1975—2018年奧奈達(Oneida)湖夏季不同深度水溫變化特征及其對氣溫變化的響應

高珊珊, 劉陽, 胡婕, 梅雪英,*

1975—2018年奧奈達(Oneida)湖夏季不同深度水溫變化特征及其對氣溫變化的響應

高珊珊1,2, 劉陽1, 胡婕1, 梅雪英1,*

1. 安徽農業大學資源與環境學院, 合肥 230036 2. 河北省氣象技術裝備中心，石家莊 050021

利用奧奈達湖夏季氣溫和0、2、4、6和8 m處水溫資料, 分析了1975—2018年該湖不同深度水溫變化特征及其對氣溫變化的響應。結果表明: (1)夏季氣溫與0、2、4、6和8 m處水溫均呈極顯著升溫趨勢, 氣溫的氣候傾向率為0.35 ℃·10a-1, 各層水溫傾向率均大于氣溫為0.38—0.40 ℃·10a-1; (2)氣溫與2 m處水溫突變均發生于1994年, 且水溫突變發生的年份隨深度的增加而推遲; 夏季氣溫和0、2、4 m處水溫的異常偏高年均為2005年, 各層水溫異常偏低和偏高年各出現在1992和2005年; (3)夏季0、2、4、6和8 m處水溫與氣溫的溫差均呈升高趨勢, 分別增加了0.25、0.27、0.14、0.11、0.05 ℃, 水氣溫差的氣候傾向率變化范圍為0.02—0.05 ℃·10a-1, 且隨著深度的增加, 水氣溫差的增加幅度變小; (4)夏季平均氣溫每升高1 ℃, 相當于奧奈達湖0、2、4、6和8 m處夏季均溫升高(1.06 ± 0.02) ℃、(1.06 ± 0.02) ℃、(1.04 ± 0.02) ℃、(1.03 ± 0.03) ℃和(1.01 ± 0.03) ℃。研究結果顯示, 在相同氣候背景下, 隨著水深增加, 水溫對氣溫敏感程度逐漸減弱。該研究對了解奧奈達湖水溫變化及其對氣溫的響應具有重要意義。

奧奈達湖; 水溫; 氣溫; 響應

0 前言

全球氣候變暖已成為世界關注的熱點問題, 根據IPCC第五次評估報告, 近百年來(1880—2012年), 全球地表平均溫度大約升高了0.85 ℃, 其中1983—2012年是過去1400年來最熱的30年[1]。水溫決定著水生態系統的新陳代謝和生產能力, 是影響水生態系統結構、功能和過程的最重要的因子之一[2]。對河流近50年的表層水溫變化的研究發現水溫變化主要集中在5—10月且受氣溫的影響較大[3]。水溫變化與氣溫變化呈顯著相關性[4]。Hardenbicker等[5]分析了氣候變化對萊茵河水溫的影響, 預測了未來水溫變化趨勢, 得出2012—2050年水溫變化幅度在0.6—1.4 ℃之間。因此, 水溫變化受氣溫的影響大[3], 然而現有研究多針對河流生態系統, 河流存在著強烈的水層混合。

有關靜水水體的研究近年來也逐步受到關注。夏依木拉提[6]對天山西部內流河近50年的水溫變化趨勢的研究, 發現水溫隨氣溫的升高而升高。對千島湖近1年的水溫垂直分層的研究發現水溫垂直分布呈現正溫分布[7]。因此, 氣溫對靜水水體水溫變化也產生影響, 而長序列的不同深度水溫對氣溫變化的響應尚不多見, 成為深入認識靜水水體長序列的分層水溫對氣溫變化響應的不足。

奧奈達湖(Oneida Lake)位于美國紐約州中部(43.1N, -75.52W), 擁有豐富的地表水, 是美國紐約州單獨管轄的最大和研究最多的內陸湖泊[8]。該湖具有長期的歷史觀測資料, 包括1975—2018年夏季0、2、4、6和8 m處水溫的逐月資料。本研究以奧奈達湖為研究對象, 結合其歷史資料, 分析44年來奧奈達湖水溫變化特征及其對氣候變化的響應, 研究結果有助于深入理解氣候變暖背景下奧奈達湖分層水溫的變化規律, 以期為進一步認識和評估氣候變化對湖泊生態系統的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

