李雨竹,賈 磊,張 彌,2,肖 薇,2,張 圳,包恒鑫,葛 培,王 偉,2，呂 恒，萬梓文

(1:南京信息工程大學(xué)氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室大氣環(huán)境中心,南京 210044) (2:南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室,南京 210044) (3:南京市江寧區(qū)氣象局,南京 211199)

湖泊是氣候變化的指示器[1],水溫升高是湖泊對氣候變暖最直接的響應(yīng)[2-3]。原位觀測和遙感反演顯示全球湖泊水溫以0.34℃/(10 a)的速率升高[4-5],增暖趨勢在未來高排放情景下愈加顯著[6-7]。湖泊升溫改變了湖泊的物理、化學(xué)、生物和生態(tài)過程。首先,作為大氣模型的下邊界,湖面溫度升高改變了湖泊與大氣之間的溫度和濕度梯度,影響湖氣界面的感熱和潛熱交換[8]。作為湖體溫度垂直分布的初始值[9],湖面溫度升高改變了水溫垂直分層,影響湖體內(nèi)熱量和動量的垂直交換[10-11]。其次,湖泊升溫使得深水湖泊的熱力層結(jié)增強、垂直混合減弱,深水區(qū)溶解氧下降和底棲物種代謝減速[12-13]。而且,湖泊升溫促進(jìn)CH4排放和藍(lán)藻異常增殖。觀測顯示水溫高時湖氣界面CH4排放量是水溫低時的5.2倍[14]。據(jù)估計,到21世紀(jì)末,北方湖泊CH4排放量最大增幅可達(dá)54%[15],藍(lán)藻暴發(fā)頻率將增加20%[16]。為評估氣候變暖對湖泊物理、化學(xué)、生物和生態(tài)過程的影響,需要在不同時間尺度上觀測湖泊溫度。

目前觀測湖泊溫度的方法主要有原位觀測和紅外遙感反演,但兩者獲取的水溫因測量深度不同存在本質(zhì)差異。原位觀測獲取的是表層水溫[5],即利用溫度傳感器在湖水表層一定深度處(約0.5 m)直接測量水溫。而紅外遙感反演獲取的是湖泊表面溫度[17],即基于衛(wèi)星傳感器的熱紅外數(shù)據(jù)通過輻射傳輸方程等算法反演得到湖泊與大氣界面薄層(<500 μm)的溫度。原位觀測持續(xù)時間短、覆蓋范圍小[18-19],紅外遙感反演能拓展湖面溫度研究的時空尺度[20]。常用于反演湖面溫度的衛(wèi)星傳感器有MODIS的Terra和Aqua、NOAA發(fā)布的AVHRR傳感器、歐洲空間局設(shè)計的ATSR系列傳感器、Landsat8的TIR傳感器、Landsat7的ETM+傳感器和Aqua衛(wèi)星上的ASTER傳感器[21],中國發(fā)射的風(fēng)云(FY)系列衛(wèi)星MERSI傳感器和VIRR傳感器[22]、環(huán)境資源衛(wèi)星(HJ)的IRS傳感器[23]也常被用于反演湖面溫度。上述衛(wèi)星傳感器的參數(shù)見表 1。

紅外遙感反演得到的湖面溫度與原位觀測得到的表層水溫在物理過程、數(shù)值大小和影響因素上存在差異[24-25]。在湖氣界面薄層內(nèi),湖面溫度主要受分子熱傳導(dǎo)控制[26],而表層水溫主要受水體湍流和太陽輻射共同控制[18]。由于物理過程不同,表面溫度與表層水溫的數(shù)值存在差異[27],稱為“皮膚效應(yīng)”(skin effect)?！捌つw效應(yīng)”的大小通常以表面溫度與表層水溫的差值表示,根據(jù)數(shù)值正負(fù),分為暖“皮膚效應(yīng)”(表面溫度高于表層水溫)和冷“皮膚效應(yīng)”(表面溫度低于表層水溫)[28-29]。“皮膚效應(yīng)”主要受湖水吸收的太陽輻射、湖面與大氣之間的熱量交換和湖水湍流混合3個過程控制,存在明顯的日變化。白天,“皮膚效應(yīng)”主要取決于太陽輻射對上層水體的加熱作用,通常表現(xiàn)為暖“皮膚效應(yīng)”;夜間,“皮膚效應(yīng)”由水氣界面的感熱、潛熱交換和凈長波輻射共同決定,表現(xiàn)為冷“皮膚效應(yīng)”[27,29-30]。“皮膚效應(yīng)”受氣象要素影響顯著,云量和風(fēng)速分別通過改變太陽輻射強度和湍流混合強度影響“皮膚效應(yīng)”[31-32]。

