结合卫星遥感技术的太湖蓝藻水华形成温度特征分析

气温对太湖蓝藻的复苏生长和水华形成、大面积暴发及衰退具有重要作用.利用太湖湖面及周边地区20032013年气象与卫星观测数据分析,结果发现太湖蓝藻水华形成的温度范围宽泛,在蓝藻复苏后,在日平均气温0~35.0℃区间都能观测到蓝藻水华现象,其中日平均气温15.1~35.0℃区间为太湖蓝藻水华频发区间,累计频次和面积占比分别为85%和90%;大面积蓝藻水华集中暴发的气温区间为20.1~35.0℃,累计频次和面积占比分别为72%和73%;蓝藻水华出现的概率随平均气温的升高而增大,二者呈二次正相关关系,而平均面积则随气温在均值附近波动,日平均气温达33℃后平均面积迅速减小.表明气温并非复苏后太湖蓝藻水华出现与否的主要限制因子,适度高温有利于蓝藻水华形成,但在日平均气温33℃以上时蓝藻水华会受到抑制.在此基础上将蓝藻水华分成4个阶段:休眠期、复苏期、增长期和衰退期,确定了基于气温的阶段量化指标,对应起始和终止的界限温度分别为:(0℃,5℃)、(5℃,15℃)、(15℃,30℃)和(30℃,0℃),据此可以计算出每年蓝藻水华的各生育阶段对应的时间节点,为防控提供依据.     

太湖蓝藻水华的预防、预测和预警的理论与实践

综述了蓝藻水华预防、预测预警的重要意义及其理论与技术体系.基于作者所提出的将蓝藻水华形成分为休眠、复苏、生长和上浮聚集形成水华的"四阶段理论",以及太湖蓝藻越冬、春季复苏和水华形成的时空规律,提出了太湖蓝藻水华的预防理念.综述了国内外蓝藻水华形成与预测研究进展,阐述了蓝藻水华形成关键过程的主导生态因子及其阈值:确定了水华蓝藻越冬的空间分布与生命特征,利用室内模拟实验和野外原位观测与捕捉,得到了蓝藻春季复苏的室内和野外温度阈值分别为14℃和9℃,发现了蓝藻复苏量与有效生理积温呈正相关的基本规律;初步揭示了水华蓝藻生长竞争优势形成的生物学与生态学机理以及光利用策略,利用细胞分裂频率法测定了夏季太湖水华蓝藻的原位生长速率为0.2-0.4;确定了在不同水文气象条件下,水华蓝藻在水体中垂直分布和在不同湖区之间输移的基本格局,发现藻类在水体中各层间百分含量的变异系数随着风浪的增大而减小,进一步证明了蓝藻水华形成是在适当水文气象要素驱动下,已经成为优势种群的水华蓝藻在湖体中空间位置的改变而引起的.建立了太湖蓝藻水华预测模型和工作流程,在2007年和2008年在太湖实施了未来3d的蓝藻水华预测预警,预测分析了2008年全年太湖蓝藻水华情势.对预测结果的回顾性评估与分析表明,目前已有的理论研究结果和预测工作流程可以对太湖蓝藻水华发生概率、发生地点和强度进行预测,预测准确率达到60%-80%.此外,还提出了未来蓝藻水华预测的研究方向.     

太湖水华蓝藻底泥中复苏和水柱中生长的比较

为了研究太湖底泥中蓝藻的复苏和水柱中的生长,作者自行设计了原位藻类复苏收集器和生长培养器并安放在太湖梅梁湾监测蓝藻复苏释放和生长.实验在藻类的复苏期(2005年3-6月)进行．结果表明在复苏期太湖蓝藻的复苏呈现波动性增加,4月达到最大量．水柱中蓝藻同步的比生长率和生长量也呈现波动性上升,并在5月初达到最大值．浮游动物的存在并没有对蓝藻的生长造成显著的影响．对底泥蓝藻释放和水柱生长进行比较,底泥释放的蓝藻只占藻类生长量的很小一部分(<2．5％)．所以,水柱中蓝藻的生长对其优势的确立和水华的形成具有重要的作用,今后的研究将主要集中在水柱中蓝藻的动态变化     

