祁连山区土壤水分对陆面水文过程的影响机理和模拟研究

Soil moisture influences land surface hydrological processes and exchanges, and in turn influences regional hydrometeorological system. This project focuses on the impacts of soil moisture on evapotranspiration/infiltration and the corresponding mathematical simulation methods in mountainous areas. The study area is the Qilian Mountain in Northwest China, in-situ observation system will be set up and field experiments will be carried out under different vegetation-soil types to monitor soil moisture, evapotranspiration and infiltration. Subsequently, the spatial and temporal variability of soil moisture will be analyzed, the impacts of soil moisture variability on evapotranspiration/infiltration will be evbaluated, and the appropriate mathematical simulation methods of soil moisture, evapotranspiration and infiltration will be developed at regional scale in the study area. On this basis, the land surface model CLM4.5 (Community Land Model 4.5) will be improved, and remote sensing soil moisture products will be assimilated to simulate and analyze the characteristics of land surface hydrological processes in the Qilian Mountain. Results will help further refinement of land surface model in mountainous areas, provide an effective means to evaluate the impacts of ecological recovery policies on water conservation function in the Qilian Mountain, and provide partial basis to ensure water security and ecosystem services in Northwest China.

土壤水分影响着其它陆面水文过程，进而影响区域气候水文状况。本项目聚焦山区土壤水分对蒸散发、入渗过程的影响和数学模拟方法，拟在我国西北部祁连山区针对性地开展不同植被-土壤类型条件下土壤水分、蒸散发和入渗过程的观测及实验，明确不同植被-土壤类型上土壤水分对蒸散发、入渗过程的影响机理，确定区域尺度土壤水分、蒸散发和入渗的数学模拟方法，改进陆面过程模型CLM4.5，同化区域遥感土壤水分产品，模拟分析祁连山区陆面水文过程特征及演变规律。本项目可为山区陆面过程模型的发展提供参考，为评估祁连山区生态恢复对其水源涵养功能的影响提供有效手段，并为保障西北地区生态安全和水资源安全提供科学依据。

本项目在祁连山区开展了野外观测及实验，分析了不同环境条件下的土壤水分再分配过程，提出了土壤水分胁迫条件下的蒸散发估算方案，构建了山区侧向流模型，评估并改进了Community Land Model 5.0 (CLM5.0)，对遥感产品和模型模拟结果进行了数据融合，模拟分析了近20年来不同土地利用政策对山区水循环过程的影响。主要研究成果如下：.1、基于传统作物系数法框架，采用Priestley-Taylor模型、Campbell方法和山区土壤水分胁迫阈值(0.400 mm3/mm3–0.451 mm3/mm3)，确定了适用的蒸散发估算方案。采用随机森林方法(Random Forest, RF)，考虑土壤水分胁迫，构建蒸散发估算模型。RF模型模拟性能显著优于基于作物系数法框架的估算方案。.2、降水条件下，前期土壤水分是影响土壤水分再分配的最重要因素，且其影响因山坡位置、植被根系和土壤质地的组合方式而不同。高寒草甸蒸腾量几乎全部由0–10 cm的根系侧向吸水提供；草地蒸发过程中，通过0–20 cm的根系进行侧向吸水的概率为0.78，通过10–20 cm的根系从深层土壤中吸水的概率为0.12。构建侧向流模型并对CLM5.0进行订正，可显著改善CLM5.0的模拟性能。.3、CLM5.0对山区蒸散发模拟存在显著低估，对山区草地土壤水分则存在系统性高估。准确估算经验参数α(叶集水面积比例)的和改进基于干表层的土壤蒸发阻力参数化方案是提升模型性能的重要方向。.4、在退耕还草还林政策影响下，山区年均ET减少9.5×108 m3, 年均土壤水分变化量降低1.7×107 m3。在耕地红线政策和国家公园建设实施影响下，山区年均ET增加8.1×108 m3, 年均土壤水分变化量降低3.6×107 m3。引起蒸散发显著变化的是森林向草地转化，而引起土壤水分显著变化的是裸地向草地转化。.5、基于CLM5.0模拟数据和Soil Moisture Active and Passive Mission (SMAP)遥感土壤水分产品，分别采用Ensemble Kalman Filter (EnKF)和RF方法进行数据融合。融合数据集MD-RF(Merged data by RF)性能优于融合数据集MD-EnKF(Merged data by EnKF)，MD-EnKF显著低估了土壤水分。