全球變暖已成為世界面臨的重要挑戰(zhàn)之一。近年來，全球變暖導(dǎo)致的湖泊表面溫度持續(xù)上升，引發(fā)了湖泊缺氧、藻類爆發(fā)、魚類死亡等諸多湖泊生態(tài)問題。

10月23日，《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。研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)全球9萬多個(gè)湖泊，繪制了從1981年至2099年的高時(shí)間分辨率的湖泊表面溫度數(shù)據(jù)集（GLAST），是當(dāng)前分布范圍最廣、時(shí)間跨度最大、時(shí)間精度最高的湖泊表面“溫度地圖”。

該研究有望為探索全球湖泊生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變暖的響應(yīng)機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，為制定有效的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和應(yīng)對(duì)氣候變化的策略提供新思路。

這是繼今年三月份在《自然》封面文章揭示全球近海藻華爆發(fā)趨勢(shì)之后，馮煉團(tuán)隊(duì)又一次收獲的重要成果。在論文通訊作者馮煉看來，任何事情的成功都不是一蹴而就的，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要時(shí)間沉淀。做科研要厚積薄發(fā)，方能水到渠成。

繪就全球湖泊高清“溫度地圖”

湖泊溫度是重要的水質(zhì)參數(shù)，在湖泊生態(tài)系統(tǒng)、局地氣候系統(tǒng)等方面發(fā)揮著重要作用，也進(jìn)一步影響湖泊水生生物的生存和發(fā)展。

高分辨率的湖泊溫度數(shù)據(jù)集是了解湖泊溫度變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的重要資料。以往的研究中，湖泊溫度數(shù)據(jù)集存在空間分布不廣、時(shí)間跨度較短、觀測(cè)數(shù)據(jù)來源不統(tǒng)一等問題，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確反映湖泊溫度的變化規(guī)律。

如果能高分辨率地呈現(xiàn)湖泊表面溫度變化，將能為探索整個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，也能進(jìn)一步為環(huán)境策略制定提供依據(jù)。

針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，2020年10月，馮煉團(tuán)隊(duì)開始了建立高分辨率全球湖泊溫度數(shù)據(jù)集的研究工作。

“目前關(guān)于湖泊溫度變化的研究主要基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、遙感觀測(cè)、數(shù)值模擬等手段進(jìn)行。然而，受到云干擾等影響，遙感觀測(cè)資料常會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失等問題。此外，想要獲取全球尺度的湖泊精準(zhǔn)參數(shù)同樣是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。”論文第一作者童艷介紹。

對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)將衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬手段相結(jié)合，以近300萬張熱紅外遙感圖像反演的湖泊溫度觀測(cè)結(jié)果作為邊界條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全球92245個(gè)湖泊的小時(shí)尺度、逐湖泊對(duì)象的模擬，確定了每個(gè)湖泊的最優(yōu)參數(shù)方案。經(jīng)過三年的時(shí)間，建立了全球湖泊歷史時(shí)期（1981-2020年）小時(shí)尺度和未來時(shí)期（2021-2099年）日尺度的高時(shí)間分辨率湖泊表面溫度數(shù)據(jù)集（GLAST）。

全球湖泊溫度變化趨勢(shì)的空間差異和時(shí)間變化 研究團(tuán)隊(duì)供圖

 “與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集相比，GLAST數(shù)據(jù)集具有高時(shí)間分辨率，數(shù)據(jù)時(shí)間跨度大，精度更高、空間分布更廣等優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)了全球湖泊在不同小時(shí)、不同季節(jié)、不同緯度、不同地區(qū)等各個(gè)時(shí)段和區(qū)域之間的表面溫度變化。”論文合作作者、南科大環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士后皮雪暉介紹道。

當(dāng)前，能夠覆蓋全球湖泊的水溫?cái)?shù)據(jù)集包括來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的ERA5-Land數(shù)據(jù)集，但該數(shù)據(jù)集與實(shí)測(cè)溫度的誤差大約為兩度左右。“我們從不同時(shí)間尺度對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行了驗(yàn)證與比較，發(fā)現(xiàn)GLAST數(shù)據(jù)集的精度更高，與實(shí)測(cè)湖泊溫度的誤差僅為一度左右。”論文合作作者、南科大環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士生王欣馳說道。

