全球9萬個湖泊的“溫度地圖”了

全球變暖已成為全世界面臨的重要挑戰之一。近年來，全球變暖導致湖泊表面溫度持續上升，引發湖泊缺氧、藻類暴發、魚類死亡等湖泊生態問題。

南方科技大學環境科學與工程學院副教授馮煉課題組針對全球9萬多個湖泊，繪制了從1981年至2099年的高時間分辨率的湖泊表面溫度數據集。這是當前分布范圍最廣、時間跨度最長且精度最高的湖泊表面“溫度地圖”。10月23日，相關成果發表在《自然·水》上。

該研究有望為探索全球湖泊生態系統對氣候變暖的響應機理提供基礎數據集，為制定有效的生態環境保護和氣候變化應對策略提供新思路。

繪就全球湖泊高清“溫度地圖”

湖泊溫度是重要的水質參數，在湖泊生態系統、局地氣候系統等方面發揮著重要作用，也進一步影響湖泊水生生物的生存和發展。

高分辨率的湖泊溫度數據集是了解湖泊溫度變化及其驅動機制的重要資料。以往的研究中，湖泊溫度數據集存在空間分布不廣、時間跨度較短、數據來源不統一等問題，導致無法準確反映湖泊溫度的變化規律。

針對現有研究的不足，2020年10月，馮煉團隊開始高分辨率的全球湖泊溫度數據集的研究工作。

“目前關于湖泊溫度變化的研究主要基于實測數據、遙感觀測、數值模擬等手段。然而，受云干擾等影響，遙感觀測資料常會出現數據缺失等問題。此外，獲取全球尺度的湖泊精準參數，同樣是一項巨大的挑戰。”論文第一作者、南方科技大學環境科學與工程學院博士后童艷介紹說。

對此，研究團隊將衛星觀測數據與數值模擬手段相結合，以近300萬張熱紅外遙感圖像反演的湖泊溫度觀測結果為邊界條件，對全球92245個湖泊實現了小時尺度、逐湖泊對象的模擬，確定了每個湖泊的最優參數方案。他們經過3年時間，建立了全球湖泊歷史時期（1981年至2020年）小時尺度和未來時期（2021年至2099年）日尺度的高時間分辨率的湖泊表面溫度數據集。

“與現有數據集相比，新數據集具有時間分辨率高、數據時間跨度長、精度更高、空間分布更廣等優勢，呈現了全球湖泊在不同小時、不同季節、不同緯度、不同地區等的表面溫度變化。”論文作者之一、南方科技大學環境科學與工程學院博士后皮雪暉說。

當前，能覆蓋全球湖泊的水溫數據集還有來自歐洲中期天氣預報中心的ERA5-Land數據集，但該數據集與實測溫度的誤差為2攝氏度左右。“我們從不同時間尺度對兩個數據集進行了驗證與比較，發現我們的數據集精度更高，與實測湖泊溫度的誤差僅為1攝氏度左右。”論文作者之一、南方科技大學環境科學與工程學院博士生王欣馳說。

全球湖泊呈現普遍變暖趨勢

“我們在觀察長期趨勢時發現，全球湖泊呈現普遍變暖趨勢，但整體變化速率比氣溫變暖的速率要慢。”童艷說。

在1981年至2020年期間，全球湖泊溫度每10年平均上升0.24攝氏度，而同時期湖上氣溫每10年上升0.29攝氏度。“這在一定程度上說明湖泊生態系統應對自然環境挑戰時，具備一定的韌性和自我調節能力。”童艷告訴《中國科學報》。

研究發現，湖泊溫度變化趨勢存在空間差異。“我們發現北極地區的湖泊平均變暖速率是其他地區的兩倍多。”童艷說，“例如，位于芬蘭的伊納里湖湖泊溫度每10年上升0.73攝氏度，而地處熱帶的玻利維亞的科伊帕薩湖，湖泊溫度每10年上升0.15攝氏度。”

研究團隊進行歸因分析后發現，氣溫對全球湖泊變暖速率的貢獻率為47%，而長波輻射、比濕度和太陽輻射的貢獻總和超過了50%。這表明，氣溫以外的氣象因素對于湖泊表層升溫的影響不容忽視。

湖泊在吸收輻射能量的同時，也會以潛熱和顯熱等形式釋放能量，從而使升溫減緩。研究發現，作為能量損失的主導項，潛熱通量是中低緯度湖泊表面變暖速率慢于氣溫的主要原因。而在高緯度地區，湖冰減少使變暖加速，削弱了潛熱損失帶來的緩解效應，使北極湖泊具有與氣溫相當的變暖速率。

厚積薄發方能水到渠成

馮煉團隊聚焦水環境遙感領域進行了多年深耕和探索。這是今年3月馮煉團隊在《自然》發表封面文章揭示全球近海藻華暴發趨勢之后，再次收獲的重要成果。

科研成果頻出的秘訣是什么？在馮煉看來，做研究就像建大樓，大樓越高，地基就要挖得越深，厚積薄發，方能水到渠成。

“要用完美主義的態度探索科學問題。當你覺得研究結果已經是100%時，如果再堅持一下、再往前走一步，或許就會有更多出乎意料的發現。”馮煉說。

提到“堅持”二字，童艷深有感觸。從2020年研究工作開啟以來，童艷的大多數時間都在閱讀文獻、找數據、下數據、“跑”數據、畫圖、討論、修改重畫中度過。

“最難的不是處理這些數據，而是如何從龐大的數據中提煉有價值的結果。這個過程讓我明白了做科研不能故步自封，要多交流、多思考，堅持就是勝利。”她說。

“未來，我們將進一步探索更多小湖泊的溫度監測和高精度模擬，以及湖泊溫度的空間模擬和垂向變化。同時，我們將進一步思考如何將該數據集與湖底缺氧、溫室氣體釋放、水生生物棲息地轉移和湖泊藻華暴發等現象結合，以更加深入地揭示湖泊熱變化引起的水生態環境效應。”馮煉說。

◎ 來源|中國科學報