青藏高原拉昂錯(cuò)熱力分層和混合層深度變化特征觀測(cè)*

蘇榮明珠，馬偉強(qiáng)，馬耀明,3，謝志鵬，王賓賓，胡 偉，劉景時(shí)

(1:中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所，北京 100101)(2:中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)(3:中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101)

湖泊作為地表的重要組成部分，連接著大氣圈和陸地水圈. 湖泊與大氣間的能量和物質(zhì)交換不僅影響區(qū)域氣候系統(tǒng)，也是環(huán)境變化的指示器[1]. 湖泊的溫度變化會(huì)引發(fā)熱通量交換并改變湖表的風(fēng)場(chǎng)，在湖氣間水熱交換中起著關(guān)鍵作用[2-4]. 湖泊的熱結(jié)構(gòu)也影響區(qū)域天氣和氣候系統(tǒng)[5-6]，同時(shí)影響流域內(nèi)降水的分布[7]. 此外，湖表溫度直接響應(yīng)大氣環(huán)境的強(qiáng)迫，進(jìn)而影響湖泊內(nèi)部熱力層結(jié)的變化[8]. 因此，研究湖泊熱力分層變化特征，能加深我們對(duì)湖氣間相互作用變化的認(rèn)識(shí)，有助于理解湖泊周邊氣候環(huán)境的變化規(guī)律.

湖泊熱力結(jié)構(gòu)不僅與外部環(huán)境相互作用，也驅(qū)動(dòng)著水體內(nèi)部的各種理化過程和動(dòng)力過程. 水體受熱膨脹產(chǎn)生垂直密度差異，進(jìn)而形成穩(wěn)定分層或發(fā)生混合. 湖泊最上層是湖泊混合層，即溫度、密度在垂直方向分布基本均勻，湍流旺盛的水體[9]. 該層直接與大氣進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，對(duì)水體整體的垂直輸送具有重要作用. 混合層下是溫度梯度較大的溫躍層和位于湖泊底部受擾動(dòng)較少的湖下層，溫躍層較為穩(wěn)定的層結(jié)結(jié)構(gòu)抑制了湖泊上下物質(zhì)能量交換，因此湖下層水體貧氧，有大量營(yíng)養(yǎng)物和污染物堆積[10-11]. 當(dāng)混合層深度較小時(shí)，水體呈較為穩(wěn)定的熱力層結(jié)，將限制水中溶解物質(zhì)的傳遞，影響水中生物的養(yǎng)分供給[12-14]. 因此，湖泊熱分層與混合過程對(duì)水體中的溶解氣體、營(yíng)養(yǎng)物、污染物的垂直分布和輸送、湖泊環(huán)境和水生生物群落變化都有重要影響[15-17]. 研究湖泊分層和混合層深度特征，明確真實(shí)的湖水混合過程，有利于深入理解湖泊內(nèi)部循環(huán)過程，了解水生環(huán)境狀況，為水質(zhì)問題做出預(yù)警.

青藏高原擁有地球上海拔最高、數(shù)量最多、面積最大的高原湖泊群，湖泊數(shù)量和面積分別占全國(guó)總量的39.2%和51.4%[18]. 近年來，受氣候變化的影響，長(zhǎng)期緩慢的氣溫上升和短期極端的高溫使湖泊的熱力混合過程發(fā)生了顯著的變化[19]. 其他地區(qū)的相關(guān)湖泊研究表明，氣溫升高會(huì)使熱分層持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)[20]，混合減弱使湖泊底層缺氧[21]，秋季湖泊混合消失[22]，湖泊混合類型轉(zhuǎn)變[23]. 而青藏高原作為“亞洲水塔”[24]，升溫速率是全球溫度變化的3倍左右[25]，而大多數(shù)高原湖泊的混合類型尚不明確. 青藏高原大部分湖泊都在經(jīng)歷快速的擴(kuò)張，部分湖泊冰期縮短，湖表溫度升高，分層時(shí)間延長(zhǎng)[26-28]. 但囿于自然條件等因素的限制，高原湖泊的觀測(cè)研究較少，本就不明確的高原湖泊內(nèi)部混合過程對(duì)氣候變化的響應(yīng)更容易被忽視. 因此，明確當(dāng)前高原不同湖泊的混合類型和混合規(guī)律，有利于明確高原湖泊類型和湖沼學(xué)特征，了解高原湖泊生態(tài)的狀況，為高原湖泊模擬和變化評(píng)估提供參考.

