太湖水面温度年际变化特征及其主控因子的观测研究

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水面温度是评估湖泊生态系统状态、功能和过程的重要参数,直接或间接地影响着湖泊的物理、化学、生物和生态过程。本研究以太湖中尺度通量网实测数据(2011~2019年)和MODIS地表温度产品(2003~2019年)为基础,研究了太湖水面温度的时空变化特征,量化了太湖水面温度年际变化速率,并基于能量平衡原理拆分了太湖水面温度年际变化的影响因子,阐述了大气强迫(气温、向下短波和向下长波辐射)和能量再分配(波文比和粗糙度改变)对太湖水面温度年际变化的影响。本文研究结果可为保护太湖生态系统、构建“绿水”太湖样板提供数据支持和理论参考。研究结果总结如下:太湖水面温度呈现单峰型日变化特征,每年平均的日最高值(293.0 K)和最低值(289.0 K)分别出现在14:00和8:00,日变化幅度达到4.0 K。太湖水面温度呈现夏季高、冬季低的季节变化特征,春、夏、秋、冬四季均值分别为290.4 K、301.4 K、293.1K和279.5 K,夏季水面温度比冬季结果高22.0 K。2011~2019年多年平均的水面温度月均值的最小值(278.3 K)和最大值(302.9 K)分别出现在1月和7月份。每年3~6月为太湖水面温度的上升期,8~12月为太湖水面水温的下降期。MODIS观测结果显示,2003~2019年太湖水面温度逐年上升,速率为0.5 K 10a-1。2003~2019年水面温度年均值最小值为288.9 K,出现在2011年,年均值最大值为290.4 K,出现在2019年。17年间年太湖水面温度年均值增加了0.9 K。在空间上,太湖水面温度呈现沿岸高、湖心低的总体特征。太湖沿岸和浅水区的水面温度随着季节由冬季向夏季转换而增加,而湖心深水区水温变化相对略缓。水面温度自太湖东部向西和由岸边向湖中心延伸呈现递减的趋势。夏季太湖水面温度整体较高,最大值(304.4 K)出现在7月,冬季太湖水面温度整体较低,最小值(275.9 K)出现在1月。水面温度空间梯度最大值(9.3 K)出现在7月,梯度最小值(5.0 K)出现在1月。17年间太湖水面温度的空间梯度最大值(4.0 K)出现在2005年和2018年,其中,2005年水面温度空间变化范围为287.9~291.9 K,2018年水面温度空间变化范围为289.5~293.4 K。空间梯度最小值(1.9 K)出现在2007年,该年水面温度空间变化范围为289.3~291.2 K。经太湖实测数据订正后的MODIS产品显示太湖水面温度在2003~2019年间呈上升趋势,速率为0.52 K 10a-1。以2011年为基准,2003~2019年太湖水面温度年际波动的平均值为0.738±0.498 K,因子拆分相加结果(0.736±0.530 K)与实测结果吻合。五个贡献因子中,气温对太湖水面温度年际变化的贡献最大,为0.454±0.401 K,贡献率达到62%。其次为波文比变化,贡献值为0.292±0.178 K,贡献率为40%。大气辐射强迫(向下短波和向下长波)和粗糙度引起的能量再分配对太湖水面温度年际变化的影响均不足0.1 K。太湖水面温度的年际变化主要由气温变化和波文比改变所引起,两者的贡献可以完全解释太湖水面温度的年际变化。
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