气象之于“湖泊”

鄱阳湖、洞庭湖、青海湖、千岛湖……这些湖泊，想必大家已耳熟能详。它们要么碧绿，要么湛蓝。那您见过粉色、红色、五彩斑斓的湖泊吗？湖泊的透明度又是由什么决定的？在“湖”上还能享受世界顶级星空视觉盛宴？这些与气象有着怎样的关系？本期科普看台，或许能为您打开一个新世界。

专家顾问：中国科学院地质与地球物理研究所研究员 何飞

中国科学院南京地理与湖泊研究所副所长、研究员 张运林

中国气象局气象干部培训学院副教授 范雯杰

在冷湖，找寻不一样的星空

今年8月，一项为全世界天文爱好者所关注、由中国科学家取得的科考成果发表在国际知名期刊《自然》主刊上——青海冷湖地区发现国际一流光学天文台址。

星空与冷湖，一个天、一个地，如何被联系在一起？在“湖”上也能研究天文和行星么？冷湖其实是一个小镇，而且是一个富有传奇色彩的地方。

它坐落于中国无人区中部、青藏高原北缘。传说当年地质队来此考察，在当金山南麓发现了一个无名湖泊，水至冷，就直呼其为“冷湖”，这就是“冷湖”地名的由来。当初的地质勘查发现了石油，把这块“冷地”直接带“热”，一时风光无限。但是随着石油资源枯竭，冷湖再度回到几乎无人的状态。

虽然热度不再，但是对天文学家而言，这里有着无比优质的星空。

从1609年伽利略首次将自制的光学望远镜对准星空开始，天文和行星光学望远镜的口径从几厘米提升到了十米量级，我们能将行星看得更加清晰，也能看到更深远的宇宙。但受到我们头顶的大气层的影响，大气湍流严重干扰光辐射的传输，降低了光学观测分辨率，红外光学观测还受到水汽吸收的干扰。因此，大型光学望远镜几乎都集中在世界上少数几个地方，例如智利的阿塔卡玛沙漠、夏威夷的莫纳凯亚山、西班牙的加纳利群岛和南极的冰穹。

不难发现，已有的光学台址都分布在西半球，整个东半球有巨大的空缺。国际天文和行星科学界都寄希望在中国能找到世界级的光学台址。但越是万众瞩目的期待，实现起来往往难上加难。

何飞表示，高质量晴夜数，天空背景亮度，大气稳定程度，位置、物流和基础设施条件以及暗夜星空的长期保护政策都是衡量优良光学台址的主要指标。

高质量晴夜数和暗夜星空的长期保护政策限定了台址一般只能位于人烟稀少甚至无人区光污染少的地方，比如广袤的中国西部地区。一直以来，青藏高原高海拔和人口稀少的优势，被国际和国内天文与行星科学界寄予厚望。中国天文界曾组织开展西部选址项目，通过历史气象资料分析（日照、降水）和实地勘测等，初步发现了一些候选台址，如四川稻城、西藏阿里、新疆慕斯塔格等，但都存在不同程度的不足之处，如水汽含量、光污染、可到达性等。

冷湖也很早进入了天文选址的视野，因为这里除了夜空晴朗和日照充沛之外，还具有比上述地区更优越的交通便利和区域安全条件。2017年底，冷湖为寻求经济发展转型，依托星空资源发展文旅产业，邀请国家天文台研究员邓李才赴冷湖考察，首次踏勘了位于冷湖东部的赛什腾山，壮美绚丽的星空令人震撼。方圆百公里的无人区，使得这里几乎无光污染，非常适合建设天文台。

去过青藏高原深度观光的人有一个共同的感受——视觉在天堂，身体在炼狱！赛什腾台址质量监测数据有多么令人兴奋，赛什腾山给人的观感有多么雄壮巍峨，获取数据的历程就有多么举步维艰！团队克服高海拔高寒缺氧等重重困难，成功建成关键台址参数测量平台。