目前國(guó)內(nèi)水體熱力分層和混合的研究面臨的最主要問題就是觀測(cè)資料的匱乏，對(duì)于自然條件惡劣的高原湖泊來說更是如此. 以往的研究雖然發(fā)展了一些利用常規(guī)氣象資料和湖泊性質(zhì)資料(深度、透明度等)模擬湖泊溫度的垂直分布的湖泊模型，但在實(shí)際應(yīng)用中仍需要水溫的廓線觀測(cè)進(jìn)行校正[29-30]. 例如Flake模型模擬的湖表溫度偏高，熱力層結(jié)發(fā)展快[31]；CLM模型模擬的表層溫度偏低，湖水混合不充分[32]；GLM模型在夏季湖水分層時(shí)模擬的湖泊溫度誤差較大，溫躍層深度大于觀測(cè)值[33]. 而湖泊模式要求數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率最好在1 h以內(nèi)[34]，高分辨率觀測(cè)數(shù)據(jù)的匱乏使湖泊內(nèi)部熱力狀況難以驗(yàn)證以及模式驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存在誤差[35]. 因此，展現(xiàn)高原湖泊真實(shí)、連續(xù)的熱力變化規(guī)律，明確真實(shí)的混合過程，加深對(duì)高原不同湖泊動(dòng)力過程和熱力過程的理解，這也是本文的意義所在.

拉昂錯(cuò)作為藏南水系中面積較大的湖泊[36]，受西風(fēng)和季風(fēng)交替影響，對(duì)西風(fēng)和印度季風(fēng)引發(fā)的降水變化非常敏感. 本研究基于高時(shí)間分辨率、連續(xù)的水體垂直溫度變化數(shù)據(jù)，對(duì)拉昂錯(cuò)的熱力分層規(guī)律和混合層深度變化進(jìn)行探究，并分析其影響因素，旨在豐富高原湖泊熱過程觀測(cè)資料，為進(jìn)一步優(yōu)化湖水混合參數(shù)化，提高湖泊模擬能力提供參考.

1 研究區(qū)域與方法

1.1 湖泊概況

拉昂錯(cuò)(30°35′～30°51′N, 81°06′～81°19′E, 4572 m a.s.l.)，湖區(qū)位于我國(guó)西藏自治區(qū)普蘭縣，屬藏南山地灌叢草原半干旱氣候，年均氣溫約2.0℃，年降水量150～200 mm[36-37]. 湖泊呈湯勺狀，北部為河流沖積扇，深度較淺，深度10 m左右，中間部分為狹長(zhǎng)連接處，深度25 m左右，南部為開闊湖區(qū)，深度為40 m左右，最大實(shí)測(cè)深度49.03 m[38]. 湖泊面積242.9 km2，呈退縮趨勢(shì)，湖中露出多個(gè)島嶼，長(zhǎng)29 km，寬17 km，平均寬9.26 km[39]. 集水面積2551.5 km2，主要依賴北部干噶河、那曲補(bǔ)給. 湖水pH值8.6，屬中度碳酸鹽型微咸水湖.

