氣象之于“湖泊”

鄱陽湖、洞庭湖、青海湖、千島湖……這些湖泊，想必大家已耳熟能詳。它們要么碧綠，要么湛藍(lán)。那您見過粉色、紅色、五彩斑斕的湖泊嗎？湖泊的透明度又是由什么決定的？在“湖”上還能享受世界頂級(jí)星空視覺盛宴？這些與氣象有著怎樣的關(guān)系？本期科普看臺(tái)，或許能為您打開一個(gè)新世界。

專家顧問：中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員 何飛

中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所副所長(zhǎng)、研究員 張運(yùn)林

中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院副教授 范雯杰

在冷湖，找尋不一樣的星空

今年8月，一項(xiàng)為全世界天文愛好者所關(guān)注、由中國科學(xué)家取得的科考成果發(fā)表在國際知名期刊《自然》主刊上——青海冷湖地區(qū)發(fā)現(xiàn)國際一流光學(xué)天文臺(tái)址。

星空與冷湖，一個(gè)天、一個(gè)地，如何被聯(lián)系在一起？在“湖”上也能研究天文和行星么？冷湖其實(shí)是一個(gè)小鎮(zhèn)，而且是一個(gè)富有傳奇色彩的地方。

它坐落于中國無人區(qū)中部、青藏高原北緣。傳說當(dāng)年地質(zhì)隊(duì)來此考察，在當(dāng)金山南麓發(fā)現(xiàn)了一個(gè)無名湖泊，水至冷，就直呼其為“冷湖”，這就是“冷湖”地名的由來。當(dāng)初的地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)了石油，把這塊“冷地”直接帶“熱”，一時(shí)風(fēng)光無限。但是隨著石油資源枯竭，冷湖再度回到幾乎無人的狀態(tài)。

雖然熱度不再，但是對(duì)天文學(xué)家而言，這里有著無比優(yōu)質(zhì)的星空。

從1609年伽利略首次將自制的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)星空開始，天文和行星光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的口徑從幾厘米提升到了十米量級(jí)，我們能將行星看得更加清晰，也能看到更深遠(yuǎn)的宇宙。但受到我們頭頂?shù)拇髿鈱拥挠绊?，大氣湍流?yán)重干擾光輻射的傳輸，降低了光學(xué)觀測(cè)分辨率，紅外光學(xué)觀測(cè)還受到水汽吸收的干擾。因此，大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡幾乎都集中在世界上少數(shù)幾個(gè)地方，例如智利的阿塔卡瑪沙漠、夏威夷的莫納凱亞山、西班牙的加納利群島和南極的冰穹。

不難發(fā)現(xiàn)，已有的光學(xué)臺(tái)址都分布在西半球，整個(gè)東半球有巨大的空缺。國際天文和行星科學(xué)界都寄希望在中國能找到世界級(jí)的光學(xué)臺(tái)址。但越是萬眾矚目的期待，實(shí)現(xiàn)起來往往難上加難。

何飛表示，高質(zhì)量晴夜數(shù)，天空背景亮度，大氣穩(wěn)定程度，位置、物流和基礎(chǔ)設(shè)施條件以及暗夜星空的長(zhǎng)期保護(hù)政策都是衡量?jī)?yōu)良光學(xué)臺(tái)址的主要指標(biāo)。

高質(zhì)量晴夜數(shù)和暗夜星空的長(zhǎng)期保護(hù)政策限定了臺(tái)址一般只能位于人煙稀少甚至無人區(qū)光污染少的地方，比如廣袤的中國西部地區(qū)。一直以來，青藏高原高海拔和人口稀少的優(yōu)勢(shì)，被國際和國內(nèi)天文與行星科學(xué)界寄予厚望。中國天文界曾組織開展西部選址項(xiàng)目，通過歷史氣象資料分析（日照、降水）和實(shí)地勘測(cè)等，初步發(fā)現(xiàn)了一些候選臺(tái)址，如四川稻城、西藏阿里、新疆慕斯塔格等，但都存在不同程度的不足之處，如水汽含量、光污染、可到達(dá)性等。

