和輻射四分量觀測數據。BFG站位于太湖東部，2 m高度處的年平均風速為4.0 m/s[30]。該站點水域生長有較多的沉水植物，增加了消光系數[31]，使得BFG站點的水溫梯度更為明顯，更易出現水體熱分層[32]。另外，沉水植物還能夠減弱風浪帶來的湍流混合[33]和降低動量交換系數[34]，也有利于形成熱力分層。

1.2 觀測系統

BFG站的觀測系統包含水溫梯度觀測系統、小氣候觀測系統和四源凈輻射表[30](表1)，觀測設備均安裝在4 m×4 m的觀測平臺上。其中，BFG站的水溫梯度觀測(109-L, Campbell Scientific Inc.)分為水下20、50、100和150 cm 4個梯度，底泥溫度用相同的溫度傳感器觀測。小氣候觀測系統由溫濕度傳感器(HMP155A, Vaisala Inc.)和風速計(05103, R.M.Young Company)組成，均安裝在離水面8.5 m的高度處，分別用于測量空氣溫度、濕度、風速和風向。向下短波、向上短波、向下長波和向上長波輻射由四源凈輻射表(CNR4, Kipp & Zonen B.V.)來觀測，安裝高度距離水面為2～3 m[35]。

表1 太湖BFG站的觀測系統

2 結果分析

2.1 太湖水溫的多時間尺度變化特征

2.1.1 太湖水溫的日變化特征

由圖1可知，太湖水溫四季平均和年平均的日變化特征相似，均呈單峰型日變化(圖1)，在16：00達到峰值，在8：00達到谷值，8：00—16：00為水溫上升階段，16：00—24：00為水溫下降階段。白天水表獲得的太陽輻射最強，升溫最快，太陽輻射隨深度增加而減弱，底層水體升溫緩慢且幅度小[36]，呈現水溫隨深度增加而降低的熱力分層現象。在沒有太陽輻射的夜晚，水面通過凈長波輻射冷卻，上層水體降溫快，下層水體降溫慢，出現水溫隨深度增加而升高的不穩定層結，激發熱力不穩定對流，使得整層水溫較為一致。

不同深度水溫的日變化幅度和峰谷值出現的時間均有所差異。整體而言，20～150 cm的水溫的日變化趨勢類似，呈單峰型日變化，而底泥溫度日變化較平緩。隨著深度增加，水溫日變化幅度減小。以春季[圖1(a)]為例，20～150 cm的水溫日變化幅度分別為1.76、1.34、0.98、1.30 ℃，底泥溫度的日變化幅度最小，為0.15 ℃。此外，隨著太陽輻射向深水處傳遞，中下層水體溫度變化滯后于表層水溫，水溫達到峰值的時間隨著深度增加也有所推遲。以夏季[圖1(b)]為例，20～150 cm水溫達到峰值的時間分別為16:00、17:00、18:00和18:30，底泥溫度在23:30達到峰值，150 cm水溫達到峰值的時間比20 cm處推遲了約2.5 h。

圖1 太湖BFG站多層水溫和底泥溫度的日變化Fig.1 Diurnal variation of water temperatures and sediment temperatures at the BFG site in Lake Taihu

水溫日變化幅度和峰谷值出現時間隨著季節變化而改變。20 cm日變幅在夏季最大，達到了1.86 ℃，春、秋、冬季分別為1.76、1.20、1.02 ℃。150 cm四季的水溫日變化最大差值分別為0.68、0.60、0.42、0.47 ℃，以春季最大、秋季最小。由此可知，春夏季水溫日變幅較秋冬大。另外水溫峰值出現的時間也存在著季節差異。春季20 cm水溫在16:00達到峰值，比夏、秋、冬季達到峰值的時間(15:30)晚0.5 h。150 cm水溫在四季達到峰值的時刻依次為19:30、18:30、17:30、18:00，即150 cm水溫在秋季到達峰值的時間較早。底泥溫度與水溫梯度的差異也存在著明顯的季節差異。在春夏兩季，溫度由表層依次向底泥遞減，且隨著深度的增加，不同層次之間的溫差有所減小，表層(20 cm)和底泥的平均溫差在2 ℃左右。然而，在秋季和冬季，20～150 cm的水溫變化趨勢仍和春季、夏季一樣，但出現了底泥溫度高于表層溫度的現象。在秋季[圖1(c)]，底泥溫度比 100 cm 水溫高0.46 ℃，比150 cm水溫高0.48 ℃，除了14:00—18:00外，底泥溫度都高于50 cm水溫，除12:30—19:00外，底泥溫度都高于20 cm水溫。冬季[圖1(d)]的底泥溫度均高于其他所有層次的水溫，與20～150 cm的溫差分別為1.01、0.94、0.96和0.82 ℃。