1.2 觀測(cè)方法

湖水溫度觀測(cè)時(shí)段為2019年6月3日0時(shí)至10月28日0時(shí)，時(shí)間間隔為15 min. A點(diǎn)(30.62°N, 81.18°E)為垂直溫度梯度測(cè)點(diǎn)(圖1)，水深39.5 m. 觀測(cè)儀器為美國(guó)Onset公司U22水溫傳感器，溫度計(jì)深度分別為0.5、1、1.5、4.5、9.5、14.5、19.5、24.5、29.5、34.5和39.5 m. B點(diǎn)(30.61°N, 81.17°E)和C點(diǎn)(30.60°N, 81.26°E)為水面溫度測(cè)點(diǎn)(圖1)，處于湖岸邊緣，觀測(cè)儀器為美國(guó)Onset公司U20可記錄溫度的水位傳感器. 由于西藏特殊的氣候和地理環(huán)境，拉昂錯(cuò)冰期較長(zhǎng)，冬季湖泊會(huì)被冰層完全覆蓋. 湖泊結(jié)冰會(huì)將浮球凍結(jié)在內(nèi)，冰層移動(dòng)會(huì)帶動(dòng)儀器移動(dòng)，使測(cè)點(diǎn)發(fā)生偏移，甚至可能使浮球因擠壓而破裂，造成儀器損壞或丟失. 為保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取和可靠性，設(shè)定觀測(cè)時(shí)間為夏季和秋季(6-10月).

氣象觀測(cè)的觀測(cè)時(shí)段為2019年6月6日0時(shí)至10月31日0時(shí)，時(shí)間間隔30 min. 自動(dòng)氣象站(AWS, Auto Weather Station, 30.63°N, 81.18°E)位于湖區(qū)南部湖心島上(圖1). 觀測(cè)儀器為英國(guó)Gill公司GMX600、SN-500傳感器及DL1000數(shù)據(jù)采集器組成的自動(dòng)氣象站，在線計(jì)算半小時(shí)平均溫度、氣壓、風(fēng)速、濕度和四分量輻射和半小時(shí)累計(jì)降水量，采樣頻率10 Hz. 同時(shí)選取中國(guó)氣象局阿里地區(qū)普蘭縣氣象站(AWS-PL, 31.13°N, 81.26°E)氣象數(shù)據(jù)與拉昂錯(cuò)湖區(qū)的氣象觀測(cè)進(jìn)行比較和補(bǔ)充.

圖1 拉昂錯(cuò)湖溫測(cè)站和自動(dòng)氣象站分布

1.3 混合層深度的計(jì)算

混合層是水體表層溫度、密度在垂直方向上分布基本均勻的層結(jié)，混合層深度的確定對(duì)量化湖體層結(jié)變化至關(guān)重要. 當(dāng)混合層深度越大，水體越偏向混合狀態(tài)；當(dāng)混合層深度越小，則說明混合作用較弱，水體偏向于層結(jié)狀態(tài). 依據(jù)Kara等[9]的最佳標(biāo)準(zhǔn)ΔT，根據(jù)混合層溫度變化基本均勻?yàn)樘攸c(diǎn)逐層尋找混合區(qū)域. 將表層溫度T1設(shè)為初始參考溫度Tref，根據(jù)上下兩層的溫差是否超出0.1ΔT作為標(biāo)準(zhǔn)來確定水層是否均勻. 若沒有上下兩層水體溫差超過0.1ΔT，則說明水體溫度在垂直方向上分布較為均勻，水體完全混合，此時(shí)混合層深度為湖水深度；若上下兩層水體溫差超過0.1ΔT，此時(shí)，Tref為該層溫度，混合層底部溫度Tb即為與當(dāng)前Tref溫度相差ΔT的溫度. 然后根據(jù)上下兩層的溫度與深度進(jìn)行插值[40]，以減少廓線層數(shù)對(duì)混合層深度計(jì)算的影響，反算出更為合理的混合層深度. 具體方法如圖2所示. 根據(jù)太湖和洱海的研究[41]，將參考標(biāo)準(zhǔn)ΔT設(shè)為0.5℃，利用MATLAB編程進(jìn)行計(jì)算.

