1975—2018年奥奈达(Oneida)湖夏季不同深度水温变化特征及其对气温变化的响应

高珊珊, 刘阳, 胡婕, 梅雪英,*

1975—2018年奥奈达(Oneida)湖夏季不同深度水温变化特征及其对气温变化的响应

高珊珊1,2, 刘阳1, 胡婕1, 梅雪英1,*

1. 安徽农业大学资源与环境学院, 合肥 230036 2. 河北省气象技术装备中心，石家庄 050021

利用奥奈达湖夏季气温和0、2、4、6和8 m处水温资料, 分析了1975—2018年该湖不同深度水温变化特征及其对气温变化的响应。结果表明: (1)夏季气温与0、2、4、6和8 m处水温均呈极显著升温趋势, 气温的气候倾向率为0.35 ℃·10a-1, 各层水温倾向率均大于气温为0.38—0.40 ℃·10a-1; (2)气温与2 m处水温突变均发生于1994年, 且水温突变发生的年份随深度的增加而推迟; 夏季气温和0、2、4 m处水温的异常偏高年均为2005年, 各层水温异常偏低和偏高年各出现在1992和2005年; (3)夏季0、2、4、6和8 m处水温与气温的温差均呈升高趋势, 分别增加了0.25、0.27、0.14、0.11、0.05 ℃, 水气温差的气候倾向率变化范围为0.02—0.05 ℃·10a-1, 且随着深度的增加, 水气温差的增加幅度变小; (4)夏季平均气温每升高1 ℃, 相当于奥奈达湖0、2、4、6和8 m处夏季均温升高(1.06 ± 0.02) ℃、(1.06 ± 0.02) ℃、(1.04 ± 0.02) ℃、(1.03 ± 0.03) ℃和(1.01 ± 0.03) ℃。研究结果显示, 在相同气候背景下, 随着水深增加, 水温对气温敏感程度逐渐减弱。该研究对了解奥奈达湖水温变化及其对气温的响应具有重要意义。

奥奈达湖; 水温; 气温; 响应

0 前言

全球气候变暖已成为世界关注的热点问题, 根据IPCC第五次评估报告, 近百年来(1880—2012年), 全球地表平均温度大约升高了0.85 ℃, 其中1983—2012年是过去1400年来最热的30年[1]。水温决定着水生态系统的新陈代谢和生产能力, 是影响水生态系统结构、功能和过程的最重要的因子之一[2]。对河流近50年的表层水温变化的研究发现水温变化主要集中在5—10月且受气温的影响较大[3]。水温变化与气温变化呈显著相关性[4]。Hardenbicker等[5]分析了气候变化对莱茵河水温的影响, 预测了未来水温变化趋势, 得出2012—2050年水温变化幅度在0.6—1.4 ℃之间。因此, 水温变化受气温的影响大[3], 然而现有研究多针对河流生态系统, 河流存在着强烈的水层混合。

有关静水水体的研究近年来也逐步受到关注。夏依木拉提[6]对天山西部内流河近50年的水温变化趋势的研究, 发现水温随气温的升高而升高。对千岛湖近1年的水温垂直分层的研究发现水温垂直分布呈现正温分布[7]。因此, 气温对静水水体水温变化也产生影响, 而长序列的不同深度水温对气温变化的响应尚不多见, 成为深入认识静水水体长序列的分层水温对气温变化响应的不足。

奥奈达湖(Oneida Lake)位于美国纽约州中部(43.1N, -75.52W), 拥有丰富的地表水, 是美国纽约州单独管辖的最大和研究最多的内陆湖泊[8]。该湖具有长期的历史观测资料, 包括1975—2018年夏季0、2、4、6和8 m处水温的逐月资料。本研究以奥奈达湖为研究对象, 结合其历史资料, 分析44年来奥奈达湖水温变化特征及其对气候变化的响应, 研究结果有助于深入理解气候变暖背景下奥奈达湖分层水温的变化规律, 以期为进一步认识和评估气候变化对湖泊生态系统的影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

奥奈达湖面积207 km2, 总容积140×107m3, 长33 km, 宽8.7 km, 平均水深6.8 m, 最大深度16.8 m, 岸线长89 km。它的长轴是西—西北—东—东南, 该湖被广泛用于旅游、钓鱼和娱乐。奥奈达湖具有广泛的地表水网络, 拥有七条支流, 三条在北方, 四条在南方。奥奈达湖流域年总流量约为2.13×109m3[9-10]。奥奈达湖流域处于温带大陆性气候区, 四季分明, 年平均气温8.1—11.4 ℃, 夏季日平均气温为15—28 ℃, 年最高气温在7月份, 最低气温在1月份。夏季日均风速为1—5 m· s-1。全年降水频率和强度无明显季节变化, 降水充沛。