2.1.2 太湖水溫的季節變化特征

太湖水溫呈現夏季高、冬季低的季節變化特征，春季和夏季為水溫上升期，秋季和冬季為水溫下降期[圖2(a)]。在夏季(日序170～220，即每年的第170～220天)，各層水溫和底泥溫度均達到最大值，在32～33 ℃，各層水溫和底泥溫度在冬季出現最低值，5～6 ℃。夏季水溫梯度較其他季節大，20～150 cm的水溫差值在日序221時最大，為0.63 ℃，最小值為-3.17 ℃(日序88，即每年第88天)。夏季各層次水溫均高于底泥溫度，冬季湖泊水體向大氣釋放熱儲量[30]，出現某些層次水溫低于底泥溫度的狀況。與底泥溫度相比，各層水溫的季節波動更為明顯，對天氣系統變化的響應更為迅速。

與日均值呈現的季節變化相比，基于月均值的季節變化波動更小，抵消掉了天氣系統過境對水溫時間變化的影響[圖2(b)]。水溫在盛夏(7—8月)達到最大值，3—8月溫度上升，9～12月溫度下降。夏季水溫均值為27.34 ℃，冬季(12月—次年2月)水溫均值為7.03 ℃?？傮w而言，夏季水體獲得的輻射能量大于秋季和冬季，容易建立熱力層結[37]。相反，在寒冷時期，表層水溫快速冷卻迫使水體垂直混合，熱分層消失[38]。

圖2 太湖BFG站多層水溫和底泥溫度的季節變化Fig.2 Seasonal variation of water temperatures andsediment temperature at the BFG site in Lake Taihu

2.1.3 太湖水溫的年際變化特征

2012—2016年，各層水溫和底泥溫度的年際變化特征相似，整體呈上升趨勢(圖3)，溫度數值由水表向底泥依次遞減。5年中，2012年水溫最低，2012—2013年，水溫明顯上升，2013年與2014年之間溫差不大，2013—2015年水溫略有下降，2016年水溫最高。5年中，20 cm水溫始終最高，底泥溫度始終最低。2012年最低溫度為16.61 ℃(底泥溫度)，最高溫度為17.44 ℃(20 cm)。2016年最低溫度為17.67 ℃(底泥溫度)，最高溫度為18.14 ℃(20 cm)。其中2012年與2016年20 cm水溫的差值為0.70 ℃，底泥溫度的差值為1.06 ℃。

圖3 2012—2016年太湖BFG站多層水溫和 底泥溫度的年際變化Fig.3 Interannual variations of water temperatures and sediment temperature at the BFG site in Lake Taihu from 2012 to 2016

通過分析不同深度水溫梯度的年際變化特征可知，表層(20 cm)與底泥溫差最高和最低值分別出現在2013年(0.77 ℃)和2015年(0.45 ℃)。2016年出現了150 cm水溫略高于100 cm水溫的現象，其余年份水溫都隨深度增加而降低。150 cm水溫變暖趨勢最顯著，2012—2016年期間增加了 1.15 ℃，底泥溫度次之，增加了1.08 ℃，20 cm水溫變暖最微弱，增加了0.82 ℃。相鄰層次溫度的年際變化中，150 cm與底泥溫差較大(0.26 ℃)，50 cm與100 cm溫差較小(0.13 ℃)。