圖2 混合層深度計(jì)算流程

2 結(jié)果與分析

2.1 湖泊溫度變化

對(duì)觀測(cè)期間湖泊剖面溫度進(jìn)行日平均，得到拉昂錯(cuò)湖泊溫度變化序列(圖3). 6月至7月中旬，為水體的混合期，整體水溫較為均勻，且水溫逐漸升高，表層水溫從4.8℃升至7.4℃. 表層水和底層水之間偶爾出現(xiàn)輕微的溫度差，但小于1℃，并不能阻止湖水的混合. 從7月中旬開始，水體分層逐漸形成. 7月下旬，強(qiáng)烈的湖面輻射加熱和較低的風(fēng)速促進(jìn)了熱力分層發(fā)展. 8月開始，表層水體溫度迅速升高，中下層水體相對(duì)升溫較慢，水體層結(jié)結(jié)構(gòu)逐漸明晰，但8月中旬湖水分層消退，可能由于風(fēng)速增加使水體垂直湍流作用加劇，導(dǎo)致湖水混合消解. 而后隨著夏季太陽輻射的增強(qiáng)，促進(jìn)了水體熱分層的發(fā)展，湖面的快速變暖也會(huì)削弱對(duì)流，使熱分層結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[42]. 整個(gè)8月份湖表和湖底平均溫差為1.4℃，最大溫差為3.2℃. 9月份太陽輻射減弱，表層湖水溫度持續(xù)波動(dòng)，底層溫度緩慢增高，水表面和底部之間溫度梯度減少，湖水開始混合，出現(xiàn)上下翻轉(zhuǎn)，上層和底層溫度趨于一致. 10月由于氣溫降低，水體不斷向外釋放熱量，表層水溫由9.6℃降至7.0℃，表層和底層平均溫差0.3℃. 從日平均湖水溫度的季節(jié)變化來看，拉昂錯(cuò)春季和秋季混合，冬季結(jié)冰，夏季有持續(xù)數(shù)日的穩(wěn)定溫度層結(jié)，屬于冷多次完全混合型湖泊. 和其他區(qū)域的湖泊相比，青藏高原湖泊垂直溫度梯度變化較小[43-46]，可能與高原海拔較高，空氣溫度較低有關(guān).

圖3 拉昂錯(cuò)日平均湖溫季節(jié)變化

從月平均日變化來看(圖4)，拉昂錯(cuò)在下午4時(shí)左右湖水溫度梯度最大，白天垂直水溫梯度較大，夜晚水溫梯度較小. 白天由于太陽輻射的加熱作用，表層升溫迅速，湖水底層由于熱傳遞的指數(shù)衰減而無法獲得熱量，易于出現(xiàn)溫度層結(jié)，而夜晚向外散失熱量易于混合. 從圖中也可以看出，表層溫度日變化較大，底層溫度日變化較小. 夏季湖水分層期存在一日內(nèi)持續(xù)性的溫度層結(jié)，但隨著夏季溫度升高，整體水溫也在上升，夜晚湖泊向外輻射冷卻也加劇了湖水的混合，使水體以整層一致的趨勢(shì)變化，分層期較短，這與拉昂錯(cuò)相較于其他高原湖泊更為寬淺有關(guān).

