夏季太湖水体势能异常的空间分异特征及其机制

赵巧华，杭蓉蓉，王 玲，秦 泉（1.南京信息工程大学，气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏 南京10044；.南京信息工程大学地理与遥感学院，江苏 南京 10044；3.南京信息工程大学水文气象学院，江苏 南京10044）

夏季太湖水体势能异常的空间分异特征及其机制

赵巧华1，3*，杭蓉蓉2，王 玲2，秦 泉2（1.南京信息工程大学，气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏 南京210044；2.南京信息工程大学地理与遥感学院，江苏 南京 210044；3.南京信息工程大学水文气象学院，江苏 南京210044）

基于2013年6月7日～8月28日在大浦口、梅梁湾、避风港、平台山及小雷山附近湖体中获取的气象数据及水温廓线，探讨了太湖水体势能异常的空间特征及其可能机制.结果表明:太湖水体势能异常不仅存在日变化，而且呈现明显的空间差异:湾区附近的梅梁湾和避风港，较易形成相对稳定的水体层化，且可能维持多天；而位于西岸的大浦口、湖心区的平台山及湖南部的小雷山区域的水体势能异常呈典型的日分层现象，即白天可能形成层化，晚间基本消失.水体获得的热量存在空间差异，但差异度较小，而动力混合作用的空间差异明显.动力混合作用的空间差异是造成水体势能异常或层化空间分异的主要成因.

太湖；水体势能异常；空间分异；动力混合；层化；热力作用

水体势能异常表征分层水柱达到完全混合、密度均匀状态所需做的功，势能异常越大，表征水体分层程度越明显，其稳定度越强［1-2］.表层混合层是水体上部的均匀混合层，在水-气热量交换和风场扰动两种作用相耦合的作用下，其密度和温度基本不随深度而变化，且以湍流运动为主［3］.湖泊的垂直热力结构对湖泊水生生态环境的影响主要包含如下几个方面:其一，表层混合层中的浮游植物基本维持在其中运动，当该混合层深度小于真光层深度时，浮游植物能获得更多的光合有效辐射能量，利于其光合作用；反之则通过影响水柱中藻类的曝光期和藻类在水柱中的垂直分布［2，4］抑制藻类的生长［6］；其二，由于温跃层的存在，控制和影响水柱中的热量、营养盐等的垂直交换，使得水体下部的营养盐难以补充到表层混合层，进而影响水柱中浮游植物的初级生产力［5，7］，从而造成季节性分层湖泊的蓝藻水华多发生在热力分层破坏的春、秋两季［8］；其三，湖泊的热力结构对气候变化的响应特征之一主要体现在湖泊分层出现的时间提前，进而也造成春季水华暴发提前，这一规律在水生生态系统的长期监测也得到了证实［9］.其四，水体热力分层形成与消亡，分层时段持续的长短、分层强度的演变等通过影响水体中营养盐分布，耦合不同种群浮游植物生理特性，加速浮游植物种群的演替和生态系统的演变［10-11］.总之，水体势能异常刻画的热力分层过程是海洋湖沼学中的重要物理过程.其与水生生态系统中的物理、化学过程耦合［12-13］，对水生生态环境的演变有着重要的影响.

水体势能异常亦体现了湖-气之间的相互作用.水体表面与大气之间的热量交换与陆-气之间有着明显的差异［14］，在湖-陆交界附近的热力差异是形成小尺度湍流关键因素之一，湖-气之间的热量与水汽收支也是湍流发展的主要能量来源，可见湍流的发展是对流系统形成的必备条件［15］；针对水体势能异常（热力分层）研究不仅有利于弄清局地天气、气候系统变化规律，而且利于进一步推动水体势能异常对水生生态环境演化规律的研究，利于厘清水生生态系统中物理、生物、化学过程耦合作用机制［7］.

