夏季太湖水體勢能異常的空間分異特征及其機制

趙巧華，杭蓉蓉，王 玲，秦 泉（1.南京信息工程大學(xué)，氣象災(zāi)害省部共建教育部重點實驗室，江蘇 南京10044；.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇 南京 10044；3.南京信息工程大學(xué)水文氣象學(xué)院，江蘇 南京10044）

夏季太湖水體勢能異常的空間分異特征及其機制

趙巧華1，3*，杭蓉蓉2，王 玲2，秦 泉2（1.南京信息工程大學(xué)，氣象災(zāi)害省部共建教育部重點實驗室，江蘇 南京210044；2.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇 南京 210044；3.南京信息工程大學(xué)水文氣象學(xué)院，江蘇 南京210044）

基于2013年6月7日～8月28日在大浦口、梅梁灣、避風(fēng)港、平臺山及小雷山附近湖體中獲取的氣象數(shù)據(jù)及水溫廓線，探討了太湖水體勢能異常的空間特征及其可能機制.結(jié)果表明:太湖水體勢能異常不僅存在日變化，而且呈現(xiàn)明顯的空間差異:灣區(qū)附近的梅梁灣和避風(fēng)港，較易形成相對穩(wěn)定的水體層化，且可能維持多天；而位于西岸的大浦口、湖心區(qū)的平臺山及湖南部的小雷山區(qū)域的水體勢能異常呈典型的日分層現(xiàn)象，即白天可能形成層化，晚間基本消失.水體獲得的熱量存在空間差異，但差異度較小，而動力混合作用的空間差異明顯.動力混合作用的空間差異是造成水體勢能異?；?qū)踊臻g分異的主要成因.

太湖；水體勢能異常；空間分異；動力混合；層化；熱力作用

水體勢能異常表征分層水柱達(dá)到完全混合、密度均勻狀態(tài)所需做的功，勢能異常越大，表征水體分層程度越明顯，其穩(wěn)定度越強［1-2］.表層混合層是水體上部的均勻混合層，在水-氣熱量交換和風(fēng)場擾動兩種作用相耦合的作用下，其密度和溫度基本不隨深度而變化，且以湍流運動為主［3］.湖泊的垂直熱力結(jié)構(gòu)對湖泊水生生態(tài)環(huán)境的影響主要包含如下幾個方面:其一，表層混合層中的浮游植物基本維持在其中運動，當(dāng)該混合層深度小于真光層深度時，浮游植物能獲得更多的光合有效輻射能量，利于其光合作用；反之則通過影響水柱中藻類的曝光期和藻類在水柱中的垂直分布［2，4］抑制藻類的生長［6］；其二，由于溫躍層的存在，控制和影響水柱中的熱量、營養(yǎng)鹽等的垂直交換，使得水體下部的營養(yǎng)鹽難以補充到表層混合層，進而影響水柱中浮游植物的初級生產(chǎn)力［5，7］，從而造成季節(jié)性分層湖泊的藍(lán)藻水華多發(fā)生在熱力分層破壞的春、秋兩季［8］；其三，湖泊的熱力結(jié)構(gòu)對氣候變化的響應(yīng)特征之一主要體現(xiàn)在湖泊分層出現(xiàn)的時間提前，進而也造成春季水華暴發(fā)提前，這一規(guī)律在水生生態(tài)系統(tǒng)的長期監(jiān)測也得到了證實［9］.其四，水體熱力分層形成與消亡，分層時段持續(xù)的長短、分層強度的演變等通過影響水體中營養(yǎng)鹽分布，耦合不同種群浮游植物生理特性，加速浮游植物種群的演替和生態(tài)系統(tǒng)的演變［10-11］.總之，水體勢能異?？坍嫷臒崃Ψ謱舆^程是海洋湖沼學(xué)中的重要物理過程.其與水生生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)過程耦合［12-13］，對水生生態(tài)環(huán)境的演變有著重要的影響.

