广义蒸发互补关系在不同时空尺度上的变化机理研究

Generalized complementary relationship (GCR) is one of most advanced and practical approach for estimating regional actual evaporation. However, applications of the GCR at continental and global scales are still very difficult due to limited understanding on the spatio-temporal variability of the GCR method. In this study, multiple sources of actual evaporation and hydro-meteorological observations will be collected to investigate this problem. Collected datasets include global eddy flux data, pan evaporation, global gridded climate forcing, catchment water balance data and regional atmospheric and land surface characteristics. The spatio-temporal variability of the GCR will be quantified. Explanatory models for parameters in the GCR will be established using both physical-based process models and data-driven machine learning approaches. As a result, this study will advance our understanding about the complementary relationship between regional actual and potential evaporation and will also enable us to apply the GCR to different temporal and spatial scales. At last the improved GCR approach will be applied to estimate historical long-term evaporation of China in order to diagnose the water cycle changes. This study will improve our predictability in the fields of water cycling, catchment hydrological processes, water resources management, predication and assessment of climate change, etc.

广义蒸发互补关系是蒸发互补理论和区域蒸发研究的前沿，其在不同时间和空间尺度上的变化规律是亟待突破的方向，也是制约蒸发互补理论能够用来估算全球不同区域蒸发量的关键瓶颈。针对目前亟待解决的问题，本项目拟基于不同时空尺度上的实际蒸散发和水文气象观测数据，包括全球涡度相关、蒸发皿、水文气象及降水和径流数据，辨识广义蒸发互补关系在不同时间和空间尺度上的变化规律；综合运用物理过程分析与机器学习统计建模相结合的方法，识别广义蒸发互补关系时空变化规律的驱动因子及其物理机理；建立广义蒸发互补关系的参数在不同时空尺度上变化的估算模型，提高广义蒸发互补关系在全球不同区域的实用性及估算蒸发量的准确性；进而应用于估算我国历史长期陆面蒸散发量，分析我国水文循环的变化特征及其驱动因子。本项目的研究将提高我们对蒸发互补理论的科学认识和对区域蒸散发的估算能力，也将有助于提高水文循环模拟的准确性和水资源利用的高效性。

对陆面蒸散发量与大气边界层之间耦合关系的认识不足是制约当前区域蒸散发量及其变化趋势估算中的关键瓶颈之一，且常用的区域蒸散发估算方法过度依赖遥感获取的区域植被和下垫面属性数据。广义蒸发互补理论（GCR）只依赖于地面常规气象观测资料，应用资料容易获取，在准确估算区域长期蒸散发及其趋势、水文循环变化等方面有巨大潜力。受GCR在不同时空尺度上的变化机制不明的影响，其在全球应用还十分有限，难点和关键问题在于参数 在不同时空尺度上变化的物理机制。本项目针对GCR时空变化机制不明的难点问题，综合通量观测实验数据、蒸发皿观测数据、常规气象观测数据和网格化气象场数据，识别广义蒸发互补关系（GCR）中参数在不同时空尺度上变化的规律及其驱动因子，建立了准确估算其在不同时空尺度上变化特征的预测模型，提高了基于气象数据估算区域蒸散发的能力。基于建立的参数预测模型和多源气象数据，开展了站点和流域陆面蒸发估算及蒸发趋势分析，进一步开展干旱评估和水循环变化评估。基于改进GCR模型，在不增加模型复杂性和数据要求的情况下，利用GCR改进了集总式水文模型的模拟能力，进一步提高了水量平衡各变量模拟的真实性和一致性。研究成果已在《Water Resources Research》，《Journal of Cleaner Production》《Hydrology and Earth System Sciences》，《Journal of Hydrometeorology》等期刊上发表论文24篇，其中SCI论文15篇。研究成果提高了对广义蒸发关系物理机制的认知，扩展了GCR方法的应用范围和效果。