短时间尺度极端天气事件对太湖生态系统的影响

Based on analysis on historical data (hydrology, meteorology and water quality), field observations during the project period, and ecological model simulations (ELCOM-CAEDYM), Lake Taihu will be chosen as a case due to its special location affected by East Asia Monsoon to quantitatively evaluate impacts of extreme weather events (rainstorm and typhoon) related to global climate change on lake ecosystem including 1) total inputs of nutrients, sediment and water volume during extreme rainstorms, and impacts of massive nutrient inputs and high water level on lake nutrient concentration, phytoplankton, macrophyte and temperature profile, 2) influences of typhoon-induced sediment resuspension on nutrient concentration, suspended sediment concentration and transparency in the water body, and also consequent effects on phytoplankton and macrophyte, 3) impacts of typhoon and rainstorm on lake ecosystem resilience and its persisting time scale, 4) potential effects of extreme weather events on lake bed formation. The outcomings from this project is expected to provide substantial information for the lake environment protection and ecosystem restoration.

本项目拟通过历史数据分析、研究期限内的实时野外观测和生态模型（ELCOM-CAEDYM）模拟相结合的手段，以位于东亚季风区且几乎每年经历极端天气（台风和暴雨）的太湖为例，定量研究气候变化背景下极端天气事件对太湖生态系统的影响，具体包括：1）极端暴雨过程对太湖水体的营养盐、泥沙和水量输入，以及与之相关的高水位状态对水体营养盐、浮游植物、水生植物和水体温度结构的影响；2）不同强度的台风过程导致底泥悬浮对太湖整个水体营养盐浓度和透明度的影响，营养盐升高、透明度下降和剧烈的动力扰动对浮游植物和水生植物的冲击作用；3）台风和暴雨过程发生后对太湖生态系统影响的后续效应与持续时间，以及与太湖富营养化过程的联系；4）这种每年均可能发生的极端天气事件，对太湖湖床结构的长期影响。以期为太湖水环境保护和生态恢复提供科学依据。

通过对太湖入湖河道流量和水质的监测，及历史气象水文数据风分析整理，得到了苕溪、南湖和洮滆的降雨量和流量的拟合关系，相关系数分别达到0.79、0.61和0.70。构建了太湖和千岛湖三维水动力水质模型（AEM3D），开发了参数自动率定的软件，对太湖和千岛湖进行了水质参数率定。AEM3D在太湖进行率定时，对水温、溶解氧、总氮、氨氮和硝态氮的率定结果较好，相关系数分别达到0.99、0.96、0.40、0.45和0.63，总磷和叶绿素a的率定结果相对较差，可能与太湖复杂的出入流边界条件和水样采集时间地点的离散性有关。在千岛湖率定中，表层相关系数分别为表层水温0.95、全湖平均的总氮为0.7、氨氮0.8和硝态氮0.6和总磷0.5。考虑到太湖入湖河道多受人工控制，因此太湖主要分析台风影响，不考虑出入流，千岛湖主要分析暴雨过程，因为其主要入流相对接近自然状态。通过对太湖台风统计，1956~2018期间影响我国的共453次，影响太湖流域的共44个，发生在6-10月。对每次过程累计降雨量达到30mm的台风进行统计（共256个），平均累计降雨为101.3mm，最大风速达到23.7m/s，平均风速4m/s，以东南偏东风为主。为弄清不同强度台风对太湖水环境的影响，选取了平均风速分别为2.7m/s、3.7m/s和6.1m/s，发生时间分别为2018-8-3、1997-8-19和1972-7-26日的台风进行情景模拟，气象均采用太湖东山站的实测数据，对比情景中采用前一年同时期数据，结果表明：无论是何种强度台风，水体中TN和TP平均浓度均显著增加，台风越强营养盐浓度升高越快。三个从弱到强的台风，依次造成水体TP增加率为10%、50%和113%，而TN为31%，14%和25%。通过对千岛湖2006-2016年间的暴雨过程分析，共有62次暴雨过程，总降雨量为4555.5mm，占合计降雨总量的23.8%。新安江为千岛湖最大的入湖河道，入流量多年平均占比51.4%，其由62场暴雨产生的径流总量达到187.9亿m³，占统计期间新安江径流总量的30.9%，单次暴雨产生的径流总量最高达9.8亿m³。在新安江，暴雨造成的氮和磷负荷分别占其多年平均负荷的32.5%和32.8%，暴雨产生的所有河道外源TP污染负荷平均可达65.3t/yr，TN可达2716.7t/yr，分别占全年总负荷的19.4%和21.1%。