冷湖也很早進(jìn)入了天文選址的視野，因?yàn)檫@里除了夜空晴朗和日照充沛之外，還具有比上述地區(qū)更優(yōu)越的交通便利和區(qū)域安全條件。2017年底，冷湖為尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型，依托星空資源發(fā)展文旅產(chǎn)業(yè)，邀請(qǐng)國家天文臺(tái)研究員鄧?yán)畈鸥袄浜疾欤状翁た绷宋挥诶浜|部的賽什騰山，壯美絢麗的星空令人震撼。方圓百公里的無人區(qū)，使得這里幾乎無光污染，非常適合建設(shè)天文臺(tái)。

去過青藏高原深度觀光的人有一個(gè)共同的感受——視覺在天堂，身體在煉獄！賽什騰臺(tái)址質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有多么令人興奮，賽什騰山給人的觀感有多么雄壯巍峨，獲取數(shù)據(jù)的歷程就有多么舉步維艱！團(tuán)隊(duì)克服高海拔高寒缺氧等重重困難，成功建成關(guān)鍵臺(tái)址參數(shù)測(cè)量平臺(tái)。

何飛表示，3年連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，冷湖臺(tái)址的光學(xué)觀測(cè)條件全面優(yōu)于青藏高原其他選址點(diǎn)，完全可以與國際公認(rèn)的最佳天文臺(tái)址比肩。在這里，優(yōu)質(zhì)晴夜時(shí)間（可開展精密光度測(cè)量）占比達(dá)70%，外加大約15%的部分有云的光譜觀測(cè)時(shí)間，每年觀測(cè)可用的時(shí)間達(dá)300天；夜間可沉降水汽柱密度在2毫米以下的時(shí)間占比優(yōu)于美國的夏威夷天文臺(tái)（54%），遠(yuǎn)優(yōu)于智利和其他地區(qū)的大型光學(xué)天文臺(tái)；賽什騰山海拔4200米臺(tái)址點(diǎn)的大氣視寧度中位值0.75角秒，與夏威夷持平，優(yōu)于智利和其他地區(qū)的大型光學(xué)天文臺(tái)；夜間臺(tái)址點(diǎn)氣溫起伏（峰谷差）中位值僅為2.4℃，這也意味著地面層的大氣非常穩(wěn)定。所有這些臺(tái)址參數(shù)都證明冷湖賽什騰山是世界一流的光學(xué)天文臺(tái)址，成為我國為全世界貢獻(xiàn)的天文和行星科學(xué)的戰(zhàn)略資源。

在今天的賽什騰山上，已有若干科學(xué)級(jí)天文望遠(yuǎn)鏡與青海省地方政府簽約落戶。冷湖賽什騰山正在成為我國光學(xué)天文觀測(cè)與研究的沃土，國際天文界對(duì)青藏高原臺(tái)址的期冀正在逐步變成現(xiàn)實(shí)。地上冷湖，天上星空，通過一臺(tái)臺(tái)望遠(yuǎn)鏡將它們聯(lián)系在一起。未來已經(jīng)到來，冷湖不再寒冷！

中國的湖水，變清了嗎？

自古以來，形容湖水清澈透明的詩句數(shù)不勝數(shù)，人們總是將最廣闊的胸懷和最外放的情意投射其中。湖泊，就像一面鏡子，反射出詩人的情緒心境；它也更像是地球的眼睛，越清澈，越能傳達(dá)出這顆星球深邃的美。湖泊透明度直觀反映湖水清澈和渾濁程度,是衡量水下光環(huán)境的重要指標(biāo)，同時(shí)也對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境研究具有重要的科學(xué)及實(shí)踐意義。

清澈or渾濁？

透明度是反映湖泊物理、化學(xué)、生物和流域過程的綜合表征指標(biāo)，也是體現(xiàn)大尺度氣候變化和土地利用的指示指標(biāo)。

目前主要實(shí)地測(cè)量湖泊透明度的方法，是塞氏盤深度測(cè)量法。早在1865年，羅馬海軍軍官Cialdi和意大利教授P.A.Secchi就使用塞氏盤來測(cè)量航海中海水的透明度了。測(cè)量時(shí)，將塞氏盤垂直沉入待測(cè)水體中，直至其到達(dá)肉眼“可見”與“不可見”的深度臨界值，即為該點(diǎn)的塞氏盤深度，這一參數(shù)已被廣泛應(yīng)用于湖泊環(huán)境的研究。