关于水体热力分层和势能异常的研究多数集中在海洋及河道入海口［1，4-5，16-18］，而对于内陆湖泊的研究相对较少，且多数是通过单点、短期的观测数据进行的［19-20］.尽管太湖系典型的大型浅水湖泊，但其在水气热量交换和动力混合驱动下，存在日分层现象［19］.然而该湖泊处于内陆，在周边地形和水、陆不同下垫面的共同作用下，水体流速、波浪及悬浮物浓度等存在明显的空间分异［21］，因而由悬浮物引起的光热转换、动力混合作用也可能存在空间差异.但对水体势能异常的空间特征研究较为鲜见.本文拟利用2013年夏季（6～8月）在大浦口、梅梁湾、避风港、平台山及小雷山附近获取的气象数据及水温廓线数据，探讨水体势能异常的时空变化特征及其对气象要素的响应规律.该研究为厘清太湖水体势能异常的时空特征及其与营养盐循环、水下光场等过程耦合对藻类光合作用等的影响机制，太湖水生生态环境的修复治理提供参考.

1 数据与方法

1.1 数据

太湖水温廓线及气象参数获取站点分别位于太湖梅梁湾东南沿岸的全球湖泊生态观测网络（GLEON）站、位于太湖西部沿岸的大浦口附近胥口湾内的避风港附近、太湖中心区域的平台山附近、太湖南岸的小雷山附近水体中（图1）.水温观测采用TS110型水温温度链，观测精度为±0.1℃.垂向观测深度为: 0.2，0.5，1.0，2.0m.气象要素观测采用Vaisala WXT520自动气象站，同样位于温度链上方7m处，要素分别为风速、气温、相对湿度、气压、降水和短波辐射.资料时间段为:2013年6月7日13:30～8月28日13:00，数据时间间隔为30min.

图1 太湖观测站点分布示意Fig.1 Distribution of observation station in Taihu Lake

1.2 方法

1.2.1 水体势能异常 根据水体势能异常（φ）的定义［17］，其表达式（1）.

其中:ρ（z）（kg/m3）是水深为h（m）的水柱密度廓线，φ的量纲为J/m3，g（m/s2）为重力加速度，为水柱的平均密度（kg/m3）（式2）.

其中:Qs为太阳短波辐射，A为水面反照率，k为短波漫射消光系数（1/m），a是深度为h的水柱吸收热量的比例，Qu为水体表层热量的感热、潜热、及长波辐射组合成的上行热量通量.

水-气净热量通量的计算用文献［22］的方法确定，随后计算上行热量通量，进而确定Qu和Q.且上述方法均在对太湖的研究中得到应用和验证［20］.

2 结果与分析

2.1 水体势能异常的时空分布

图2给出了2013年夏季5个站点的水体势能异常时间序列.可见太湖各湖区水体势能异常的共同点:一方面，各湖区的水体势能异常表现出明显的日变化规律，且在17:00左右达到日最大值（图2中的①区）；另一方面，晚上水体势能异常逐渐减弱，同时在某些时段的白天也可能呈现水体完全混合状态，即水体势能异常接近于零值（图2中的②区）.上述时间变化特征与赵林林等［19］和赵巧华等［20］的研究结果基本一致.

图2也展示了不同湖区的水体势能异常的差异:梅梁湾、避风港两湖区的水体势能异常呈现较为稳定的变化趋势，白天水体出现层化现象的频率也较大，且水体异常日内变化中的时间跨度也较长；梅梁湾、避风港的水体势能异常在6月12日至18日、6月30日至7月3日呈现多日持续层化现象，这种现象在短时段内的观测中未发现有此报道［19-20］；在相对开阔的湖区（大浦口、平台山和小雷山），尽管也出现水体层化的日变化，但其稳定度也相对较弱，也基本难以出现多日持续层化现象.

总之，太湖水体势能异常不仅有日变化现象，而且呈现明显的空间分异，湾区层化现象相对较明显和稳定；更为突出的是湾区水体能出现多日持续层化现象.

