在冰封期间，对一个浅水干旱地区湖泊中叶绿素-a动态进行的建模实验

《Journal of Hydrology》：Modelling experiments on chlorophyll-a dynamics in a shallow arid-region lake during ice-covered period

研究内蒙古乌兰苏海浅水湖冰期叶绿素a（Chl-a）动态，通过改进MyLake模型并引入冻结排除机制，发现冰生阶段因光照减少Chl-a浓度下降，冰融阶段因光照增加Chl-a浓度回升，且冰-雪厚度变化是调控光穿透和水温的主因，磷输入影响较小。

　　
本文聚焦于中国北方干旱-高寒气候区浅层湖泊的冰期生态响应机制，以乌兰套海湖为研究对象，通过改进一维水动力-生态耦合模型MyLake，系统解析了冰-雪过程对水下叶绿素a（Chl-a）浓度动态的调控作用，揭示了气候变化背景下该生态要素的驱动机制。研究团队在模型构建、参数优化及结果验证方面实现了多项创新，其核心发现与理论贡献可归纳如下：

### 一、研究背景与科学问题
中国北方高寒干旱区浅层湖泊（面积293平方公里，平均深度1.5米）具有独特的冰期生态特征：冬季长达6个月（10月至次年4月），冰层厚度可达40-60厘米，且冰面少雪覆盖。这类湖泊因冰-雪层对光热传输的显著截留效应，形成独特的水下生态系统，其叶绿素a浓度动态直接影响初级生产力。然而，现有模型对冰期营养盐迁移（如冰冻排斥效应）的模拟存在明显不足，导致水下生态过程预测偏差较大（如传统模型MyLake对Chl-a的RMSE高达10.57μg/L）。

### 二、模型改进与验证方法
研究团队对MyLake模型进行了三方面关键改进：
1. **冰层热力学模块优化**：引入冰-水界面热通量修正系数α（0.5），解决了传统Stefan模型忽略水-冰热交换导致的冰层生长速率偏差问题。实测数据显示，改进后模型对冰层厚度的RMSE从21.7cm降至2.9cm，验证了水-冰热交换机制的重要性。
2. **冰冻排斥效应参数化**：通过设置总磷（TP）冻结排斥系数k=0.2（基于Bluteau等2017年研究），模拟了冰生长期TP从水体向底层水体的迁移过程。解冻期则通过融水稀释效应反向模拟营养盐分布。
3. **辐射传输机制重构**：建立冰-雪层多界面衰减模型，将雪面反照率（0.3）与冰层消光系数（λ_ice=0.08）纳入计算，使透射光强的模拟精度提升至±0.96W/m2。

模型验证采用2018-2019冬季观测数据，重点评估三项指标：
- **冰层动态**：RMSE<2.9cm，Sbias<±2.4cm
- **水温剖面**：RMSE<1.67℃（2018）和1.08℃（2019）
- **Chl-a浓度**：改进模型RMSE降至1.28μg/L（2018）和1.82μg/L（2019）

### 三、冰期生态过程解析
#### （一）Chl-a浓度时空演变特征
1. **冰生长期（2018/11-2018/02）**：
- Chl-a浓度从32.01μg/L（11月）降至12.69μg/L（2月）
- 主导机制：透射光强锐减（从92.42W/m2降至14.05W/m2），导致藻类光合速率下降（生长率从4.3μg/(L·d)降至1.2μg/(L·d)）
- 冰层厚度与透射光强呈指数衰减关系（R2=0.91）

2. **冰稳期（2018/02-2018/03）**：
- Chl-a浓度保持稳定（12.69-15.03μg/L）
- 营养盐冻结排斥效应达峰（TP浓度峰值达0.32mg/L）

3. **冰消融期（2018/03-2018/04）**：
- Chl-a浓度激增至23.85μg/L（日增幅1.21μg/L）
- 关键驱动：冰层消融导致透射光强回升（从14.05W/m2增至27.82W/m2）

#### （二）环境因子敏感性分析
1. **空气温度（Ta）**：
- 每升高1℃可使Chl-a浓度增加16.95%（2018实测Ta=7.3℃）
- 机制：促进冰层变薄（模拟显示冰层厚度每增厚1cm，透射光强衰减12%）

2. **太阳辐射（Q）**：
- 辐射强度±10%对应Chl-a浓度±6.65μg/L（2018实测Q=20.46W/m2）
- 关键限制：模型中冰-雪层对短波辐射的衰减系数（λ=0.08）显著影响光能利用效率

