长江流域湖泊热力动态的长期时空异质性及其驱动因素

《Environmental Research》：Long-term Spatiotemporal Heterogeneity and Drivers of Lake Thermal Dynamics in the Yangtze River Basin

本研究利用Google Earth Engine平台和Landsat卫星数据，重建了长江流域六个大型湖泊1988-2022年湖面水温（LSWT）长时序数据集，验证显示其精度高（Nash-Sutcliffe效率系数＞0.95）。结果表明流域普遍升温（0.439°C/10a），中游升温最快，存在显著时空异质性，自然气候与人为因素（如城市扩张）共同驱动，揭示区域差异的成因，为可持续湖泊管理提供科学依据。

　　

王远坤|马伟国|陶佳欣|杨友|赵雷|张彦凯|王东

华北电力大学水资源与水电工程学院，中国北京102206

摘要

湖泊表面水温（LSWT）控制着水生环境中的物理和生物地球化学过程，是生态系统对气候变化响应的指标。本研究调查了长江上游、中游和下游六个代表性大型湖泊的LSWT的时空演变及其驱动机制。利用Google Earth Engine平台中的统计单窗口算法重建了1988年至2022年的月度LSWT数据集。与现场水文数据的对比验证表明，该算法的检索精度很高，Nash-Sutcliffe效率系数超过0.95，均方根误差低于1.65°C。研究结果显示，整个流域存在普遍的升温趋势，平均升温速率为0.439°C/10年，其中中游的升温速度最快。研究发现存在显著的时空异质性：上游和中游的湖泊相对于空气温度表现出明显的季节性滞后现象，而下游的浅水湖泊则表现出同步变化。值得注意的是，1996年至1997年间，中游的洞庭湖和鄱阳湖发生了区域性的热状态转变。河流流入的冷却效应与城市化的局部升温共同塑造了湖泊的表面水温分布。归因分析表明，空气温度是主要驱动因素，解释了超过60.5%的年际变化；然而，人为影响在不同地区存在差异。不透水表面的扩张显著加剧了湖泊的升温现象，尤其是在特定季节。这些发现有助于区分自然气候变化和人类活动的影响，为复杂流域的可持续湖泊管理提供了科学依据。

引言

湖泊是陆地水圈的重要组成部分，提供重要的淡水资源，并在调节区域气候和维持生物多样性方面发挥着不可替代的作用（Marzadri等人，2013；Duan等人，2024；Shi等人，2025）。在表征湖泊动态的各种物理参数中，湖泊表面水温（LSWT）被认为是湖泊生态状态的基本指标（Hong和Nguyen，2023）。它控制着水生生物的新陈代谢速率、溶解氧浓度和养分循环，同时显著影响控制水柱内能量和物质流动的热分层模式（Baek和Lim，2021）。因此，LSWT不仅是内部生物地球化学过程的驱动因素，也是外部气候强迫的敏感指标，因为其变化直接反映了空气-水界面的复杂能量交换（Guo等人，2022；Shi等人，2025；Yang等人，2020）。

在全球变暖的背景下，湖泊的热特性正在发生快速变化（Niedrist等人，2018）。大量观测证据表明，全球湖泊表面水温普遍呈上升趋势，平均升温速率通常超过周围空气温度（O’Reilly等人，2015）。这种升温现象带来了严重的生态后果，包括冷水物种的热栖息地压缩、有害蓝藻水华的加剧以及浮游生物群落结构的变化，所有这些都威胁着生态系统的稳定性和区域水资源安全（Wilk-Wo?niak等人，2024）。尽管北美和欧洲已经记录了LSWT对气候变化的响应，但由于湖泊形态、纬度和局部水文条件的差异，存在显著的地域差异。理解驱动LSWT变化的机制——特别是区分自然气候变率和人为干扰的影响——仍然是湖泊学家和水文学家面临的关键挑战（Lieberherr和Wunderle，2018；Missaghi等人，2017；Piccolroaz等人，2021）。

