青藏高原湖冰消融末期近表层湖温普遍跃升

青藏高原上有温度廓线观测的五个湖泊的地理位置(f)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。图中，T_(ρ max)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。

解释湖泊热力状态变化的三阶段概念模型。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(T_(ρ max))。图中红色箭头宽度表示太阳辐射强度。

青藏高原湖泊众多，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，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，我们对高原湖泊冰期的湖泊热力过程知之甚少。

中科院青藏高原所“三极观测与大数据”团队联合多个研究团队，基于高原多个湖泊的湖温廓线观测资料，发现在湖冰消融末期近冰层湖水温度普遍存在快速上升现象，有的咸水湖泊温度甚至上升了7~8℃。在湖温达到湖水最大密度对应温度（称作“临界温度”）前，升温缓慢；一旦超过临界温度，冰下湖温出现跃升，直至湖冰完全融化。为解释这一现象，研究团队提出如下湖泊热力过程发展的三阶段理论模型：

湖泊热力过程发展的第一阶段：湖面结冰后，冰下湖水通过热传导失去能量，导致湖泊冷却，湖冰加厚，此时整个湖水温度低于临界温度。第二阶段：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太阳辐射穿透湖冰并加热湖水，导致近冰层水温上升。此阶段湖水温度低于临界温度，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。第三阶段：当湖水温度上升到临界温度后，太阳辐射进一步加热使得近表层湖水变暖，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。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，也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）。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）。该三阶段理论模型可以为青藏高原众多不同深度和盐度的湖泊提供春季热力结构的参考信息。

在目前的湖泊物理模型中很大程度上忽略了太阳辐射在湖冰中的传输过程以及湖泊盐度等关键参数。该研究以观测事实为基础，发现在青藏高原湖冰消融末期普遍存在湖温跃升现象，并强调了太阳辐射透过冰层加热湖水的重要性，为湖泊物理模型的发展提供了重要科学依据。

该研究成果近日以“A new finding on the prevalence of rapid water warming during lake ice melting on the Tibetan Plateau”为题，在《Science Bulletin》上发表，我所“三极观测与大数据”团队拉珠博士为第一作者，我所双聘研究员、清华大学地球系统科学系教授阳坤为通讯作者。该研究得到第二次青藏高原综合科学考察研究专项（2019QZKK0206）和国家自然科学基金（41701041、41975125、41988101）共同资助。

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