1.2 数据来源

本文水温数据来源于康奈尔大学野外生物站的监测数据(https://knb.ecoinformatics.org/knb /metacat/ kgordon. 35.49/default)。该站对奥奈达湖的水温具有长期监测数据, 本研究选择其中的一个监测点的数据(表1), 因湖泊夏季水温较稳定, 选用奥奈达湖1975—2018年夏季(6、7、8月)的0、2、4、6和8 m处水温数据。气温数据来源于美国国家环境信息中心网(https://www.ncdc.noaa.gov/)锡拉丘兹(Syracuse)气象站(距离奥奈达湖最近的城市气象站), 包括1975—2018年夏季平均气温的监测数据。文中所用数据均为1975—2018年各年6—8月平均数据。

1.3 分析方法

本文采用回归分析方法研究夏季平均气温及同期奥奈达湖0、2、4、6和8 m处水温变化特点, 确定气候倾向率; 通过对气温、0、2、4、6和8 m处水温数据进行Mann-Kendall(M-K)非参数检验, 设定的M-K检验的显著性水平为0.05（U0.05=±1.96）以研究其突变特征, 其中UF、UB均为统计量[11]; 采用世界气象组织对气候异常提出的判别标准即距平大于标准差的2倍作为异常, 分析气温和水温的异常特征[12]。

表1 监测站点情况

借鉴前人研究[13]将水温对气温的响应定义为气温变化背景下, 0、2、4、6和8 m处水温的变化程度, 用夏季平均气温每升高1℃, 水温变化的快慢和幅度来表示。

2 结果与分析

2.1 气温与水温变化

1975—2018年奥奈达湖夏季气温呈极显著增温趋势(通过0.01显著性检验), 气候倾向率为0.35 ℃·10a-1。夏季气温在1975—2000年代均低于44a平均气温0.10—0.57 ℃, 在2001—2010及2011—2018年代均高于44a平均气温0.29—0.77 ℃, 其中2011—2018年代气温是44a来最高, 属44a来夏季最暖年代(图1)。

0、2、4、6和8 m处水温(图1)总体呈极显著增温趋势(通过0.01显著性检验)。各层水温气候倾向率为0.38—0.40 ℃·10a-1, 均大于气温的气候倾向率。1975—2000年代各处水温均低于44a平均水温0.18—0.74 ℃, 2001—2010及2011—2018年代均高于44a平均水温0.14—1.00 ℃。1975—2018年各层的夏季水温升高了1.39—1.61 ℃。

2.2 气温与各层水温的气候突变和异常特征

奥奈达湖夏季平均气温与0、2、4、6和8 m处水温的M-K趋势检验的UF和UB曲线交点位置在1994—2004年间, 且均突破α=0.05的上临界值; 气温和0 、2 m处的水温发生突变年份为1994年; 随着水深增加, 突变发生的年份推迟, 4、6 和8 m处水温突变年份分别为1999、2001和2004年。突变后的平均温度均高于突变前。

气温、0、2和4 m处水温异常偏高年一致, 均在2005年, 较44a平均温度分别偏高2.36 ℃、2.06 ℃、2.15 ℃和1.94 ℃(表3)。6和8 m处水温在2012年出现异常偏高现象, 较44a平均温度偏高1.86 ℃和2.10 ℃。 0、2、4、6和8 m处水温在1992年均出现了异常偏低现象, 较44a平均温度分别偏低1.83 ℃、2.06 ℃、2.16 ℃、1.96 ℃、1.92 ℃。各层水温异常年份较一致, 异常偏低和偏高年多在1992年和2005年。

图1 奥奈达湖夏季平均气温(a)和0(b)、2(c)、4(d)、6(e)和8 m(f)平均水温的变化特征

Figure 1 Characteristics of average summer air temperature (a) and water temperature in different layers of 0 (b), 2 (c), 4 (d), 6 (e) and 8 m (f) in Oneida Lake

表2 1975—2012年奥奈达湖夏季平均气温和水温的异常年份

注: (+)表示异常偏高年; (-)表示异常偏低

图2 奥奈达湖夏季平均气温(a)和0(b)、2(c)、4(d)、6 (e)和8 m(f)平均水温的M-K非参数检验结果

Figure 2 Results of average summer air temperature (a) and water temperature of 0 (b), 2(c), 4(d), 6(e) and -8 m (f) by Mannual-Kendall method in Oneida Lake