2.2 水体层化的热力、动力作用

鉴于水体势能异常（或层化）的空间差异，特针对图2中的时间序列，选取3个典型时段所代表的特点:①区代表了湾区多日持续层化和开阔区域日层化的特征；②区代表了整个太湖完全混合的特征；③区代表了湾区呈现日层化，而开阔区域基本混合的特征.分析其热力作用和动力混合作用的空间差异，以便弄清太湖水体层化的空间分异机制.

图2 太湖各点水体势能的时空分布Fig.2 Temporal-spatial distribution of potential energy anomaly in different measurement laocation

图3 ①区的热力作用及动力混合作用的时间序列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区Jq、Jm的时间序列特征 由图3可见，此时段内，不同湖区的热力作用差别相对较小:热力作用:6月13日19:00至6月14日7:00，水体热量散失相对较大的是大浦口和平台山；6月14日7:00至19:00，小雷山附近和避风港附近的水体获得的热量相对较小；6月15、16、17日水体获得（或失去）的热量在各点基本相近；6月18日大浦口，小雷山获得的能量最小.动力混合作用:整体而言，梅梁湾的动力混合作用最小，基本接近于零，只在18日稍大；大浦口动力混合作用最大，平台山次之，随之是小雷山和避风港.

可见，热力作用空间差异相对较小，而动力混合作用对层化消失的效果空间差异明显；另一方面，动力混合对层化消亡作用的空间差异也是造成梅梁湾和避风港水体势能保持多日持续层化的原因（图1和图2）.与此类似的时段也出现在6月29日至7月2日之间，即在梅梁湾和避风港出现持续多日层化，而在其它区域则是白天出现层化，晚上呈现完全混合状态，这一现象与6月中旬相比（图2），只是程度相对较弱而已.

2.2.2 ②区Jq、Jm的时间序列特征 由图4可见，在7月12日白天，水体获得的热量相差不大，且均较小，动力混合作用也均较小，所以在5个站点的水体势能异常在该时段均有一定的表现.一直到7月15日，除梅梁湾的动力混合作用较小外，其余各点均较大，所以在梅梁湾的水体势能异常有一定的表现，而其余各点水体基本均处于完全混合状态.可见该时段整个太湖水体获得的热量较小，混合作用效果较强，湖泊基本处于完全混合状态.

图4 ②区的热力作用及动力混合作用的时间序列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区Jq、Jm的时间序列特征 由图5可见8月12日白天，水体获得的热量除大浦口略小外，其他各点相差不大，但动力混合作用最小的是梅梁湾，避风港次之，最后是小雷山，而该日只有梅梁湾和避风港的水体势能异常有所表现，而其他点的水柱基本均处于完全混合状态，晚间水体失去能量均较大，其中大浦口和平台山最大；8月13日水体获得的热能避风港最大，大浦口最小，而动力混合作用是梅梁湾最小，避风港次之，水体势能异常的表现与8月12日类似.就整体而言，在热力作用和动力混合作用的联合作用下，尤其8月15日、16日，梅梁湾的水体势能表现出明显的日变化，即日分层现象.避风港也有类似现象，只是程度稍弱，而其他站点动力混合作用相对较强，使得水柱基本处于完全混合状态.

图5 ③区的热力作用及动力混合作用的时间序列Fig.5 Time Series of mixing effect originated from dynamics and thermal effect in all location between 12 August and 16 August in 2013

总之，各湖区的热力作用和动力混合作用在不同湖区表现存在明显的分异现象，且与相应位置的水体势能变化基本一致；热力作用的空间差异存在但不明显，而动力混合作用的空间变化显著，可见动力混合作用的空间差异是造成太湖水体势能异常或层化现象空间分异的主要成因.

