中国北方半干旱区蒸散发组分时空变异特征及其对环境因子的响应机制

本研究针对全球变暖背景下半干旱区水循环过程变化的关键科学问题，采用PT-JPL模型揭示了1982-2020年海拉尔河流域蒸散发(ET)及其组分(植被蒸腾T/ET)的时空分异规律。通过多尺度验证证实模型精度(R2=0.85)，发现东部林区ET(578 mm)以1.58 mm/年速率显著增长，NDVI与地表温度是主导因子。该研究为理解陆地-大气相互作用提供了新的数据支撑，对半干旱区水资源管理具有重要指导意义。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，半干旱地区作为生态脆弱带正经历着显著的环境变化。中国北方半干旱区气温以0.02℃/年的速率持续上升，同时人类活动导致地表覆被类型发生显著转变，主要表现为草地向森林的转化。这些变化使得该区域面临日益严重的水分亏缺，显著影响水循环组分和区域能量平衡。蒸散发(ET)作为水循环和能量循环的关键过程，能够定量反映区域水平衡和能量平衡的变化，而植被蒸腾(T)与ET的比值(T/ET)则与陆地植物生长密切相关，在调节大气成分和气候方面起着关键作用。然而，由于测量技术的局限性和模型的不确定性，获取准确的ET及其组分数据仍存在挑战，特别是在区域尺度上。

针对这一科学问题，内蒙古自治区相关研究机构的研究人员选择典型半干旱区海拉尔河流域作为研究对象，采用Priestley-Taylor Jet Propulsion Laboratory (PT-JPL)模型，结合多源遥感数据，开展了长达40年(1982-2020)的ET及其组分模拟研究，相关成果发表在《Ecological Indicators》上。研究通过站点和区域尺度的多源数据验证，系统分析了ET和T/ET的时空变化特征及其环境驱动机制，为理解半干旱区水循环过程对气候变化的响应提供了重要科学依据。

研究主要采用了PT-JPL模型模拟、三向帽(TCH)不确定性分析方法和多尺度验证技术。PT-JPL模型将ET分解为土壤蒸发(E_s)、植被蒸腾(E_c)和冠层截留蒸发(E_i)三个组分，基于ERA5再分析数据和NDVI等遥感产品驱动模型运行。通过Hulun Buir涡度通量站实测数据验证站点尺度精度，并利用GLEAM和GLDAS数据集进行区域尺度比较。采用TCH方法量化不同ET产品的不确定性，通过相关分析揭示环境因子对ET和T/ET的影响。

研究结果显示，PT-JPL模型在站点尺度能较好地再现ET的波动和极值(k=0.86，R²=0.85)。空间上，PT-JPL模拟的ET和T/ET不确定性最低，分别为22.75 mm和0.05。1982-2020年间，研究区年均ET和T/ET分别以0.73 mm/年和0.005/年的速率增加，夏季是ET和T/ET平均值和变化趋势最高的季节。空间上呈现明显的东高西低格局，东部林区ET和T/ET最高，分别以1.58 mm/年和0.003/年的速率增加。NDVI和地表温度是不同下垫面ET和T/ET变化最关键的的环境因子。

在讨论部分，作者指出PT-JPL模型虽然存在土壤蒸发模块参数化等局限性，但在半干旱区仍表现出良好的适用性。与GLEAM和GLDAS相比，PT-JPL模型能更准确地捕捉ET组分的空间异质性，特别是在植被类型过渡带。研究还发现森林扩张导致的ET增加可能加剧区域水分压力，这一发现对半干旱区生态恢复和水资源管理具有重要指导意义。

该研究的创新性在于首次系统评估了PT-JPL模型在中国北方半干旱区的适用性，并揭示了长期气候变化背景下ET组分的时空演变规律。研究结果为理解陆地生态系统与大气相互作用提供了新的数据支撑，建立的模型框架可为其他类似区域的研究提供方法借鉴。未来研究可考虑融合更高分辨率的土壤湿度数据，进一步提升模型在干旱半干旱区的模拟精度。