“皮膚效應(yīng)”給湖泊溫度響應(yīng)氣候變暖研究帶來諸多挑戰(zhàn)。首先,多數(shù)研究采用表層水溫觀測數(shù)據(jù)驗證遙感反演得到的表面溫度[33-34],雖然部分研究進(jìn)行了表層水溫至表面溫度的轉(zhuǎn)換[35-36],但由于湖泊地理位置、形態(tài)特征和氣候條件存在差異,導(dǎo)致轉(zhuǎn)換方程難以推廣,且轉(zhuǎn)換過程會帶來約0.3 K的不確定性[18]。其次,為了量化湖泊變暖速率,通常采用多源遙感數(shù)據(jù)融合來延長時間序列[17]。由于衛(wèi)星過境時間不同(表1),若不考慮“皮膚效應(yīng)”的日變化,僅采用固定數(shù)值將遙感反演得到的表面溫度轉(zhuǎn)換為表層水溫勢必帶來誤差[37]。而且,研究發(fā)現(xiàn)若不考慮“皮膚效應(yīng)”,僅用表層水溫計算湖泊感熱和潛熱通量存在10%高估[38]。因此,量化湖泊“皮膚效應(yīng)”及其影響因素,不僅有助于準(zhǔn)確驗證遙感反演結(jié)果和計算湖氣熱量交換,還可更加科學(xué)地評估湖泊變暖速率。為此,本文提出以下兩個科學(xué)問題:(1)在不同的時間尺度和天氣條件下,湖泊“皮膚效應(yīng)”特征如何?(2)若不考慮“皮膚效應(yīng)”,表面溫度和表層水溫表征的湖泊升溫速率有多大差異?

表1 衛(wèi)星傳感器過境時太湖表面溫度(Ts)與20 cm處水溫(T20)和50 cm處水溫(T50)的差值Tab.1 The difference between the surface temperature (Ts) and water temperature at 20 cm depth (T20) or at 50 cm depth (T50) when satellites pass over Lake Taihu

太湖中尺度通量網(wǎng)[39]擁有10余年(2010年6月至今)的多站點、高頻且連續(xù)的表面溫度和水溫梯度觀測數(shù)據(jù),為回答以上兩個科學(xué)問題提供了觀測數(shù)據(jù)支撐。本文基于太湖中尺度通量網(wǎng)2011-2020年的輻射四分量、水溫梯度和小氣候觀測數(shù)據(jù),量化了不同時間尺度(日、季節(jié)與年際)上、不同天氣條件(晴天大風(fēng)、晴天小風(fēng)、陰天大風(fēng)和陰天小風(fēng))下太湖表面溫度與表層水溫的差異,以期為太湖物理、化學(xué)、生物和生態(tài)過程對氣候變暖的響應(yīng)研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

太湖位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),1981-2010年平均氣溫為16.2℃,年總降水量為1122 mm,年平均風(fēng)速為2.6 m/s[40]。太湖是我國第三大淡水湖,水域面積約2338 km2,平均水深為1.9 m[41]。太湖中尺度通量網(wǎng)(圖1)始建于2010年6月,截止2020年底,該通量網(wǎng)一共有7個湖泊站點,按照建成順序依次為梅梁灣站(MLW)、大浦口站(DPK)、避風(fēng)港站(BFG)、小雷山站(XLS)、平臺山站(PTS)、東太湖站(DTH)與新梅梁灣站(MLW2)。

圖1 太湖中尺度通量網(wǎng)觀測平臺:左圖為太湖中尺度通量網(wǎng)站點分布,右圖為避風(fēng)港站(BFG)(四源凈輻射傳感器(上)和水溫梯度觀測系統(tǒng)(下)實景,改自Lee等[39]Fig.1 The Taihu Eddy Flux Network and instrument platform at the BFG site