圖4 拉昂錯(cuò)月平均湖溫日變化

研究表明，區(qū)域空氣溫度和水表溫度具有較好的一致性[47-49]，在湖泊研究中常利用空氣溫度或湖表溫度估算和預(yù)測(cè)湖泊熱力學(xué)過程進(jìn)而計(jì)算湖泊的能量收支[50]. 由于拉昂錯(cuò)湖心島自動(dòng)氣象站存在數(shù)據(jù)缺測(cè)情況，故利用中國(guó)氣象局阿里地區(qū)普蘭縣氣象站對(duì)空氣溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充. 從圖5中可以看出，普蘭縣自動(dòng)氣象站觀測(cè)的空氣溫度普遍高于湖心島的空氣溫度，對(duì)普蘭縣自動(dòng)氣象站觀測(cè)的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，其經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為y=-3.14+0.84x，擬合后的均方根誤差為1.41. 此外，在目前的研究中，由于觀測(cè)站點(diǎn)的匱乏和在湖中架設(shè)自動(dòng)氣象站的技術(shù)難度，常利用湖泊周邊氣象站點(diǎn)的觀測(cè)替代湖區(qū)的氣象觀測(cè)，在沒有湖中及湖邊鄰近區(qū)域經(jīng)風(fēng)向篩除后的觀測(cè)作為驗(yàn)證的情況下這種做法會(huì)帶來較大的誤差. 同時(shí)，將拉昂錯(cuò)空氣溫度與湖表溫度(0.5 m)進(jìn)行比較，空氣溫度升溫和降溫更快，變化幅度和湖表溫度相比更為劇烈(圖5和圖6). 對(duì)日尺度來說，觀測(cè)期間空氣溫度最高為11.8℃，最低溫度為-3.5℃，而水面溫度最高為11.4℃，最低溫度為4.3℃. 由于水的熱容量較空氣大，水體升溫和降溫速率小于空氣. 從圖5可以看出，氣溫峰值出現(xiàn)在7月底左右，而湖中C點(diǎn)水表溫度的峰值出現(xiàn)在8月底左右，水表溫度的峰值約滯后氣溫1個(gè)月，且水體的降溫速率明顯小于空氣. 6月和7月月平均氣溫高于水溫，8-10月月平均水溫高于氣溫. 對(duì)小時(shí)尺度來說，空氣溫度的日變化幅度同樣高于水面溫度(圖6). 空氣溫度上午8時(shí)左右最小，下午4時(shí)左右最大. 水面溫度上午6時(shí)左右最小，下午5時(shí)左右最大，日較差顯著小于氣溫. 6月開始?xì)鉁刂饾u升高，7月和8月氣溫日變化大致相同，9月氣溫下降與6月大致相當(dāng)，10月溫度顯著降低，日最低溫度低于0℃. 而水面溫度6-8月逐漸上升，8月和9月氣溫日變化大致相同，10月氣溫下降和7月大致相同. 湖表溫度月均溫度的高值出現(xiàn)在8月和9月，而空氣月均溫度的高值出現(xiàn)在7月和8月，由此也可以看出水表溫度變化滯后氣溫1個(gè)月左右.

圖5 湖表溫度和空氣溫度日平均月變化

將湖面敞水區(qū)湖表溫度和沿岸的湖表溫度進(jìn)行比較(圖5)，拉昂錯(cuò)湖表溫度在3個(gè)測(cè)點(diǎn)整體季節(jié)變化較為一致，在湖泊分層期，湖表溫度存在較大的空間差異；在混合期，湖水混合較為均勻，湖表溫度的空間差異減小. 垂直梯度觀測(cè)的A點(diǎn)和與A點(diǎn)距離較近的岸邊B點(diǎn)溫度變化基本一致，從6月起溫度逐漸上升，8月達(dá)到最大值，9月表層溫度逐漸下降，觀測(cè)期間A點(diǎn)和B點(diǎn)的平均湖表溫度分別為8.2和8.0℃. 然而，B點(diǎn)溫度在秋季降溫更快，對(duì)空氣溫度的變化更為敏感. 距離較遠(yuǎn)的岸邊C點(diǎn)與A點(diǎn)呈現(xiàn)出更大的空間差異，6-9月平均溫度為8.8℃，比A點(diǎn)高出0.6℃左右，且8月溫度較為平穩(wěn)，呈持續(xù)升溫的態(tài)勢(shì)，沒有出現(xiàn)與A點(diǎn)和B點(diǎn)相同的震蕩. 因此，利用岸線單點(diǎn)采集的表層水溫?cái)?shù)據(jù)估算湖泊整體的溫躍層深度和湖泊儲(chǔ)熱量會(huì)產(chǎn)生較大的誤差.

