中国主要大型湖泊表面水温变化特征与驱动因素分析

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在全球气候变化的背景下,湖泊表面水温快速上升,在经济发展迅猛的城市地区,湖泊表面水温不仅因气候变暖而发生改变,还受区域人类活动影响而不断增温。由于城市湖泊表面水温的变化将影响流域生态环境,探究其成因才是保护和改善城市湖泊水环境的基础,因此对湖泊表面水温展开归因分析十分重要。中国六大城市型湖泊(巢湖、滇池、太湖、洪泽湖、鄱阳湖和洞庭湖)对流域生态环境和区域经济发展发展有着重要作用,在全球气候变暖和人类活动双重影响下,湖泊表面水温变化显著,水质仍未得到有效改善。湖泊表面水温作为湖泊最重要的物理性质之一,探究其变化特征及驱动机制能为湖泊的治理和流域的可持续发展提供理论支持。本研究基于MODIS地表温度产品数据,选择对中国社会经济发展有重要影响的六个湖泊为研究区,采用趋势分析法、相关性分析法和逐步多元回归分析方法,对不同时间尺度下湖泊表面水温的变化情况进行探究,并比较分析其与影响因子间的相互作用特征,量化各驱动因子对湖泊表面水温的干扰强度,对不同类型湖泊表面水温的变化进行归因分析。本研究的主要结论为:(1)从整体来看,2001年至2018年,中国六大湖泊表面水温的日夜平均全局变化速率为0.31℃/10年,显著高于近地表气温的全局变化速率(0.10℃/10a)。同时,各湖泊的全局变化速率也均呈上升趋势,增温速率也较近地表气温增长速率强。表明除气温外,其他因素的变化也促进了湖泊表面水温的增长;(2)从各湖来看,2001年至2018年,中国六大湖泊表面水温的日均变化速率均呈变暖趋势,且增温速率高于近地表气温变化情况,稳定型湖泊的表面水温增长速率快于波动型湖泊。同时,结合驱动因子和湖泊表面水温变化特征进行分析,表明两者联系紧密。如巢湖和滇池的研究结果表明在不透水表面扩张的背景下,自然因子的变化将影响流域热径流对湖泊表面水温的作用强度。(3)从年尺度来看,驱动因子对所有湖泊的影响具有一致性,湖泊表面水温与近地表气温呈显著正相关且相关系数高于其他驱动因子,这与贡献率结果一致。自然因子对湖泊表面水温解释程度高于人为因子,近地表气温是最重要的驱动因素,但人为因素,特别是不透水表面扩张对湖泊表面水温变化的作用不容忽视,此外人为因素对稳定型湖泊的作用强度高于波动型湖泊。其次,驱动因子对湖泊表面水温的贡献强度在日间和夜间存在差异。自然因子对湖泊表面水温的夜间贡献率较日间低,人为因子的贡献率则相反,在某些湖泊其影响强度甚至超过了自然因子。在日间稳定型湖泊表面水温变化中,人为因子的作用强度与近地表气温和降水量的多年平均值有关,在夜间则与流域不透水表面的增长速率相关。对于波动型湖泊,人为因子的影响存在差异。(4)从季节尺度来看,大部分湖泊日夜平均表面水温在春季、秋季和冬季与自然因子相关性较强,贡献率结果表明,这三个季节湖泊表面水温主要受自然因子作用,近地表气温的影响效果最为显著。夏季人为因子的作用强度则高于其他季节,但仍低于自然因子的贡献率。对于单个湖泊,人为因子和自然因子对日间和夜间表面水温变化的影响强度存在差异。所有湖泊日间表面水温在春季、秋季和冬季均受自然因子,特别是近地表气温影响强烈。夏季则因湖泊类型不同,各湖表面水温驱动因子的贡献率也相差较大。在稳定型湖泊中,人为因子对夏季湖泊表面水温的贡献率均高于自然因子,且对多年平均近地表气温和降水量较强的湖泊作用明显。在波动型湖泊中,虽然人为因子对夏季湖泊表面水温的影响强度高于其他季节,但其贡献率仍低于自然因子。对于夜间湖泊表面水温,除鄱阳湖和太湖外,自然因子对其他湖泊表面水温的贡献率在四个季节均高于人为因子贡献率。(5)本研究表明自然因子对湖泊表面水温变化的贡献率高于人为因子,特别是近地表气温仍占据主导地位。但人为因子对湖泊表面水温的影响强度正随着人类活动的加剧而不断增强,特别是夏季受地表热径流影响,人为因子对湖泊表面水温的影响较其他季节显著增大。
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