水體勢能異常亦體現(xiàn)了湖-氣之間的相互作用.水體表面與大氣之間的熱量交換與陸-氣之間有著明顯的差異［14］，在湖-陸交界附近的熱力差異是形成小尺度湍流關(guān)鍵因素之一，湖-氣之間的熱量與水汽收支也是湍流發(fā)展的主要能量來源，可見湍流的發(fā)展是對流系統(tǒng)形成的必備條件［15］；針對水體勢能異常（熱力分層）研究不僅有利于弄清局地天氣、氣候系統(tǒng)變化規(guī)律，而且利于進一步推動水體勢能異常對水生生態(tài)環(huán)境演化規(guī)律的研究，利于厘清水生生態(tài)系統(tǒng)中物理、生物、化學(xué)過程耦合作用機制［7］.

關(guān)于水體熱力分層和勢能異常的研究多數(shù)集中在海洋及河道入?？冢?，4-5，16-18］，而對于內(nèi)陸湖泊的研究相對較少，且多數(shù)是通過單點、短期的觀測數(shù)據(jù)進行的［19-20］.盡管太湖系典型的大型淺水湖泊，但其在水氣熱量交換和動力混合驅(qū)動下，存在日分層現(xiàn)象［19］.然而該湖泊處于內(nèi)陸，在周邊地形和水、陸不同下墊面的共同作用下，水體流速、波浪及懸浮物濃度等存在明顯的空間分異［21］，因而由懸浮物引起的光熱轉(zhuǎn)換、動力混合作用也可能存在空間差異.但對水體勢能異常的空間特征研究較為鮮見.本文擬利用2013年夏季（6～8月）在大浦口、梅梁灣、避風(fēng)港、平臺山及小雷山附近獲取的氣象數(shù)據(jù)及水溫廓線數(shù)據(jù)，探討水體勢能異常的時空變化特征及其對氣象要素的響應(yīng)規(guī)律.該研究為厘清太湖水體勢能異常的時空特征及其與營養(yǎng)鹽循環(huán)、水下光場等過程耦合對藻類光合作用等的影響機制，太湖水生生態(tài)環(huán)境的修復(fù)治理提供參考.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

太湖水溫廓線及氣象參數(shù)獲取站點分別位于太湖梅梁灣東南沿岸的全球湖泊生態(tài)觀測網(wǎng)絡(luò)（GLEON）站、位于太湖西部沿岸的大浦口附近胥口灣內(nèi)的避風(fēng)港附近、太湖中心區(qū)域的平臺山附近、太湖南岸的小雷山附近水體中（圖1）.水溫觀測采用TS110型水溫溫度鏈，觀測精度為±0.1℃.垂向觀測深度為: 0.2，0.5，1.0，2.0m.氣象要素觀測采用Vaisala WXT520自動氣象站，同樣位于溫度鏈上方7m處，要素分別為風(fēng)速、氣溫、相對濕度、氣壓、降水和短波輻射.資料時間段為:2013年6月7日13:30～8月28日13:00，數(shù)據(jù)時間間隔為30min.

圖1 太湖觀測站點分布示意Fig.1 Distribution of observation station in Taihu Lake

1.2 方法

1.2.1 水體勢能異常 根據(jù)水體勢能異常（φ）的定義［17］，其表達(dá)式（1）.

其中:ρ（z）（kg/m3）是水深為h（m）的水柱密度廓線，φ的量綱為J/m3，g（m/s2）為重力加速度，為水柱的平均密度（kg/m3）（式2）.

其中:Qs為太陽短波輻射，A為水面反照率，k為短波漫射消光系數(shù)（1/m），a是深度為h的水柱吸收熱量的比例，Qu為水體表層熱量的感熱、潛熱、及長波輻射組合成的上行熱量通量.

水-氣凈熱量通量的計算用文獻(xiàn)［22］的方法確定，隨后計算上行熱量通量，進而確定Qu和Q.且上述方法均在對太湖的研究中得到應(yīng)用和驗證［20］.