圖6 湖表溫度和空氣溫度觀測(cè)期間平均日變化

2.2 水溫垂直分布

混合層是湖泊上部溫度和密度混合相對(duì)均勻的層結(jié)，其深度可以較為清晰的表征水體分層與混合過程，混合層深度越大說明湖水混合更為均勻. 利用觀測(cè)資料對(duì)監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)湖泊混合層深度進(jìn)行計(jì)算，得到其時(shí)間變化序列. 拉昂錯(cuò)的混合層深度在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)總體上呈較為規(guī)律的日變化特征(圖7)，夜間混合層深度較大，部分和湖水深度相同，說明水體上下溫度一致，整層湖水混合均勻；白天混合層深度較小，說明在混合層深度處水體上下層存在較大的溫度差異，出現(xiàn)水體分層現(xiàn)象. 混合層深度的日變化特征與太陽輻射的日變化特征較為吻合. 6月至7月中旬，混合層深度日變化特征較為規(guī)律，夜間混合層深度為完整湖泊深度，垂直溫度一致，充分混合，白天表層混合層深度為10 m左右，湖水吸收太陽能使溫度升高，當(dāng)風(fēng)生流不足以擾動(dòng)整個(gè)水團(tuán)，垂直溫差增加. 7月15和16日混合層深度維持為水體深度的時(shí)間增加，出現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的湖泊混合過程，可能受云層覆蓋的影響，對(duì)應(yīng)時(shí)間的太陽輻射異常偏小，太陽輻射低于月均輻射，而此時(shí)風(fēng)速高于7月平均風(fēng)速，較大風(fēng)速引起的風(fēng)力擾動(dòng)施加于水體表面，加速了湖泊的混合. 而后17日風(fēng)速突然下降，有利于熱力層結(jié)穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)湖泊混合層深度變小，出現(xiàn)湖泊熱力分層，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng). 7月下旬和8月中上旬，混合層深度持續(xù)較小，湖泊整體混合的持續(xù)時(shí)間縮短. 對(duì)應(yīng)時(shí)刻太陽輻射較強(qiáng)，風(fēng)速較小，有利于熱力層結(jié)的維持. 8月5日太陽輻射高于月均輻射，風(fēng)速較小，而后幾天雖然輻射較小，但風(fēng)速也較小，此時(shí)表層水體和深層水體的密度差異較大，即使輻射減弱，表層湖水也不會(huì)冷卻到下沉的地步，湖泊抵抗風(fēng)力和密度流擾動(dòng)能力較強(qiáng)[51]，湖泊仍然可以維持持續(xù)性的溫度層結(jié)結(jié)構(gòu). 8月7日至8月15日，混合層深度持續(xù)較小，湖泊處于持續(xù)性穩(wěn)定分層期. 遺憾的是，持續(xù)層結(jié)發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的氣象數(shù)據(jù)缺測(cè)，無法進(jìn)行更為準(zhǔn)確的比較. 8月23日及隨后的幾天風(fēng)速較小，輻射較強(qiáng)，水體上層和下層溫差逐漸增大，能夠有效阻止水體混合，隨后又出現(xiàn)了持續(xù)多日的層結(jié)結(jié)構(gòu). 9月上旬，混合層深度呈現(xiàn)和6月大致相同的日變化. 而9月中旬開始，分層時(shí)間縮短，混合期增長(zhǎng). 尤其是10月7日和8日、19日和20日，出現(xiàn)了持續(xù)性的湖水混合過程. 結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，這兩段時(shí)間太陽輻射較小，而風(fēng)速較大，使太陽輻射導(dǎo)致的微弱溫差完全被風(fēng)力混合，湖泊向外釋放熱量. 因此，太陽輻射和風(fēng)速對(duì)熱力層結(jié)的發(fā)展和消散起著重要的作用，這與其他水體的研究結(jié)果一致[11]. 太陽輻射強(qiáng)時(shí)，熱力層結(jié)越穩(wěn)定，抑制水體垂直湍流交換，混合層深度較?。欢L(fēng)速大時(shí)，動(dòng)能傳入水體，引發(fā)混合過程，不利于熱力層結(jié)的維持，混合層深度較大.

