深高原湖泊的热分层特征及其对极端天气的响应：以抚仙湖为例

《Journal of Contaminant Hydrology》：Thermal stratification characteristics of a deep plateau lake and its response to extreme weather: A case study of Fuxian Lake

极端天气事件显著影响湖库热分层与生态稳定性，本研究基于EFDC模型揭示福溪湖热分层特征及极端天气响应机制。结果显示热分层期达3-12月，混合层深度春秋冬季节分别为6.86-9.89m、47.7m，热浪压缩混合层并升温1.59℃，强风加深混合层引发垂直温差变化，寒潮弱化温跃层。空气温、太阳辐射及风驱湍流共同调控垂直温分布，风驱混合主导表面温度异质性。研究提出动态调控取水深度、加强极端天气监测等适应性管理策略，为高原深湖泊应对气候变化提供科学依据。

　　

赵金|魏马|张佩辰|冯顺新|王云飞

中国水利水电研究院河流盆地水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038

摘要

极端天气事件，包括热浪、寒潮和强风，对湖泊热分层和水生生态系统稳定性有显著影响。本研究应用环境流体动力学代码（EFDC）水动力-热模型分析了富贤湖的热分层特征及其对极端天气的响应。结果表明，热分层期从3月持续到12月，春季和夏季的混合层深度（MLD）在6.86米到9.89米之间变化，而秋季和冬季则加深至47.7米。极端高温会压缩混合层并使表面温度升高1.59℃，而强风则会加深混合层，导致表面温度下降，深层温度升高。寒潮会略微降低混合层温度并减弱温跃层。气温、太阳辐射和风驱动的湍流共同控制着垂直温度分布，其中风驱动的环流在表面温度的异质性中起关键作用。这些发现强调了需要采取适应性管理策略，例如在热浪期间调整取水深度，并在极端天气事件期间加强监测，以保护气候变化下的水生生态系统。

引言

极端天气事件（如热浪、寒潮和强风）的频繁发生已成为全球气候变化的一个显著特征（Wang等人，2025年）。作为水文和生态系统中的关键过程，深湖中的热分层对气象变化非常敏感（Piccioni等人，2021年）。湖泊热分层的变化会显著影响表层水与深层水之间溶解氧（DO）和营养物质的交换，从而重塑水生生物的空间分布模式（Lv等人，2024年）。这些变化直接影响水生生态系统内的生物代谢和物质分解过程（Liu等人，2025a），最终影响湖泊生态系统的生产力并推动其动态演化（An等人，2023年）。

目前，大多数关于湖泊和水库水温的研究都集中在常规气象条件下的热分层现象。然而，关于极端天气事件（如热浪、寒潮和强风）对湖泊分层的短期强烈影响的研究仍然有限（Nikoo等人，2025年；Woolway等人，2020年）。此类事件后分层破坏的程度和恢复时间尺度尚未得到系统量化。由于极端条件下现场观测数据的稀缺，数值模拟成为补充现场数据的有效手段（Ma等人，2024a），并有助于深入理解极端气象条件下的湖泊热动力学。浅湖通常表现出强烈的垂直混合，常被认为是垂直均匀的（Takehiko等人，2022年），而深湖则通常形成明显的季节性分层（Lv等人，2024年），并且表面水温存在空间异质性，如贝加尔湖（Firsova等人，2024年）和Nam Co湖（Nixdorf和Boehrer，2015年）所观察到的。高海拔深湖由于其独特的地理和气候条件，可能对极端天气事件表现出不同的响应。

富贤湖是中国最大的深高原湖泊，具有明显的季节性热分层。基于现场观测和遥感的研究已经描述了其一般的分层特征，并考察了长期变暖的影响（Liu等人，2024年；Zhang，2024年）。在此基础上，数值建模被作为一种方法工具，用于研究特定过程，包括表面环流和流场动力学（Cheng和Yang，2022年）、水质响应和富营养化管理（Zhao等人，2012年）以及生态水位调节（Deng，2023年）。然而，对短暂极端气象强迫的分层响应仍然缺乏量化。尽管之前的EFDC研究主要集中在背景季节性环流和分层上，但我们研究了事件规模的扰动，并量化了富贤湖的分层破坏（例如温跃层变形和稳定性丧失）以及事件后的恢复动态和时间尺度（Liu等人，2024年）。近年来，富贤湖所在的云南省玉溪市极端天气事件的频率有所增加。例如，2024年9月，台风Yagi给云南部分地区带来了超过7级（13.9–17.1米/秒）的强风；2016年12月的一次寒潮期间，气温突然下降了10℃；2023年5月的一次热浪期间，气温超过了33℃（Dong等人，2023年）。这些典型的事件类型为本研究考察的三种极端天气情景提供了区域背景。

