太湖水温时间变化特征及其影响因素分析开题报告
2022-01-11 04:01
全文总字数：6352字
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
| 湖泊是地球气候系统的重要组成部分，内陆湖泊占我国国土面积的0.9%（Ma et al., 2011），虽然比例不大，但湖泊生态系统对人类生产生活有着很大的影响，起到调节气候，平衡大气的作用。首先，湖泊的水温和上方空气温度影响着湖泊的感热与潜热交换，进而影响湖泊的能量平衡，湍流能量通量（）等于湖泊的可利用能量（Nordbo et al., 2014）。其次，由于水陆热力差异，在沿湖地区所激发的基本的热力环流--湖陆风，影响着局地降水的时空分布（李维亮等， 2003）、流域内污染物的扩散（Sills et al., 2011）。同时，湖风环流会使湖岸边进而发生二次污染过程（Lyons et al., 1978）。湖风环流和城市热岛环流存在相互促进的过程（刘寿东等，2015）而且大气通过影响湖泊热力和动力结构，影响水体表层混合层深度，决定了水气之间的热量动量垂直交换通量，不同层次的水温进而影响水生生态系统中的水生生物生长及溶解氧的平衡状态等（Thomson et al., 1995；Berger et al., 2006）。 研究亚热带浅水湖泊水温的时空分布也有着重要意义。首先，与北方中高纬度的深水湖泊相比，亚热带湖泊不会结冰，有冰覆盖的湖泊，湖泊-大气的相互作用减弱。在日尺度和季节尺度上，亚热带的浅水湖泊与大气的相互作用的反应速度要比北部深湖更迅速(Bai and Wang, 2012; Blanken et al., 2000, 2011)。其次，深海或温带湖泊通常是两季混合的：在春季和秋季经历周转，夏季发生热分层（Oswald et al., 2004）。深度较大的湖泊分层稳定（Xing et al.,2014）而浅层湖泊的对流翻转则是日尺度，白天形成稳定分层，夜间则处于对流不稳定状态(Deng et al., 2013)。浅水型湖泊的温度成层温差小、持续时间短，变化快，过程更加复杂（张玉超等，2008）。目前对太湖水温分层特征分析大多基于短时间、间断性的观测，缺乏长时间、高频率、多季节的比较研究。 太湖是中国第三大淡水湖，面积2400平方公里，平均水深1.9米。湖面高程高于平均海平面3米。湖泊面积37,000平方公里（wang et al., 2014）。系典型的大型浅水湖泊。 太湖流域属亚热带季风气候区, 四季分明, 雨水丰沛, 气温年较差较大（赵巧华等， 2013）。湖泊水体混合或分层对环境和生态具有显著指示意义，能够提高对未来湖泊水环境状况的评价与管理。温度是湖库科学研究中的重要环境参数之一，湖泊的温度的状况及其分层现象将直接或间接的影响到湖库水环境中的各种物理、生化过程。因此，研究大型浅水湖泊的水体温度的时空变化特征和分层对水生生态环境演变，局地天气及气候系统有着重要的影响。本文基于太湖中尺度通量网的水温廓线和辐射、风速、风向、相对湿度、降雨等气象观测数据，分析20122016年太湖水体温度的时间和空间变化特征及其影响因素，阐明太湖水体热力结构的时间变化、垂直变化规律，并在此基础上为太湖流域水资源管理提出合理建议，改善水生生态环境，提供准确的流域天气预报、科学的防灾减灾措施。 |
国内外研究现状
一． 湖泊和水库水体温度的多尺度（小时、日、季节和年际）时间变化特征及其影响因素