3 讨论

鉴于太湖的吞吐流对太湖湖流的影响可忽略［23］，影响太湖水体势能异常的动力作用主要由风场驱动作用造成的，风场通过摩擦作用使得湖流、波浪的产生.这种动力作用体现在两个方面:其一，流体之间的切应力随深度逐渐减弱，从而形成水平流速在垂直方向存在切变，随之切变不稳定形成湍涡，即形成水体混合［23］；其二，鉴于外部驱动力的空间差异，可能造成水平流速的水平梯度，从而引起热量的水平输送扩散，进而引起水体密度异常和层化的时空变化［2］. 其三，对流和风应力及波浪破碎等形成的卷夹作用对混合层有着加深的作用［24］.然而上述的动力效果仅仅是促进水体混合，层化消亡，水体势能异常消失，并不能说明产生水体层化空间差异的成因.

根据式（3），动力混合作用主要由风速和水深决定，而在5个观测点水深相差甚小，可见五个站点的动力混合作用的差异主要是风速造成的.从2.2中也证明了风速在湖面上的空间差异.这与太湖流场、波浪存在明显的空间差异相吻合［25-26］.

鉴于热力作用对水体势能异常（或层化）具有双重效果:即当热量通量大于零，促进水体层化发展；当热量通量小于零，则使得水柱中对流产生而造成水体层化消亡.加之当水柱处于完全混合状态时，动力混合作用对水体层化作用消失，因此为了更好分离热力作用和动力混合作用的效果，针对各站点选择热力作用大于零且水体势能异常也大于零的样本，并对样本标准化后的Jm、Jq（自变量）和φ （因变量）进行统计分析.

表1 2013年夏季Jm、Jq对水体势能异常统计分析Table 1 Statistical analysis for the effect of Jm、Jqon the potential energy anomaly in summer 2013

由于针对各变量进行了标准化，所以自变量的回归系数表征了各自对水体势能异常的贡献.从表1中可以看出:各站动力混合作用对水体势能异常的贡献不尽相同.动力混合作用对水体势能异常的贡献大小顺序如下:平台山、大浦口、避风港、小雷山及梅梁湾.可见，对于开阔区域的平台山、大浦口的动力混合效果尤为明显；梅梁湾动力混合作用弱于热力促进层化的作用；小雷山的动力混合效果也强于热力作用；就避风港而言，该点基本位于湾区内，但其动力作用也大于热力作用，且程度也稍强于小雷山.究其原因可能存在如下几点:其一，本文所表征的动力混合作用以风速为主，未考虑吹程大小问题；其二，由于避风港测点与狭长水道接近，且该水道湖流较强［22］，可能凸显其动力混合作用.因此针对避风港湖区水体势能变化机制的探究，须进一步通过三维水动力模式对其进行敏感性分析，以揭示其机理，此亦是后续研究工作的重点.

4 结论

4.1 太湖水体势能异常不仅存在日变化，而且呈现明显的空间差异:湾区附近的梅梁湾和避风港，较易形成相对稳定的水体势能异常，且可能维持多天；而位于西岸的大浦口、湖心区的平台山及湖南部的小雷山区域的水体势能异常呈典型的日分层现象，即白天可能形成层化，晚间基本消失.

4.2 水体获得的热量存在空间差异，但差异度较小；而动力混合作用的空间差异明显.动力混合作用的空间差异是造成水体势能异常或层化空间分异的主要成因.

［1］Simpson J H， Hunter D G. Fronts in the Irish sea ［J］. Nature，1974，250:404-406.

［2］Wiles P J， Duren L A v， Häse C， et al. stratification and mixing in the Limfjorden ［J］. Journal of Marine Systems， 2006，60:129-143.

［3］Kara A B， Rochford P A， Hurlburt H E， An optimal definition for ocean mixed layer depth ［J］. Journal of Geophysical Research，2000，105:16803-16821.

［4］Stipa T， Tamminen T， Seppälä J， On the creation and maintenance of stratification in the Gulf of Riga ［J］. Journal of Marine Systems，1999，23:27-49.

［5］Simpson J H， Brown J， Matthews J， et al. Tidal straining， density currents， and stiring in the control of estuarine stratification ［J］. Estuaries， 1990，13（2）:125-132.

［6］Obata A， Ishizaka J， Endoh M. Global verification of critical depth theory for phytoplankton bloom with climatological in stiu temperature and satellite ocean color data ［J］. Journal of Geophysical Research， 1996，101（C9）:20657-20667.

