全球9萬(wàn)個(gè)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(zhàn)之一。近年來(lái)，全球變暖導(dǎo)致湖泊表面溫度持續(xù)上升，引發(fā)湖泊缺氧、藻類暴發(fā)、魚類死亡等湖泊生態(tài)問(wèn)題。

南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授馮煉課題組針對(duì)全球9萬(wàn)多個(gè)湖泊，繪制了從1981年至2099年的高時(shí)間分辨率的湖泊表面溫度數(shù)據(jù)集。這是當(dāng)前分布范圍最廣、時(shí)間跨度最長(zhǎng)且精度最高的湖泊表面“溫度地圖”。10月23日，相關(guān)成果發(fā)表在《自然·水》上。

該研究有望為探索全球湖泊生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變暖的響應(yīng)機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，為制定有效的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和氣候變化應(yīng)對(duì)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(zhì)參數(shù)，在湖泊生態(tài)系統(tǒng)、局地氣候系統(tǒng)等方面發(fā)揮著重要作用，也進(jìn)一步影響湖泊水生生物的生存和發(fā)展。

高分辨率的湖泊溫度數(shù)據(jù)集是了解湖泊溫度變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的重要資料。以往的研究中，湖泊溫度數(shù)據(jù)集存在空間分布不廣、時(shí)間跨度較短、數(shù)據(jù)來(lái)源不統(tǒng)一等問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確反映湖泊溫度的變化規(guī)律。

針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，2020年10月，馮煉團(tuán)隊(duì)開始高分辨率的全球湖泊溫度數(shù)據(jù)集的研究工作。

“目前關(guān)于湖泊溫度變化的研究主要基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、遙感觀測(cè)、數(shù)值模擬等手段。然而，受云干擾等影響，遙感觀測(cè)資料常會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失等問(wèn)題。此外，獲取全球尺度的湖泊精準(zhǔn)參數(shù)，同樣是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。”論文第一作者、南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士后童艷介紹說(shuō)。

對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)將衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬手段相結(jié)合，以近300萬(wàn)張熱紅外遙感圖像反演的湖泊溫度觀測(cè)結(jié)果為邊界條件，對(duì)全球92245個(gè)湖泊實(shí)現(xiàn)了小時(shí)尺度、逐湖泊對(duì)象的模擬，確定了每個(gè)湖泊的最優(yōu)參數(shù)方案。他們經(jīng)過(guò)3年時(shí)間，建立了全球湖泊歷史時(shí)期（1981年至2020年）小時(shí)尺度和未來(lái)時(shí)期（2021年至2099年）日尺度的高時(shí)間分辨率的湖泊表面溫度數(shù)據(jù)集。

“與現(xiàn)有數(shù)據(jù)集相比，新數(shù)據(jù)集具有時(shí)間分辨率高、數(shù)據(jù)時(shí)間跨度長(zhǎng)、精度更高、空間分布更廣等優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)了全球湖泊在不同小時(shí)、不同季節(jié)、不同緯度、不同地區(qū)等的表面溫度變化。”論文作者之一、南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士后皮雪暉說(shuō)。

當(dāng)前，能覆蓋全球湖泊的水溫?cái)?shù)據(jù)集還有來(lái)自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的ERA5-Land數(shù)據(jù)集，但該數(shù)據(jù)集與實(shí)測(cè)溫度的誤差為2攝氏度左右。“我們從不同時(shí)間尺度對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行了驗(yàn)證與比較，發(fā)現(xiàn)我們的數(shù)據(jù)集精度更高，與實(shí)測(cè)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(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士生王欣馳說(shuō)。

全球湖泊呈現(xiàn)普遍變暖趨勢(shì)

“我們?cè)谟^察長(zhǎng)期趨勢(shì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，全球湖泊呈現(xiàn)普遍變暖趨勢(shì)，但整體變化速率比氣溫變暖的速率要慢。”童艷說(shuō)。

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(shí)期湖上氣溫每10年上升0.29攝氏度。“這在一定程度上說(shuō)明湖泊生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)自然環(huán)境挑戰(zhàn)時(shí)，具備一定的韌性和自我調(diào)節(jié)能力。”童艷告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

研究發(fā)現(xiàn)，湖泊溫度變化趨勢(shì)存在空間差異。“我們發(fā)現(xiàn)北極地區(qū)的湖泊平均變暖速率是其他地區(qū)的兩倍多。”童艷說(shuō)，“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(tuán)隊(duì)進(jìn)行歸因分析后發(fā)現(xiàn)，氣溫對(duì)全球湖泊變暖速率的貢獻(xiàn)率為47%，而長(zhǎng)波輻射、比濕度和太陽(yáng)輻射的貢獻(xiàn)總和超過(guò)了50%。這表明，氣溫以外的氣象因素對(duì)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(shí)，也會(huì)以潛熱和顯熱等形式釋放能量，從而使升溫減緩。研究發(fā)現(xiàn)，作為能量損失的主導(dǎo)項(xiàng)，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(qū)，湖冰減少使變暖加速，削弱了潛熱損失帶來(lái)的緩解效應(yīng)，使北極湖泊具有與氣溫相當(dāng)?shù)淖兣俾省?/p>

厚積薄發(fā)方能水到渠成

馮煉團(tuán)隊(duì)聚焦水環(huán)境遙感領(lǐng)域進(jìn)行了多年深耕和探索。這是今年3月馮煉團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表封面文章揭示全球近海藻華暴發(fā)趨勢(shì)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(lái)，做研究就像建大樓，大樓越高，地基就要挖得越深，厚積薄發(fā)，方能水到渠成。

“要用完美主義的態(tài)度探索科學(xué)問(wèn)題。當(dāng)你覺得研究結(jié)果已經(jīng)是100%時(shí)，如果再堅(jiān)持一下、再往前走一步，或許就會(huì)有更多出乎意料的發(fā)現(xiàn)。”馮煉說(shuō)。

提到“堅(jiān)持”二字，童艷深有感觸。從2020年研究工作開啟以來(lái)，童艷的大多數(shù)時(shí)間都在閱讀文獻(xiàn)、找數(shù)據(jù)、下數(shù)據(jù)、“跑”數(shù)據(jù)、畫圖、討論、修改重畫中度過(guò)。

“最難的不是處理這些數(shù)據(jù)，而是如何從龐大的數(shù)據(jù)中提煉有價(jià)值的結(jié)果。這個(gè)過(guò)程讓我明白了做科研不能故步自封，要多交流、多思考，堅(jiān)持就是勝利。”她說(shuō)。

“未來(lái)，我們將進(jìn)一步探索更多小湖泊的溫度監(jiān)測(cè)和高精度模擬，以及湖泊溫度的空間模擬和垂向變化。同時(shí)，我們將進(jìn)一步思考如何將該數(shù)據(jù)集與湖底缺氧、溫室氣體釋放、水生生物棲息地轉(zhuǎn)移和湖泊藻華暴發(fā)等現(xiàn)象結(jié)合，以更加深入地揭示湖泊熱變化引起的水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。”馮煉說(shuō)。

◎ 來(lái)源|中國(guó)科學(xué)報(bào)