目前，国内外有关湖泊、水库水温的时间变化分析特征研究大多数主要分析夏秋两季的变化，但也有部分研究观测水温的日变化，或者选取具有代表性的时期进行其他尺度的时间变化特征分析。另外，由于不同季节水位有所变化，研究水温周年时间变化时考虑使用不同深度温度链数据（赵林林等，2013）。
相关湖泊水温的日变化的研究表明：湖泊表层的最高水温，出现在14-20时，最低水温出现在5-8时；夏季由于日出早日落晚，因此最高水温出现的时间稍迟，一般为18-20时，冬季提前为14-16时；最低水温夏季常出现在5-7时，冬季为6-8时（王洪道等，1980）。太湖是典型的大型浅水湖泊，属亚热带季风气候区，四季分明，雨水丰沛, 气温年较差较大。夏季，太湖水温基本呈逐日升高的趋势，秋季，某些时期水温急剧下降，随之水温基本维持。两季水温均呈明显的日变化，但夏季日变化较秋季更明显。同时秋季水温明显低于夏季。（赵巧华等，2013）浅层热带湖泊水表面的温度日变化明显，中层和底部的水温变化缓慢，历时数天（Xing et al., 2014）。夏季湖水温度一般在白天成正温层分布，早上5-6 时及晚上18-19 时水温几乎成同温层分布。一天内不同时间水温垂向分布的不同，说明了浅水型湖泊水温存在着日成层现象（赵林林等， 2011）。
影响因素：夏季水体获取的净热量通量大于秋季。在水温下降时段，不仅水体获取的入射辐射较小，而且从水体释放的能量也较大，这一现象尤其体现在秋季。
二．基于多站点观测数据分析湖泊和水库水体温度的空间变化特征及其影响因素
在浅层热带湖泊的研究中，因为冷流入的流入，支流流入汇合处较深的地方水体温度与湖泊其他位置水温有着较大的差异。且主河道与较浅支流的水平温差差异较大（Xing et al., 2014）在较低的热容条件下，湖泊的浅部区域可能会经历比深层区域温度更快的升温和冷却，从而导致水温的空间变异性。例如，加拿大在冰期破裂后，近海岸地表温度比湖的最深区域温度高10摄氏度(Schertzer et al.， 2003)。在相关太湖的研究中，发现水体势能异常不仅存在日变化，而且呈现明显的空间差异：湾区较易形成相对稳定的水体层化，且可能维持多天；而位于西岸、湖心区湖南部区域的水体势能异常呈典型的日分层现象，即白天可能形成层化，晚间基本消失。水体获得的热量存在空间差异，但差异度较小，而动力混合作用的空间差异明显。动力混合作用的空间差异是造成水体势能异常或层化空间分异的主要成因。
水体获得的热量存在空间差异，但差异度较小；而动力混合作用的空间差异明显。动力混合作用的空间差异是造成水体势能异常或层化空间分异的主要成因（赵巧华等，2015）。
二． 分析湖泊和水库水体温度的垂直变化特征（分层的时间变化规律）及其影响因素
水表层混合层的主要特征是温度和密度随深度的变化基本均匀。国内外部分研究通过研究表层混合层随时间的变化特征来讨论水体温度垂直变化特征。夏秋两季混合层深度变化有显著差异。夏季深水湖泊能维持持续的分层现象，秋季有明显的日分层现象，而浅水湖泊仅可能存在日分层现象，深水湖泊表层混合层深度较同期浅水湖泊更浅；浅水湖两季的表层混合层深度变化较深水湖泊频繁，其中浅水湖泊水体混合与分层的交替的过程对气象条件的响应更为迅速（赵巧华等， 2013）。在季节差异方面，春季的热分层比冬季更强，强烈的热分层现象出现在夏季，温度梯度延伸至底部，持续时间较长。太湖地区的相关研究利用RMLD（相对MLD），将太湖地区热结构划分为3个不同的状态，即完全混合状态接近混合状态和分层状态，研究分析低风速，强太阳辐射时易达到分层状态。太湖的热分层不随季节而变化，但在短期内变化很大（一天到几天）（yang et al., 2018）。且水温垂向分层还有拐点，冬、春季约为水下0. 5 m处，夏季、秋季约为水下1 m处。（赵林林等，2011）相关亚热带人工深水水库的研究，如对千岛湖地区的研究表明：夏季形成明显分层，全年水温分层时间长( 4～ 12 月)，混合期短(1～3月)，是典型的亚热带单混合水体 （董春颖等，2013）。
