流域蒸散发季节性时空分异对气候变化和植被格局演变的响应机制研究

Evapotranspiration is the key link of the hydrological cycle and energy cycle. There are spatiotemporal variabilities of the seasonal evapotranspiration for it can be affected by climate and vegetation changes in surface conditions. The response to environmental changes relates to the process of water resources safety and efficient use, also is the key scientific issue on the climate, vegetation and water interaction research. The Hai River Basin is selected as the typical region. Seasonal spatiotemporal differentiation of evapotranspiration and its response mechanism to climate change and vegetation pattern evolution are carried out. The main work includes: (1) Combing with ground observation data and CMORPH, GLDAS and MODIS satellite data products, the GRACE spatial error elimination technology based on Gauss filtering is proposed, and the evolution characteristics of hydrological variables, climatic variables and vegetation cover of Hai River Basin are revealed. (2) Considering the vegetation cover factor, coupling GRACE terrestrial water storage change and Budyko framework to construct a quantitative estimation model of monthly evapotranspiration. (3) A quantitative analytical method for developing the driving factors of evapotranspiration reveals the influence mechanism of climate change and vegetation cover change and their interaction on the evolution process of the actual evapotranspiration in Hai River Basin. The research results are of great significance for enriching the estimation method of river basin evapotranspiration and understanding the hydrological cycle response process under changing environment, and can provide a theoretical basis for efficient utilization and scientific management of regional water resources.

蒸散发是流域水文循环和能量循环的关键环节，受气候和植被等下垫面条件变化的影响，存在季节性时空变异特征，其对环境变化的响应过程关系到水资源安全和高效利用，也是气候、植被和水文交互作用研究中的关键科学问题。本项目选择我国海河流域为典型研究区，开展蒸散发季节性时空分异规律及其对气候变化和植被格局演变的响应机制研究，内容包括：①结合地面观测资料和多源卫星遥感数据，发展GRACE重力卫星数据的空间降尺度与误差消除技术，揭示海河流域子流域水文、气候要素和植被覆盖的演变特征；②引入植被覆盖因子，耦合陆地水储量变化和Budyko框架构建月尺度蒸散发的定量估算模型；③在此基础上发展蒸散发驱动因子的解析方法，定量评估气候变化和植被覆盖改变及其交互作用对流域蒸散发季节性演变过程的影响机制。研究成果对于丰富流域蒸散发估算方法，理解变化环境下水文循环响应过程具有重要意义，为区域水资源高效利用和科学管理提供理论基础。

利用地面气象、水文观测、GLDAS-2陆面水文模式同化水文数据和地理空间信息，推演高精度网格化降水、陆地水储量和植被信息分布场；基于不同子流域的降水、陆地水储量变化和径流月值序列，根据水量平衡原理获取月实际蒸散发量，分析了不同子流域气候、水文和植被覆盖的年际和季节性变化特征；利用陆地水储量变化，参照多年平均尺度水热耦合框架，设定水热约束条件并在模型参数中引入植被覆盖因子，开展了月尺度流域实际蒸散发定量估算模型的构建与验证研究；基于Budyko框架和GRACE反演同化的∆TWS数据，建立了一个单参数月尺度蒸散发模型来估计区域蒸散发E，并将其应用于中国24个不同气候区的大中小流域，对年度和月度的时序变化特征P, R, E0和ΔTWS先进行了评估。此外，将GRACE反演同化∆TWS数据和水量平衡方程得到的实际蒸散发的作为基准值，通过与GLDAS_E、MODIS_E、JRA_E和Zhang_E四个全局E产品进行比较，对Budyko-E进行了评估；结合多种统计方法评估气候变化和植被覆盖改变及其交互作用对蒸散发变化的贡献，探讨了气候变化和下垫面植被覆盖动态变化对区域蒸散发的影响；研究将LPJ-GUESS模型模拟的全球动态植被变化引入到Priestley-Taylor算法中，结合亚像元法对PT算法进行改进，并对全球潜热通量进行时空变化特征分析。此外，采用M-K显著性检验方法分析了1982-2014年全球LE时空变化，其中亚欧大陆东北部以及非洲中部地区呈现显著的增加趋势，而在亚欧大陆中部，南美洲和澳洲大分布地区，则呈现显著的下降趋势；从纬度角度分析不同植被分布与LE的关系，结果发现总的叶面积指数和LE在纬度分布上呈现较强的一致性；采用多元线性回归模型和梯形方法，结合土壤湿度实际观测数据集、降水观测数据集以及GRACE、LDAS-2数据集和Yang等获得的SM数据集，构建了0-5、5-20和20-100 cm三层的SM数据（2020），将土壤湿度引入广泛应用的PT-JPL模型中，估算了0.25×0.25◦空间尺度上的ET及其组分。改进的PT-SM模型模拟结果清楚地说明改进后的模型误差更小，为陆面模型评价以及探究植被或人为干扰对水资源利用变化的响应提供了更丰富的数据集。年平均ET分布呈现出东南高西北低的复杂空间结构。土壤湿度的限制导致植被蒸腾模拟值偏高而土壤蒸发模拟值偏低。