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

10月23日，《自然—水》刊登了南方科技大學環境科學與工程學院副教授馮煉課題組的最新研究成果。研究團隊針對全球9萬多個湖泊，繪制了從1981年至2099年的高時間分辨率的湖泊表面溫度數據集（GLAST），是當前分布范圍最廣、時間跨度最大、時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系統對氣候變暖的響應機理提供基礎數據集，為制定有效的生態環境保護和應對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趨勢之后，馮煉團隊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，每一個環節都需要時間沉淀。做科研要厚積薄發，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參數，在湖泊生態系統、局地氣候系統等方面發揮著重要作用，也進一步影響湖泊水生生物的生存和發展。

高分辨率的湖泊溫度數據集是了解湖泊溫度變化及其驅動機制的重要資料。以往的研究中，湖泊溫度數據集存在空間分布不廣、時間跨度較短、觀測數據來源不統一等問題，導致無法準確反映湖泊溫度的變化規律。

如果能高分辨率地呈現湖泊表面溫度變化，將能為探索整個湖泊生態系統研究提供重要的基礎數據集，也能進一步為環境策略制定提供依據。

針對現有研究的不足，2020年10月，馮煉團隊開始了建立高分辨率全球湖泊溫度數據集的研究工作。

“目前關于湖泊溫度變化的研究主要基于實測數據、遙感觀測、數值模擬等手段進行。然而，受到云干擾等影響，遙感觀測資料常會出現數據缺失等問題。此外，想要獲取全球尺度的湖泊精準參數同樣是一個巨大的挑戰。”論文第一作者童艷介紹。

對此，研究團隊將衛星觀測數據與數值模擬手段相結合，以近300萬張熱紅外遙感圖像反演的湖泊溫度觀測結果作為邊界條件，實現了對全球92245個湖泊的小時尺度、逐湖泊對象的模擬，確定了每個湖泊的最優參數方案。經過三年的時間，建立了全球湖泊歷史時期（1981-2020年）小時尺度和未來時期（2021-2099年）日尺度的高時間分辨率湖泊表面溫度數據集（GLAST）。

全球湖泊溫度變化趨勢的空間差異和時間變化 研究團隊供圖

 “與現有的數據集相比，GLAST數據集具有高時間分辨率，數據時間跨度大，精度更高、空間分布更廣等優勢，呈現了全球湖泊在不同小時、不同季節、不同緯度、不同地區等各個時段和區域之間的表面溫度變化。”論文合作作者、南科大環境科學與工程學院博士后皮雪暉介紹道。

當前，能夠覆蓋全球湖泊的水溫數據集包括來自歐洲中期天氣預報中心提供的ERA5-Land數據集，但該數據集與實測溫度的誤差大約為兩度左右。“我們從不同時間尺度對兩個數據集進行了驗證與比較，發現GLAST數據集的精度更高，與實測湖泊溫度的誤差僅為一度左右。”論文合作作者、南科大環境科學與工程學院博士生王欣馳說道。

證實全球湖泊變暖

盡管全球湖泊變暖成為了共識，其背后原因和驅動機制仍未可知。“我們在觀察長期趨勢發現，全球湖泊呈現普遍變暖趨勢，但整體變化速率比氣溫變暖的速率要慢。”童艷介紹。

研究團隊發現，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，而同時期湖上氣溫的趨勢是每十年上升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，湖水生態系統應對自然環境挑戰時具備一定的韌性和自我調節能力。”童艷說道。

“湖泊溫度變化趨勢還存在空間差異。我們發現北極地區的湖泊平均變暖速率是非北極地區的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。

研究團隊在進行了歸因分析后發現，氣溫對全球湖泊變暖速率的貢獻為47%，而長波輻射、比濕度和太陽輻射的貢獻總和超過了50%。這表明，氣溫以外的氣象因素對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，也會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。研究團隊發現，作為能量損失的主導項，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。而對于高緯度地區，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，使北極湖泊具有與氣溫相當的變暖速率。

“厚積薄發，水到渠成”

這是馮煉團隊在今年三月份發表《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，馮煉團隊聚焦水環境遙感領域進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，方能水到渠成。

“科學研究需要批判思維。同時，要用完美主義的態度探索科學問題，當你覺得研究結果已經是100%時，如果再堅持一下，再往前走一步，或許會有更多出乎意料的發現。”馮煉說道。

提到“堅持”二字，童艷深有感觸。2020年，正在馮煉課題組讀博士二年級的童艷剛剛結束水色遙感監測方面的研究，便馬不停蹄地開始了探索高分辨率全球湖泊溫度數據集的研究工作。三年的時間里，童艷大多數時間在“閱讀文獻”“找數據”“下數據”“跑數據”“畫圖”“討論”“修改重畫”中度過。

“最難的不是處理這些數據，而是在龐大的數據量面前如何提煉有價值的研究結果，這個過程也讓我明白了做科研不能固步自封，多交流，多思考，堅持就是勝利。”她說道。

馮煉表示，盡管GLAST數據集已經呈現出了高時間分辨率，但仍有上升空間。“未來我們將進一步探索更多小湖泊的溫度監測和高精度模擬，及湖泊溫度的空間模擬和垂向變化。同時，進一步思考如何將該數據集與湖底缺氧、溫室氣體釋放、水生生物棲息地轉移和湖泊藻華爆發等現象結合，以更加深入揭示湖泊熱變化引起的水生態環境效應。”

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