影响因素：国内外研究表明，影响浅层热带湖泊的水温分层因素可概括为三种动力学机制：太阳辐射（主要机制），风的机制，冷流入机制以太阳辐射为主的时期，净热通量影响水库分层；大风的时期，水柱的分层主要由于风的混合作用；冷流入时期则是由于大量降雨导致水温发生变化（Xing et al., 2014）。另有研究表明主要影响因素是风的作用引起的机械扰动以及白天的太阳辐射，夜间辐射冷却引起的热扰动。热接收期在只有热扰动作用的情况下，垂直方向的水温产生差异，热分层发展。夜间辐射冷却的热对流不会破坏分层，抑制了垂直运输的发生，导致了较低的层处于低氧状态。风作用而引起的混合层厚度的增加率是热对流的4倍（Bui et al., 2009 ）。由于辐射变化和水体在垂线上的增温和降温的强度不同，使水体呈现明显的分层现象，且分层现象具有明显的日变化和年变化（赵林林等，2011）。对于太湖浅湖研究表明，较低风速，晴朗的日子有利于形成分层。当短波辐射较小时，太湖难以存在分层现象或存在非常弱的分层现象，相对较高的平均风速导致了动态混合，阻止了巨大的垂直温差从而发生混合（yang et al., 2018）。对于浅水湖泊来说，水深是抑制其存在稳定持续分层的关键因素；但在较强的辐射条件下，可形成日分层现象；深水湖泊中净热量通量是影响其是否存在持续、稳定分层的主要因子 （赵巧华等， 2013）。冬季特定静风低温期会产生逆温层，产生较大温差。此外，影响垂直分层的因素还有气温、水密度和比热、藻华堆积等。随着太阳辐射强度的增加水温温差先增加后减小，气温的急剧变化影响表层水温，引起垂向分层;夏季大量藻华堆积可引起较大水温分层（赵林林等，2011）。在漂浮植物存在的情况下，白天太阳辐射引起的加热或夜间的辐射冷却受到抑制，与其他观测值相比，上升和下降水温的过程较慢（Bui et al., 2009 ）。
2. 研究的基本内容
太湖涡流网络由五个湖区站点和一个陆地站点组成，5个湖区站点分别为位于太湖梅梁湾东南沿岸，太湖西部沿岸的大浦口，胥口湾内的避风港，太湖中心区域的平台山，太湖南岸的小雷山，陆地站点位于太湖东岸的东山半岛。气象观测要素为2012-2016年太湖地区站点的不同深度的水温和辐射、风速、风向、相对湿度、降雨等。水温温度链观测的垂向深度为：0.2，0.5，1，1.5，2.0m。
1.分析太湖水体温度的多尺度（小时、日、季节和年际）时间变化特征及其影响因素；
基于太湖实测的温度链水温数据，结合辐射和其他气象观测数据，分析太湖水体温度的时间变化特征，可从不同时间尺度进行分析：
3. 实施方案、进度安排及预期效果
1.实行方案（技术流程图）
4. 参考文献
[1]bui quoc lap, n .v .tuan et al., formation and disappearance of thermal stratification in a small shallow lake .environment science ., 2009. 54(1): 251–259.
[2]赵林林, 朱广伟, 陈元芳, 等. 太湖水体水温垂向分层特征及其影响因素[j] .水科学进展, 2011, 22(6):844.
[3]赵林林, 朱梦圆, 冯龙庆, 等. 太湖水体理化指标在夏季短时间尺度上的分层及其控制因素 [j] .湖泊科学, 2011, 23(4):650.
