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新闻公告刘文兆课题组揭示Budyko模型参数是表征气候-下垫面系统综合效应的集总变量
作者: 长武站 更新时间: 2023-05-22
近日，水土保持研究所刘文兆研究员课题组在Journal of Hydrology在线发表了题为“Lumped variable representing the integrative effects of climate and underlying surface system: Interpreting Budyko model parameter from earth system science perspective”的研究论文，博士研究生程昌武为第一作者，刘文兆研究员为通讯作者。
Budyko假说或者框架，是水文科学中研究流域水热耦合关系的重要方法，认为流域实际蒸散量是潜在蒸散量与降水量的函数，时间尺度从最初的多年平均逐渐缩降到年际过程以及年内季节变化，函数形式从无参数型发展到有参数型。带有参数的Budyko函数（或者模型）近二十年来得到了长足发展，被广泛应用于地表蒸散估算、气候变化的水文响应、水文变异的归因分析等方面的研究工作，这其中对模型参数内涵的解读成为重要前提与基础内容。
学术界通常认为Budyko模型参数表征了降水、潜在蒸散或二者之比——干燥指数以外的因素的作用。早期的观点认为该参数仅仅是流域下垫面特征(如植被、地形和土壤等因素)的反映，这也成为分析人类活动影响水文过程的重要依据，后续研究将部分气候因素（如气候季节性和雪水比例等）纳入到模型参数的影响因素范围，近期的一些研究也考虑到了干燥指数对参数的作用。本项研究首先分析了目前常用的三个参数型Budyko函数，包括Fu模型、MCY模型与WT模型，从模型推导和参数表达式结构上证明了模型参数与降水、潜在蒸散或干燥指数之间的固有联系。基于地球系统科学中要素间相互关联耦合的思想，提出了对Budyko模型参数内涵的新认识，即该参数本质上是反映气候和下垫面系统综合影响的集总变量。然后通过黄土高原多个流域的长时间序列水文气象及遥感数据分析，发现模型参数受气候（包括干燥指数）、地形、植被和土壤因素共同影响，且这些因素之间相互关联。考虑到因素间的共线性，在年际过程和空间分布上构建的模型参数经验函数在流域蒸散模拟方面均取得了较好的效果。
本项研究表明对于Budyko模型的结构及功能需要有新的思考和新的认识。微观上土壤-植物-大气连续体的水分传输过程，在宏观上会表现为从下垫面到大气所途经的所有相关环节对蒸散的影响作用，其中地表水分供给与大气蒸散需求间的平衡即干燥指数是主要因素，但不是因素的全部。起初人们在Budyko模型中添加参数，旨在表达流域下垫面的作用，但地球系统科学认为，一定的时空尺度下，下垫面条件与气候因素是密切关联的，气候-下垫面系统中对蒸散影响的所有环节都会通过模型参数体现出来。这既是气候-下垫面系统综合效应的表现，也是用集总变量表达模型参数的内涵所在。参数函数构建时，体现综合效应的具体因素的选择与研究的时空尺度相关。本研究提出的关于Budyko模型参数内涵的新观点对于深入理解流域水热耦合过程，推进水文变异的归因分析等具有重要意义。
本项研究得到国家自然科学基金项目（41971049和41571036）等的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129379