2.3 水、气温差的变化

44a来, 奥奈达湖夏季0、2、4、6和8 m处水温与气温的温差均呈升高趋势(图3), 这主要是因为夏季0、2、4、6和8 m处水温的增加幅度大于气温的增加幅度。0、2、4和6 m处水、气温差在1981—1990年代明显增加, 8 m水、气温差明显减小; 0、2、4、6和8 m处水、气温差在1991—2000年代明显减小; 0、2、4、6和8 m处水、气温差在2001—2010及2011—2018年代均呈增加趋势; 44a来0、2、4、6和8 m处水、气温差分别增加了0.25、0.27、0.14、0.11和0.05 ℃。

夏季0、2、4、6和8 m处水、气温差的气候倾向率变化范围为0.02—0.05 ℃·10a-1, 随着湖水深度的增加, 水、气温差的增加速率减小, 即湖水越深, 水、气温差的增加幅度越小。

2.4 各层水温对气温的响应

1975—2018年夏季奥奈达湖各层平均水温与平均气温之间呈显著正相关关系(表3)。夏季, 与平均气温相关性最高的为0 m水温, 二者的相关系数为0.90; 随着水深增加, 相关性降低。一元线性回归拟合(均通过0.01的显著性检验)表明: 0 和2 m处水温对气温的响应最敏感, 夏季平均气温每升高1 ℃, 该两层水温均升高1.06 ± 0.02 ℃(95%置信区间, 下同); 4和6 m处水温次之; 对气温的响应敏感度最差的为8 m水温, 线性倾向率为1.01 ± 0.03, 表明夏季平均水温每增加1 ℃, 相当于该层水温升高1.01 ± 0.03 ℃。因此, 0 m、2 m、4 m、6 m和8 m处水温对气温敏感程度逐渐减弱。

3 讨论

本研究表明奥奈达湖夏季气温与0、2、4、6和8 m处水温均呈显著升温趋势, 且各层水温升温率均大于气温。奥奈达湖夏季0、2、4、6和8 m处水温与气温的温差均呈升高趋势。随着水深增加, 水、气温差的增加幅度减小、突变发生的年份推迟且突变后的平均温度高于突变前、水温对气温敏感程度也逐渐减弱。

图3 奥奈达湖夏季0(a)、2(b)、4(c)、6(d)和、8(e)水气温差的变化

Figure 3 The variation of temperatures between average summer water temperatures and air temperatures in Oneida Lake

表3 奥奈达湖夏季各层平均水温对平均气温的响应

注: **表示通过α=0.01的显著性检验。

温度是水体生态系统中最重要的要素之一, 对水质有着重要的影响[14-15]。气候变化和人类活动对湖泊水温变化造成一定影响, 气温的升高是引起水温升高的主要原因[16]。Cao等[17]发现河流水温随着气候变暖而增加, 尤其是夏季。本研究发现近44a来, 奥奈达湖夏季0、2、4、6和8 m处水温均大于气温, 这与倪玉红等[18]对池塘夏季水温的研究结果一致。Kedra等[19]发现波兰北部的湖泊受水坝的影响, 减弱了水温变暖趋势的强度, 致使随着气候的变化, 水温变化趋势比气温变化趋势弱。Leehwkim等[20]对朝鲜永大坝水库和Huang等[21]对纳木错湖的研究均发现水温与气温的变化趋势基本一致。王瑞等[22]发现中国9个湖泊的水温在2000—2015年均呈现先上升后下降的变化趋势, 对气温的响应程度强, 水温和气温的变化趋势基本一致。而本研究发现奥奈达湖夏季气温与各层水温均呈升高趋势, 各层水温倾向率均大于气温, 说明气候变暖背景下, 奥奈达湖的水温变化幅度较气温更大、更强烈。Austin等[23]发现苏必利尔湖夏季水温变暖速度大于气温, 是由于冬天冰层覆盖减少的原因。湖面的冰通过反射太阳辐射, 减少湖泊吸收的太阳辐射, 从而影响湖泊水温。Rudstam等[9]对奥奈达湖多年冰期研究发现, 奥奈达湖冬季冰层覆盖时间逐渐缩短及冰层逐渐变薄, 这可能是奥奈达湖水温倾向率大于气温的原因之一。水温增加会导致水中溶氧减少, 影响湖泊中水生生物和植物的生长发育, 也会加快湖泊的富营养化程度。

关于水、气温差的研究多关注水体表层与气温温差的变化[24-25]。本研究对奥奈达湖夏季0、2、4、6和8 m处水温与气温的温差分析表明, 各处水、气温差为正, 由于各处水温增幅均大于气温, 且随水深的增加, 水温增幅逐渐减小, 44a来0、2、4、6和8 m处水、气温差均呈升高趋势, 随水深的增加, 水、气温差的增加速率减小, 即湖水越深, 水、气温差的增加幅度越小, 水温与气温越接近。