何飞表示，3年连续监测发现，冷湖台址的光学观测条件全面优于青藏高原其他选址点，完全可以与国际公认的最佳天文台址比肩。在这里，优质晴夜时间（可开展精密光度测量）占比达70%，外加大约15%的部分有云的光谱观测时间，每年观测可用的时间达300天；夜间可沉降水汽柱密度在2毫米以下的时间占比优于美国的夏威夷天文台（54%），远优于智利和其他地区的大型光学天文台；赛什腾山海拔4200米台址点的大气视宁度中位值0.75角秒，与夏威夷持平，优于智利和其他地区的大型光学天文台；夜间台址点气温起伏（峰谷差）中位值仅为2.4℃，这也意味着地面层的大气非常稳定。所有这些台址参数都证明冷湖赛什腾山是世界一流的光学天文台址，成为我国为全世界贡献的天文和行星科学的战略资源。

在今天的赛什腾山上，已有若干科学级天文望远镜与青海省地方政府签约落户。冷湖赛什腾山正在成为我国光学天文观测与研究的沃土，国际天文界对青藏高原台址的期冀正在逐步变成现实。地上冷湖，天上星空，通过一台台望远镜将它们联系在一起。未来已经到来，冷湖不再寒冷！

中国的湖水，变清了吗？

自古以来，形容湖水清澈透明的诗句数不胜数，人们总是将最广阔的胸怀和最外放的情意投射其中。湖泊，就像一面镜子，反射出诗人的情绪心境；它也更像是地球的眼睛，越清澈，越能传达出这颗星球深邃的美。湖泊透明度直观反映湖水清澈和浑浊程度,是衡量水下光环境的重要指标，同时也对湖泊生态环境研究具有重要的科学及实践意义。

清澈or浑浊？

透明度是反映湖泊物理、化学、生物和流域过程的综合表征指标，也是体现大尺度气候变化和土地利用的指示指标。

目前主要实地测量湖泊透明度的方法，是塞氏盘深度测量法。早在1865年，罗马海军军官Cialdi和意大利教授P.A.Secchi就使用塞氏盘来测量航海中海水的透明度了。测量时，将塞氏盘垂直沉入待测水体中，直至其到达肉眼“可见”与“不可见”的深度临界值，即为该点的塞氏盘深度，这一参数已被广泛应用于湖泊环境的研究。

尽管这样测量出的湖泊透明度可能受测量者视力或当天太阳光线影响，但因误差较小，所以可以不计在内。一般透明度在一米至两米左右，已属较清澈的湖泊。在我国西藏自治区的玛旁雍错，是中国蓄水量第二大的天然淡水湖，也是亚洲四大河流的发源地。玛旁雍错风景秀美，湖水清澈，其湖心位置的透明度能够达到8米至9米。大唐高僧玄奘在《大唐西域记》给了它一个仙气飘飘的名字——“西天瑶池”。

此外，湖泊透明度也是评价湖泊富营养化的一个重要指标，在浅水湖泊中，透明度往往直接决定沉水植物生长与分布。

张运林指出，浅水湖泊的湖水透明度越高，能够看到的水下植被就越多，说明其生态系统可能就越完善、越健康，其服务功能和服务价值都更高。若透明度过低，光照无法到达水体底部，会造成生长在湖泊底部的沉水植物无法进行光合作用，抑制其生长；同时，透明度低也会影响水中溶解氧浓度，水中氧气不足将影响生物存活。

是什么“搅浑”了湖水？

湖水透明度的变化主要受纯水、溶解性有机物和颗粒物影响，其中颗粒物分为色素颗粒物 （如藻类生物） 和非色素颗粒物 （如无机的非生物悬浮颗粒等）。

张运林表示，上述物质都是通过影响光对湖泊的吸收和散射从而影响湖水透明度。湖泊中的非色素颗粒物浓度上升，会增加湖水对光辐射的衰减，从而降低水体透明度；如果流域植被减少、水土流失严重，大量颗粒物和溶解性物质会进入水中，导致透光性下降，同时促进藻类肆意生长，将会进一步造成透明度下降。

