耦合动态植被的流域水热耦合平衡研究

The impact of climate changes on hydrologic processes is a focus of hydrology. Vegetation is an important influencing factor on hydrologic processes, and also it is drove by climate and hydrologic processes. This project prepares to carry out experiment and observation at Yulin Eco-hydrologic Experiment Station in Shannxi, collect hydrologic, meteorological, and vegetation data from hundreds of flux observation sites across Asia, Europe, and North America, as well as hundreds of catchments covered by different vegetation in different climate regions of China, to study on the interaction mechanism between vegetation and hydrologic processes. The main tasks include: 1. to parameterize the impact of vegetation on hydrologic processes in the water-energy balance frame, based on the observations of vegetation growth processes and its environment factors, the mechanism about vegetation impacting hydrologic processes, and numerical simulations using hydrological model to separate equifinality of vegetation and other factors on hydrologic processes; 2. according to the data from flux observations, field investigations, and remote sensing, to analyze vegetation type under different climate and its change rule in different spatial-temporal scales, to reveal the relationship of vegetation type with climatic, hydrologic, and other environmental factors, together with the variation of vegetation status with the environmental factors changing, and further to develop a dynamic relation of vegetation with climatic and hydrologic factors which will be coupled into the water-energy balance theory in order to realize a dynamic description about climate-vegetation-hydrologic processes at a catchment scale.

气候变化对水文过程的影响是水文研究中的热点问题。植被是水文过程的重要影响因素，同时其分布及状态也受气候条件和水文过程影响。本项目拟依托陕西榆林生态水文实验站开展相关观测，同时收集亚洲、欧洲、北美的百余通量观测站以及我国不同气候区、不同植被类型的典型流域的水文、气象及植被数据，开展植被与水文过程的相互作用机理研究。主要工作包括：一、在流域水热耦合平衡理论的框架下，根据实验观测、结合植被对水文过程作用机理的理论分析及流域模型的数值模拟，分离植被与其它要素"多参同效"对水文过程的影响，建立植被影响的参数化方案；二、根据通量观测、野外调查和遥感监测的数据，分析植被在不同时空尺度上的变化规律，揭示植被类型与气候、水文等环境条件的关系，以及植被状态随环境条件改变而产生的波动，建立植被与气候、水文因子的动态关系，并将其耦合到水热耦合平衡理论中，实现对流域气候-植被-水文过程的动态描述。

近年来，在气候变化背景下，水文过程发生了深刻变化，准确评估气候变化对水文过程的影响是当前水文研究及水资源管理中的关键问题。该项目开展了不同尺度的气象、植被及水文过程的观测，分析了植被对水文过程控制作用的表现形式及植被对气象、水文等环境要素的适应机制，揭示了流域尺度上气候-植被-水文过程的动态关系，解析推导了径流对植被变化的弹性，针对中国207个三级流域，评估了过去50年径流对气候变化的响应，预估了未来40年气候变化导致的径流演变。研究表明，在流域水热耦合平衡方程中，参数n与流域平均坡度呈对数关系，与植被成线性关系。植被对气候适应体现为生态系统水分利用效率与大气水汽亏缺（VPD）的−0.5次方成正比。作为评估径流对气候响应的重要方法，气候弹性法作为一阶近似在气候变化较大时会产生显著误差；径流对植被的弹性，在中国从东南到西北逐渐增加，其中10%的植被变化最大可导致14%的径流变化。作为水文研究的驱动因素，气象要素的观测在我国面临仪器更换导致的序列不一致性问题，其中1990s年代我国大规模仪器更换对太阳辐射观测的影响达16±7 W/m2。在1961-2010年间，中国气象要素发生不同程度的变化，降水西北地区显著增加；气温普遍升高，北方高于南方；太阳辐射显著减少，其中东部地区最为明显，可能原因是大气污染；风速显著减小，可能是南北温差减少所导致。径流变化的控制性气象要素，大部分地区是降水的变化，南方部分地区是辐射的变化，北方部分地区是气温和风速的变化。到2011-2050年，年径流量在黄河流域南部、淮河流域、长江流域、东南诸河流域及珠江流域呈减少趋势，其中最为严重的是珠江流域，在RCP8.5情境下减少量超过80mm；其余流域总体呈小幅增加趋势。项目成果完善了流域水热耦合平衡理论体系，发展了Budyko理论框架下的径流变化归因分析方法，得到的中国径流过去50年及未来40年的变化趋势，对水资源规划及管理具有重要的参考价值。