《Weather and Climate Extremes》：Quantifying the spatial extent and attenuation of lake thermal regulation at diurnal scales under extreme heat
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本研究针对极端热浪事件中湖泊热调节效应的空间传播机制尚不明确的问题，通过WRF模型模拟与方向性缓冲区分析，量化了鄱阳湖在2022年极端热浪期间引起的昼夜不对称热效应。结果表明，湖泊白天冷却效应（-1.16°C）影响范围约40公里，夜间增温效应（+0.97°C）可延伸至70公里，且传播具有明显的北向偏好。该研究揭示了湖泊通过改变边界层动力学和局地环流缓解区域极端高温的物理机制，为基于自然的区域热适应策略提供了科学依据。
随着全球变暖加剧，极端热浪事件频发、强度增强、持续时间延长，对生态系统和社会经济造成连锁影响。2022年欧洲热浪导致超过6.1万人死亡和200亿美元农业损失，同期中国东南部的破纪录高温影响了408万公顷农田和430万居民。在此背景下，内陆水体特别是大型湖泊，作为缓解极端热事件强度的天然调节器，其作用日益受到关注。湖泊通过其独特的热力学和物理属性调节区域气候，影响地-气相互作用。然而，尽管湖泊作为气候缓冲体的作用已被广泛记录，但由于复杂的湖-气相互作用，湖泊效应的空间传播动力学仍知之甚少。现有研究多将湖泊视为气候极端的被动指示器，而其在通过湖-气反馈主动调节热环境方面的作用仍未得到充分探索。特别是在季风和极端热浪复合强迫下，湖泊热调节效应的空间传播表现出更高的复杂性，季风环流通过破坏经典的湖陆风系统改变了热平流模式，而极端高温则施加了非线性热力学约束。这种模糊性凸显了对基于过程的建模框架的迫切需求，以在这些复杂的多尺度气候相互作用中分离和量化湖泊介导的反馈。
为了回答湖泊引起的近地表温度变化在极端热事件期间的空间传播模式及潜在物理机制这一核心科学问题，研究人员以中国最大淡水湖——鄱阳湖为研究对象，开展了一项结合WRF（Weather Research and Forecasting）模型模拟和方向性缓冲区分析的综合性研究。相关研究成果已发表在《Weather and Climate Extremes》期刊上。
为开展此项研究，研究人员主要应用了几个关键技术方法。首先是利用WRF模型（版本4.3.3）进行区域动力降尺度实验。研究设计了控制模拟（CTRL，使用2022年土地覆盖数据）和敏感性测试模拟（NOLA，将鄱阳湖网格单元转换为农田）来量化湖泊引起的温度调节。模拟时段覆盖2022年6月至9月的极端热浪事件，初始和边界条件采用ERA5再分析数据。其次，研究采用了方向性缓冲区分析框架，通过建立距鄱阳湖岸线10公里间隔的同心缓冲带，并将其划分为16个22.5°的方位扇区，来量化湖泊热效应的各向异性传播。此外，为了提升模型初始化的准确性，还实施了基于MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）地表温度产品的卫星数据校正方法，将每日MODIS LST数据同化到WRF-湖泊模型中。模型性能使用ERA5-Land再分析数据和来自庐山、景德镇、昌北三个气象站的独立观测数据进行了验证。
3.1. 模型评估
WRF模型在再现研究区域气温（Ta）模式方面表现出良好的技能，与参考数据相比空间相关系数（SCC）为0.73。模型存在系统性冷偏差（平均相对偏差MRB为-2.98%），但成功捕捉了鄱阳湖周围的白天冷却和夜间增温效应。与气象站观测数据的独立验证进一步证实了模型在再现极端热事件期间气温 temporal 动态方面的可靠性。
3.2. 湖泊热效应的空间传播
空间分布显示，湖泊引起的热调节效应存在显著的昼夜不对称性。白天冷却效应（典型时间15:00）强度为-1.16°C，影响范围主要局限在湖泊边界40公里半径内，表现出相对较快的衰减率（0.28°C/10公里）。相比之下，夜间增温效应（典型时间06:00）强度为+0.97°C，但其传播距离是白天的1.75倍，向下风方向延伸可达70公里，且衰减率较慢（0.13°C/10公里）。方向性分析揭示了湖泊热效应以北向传播为主，这受到盛行南风和高低空风场配置的影响。垂直剖面分析表明，湖泊引起的热效应具有不同的海拔穿透性：白天的影响局限于900 hPa以下，而夜间的影响可延伸至700 hPa。白天冷却范围受湍流混合限制，而夜间增温则因稳定的大气层结和平流输送而增强。
3.3. 湖泊效应传播的机制
机制分析表明，湖泊热效应的空间传播由背景风场和昼夜变化的局地环流共同控制。白天，湖泊表面蒸发冷却形成冷池，产生局地高压，与周围受热陆地形成的热低压之间形成气压梯度，驱动湖风环流，将冷空气输送到下风向。但由于白天地表加热强，边界层不稳定，湍流混合强烈，使得冷却效应迅速衰减。夜间，湖泊表面相对温暖，释放潜热和感热，形成相对低压，与迅速冷却的陆地形成的气压梯度驱动陆风环流，将湖泊的暖湿空气输送到下风向。夜间稳定的边界层结构抑制了垂直混合，有利于暖空气的远距离平流输送。表面能量平衡分析为这种昼夜不对称性提供了定量证据：白天的负感热通量（SHF）和负潜热通量（LHF）差异以及被抑制的边界层高度（PBLH）限制了冷却效应的扩散；而夜间正的SHF和LHF差异以及持续稳定的层结则有利于增温效应的水平传播。
研究结论指出，湖泊在极端高温下作为活跃的气候调节器，其热调节效应具有明显的昼夜不对称性和空间传播特征。白天冷却效应范围有限但强度较大，衰减较快；夜间增温效应则传播更远，衰减较慢。这种差异主要由边界层稳定度和能量交换过程的昼夜差异所决定。湖泊效应的传播表现出方向性偏好，主要受背景风场控制。该研究量化了湖泊热调节的空间尺度（白天40公里，夜间70公里）和衰减率，为改进区域气候模型中湖泊参数的表示提供了关键参数。这些发现深化了对内陆水体在人为变暖背景下作为主动气候调节器作用的理解，对于湖泊丰富流域基于自然的的热适应策略具有重要启示意义，强调了将内陆水体纳入气候韧性规划的重要性。研究也指出了当前模型的局限性，如对湖泊动态面积变化和周围复杂下垫面表示的简化，为未来研究指明了方向。