气候变化和人类活动都能通过影响湖泊浮游生物的生存条件，以及进入湖泊的有机和无机颗粒的溶解程度和浓度，从而对湖水透明度产生影响。

当经历一次暴雨过程后，大量颗粒物和溶解性物质进入湖泊，将会在短时间影响湖泊透明度。“若湖泊温度增加导致水中藻类生长增加，也会造成透明度降低。”张运林举例道，太湖、鄱阳湖等位于长江中下游位置的自然淡水湖泊，其季风气候特征明显，高温且湿润多雨，有利于水中藻类物质生长，加之风浪扰动卷起水体底部泥沙等颗粒物，会导致湖水浑浊、透明度降低。

当然也有例外。近日，张运林研究组发现，近30年来暖湿气候改善了蒙新高原的植被和生态环境，间接对水质改善起到正反馈作用。由于蒙新高原温度升高，导致海陆温差加大和季风增强，诱发降水增加，对湖泊起到了“稀释”作用。同时，湖泊流域湿润的环境对植被生长有促进作用，使得其对颗粒物的拦截能力增强，降低了流域侵蚀对湖泊水体透明度的影响。

中国的湖水，变清了吗？

近几十年，在全球变暖、经济高速发展和城镇化加速推进的背景下，我国湖泊水环境受到来自气候变化与人类经济活动的双重压力。为此，国家各级政府和环保部门制定了一系列污染防治和水资源保护措施，加大了水环境治理保护力度，例如2015年实施发布的《水污染防治行动计划》等。

从中国科学院南京地理与湖泊研究所分析的2000年至2018年间我国湖泊整体透明度变化趋势可知，得益于我国大量改善水质、减少水土流失、修复生态环境等治理工作，近二十年来，我国湖泊透明度有了明显提高，但仍未达到上世纪七八十年代水平。

张运林指出，湖泊透明度变化空间上呈现西高东低的趋势，以胡焕庸线为界，界线以东的蒙新高原、青藏高原等地，由于降水增多、温度升高等气象因素，湖泊透明度有了明显提升；而长江中下游地区受人类活动影响较大的湖泊，变化虽不明显，但总体透明度变化趋势仍然是上升的。某种程度上也反映我国水环境治理保护工作取得了成效。

对此，张运林表示，改善湖泊透明度主要通过流域上治理和湖泊内修复两类方法完成。例如，加强土地利用管控、还林还草，改善湖泊周边植被生态和水土流失情况，减少输入水体的颗粒物和溶解性物质，增强湖泊的透光性。

童话里的神池

神秘的火山湖

在印度尼西亚佛罗勒斯岛上，有一座名为克里穆图的火山。克里穆图意为“沸腾的湖水”，山上有三个神秘的深水湖，分别为“老人湖”“青年湖”“幽灵湖”。

令人匪夷所思的是，这三个湖泊的颜色总是不时发生变化，有时是祖母石绿、深红色或墨黑色，有时又变为蓝色或碧绿色，就像“薛定谔的猫”一般。只有等到你登上山顶看到它们的那一刻，才能确定其到底是何种颜色。

科学家则一直试图解开这个谜团，其中的奥秘究竟在哪里呢？

这还得从湖水的来源说起。虽然印度尼西亚雨水充沛，但三色湖里绝大部分的水并非雨水，而是由火山喷发而来。

火山喷发的岩浆成分复杂，并不是只有滚烫的熔岩，还混杂着大量地下深处的水，这些水在炙热的熔岩中会形成很多气泡。大量气泡在火山口处破裂，释放出水蒸气。

而火山湖颜色变化的秘密也藏在这些气泡里。

原来，这些气泡里不仅有水蒸气，还夹杂了很多不同种类的气体，这些气体里含有各种各样的化学物质，在火山喷发、湖泊形成乃至喷发结束后源源不断地释放出来。气体里面的化学物质溶解到湖水里后，便有可能与湖水里原有的化学物质发生奇妙的化学反应，形成新的化学物质，从而呈现出不同颜色。更神奇的是，克里穆图这三个火山口冒出的气体里面，化学物质都不一样，因此发生的化学反应和化学物质也不一样。正是这些不同的化学物质，让火山湖呈现出不同的颜色。