2.2 典型天氣條件下的太湖水溫特征

分別選取夏季高溫(2012年7月20—31日)和冷空氣活動個例(2013年3月7—14日)來研究典型天氣條件下的太湖水溫變化特征。受副熱帶高壓的控制，2012年7月20—31日的高溫期間，太湖各層水溫與氣溫日變化相似，熱力分層顯著，底泥溫度無明顯日變化(圖4)，與前人研究結果相近[27-28]。以7月20日為例，凌晨時風速為8.07 m/s[圖4(c)]，向下短波輻射為0 W/m2[圖4(a)]，該時段水溫梯度很小，為1.78 ℃[圖4(d)]。熱分層出現在10:00—21:00，20～150 cm的水溫差值在午后(15:30)達到最大(4.5 ℃)。熱分層從形成到發展階段，風速均值為4.45 m/s，向下短波輻射均值為852 W/m2，氣溫均值為31.42 ℃。從15:30—21:00，熱分層開始減弱直至消失，該時段內風速均值為7.60 m/s，向下短波輻射均值為165.89 W/m2，氣溫均值為31.49 ℃?？梢?，夏季高溫和強太陽輻射有利于太湖水體熱分層的形成，導致湖泊熱分層時間延長、熱穩定性增加，且發生的時間尺度為日尺度，呈現白天穩定分層、夜晚垂直混合的特征。

圖4 2012年7月20—31日高溫期太湖BFG站點水溫梯度、 底泥溫度和各氣象要素的時間序列圖Fig.4 Time series of water temperature, sediment temperature and meteorological variables at the BFG site in Lake Taihu during high temperature period from July 20 to 31, 2012

冷空氣過境前，太湖水體在3月7—8日呈現較弱的熱分層，3月9—12日過境時熱分層被破壞，過境后，3月13日熱分層再次建立(圖5)。具體而言，3月7日13:30至8日13:30為熱分層的維持階段，該時期氣溫均值為17.01 ℃[圖5(b)]，風速均值為1.88 m/s[圖5(c)]，向下短波輻射均值為125.74 W/m2[圖5(a)]。3月10—11日水溫梯度明顯減小，且在11日出現了底泥溫度略高于表層水溫的現象，該時期氣溫均值為8.01 ℃，比冷空氣過境前低9 ℃，風速明顯高于冷空氣過境前，為5.34 m/s，向下短波輻射均值為122.04 W/m2?？傮w而言，與夏季高溫不同，冷空氣過境時會帶來大風、降溫的陰雨天氣，太陽輻射對湖體的加熱能力減弱，風速的增大增強了對水體的機械擾動[28, 39]，皆不利于水體熱分層，這與前人發現水體混合事件與冷空氣爆發相吻合的研究結果一致[37, 40]。

圖5 2013年3月7—14日冷空氣過境期間太湖BFG站點 水溫梯度、底泥溫度和各氣象要素的時間序列圖Fig.5 Time series of water temperatures, sediment temperature and meteorological variables at the BFG site in Lake Taihu during cold air passage from March 7 to 14, 2013

2.3 太湖水溫多時間尺度變化的影響因素

在0.5 h尺度上，除水溫與大氣壓呈負相關(<-0.79)外，其余氣象因子均與水溫呈正相關。其中，水溫與氣溫的相關性最強(>0.94)，水溫與水汽壓(>0.90)、向上長波輻射(>0.96)、向下長波輻射(>0.85)的正相關性也較強，水溫與向上短波輻射的相關性最弱。與0.5 h尺度類似，在日尺度上，只有大氣壓與水溫呈負相關(<-0.84)，水溫與向上長波輻射的正相關關系最強(>0.97)，與凈輻射(>0.49)、向下短波輻射(>0.44)的相關性較0.5 h尺度結果明顯加強。隨著時間尺度增大，水溫與其他氣象因子的相關系數也略有增加。在月尺度上，與水溫正相關關系最顯著的是向上長波輻射(>0.989)，氣溫次之(>0.987)，大氣壓與水溫呈負相關關系(<-0.89)。水溫與向下短波輻射(>0.75)的相關性較日尺度結果明顯增強。水溫與向上短波輻射的正相關最弱(>0.018)，風速(>0.023)次之。在年際尺度上(表2)，向上長波輻射與水溫的正相關關系最為顯著(>0.89)，氣溫(>0.80)次之。水汽壓、凈輻射、向下長波輻射也與水溫呈正相關關系，其中以與水汽壓的相關性(>0.46)較弱。風速(<-0.81)和向上短波輻射(<-0.76)與水溫呈負相關關系。向下短波輻射與20～100 cm水溫呈正相關(>0.15)，而與 150 cm 水溫和底泥溫度呈負相關(>-0.20)。