太湖蓝藻水华的扩张与驱动因素

蓝藻水华表征指标及驱动因子的多样性增加了研究人员、湖泊管理部门对于蓝藻水华扩张驱动因素的困惑,本研究通过整合太湖蓝藻水华长尺度研究的成果,将蓝藻水华扩张区分为时间扩张、空间扩张和生物量扩张3个方面,分析各自的驱动因子,系统阐述了当下太湖蓝藻水华的扩张和驱动因素.太湖蓝藻水华的时间扩张呈现由夏季集中发生向春季和秋冬季节扩张的趋势,导致春季蓝藻水华发生的提前,以及年度峰值的推迟;空间扩张呈现由西北太湖向湖心和东部湖区、乃至全湖扩张的趋势;太湖蓝藻生物量自2003年以后一直呈现缓慢增加的趋势.蓝藻水华时间扩张的驱动因素相对独立,主要受气象因子的影响,风速和日照时间是主要驱动因子,风速降低和日照时间延长均有助于蓝藻水华时间的扩张;空间扩张和生物量扩张则受气象因子和富营养化的双重影响,其中影响水华空间扩张的因子较多,富营养化和气象因素的主次难以确定,一般偶发性大面积蓝藻水华受气象因子驱动,而频发性大面积蓝藻水华主要受营养盐空间分布影响;影响蓝藻生物量扩张的主要驱动因素为总磷,另外氮磷比、水下可利用光和风速的变化也在一定程度上驱动了太湖蓝藻生物量的扩张.目前表征蓝藻水华强度通常利用空间扩张或生物量扩张指标,但是均具有一定局限性,相互间也缺乏可比性,各指标用于长尺度趋势研究更为可靠,短尺度比较受方法缺陷影响较大,应进一步开发表征水华蓝藻总存量的指标以统一空间扩张和生物量扩张.     

太湖底泥水华蓝藻复苏的模拟

本实验采集太湖梅梁湾底泥及上覆水,在保持底泥表面完整的前提下在实验室中建立湖泊生态系统模拟装置,探索太湖底泥中蓝藻种群的复苏规律经60d光照升温培养,显微观察蓝藻复苏细胞,测定底泥和上覆水中的色素含量.结果表明,在室内模拟条件下,太湖底泥蓝藻复苏初始时主要以2-8个细胞的小群体存在,其细胞直径为7.2-7.8μm,大于夏季的藻群体中的细胞直径(4.8-6μm).底泥蓝藻的复苏过程与环境温度变化密切相关.蓝藻在水体温度达到14℃时开始少量进入水柱中,在环境温度升至18-20℃之间时大量进入水中,为水华形成提供了种源.底泥蓝藻的最佳复苏温度(18-20℃)高于非蓝藻的复苏温度(14-18℃),高温对蓝藻复苏更为有利     

太湖水体理化指标在夏季短时间尺度上的分层及其控制因素

通过连续9d(2010年7月24日至2010年8月1日)对太湖水体理化指标垂向分层的高频率观测,揭示太湖多指标垂向分层规律.观测表明:(1)太湖中各水质指标频繁出现分层现象,但不稳定;(2)分层的主要控制因素包含气温的日变化、蓝藻水华堆积与风浪扰动等;(3)气温和太阳辐射日变化影响水温分层,水温垂向变幅可达3.94℃,...     

基于GOCI数据的太湖蓝藻垂向迁移特征及关键影响因素

蓝藻水华频繁暴发是太湖面临的主要环境问题之一,蓝藻聚集上浮是表层水华形成的前提。为探究蓝藻垂向迁移与水华日变化之间的关系,阐明蓝藻垂向迁移的关键影响因素,基于2015-2020年地球静止海洋彩色成像仪(GOCI)数据,分析了太湖不同湖区蓝藻水华日变化过程,发现太湖蓝藻水华垂向迁移的日变化主要呈现上升、下降、先上升后下降三种类型,且不同湖区存在差异。统计分析和偏最小二乘法结构方程模型(PLS-SEM)结果表明,水环境因子对蓝藻垂向迁移过程影响较小,累积光辐射是驱动蓝藻垂向迁移的主要气象因子。气温升高有利于蓝藻持续维持上浮能力,前一天风速较大且当天风速较小会加速蓝藻上浮。相较于沿岸湖区,湖心区受累积光辐射、风速的影响更大,蓝藻水华日变化过程更剧烈。本研究水环境因子数据为逐月数据,为深入探究水环境因子对蓝藻垂向迁移的影响后续还需进行高频监测研究。本文结果有助于探明浅水湖泊蓝藻水华形成机制,为富营养化湖泊蓝藻水华预测预警及治理提供理论支撑。     