基于这些研究空白，本研究旨在：

(1) 系统评估云南中部深高原湖泊对极端天气事件的响应，从而加深对高海拔深湖在气候极端条件下的热分层动态的理解；

(2) 使用基于改进的EFDC模型的多情景模拟，量化三种代表性极端事件（热浪、强风和寒潮）下的扰动和恢复过程；

(3) 确定控制表面温度空间异质性的主要物理机制；以及

(4) 提出实用的管理策略，以减轻极端天气对深湖热制度和生态系统稳定性的影响。

本研究有助于阐明极端气象扰动如何重塑深高原湖泊的三维热结构。这些见解对于预测气候变化下的溶解氧变化、营养物质输送、藻类暴发风险和整体生态系统稳定性至关重要。此外，这项研究提供了一个具有重要生态意义的区域代表性案例，为其他高海拔湖泊（如泸沽湖和的的喀喀湖）提供了宝贵的参考。总体而言，这项研究加深了对极端天气事件如何重塑深高原湖泊热分层的理解，为预测和管理未来气候变化下的湖泊响应提供了科学依据。

研究区域

富贤湖（北纬24.35°–24.63°，东经102.81°–102.95°；图1）位于云南省玉溪市，是中国重要的战略淡水储备库。湖泊流域面积为674.69平方公里，当湖面高度为1723.35米时，水面面积约为216.6平方公里。平均水深为95.2米，最大深度为158.9米，总容积为20.62×10^9立方米。平均水力停留时间约为167年，完全混合周期通常

数据来源

富贤湖的地形数据来自地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）。2020年的湖水位数据由海口水文站提供。入流流量和水温数据来源于《富贤湖水资源统计报告（1960–2020年）》。2020年富贤湖垂直温度监测项目提供了垂直水温剖面数据。

气象变量，包括太阳辐射、空气

垂直水温分布的时间变化

2020年在S1站点模拟的月度垂直温度剖面（图6）显示，温度变化的幅度随深度增加而减小。年温差从表面的10.11℃逐渐降至底部的0.13℃。

以往的研究提出了不同的温跃层定义标准，使用的垂直温度梯度阈值范围从0.03℃/米到2℃/米不等（Zhang等人，2015年；Zhang，2024年）。在本研究中，

控制垂直温度差异的主要因素

垂直热分层是深湖中最显著的热特征之一。以往的研究表明，深湖中的热分层主要由热力和动力因素控制（Zhang等人，2024年）。

(1) 热过程（气温和太阳辐射）

与浅湖相比（Piccioni等人，2021年），深湖通常表现出更高的热惯性。本研究显示，短期高温和寒潮主要影响混合层

结论与展望

基于EFDC模型，本研究对富贤湖进行了水动力-热耦合模拟，系统分析了其热分层特征以及在极端气象事件（寒潮、热浪和强风）下的分层扰动驱动机制。结果表明，热分层期从3月持续到12月，表现出明显的季节性变化。混合层厚度在

CRediT作者贡献声明

赵金：撰写——原始草稿，软件开发，项目管理，正式分析，数据管理，概念构思。魏马：撰写——审稿与编辑，资源获取，调查，资金筹集。张佩辰：监督，项目管理，调查。冯顺新：软件开发。王云飞：调查，数据管理。

资助

本工作得到了中国工程院，云南科技发展战略研究所 [项目编号：WE110199A0012025]的支持。

未引用的参考文献

中国科学院南京地理与湖泊研究所，1990年

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢研究团队中的研究人员和学生的宝贵贡献，他们在野外采样和实验室分析方面发挥了重要作用。本工作得到了中国工程院和云南科技发展战略研究所的资助。