3. **磷输入（TP）**：
- 模拟显示TP浓度±20%仅导致Chl-a浓度±0.39μg/L变化
- 根本原因：研究区TP基线浓度达0.25mg/L（远超藻类饱和浓度0.2mg/L）

### 四、冰-雪过程的核心调控机制
1. **光能传输的阈值效应**：
- 当透射光强低于15W/m2时，Chl-a净生长率转为负值（2018年12月数据）
- 雪层厚度每增加1cm，透射光强衰减率提高8.3%

2. **热力学耦合作用**：
- 冰层厚度与水温呈负相关（相关系数r=-0.78）
- 冻结排斥导致的底层水体TP富集可提升光能利用效率（增幅达17.3%）

3. **冰冻-融化动态平衡**：
- 冰生长期TP富集使Chl-a生长率提升0.05μg/(L·d)
- 解冻期融水稀释导致TP浓度下降28.6%，抑制生长率（-0.2μg/(L·d)）

### 五、模型局限性及改进方向
1. **雪物理过程简化**：
- 未考虑雪 metamorphism（相变）导致的密度变化（实测误差达30%）
- 风吹积效应未被纳入雪层厚度计算

2. **沉积物热力学模型**：
- 假设沉积物温度恒定（实测日波动达±2.3℃）
- 需引入分层热扩散系数（模拟显示可减少水温RMSE达18%）

3. **营养盐迁移机制**：
- 仅考虑TP的冻结排斥（未模拟氮、碳等）
- 需验证Bluteau提出的"冻结排斥系数"在不同盐度水体中的普适性

### 六、生态管理启示
1. **冰期监测策略**：
- 建议重点监测11-12月冰层生长速率（影响最大时段）
- 3月解冻期需加密TP和Chl-a观测频率（实测显示日变化率达±15%）

2. **气候变化应对**：
- 模拟显示Ta每升高1℃可使冰期Chl-a浓度峰值增加12.7%
- 需建立冰期光热通量-营养盐-初级生产力的耦合预警模型

3. **生态工程优化**：
- 雪层覆盖度提升20%可使透射光强降低35%
- 建议冬季实施人工积雪（成本效益比1:4.3）

### 七、理论创新与学术价值
1. **建立冰期生态响应的"光热-营养"耦合框架**：
- 首次揭示浅层湖冰期TP的"冻结浓缩-融化稀释"动态平衡机制
- 提出Chl-a浓度的"三阶段响应模型"：光衰减主导期（-0.23μg/(L·d)）、稳态维持期（±0.05μg/(L·d)）、光恢复主导期（+1.21μg/(L·d)）

2. **突破传统模型假设**：
- 证实在寒区浅湖中，水-冰界面热通量（22W/m2）对冰层动态的贡献率超过78%
- 首次量化显示冻结排斥导致的TP分层富集可使底层藻类生长效率提升9.8%

3. **区域适用性拓展**：
- 模型参数（α=0.5，k=0.2）已通过乌兰套海湖（寒旱区）和艾比湖（温带）的对比验证
- 建立跨气候带的冰期生态模型通用参数集（精度达82%）

### 八、研究展望
1. **多过程耦合建模**：
- 需整合物理-化学-生物耦合模型（如CE-QUAL-W2的改进）
- 建议引入冰层气泡效应（已观测到压力变化达0.5MPa）

2. **机器学习融合**：
- 应用LSTM神经网络处理不连续观测数据（冰期观测频次仅3-5次/月）
- 模拟显示可提升Chl-a预测精度达41%

3. **长期序列研究**：
- 需连续3-5个冰期验证模型稳定性（当前仅2年数据）
- 建议建立气候变化情景（RCP4.5/8.5）下的多情景模拟平台

该研究为寒区浅层湖泊生态建模提供了新的技术路线，其提出的"光热衰减系数"（Qia=0.08）和"冻结排斥效率因子"（k=0.2）已被纳入中国湖泊生态模型标准参数集。模型验证显示，改进后的MyLake在乌兰套海湖的应用中，Chl-a浓度预测的MAE（平均绝对误差）从10.57降至1.28μg/L，为寒区湖泊生态管理提供了高精度模拟工具。