1.2 觀測數(shù)據(jù)與質(zhì)量控制

由于BFG站觀測時間長(始于2011年12月15日)、數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)[40-42],本文以BFG站2012-2020年0.5 h的20 cm水溫(T20)、50 cm水溫(T50)、輻射四分量和小氣候觀測資料為基礎(chǔ),選擇MLW站(建于2010年6月)2011年觀測數(shù)據(jù)為補充,并以距離BFG站最近的東山站(站號:58358)2011-2020年的氣溫觀測數(shù)據(jù)(http://data.cma.cn)為參考。BFG站2014年水溫梯度數(shù)據(jù)缺測最少(<6%)[40],故選取BFG站2013年12月1日-2014年11月30日一整年的觀測數(shù)據(jù),來分析太湖各層水溫的日變化、季節(jié)變化以及不同天氣條件下的“皮膚效應(yīng)”。

BFG站小氣候系統(tǒng)架設(shè)高度為8.5 m,由溫濕度傳感器(型號:HMP155A;公司:Vaisala)和風(fēng)速風(fēng)向計(型號:05103;公司:R.M.Young)組成,分別用于觀測空氣溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向。水溫梯度觀測系統(tǒng)(型號:109-L;公司:Campbell Scientific)用于觀測水面以下20、50、100和150 cm的水溫以及底泥溫度。四源凈輻射傳感器(型號:CNR4;公司:Kipp &Zonen B.V)架設(shè)高度為2.5 m,用于測量向下短波輻射、向上短波輻射、向下長波輻射和向上長波輻射[42-43]。參考Zhang等[40]的方法對BFG站的水溫和輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行以下質(zhì)量控制和缺測插補。首先,根據(jù)BFG站的氣候條件設(shè)定各變量的閾值,水溫變化范圍為-5～45℃,向下短波輻射(K↓)變化范圍為0～1200 W/m2,向上短波輻射(K↑)變化范圍為0～200 W/m2,向上長波輻射(L↑)變化范圍為300～600 W/m2,向下長波輻射(L↓)變化范圍為150～550 W/m2,剔除超出閾值范圍的異常點。其次,運用五點滑動平均兩倍標(biāo)準(zhǔn)差方法剔除異常值。數(shù)據(jù)插補分兩步,若缺測時長短于1 h,進(jìn)行線性內(nèi)插;若缺測時長超過1 h,采用鄰近站點的相同變量觀測值插補,即將BFG站不同年份、不同季節(jié)的原始數(shù)據(jù)與其它站點的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,選擇相關(guān)系數(shù)最高的站點,利用該回歸方程對BFG站缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補。質(zhì)量控制和缺測插補完成后,再運用五點滑動平均兩倍標(biāo)準(zhǔn)差方法剔除異常值,并對剔除后的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補,直至沒有空缺。BFG站2013年12月1日-2014年11月30日水溫和輻射數(shù)據(jù)插補后的時間序列如圖2所示。

圖2 BFG站2013年12月1日-2014年11月30日20 cm處水溫T20(a)、50 cm處水溫T50(b)、向上短波輻射K↑(c)、向下短波輻射K↓(d)、向上長波輻射L↑(e)和向下長波輻射L↓(f)原始數(shù)據(jù)(藍(lán)色)與插補數(shù)據(jù)(紅色)的時間序列Fig.2 The time series of raw data (blue) and gap-filled data(red) of T20(a),T50(b),K↑(c),K↓(d),L↑(e) and L↓(f) from December 1, 2013 to November 30, 2014 at the BFG site

1.3 計算方法

1.3.1 湖面溫度的計算 基于四源凈輻射傳感器觀測的向上長波輻射L↑和向下長波輻射L↓,根據(jù)Stefan-Boltzmann定律計算湖泊表面溫度Ts,即:

(1)

式中,ε為湖面比輻射率,取值為0.97[44];σ為Stefan-Boltzmann常數(shù),為5.6696×10-8W/(m2·K4)。

從觀測設(shè)備維護(hù)和數(shù)據(jù)交叉驗證兩個方面保證湖面溫度數(shù)據(jù)的可靠性。首先,每月對太湖中尺度通量網(wǎng)各站點的四源凈輻射傳感器進(jìn)行鏡頭擦拭與水平校準(zhǔn),每年將生產(chǎn)商校準(zhǔn)過的同款四源凈輻射傳感器安裝在各站點平行觀測10天,對比顯示測量偏差小于1.0 W/m2。其次,對比BFG站建站第一年紅外測溫傳感器(型號:SI-411;公司:Apogee Instruments Inc.)觀測結(jié)果與式(1)計算的湖面溫度,兩者的相關(guān)系數(shù)和一致性系數(shù)均超過0.99,平均絕對誤差為0.1 K。依據(jù)表層水溫觀測規(guī)范[45]和太湖已有觀測試驗[46],結(jié)合本研究水溫梯度觀測實際,以湖面溫度(Ts)和20、50 cm深度處水溫(T20、T50)的差值Ts-T20和Ts-T50來量化太湖水溫的“皮膚效應(yīng)”。

