一个包含陆地水储存动态的三维Budyko框架：跨全球流域的机理建模与诊断性生态水文学应用

《Ecological Indicators》：A three-dimensional Budyko framework with terrestrial water storage dynamics: mechanistic modeling and diagnostic ecohydrological applications across global basins

本研究提出三维Budyko框架，引入水储量变化指数（WSCI）作为第三维度，通过GRACE和GLDAS数据验证，显著提升全球河流盆地蒸发蒸腾预测精度，尤其在湿润和人类干扰区域表现突出。WSCI揭示了气候与人类活动对水循环的差异化影响，并通过NDVI关联分析识别了自然协同、生态压力及人为不持续三种空间模式。摘要：三维Budyko框架 | 水储量变化 | 生态水文 | GRACE数据 | NDVI关联分析 | 气候人类耦合 | 蒸发蒸腾预测 | 河流盆地 | 水循环动态 | 生态系统压力

　　水循环与生态系统健康之间的关系一直是水文学和生态学研究的重要议题。传统的二维Budyko框架通过将蒸散发（ET）与降水（P）以及潜在蒸散发（PET）的关系可视化，为理解流域内的水分分配提供了重要的基础。然而，这一框架在考虑流域水储量变化（TWSC）方面存在显著的局限性，因为它假设TWSC在多年尺度上可以忽略不计，从而限制了其在时空上的适应性。这种假设在理想化的流域条件下成立，但在受到人类活动（如灌溉、地下水开采）或气候变化（如冰川融化）影响的流域中往往失效，导致其无法准确反映短期水储量动态，这对生态系统的健康和韧性至关重要。

为了克服这一局限性，本研究提出了一个三维Budyko框架，将TWSC作为一个动态的第三维度引入，定义为水储量变化指数（WSCI）。通过引入GRACE和GLDAS等数据集，WSCI能够更全面地捕捉到水储量变化对流域内水分平衡和生态系统的影响。研究结果显示，三维框架在多种流域中表现优于传统的二维框架，尤其是在热带流域中，其准确性提高了55%-250%。这表明，WSCI作为独立维度，不仅提升了模型的预测能力，还为监测生态系统水应力和指导可持续水资源管理提供了新的工具。

在方法上，研究通过结合卫星观测和再分析数据，构建了包含蒸发指数（EI）、干度指数（DI）和WSCI的三维空间。这一三维空间能够更准确地反映不同流域的水文特征，特别是那些在非稳态条件下，TWSC对水分分配起关键作用的区域。通过使用LISA（局部空间关联分析）方法，研究进一步验证了WSCI与植被指数（NDVI）之间的生态相关性，揭示了不同流域中生态水耦合的多样化模式。这些模式包括自然协同（充足的水分支持健康的植被）、自然压力（水分短缺与植被受限并存）以及人类驱动的不可持续性（植被茂盛但水储量下降）。

三维Budyko框架的提出不仅在理论上有重要意义，也在实际应用中展现出强大的潜力。它能够区分两种不同的水文情景：TWSC耗尽（TWSC ≤ 0）和TWSC补充（TWSC > 0），从而更精确地模拟水分对生态系统的影响。研究还发现，使用GLDAS数据集（排除人为地下水信号）可以进一步提升三维框架在人类活动影响显著的流域（如黄河流域、印度河流域和底格里斯-幼发拉底河流域）中的表现，这验证了Budyko框架的气候主导机制。此外，WSCI的异常值（即观测值与气候驱动基准值之间的偏差）可以作为评估人类活动对自然水循环干扰的定量指标，为水资源管理和生态保护提供了科学依据。

在实际应用中，三维框架的性能优势不仅体现在预测精度的提升，还在于其对生态水耦合过程的深入理解。通过分析WSCI与NDVI的空间关联性，研究揭示了不同流域中植被与水储量之间的复杂关系。这些发现表明，三维框架能够更有效地识别人类活动对水-植被耦合的干扰，从而为制定可持续的水资源管理政策提供支持。例如，在农业集约化程度高的区域，如中国华北平原、印度旁遮普地区以及美索不达米亚的灌溉项目，植被茂盛但水储量下降的现象显示了人类活动对自然水循环的显著影响。

研究还发现，不同数据源对三维框架的性能具有重要影响。GRACE数据集虽然能够提供全球范围内的水储量变化信息，但其精度受限于空间分辨率和数据处理方法，特别是在地形复杂或水文梯度显著的区域。相比之下，GLDAS数据集因其模型结构自然排除了人为地下水提取的影响，能够更准确地反映气候驱动的水储量变化。通过比较不同数据集下的模型表现，研究强调了选择合适的数据源对于提高三维框架在人类活动影响显著的流域中的适用性至关重要。

此外，研究还揭示了WSCI在生态水耦合中的诊断能力。在自然状态下，WSCI与NDVI之间存在显著的正相关，表明水分供应充足时植被状态良好。而在人类活动影响显著的区域，WSCI与NDVI之间的关系变得更加复杂，出现明显的空间异常。例如，在黄河流域，尽管水储量下降，但植被指数却保持较高水平，这种现象被归因于大规模灌溉和地下水过度开采。这表明，WSCI不仅可以反映自然水循环的状况，还能识别人类活动对生态系统的干扰。

三维Budyko框架的提出为水文学研究带来了新的视角。它不仅能够更准确地模拟流域内的水循环过程，还能为生态系统健康和水资源可持续性提供有力的诊断工具。通过将水储量变化作为独立变量，三维框架能够揭示水文过程与生态系统之间的复杂互动，从而为全球水资源管理提供科学依据。未来的研究可以进一步完善这一框架，通过理论推导和模型参数化，将人类活动（如灌溉、水库调控）明确纳入三维Budyko方程，以实现对水-植被耦合过程的全面理解。这将有助于制定更加科学和有效的水资源管理策略，特别是在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，为保护淡水生态系统提供支持。