水熱通量相位差影響青藏高原湖泊水位季節(jié)變化
青藏高原湖泊眾多，是“亞洲水塔”的重要組成部分。受氣候變化影響，青藏高原內(nèi)陸區(qū)大多數(shù)湖泊自90年代末出現(xiàn)顯著擴(kuò)張，但高原南部湖泊出現(xiàn)一定的萎縮。湖泊變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定影響。由于地處偏遠(yuǎn)、氣候環(huán)境惡劣，青藏高原內(nèi)陸區(qū)系統(tǒng)的湖泊水文氣象觀測資料較少，限制了人們對湖泊水文過程的認(rèn)識。在多年連續(xù)觀測的基礎(chǔ)上，“亞洲水塔動態(tài)變化與影響”任務(wù)中科院青藏高原研究所環(huán)境變化與多圈層過程團(tuán)隊類延斌副研究員與其合作者，通過能量平衡方法(波溫比)計算了2015-2017年青藏高原南部佩枯錯7天平均的湖面蒸發(fā)量，發(fā)現(xiàn)由于湖水儲熱量巨大，佩枯錯湖面蒸發(fā)最大值滯后凈輻射約5個月，水熱通量的相位差導(dǎo)致湖水水位在季風(fēng)降水期間明顯升高，而在季風(fēng)結(jié)束后明顯下降。該研究結(jié)果在一定程度上解釋了為什么高原深水湖泊比淺水湖泊季節(jié)變化幅度大、高原南部湖泊比北部湖泊季節(jié)變化幅度大。
佩枯錯位于青藏高原南部，流域面積2377 km2，流域內(nèi)冰川面積130 km2。對該湖水量變化的研究結(jié)果表明，佩枯錯平均水深約40.2米，最大水深72.8米，總儲水量108.5億噸。在季節(jié)尺度上，湖水水位1-5月緩慢下降，6-9月快速升高，9-12月快速下降。在年際尺度上，過去40年，佩枯錯水位下降了3.7米，儲水量減少了10.2億噸，占總儲水量的8.5%。佩枯錯水位下降與喜馬拉雅地區(qū)氣候的暖干化一致，區(qū)域降水減少可能是佩枯錯萎縮的主要原因。
自2015年，研究團(tuán)隊在佩枯錯南湖(42m水深)和北湖（70m水深）分別安裝了湖溫廓線監(jiān)測儀，同時在岸邊安裝了大氣溫濕度監(jiān)測儀，在此基礎(chǔ)上通過能量平衡方法計算七天平均湖面蒸發(fā)。湖溫廓線監(jiān)測結(jié)果顯示，佩枯錯湖水每年7-10月出現(xiàn)分層，8月底表層湖水溫度最高，而10月底底層湖水溫度才達(dá)到最高，溫躍層出現(xiàn)在水深15米左右。每年11月至翌年5月，佩枯錯湖水溫度在垂直剖面上達(dá)到一致，不存在明顯分層。
作為深水湖泊，佩枯錯巨大的儲熱量顯著改變湖面熱通量的季節(jié)分配。每年4-7月，太陽輻射處于高值，這一時期約66.5%的能量被用來加熱湖水，湖面熱通量處于低值，湖泊蒸發(fā)也處于全年的低值(1.7 mm/day)。每年10月至翌年1月，盡管太陽輻射處于低值，但是湖水春夏季儲存的熱量在這時釋放，湖面熱通量處于高值，湖泊蒸發(fā)也處于全年高值(5.4 mm/day)。季節(jié)尺度上，佩枯錯湖面蒸發(fā)與凈輻射存在大約5個月相位差。2015-2017年佩枯錯湖面非結(jié)冰期(5-12月)年總蒸發(fā)量平均值為975±142 mm。
對于深水湖泊來說，水熱通量的相位差影響湖水位季節(jié)變化幅度。每年秋冬季，降水和入湖徑流處于低值，而此時湖面蒸發(fā)處于全年最高值，湖水水位快速下降(3.8 mm/day)。在夏季季風(fēng)降水期，降水和冰雪融水處于全年高值，而此時湖面蒸發(fā)較低，湖水水位出現(xiàn)快速上升。對于淺水湖泊，由于湖水儲熱量小，湖面蒸發(fā)的高值出現(xiàn)在春夏季節(jié)，與季風(fēng)降水的時間較一致；秋冬季節(jié)降水和入湖徑流較低時，蒸發(fā)也較低，這就導(dǎo)致淺水湖泊的水位季節(jié)變化較小。同理，湖面蒸發(fā)的季節(jié)差異可能也是高原南北部湖泊水位季節(jié)變化幅度不一致的重要原因。
近日，該研究結(jié)果以“Contrasting hydrological and thermal intensities determine seasonal lake-level variations – a case study at Paiku Co on the southern Tibetan Plateau”為題發(fā)表在國際水文學(xué)雜志《Hydrology and Earth System Sciences》上。中科院青藏高原研究所類延斌副研究員為論文第一和通訊作者。本研究獲得第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究(2019QZKK0201)、中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA2006020102)、國家自然科學(xué)基金項目(41971097 and 21661132003)和青促會項目(2017099)的資助。
論文鏈接：
https://hess.copernicus.org/articles/25/3163/2021/
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169418303676?via%3Dihub
圖1 佩枯錯湖泊水量平衡觀測點(diǎn)位置(a)及等深線(b)和湖溫廓線監(jiān)測圖(c)
圖2 2015-2018年佩枯錯南部(水深42 m，上)和北部(水深72 m，下)湖區(qū)湖水溫度(oC)等值線圖,