盡管這樣測(cè)量出的湖泊透明度可能受測(cè)量者視力或當(dāng)天太陽光線影響，但因誤差較小，所以可以不計(jì)在內(nèi)。一般透明度在一米至兩米左右，已屬較清澈的湖泊。在我國西藏自治區(qū)的瑪旁雍錯(cuò)，是中國蓄水量第二大的天然淡水湖，也是亞洲四大河流的發(fā)源地?，斉杂哄e(cuò)風(fēng)景秀美，湖水清澈，其湖心位置的透明度能夠達(dá)到8米至9米。大唐高僧玄奘在《大唐西域記》給了它一個(gè)仙氣飄飄的名字——“西天瑤池”。

此外，湖泊透明度也是評(píng)價(jià)湖泊富營養(yǎng)化的一個(gè)重要指標(biāo)，在淺水湖泊中，透明度往往直接決定沉水植物生長(zhǎng)與分布。

張運(yùn)林指出，淺水湖泊的湖水透明度越高，能夠看到的水下植被就越多，說明其生態(tài)系統(tǒng)可能就越完善、越健康，其服務(wù)功能和服務(wù)價(jià)值都更高。若透明度過低，光照無法到達(dá)水體底部，會(huì)造成生長(zhǎng)在湖泊底部的沉水植物無法進(jìn)行光合作用，抑制其生長(zhǎng)；同時(shí)，透明度低也會(huì)影響水中溶解氧濃度，水中氧氣不足將影響生物存活。

是什么“攪渾”了湖水？

湖水透明度的變化主要受純水、溶解性有機(jī)物和顆粒物影響，其中顆粒物分為色素顆粒物 （如藻類生物） 和非色素顆粒物 （如無機(jī)的非生物懸浮顆粒等）。

張運(yùn)林表示，上述物質(zhì)都是通過影響光對(duì)湖泊的吸收和散射從而影響湖水透明度。湖泊中的非色素顆粒物濃度上升，會(huì)增加湖水對(duì)光輻射的衰減，從而降低水體透明度；如果流域植被減少、水土流失嚴(yán)重，大量顆粒物和溶解性物質(zhì)會(huì)進(jìn)入水中，導(dǎo)致透光性下降，同時(shí)促進(jìn)藻類肆意生長(zhǎng)，將會(huì)進(jìn)一步造成透明度下降。

氣候變化和人類活動(dòng)都能通過影響湖泊浮游生物的生存條件，以及進(jìn)入湖泊的有機(jī)和無機(jī)顆粒的溶解程度和濃度，從而對(duì)湖水透明度產(chǎn)生影響。

當(dāng)經(jīng)歷一次暴雨過程后，大量顆粒物和溶解性物質(zhì)進(jìn)入湖泊，將會(huì)在短時(shí)間影響湖泊透明度?！叭艉礈囟仍黾訉?dǎo)致水中藻類生長(zhǎng)增加，也會(huì)造成透明度降低?！睆堖\(yùn)林舉例道，太湖、鄱陽湖等位于長(zhǎng)江中下游位置的自然淡水湖泊，其季風(fēng)氣候特征明顯，高溫且濕潤(rùn)多雨，有利于水中藻類物質(zhì)生長(zhǎng)，加之風(fēng)浪擾動(dòng)卷起水體底部泥沙等顆粒物，會(huì)導(dǎo)致湖水渾濁、透明度降低。

當(dāng)然也有例外。近日，張運(yùn)林研究組發(fā)現(xiàn)，近30年來暖濕氣候改善了蒙新高原的植被和生態(tài)環(huán)境，間接對(duì)水質(zhì)改善起到正反饋?zhàn)饔?。由于蒙新高原溫度升高，?dǎo)致海陸溫差加大和季風(fēng)增強(qiáng)，誘發(fā)降水增加，對(duì)湖泊起到了“稀釋”作用。同時(shí)，湖泊流域濕潤(rùn)的環(huán)境對(duì)植被生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，使得其對(duì)顆粒物的攔截能力增強(qiáng)，降低了流域侵蝕對(duì)湖泊水體透明度的影響。