［7］Byun D S， Wang X H， Hart D E， et al. Modeling the effect of freshwater inflows on the development of spring blooms in an estuarine embayment ［J］. Estuarine， Coastal and Shelf Science，2005.

［8］陈长胜，海洋生态系统动力学与模型 ［M］. 北京:高等教育出版社， 2003:33-43.

［9］Carey C C， Ibelings B W， Hoffmann E P， et al. Eco-physiological adaptations that favour freshwater cyanobacteria in changing climate ［J］. Water Research， 2012，46:1394-1407.

［10］Hofmeister R， Burchard H， Bolding K. A three-dimensional model study on process of stratification and de-stratification in the Limfjord ［J］. Continental Shelf Research， 2009，29（11）:1515-1524.

［11］Parel H W， Huisman J. Blooms like it hot ［J］. Science， 2008，320:57-58.

［12］王长友，于 洋，孙运坤，等.基于ELCOM-CAEDYM模型的太湖蓝藻水华早期预测探讨 ［J］. 中国环境科学， 2013，33（3）:491-502.

［13］李一平，邱 利，唐春燕，等.湖泊水动力模型外部输入条件不确定性和敏感性分析 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（2）:410-416.

［14］徐祥德，周明煜，陈家宜，等.青藏高原地-气过程动力、热力结构综合物理图像 ［J］. 中国科学D辑， 2001，31（5）:428-441.

［15］Haginoya S， Fujii H， Sun J， et al. Features of Air-lake interaction on heat and water exchanges over Erhai lake ［J］. Journal of the meteorological society of Japan， 2012，90C:55-73.

［16］Robertson D M， Ragotzkie R A. Changes in the thermal structure of moderate to large sized lakes in response to changes in air temperature ［J］. Aquatic Science， 1990，52（4）:360-380.

［17］Simpson J H. Models of stratification and frontal movement in shelf seas ［J］. Deep-sea Research， 1981，28:727-738.

［18］Burchard H， Hofmeister R. A dynamics equation for the potential energy anomaly for analyzing mixing and stratification in estuaries and coaster seas ［J］. Estuarine， coastal and shelf science，2008，77:679-687.

［19］赵林林，朱广伟，陈元芳，等.太湖水体水温垂向分层特征及其影响因素 ［J］. 水科学进展， 2011，22（6）:844-849.

［20］赵巧华，孙绩华.夏秋两季洱海、太湖表层混合层的深度变化特征及其机理分析 ［J］. 物理学报， 2013，62（3）:527-535.

［21］罗敛葱，秦伯强，胡维平，等.太湖波动特征分析 ［J］. 水动力学研究与进展， 2004，19（5）:664-670.

［22］Abualnaja Y O. Estimation of the net surface heat flux in the Arabian Gulf based on the equilibrium temperature ［J］. Marine Science， 2009，20:21-29.

［23］逄 勇，濮培民.太湖风生流三维数值模拟实验 ［J］. 地理学报，1996，51（4）:322-328.

［24］Nagai T， Yamazaki H， Nagashima H， et al. Field and numerical study of entrainment laws for surface mixed layer ［J］. Deep-sea research II， 2005，5:1109-1132.

［25］许霞祯，陶蓉茵，赵巧华，等.太湖浅水湖泊太湖波浪特征及其对风场的敏感性分析 ［J］. 湖泊科学， 2013，25（1）:55-64.

［26］秦伯强.中国太湖水动力学研究 ［J］. AMBIO-人类环境杂志，1999，28（8）:669-673.

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

赵巧华（1972-），男，江西南昌人，教授，博士，主要从事湖泊物理学及水环境模拟等方面的研究工作.发表论文40余篇.

2014-04-20

国家自然科学基金项目（41371222）；江苏省教育厅青蓝工程项目；“六大人才高峰”高层次人才项目

* 责任作者， 教授， qhzhao@nuist.edu.cn