證實(shí)全球湖泊變暖

盡管全球湖泊變暖成為了共識(shí)，其背后原因和驅(qū)動(dòng)機(jī)制仍未可知。“我們?cè)谟^察長(zhǎng)期趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，全球湖泊呈現(xiàn)普遍變暖趨勢(shì)，但整體變化速率比氣溫變暖的速率要慢。”童艷介紹。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在1981至2020年期間，全球湖泊溫度每十年平均上升0.24攝氏度，而同時(shí)期湖上氣溫的趨勢(shì)是每十年上升0.29攝氏度，說明了與全球氣溫變暖的速率相比，湖泊表面溫度變暖的速率更慢。“這在一定程度上說明了，湖水生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)自然環(huán)境挑戰(zhàn)時(shí)具備一定的韌性和自我調(diào)節(jié)能力。”童艷說道。

“湖泊溫度變化趨勢(shì)還存在空間差異。我們發(fā)現(xiàn)北極地區(qū)的湖泊平均變暖速率是非北極地區(qū)的2倍多，例如位于芬蘭的伊納里湖，每十年的湖泊溫度上升0.73攝氏度，而在熱帶的玻利維亞的科伊帕薩湖，每十年的湖泊溫度上升0.15度。”童艷介紹。

研究團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行了歸因分析后發(fā)現(xiàn)，氣溫對(duì)全球湖泊變暖速率的貢獻(xiàn)為47%，而長(zhǎng)波輻射、比濕度和太陽輻射的貢獻(xiàn)總和超過了50%。這表明，氣溫以外的氣象因素對(duì)于湖泊表層升溫的影響不容忽視。

童艷介紹，湖泊吸收輻射能量的同時(shí)，也會(huì)以潛熱和顯熱等形式釋放能量，使得湖泊溫度升高幅度減緩。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，作為能量損失的主導(dǎo)項(xiàng)，潛熱通量是中低緯度湖泊表面變暖速率慢于氣溫的主要原因。而對(duì)于高緯度地區(qū)，湖冰減少帶來的加速變暖削弱了潛熱損失帶來的緩解效應(yīng)，使北極湖泊具有與氣溫相當(dāng)?shù)淖兣俾省?/p>

“厚積薄發(fā)，水到渠成”

這是馮煉團(tuán)隊(duì)在今年三月份發(fā)表《自然》封面文章之后，又一次收獲重要成果。科研成果頻出的秘訣是什么？一直以來，馮煉團(tuán)隊(duì)聚焦水環(huán)境遙感領(lǐng)域進(jìn)行了多年的深耕和探索，在他看來，越好的研究就像是高聳入云的大樓，挖的地基就要越深，厚積薄發(fā)，方能水到渠成。

“科學(xué)研究需要批判思維。同時(shí)，要用完美主義的態(tài)度探索科學(xué)問題，當(dāng)你覺得研究結(jié)果已經(jīng)是100%時(shí)，如果再堅(jiān)持一下，再往前走一步，或許會(huì)有更多出乎意料的發(fā)現(xiàn)。”馮煉說道。

提到“堅(jiān)持”二字，童艷深有感觸。2020年，正在馮煉課題組讀博士二年級(jí)的童艷剛剛結(jié)束水色遙感監(jiān)測(cè)方面的研究，便馬不停蹄地開始了探索高分辨率全球湖泊溫度數(shù)據(jù)集的研究工作。三年的時(shí)間里，童艷大多數(shù)時(shí)間在“閱讀文獻(xiàn)”“找數(shù)據(jù)”“下數(shù)據(jù)”“跑數(shù)據(jù)”“畫圖”“討論”“修改重畫”中度過。

“最難的不是處理這些數(shù)據(jù)，而是在龐大的數(shù)據(jù)量面前如何提煉有價(jià)值的研究結(jié)果，這個(gè)過程也讓我明白了做科研不能固步自封，多交流，多思考，堅(jiān)持就是勝利。”她說道。

馮煉表示，盡管GLAST數(shù)據(jù)集已經(jīng)呈現(xiàn)出了高時(shí)間分辨率，但仍有上升空間。“未來我們將進(jìn)一步探索更多小湖泊的溫度監(jiān)測(cè)和高精度模擬，及湖泊溫度的空間模擬和垂向變化。同時(shí)，進(jìn)一步思考如何將該數(shù)據(jù)集與湖底缺氧、溫室氣體釋放、水生生物棲息地轉(zhuǎn)移和湖泊藻華爆發(fā)等現(xiàn)象結(jié)合，以更加深入揭示湖泊熱變化引起的水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s44221-023-00148-8