中國的湖水，變清了嗎？

近幾十年，在全球變暖、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化加速推進(jìn)的背景下，我國湖泊水環(huán)境受到來自氣候變化與人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的雙重壓力。為此，國家各級(jí)政府和環(huán)保部門制定了一系列污染防治和水資源保護(hù)措施，加大了水環(huán)境治理保護(hù)力度，例如2015年實(shí)施發(fā)布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》等。

從中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所分析的2000年至2018年間我國湖泊整體透明度變化趨勢(shì)可知，得益于我國大量改善水質(zhì)、減少水土流失、修復(fù)生態(tài)環(huán)境等治理工作，近二十年來，我國湖泊透明度有了明顯提高，但仍未達(dá)到上世紀(jì)七八十年代水平。

張運(yùn)林指出，湖泊透明度變化空間上呈現(xiàn)西高東低的趨勢(shì)，以胡煥庸線為界，界線以東的蒙新高原、青藏高原等地，由于降水增多、溫度升高等氣象因素，湖泊透明度有了明顯提升；而長(zhǎng)江中下游地區(qū)受人類活動(dòng)影響較大的湖泊，變化雖不明顯，但總體透明度變化趨勢(shì)仍然是上升的。某種程度上也反映我國水環(huán)境治理保護(hù)工作取得了成效。

對(duì)此，張運(yùn)林表示，改善湖泊透明度主要通過流域上治理和湖泊內(nèi)修復(fù)兩類方法完成。例如，加強(qiáng)土地利用管控、還林還草，改善湖泊周邊植被生態(tài)和水土流失情況，減少輸入水體的顆粒物和溶解性物質(zhì)，增強(qiáng)湖泊的透光性。

童話里的神池

神秘的火山湖

在印度尼西亞佛羅勒斯島上，有一座名為克里穆圖的火山?？死锬聢D意為“沸騰的湖水”，山上有三個(gè)神秘的深水湖，分別為“老人湖”“青年湖”“幽靈湖”。

令人匪夷所思的是，這三個(gè)湖泊的顏色總是不時(shí)發(fā)生變化，有時(shí)是祖母石綠、深紅色或墨黑色，有時(shí)又變?yōu)樗{(lán)色或碧綠色，就像“薛定諤的貓”一般。只有等到你登上山頂看到它們的那一刻，才能確定其到底是何種顏色。

科學(xué)家則一直試圖解開這個(gè)謎團(tuán)，其中的奧秘究竟在哪里呢？

這還得從湖水的來源說起。雖然印度尼西亞雨水充沛，但三色湖里絕大部分的水并非雨水，而是由火山噴發(fā)而來。

火山噴發(fā)的巖漿成分復(fù)雜，并不是只有滾燙的熔巖，還混雜著大量地下深處的水，這些水在炙熱的熔巖中會(huì)形成很多氣泡。大量氣泡在火山口處破裂，釋放出水蒸氣。

而火山湖顏色變化的秘密也藏在這些氣泡里。

原來，這些氣泡里不僅有水蒸氣，還夾雜了很多不同種類的氣體，這些氣體里含有各種各樣的化學(xué)物質(zhì)，在火山噴發(fā)、湖泊形成乃至噴發(fā)結(jié)束后源源不斷地釋放出來。氣體里面的化學(xué)物質(zhì)溶解到湖水里后，便有可能與湖水里原有的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生奇妙的化學(xué)反應(yīng)，形成新的化學(xué)物質(zhì)，從而呈現(xiàn)出不同顏色。更神奇的是，克里穆圖這三個(gè)火山口冒出的氣體里面，化學(xué)物質(zhì)都不一樣，因此發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)物質(zhì)也不一樣。正是這些不同的化學(xué)物質(zhì)，讓火山湖呈現(xiàn)出不同的顏色。