圖7 拉昂錯(cuò)混合層深度和氣象要素的變化(日期刻度線標(biāo)記處為0：00時(shí)，灰色陰影為混合層深度)

3 討論

湖泊是陸面過程研究的重要組成部分，湖泊模型是研究湖泊過程和局地效應(yīng)重要手段. 熱力和風(fēng)力作為水體混合的主要外界驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)湖泊的數(shù)值模擬至關(guān)重要. 對(duì)熱力來說，包含兩個(gè)相反的作用[52]，當(dāng)水體表層通過輻射作用獲得熱量時(shí)，表層水體升溫比深層水體快，使水體密度隨深度增加，形成分層；而當(dāng)表層水溫高于空氣溫度時(shí)，水體中的熱量向大氣傳輸，表層水體喪失熱量，使表層降溫快于深層水體，形成密度梯度，引發(fā)水體上下混合進(jìn)而破壞原本穩(wěn)定的水體層結(jié)結(jié)構(gòu). 對(duì)風(fēng)力作用來說，風(fēng)力擾動(dòng)使水體垂直湍流作用加劇，引發(fā)湖水混合，消解湖水熱力層結(jié). 因此，湖水的混合和分層狀態(tài)主要受太陽輻射穿透和風(fēng)力導(dǎo)致的湍流混合共同作用，這也是現(xiàn)有湖泊模型都考慮的2個(gè)基本物理過程[34]. Stepanenko等指出目前的湖泊模型對(duì)湖泊熱過程模擬較差原因在于將水體混合過程簡(jiǎn)化為由近地表風(fēng)速主導(dǎo)[53]. Martynov等指出強(qiáng)調(diào)風(fēng)生流主導(dǎo)的混合過程會(huì)弱化湖泊內(nèi)部密度流對(duì)混合的作用，使得春季湖表溫度模擬出現(xiàn)不真實(shí)的增暖[54]. Maclntyre等基于觀測(cè)資料提出除風(fēng)力作用外，熱力作用對(duì)熱量混合同樣起著至關(guān)重要的作用[55]. 有研究者通過提高湍流擴(kuò)散系數(shù)來增強(qiáng)對(duì)湖泊混合過程的模擬[56]，但這種方法會(huì)高估湖底的混合過程[57]. 因此，在利用湖泊模型對(duì)湖泊混合過程進(jìn)行模擬時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮熱力和風(fēng)力二者共同作用，尤其對(duì)青藏高原這種強(qiáng)輻射地區(qū)來說，風(fēng)速主導(dǎo)的混合方案會(huì)帶來更大的誤差.

根據(jù)太陽輻射和風(fēng)力的強(qiáng)弱設(shè)定不同的閾值，分別計(jì)算二者與混合層深度的相關(guān)系數(shù)(表1)，可以看出太陽輻射和混合層深度的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，風(fēng)速和混合層深度的相關(guān)系數(shù)為正值，輻射和風(fēng)速對(duì)湖水分層起相反的作用. 輻射越強(qiáng)，混合層深度越小，湖泊越容易分層；風(fēng)速越大，混合層深度越大，水體垂直混合更為均勻. 當(dāng)太陽輻射處于低值區(qū)時(shí)，混合層深度與太陽輻射的相關(guān)性明顯大于與風(fēng)速的相關(guān)性，此時(shí)處于夜間或太陽升起下落時(shí)，輻射變化較快，表層水溫升溫和降溫較為迅速，輻射相比于風(fēng)速對(duì)湖泊熱過程的作用更明顯. 而當(dāng)輻射處于高值區(qū)時(shí)，二者與混合層深度的相關(guān)系數(shù)差異變小，尤其是當(dāng)輻射和風(fēng)速都處于高值區(qū)時(shí). 此時(shí)往往處于下午輻射最強(qiáng)烈的時(shí)刻，水體多處于分層期，當(dāng)風(fēng)力作用很強(qiáng)時(shí)湖水才發(fā)生混合. 因此，高原湖泊湍流混合方案的建立應(yīng)當(dāng)充分考慮太陽輻射引起的暖層效應(yīng)，而不單單以風(fēng)速為主建立參數(shù)化方案，以期使湖泊模擬更加準(zhǔn)確.