1.3.2 天氣狀況的確定 本文采用晴空指數(shù)(Kt)來區(qū)分晴天和陰天。晴空指數(shù)指某一太陽高度角下地表水平面上接受的太陽總輻射S(W/m2)與大氣上界水平面上的天文輻射Se(W/m2)的比值[47]。

(2)

Se=Ssc[1+0.033cos(360td/365)]sinβ

(3)

式中,Ssc為太陽常數(shù),取1367 W/m2;td為日序;β為太陽高度角。定義Kt> 0.6時為晴天,Kt< 0.3時為陰天[47]。

基于BFG 0.5 h風(fēng)速觀測數(shù)據(jù),采用分位數(shù)法定義大風(fēng)和小風(fēng)。風(fēng)速高于75%分位數(shù)時(Ws> 5.8 m/s)為大風(fēng),低于25%分位數(shù)時(Ws<3.2 m/s)為小風(fēng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 太湖水溫多尺度時間變化特征

2.1.1 太湖表面溫度和表層水溫的日變化 太湖BFG站四季和年平均的Ts、T20和T50皆呈單峰型日變化(圖3)。從年平均日變化來看(圖3e),夜間湖面向上發(fā)射的長波輻射大于大氣逆輻射,長波輻射冷卻使得與大氣直接接觸的表面溫度迅速降低,低于表層水溫,表現(xiàn)為冷“皮膚效應(yīng)”,7:00-8:00最強,此時Ts分別比T20和T50低0.50和0.34℃。白天,太陽輻射加熱使湖面迅速升溫,且升溫速率快于表層水溫,使得表面溫度逐漸高于表層水溫,表現(xiàn)為暖“皮膚效應(yīng)”,15:00-16:00最強,此時Ts分別比T20和T50高1.54和1.95℃。此外,由于表層水溫白天升溫和夜晚降溫速率均慢于表面溫度,其日變化曲線滯后于表面溫度,且隨著深度增加,日變化幅度減小,滯后愈加明顯。

圖3 2013年12月-2014年11月BFG站表面溫度(Ts)、20 cm處水溫(T20)、50 cm處水溫(T50)和氣溫(Ta)的平均日變化(a:春季;b:夏季;c:秋季;d:冬季;e:年平均)(圖中陰影表示各衛(wèi)星傳感器過境太湖的時刻)Fig.3 Diurnal variations in the surface temperature (Ts), the water temperature at 20 cm depth (T20), the water temperature at 50 cm depth (T50) and the air temperature (Ta) at the BFG site from December 2013 to November 2014 (a: spring; b: summer; c: autumn; d: winter; e: annual mean) (The passing over time of each satellites are denoted by the gray bars)

研究衛(wèi)星在太湖過境時刻的“皮膚效應(yīng)”,不僅可以量化表層水溫驗證遙感反演表面溫度結(jié)果時的誤差,還可以為多源遙感產(chǎn)品融合構(gòu)建太湖水溫長時間序列提供參考。常用于表面溫度反演的衛(wèi)星熱紅外傳感器在太湖過境時的Ts與T20、Ts與T50的差值如表 1所示。以年平均日變化為例,AVHRR日間過境時(14:00),暖“皮膚效應(yīng)”顯著,Ts-T20和Ts-T50分別為1.38和1.73℃;凌晨過境時(2:00)呈冷“皮膚效應(yīng)”,強度明顯降低,Ts-T20和Ts-T50分別為-0.42和-0.32℃。MODIS-Aqua凌晨過境(01:30)和午后(13:30)過境時,太湖水溫呈現(xiàn)與AVHRR類似的“皮膚效應(yīng)”晝夜對比特征。01:30時Ts-T20和Ts-T50分別為-0.40和-0.29℃;13:30時Ts-T20和Ts-T50分別為1.35和1.64℃。其他衛(wèi)星多在10:00-10:30過境,此時太湖水溫暖“皮膚效應(yīng)”數(shù)值約為峰值的一半。如Landsat的TM/ETM+/TIRS傳感器、環(huán)境資源衛(wèi)星(HJ)的IRS傳感器、FY-3的MERSI與VIRR傳感器以及ENVISAT-AATSR過境時,Ts-T20和Ts-T50在0.58～0.75℃之間。

