流域水热耦合平衡理论研究及其在变化环境下水文响应模拟中的应用

建立于流域尺度的水热耦合平衡理论，在研究气候变化和人类活动影响条件下水文循环变化趋势及其影响因素方面优势明显。本研究进行田间、灌区及流域等不同尺度的实验观测和数据采集，开展水热耦合平衡方程参数的影响因素研究，开展对相关要素的趋势分析及相关性分析，通过量纲分析、微分方程理论进行理论推导以及应用土壤-植被-大气连续体（SPAC）模型及分布式水文模型的情景模拟，实现其参数化；同时，引入近地面大气对陆面蒸发的反馈机制，引入蒸发互补理论，建立水文要素对气候要素（气温、辐射和降水）变化及下面条件变化响应关系，完善水热耦合平衡的理论体系，建立相应的模型。分析过去半个世纪我国气候及下垫面条件变化的趋势及区域差异，评价水文响应的程度及控制性因素；结合气候模式对未来气候情景的模拟，开展对未来水文变化趋势及区域水资源形势的预测，为水资源的开发利用提供理论依据。

流域水热耦合平衡理论，以Budyko假设为基础，将流域视为一个整体，直接建立流域尺度的蒸发与降水及蒸发能力的函数关系，是分析气候变化和人类活动影响下的水文响应的重要理论工具。蒸发皿是对蒸发能力最重要的直接观测仪器，近半个世纪全球变暖和蒸发皿蒸发显著下降趋势被同时观测到，引发了“蒸发悖论”的理论争论；本研究从蒸发皿蒸发的物理机制入手，根据蒸发皿的几何特征以及能量消耗的热力学特点，建立蒸发皿蒸发的物理模型，进一步微分展开得到蒸发皿蒸发变化的归因方程，可以以此识别蒸发皿蒸发变化的主导性气象因子。蒸发互补关系被广泛应用于实际蒸发的计算及气候变化下水文响应的评估，其理论基础是理想的无平流系统的能量平衡，事实上在很多地区，尤其是处于亚洲季风区的中国，平流的影响是巨大的；本研究通过对亚洲季风区的6个通量观测站的通量数据及多个流域水文气象数据进行分析，提出蒸发互补关系的时空变异性，即计算湿润环境蒸发的Priestley-Taylor公式中的系数α，由于受季风的影响，具有冬天高、夏天低的季节性变化规律；海陆热力学性质的巨大差异产生的海陆之间的水分和能量输送，导致离海洋的距离越近α越大的区域变化规律。评估气候变化下水文响应的传统方法是数值模型模拟，通常需要对研究时段和研究区域进行时空离散，需要的数据多、计算量大；本研究直接开展流域尺度的研究，对水热耦合平衡方程进行Taylor展开并一阶近似，然后将蒸发能力变化的归因方程代入，建立蒸发（径流）对气候要素（降雨、气温、辐射、风速、饱和水汽压）变化的响应模型。严格说来，大气蒸发需求（蒸发能力）是蒸发发生的原因，但同时也受蒸发的影响；本研究考虑近地面大气对陆面蒸发的反馈，建立耦合蒸发互补关系的水热耦合平衡方程，并在此基础上构建陆面蒸发对气候要素变化的响应模型。在流域水热耦合平衡理论研究的基础上，评估我国七大流域，以及黄河、海河流域的108个小流域等在变化环境下的水文响应及控制性因素。