青藏科考

青藏高原湖冰消融末期近表层湖温普遍跃升

文章来源 :
2021-09-07 14:44

青藏高原上分布的众多湖泊,是“亚洲水塔”的重要组成部分。自20世纪90年代中期以来,青藏高原北部湖泊冰期延长,而南部冰期缩短,这对冬春季湖面蒸发量有明显影响。由于缺乏观测资料,目前对高原湖泊冰期的湖泊热力过程知之甚少。

“亚洲水塔动态变化与影响”任务“亚洲水塔区水循环动态监测与模拟”专题研究团队基于高原多个湖泊的湖温廓线观测资料,发现从湖面结冰融化期的某个时间节点开始,近表层湖水温度普遍存在快速上升的现象,有的咸水湖泊温度甚至上升了7~8 ℃(图1)。这一温度跃升开始的时间节点正好对应湖水最大密度对应的温度(称作“临界温度”)的发生。在湖水到达这一临界温度前,升温很缓慢;一旦超过这一温度,冰下湖温出现跃升,直至湖冰完全融化。为解释该现象,该研究提出了如下湖泊热力过程发展的三阶段理论模型来解释该现象(图2):

湖面结冰后,冰下湖水通过热传导失去能量,导致湖冰加厚,此时整个湖水温度低于临界温度(图2中的第一阶段)。当春季来临,气温回升,湖冰开始融化,与此同时太阳辐射增强和湖冰厚度减薄使得更多的太阳辐射穿透湖冰加热湖水,导致近冰层水温上升。由于此时湖水温度普遍低于临界温度,湖水温度上升导致其密度增加,因此表层湖水下沉,促进对流混合,使整个湖泊水温上升缓慢(图2的第二阶段)。当湖水温度上升到临界温度后,太阳辐射的进一步加热使得近表层湖水温度超过临界温度,湖水密度减小,形成了稳定的热力分层;同时由于冰层隔离了风的影响,近表层湖水也无法与次表层混合。因此,太阳辐射的非均一加热导致了近表层的湖水快速升温(图2的第三阶段)。这一阶段湖水温度的跃升还存在一个正反馈,即:近表层水温升高湖水稳定性加强,湖冰融化加速太阳辐射更易穿透冰层加热增强近表层水温进一步升高。一旦湖冰消失,湖面上的风应力会引起表层和次表层之间的强烈湍流混合,导致表层水温突然下降。

这一现象的出现与青藏高原冬春季气温低、辐射强、湖泊区降雪少、湖泊冰面反照率低等独特气候和地理环境有关,同时与湖水深度和盐度有关。湖水越深,热容量越大,湖冰下水温在春季越难到达临界点,不易出现快速升温。例如纳木错湖深达90多米,在整个湖冰期,其热力状态始终处于第二阶段,没有发生快速升温(图1e)。类似地,盐度越高,临界温度越低,春季冰下湖水升温到临界温度的时间越早,越容易出现快速升温。例如,扎日南木错和达则错盐度高,湖冰融化末期升温越明显(图1c, 1d)。因此,这个三阶段理论模型可以为青藏高原众多的不同深度和盐度的湖泊提供春季热力结构的参考信息。

该研究以观测事实为基础,指出湖冰消融末期湖温跃升是青藏高原湖泊存在的一个较为普遍的现象,为湖泊模型的发展提供了新的证据,并强调了太阳辐射透过冰层加热湖水的重要性。为了准确模拟青藏高原湖冰物候和湖气相互作用,未来的湖泊模型必须考虑太阳辐射在湖冰中的传输过程以及湖泊盐度等特征,而它们在目前的湖泊模型中很大程度上被忽略了。

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图1 青藏高原上五个湖泊的地理位置和不同深度湖水温度的季节变化:(a)班公错,(b)公珠错,(c)扎日南木错,(d)达则错,(e)纳木错,(f)五个湖泊地理位置。图中,表示湖水最大密度对应温度,灰色区域表示湖泊冰期,蓝色虚线线框表示近表层湖水快速升温时段。


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图2解释湖冰消融末期湖水快速升温现象的三阶段概念模型。在湖冰融化第二阶段结束时,整个湖水密度均一,湖水温度达到临界温度()。图中从上往下的红色箭头的宽度表示太阳辐射的强度


文章信息:Lazhu, Yang Kun, Hou Juzhi, Wang Junbo, Lei Yanbin, Zhu Liping, Chen Yingying, Wang Mingda, He Xiaogang. (2021). A new finding on the prevalence of rapid water warming during lake ice melting on the Tibetan Plateau. Science Bulletin.

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.07.022