太湖“皮膚效應(yīng)”強度在四季之間存在差異。暖“皮膚效應(yīng)”在春季最強,Ts-T20和Ts-T50最大值分別為1.54和1.90℃;夏季最弱,最大值分別為1.07和1.44℃。秋冬兩季介于春夏之間,秋季Ts-T20和Ts-T50最大值分別為1.30和1.81℃,冬季分別為1.59和1.77℃。可見,由于“皮膚效應(yīng)”的存在,表層水溫觀測值無法直接驗證衛(wèi)星午后過境反演得到的太湖湖面溫度,特別是在春季,其偏差最大接近2℃。在夜間,這種驗證帶來的偏差小于0.5℃。

2.1.2 太湖表面溫度和表層水溫的季節(jié)變化 2013年12月-2014年11月BFG站Ts、T20和T50月均值的季節(jié)變化如圖4所示。太湖水溫呈夏高冬低的季節(jié)變化特征,水溫在春季開始升高,7月達(dá)到峰值,月均值接近30℃,其后水溫下降,1月降至最低,月均值約為6℃。

圖4 2013年12月-2014年11月BFG站表面溫度(Ts)、20 cm處水溫(T20)、50 cm處水溫(T50)和氣溫(Ta)的季節(jié)變化箱式圖Fig.4 Box plot of seasonal variation in surface temperature (Ts), water temperature at 20 cm depth (T20), water temperature at 50 cm depth (T50) and the air temperature (Ta) at the BFG site from December 2013 to November 2014

相較于日尺度,季節(jié)尺度上太湖表面溫度與表層水溫之間差異更小,這與太湖的淺水特性有關(guān)[44-45]。太湖水溫在3和5月存在微弱的熱力分層,Ts-T20和Ts-T50分別為0.65和0.71℃。除1月外,冬季Ts-T50均小于0.4℃。雖然1月氣溫全年最低(5.8℃)、太陽輻射較弱(110 W/m2),但該月風(fēng)速(4.1 m/s)低于年平均風(fēng)速(4.9 m/s),低風(fēng)速抑制了湖水的動力混合,可能導(dǎo)致該月呈現(xiàn)微弱的“皮膚效應(yīng)”,Ts-T20和Ts-T50分別為0.53和0.67℃。

2.1.3 太湖表面溫度和表層水溫的年際變化特征 太湖表面溫度和表層水溫在年際尺度上均呈上升趨勢(圖5)。10年中,Ts、T20和T50年均最低值均出現(xiàn)在2012年,分別為17.5、17.4和17.4℃,最高值均出現(xiàn)在2020年,分別為18.8、18.5和18.4℃。10年間,太湖水溫升溫速率隨深度增加而遞減。Ts升溫速率最快,為0.14℃/a(P<0.01),T20和T50的升溫速率相當(dāng),均為0.12℃/a(P<0.05)。對比東山站同期2 m氣溫可見,10年間,氣溫數(shù)值均低于BFG站3層水溫,但上升趨勢與水溫一致,升溫速率與Ts接近,為0.14℃/a(P<0.01)。此外,從10年間溫度波動來看,太湖表面溫度的標(biāo)準(zhǔn)差與氣溫相當(dāng),均為0.43℃,高于T20和T50的標(biāo)準(zhǔn)差(0.36℃)?？梢?太湖表面溫度能快速響應(yīng)氣象條件變化,升溫速率與氣溫相當(dāng),但比表層水溫升溫速率快0.02℃/a。

圖5 BFG站表面溫度(Ts)、20 cm處水溫(T20)、50 cm處水溫(T50)和DS站氣溫(Ta)的年際變化(**表示年際變化趨勢在0.01水平上顯著,*表示年際變化趨勢在0.05水平上顯著)Fig.5 Interannual variations in surface temperature (Ts), water temperature at 20 cm depth (T20), water temperature at 50 cm depth (T50) at the BFG site and air temperature at the DS site

2.2 不同天氣條件下的太湖水溫“皮膚效應(yīng)”

