作者:刁雯蕙 来源:中国科学报 发布时间:2023/10/24 12:00:29
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跨越100年,他们为全球湖泊绘制高清“温度地图”

 

全球变暖已成为世界面临的重要挑战之一。近年来,全球变暖导致的湖泊表面温度持续上升,引发了湖泊缺氧、藻类爆发、鱼类死亡等诸多湖泊生态问题。

10月23日,《自然—水》刊登了南方科技大学环境科学与工程学院副教授冯炼课题组的最新研究成果。研究团队针对全球9万多个湖泊,绘制了从1981年至2099年的高时间分辨率的湖泊表面温度数据集(GLAST),是当前分布范围最广、时间跨度最大、时间精度最高的湖泊表面“温度地图”。

该研究有望为探索全球湖泊生态系统对气候变暖的响应机理提供基础数据集,为制定有效的生态环境保护和应对气候变化的策略提供新思路。

这是继今年三月份在《自然》封面文章揭示全球近海藻华爆发趋势之后,冯炼团队又一次收获的重要成果。在论文通讯作者冯炼看来,任何事情的成功都不是一蹴而就的,每一个环节都需要时间沉淀。做科研要厚积薄发,方能水到渠成。

绘就全球湖泊高清“温度地图”

湖泊温度是重要的水质参数,在湖泊生态系统、局地气候系统等方面发挥着重要作用,也进一步影响湖泊水生生物的生存和发展。

高分辨率的湖泊温度数据集是了解湖泊温度变化及其驱动机制的重要资料。以往的研究中,湖泊温度数据集存在空间分布不广、时间跨度较短、观测数据来源不统一等问题,导致无法准确反映湖泊温度的变化规律。

如果能高分辨率地呈现湖泊表面温度变化,将能为探索整个湖泊生态系统研究提供重要的基础数据集,也能进一步为环境策略制定提供依据。

针对现有研究的不足,2020年10月,冯炼团队开始了建立高分辨率全球湖泊温度数据集的研究工作。

“目前关于湖泊温度变化的研究主要基于实测数据、遥感观测、数值模拟等手段进行。然而,受到云干扰等影响,遥感观测资料常会出现数据缺失等问题。此外,想要获取全球尺度的湖泊精准参数同样是一个巨大的挑战。”论文第一作者童艳介绍。

对此,研究团队将卫星观测数据与数值模拟手段相结合,以近300万张热红外遥感图像反演的湖泊温度观测结果作为边界条件,实现了对全球92245个湖泊的小时尺度、逐湖泊对象的模拟,确定了每个湖泊的最优参数方案。经过三年的时间,建立了全球湖泊历史时期(1981-2020年)小时尺度和未来时期(2021-2099年)日尺度的高时间分辨率湖泊表面温度数据集(GLAST)。

全球湖泊温度变化趋势的空间差异和时间变化 研究团队供图

 

“与现有的数据集相比,GLAST数据集具有高时间分辨率,数据时间跨度大,精度更高、空间分布更广等优势,呈现了全球湖泊在不同小时、不同季节、不同纬度、不同地区等各个时段和区域之间的表面温度变化。”论文合作作者、南科大环境科学与工程学院博士后皮雪晖介绍道。

当前,能够覆盖全球湖泊的水温数据集包括来自欧洲中期天气预报中心提供的ERA5-Land数据集,但该数据集与实测温度的误差大约为两度左右。“我们从不同时间尺度对两个数据集进行了验证与比较,发现GLAST数据集的精度更高,与实测湖泊温度的误差仅为一度左右。”论文合作作者、南科大环境科学与工程学院博士生王欣驰说道。

证实全球湖泊变暖

尽管全球湖泊变暖成为了共识,其背后原因和驱动机制仍未可知。“我们在观察长期趋势发现,全球湖泊呈现普遍变暖趋势,但整体变化速率比气温变暖的速率要慢。”童艳介绍。

研究团队发现,在1981至2020年期间,全球湖泊温度每十年平均上升0.24摄氏度,而同时期湖上气温的趋势是每十年上升0.29摄氏度,说明了与全球气温变暖的速率相比,湖泊表面温度变暖的速率更慢。“这在一定程度上说明了,湖水生态系统应对自然环境挑战时具备一定的韧性和自我调节能力。”童艳说道。

“湖泊温度变化趋势还存在空间差异。我们发现北极地区的湖泊平均变暖速率是非北极地区的2倍多,例如位于芬兰的伊纳里湖,每十年的湖泊温度上升0.73摄氏度,而在热带的玻利维亚的科伊帕萨湖,每十年的湖泊温度上升0.15度。”童艳介绍。

研究团队在进行了归因分析后发现,气温对全球湖泊变暖速率的贡献为47%,而长波辐射、比湿度和太阳辐射的贡献总和超过了50%。这表明,气温以外的气象因素对于湖泊表层升温的影响不容忽视。

童艳介绍,湖泊吸收辐射能量的同时,也会以潜热和显热等形式释放能量,使得湖泊温度升高幅度减缓。研究团队发现,作为能量损失的主导项,潜热通量是中低纬度湖泊表面变暖速率慢于气温的主要原因。而对于高纬度地区,湖冰减少带来的加速变暖削弱了潜热损失带来的缓解效应,使北极湖泊具有与气温相当的变暖速率。

“厚积薄发,水到渠成”

这是冯炼团队在今年三月份发表《自然》封面文章之后,又一次收获重要成果。科研成果频出的秘诀是什么?一直以来,冯炼团队聚焦水环境遥感领域进行了多年的深耕和探索,在他看来,越好的研究就像是高耸入云的大楼,挖的地基就要越深,厚积薄发,方能水到渠成。

冯炼(前排左一)与童艳(前排右三)及团队合影 研究团队供图

 

“科学研究需要批判思维。同时,要用完美主义的态度探索科学问题,当你觉得研究结果已经是100%时,如果再坚持一下,再往前走一步,或许会有更多出乎意料的发现。”冯炼说道。

提到“坚持”二字,童艳深有感触。2020年,正在冯炼课题组读博士二年级的童艳刚刚结束水色遥感监测方面的研究,便马不停蹄地开始了探索高分辨率全球湖泊温度数据集的研究工作。三年的时间里,童艳大多数时间在“阅读文献”“找数据”“下数据”“跑数据”“画图”“讨论”“修改重画”中度过。

“最难的不是处理这些数据,而是在庞大的数据量面前如何提炼有价值的研究结果,这个过程也让我明白了做科研不能固步自封,多交流,多思考,坚持就是胜利。”她说道。

冯炼表示,尽管GLAST数据集已经呈现出了高时间分辨率,但仍有上升空间。“未来我们将进一步探索更多小湖泊的温度监测和高精度模拟,及湖泊温度的空间模拟和垂向变化。同时,进一步思考如何将该数据集与湖底缺氧、温室气体释放、水生生物栖息地转移和湖泊藻华爆发等现象结合,以更加深入揭示湖泊热变化引起的水生态环境效应。”

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s44221-023-00148-8

 

 

 
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