奧奈達湖面積207 km2, 總容積140×107m3, 長33 km, 寬8.7 km, 平均水深6.8 m, 最大深度16.8 m, 岸線長89 km。它的長軸是西—西北—東—東南, 該湖被廣泛用于旅游、釣魚和娛樂。奧奈達湖具有廣泛的地表水網絡, 擁有七條支流, 三條在北方, 四條在南方。奧奈達湖流域年總流量約為2.13×109m3[9-10]。奧奈達湖流域處于溫帶大陸性氣候區, 四季分明, 年平均氣溫8.1—11.4 ℃, 夏季日平均氣溫為15—28 ℃, 年最高氣溫在7月份, 最低氣溫在1月份。夏季日均風速為1—5 m· s-1。全年降水頻率和強度無明顯季節變化, 降水充沛。

1.2 數據來源

本文水溫數據來源于康奈爾大學野外生物站的監測數據(https://knb.ecoinformatics.org/knb /metacat/ kgordon. 35.49/default)。該站對奧奈達湖的水溫具有長期監測數據, 本研究選擇其中的一個監測點的數據(表1), 因湖泊夏季水溫較穩定, 選用奧奈達湖1975—2018年夏季(6、7、8月)的0、2、4、6和8 m處水溫數據。氣溫數據來源于美國國家環境信息中心網(https://www.ncdc.noaa.gov/)錫拉丘茲(Syracuse)氣象站(距離奧奈達湖最近的城市氣象站), 包括1975—2018年夏季平均氣溫的監測數據。文中所用數據均為1975—2018年各年6—8月平均數據。

1.3 分析方法

本文采用回歸分析方法研究夏季平均氣溫及同期奧奈達湖0、2、4、6和8 m處水溫變化特點, 確定氣候傾向率; 通過對氣溫、0、2、4、6和8 m處水溫數據進行Mann-Kendall(M-K)非參數檢驗, 設定的M-K檢驗的顯著性水平為0.05（U0.05=±1.96）以研究其突變特征, 其中UF、UB均為統計量[11]; 采用世界氣象組織對氣候異常提出的判別標準即距平大于標準差的2倍作為異常, 分析氣溫和水溫的異常特征[12]。

表1 監測站點情況

借鑒前人研究[13]將水溫對氣溫的響應定義為氣溫變化背景下, 0、2、4、6和8 m處水溫的變化程度, 用夏季平均氣溫每升高1℃, 水溫變化的快慢和幅度來表示。

2 結果與分析

2.1 氣溫與水溫變化

1975—2018年奧奈達湖夏季氣溫呈極顯著增溫趨勢(通過0.01顯著性檢驗), 氣候傾向率為0.35 ℃·10a-1。夏季氣溫在1975—2000年代均低于44a平均氣溫0.10—0.57 ℃, 在2001—2010及2011—2018年代均高于44a平均氣溫0.29—0.77 ℃, 其中2011—2018年代氣溫是44a來最高, 屬44a來夏季最暖年代(圖1)。

0、2、4、6和8 m處水溫(圖1)總體呈極顯著增溫趨勢(通過0.01顯著性檢驗)。各層水溫氣候傾向率為0.38—0.40 ℃·10a-1, 均大于氣溫的氣候傾向率。1975—2000年代各處水溫均低于44a平均水溫0.18—0.74 ℃, 2001—2010及2011—2018年代均高于44a平均水溫0.14—1.00 ℃。1975—2018年各層的夏季水溫升高了1.39—1.61 ℃。

2.2 氣溫與各層水溫的氣候突變和異常特征

奧奈達湖夏季平均氣溫與0、2、4、6和8 m處水溫的M-K趨勢檢驗的UF和UB曲線交點位置在1994—2004年間, 且均突破α=0.05的上臨界值; 氣溫和0 、2 m處的水溫發生突變年份為1994年; 隨著水深增加, 突變發生的年份推遲, 4、6 和8 m處水溫突變年份分別為1999、2001和2004年。突變后的平均溫度均高于突變前。