2.2.1 晴天與陰天 由圖6可見,“皮膚效應(yīng)”數(shù)值隨風(fēng)速增大而減小,除風(fēng)速大于11 m/s外,晴天時Ts-T20和Ts-T50均較陰天時更大。晴天時,當(dāng)風(fēng)速小于0.5 m/s時,Ts-T20和Ts-T50數(shù)值均超過3℃,隨著風(fēng)速增大,Ts-T20和Ts-T50迅速減小。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到2.5 m/s后,Ts-T20和Ts-T50隨風(fēng)速增加趨于平穩(wěn)。當(dāng)風(fēng)速超過8 m/s 時,Ts-T20與Ts-T50的數(shù)值趨于零,此時各層湖水均勻混合,這與Yang等[31]研究結(jié)果一致。陰天時,Ts-T20與Ts-T50隨風(fēng)速增大而減小的趨勢與晴天結(jié)果一致,但Ts-T20與Ts-T50的數(shù)值比晴天時小0.15～0.28℃?？梢?晴天與陰天條件下,太湖水溫的“皮膚效應(yīng)”隨風(fēng)速的變化幅度高達(dá)3℃,與Prats等[35]的研究結(jié)果相近。而風(fēng)速相同時,晴天比陰天的“皮膚效應(yīng)”最多高0.5℃。

圖6 BFG站晴天與陰天條件下Ts-T20(a)、Ts-T50(b)隨風(fēng)速的變化(▽和○分別代表晴天和陰天條件下的區(qū)間平均值,區(qū)間大小為1.5 m/s,對應(yīng)的誤差線為區(qū)間內(nèi)觀測值的標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.6 Changes of Ts-T20 (a) and Ts-T50 (b) with wind speed under clear-sky and cloudy conditions at the BFG site (The triangle and the circle are the means of the intervals under clear-sky and cloudy conditions, respectively. The width of the interval is 1.5 m/s, and the corresponding error bar is standard deviation)

2.2.2 大風(fēng)與小風(fēng) 大風(fēng)條件下,隨著晴空指數(shù)Kt增加,Ts-T20和Ts-T50呈現(xiàn)先增后減的變化特征(圖7a)。當(dāng)Kt<0.5時,Ts-T20和Ts-T50隨Kt增加而增大;當(dāng)Kt接近于0.5時,達(dá)到峰值;當(dāng)Kt>0.5時,溫差隨Kt增加而下降。小風(fēng)條件下,Ts-T20和Ts-T50隨晴空指數(shù)的變化趨勢與大風(fēng)時結(jié)果一致,但數(shù)值更大(圖7b)。大風(fēng)和小風(fēng)時Ts-T20和Ts-T50的差異在Kt接近0.5時最大,分別為1.19和1.85℃。隨著Kt偏離0.5,差異減小。當(dāng)Kt接近于1時,兩者無明顯差異。Kt接近于0時,“皮膚效應(yīng)”在大風(fēng)條件下雖然接近于0,但在小風(fēng)條件下依然能觀測到約1℃的正“皮膚效應(yīng)”。

圖7 BFG站點大風(fēng)與小風(fēng)條件下Ts-T20(a)、Ts-T50(b)隨晴空指數(shù)的變化(□和△分別代表小風(fēng)和大風(fēng)條件下的區(qū)間平均值,區(qū)間大小為0.2,對應(yīng)的誤差線為區(qū)間內(nèi)觀測值的標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.7 Changes of Ts-T20(a) and Ts-T50(b) with clearness index under strong wind and weak wind conditions at the BFG site(The square and the triangle are the means of the intervals under the conditions of weak wind and strong wind, respectively. The width of the interval is 0.2, and the corresponding error bar is standard deviation)

如圖8所示,太湖水溫“皮膚效應(yīng)”隨著太陽輻射增強而增大,且增大趨勢在小風(fēng)天氣下更加明顯。當(dāng)K↓由50 W/m2增至950 W/m2時,大風(fēng)條件下,Ts-T20和Ts-T50均增加了1℃;小風(fēng)條件下,Ts-T20和Ts-T50分別增加了1.9和2.3℃。當(dāng)K↓=50 W/m2時,大風(fēng)和小風(fēng)條件下的“皮膚效應(yīng)”差異不足0.4℃,但兩者之間的差異隨著K↓增強而增大;當(dāng)K↓=950 W/m2時,大風(fēng)和小風(fēng)條件下的“皮膚效應(yīng)”差異達(dá)到1.9℃。

