水分与能量供应驱动的湿度变化对浅层土壤水分与实际蒸散关系的斜率方向转换及其互补关系解析

这篇研究通过模拟和观测数据，揭示了水分与能量供应变化对生态系统湿度有效性（ma）的影响机制，阐明了实际蒸散（E）与浅层土壤水分（S）关系的斜率方向转换规律。研究创新性地提出"水分驱动"与"能量驱动"概念框架，验证了互补关系（CR）模型在不同气候条件下的适用性，为地表能量-水平衡建模提供了新约束条件。

　　

水分与能量驱动的湿度变化机制研究

Abstract

研究聚焦水分或能量供应变化对湿度有效性（ma）的影响，通过水能限制框架与互补关系（CR）理论，揭示了ma变化对实际蒸散（E）和浅层土壤水分（S）的动态调控机制。

1 Introduction

全球水资源问题与水土能量交互密切相关，而ma作为关键水文指标（定义为E与表观潜在蒸发E_pa之比），其变化受水分或能量供应主导的机制尚未明确。研究创新性区分"水分驱动"（water-driven）与"能量驱动"（energy-driven）的ma变化模式：前者在恒定能量下水分增加导致E与ma正相关，后者在恒定水分下能量减少引发E与ma负相关。这种极性转换对理解CR理论及生态系统水通量建模具有重要意义。

2 Materials and Methods

通过稳态模拟设置两种情景：

• 水分驱动：固定能量（E_pa=4 mm d^-1），降水（P）从8.0降至0.94 mm d^-1

• 能量驱动：固定降水（P=4 mm d^-1），E_pa从8.0降至0.94 mm d^-1

选用澳大利亚两个通量塔站点（热带稀树草原Howard Springs与温带森林Wombat State Forest）的8日尺度观测数据验证。开发两种CR模型版本：Tu22（基于Tu等最大潜热通量）和Cr23（引入动态Priestley-Taylor α参数）。

3 Results

3.1 模拟结果

水分驱动情景显示E与E_pa呈互补关系（图3a），而能量驱动下二者同步下降（图3b）。关键发现：

• S与E关系斜率方向由主导驱动因素决定

• 水分驱动下E随ma增加而增大（R²=0.61）

• 能量驱动下E随ma增加而减小（R²=0.14）

3.2 观测验证

Howard Springs站点（Aw气候）呈现典型水分驱动特征：E与ma正相关（r=0.74），S与E同向变化。Wombat站点（Cf气候）显示能量驱动模式：冬季高ma伴随低E，S与E呈负斜率（图8d）。

3.3 模型表现

Cr23模型在能量驱动站点表现优异，能准确捕捉E-S负相关（图8f），而Tu22则错误预测为正相关。动态α参数（范围1.26-2.5）的引入显著提升模型在能量限制条件下的适应性（图4d）。

4 Discussion

研究突破性发现包括：

1. 首次明确水分/能量驱动变化决定CR存在与否：水分驱动产生互补，能量驱动导致非互补

2. 提出S-E斜率方向可作为新型建模约束条件

3. 揭示α参数在能量驱动环境中的动态特性（>2.5）

4. 证明Yang-Roderick方法结合Crago动态α假设的最佳实践

5 Conclusion

研究建立了水分-能量驱动变化与地表过程的新联系，为生态水文模型开发提供关键理论支撑。未来应拓展至深层土壤水分研究，并验证α参数在极端气候下的普适性。建议模型验证需同时考察E、ma、S三者的动态关系，以确保物理过程的真实再现。