2 結(jié)果與分析

2.1 水體勢能異常的時空分布

圖2給出了2013年夏季5個站點的水體勢能異常時間序列.可見太湖各湖區(qū)水體勢能異常的共同點:一方面，各湖區(qū)的水體勢能異常表現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律，且在17:00左右達(dá)到日最大值（圖2中的①區(qū)）；另一方面，晚上水體勢能異常逐漸減弱，同時在某些時段的白天也可能呈現(xiàn)水體完全混合狀態(tài)，即水體勢能異常接近于零值（圖2中的②區(qū)）.上述時間變化特征與趙林林等［19］和趙巧華等［20］的研究結(jié)果基本一致.

圖2也展示了不同湖區(qū)的水體勢能異常的差異:梅梁灣、避風(fēng)港兩湖區(qū)的水體勢能異常呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的變化趨勢，白天水體出現(xiàn)層化現(xiàn)象的頻率也較大，且水體異常日內(nèi)變化中的時間跨度也較長；梅梁灣、避風(fēng)港的水體勢能異常在6月12日至18日、6月30日至7月3日呈現(xiàn)多日持續(xù)層化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在短時段內(nèi)的觀測中未發(fā)現(xiàn)有此報道［19-20］；在相對開闊的湖區(qū)（大浦口、平臺山和小雷山），盡管也出現(xiàn)水體層化的日變化，但其穩(wěn)定度也相對較弱，也基本難以出現(xiàn)多日持續(xù)層化現(xiàn)象.

總之，太湖水體勢能異常不僅有日變化現(xiàn)象，而且呈現(xiàn)明顯的空間分異，灣區(qū)層化現(xiàn)象相對較明顯和穩(wěn)定；更為突出的是灣區(qū)水體能出現(xiàn)多日持續(xù)層化現(xiàn)象.

2.2 水體層化的熱力、動力作用

鑒于水體勢能異常（或?qū)踊┑目臻g差異，特針對圖2中的時間序列，選取3個典型時段所代表的特點:①區(qū)代表了灣區(qū)多日持續(xù)層化和開闊區(qū)域日層化的特征；②區(qū)代表了整個太湖完全混合的特征；③區(qū)代表了灣區(qū)呈現(xiàn)日層化，而開闊區(qū)域基本混合的特征.分析其熱力作用和動力混合作用的空間差異，以便弄清太湖水體層化的空間分異機制.

圖2 太湖各點水體勢能的時空分布Fig.2 Temporal-spatial distribution of potential energy anomaly in different measurement laocation

圖3 ①區(qū)的熱力作用及動力混合作用的時間序列Fig.3 Time Series of mixing effect originated from dynamics and thermal effect in all location between 13 June and 19June in 2013

2.2.1 ①區(qū)Jq、Jm的時間序列特征 由圖3可見，此時段內(nèi)，不同湖區(qū)的熱力作用差別相對較小:熱力作用:6月13日19:00至6月14日7:00，水體熱量散失相對較大的是大浦口和平臺山；6月14日7:00至19:00，小雷山附近和避風(fēng)港附近的水體獲得的熱量相對較??；6月15、16、17日水體獲得（或失去）的熱量在各點基本相近；6月18日大浦口，小雷山獲得的能量最小.動力混合作用:整體而言，梅梁灣的動力混合作用最小，基本接近于零，只在18日稍大；大浦口動力混合作用最大，平臺山次之，隨之是小雷山和避風(fēng)港.

可見，熱力作用空間差異相對較小，而動力混合作用對層化消失的效果空間差異明顯；另一方面，動力混合對層化消亡作用的空間差異也是造成梅梁灣和避風(fēng)港水體勢能保持多日持續(xù)層化的原因（圖1和圖2）.與此類似的時段也出現(xiàn)在6月29日至7月2日之間，即在梅梁灣和避風(fēng)港出現(xiàn)持續(xù)多日層化，而在其它區(qū)域則是白天出現(xiàn)層化，晚上呈現(xiàn)完全混合狀態(tài)，這一現(xiàn)象與6月中旬相比（圖2），只是程度相對較弱而已.

2.2.2 ②區(qū)Jq、Jm的時間序列特征 由圖4可見，在7月12日白天，水體獲得的熱量相差不大，且均較小，動力混合作用也均較小，所以在5個站點的水體勢能異常在該時段均有一定的表現(xiàn).一直到7月15日，除梅梁灣的動力混合作用較小外，其余各點均較大，所以在梅梁灣的水體勢能異常有一定的表現(xiàn)，而其余各點水體基本均處于完全混合狀態(tài).可見該時段整個太湖水體獲得的熱量較小，混合作用效果較強，湖泊基本處于完全混合狀態(tài).

