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JH&JGLR:青藏高原纳木错水温观测与热量平衡研究取得进展
2020-02-26      
  湖泊是气候变化的指示器,对气候变化具有敏感的响应。由于青藏高原特殊的野外工作条件限制了湖泊连续观测工作的开展,目前,高原大部分湖泊的热力循环类型和季节变化特征尚缺乏观测和研究,而湖泊的这些特征对于水生生态系统及环境变化都具有重要的意义。纳木错作为青藏高原高海拔深水大湖,在地理位置、湖泊特征及对气候变化的响应程度方面都具有较好的代表性。因此,在纳木错开展现代过程监测研究对深入理解青藏高原湖泊的整体现状及其与气候变化的相互作用都具有重要的科学意义。
  中国科学院青藏高原环境变化与地表过程重点实验室湖泊与环境变化团队、青藏高原地球科学卓越创新中心朱立平研究员课题组依托纳木错综合观测研究站对纳木错不同深度水温变化开展了长期、连续的高分辨率水温变化监测,并与德国、加拿大等国的科学家开展合作,对纳木错热力循环的季节变化及热量平衡过程进行了深入的研究。
  观测结果表明,纳木错为典型的双季对流混合型湖泊(Dimictic,图1)。纳木错主湖区从6月初开始分层,分层现象一直持续到11月初,分层时间超过5个月。夏季分层期间,表层湖水温度能达到12,混合发生之前,温跃层持续变深,底层湖水温度维持在3.4左右。11月至次年5月,纳木错整层湖水发生翻转从而形成混合水体,水温下降,结冰期混合的湖水温度最低为0.5℃左右。通过对纳木错不同湖区两个监测点的对比研究,发现不同水深区水温变化具有显著差异,东部浅水区春季水温增加及分层建立时间大约比主湖区提前一个月;主湖区表层水体日均温与气温高度相关但存在38天的滞后效应。
图1 纳木错在两个不同的湖泊热力分类方案中的位置
  纳木错位于较低的纬度(30°N)和极高的海拔(4730m),其太阳辐射强烈(最大日均辐射近400 W/m2)而年均气温只有0℃左右,导致纳木错的热力平衡过程不同于其他地区的双季对流混合型湖泊(多位于高纬度低海拔地区,图1)。通过对纳木错热量平衡的计算,结合湖水稳定度、表层湖水温度与最大密度温度(Tmd=3.65℃)的关系、结冰期及水体热通量等特征,将纳木错的热力分层变化划分为六个阶段(表1,图2)。研究发现辐射强迫加上风力驱动引起纳木错秋季湖水混合时间变长,造成更多的湖泊热量损失,使得湖水最低温度能够下降到1以下,远低于Tmd;同时在冬季结冰期间,太阳辐射穿过湖冰使湖水获得的热量超过损失的热量从而持续加热湖水,导致纳木错湖水持续变暖并维持混合状态直至结冰期结束分层重新开始。该研究揭示了高海拔低温环境下冬季湖泊的变冷与相对强烈的太阳辐射穿透冰层导致湖水变暖的两个过程的相互作用,这与处于高纬度低海拔地区同样具有长时间结冰期的双对流湖泊显著不同,丰富了物理湖泊学的研究成果,进一步加深了对高原湖泊现代过程变化及机理的理解,对于深入理解湖泊-大气相互作用具有重要意义。
表1 纳木错热力分层的六个阶段
图2 (a)2012至2014年,纳木错主湖区不同深度的水温记录及不同的热力分层阶段(以竖虚线表示),Tmd代表纳木错湖水最大密度所对应的温度(3.65℃),横杠代表湖冰覆盖,黑色代表完全结冰,灰色代表部分结冰,红点代表观测的湖冰厚度(以分米为单位);(b)根据湖泊垂直密度分布计算的Schmidt稳定度,大于100表明湖水分层。
  研究成果分别以“Spatial and temporal variations in water temperature in a high-altitude deep dimictic mountain lake (Nam Co), central Tibetan Plateau”和“Seasonal stratification of a deep, high-altitude, dimictic lake: Nam Co, Tibetan Plateau”为题发表在Journal of Great Lakes Research和Journal of Hydrology上,纳木错站站长王君波研究员为第一和通讯作者,研究得到了中国科学院战略性先导科技专项“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设”(XDA20070101)、国家自然科学基金项目(41877168,41571189)、科技部基础性工作专项(2012FY111400)以及德国BMBF项目(TP2:03G0813F)的联合资助。
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