氣溫、0、2和4 m處水溫異常偏高年一致, 均在2005年, 較44a平均溫度分別偏高2.36 ℃、2.06 ℃、2.15 ℃和1.94 ℃(表3)。6和8 m處水溫在2012年出現異常偏高現象, 較44a平均溫度偏高1.86 ℃和2.10 ℃。 0、2、4、6和8 m處水溫在1992年均出現了異常偏低現象, 較44a平均溫度分別偏低1.83 ℃、2.06 ℃、2.16 ℃、1.96 ℃、1.92 ℃。各層水溫異常年份較一致, 異常偏低和偏高年多在1992年和2005年。

圖1 奧奈達湖夏季平均氣溫(a)和0(b)、2(c)、4(d)、6(e)和8 m(f)平均水溫的變化特征

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年奧奈達湖夏季平均氣溫和水溫的異常年份

注: (+)表示異常偏高年; (-)表示異常偏低

圖2 奧奈達湖夏季平均氣溫(a)和0(b)、2(c)、4(d)、6 (e)和8 m(f)平均水溫的M-K非參數檢驗結果

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、氣溫差的變化

44a來, 奧奈達湖夏季0、2、4、6和8 m處水溫與氣溫的溫差均呈升高趨勢(圖3), 這主要是因為夏季0、2、4、6和8 m處水溫的增加幅度大于氣溫的增加幅度。0、2、4和6 m處水、氣溫差在1981—1990年代明顯增加, 8 m水、氣溫差明顯減小; 0、2、4、6和8 m處水、氣溫差在1991—2000年代明顯減小; 0、2、4、6和8 m處水、氣溫差在2001—2010及2011—2018年代均呈增加趨勢; 44a來0、2、4、6和8 m處水、氣溫差分別增加了0.25、0.27、0.14、0.11和0.05 ℃。

夏季0、2、4、6和8 m處水、氣溫差的氣候傾向率變化范圍為0.02—0.05 ℃·10a-1, 隨著湖水深度的增加, 水、氣溫差的增加速率減小, 即湖水越深, 水、氣溫差的增加幅度越小。

2.4 各層水溫對氣溫的響應

1975—2018年夏季奧奈達湖各層平均水溫與平均氣溫之間呈顯著正相關關系(表3)。夏季, 與平均氣溫相關性最高的為0 m水溫, 二者的相關系數為0.90; 隨著水深增加, 相關性降低。一元線性回歸擬合(均通過0.01的顯著性檢驗)表明: 0 和2 m處水溫對氣溫的響應最敏感, 夏季平均氣溫每升高1 ℃, 該兩層水溫均升高1.06 ± 0.02 ℃(95%置信區間, 下同); 4和6 m處水溫次之; 對氣溫的響應敏感度最差的為8 m水溫, 線性傾向率為1.01 ± 0.03, 表明夏季平均水溫每增加1 ℃, 相當于該層水溫升高1.01 ± 0.03 ℃。因此, 0 m、2 m、4 m、6 m和8 m處水溫對氣溫敏感程度逐漸減弱。

3 討論

本研究表明奧奈達湖夏季氣溫與0、2、4、6和8 m處水溫均呈顯著升溫趨勢, 且各層水溫升溫率均大于氣溫。奧奈達湖夏季0、2、4、6和8 m處水溫與氣溫的溫差均呈升高趨勢。隨著水深增加, 水、氣溫差的增加幅度減小、突變發生的年份推遲且突變后的平均溫度高于突變前、水溫對氣溫敏感程度也逐漸減弱。

