ERA5-Land青藏高原湖冰特征误差分析及FLake模式改进

青藏高原上湖泊众多,其中大多数被季节性湖冰覆盖。湖冰对气候变化响应敏感,其生消过程会显著改变湖-气交换通量。而现有的高原湖冰长时间观测数据较少,需要利用湖冰再分析资料进行研究。但目前对ERA5-Land湖冰资料在高原的适用性及改进方法还不甚清楚。因此,本文首先利用2010-2022年青海湖和鄂陵湖的湖冰观测数据,评估了ERA5-Land再分析资料对青藏高原典型湖泊湖冰特征的模拟能力。结果表明:ERA5-Land资料对青海湖和鄂陵湖的冰厚平均高估0.54~0.62 m,对封冻期天数高估约68 d·a^(-1)。其次对再分析湖冰数据误差来源进行分析,通过对比ERA5-Land和鄂陵湖观测资料及其各自驱动模式的模拟结果,得出误差主要来源于输出ERA5-Land湖冰数据的FLake一维湖泊模式。最后基于2010-2022年青海湖和鄂陵湖的MCD43A3地表反照率产品,利用其多年平均反照率和动态日均反照率改进了FLake模型,模拟冰厚平均偏差可分别减小85%和90%,封冻期天数的模拟偏差减小了约6d·a^(-1)和8d·a^(-1)。两种方法均可以改进FLake模型对湖冰的模拟效果,特别是对积雪覆盖时间较长的湖泊,动态反照率方法改进效果更明显。本研究揭示了ERA5-Land湖冰特征的主要误差来源为FLake模式中的湖冰反照率,并对该参数进行了改进,提高了模型对湖冰的模拟效果,可为提高ERA5-Land再分析湖冰数据在青藏高原典型湖泊的模拟精度提供参考。

青海湖入湖口水温演变初步研究

受全球气候变暖的影响,青藏高原湖泊、河流的温度显著升高,水温变化与水生生物的繁育息息相关,但目前对于青海湖裸鲤洄游产卵的重要场所——河流入湖口的水温研究较少,水温变化对于裸鲤产卵的影响也尚不明确。因此本研究基于刚察气象站观测数据、中国区域地面气象要素驱动数据集(CMFD)、欧洲中期天气预报中心第五代陆面再分析数据集(ERA5-Land)、第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的多模式数据,尝试利用Fresh water Lake Model(简称FLake模式)模拟青海湖最大支流布哈河入湖口处水温并评估其适用性,探讨了再分析数据和CMIP6多模式数据驱动模拟历史(1981—2014年)水温的集合的优越性,预估了未来时期(2024—2100年)三种情景下的水温演变及成因,结果表明:(1)CMFD和ERA5-Land模拟水温的集合优于单个模式的模拟水温且在短期和长期模拟结果精度都较好,CMIP6多模式长期的模拟水温集合优于单个模式的模拟水温,可以较好的再现再分析数据模拟水温的集合。(2)未来布哈河入湖口的水温随着排放强度的增加显著升高,与水温呈正相关的气象因子从大到小依次为气温、比湿、向下长波辐射和向下短波辐射,呈负相关的气象因子是风速;除远期高排放情景(SSP585)的向下短波辐射,其他情景的气象因子与水温的关系均通过了95%的显著性检验。(3)近期(2024—2040年),三种情景的水温较历史时期均有少许升高,水温间的差异不大,青海湖裸鲤产卵的窗口期略微缩短,水温升高会对裸鲤的产卵造成轻微影响;中期(2041—2060年),三种情景的水温进一步升高,水温间的差异逐渐显现,裸鲤的产卵窗口期明显缩短,水温升高对裸鲤的产卵有一定的危害;远期(2081—2100年),三种情景的水温差异更显著,SSP126和SSP245情景的升高速率减慢;SSP585情景的水温升高速率依旧加快,水温持续升高导致裸鲤的产卵窗口期显著缩短,一定程度限制了青海湖裸鲤的产卵活动。

青海湖热力状况对气候变化响应的数值研究

湖泊对气候变化非常敏感,是气候变化的指示器。青藏高原湖泊众多,但由于观测数据的缺乏,目前对全球变暖背景下高原湖泊热力状况的研究依然不足且多为短期研究。利用中国科学院青藏高原研究所(ITPCAS)开发的中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集、MODIS地表温度数据、青海湖浮标观测数据,分析了Freshwater Lake Model(简称Flake模式)在青海湖的适用性,揭示了青海湖热力状况对气候变化的响应。结果表明,Flake模式能够很好的模拟出青海湖的热力状况,但对夏季与秋季的湖表面水温(特别是夜间)模拟偏高,部分是驱动数据误差造成的,修正驱动数据后模拟效果得到改善。对1989 2012年Flake模拟的湖表面温度与ITPCAS数据不同驱动要素之间的年际变化趋势与相关性进行分析,发现青海湖表面温度呈现上升趋势,与气温、向下长波辐射有较好的正相关性,而与风速负相关。内部热力状况的模拟结果显示,青海湖混合层温度基本全年呈上升趋势,其中5、6月及12月增温最显著;湖泊底层温度在5月以及12月的两次季节性翻转时期呈上升趋势,在6 10月湖水分层期呈下降趋势,分层期湖泊上层温度升高会加强湖水层结稳定性,使湖水混合减弱,导致底层温度下降。