給全球湖泊畫“高清地圖”，竟然是為了這件事

現(xiàn)在，全球的湖泊也有自己的高清地圖啦。

前不久《Nature-Water（自然-水）》刊登了南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授馮煉課題組的最新研究成果。

來源丨Nature Water官網(wǎng)

團(tuán)隊(duì)以全球9萬多個(gè)湖泊為對(duì)象，研究并繪制了從1981年到2099年間的高時(shí)間分辨率的湖泊表面溫度數(shù)據(jù)集，又稱湖泊表面“溫度地圖”。這是目前為止繪制范圍分布最廣、時(shí)間跨度最長、精度最高的湖泊“溫度地圖”，它的出現(xiàn)，能夠?yàn)槿驓夂蜃兣瘧?yīng)對(duì)策略和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供新的思路。

全球湖泊溫度變化趨勢(shì)的空間差異和時(shí)間變化來源丨Nature Water官網(wǎng)

那么，為什么要測量湖泊表面溫度呢？全球湖泊又面臨著什么樣的困境？話不多說，今天小編就來給大家詳細(xì)介紹一下。

1 為什么要進(jìn)行湖泊數(shù)據(jù)收集？

眾所周知，隨著全球二氧化碳排放量的增長，全球變暖日益加劇，我們面臨著前所未有的氣候挑戰(zhàn)。隨著氣溫的不斷升高，全球湖泊溫度在不斷上升，從1981年2020年，全球湖泊溫度每十年間平均上漲0.24℃。藻華會(huì)奪走水中的氧氣，科學(xué)家預(yù)計(jì)下個(gè)世紀(jì)湖泊中的藻華數(shù)量將增加20%。對(duì)魚類和動(dòng)物有毒的藻華將增加5%。如果這種速度持續(xù)下去，甲烷（溫室效應(yīng)比二氧化碳強(qiáng)25 倍）的排放量將在未來10 年增加4%。甲烷排放的增加又會(huì)加劇全球變暖的趨勢(shì)。而且，湖泊溫度上升還會(huì)導(dǎo)致水分蒸發(fā)加快，進(jìn)而使得全球湖泊面臨著萎縮的困境。

今年5月，期刊《Science》刊載了一篇研究論文，來自美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校等的研究團(tuán)隊(duì)利用衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)和水文模型，針對(duì)全球1051個(gè)大型湖泊和921個(gè)大水庫進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)整體上看，全球湖泊水庫的蓄水量呈下降趨勢(shì)，年均減少量高達(dá)220億噸，約等于美國在1995年全國的全年用水量。此次研究觀測的湖泊蓄水量約占全球湖泊蓄水量的96%，也說明了近30年間，全球湖泊縮水現(xiàn)象十分嚴(yán)峻。

2000年-2022年衛(wèi)星拍攝的美國米德湖變化來源丨澎湃新聞

湖泊是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，為全球上千種魚類、水生生物提供了生存家園，還孕育著眾多的鳥類和動(dòng)植物。湖泊還是地球淡水資源的重要來源，為人類的生產(chǎn)和生活提供必要用水，也是漁業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)等多個(gè)行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。湖泊及其周圍環(huán)境構(gòu)筑著一個(gè)復(fù)雜又無比重要的生態(tài)圈，一旦萎縮消失，將使地球物種生存面臨巨大的威脅，對(duì)人們生活造成不良影響。

湖泊蓄水量的變化主要受氣候因素影響，因此，為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境和水資源的可持續(xù)發(fā)展，關(guān)注湖泊溫度變化十分重要。

2 什么是高分辨率湖泊溫度數(shù)據(jù)集？

高分辨率湖泊溫度數(shù)據(jù)集，即針對(duì)湖泊溫度數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測量，是了解湖泊的溫度變化以及驅(qū)動(dòng)機(jī)制的重要材料。

湖泊溫度數(shù)據(jù)集在湖泊研究領(lǐng)域并不是新鮮事，但在過去，湖泊溫度數(shù)據(jù)集存在諸多問題，比如湖泊空間分布范圍較小、時(shí)間跨度不長、數(shù)據(jù)來源標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一等等；而關(guān)于湖泊溫度的研究手段如遙感觀測，也容易受云干擾等影響，甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失等情況。

因此，過去所測量出的湖泊溫度數(shù)據(jù)集往往不能夠準(zhǔn)確地反映出湖泊的溫度變化規(guī)律，為了能更好地獲取湖泊溫度數(shù)據(jù)集，來自南方科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)絞盡腦汁，終于想出了一個(gè)好法子。