与此同时，在不同的温度下，湖水中发生的化学反应可能会生成不同颜色的化学物质。此外，化学反应发生的速度与火山活跃的程度、大气等因素有关，所以也增加了湖水颜色发生变化的可能性。

“爆棚”的“少女心”

在非洲大陆的最西端——塞内加尔的佛得角，有一个面积仅3平方公里的咸水湖，也是一个潟湖（因海湾被沙洲所封闭而演变成的湖泊），四周被沙丘包围。它静卧在碧蓝色的大西洋旁边，与其仅一线之隔。

每年12月至次年1月，天气十分干燥时，这个湖泊的少女心竟然“爆棚”，呈现出极具浪漫情调的粉红色，仿若美丽的玫瑰花一般，所以被称为“玫瑰湖”。更为奇妙的是，随着季节的变化，湖水的颜色也会随之变换，有的季节是淡绿色，有的季节是深红色。

那么它是如何将自己装扮成不同颜色的呢？

原来，由于当地气候非常干燥，蒸发强烈，导致这个小小的湖泊含盐量极高，每升可超过300克，大约相当于全球大洋平均盐度的十倍，就连不会游泳的人也可以在上面漂浮起来，可与著名的“死海”相媲美。令人意想不到的是，在这样极端恶劣的环境下，湖中居然还生活着嗜盐微生物，其中以杜氏盐藻为主。这些喜盐微生物可以在盐度极高的环境下生存，并且会产生一种红色素来帮助其吸收阳光。

当旱季来临时，气温升高，天气变得异常干燥。此时，湖水中的盐度也因湖水蒸发而不断增加。这些嗜盐微生物便会产生大量红色素，将整个湖泊染成令人沉醉的粉红色，咫尺之遥的大西洋在其映照下也显得格外动人。这美妙的湖泊为当地的采盐业、旅游业都带去了一定的促进作用。

童话世界里的神池

如果说童话世界里也有湖泊，那么位于四川九寨沟的五花海就不得不提。鹅黄、墨绿、宝蓝、藏青、浅红……这个湖泊仿佛童话中的公主，随手采撷缤纷的色彩来装扮自己。

湖面整体呈蓝绿色，不同水域颜色的变换让人应接不暇，从淡黄到绿色，再到蓝色，展现出湖水五彩的美艳。这片湖有股神奇的魔力，美得让人心醉。当地流传着这样一种说法：五花海是神池，它的水流向哪儿，哪儿就繁花似锦，美丽富饶。

入秋后，五花湖变得更加色彩斑斓，姿态万千，五彩缤纷的彩林倒映在湖面，与湖底的色彩混合成一个异彩纷呈的童话世界。那么五花海为何会有如此绚烂的颜色呢？

原来，这与湖底的钙华沉积物和湖中生活的有色藻类、水生植物有关。钙华（碳酸钙）沉积是该地喀斯特湖泊颜色形成的核心过程，碳酸钙悬浮颗粒对可见光的选择性反射和散射作用最终使得湖泊呈现出蓝绿色。

由于湖水透明度高，加上色彩深浅各异的石灰岩、含不同叶绿素的水生植物以及色泽艳丽的藻类，以及多年沉积物的染色作用，最终形成了一个五光十色的瑶池仙境。（资料来源：美国《国家地理杂志》，美国国家航空航天局官网、BBC）

（来源：中国气象报2021-09-24 作者：李慧 罗澜 吴鹏）