基于遥感数据的太湖蓝藻水华信息识别方法

2007 年太湖大规模蓝藻暴发,再次引起了人们对太湖环境的关注.有效地提取蓝藻水华信息对分析蓝藻动态分布有重要意义.而卫星遥感技术是进行太湖水质监测与保护的措施之一.本文以2007年4月23日CBERS-02星CCD数据为主要的数据源,以NDVI值为测试变量,运用CART算法确定分割阈值,从而通过构建决策树的方法识别蓝藻水华信息,分析其蓝藻水华的提取结果,取得了较好的效果.文中还在GIS技术支持下,提取了2007年5月17日MODIS影像中的蓝藻水华信息.本次研究为以后开展长期的太湖蓝藻水华动态监测提供技术参考.     

太湖蓝藻爆发与水温的关系的MODIS遥感

利用MODIS高光谱遥感数据动态监测太湖地区蓝藻水华发展过程,并结合水温环境因子,探讨蓝藻爆发的环境条件.首先,通过简单的比值植被指数,实现蓝藻生物量的遥感估算;根据六期遥感估算结果,监测太湖蓝藻动态发展过程.然后,利用MODIS热红外波段(31和32),采用分裂窗算法,同步反演出的太湖表面水体温度,探讨蓝藻爆发的水温条件,及蓝藻生长与水-温度之间的关系.研究结果表明,在水体富营养化前提下,水体温度是影响蓝藻生长的重要环境因子;合适的水体温度(24-30℃)是蓝藻爆发的必要条件;大于30℃的高温,对蓝藻的生长有明显的抑制作用.     

太湖越冬蓝藻空间分布的初步研究

为确定2007-2008年冬季蓝藻在太湖各个湖区的分布及其变化规律,在冬季逐月对太湖主要湖区14个位点采集底泥和水样,应用荧光分析法测定样品中藻蓝素含量,以确定冬季太湖各个湖区的藻蓝素分布状况,比较冬季太湖各个湖区水体和底泥中蓝藻的分布差异.实验结果说明与夏季情况不同,相对于西南太湖水域,2007-2008年冬季北太湖水体和底泥中的蓝藻含量均较低,而西南湖区部分区域12月仍出现了蓝藻的聚集,底泥表面的藻蓝素含量也较高,说明调查期间,冬季越冬蓝藻主要分布于西太湖和南太湖.     

青藏高原地表温度的比较分析

利用青藏高原改则、甘孜、拉萨和那曲气象站的地面水银温度计观测的地面0 cm温度和地面向上、大气向下长波辐射观测资料，计算和比较分析了地面水银表温度与地表辐射温度的差异.分析表明，由于地面水银温度计接触式测温方法的局限性，使得气象台站观测场地的地面水银表温度存在较大的误差：在裸露地表，夏季白天的正偏差可达4℃以上，夜间的负偏差在-2℃左右；在稠密植被地表，白天正偏差最高可达16℃以上，夜间的负偏差可达-3℃.由于偏差的不均衡性和离散性，即使对地面水银表温度作简单平均或积分平均处理，其代表性仍然很差.在对地表温度准确性要求较高的定量化研究与应用中，应避免直接采用地面水银表温度资料，即使由于资料缺乏而以其代之，也应对其采取适当的订正补偿等处理措施.随着科学研究对地表温度准确性的更高要求，推广使用地表辐射测温的观测方法是必要的.     

