学术动态

第一作者：唐林峰（硕士研究生），杨昆教授

通讯作者：罗毅教授

成果简介

2022年8月29日，工程中心杨昆教授带领其研究生在国际学术期刊Frontiers in Environmental Science（IF:5.411）上发表题为“Spatial impact of urban expansion on lake surface water temperature based on the perspective of watershed scale”的论文。该研究以中国快速城镇化的滇池、巢湖、太湖、鄱阳湖、洞庭湖、洪泽湖流域为研究区，并引入空间影响方程量化城市扩张对湖泊表面水温的空间影响。

引言

随着中国城市化进程的加快，城市扩张对湖泊水温的影响已不容忽视。先前已经有学者针对城市扩张对湖泊表面水温的影响进行研究，然而这些研究仅将不透水面连同其他影响因素一起探究对湖泊表面水温的影响，研究方法也多是简单的相关性分析。因此，截至目前，还没有学者单独分析城市扩张对湖泊表面水温的影响，也没有考虑城市扩张对湖泊表面水温的影响是随着距离增加而减小这一特点。为了探究城市扩张对湖泊表面水温的空间影响，本研究引入空间影响方程量化城市扩张对湖泊表面水温的空间影响，该方程综合考虑了流域内不透水面的空间特征、面积的变化、子流域与湖泊之间距离以及湖泊面积的变化，最后经过实验证明空间影响方程可以较好的量化不透水面对湖泊表面水温的影响，并解释不透水面积或覆盖率增长速率和湖泊表面水温增温速率不一致的问题。

图文导读

图1 流域内不透水间时空变化 注：上图中左侧图片代表六个湖泊流域内不透水面时空变化，右侧扇形数值分别表示不透水面积和对应年份内不透水面的覆盖率。其中内侧为不透水面积，单位为平方千米（km²），外侧为不透水面的覆盖率，单位为%。扇形图下方箭头和数字表示不透水面积增长速率。扇形面积大小的变化同样表现不透水面积的变化速率。显著性水平：p<0.001（***）

图1显示了自2001年至2018年间六个湖泊流域内不透水面积都有显著增长。从增长倍数来看，六个湖泊的流域内不透水面增长倍数最高的是太湖（3.91倍）,其次为洞庭湖（3.59倍）、鄱阳湖（3.48倍）、滇池（2.5倍）、巢湖（2.16倍）和洪泽湖（1.80倍）。从增长的速率来看，不透水面增长速率最快的是洪泽湖（5192.73 km²/decade），其次太湖（4945.96 km²/decade）、洞庭湖（1668.55 km²/decade）、鄱阳湖（1382.26 km²/decade）、巢湖（473.34 km²/decade）和滇池（237.29 km²/decade）。

图2 湖泊表面水温变化趋势 注：X轴表示时间，Y轴表示湖泊表面水温，单位为摄氏度（℃）。左侧图形表示湖泊表面水温变化趋势线，右下角折线图表示湖泊表面水温实际变化，黑色线条表示年平均湖泊表面水温，绿色线条表示春季湖泊表面水温，红色线条表示夏季湖泊表面水温，橙色线条表示秋季湖泊表面水温，蓝色线条表示冬季湖泊表面水温。右上角数字表示湖泊表面水温变冷或变暖情况，其中深红色字体表示湖泊表面水温呈现出变暖趋势，深蓝色字体表示湖泊表面水温呈现出变冷趋势。显著性水平：p<0.01（**），p<0.05（*）和p<0.1（^.）

图2显示了自2001年至2018年间六个湖泊的表面水温总体呈现出变暖的趋势，但是每一个湖泊的变暖速率不同。从白天湖泊表面水温的变化来看，所有湖泊的表面水温均呈现出变暖的趋势。从夜间的湖泊表面水温来看，只有鄱阳湖呈现出变冷的趋势，其余湖泊均呈现出变暖的趋势。从六个湖泊各季节白天的表面水温来看，只有滇池春季、鄱阳湖冬季以及洞庭湖、洪泽湖和太湖秋季的湖泊表面水温呈现出变冷的趋势，其余湖泊各季节均呈现出变暖的趋势。从六个湖泊各季节夜间的表面水温来看，只有鄱阳湖春季和秋季的表面水温表现出变冷的趋势，其余湖泊各季节的表面水温均显示出变暖的趋势。

图3不透水面对湖泊表面水温的空间影响力

图3 显示了六个湖泊流域内不透水面对湖泊表面水温的空间影响力随时间的变化。由图中可以看出六个湖泊的空间影响力总体呈现出上升的趋势。同不透水面积增长类似，六个湖泊的空间影响力在2011年后增长速率加快，到2016年增长速率开始减缓。其中洪泽湖和洞庭湖2017年后空间影响力变小是因为湖泊边界发生变化。

图4 湖泊表面水温与G的相关性。注：图中相关性均保留两位小数。

图4显示了空间影响力与年平均湖泊表面水温、季节湖泊表面水温的相关性。从白天的年平均表面水温与空间影响力的相关性来看，相关性最高的是巢湖(0.47)，相关性最低的是洪泽湖(-0.02)。从夜间年平均表面水温与空间影响力的来看，相关性最高的是滇池(0.56)，最低的是鄱阳湖(-0.07)。从白天各季节湖泊表面水温与空间影响力的相关性来看，相关性最高的是太湖春季的湖泊表面水温与空间影响力的相关性（0.46），相关性最低的是滇池夏季的湖泊表面水温与空间影响力的相关性（-0.26）。从夜间各季节的湖泊表面水温与空间影响力的相关性来看，相关性最高的是滇池秋季的湖泊表面水温与空间影响力的相关性（0.66），相关性最低的是鄱阳湖春季的湖泊表面水温与空间影响力的相关性（-0.37）。

小结

在本研究中，通过对六个湖泊流域内不透水面积或覆盖率的增长速率和湖泊表面水温的增温速率进行对比分析后我们发现湖泊表面水温增温速率和不透水面积或覆盖率的增长速率并非绝对一致，因此在不考虑距离衰减的情况下，仅考虑不透水面积或覆盖率的增长速率从而分析不透水面扩张对湖泊表面水温的影响可能会放大或缩小不透水面对湖泊表面水温的影响。而空间影响方程可以解决不透水面和湖泊空间分布离散化使得不透水面对湖泊表面水温影响研究较难这一问题。同时通过量化流域内不透水面对湖泊表面水温的空间影响，结合流域内不透水面的空间分布可以进一步解释湖泊表面水温增温速率和不透水面积或覆盖率增长速率不一致这一现象。此外我们还证明了相较于具有较大流域面积的湖泊，空间影响方程更适合量化小尺度流域内城市扩张对湖泊表面水温的影响。

论文链接：https://doi.org/10.3389/fenvs.2022.991502