基于水热耦合平衡的西北内陆河流域蒸散变异及归因研究

The water-energy balance principle proposed in the catchment scale is superior in evapotranspiration (ET) variation and its quantitative attribution. However, some issues about this principle still need to be further explored, such as interpretation of water-energy controlling parameter under the multiple time scales and the improvement of attribution method for the intra-annual ET variation. Thus, Research on catchment ET variation and its attribution in the inland river basin of Northwest China within the Budyko hypothesis will be conducted in this project. Specifically, by selecting several typical catchments as the study area and using the related eco-hydrological measured data, the following works will be carried out: i) Modeling the catchment ET value and analyzing its variation characteristics under the different time scales using a dynamic water balance model. ii) Exploring the change in catchment water-energy controlling parameter and discussing its relationship with vegetation and climatic factors under the different time scales. iii) Improving the theoretical framework to attribute the variation in the intra-annual ET by considering the effects of vegetation dynamics. Further quantitatively estimation is made on the contributions of climatic factors, vegetation and catchment storage change to the intra-annual ET variation of inland river. The results will be helpful to improve the water-energy balance principle. This project can also provide a scientific foundation for understanding the coupling relationship between water cycle process and ecological process in inland river region, thus advancing the built of green silk road from the perspective of eco-hydrology.

流域尺度的水热耦合平衡原理在研究蒸散变化及其影响因素方面优势明显，但在不同时间尺度下水热耦合控制参数解译和年内蒸散变异归因方法改进等方面仍存在探索空间。本项目拟选择内陆河若干典型流域为研究区域，以水热耦合平衡原理为理论基础，结合各流域的生态水文观测，利用动态水量平衡模型，模拟不同时间尺度下流域蒸散量并分析其变化特征；探讨不同时间尺度下流域水热耦合控制参数的变化特征及其与植被和气候因子间的关系；进一步考虑植被季节性变化对流域蒸散变异的作用，改进现有基于方差分解的蒸散年内变异归因方法，定量估算气候、植被和水储量变化对内陆河流域蒸散年内变异的贡献率。研究结果有助于流域水热耦合平衡理论体系及方法的进一步完善，并为深入理解西北内陆区流域水循环过程与生态过程的耦合机制、从生态水文学角度推进绿色丝绸之路的建设提供科学依据。

以Budyko假设为代表的水热耦合平衡理论近年来在蒸散发研究中被广泛关注，国内外学者围绕模型改进、蒸散与下垫面因子的耦合关系及蒸散变异归因等方面做了大量的研究工作，也取得了不少重要进展，使得该理论成为蒸散模拟和归因研究的有力工具。但在不同时间尺度下水热耦合控制参数影响因子解析和蒸散变异归因等方面仍存在探索空间。本项目分析了近几十年内陆河流域气候季节性变化特征，并结合弹性系数思想量化了降水和潜在蒸散年内振幅及二者时相差变化对气候季节性变化的贡献率。发现过去几十年内陆河流域水热匹配状况有所改善，而降水振幅的变化是主导因子；研究了不同时间尺度下影响Budyko框架下水热耦合控制参数的主要因子间的关联性，以筛选出能够解释控制参数的独立变量，并就这种关联性对实际蒸散的估算进行了比较。发现在年际尺度上，植被盖度与气候季节性指数显著影响控制参数，且二因子相互独立，在多年尺度上植被盖度和降雪比显著影响控制参数，且二因子相互独立；构建了全国典型流域水热耦合控制参数变化量与流域森林面积变化量间的关系式，基于此量化了森林面积变化与实际蒸散的关系，进而估算了近几十年森林面积变化对蒸散变化的贡献率。发现近几十年全国森林面积整体上表现出增加趋势，这使得蒸散同样也呈现出增加趋势；考虑冰雪融水量、储水量和降雨量，估算流域有效可用水量，然后通过构建各流域生长季内水热耦合控制参数与植被盖度间的经验公式，将生长季蒸散的方差分解成植被、冰雪融水等因子的方差及各两因子间的协方差，以分析各因子及因子间关联性对蒸散变异的贡献。发现降水变异是导致西北高寒流域生长季蒸散变异增大的主导因子，其次为降水和植被的耦合性，同时降雨和冰雪融水间的不同步性削弱了蒸散变异。本项目的研究结果有助于进一步完善Budyko流域水热耦合平衡理论，并为干旱区水文循环过程变异及其影响因子的合理评估提供依据。