Thermal regimes in a large upland salmon river: a simple model to identify the influence of landscape controls and climate change on maximum temperatures

Temperature observations at 25 sites in the 2000 km² Dee catchment in NE Scotland were used, in conjunction with geographic information system (GIS) analysis, to identify dominant landscape controls on mean monthly maximum stream temperatures. Maximum winter stream temperatures are mainly controlled by elevation, catchment area and hill shading, whereas the maximum temperatures in summer are driven by more complex interactions, which include the influence of riparian forest cover and distance to coast. Multiple linear regression was used to estimate the catchment‐wide distribution of mean weekly maximum stream temperatures for the hottest week of the 2‐year observation period. The results suggested the streams most sensitive to high temperatures are small upland streams at exposed locations without any forest cover and relatively far inland, while lowland streams with riparian forest cover at locations closer to the coast exhibit a moderated thermal regime. Under current conditions, all streams provide a suitable thermal habitat for both, Atlantic salmon and brown trout. Using two climate change scenarios assuming 2·5 and 4 °C air temperature increases, respectively, temperature‐sensitive zones of the stream network were identified, which could potentially have an adverse effect on the thermal habitat of Atlantic salmon and brown trout. Analysis showed that the extension of riparian forests into headwater streams has the potential to moderate changes in temperature under climate change. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Estimation of daily stream water temperatures with a Bayesian regression approach

Stream water temperature plays a significant role in aquatic ecosystems where it controls many important biological and physical processes. Reliable estimates of water temperature at the daily time step are critical in managing water resources. We developed a parsimonious piecewise Bayesian model for estimating daily stream water temperatures that account for temporal autocorrelation and both linear and nonlinear relationships with air temperature and discharge. The model was tested at 8 climatically different basins of the USA and at 34 sites within the mountainous Boise River Basin (Idaho, USA). The results show that the proposed model is robust with an average root mean square error of 1.25 °C and Nash–Sutcliffe coefficient of 0.92 over a 2‐year period. Our approach can be used to predict historic daily stream water temperatures in any location using observed daily stream temperature and regional air temperature data.     

SRES B2情景下中国区域最高、最低气温及日较差变化分布特征初步分析

本文利用Hadley气候预测与研究中心的区域气候模式系统PRECIS进行中国区域气候基准时段(1961～1990年)和SRES B2情景下2071～2100年(2080s)最高、最低气温及日较差变化响应的分析.气候基准时段的模拟结果与观测资料的对比分析表明：PRECIS具有对中国区域最高、最低气温及日较差的模拟能力，能够模拟出中国区域最高、最低气温及日较差的局地分布特征.对SRES B2情景下相对于气候基准时段的最高、最低气温及日较差变化响应分析表明：中国区域2080s时段年、冬季和夏季平均最高、最低气温变化均呈一致增加的趋势，北方地区增温幅度普遍大于南方地区.夏季东北地区极端高温事件发生的频率将会增加，而冬季华北地区极端冷害事件发生频率将会减少.未来中国区域年平均日较差将出现北方地区减小而南方地区增加的趋势.冬季长江中下游以南地区日较差呈增加趋势，而夏季华东地区、西北地区及内蒙古中部日较差将呈减小趋势，其中在青藏高原北部地区存在一个较强的低值中心.     

An Asymptotic Analysis of a Simple Model for the Structure and Dynamics of the Ramdas Layer

This paper presents a complete asymptotic analysis of a simple model for the evolution of the nocturnal temperature distribution on bare soil in calm clear conditions. The model is based on a simplified flux emissivity scheme that provides a nondiffusive local approximation for estimating longwave radiative cooling near ground. An examination of the various parameters involved shows that the ratio of the characteristic radiative to the diffusive timescale in the problem is of order 10⁻³, and can therefore be treated as a small parameter (μ). Certain other plausible approximations and linearization lead to a new equation whose asymptotic solution as μ → 0 can be written in closed form. Four regimes, consisting of a transient at nominal sunset, a radiative-diffusive boundary (‘Ramdas’) layer on ground, a boundary layer transient and a radiative outer solution, are identified. The asymptotic solution reproduces all the qualitative features of more exact numerical simulations, including the occurrence of a lifted temperature minimum and its evolution during night, ranging from continuing growth to relatively sudden collapse of the Ramdas layer.     