圖3 奧奈達湖夏季0(a)、2(b)、4(c)、6(d)和、8(e)水氣溫差的變化

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

表3 奧奈達湖夏季各層平均水溫對平均氣溫的響應

注: **表示通過α=0.01的顯著性檢驗。

溫度是水體生態系統中最重要的要素之一, 對水質有著重要的影響[14-15]。氣候變化和人類活動對湖泊水溫變化造成一定影響, 氣溫的升高是引起水溫升高的主要原因[16]。Cao等[17]發現河流水溫隨著氣候變暖而增加, 尤其是夏季。本研究發現近44a來, 奧奈達湖夏季0、2、4、6和8 m處水溫均大于氣溫, 這與倪玉紅等[18]對池塘夏季水溫的研究結果一致。Kedra等[19]發現波蘭北部的湖泊受水壩的影響, 減弱了水溫變暖趨勢的強度, 致使隨著氣候的變化, 水溫變化趨勢比氣溫變化趨勢弱。Leehwkim等[20]對朝鮮永大壩水庫和Huang等[21]對納木錯湖的研究均發現水溫與氣溫的變化趨勢基本一致。王瑞等[22]發現中國9個湖泊的水溫在2000—2015年均呈現先上升后下降的變化趨勢, 對氣溫的響應程度強, 水溫和氣溫的變化趨勢基本一致。而本研究發現奧奈達湖夏季氣溫與各層水溫均呈升高趨勢, 各層水溫傾向率均大于氣溫, 說明氣候變暖背景下, 奧奈達湖的水溫變化幅度較氣溫更大、更強烈。Austin等[23]發現蘇必利爾湖夏季水溫變暖速度大于氣溫, 是由于冬天冰層覆蓋減少的原因。湖面的冰通過反射太陽輻射, 減少湖泊吸收的太陽輻射, 從而影響湖泊水溫。Rudstam等[9]對奧奈達湖多年冰期研究發現, 奧奈達湖冬季冰層覆蓋時間逐漸縮短及冰層逐漸變薄, 這可能是奧奈達湖水溫傾向率大于氣溫的原因之一。水溫增加會導致水中溶氧減少, 影響湖泊中水生生物和植物的生長發育, 也會加快湖泊的富營養化程度。

關于水、氣溫差的研究多關注水體表層與氣溫溫差的變化[24-25]。本研究對奧奈達湖夏季0、2、4、6和8 m處水溫與氣溫的溫差分析表明, 各處水、氣溫差為正, 由于各處水溫增幅均大于氣溫, 且隨水深的增加, 水溫增幅逐漸減小, 44a來0、2、4、6和8 m處水、氣溫差均呈升高趨勢, 隨水深的增加, 水、氣溫差的增加速率減小, 即湖水越深, 水、氣溫差的增加幅度越小, 水溫與氣溫越接近。

一般情況下, 熱量從湖泊表面向湖底傳遞, 隨著水深的增加, 水溫最大值出現的時間逐漸滯后[26]。氣溫對水溫的影響主要作用于水體表層, 隨水深增加, 水體內攪動下降, 會形成熱力分層, 湖泊表層接收到的太陽輻射熱量很難傳遞到下層, 因而受氣溫的影響減小[27]。本研究發現除0 和2 m水溫與氣溫的突變年份為1994年外, 4、6和8 m各層水溫突變年份均晚于氣溫, 0、2、4、6和8 m處水溫對氣溫敏感程度逐漸減弱, 表明了隨著水深的增加, 水溫對氣溫的響應逐漸滯后, 且受氣溫的影響變小, 這與劉明亮等[28]對新安江水庫的研究發現表層水溫與氣溫的相關性最好, 中層水溫次之, 下層水溫受氣溫的影響最小的研究結果一致。

4 結論

(1)1975—2018年奧奈達湖夏季氣溫與0、2、4、6和8 m處水溫均呈極顯著升溫趨勢, 氣溫的氣候傾向率為0.35 ℃·10a-1; 各層水溫氣候傾向率為0.38—0.40 ℃·10a-1, 均大于氣溫, 比氣溫的變化更劇烈。

(2)隨水深增加, 水溫突變發生的年份推遲, 突變后的平均水溫均高于突變前。夏季氣溫和0、2和4 m各層水溫的異常偏高年均為2005年, 各層水溫出現異常的年份較一致, 異常偏低和偏高年多出現在1992和2005年。

(3)夏季0、2、4、6和8 m處水溫與氣溫的溫差均呈升高趨勢, 水、氣溫差的氣候傾向率變化范圍為0.02—0.05 ℃·10a-1, 且湖水越深, 水氣溫差的增加幅度越小。

(4)相同的氣候背景下, 0 和2 m水溫對氣溫的響應最為敏感, 8 m水溫對氣溫響應的敏感度最低。

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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, 劉陽, 胡婕, 等.1975—2018年奧奈達(Oneida)湖夏季不同深度水溫變化特征及其對氣溫變化的響應[J]. 生態科學, 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

國家自然科學基金項目(41771100, 42011530017)

高珊珊(1994—), 女, 山西臨汾人, 碩士, 主要從事生態環境方面的研究, E-mail: g1142448389@163.com

梅雪英, 女, 博士, 副教授, 主要從事生態環境方面的研究, E-mail: qxxmxy@163.com