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区域气候变化对太湖主要生态指标影响的分析和模拟研究

李洪利  
【摘要】:全球气候正在发生着以变暖为主要特征的变化。而且,在区域气候变暖程度上也存在明显地域差异。同时,气候要素对局地湖泊、湿地等产生影响,并通过水体内部动力与生化过程影响水体生态过程。太湖地区气候变化具有显著水环境区域性特征。随着气候变暖和城市化进程的加剧,太湖生态和环境正面临着前所未有的挑战,蓝藻大面积爆发,水质恶化等事件的出现大大限制了其功能的发挥。深入研究气候变化对太湖生态和环境质量的影响需要气候学与水生态科学专业的结合,论文作者将依托自身水环境生态学和气候学的综合背景,研究近50年来太湖地区气候变化及对太湖水生态环境的影响。本文采用气候统计分析方法、非线性统计模型-GAM、经验模态分解(EMD)和水动力生态数值模式(DYRESM-CAEDYM),研究了上世纪中叶至本世纪初太湖区域春、夏季气候变化特征,并探讨在此气候变化背景下,太湖不同富营养化区域控制主要生态指标的显著环境因子的差异;控制春季浮游植物群落演替的关键因子;进一步模拟研究了气候变化对太湖水温变化的影响,水体溶解氧、生物量在气温升高情景下的变化特征;利用降尺度方法,结合数值模式研究未来气候变化情景下,太湖主要生态指标的变化特征。主要结论如下:(1)关于太湖区域气候变化,1957-2010年,太湖春季平均气温呈现出比较显著的增温趋势,升温的速率达到0.4℃/10a,夏季平均气温变化趋势不显著;两者均主要表现出5年左右的冷暖周期振荡,并在本世纪初出现突变;太湖年日照时数、春季日照时数和夏季日照时数均总体呈现下降趋势。但在2000年左右,各个时期日照时数的变化均出现了转折突变,2000年之后日照时数开始增多;太湖年平均风速、春季和夏季平均风速在45年间,整体呈现显著的下降趋势,相对较高值出现在上世纪60~70年代。(2)控制太湖梅梁湾和太湖大湖区两个不同富营养化区域叶绿素a和溶解氧变化的关键环境因子存在差异,其中气温的变化都发挥了重要作用;特别是在大湖区,气温只有在超过9.0℃时才对叶绿素a的变化发生作用;除气温之外,COD和叶绿素a是调节大湖区溶解氧含量变化的关键因子。但在大湖区,只有叶绿素a浓度超过8.17μg/L时,才会发挥作用。在COD浓度小于6.05mg/L时,溶解氧主要受气温变化的影响。(3) EMD多尺度相关分析表明,在一年左右的时间尺度上,气温和总磷是影响叶绿素a变化的关键环境因子;在年际时间尺度上,总磷和总氮是影响叶绿素a变化的关键环境因子。(4)控制太湖春季浮游植物群落由绿藻占据优势向蓝藻占优势的转变,主要是气温升高和总氮浓度降低,月平均气温超过18.2℃是蓝藻占据优势的必要条件。随着春季增温,蓝藻种群优势将更早建立,使得夏季爆发蓝藻的可能性加大。(5)气候变化可以通过调节降水,进而影响太湖水深的变化来控制春季水温对气温和辐射变化的响应速度。水深较浅时,春季水温波动更加剧烈,有利于蓝藻种群优势的建立。(6)模式模拟显示,气温增加1℃和2℃情景下,太湖水温将分别升高0. 22℃~0. 52℃,0.44℃~1.02℃;水温增幅存在年内的季节性差异;气温升高导致的溶解氧含量减少的变化与水温变化规律一致,气温升高1℃和2℃的情景下,溶解氧含量分别减少了0.04 mg/L~0.16mg/L和0.07 mg/L~0.30 mg/L。因此,溶解氧含量的季节变化主要受控于气候因子的变化;气候变暖会导致太湖年平均生物量和春季蓝藻生物量的增加。相对于基础情景,气温升高1℃和2℃情景下,叶绿素a浓度分别升高3.9%和5.3%。春季气温升高2℃时,蓝藻生物量增加了 2.9%。(7) RCP4.5情景下,太湖未来气温以升温为主要特征,随着气候变暖将,未来太湖各个季节均主要表现为水温升高,溶解氧降低、叶绿素a和微囊藻生物量增加;微囊藻生物量增幅在夏季和秋季最大,使得未来可能爆发更加严重的蓝藻水华。


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