表1 不同條件下太陽輻射和風(fēng)速分別與混合層深度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

青藏高原已有的湖泊觀測(cè)研究表明，高原上大多數(shù)完全混合湖泊都屬于雙季對(duì)流型湖泊，如班公錯(cuò)[58]、納木錯(cuò)[59]、佩枯錯(cuò)[52]等. 這些湖泊一般冬季有冰層覆蓋，夏季穩(wěn)定分層，春季和秋季整層水體完全混合. 根據(jù)Lewis湖泊類型分布圖[60]，經(jīng)海拔校正后青藏高原的大部分湖泊都應(yīng)屬于這種類型. 但是拉昂錯(cuò)的湖泊觀測(cè)資料顯示，該湖泊夏季穩(wěn)定分層持續(xù)的時(shí)間很短，僅數(shù)天，分層不連續(xù)，屬于冷多次混合型湖泊，不符合Lewis的經(jīng)驗(yàn)分布. 這可能與拉昂錯(cuò)北淺南深的湯勺狀的湖盆形狀和冰川補(bǔ)給有關(guān). 王君波等[38]于2010年7月對(duì)拉昂錯(cuò)湖溫的單次測(cè)量也顯示，拉昂錯(cuò)湖水溫度從表層至底層呈急劇遞減趨勢(shì)，與東部的瑪旁雍錯(cuò)相比湖水溫度變化單調(diào)，未達(dá)到穩(wěn)定分層，可能與南部湖盆相對(duì)寬淺和補(bǔ)給不同有關(guān). 因此，高原地區(qū)湖泊混合類型的確定存在很大的不確定性，這也是缺乏觀測(cè)驗(yàn)證的高原湖泊模擬不確定性的主要來源. 同時(shí)，由于8月中旬同步氣象觀測(cè)資料的缺失，無法判斷兩次分層中間間隔的混合期是否為氣象因子的極端變化所導(dǎo)致的異常情況，需要長(zhǎng)期的連續(xù)觀測(cè)來確定. 此外，湖泊的自身性質(zhì)也會(huì)對(duì)湖水熱力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響. 在氣候變化的背景下，湖泊蒸發(fā)、降水、徑流補(bǔ)給的變化會(huì)使湖泊的自身性質(zhì)(如面積、深度、鹽度等)發(fā)生變化[61]，進(jìn)而影響湖泊的混合過程. 而湖泊自身性質(zhì)的變化在本研究中沒有考慮在內(nèi)，如水體垂直鹽度梯度會(huì)影響垂直密度梯度進(jìn)而影響水體垂直運(yùn)動(dòng)和混合過程，需要結(jié)合觀測(cè)在下一步研究中進(jìn)行完善.

4 結(jié)論

本文通過分析青藏高原阿里地區(qū)拉昂錯(cuò)的湖泊溫度和氣象數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

1)拉昂錯(cuò)為冷多次完全混合型湖泊. 夏季間隔出現(xiàn)持續(xù)數(shù)天的分層期，但不足以維持整個(gè)夏季. 春季和秋季完全混合，冬季結(jié)冰. 湖表溫度8月達(dá)到最大值，湖面敞水區(qū)和沿岸的湖表溫度存在空間差異.

2)與湖表溫度相比，拉昂錯(cuò)空氣溫度變化幅度更為劇烈，降溫更快. 6月和7月月平均氣溫高于水溫，8-10月月平均水溫高于氣溫，湖表溫度的峰值滯后氣溫約1個(gè)月.

3)拉昂錯(cuò)混合層深度的日變化較為規(guī)律，下午混合層深度較小，存在水體分層現(xiàn)象，夜間混合層深度較大，水體垂直混合均勻. 太陽輻射和風(fēng)是影響混合層深度變化的兩個(gè)主要外界因子，熱力作用對(duì)拉昂錯(cuò)的湖泊熱過程作用更強(qiáng).

致謝：野外湖泊觀測(cè)工作環(huán)境惡劣、條件艱苦，本文作者衷心感謝中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所參與相關(guān)野外工作的老師和同學(xué)們?cè)诤蟽x器架設(shè)和維護(hù)過程中的付出和幫助！