圖4 ②區(qū)的熱力作用及動力混合作用的時間序列Fig.4 Time Series of mixing effect originated from dynamics and thermal effect in all location between 12 July and 15 July in 2013

2.2.3 ③區(qū)Jq、Jm的時間序列特征 由圖5可見8月12日白天，水體獲得的熱量除大浦口略小外，其他各點相差不大，但動力混合作用最小的是梅梁灣，避風(fēng)港次之，最后是小雷山，而該日只有梅梁灣和避風(fēng)港的水體勢能異常有所表現(xiàn)，而其他點的水柱基本均處于完全混合狀態(tài)，晚間水體失去能量均較大，其中大浦口和平臺山最大；8月13日水體獲得的熱能避風(fēng)港最大，大浦口最小，而動力混合作用是梅梁灣最小，避風(fēng)港次之，水體勢能異常的表現(xiàn)與8月12日類似.就整體而言，在熱力作用和動力混合作用的聯(lián)合作用下，尤其8月15日、16日，梅梁灣的水體勢能表現(xiàn)出明顯的日變化，即日分層現(xiàn)象.避風(fēng)港也有類似現(xiàn)象，只是程度稍弱，而其他站點動力混合作用相對較強，使得水柱基本處于完全混合狀態(tài).

圖5 ③區(qū)的熱力作用及動力混合作用的時間序列Fig.5 Time Series of mixing effect originated from dynamics and thermal effect in all location between 12 August and 16 August in 2013

總之，各湖區(qū)的熱力作用和動力混合作用在不同湖區(qū)表現(xiàn)存在明顯的分異現(xiàn)象，且與相應(yīng)位置的水體勢能變化基本一致；熱力作用的空間差異存在但不明顯，而動力混合作用的空間變化顯著，可見動力混合作用的空間差異是造成太湖水體勢能異常或?qū)踊F(xiàn)象空間分異的主要成因.

3 討論

鑒于太湖的吞吐流對太湖湖流的影響可忽略［23］，影響太湖水體勢能異常的動力作用主要由風(fēng)場驅(qū)動作用造成的，風(fēng)場通過摩擦作用使得湖流、波浪的產(chǎn)生.這種動力作用體現(xiàn)在兩個方面:其一，流體之間的切應(yīng)力隨深度逐漸減弱，從而形成水平流速在垂直方向存在切變，隨之切變不穩(wěn)定形成湍渦，即形成水體混合［23］；其二，鑒于外部驅(qū)動力的空間差異，可能造成水平流速的水平梯度，從而引起熱量的水平輸送擴散，進而引起水體密度異常和層化的時空變化［2］. 其三，對流和風(fēng)應(yīng)力及波浪破碎等形成的卷夾作用對混合層有著加深的作用［24］.然而上述的動力效果僅僅是促進水體混合，層化消亡，水體勢能異常消失，并不能說明產(chǎn)生水體層化空間差異的成因.

根據(jù)式（3），動力混合作用主要由風(fēng)速和水深決定，而在5個觀測點水深相差甚小，可見五個站點的動力混合作用的差異主要是風(fēng)速造成的.從2.2中也證明了風(fēng)速在湖面上的空間差異.這與太湖流場、波浪存在明顯的空間差異相吻合［25-26］.

鑒于熱力作用對水體勢能異常（或?qū)踊┚哂须p重效果:即當(dāng)熱量通量大于零，促進水體層化發(fā)展；當(dāng)熱量通量小于零，則使得水柱中對流產(chǎn)生而造成水體層化消亡.加之當(dāng)水柱處于完全混合狀態(tài)時，動力混合作用對水體層化作用消失，因此為了更好分離熱力作用和動力混合作用的效果，針對各站點選擇熱力作用大于零且水體勢能異常也大于零的樣本，并對樣本標(biāo)準(zhǔn)化后的Jm、Jq（自變量）和φ （因變量）進行統(tǒng)計分析.

