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HESS:水热通量相位差影响青藏高原湖泊水位季节变化

  

  青藏高原湖泊众多,是“亚洲水塔”的重要组成部分。受气候变化影响,青藏高原内陆区大多数湖泊自90年代末出现显著扩张,但高原南部湖泊出现一定的萎缩。湖泊变化对区域生态环境产生了一定影响。由于地处偏远、气候环境恶劣,青藏高原内陆区系统的湖泊水文气象观测资料较少,限制了人们对湖泊水文过程的认识。在多年连续观测的基础上,中科院青藏高原研究所环境变化与多圈层过程团队类延斌副研究员与其合作者,通过能量平衡方法(波温比)计算了2015-2017年青藏高原南部佩枯错7天平均的湖面蒸发量,发现由于湖水储热量巨大,佩枯错湖面蒸发最大值滞后净辐射约5个月,水热通量的相位差导致湖水水位在季风降水期间明显升高,而在季风结束后明显下降。该研究结果在一定程度上解释了为什么高原深水湖泊比浅水湖泊季节变化幅度大、高原南部湖泊比北部湖泊季节变化幅度大。

  佩枯错位于青藏高原南部,流域面积2377 km2,流域内冰川面积130 km2。对该湖水量变化的研究结果表明,佩枯错平均水深约40.2米,最大水深72.8米,总储水量108.5亿吨。在季节尺度上,湖水水位1-5月缓慢下降,6-9月快速升高,9-12月快速下降。在年际尺度上,过去40年,佩枯错水位下降了3.7米,储水量减少了10.2亿吨,占总储水量的8.5%。佩枯错水位下降与喜马拉雅地区气候的暖干化一致,区域降水减少可能是佩枯错萎缩的主要原因。

  自2015年,研究团队在佩枯错南湖(42m水深)和北湖(70m水深)分别安装了湖温廓线监测仪,同时在岸边安装了大气温湿度监测仪,在此基础上通过能量平衡方法计算七天平均湖面蒸发。湖温廓线监测结果显示,佩枯错湖水每年7-10月出现分层,8月底表层湖水温度最高,而10月底底层湖水温度才达到最高,温跃层出现在水深15米左右。每年11月至翌年5月,佩枯错湖水温度在垂直剖面上达到一致,不存在明显分层。

  作为深水湖泊,佩枯错巨大的储热量显著改变湖面热通量的季节分配。每年4-7月,太阳辐射处于高值,这一时期约66.5%的能量被用来加热湖水,湖面热通量处于低值,湖泊蒸发也处于全年的低值(1.7 mm/day)。每年10月至翌年1月,尽管太阳辐射处于低值,但是湖水春夏季储存的热量在这时释放,湖面热通量处于高值,湖泊蒸发也处于全年高值(5.4 mm/day)。季节尺度上,佩枯错湖面蒸发与净辐射存在大约5个月相位差。2015-2017年佩枯错湖面非结冰期(5-12月)年总蒸发量平均值为975±142 mm。

  对于深水湖泊来说,水热通量的相位差影响湖水位季节变化幅度。每年秋冬季,降水和入湖径流处于低值,而此时湖面蒸发处于全年最高值,湖水水位快速下降(3.8 mm/day)。在夏季季风降水期,降水和冰雪融水处于全年高值,而此时湖面蒸发较低,湖水水位出现快速上升。对于浅水湖泊,由于湖水储热量小,湖面蒸发的高值出现在春夏季节,与季风降水的时间较一致;秋冬季节降水和入湖径流较低时,蒸发也较低,这就导致浅水湖泊的水位季节变化较小。同理,湖面蒸发的季节差异可能也是高原南北部湖泊水位季节变化幅度不一致的重要原因。

  近日,该研究结果以“Contrasting hydrological and thermal intensities determine seasonal lake-level variations – a case study at Paiku Co on the southern Tibetan Plateau”为题发表在国际水文学杂志《Hydrology and Earth System Sciences》上。我所类延斌副研究员为论文第一和通讯作者。本研究获得第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0201)、中国科学院A类战略性先导科技专项(XDA2006020102)、国家自然科学基金项目(41971097 and 21661132003)和青促会项目(2017099)的资助。

  论文链接1  论文链接2

    

  图1 佩枯错湖泊水量平衡观测点位置(a)及等深线(b)和湖温廓线监测图(c)

   

  图2 2015-2018年佩枯错南部(水深42 m, 上)和北部(水深72 m, 下)湖区湖水温度(oC)等值线图

   

  图3 2015-2018年佩枯错水量平衡的主要分量蒸发(a)、降水/河水水位(b)和湖水水位(c)季节变化特征

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