與此同時(shí)，在不同的溫度下，湖水中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可能會(huì)生成不同顏色的化學(xué)物質(zhì)。此外，化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的速度與火山活躍的程度、大氣等因素有關(guān)，所以也增加了湖水顏色發(fā)生變化的可能性。

“爆棚”的“少女心”

在非洲大陸的最西端——塞內(nèi)加爾的佛得角，有一個(gè)面積僅3平方公里的咸水湖，也是一個(gè)潟湖（因海灣被沙洲所封閉而演變成的湖泊），四周被沙丘包圍。它靜臥在碧藍(lán)色的大西洋旁邊，與其僅一線之隔。

每年12月至次年1月，天氣十分干燥時(shí)，這個(gè)湖泊的少女心竟然“爆棚”，呈現(xiàn)出極具浪漫情調(diào)的粉紅色，仿若美麗的玫瑰花一般，所以被稱為“玫瑰湖”。更為奇妙的是，隨著季節(jié)的變化，湖水的顏色也會(huì)隨之變換，有的季節(jié)是淡綠色，有的季節(jié)是深紅色。

那么它是如何將自己裝扮成不同顏色的呢？

原來，由于當(dāng)?shù)貧夂蚍浅８稍?，蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致這個(gè)小小的湖泊含鹽量極高，每升可超過300克，大約相當(dāng)于全球大洋平均鹽度的十倍，就連不會(huì)游泳的人也可以在上面漂浮起來，可與著名的“死?！毕噫敲?。令人意想不到的是，在這樣極端惡劣的環(huán)境下，湖中居然還生活著嗜鹽微生物，其中以杜氏鹽藻為主。這些喜鹽微生物可以在鹽度極高的環(huán)境下生存，并且會(huì)產(chǎn)生一種紅色素來幫助其吸收陽光。

當(dāng)旱季來臨時(shí)，氣溫升高，天氣變得異常干燥。此時(shí)，湖水中的鹽度也因湖水蒸發(fā)而不斷增加。這些嗜鹽微生物便會(huì)產(chǎn)生大量紅色素，將整個(gè)湖泊染成令人沉醉的粉紅色，咫尺之遙的大西洋在其映照下也顯得格外動(dòng)人。這美妙的湖泊為當(dāng)?shù)氐牟甥}業(yè)、旅游業(yè)都帶去了一定的促進(jìn)作用。

童話世界里的神池

如果說童話世界里也有湖泊，那么位于四川九寨溝的五花海就不得不提。鵝黃、墨綠、寶藍(lán)、藏青、淺紅……這個(gè)湖泊仿佛童話中的公主，隨手采擷繽紛的色彩來裝扮自己。

湖面整體呈藍(lán)綠色，不同水域顏色的變換讓人應(yīng)接不暇，從淡黃到綠色，再到藍(lán)色，展現(xiàn)出湖水五彩的美艷。這片湖有股神奇的魔力，美得讓人心醉。當(dāng)?shù)亓鱾髦@樣一種說法：五花海是神池，它的水流向哪兒，哪兒就繁花似錦，美麗富饒。

入秋后，五花湖變得更加色彩斑斕，姿態(tài)萬千，五彩繽紛的彩林倒映在湖面，與湖底的色彩混合成一個(gè)異彩紛呈的童話世界。那么五花海為何會(huì)有如此絢爛的顏色呢？

原來，這與湖底的鈣華沉積物和湖中生活的有色藻類、水生植物有關(guān)。鈣華（碳酸鈣）沉積是該地喀斯特湖泊顏色形成的核心過程，碳酸鈣懸浮顆粒對(duì)可見光的選擇性反射和散射作用最終使得湖泊呈現(xiàn)出藍(lán)綠色。

由于湖水透明度高，加上色彩深淺各異的石灰?guī)r、含不同葉綠素的水生植物以及色澤艷麗的藻類，以及多年沉積物的染色作用，最終形成了一個(gè)五光十色的瑤池仙境。（資料來源：美國《國家地理雜志》，美國國家航空航天局官網(wǎng)、BBC）

（來源：中國氣象報(bào)2021-09-24 作者：李慧 羅瀾 吳鵬）