一般情况下, 热量从湖泊表面向湖底传递, 随着水深的增加, 水温最大值出现的时间逐渐滞后[26]。气温对水温的影响主要作用于水体表层, 随水深增加, 水体内搅动下降, 会形成热力分层, 湖泊表层接收到的太阳辐射热量很难传递到下层, 因而受气温的影响减小[27]。本研究发现除0 和2 m水温与气温的突变年份为1994年外, 4、6和8 m各层水温突变年份均晚于气温, 0、2、4、6和8 m处水温对气温敏感程度逐渐减弱, 表明了随着水深的增加, 水温对气温的响应逐渐滞后, 且受气温的影响变小, 这与刘明亮等[28]对新安江水库的研究发现表层水温与气温的相关性最好, 中层水温次之, 下层水温受气温的影响最小的研究结果一致。

4 结论

(1)1975—2018年奥奈达湖夏季气温与0、2、4、6和8 m处水温均呈极显著升温趋势, 气温的气候倾向率为0.35 ℃·10a-1; 各层水温气候倾向率为0.38—0.40 ℃·10a-1, 均大于气温, 比气温的变化更剧烈。

(2)随水深增加, 水温突变发生的年份推迟, 突变后的平均水温均高于突变前。夏季气温和0、2和4 m各层水温的异常偏高年均为2005年, 各层水温出现异常的年份较一致, 异常偏低和偏高年多出现在1992和2005年。

(3)夏季0、2、4、6和8 m处水温与气温的温差均呈升高趋势, 水、气温差的气候倾向率变化范围为0.02—0.05 ℃·10a-1, 且湖水越深, 水气温差的增加幅度越小。

(4)相同的气候背景下, 0 和2 m水温对气温的响应最为敏感, 8 m水温对气温响应的敏感度最低。

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Characteristics of summer water temperature in Oneida Lake with depth and its response to summer air temperature during 1975-2018

GAO Shanshan1,2, LIU Yang1, HU Jie1, MEI Xueying1,*

1. College of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China 2. Hebei Provincial Meteorological Technical Equipment Center, Shijiazhuang 050021, China

Based on the data of temperature, characteristics of summer water temperature in Oneida Lake with depth (0, 2, 4, 6 and 8 m) and its response to summer air temperature from 1975 to 2018 were analyzed. The results are as follows. (1) Both summer air temperature and summer water temperature of 0, 2, 4, 6 and 8 m in Oneida Lake increased significantly with time; the increasing rate ofair temperature was 0.35 ℃·10a-1; the increasing rates of water temperatures in different depth were faster than air temperature to be 0.38-0.40 ℃·10a-1. (2) The abrupt changes of air temperature and water temperatures at 0 and 2 m in summer occurred in 1994 and delayed with depth. The abnormal high summer air temperature and water temperatures of 0, 2 and 4 m occurred in 2005, and the abnormal low summer water temperatures in each depth were mostly occurred in 1992 and 2005. (3) Difference between summer water temperature and air temperature increased by 0.25, 0.27, 0.14, 0.11 and 0.05 ℃ in different layers from 0, 2, 4, 6 and 8 m accordingly. The increasing rate of the difference varied from 0.02-0.05 ℃·10a-1. Moreover, the increasing rate of the difference decreased with depth. (4) The average water temperature in summer would increase (1.06 ± 0.02) ℃, (1.06 ± 0.02) ℃ and (1.04 ± 0.02) ℃ and (1.03 ± 0.03) ℃ and (1.01 ± 0.03) ℃ at depth of 0, 2, 4, 6 and 8 m when the average air temperature in summer increased 1 ℃. So, under the same climate background, the sensitivity of water temperature to air temperature would decline with depth. The results of this study would be useful for understanding the changes of summer water temperature in Oneida Lake and its response to summer air temperature.

Oneida Lake; water temperature; air temperature; response

高珊珊, 刘阳, 胡婕, 等.1975—2018年奥奈达(Oneida)湖夏季不同深度水温变化特征及其对气温变化的响应[J]. 生态科学, 2023, 42(1): 114–120.

GAO Shanshan, LIU Yang, HU Jie, et al. Characteristics of summer water temperature in Oneida Lake with depth and its response to summer air temperature during 1975-2018[J]. Ecological Science, 2023, 42(1): 114–120.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.013

P339

A

1008-8873(2023)01-114-07

2020-11-01;

2021-01-02

国家自然科学基金项目(41771100, 42011530017)

高珊珊(1994—), 女, 山西临汾人, 硕士, 主要从事生态环境方面的研究, E-mail: g1142448389@163.com

梅雪英, 女, 博士, 副教授, 主要从事生态环境方面的研究, E-mail: qxxmxy@163.com