全球9万个湖泊的“温度地图”了

全球变暖已成为全世界面临的重要挑战之一。近年来，全球变暖导致湖泊表面温度持续上升，引发湖泊缺氧、藻类暴发、鱼类死亡等湖泊生态问题。

南方科技大学环境科学与工程学院副教授冯炼课题组针对全球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。这是当前分布范围最广、时间跨度最长且精度最高的湖泊表面“温度地图”。10月23日，相关成果发表在《自然·水》上。

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气候变化应对策略提供新思路。

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、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。

针对现有研究的不足，2020年10月，冯炼团队开始高分辨率的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。然而，受云干扰等影响，遥感观测资料常会出现数据缺失等问题。此外，获取全球尺度的湖泊精准参数，同样是一项巨大的挑战。”论文第一作者、南方科技大学环境科学与工程学院博士后童艳介绍说。

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为边界条件，对全球92245个湖泊实现了小时尺度、逐湖泊对象的模拟，确定了每个湖泊的最优参数方案。他们经过3年时间，建立了全球湖泊历史时期（1981年至2020年）小时尺度和未来时期（2021年至2099年）日尺度的高时间分辨率的湖泊表面温度数据集。

“与现有数据集相比，新数据集具有时间分辨率高、数据时间跨度长、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、不同地区等的表面温度变化。”论文作者之一、南方科技大学环境科学与工程学院博士后皮雪晖说。

当前，能覆盖全球湖泊的水温数据集还有来自欧洲中期天气预报中心的ERA5-Land数据集，但该数据集与实测温度的误差为2摄氏度左右。“我们从不同时间尺度对两个数据集进行了验证与比较，发现我们的数据集精度更高，与实测湖泊温度的误差仅为1摄氏度左右。”论文作者之一、南方科技大学环境科学与工程学院博士生王欣驰说。

全球湖泊呈现普遍变暖趋势

“我们在观察长期趋势时发现，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。”童艳说。

在1981年至2020年期间，全球湖泊温度每10年平均上升0.24摄氏度，而同时期湖上气温每10年上升0.29摄氏度。“这在一定程度上说明湖泊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。”童艳告诉《中国科学报》。

研究发现，湖泊温度变化趋势存在空间差异。“我们发现北极地区的湖泊平均变暖速率是其他地区的两倍多。”童艳说，“例如，位于芬兰的伊纳里湖湖泊温度每10年上升0.73摄氏度，而地处热带的玻利维亚的科伊帕萨湖，湖泊温度每10年上升0.15摄氏度。”

研究团队进行归因分析后发现，气温对全球湖泊变暖速率的贡献率为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。

湖泊在吸收辐射能量的同时，也会以潜热和显热等形式释放能量，从而使升温减缓。研究发现，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。而在高纬度地区，湖冰减少使变暖加速，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。

厚积薄发方能水到渠成

冯炼团队聚焦水环境遥感领域进行了多年深耕和探索。这是今年3月冯炼团队在《自然》发表封面文章揭示全球近海藻华暴发趋势之后，再次收获的重要成果。

科研成果频出的秘诀是什么？在冯炼看来，做研究就像建大楼，大楼越高，地基就要挖得越深，厚积薄发，方能水到渠成。

“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，或许就会有更多出乎意料的发现。”冯炼说。

提到“坚持”二字，童艳深有感触。从2020年研究工作开启以来，童艳的大多数时间都在阅读文献、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，而是如何从庞大的数据中提炼有价值的结果。这个过程让我明白了做科研不能故步自封，要多交流、多思考，坚持就是胜利。”她说。

“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，以及湖泊温度的空间模拟和垂向变化。同时，我们将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暴发等现象结合，以更加深入地揭示湖泊热变化引起的水生态环境效应。”冯炼说。

◎ 来源|中国科学报