綜上可知，隨著時間尺度由0.5 h增加到月尺度，各氣象要素與水溫的相關性增強。且隨著深度從20 cm增至150 cm，各層水溫和底泥溫度與氣象因子的相關性呈減弱趨勢，說明表層水溫對氣象條件變化的響應更快?？諝鉁囟葘λ疁氐挠绊戄^大，兩者近似于同步變化。水汽壓與水溫也呈同步變化，在不同時間尺度上的相關系數在0.90～0.97之間。各長波輻射分量也與水溫呈正相關關系，風速與水溫的相關系數較小(0.02～0.15)。不同的是，在0.5 h尺度上，水溫與氣溫正相關關系最顯著，而在日和月尺度上，水溫與向上長波輻射最相關，氣溫次之。并且，0.5 h尺度上水溫與向下短波輻射的相關系數與月尺度結果差異較大。在年際尺度上，太湖水溫與氣象因子的相關性與上述時間尺度結果有所不同。這是由于隨著時間尺度增加，影響太湖水溫的因素不僅僅是大氣強迫(氣溫、向下短波和長波輻射)，水面與大氣之間的感熱和潛熱交換以及湖面的長波輻射反饋等物理過程也會影響湖泊水溫[41]。

3 結論

基于太湖避風港站點2012—2016年的水溫梯度、小氣候和輻射分量觀測數據，分析了太湖多層水溫和底泥溫度的多時間尺度變化特征，選取夏季高溫和冷空氣過境個例分析太湖水溫對天氣條件變化的響應，并量化了太湖水溫、底泥溫度與氣象因子在多時間尺度上的相關性，得到的結論。

(1)太湖水溫呈單峰型日變化，表層水溫的峰值和谷值分別出現在16：00和8：00，且水溫達到峰值的時間隨深度增加而推遲。太湖熱分層發生在日尺度上，以午后16：00最強，春夏兩季熱分層更明顯。太湖水溫呈夏高、冬低的季節變化特征，夏季表層水溫比底層水溫高4 ℃，呈穩定層結，冬季表層水溫較底層水溫低，呈不穩定層結。2012—2016年太湖水溫和底泥溫度呈上升趨勢，以150 cm水溫變暖最顯著(1.15 ℃)，20 cm水溫變暖最微弱(0.82 ℃)。

NS表示相關系數未通過0.05顯著性水平，其他相關系數均通過了0.05的顯著性檢驗圖6 0.5 h、日、月尺度上氣象因子(氣溫、風速、輻射分量等)與太湖各層水溫和底泥溫度的相關性Fig.6 Correlation coefficients between meteorological factors and water temperaturess, sediment temperature at the BFG site in Lake Taihu on half-hour, daily and monthly scales

表2 年際尺度上氣象因子與太湖各層水溫和底泥溫度的相關系數

(2)太湖水溫的變化特征受天氣系統影響顯著。夏季高溫和強太陽輻射有利于太湖形成熱分層，表層和底層水體梯度可達4.5 ℃。冷空氣過境帶來的大風、降溫和陰雨天氣，不僅減弱了輻射能量的輸入，還引起水體的機械擾動和垂直混合，不利于甚至破壞水體熱分層，表層和底層水溫差異僅為0.5 ℃。

(3)在0.5 h尺度上，太湖水溫與氣溫和向上長波輻射呈顯著正相關，相關系數均超過0.94，其次為水汽壓(R>0.90)和向下長波輻射(R>0.84)，且相關系數隨水深增加而減小，說明表層水溫對氣象條件變化的響應更快。在日和月尺度上，水溫與向上長波輻射最相關(R>0.97)，氣溫次之(R>0.96)。在年際尺度上，太湖水溫除了與氣溫和向上長波輻射呈現顯著正相關外(R>0.91)，與其他氣象因子的相關性并不顯著?？梢姡疁氐哪觌H變化是響應氣候變暖的體現，且通過向上長波輻射進行反饋調節。