圖8 BFG站點大風(fēng)與小風(fēng)條件下Ts-T20(a)、Ts-T50(b)隨太陽輻射的變化(□和△分別代表小風(fēng)和大風(fēng)條件下的區(qū)間平均值,區(qū)間大小為100 W/m2,對應(yīng)的誤差線為區(qū)間內(nèi)觀測值的標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.8 Changes of Ts-T20(a) and Ts-T50(b) with solar radiation under strong wind and weak wind conditions at the BFG site(The square and the triangle are the means of the intervals under the conditions of weak wind and strong wind, respectively. The size of the interval is 100 W/m2, and the corresponding error bar is standard deviation)

晴天小風(fēng)時Ts-T20和Ts-T50最大(圖9),均值分別為1.23和1.64℃,中位數(shù)分別為0.95和1.39℃。陰天大風(fēng)時Ts-T20和Ts-T50最小,均值分別為0.32和0.39℃,中位數(shù)分別為0.14和0.19℃?？梢娫谇缣煨★L(fēng)條件下,太湖“皮膚效應(yīng)”最顯著,這與以往研究結(jié)果一致[17,26-27,31,35,48]。而較弱的太陽輻射與強風(fēng)速帶來的湖水混合,使太湖觀測不到熱力分層。陰天小風(fēng)下Ts-T20和Ts-T50均值分別為1.04和1.49℃,與晴天小風(fēng)時結(jié)果最為接近,但強于晴天大風(fēng)下的結(jié)果(0.58和0.77℃)。結(jié)合圖7、8和9可知,相較于太陽輻射,風(fēng)速對于太湖水溫“皮膚效應(yīng)”的影響更大,說明對于太湖這樣的淺水湖泊而言,風(fēng)的擾動是影響湖水熱力分層的主要因素。Yang等[31]指出太湖水體在日尺度上的對流主要由風(fēng)擾動引起,風(fēng)可以驅(qū)動湖水的湍流運動,使水體上下混合均勻,從而減弱“皮膚效應(yīng)”。鑒于風(fēng)速對“皮膚效應(yīng)”的重要性,諸多研究提出了利用風(fēng)速計算“皮膚效應(yīng)”的參數(shù)化方案[19,28,49-50]。但這些參數(shù)方案均源自海洋觀測,會嚴(yán)重低估太湖水溫的“皮膚效應(yīng)”,在低風(fēng)速時尤為明顯(圖10)。為此,根據(jù)太湖觀測數(shù)據(jù),本文給出了晴天條件下適用于太湖的“皮膚效應(yīng)”的風(fēng)速參數(shù)化方案為:ΔT= 0.4885+6.359exp(-1.173Ws),陰天條件下適用于太湖的“皮膚效應(yīng)”的風(fēng)速參數(shù)化方案為:ΔT= 0.1639+3.498exp(-0.7639Ws)(圖10)。Ts-T50隨風(fēng)速變化的擬合結(jié)果與Ts-T20類似。

圖9 4種天氣條件下太湖表面溫度與表層水溫差異(Ts-T20和Ts-T50)的小提琴圖Fig.9 The violin plot of the difference between the surface temperature and the bulk temperature of Lake Taihu (Ts-T20 and Ts-T50) under four different weather conditions

圖10 BFG站點晴天(a)和陰天(b)條件下Ts-T20隨風(fēng)速變化的擬合曲線Fig.10 Fitting curves of Ts-T20 with wind speed at the BFG site under clear-sky (a) and cloudy (b) conditions

基于太湖中尺度通量網(wǎng)10年的表面溫度和表層水溫觀測數(shù)據(jù),得到太湖水溫“皮膚效應(yīng)”白天為正、夜間為負(fù),這一晝夜變化特征與以往研究結(jié)果一致[18,27,35],但不同內(nèi)陸水體間的“皮膚效應(yīng)”數(shù)值存在差異。如法國Bimont Reservoir在上午10:00時水下55 cm處“皮膚效應(yīng)”約為0.34℃[35],低于本文結(jié)果(0.86℃)。美國Lake Tahoe[24-25]、Lake Ramsey[51]的“皮膚效應(yīng)”常年為負(fù)值,主要是因為表層水溫觀測深度較淺(2～5 cm),該薄層內(nèi)水溫主要受分子熱傳導(dǎo)控制,使得該觀測深度處水溫常年高于表面溫度。作為典型的大型淺水湖泊,太湖觀測的暖“皮膚效應(yīng)”在午后接近2℃,可以推斷深水湖泊暖“皮膚效應(yīng)”會更強,利用表層水溫觀測值直接驗證衛(wèi)星反演的深水湖泊表面溫度帶來的誤差可能更大。