研究團(tuán)隊(duì)將衛(wèi)星觀測和數(shù)值模擬手段進(jìn)行結(jié)合，通過將近300萬張的熱紅外遙感圖像反演的湖泊溫度觀測數(shù)據(jù)結(jié)果作為邊界條件，對(duì)全球范圍內(nèi)92245個(gè)大小湖泊進(jìn)行了小時(shí)尺度、逐湖泊對(duì)象的不斷模擬，進(jìn)而確定出每個(gè)湖泊的最佳的參數(shù)方案。

全球湖泊數(shù)量及面積分布來源丨 南方科技大學(xué)新聞網(wǎng)

基于這樣的觀測手段，研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)3年時(shí)間，最終建立起了全球湖泊從1981年到2020年間（歷史時(shí)期）小時(shí)尺度和2021年到2099年（未來時(shí)期）日尺度的高分辨率湖泊表面溫度數(shù)據(jù)集，與實(shí)測的湖泊溫度數(shù)據(jù)誤差只有1℃左右，而全世界另一個(gè)來自歐洲團(tuán)隊(duì)的覆蓋全球湖泊的數(shù)據(jù)集誤差約有2℃。

由此可見，新的數(shù)據(jù)集相比原有的湖泊溫度數(shù)據(jù)集，覆蓋的時(shí)間跨度更長、空間分布更廣、精度也更高，能呈現(xiàn)全球湖泊在不同的季節(jié)時(shí)間段、不同的緯度地區(qū)的表面溫度變換，對(duì)于科學(xué)家們研究湖泊變化與環(huán)境保護(hù)能起到更有效的參照作用。

3 有關(guān)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的新發(fā)現(xiàn)

除了湖泊表面溫度數(shù)據(jù)，在實(shí)際研究中，研究團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)了一些有關(guān)湖泊溫度變化的新訊息。

從整體上看，全球湖泊整體普遍呈現(xiàn)出變暖趨勢(shì)，但該團(tuán)隊(duì)表示，湖泊溫度變化速率較湖上氣溫變化要慢一些，這說明了湖泊在應(yīng)對(duì)氣候變化上有一定的自我調(diào)節(jié)能力。

此外，不同地區(qū)湖泊的溫度變化速率也各不相同，比如北極地區(qū)的湖泊升溫速率是其他地區(qū)湖泊升溫速率的兩倍多。這個(gè)發(fā)現(xiàn)在另一項(xiàng)研究中也被證實(shí)。

由中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用了隨機(jī)森林和方差分解分析的方法，針對(duì)夏季全球345個(gè)溫帶湖泊的溫度觀測，發(fā)現(xiàn)湖泊上層水溫比氣溫的增長速率更快，但湖泊下層水溫卻出現(xiàn)變冷趨勢(shì)。

即便是在氣候特征相同的地區(qū)里，不同湖泊的水溫變化速率也各不相同，深水湖泊、尤其是高海拔、流域土地利用以自然土地利用為主的湖泊，對(duì)于全球變暖的響應(yīng)更加敏感，這同樣說明了不同湖泊對(duì)于氣候變化的敏感性存在差異。

湖泊水溫主要影響因子，ATT表示氣溫變化速率，ETT表示湖泊上層水溫變化速率，HTT表示湖泊下層水溫變化速率

來源丨Controls of thermal response of temperate lakes to atmospheric warming

這個(gè)發(fā)現(xiàn)有助于人們更好地預(yù)測湖泊生態(tài)系統(tǒng)在響應(yīng)氣候變化方面的能力，避免采用一刀切的方式來管理所有的湖泊生態(tài)系統(tǒng)，而考慮到不同湖泊敏感性差異而選擇制定更有效、針對(duì)性更強(qiáng)的應(yīng)對(duì)策略。水是生命之源，湖泊是人類和地球共同的的寶貴資源，全球湖泊“溫度地圖”的出現(xiàn)，讓現(xiàn)有的湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究邁上了全新臺(tái)階，但對(duì)于湖泊萎縮的現(xiàn)狀，我們尚沒有更多的有效措施得以解決。

未來，我們希望能有更多的研究投入其中，深入探索湖泊溫度監(jiān)測，研究如何將現(xiàn)有的資料應(yīng)用到湖泊藻華爆發(fā)、水生生物棲息地變化、溫室氣體排放等領(lǐng)域，以此了解更多由于湖泊熱變化導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境改變。