长江流域从青藏高原到中国东部沿海平原具有独特的地貌特征，拥有众多大型湖泊（面积大于100平方公里），这些湖泊在社会经济和生态方面都具有重要意义（Chen等人，2023）。这些湖泊从上游的高山湖泊到中下游的浅水湖泊和城市化湖泊，为研究不同环境梯度下的湖泊热动态提供了独特的自然实验室。现有的关于长江流域湖泊的研究主要集中在单个水体或特定环境问题（如富营养化和水位波动）上（Hu等人，2022；Wang等人，2021）。虽然一些研究已经发现了特定湖泊的升温趋势，但缺乏考虑上游、中游和下游梯度的综合、流域尺度的比较分析。虽然太阳辐射是湖泊的主要热源，但空气温度是空气-水界面复杂热交换（如显热和长波辐射）的最有效综合代理指标。因此，它被广泛认为是控制LSWT的主要气象因素（Piccolroaz，2016；Qiu等人，2024；Wang等人，2022）。然而，快速的城市化和土地利用变化（如不透水表面的扩张）对该人口密集流域的湖泊热状态的影响尚未得到充分量化（Liu等人，2023；Pekel等人，2016；V?r?smarty等人，2000；Yi等人，2019）。

为了填补这些知识空白，需要准确监测长期LSWT的时空变化模式。传统的湖泊温度监测方法通常使用浮标或巡测数据进行现场测量。尽管这些基于点的观测非常准确，但往往分布稀疏且时间上不连续，无法捕捉整个湖泊的热异质性和长期演变趋势（Piccolroaz等人，2024）。卫星遥感技术的出现彻底改变了这一领域，提供了大规模、高频率和一致的热红外数据。特别是Landsat档案，凭借其高空间分辨率（30–100米）和数十年的覆盖范围，为重建历史LSWT序列提供了无与伦比的机会（Halverson等人，2022）。然而，处理大规模遥感数据集在计算上一直具有挑战性。云计算平台（如Google Earth Engine（GEE）的出现，结合强大的检索算法（如统计单窗口算法），使得能够在流域尺度上系统地分析数十年的LSWT动态（Ermida等人，2020；Halverson等人，2022；Li等人，2024）。

本研究利用GEE平台和长期的Landsat影像（1988–2022年）研究了长江流域六个代表性大型湖泊的LSWT的时空演变：上游的崔仁德佳湖和滇池湖，中游的洞庭湖和鄱阳湖，以及下游的巢湖和太湖。这些湖泊涵盖了不同的气候带、水文连通性水平（封闭型与河流连接型）和人为影响强度（原始状态与城市化状态）。本研究的目标是：（1）为这些关键湖泊重建35年的高分辨率LSWT数据集；（2）描述并比较整个流域三个区域的年际趋势、季节性模式、突变、周期性和空间异质性；（3）定量归因LSWT变化，将其归因于自然气象因素（如空气温度、风速）和人为因素（如不透水表面比例），从而阐明不同子区域的驱动机制。这些发现旨在为改善水资源管理和保护面临持续气候变化的重要湖泊的生态健康提供科学依据。

研究区域

长江流域是中国面积最大的河流系统，流域面积达180万平方公里，流经19个省份，由长达6300公里的长江排水（图1）。该流域具有多样化的水文、气象和生态特征，具有重要的社会经济和生态价值（Yang等人，2021）。上游（从源头到宜昌）以高原和山脉为主，拥有丰富的水电资源，贡献了超过80%的

湖泊表面水温的遥感反演

基于验证的模型，生成了1988年至2022年长江流域大型湖泊的LSWT数据集。由于崔仁德佳湖位于高海拔地区，每年11月至次年4月会结冰，因此分析仅限于无冰期（5月至10月），如图S1(a–b)所示。中游（洞庭湖、鄱阳湖）和下游（巢湖、太湖）湖泊的长期温度变化分别显示在图3(a-b)和图S1中

影响时空热异质性的机制

全球变暖引发了陆地水体的广泛热响应。在本研究中，崔仁德佳湖的多年平均LSWT（6.71°C）高于平均空气温度（2.85°C）。从1988年到2022年，LSWT和空气温度均呈上升趋势，升温速率非常相似（分别为0.427°C/10年和0.43°C/10年）。这一发现与青藏高原湖泊数据集的重建结果一致（Guo等人，2022；Zhang等人，2022）

结论

本研究利用Landsat影像和遥感反演技术重建了长江流域六个代表性大型湖泊的长期（1988–2022年）数据集。与现场测量的对比验证表明，这些模型具有高精度和可靠性，能够准确重建过去35年这些湖泊的历史热演变过程。

根据检索到的数据集，LSWT的时空演变显示出显著

作者贡献声明

王东：撰写 – 审稿与编辑，监督。陶佳欣：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法论，数据分析。杨友：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法论。赵雷：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，数据分析。张彦凯：撰写 – 审稿与编辑，资源获取，资金筹措。王远坤：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源获取，项目管理，资金筹措，数据分析，

数据可用性

数据可应要求提供。

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

声明：在准备本作品时，作者使用了Gemini2.5pro工具来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52279064、52579010）的支持。