卫星热红外亮温、气温及地温观测的年变变化对比研究

过对NOAA卫星热红外亮温与野外安装气象观测站接收的气温、地下不同深度地温(0.2, 0.5, 1.5,2 m)进行不同方式的对比研究,分析了卫星热红外亮温、气温、地下不同深度地温的变化特征,探讨了亮温与气温及不同深度地温之间的关系．结果表明:① 卫星热红外亮温观测,由于受天气、云层短周期因素变化影响,曲线呈现高频突跳特征,但按最大值拟合出的亮温曲线有较好的年变变化规律;② 浅层地温受气温及太阳辐射的影响较大,能够体现出日变化,表现出很好的季节变化规律;③ 深层地温年变平稳, 年变变化与季节相关．但与气温相比,表现出滞后效应,且深度越深,滞后时间越长;④ 亮温、气温及深度0.2 m地温三者之间呈现很好的相关性．亮温、气温、0.2 m地温的极值几乎同时段出现,都符合季节变化．分析表明,亮温能够真实地反映地表温度的变化情况,能够为利用卫星热红外亮温提取地震异常信息提供可靠准确证据．本研究结果为理解不同观测属性及其相互关系,以及更好地为地震监测应用提供了基础．      

受火钢筋混凝土柱三维温度场的数值模拟

受火构件内部温度场随时间和空间的变化规律对结构和构件的高温响应和抗火性能是至关重要的。应用通用有限元分析程序ABAQUS,对火灾下钢筋混凝土柱的二维温度场和三维温度场进行了有限元分析计算。所得计算结果与相关试验数据吻合,证明了通过通用有限元软件对钢筋混凝土结构进行三维温度场分析的可行性,也为混凝土结构在高温下以及高温后的三维响应分析提供了理论依据。     

河北辛集井水温梯度及固体潮特征

对河北辛集井进行了50~200m深度内的井水温梯度测试,结果表明测试深度内存在3处负梯度段(50~60m处、90~110m处、130~140m处)。在50~60m深度处的水温负梯度位置,发现了清晰的水温固体潮,其相位与水位固体潮相反。根据该井的综合钻井资料、水文地质条件分析认为水温负梯度可能与井管外低温含水层热交换有关,并讨论了负梯度处的水温固体潮特征。     

河北冀16井水温动态分析

对河北冀16井2018-2019年水温动态特征、同震效应及干扰因素等方面进行分析,结果表明,水温整体呈趋势性下降变化,年、月、日动态规律清晰,对人为干扰、自然环境等干扰因素反应灵敏;该井水温固体潮效应明显,与水位呈反向变化,滞后水位1~2 h;水温对远场大震有同震响应,能记录到全球7级以上地震,响应特征为振荡后逐渐恢复正常。     

An improved methodology to measure evaporation from bare soil based on comparison of surface temperature with a dry soil surface

Accurate estimation of the resistances to water vapor movement is a major difficulty in evaluating evaporation from soil. By including the temperature of a dry soil surface (the temperature of the surface of a dry soil column buried in the field), a method for estimating evaporation from soil is proposed. The necessary input variables for the suggested method are temperature, net radiation, and soil heat flux. There are three advantages of the proposed method over the conventional methods. First, soil surface resistance and aerodynamic resistance are not required. Second, the variables included are fewer. Third, measurement and analysis of the parameters involved are relatively easy. Sensitivity analysis shows that the suggested method is sensitive to temperatures. Test experiments were conducted in a sandy field, where a weighing lysimeter was installed. Evaporation from soil, together with the variables specified above, were measured. For temperatures measured by thermocouples, experimental results showed that the mean absolute error (MAE) for the daily evaporation over 22 days was 0.17 mm day⁻¹. The regression between calculated and measured evaporation was highly significant (r²=0.89). Moreover, the intercept and slope of the regression equation were not significantly different from zero and unity, respectively, at the 0.05 probability level. Furthermore, by using the temperatures measured by infrared thermometers, the MAE between measured evaporation and estimated evaporation was 0.15 mm day⁻¹. The regression between them was highly significant (r²=0.94). In addition, the intercept and slope of the regression equation were not significantly different from zero and unity, respectively, at the 0.05 probability level. These results show that evaporation calculated using the proposed method is in good agreement with lysimeter measured values. By comparing with the temperature difference method, it was shown that the suggested method estimated soil evaporation more accurately than the temperature difference method. Therefore, it is concluded that the proposed method is not only a simple way for application, but also an accurate way to estimate soil evaporation.