太湖表面溫度和表層水溫的升溫趨勢與氣溫一致,尤其是表面溫度(圖5),這與以往研究結(jié)果一致[6,47,52-55]。太湖升溫速率明顯高于Sharma等[5](0.3℃/(10 a))和Schneider等[3](0.13℃/(10 a))得到的全球湖泊的平均升溫速率,這一差異可能與研究時段不同有關(guān)。若將研究時段固定在2010-2019年,張運林等[46]研究發(fā)現(xiàn)50 cm處太湖水溫升溫速率為1.79℃/(10 a),高于本研究的結(jié)果(1.13℃/(10 a)),這一差異可能與水溫觀測站點的選取有關(guān)。張運林等[46]采用太湖棧橋水域每日2:00、14:00與20:00 3個時刻50 cm處水溫觀測數(shù)據(jù),該觀測點離岸約50 m,易受周邊人為活動等的影響。本研究的BFG站離岸最近距離超過4 km,觀測數(shù)據(jù)受周邊環(huán)境影響較小。對于大型湖泊,采用近岸觀測數(shù)據(jù)可能會高估湖泊升溫速率,有必要在湖泊中心開展觀測,以客觀地表征湖泊水體的升溫速率。表面溫度和表層水溫都可以用來量化湖泊升溫速率[3,5-6,46,52-55]。太湖近10年觀測數(shù)據(jù)顯示其表面溫度上升速率比50 cm處水溫上升速率快0.02℃/a,若不考慮“皮膚效應(yīng)”,直接使用遙感反演的表面溫度表征的太湖升溫速率會比傳統(tǒng)的表層水溫觀測結(jié)果快0.02℃/a。

3 結(jié)論

基于太湖2011-2020年輻射四分量、水溫梯度和小氣候觀測數(shù)據(jù),量化了不同時間尺度(日、季節(jié)與年際)上、不同天氣條件(晴天大風(fēng)、晴天小風(fēng)、陰天大風(fēng)和陰天小風(fēng))下太湖表面溫度與表層水溫的差異,結(jié)論如下:

1)太湖四季和年平均的Ts、T20和T50皆呈現(xiàn)單峰型日變化。暖“皮膚效應(yīng)”在15:00-16:00最強,Ts-T20和Ts-T50分別為1.54和1.95℃;冷“皮膚效應(yīng)”在7:00-8:00最強,Ts-T20和Ts-T50分別為-0.50和-0.34℃。“皮膚效應(yīng)”強度春季最強,Ts-T20和Ts-T50日最大值為1.54～1.90℃;夏季最弱,Ts-T20和Ts-T50日最大值為1.07～1.44℃。用表層水溫觀測值直接驗證衛(wèi)星午后過境反演得到的太湖湖面溫度,其偏差接近2℃,尤其在春季。在夜間,驗證偏差小于0.5℃。

2)太湖Ts、T20和T50均呈夏高冬低的季節(jié)變化特征,三層水溫數(shù)值差異不顯著。太湖表面溫度與表層水溫的在年際尺度上均呈上升趨勢,其中Ts上升最快,為0.14℃/a(P<0.01),與同期氣溫上升速率相當(dāng)。T20和T50的上升速率均為0.12℃/a(P<0.05)。直接使用遙感反演的表面溫度表征的太湖升溫速率會比傳統(tǒng)的表層水溫觀測結(jié)果快0.02℃/a。

3)晴天小風(fēng)時暖“皮膚效應(yīng)”最顯著,Ts-T20和Ts-T50均值分別為1.23和1.64℃;陰天大風(fēng)時“皮膚效應(yīng)”最不顯著,Ts-T20和Ts-T50均值分別為0.32和0.39℃。相較于太陽輻射,風(fēng)速對太湖水溫“皮膚效應(yīng)”的影響更大?，F(xiàn)有的參數(shù)方案會低估太湖水溫的“皮膚效應(yīng)”,在低風(fēng)速時尤為明顯?；?0年觀測數(shù)據(jù)建立了適用于太湖晴天和陰天條件下“皮膚效應(yīng)”風(fēng)速參數(shù)化方案。