表1 2013年夏季Jm、Jq對水體勢能異常統(tǒng)計分析Table 1 Statistical analysis for the effect of Jm、Jqon the potential energy anomaly in summer 2013

由于針對各變量進行了標(biāo)準(zhǔn)化，所以自變量的回歸系數(shù)表征了各自對水體勢能異常的貢獻(xiàn).從表1中可以看出:各站動力混合作用對水體勢能異常的貢獻(xiàn)不盡相同.動力混合作用對水體勢能異常的貢獻(xiàn)大小順序如下:平臺山、大浦口、避風(fēng)港、小雷山及梅梁灣.可見，對于開闊區(qū)域的平臺山、大浦口的動力混合效果尤為明顯；梅梁灣動力混合作用弱于熱力促進層化的作用；小雷山的動力混合效果也強于熱力作用；就避風(fēng)港而言，該點基本位于灣區(qū)內(nèi)，但其動力作用也大于熱力作用，且程度也稍強于小雷山.究其原因可能存在如下幾點:其一，本文所表征的動力混合作用以風(fēng)速為主，未考慮吹程大小問題；其二，由于避風(fēng)港測點與狹長水道接近，且該水道湖流較強［22］，可能凸顯其動力混合作用.因此針對避風(fēng)港湖區(qū)水體勢能變化機制的探究，須進一步通過三維水動力模式對其進行敏感性分析，以揭示其機理，此亦是后續(xù)研究工作的重點.

4 結(jié)論

4.1 太湖水體勢能異常不僅存在日變化，而且呈現(xiàn)明顯的空間差異:灣區(qū)附近的梅梁灣和避風(fēng)港，較易形成相對穩(wěn)定的水體勢能異常，且可能維持多天；而位于西岸的大浦口、湖心區(qū)的平臺山及湖南部的小雷山區(qū)域的水體勢能異常呈典型的日分層現(xiàn)象，即白天可能形成層化，晚間基本消失.

4.2 水體獲得的熱量存在空間差異，但差異度較??；而動力混合作用的空間差異明顯.動力混合作用的空間差異是造成水體勢能異?；?qū)踊臻g分異的主要成因.

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Spatial differentiation of water potential energy anomaly in Taihu Lake in summer and its mechanism.

ZHAO Qiao-hua1，2*， HANG Rong-rong2， WANG Ling2， QIN Quan2（1.Key Laboratory of Meteorological Disaster， Ministry of Education， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China；2.School of Geography and Remote Sensing， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China；3.College of Hydrometeorology， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：227～235

Based on the meteorological data and water temperature profile in Dapukou， Meiliang Bay， Bifenggang，Pingtaishan and Xiaoleishan from 7 June to 28 August in 2013， the spatial characteristics and its possible mechanism of the potential energy anomaly were studied. The potential energy anomaly presented not only diurnal variation， but also significant spatial differentiation: there was relatively stable stratification and the stratification had been not destroyed for some days in Bay， such as Meiliang Bay and Bifenggang； there was typically diurnal stratification in open water region，such as Dapukou， Pingtaishan and Xiaoleishan. Namely， the stratification may be established in daytime and destroyed in nighttime. There was relatively weak spatial differentiation of the heat flux received by water and significant spatial heterogeneity of mixing effect resulted from dynamics. The spatial heterogeneity of the potential energy anomaly or stratification was primarily caused by the spatial differentiation of dynamic mixing effect.

Taihu Lake；potential energy anomaly of water；spatial heterogeneity；dynamic mixing effect；stratification；thermal effect.

X171.5

A

1000-6923（2015）01-0227-09

趙巧華（1972-），男，江西南昌人，教授，博士，主要從事湖泊物理學(xué)及水環(huán)境模擬等方面的研究工作.發(fā)表論文40余篇.

2014-04-20

國家自然科學(xué)基金項目（41371222）；江蘇省教育廳青藍(lán)工程項目；“六大人才高峰”高層次人才項目

* 責(zé)任作者， 教授， qhzhao@nuist.edu.cn