在巴西塞拉多生物群落中，评估土地覆盖变化和气候变率双重威胁下的水通量

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Assessment of water fluxes under the dual threat of changes in land cover and climate variability in the Brazilian Cerrado biome

遥感监测与水文模型融合揭示呼伦湖流域1960-2023年地下水动态及气候变化驱动效应，发现流域TWS呈现冷干（1972-1981）、冷湿（1981-1990）、暖干（1990-2007）、暖湿（2007-2021）四个阶段，其中地下水贡献率达56%-57%。通过多源数据融合与机器学习模型，揭示降水对TWS弹性系数最高（0.65-0.89），而温度升高加剧蒸发导致 SMS下降。土地覆盖分析表明，荒漠化区域在2005年后因灌溉工程和裸地低蒸腾特性，成为TWS恢复的核心区域。

　　这是一项针对中国和蒙古交界处的呼伦湖流域（Hulun Lake Basin, HLB）开展的综合性研究，旨在通过融合多种数据源，构建1960年至2023年的连续地表水储量（Terrestrial Water Storage, TWS）和地下水储量（Groundwater Storage, GWS）时间序列，以深入理解气候变化和土地覆盖变化对水循环的影响。呼伦湖流域覆盖约218,000平方公里，位于中国北方，是典型的干旱和半干旱地区，水资源短缺，气候变化对区域水文的影响尤为显著。由于该地区数据获取困难，长期的水文研究面临挑战，因此本研究采用了一种结合随机森林（Random Forest, RF）和卡尔曼滤波（Kalman Filter, KF）算法的融合模型，以提升对TWS和GWS的估算精度。

### 气候变化与水文响应的复杂性

在干旱和半干旱地区，水文系统对气候变化的响应往往呈现出非线性特征。研究发现，呼伦湖流域的水文变化可分为四个主要阶段：冷干期（1972–1981）、冷湿期（1981–1990）、暖干期（1990–2007）和暖湿期（2007–2021）。这些阶段的变化主要由降水和蒸散发的差异驱动，降水持续低于蒸散发，导致整体的净水位下降。同时，该地区的年均气温上升速率达到0.04°C/年，超过了全球平均水平，进一步加剧了水文系统的不稳定性。

值得注意的是，尽管降水和气温的变化对水文系统有显著影响，但地下水储量（GWS）被识别为TWS变化的主要驱动因素。这意味着，地下水的动态变化在水文过程中起到了关键的缓冲作用，尤其是在极端气候事件频发的背景下。研究还指出，降水对TWS的弹性系数最高，表明其在水文系统中的核心地位。而从1990年至2005年，尽管土地覆盖变化相对稳定，但TWS出现了显著的下降，这可能与降水减少和蒸发增强有关。相反，从2005年至2020年，TWS在部分流域出现了明显增长，特别是在乌尔逊河流域的荒漠地区，这反映了土地覆盖类型对水文响应的异质性。

### 数据融合与不确定性分析

为了获得长期的TWS和GWS数据，研究采用了多源数据融合策略，结合了ERA5再分析数据、GLDAS陆面模型数据以及GRACE卫星重力观测数据。其中，ERA5-Land和GLDAS分别提供了0.1°和0.25°的空间分辨率，适用于区域气候分析。为了提高数据的一致性和可靠性，研究应用了贝叶斯线性融合算法，通过调整不同数据源的权重系数，使其更贴近实际观测值。该算法在训练阶段使用了60%的站点数据和采样数据，而剩余的40%用于验证，以确保模型的稳定性。

此外，研究还对融合后的数据进行了不确定性分析。通过蒙特卡洛模拟，计算了数据的均值、标准差和置信区间，以量化误差范围并评估模型的可靠性。研究指出，不确定性主要来源于两个方面：一是结构模型偏差和参数估计误差（即知识不确定性），二是输入数据中的固有噪声（即随机不确定性）。为了降低不确定性对结果的影响，研究对数据进行了多次采样和验证，确保最终的TWS和GWS时间序列具有较高的可信度。

### 水文响应机制与弹性分析

在对TWS及其组成部分的弹性分析中，研究发现降水对水文系统的敏感性最高，而蒸散发则对水文变化具有较强的抑制作用。特别是在暖干期，蒸散发的增加导致水文系统的整体流失加剧，而降水的减少则进一步削弱了水文的恢复能力。相比之下，温度的变化对TWS的影响较为间接，但在某些时期（如暖湿期）起到了促进水文恢复的作用。这表明，温度和降水的协同作用对水文变化至关重要，特别是在极端气候事件频发的背景下。

研究还通过波浪变换（Wavelet Transform）方法，分析了TWS和其组成部分的周期性特征。结果表明，TWS的周期性变化主要集中在29年和14年两个尺度上，这与降水和蒸散发的周期性变化趋势一致。同时，波浪变换也揭示了温度变化对水文系统的影响具有一定的滞后性，特别是在长期趋势中，温度的上升往往需要较长时间才能对水文系统产生显著影响。

### 土地覆盖变化对水文的影响

土地覆盖变化在呼伦湖流域对TWS的影响同样显著。研究指出，该地区的主要土地覆盖类型包括荒漠、灌木林、森林和水体，其中荒漠占主导地位。在1990年至2005年间，尽管荒漠和灌木林的面积变化不大，但TWS的显著下降主要归因于土壤水分的减少。这表明，在干旱条件下，土壤水分的波动对TWS的影响较大，而森林和灌木林则在一定程度上具有缓冲作用，能够稳定水文变化。

然而，从2005年至2020年，TWS的恢复主要发生在乌尔逊河流域的荒漠地区，这与该地区实施的跨流域调水工程有关。调水工程显著增加了地下水的补给，而荒漠地区较低的蒸散发也促进了降水向地下水的渗透。相比之下，克伦河流域的TWS恢复较为有限，这可能是由于该区域的灌木林面积减少，导致水文系统的缓冲能力下降。这一发现强调了土地覆盖类型对水文响应的异质性，特别是在不同子流域之间，土地覆盖的变化对TWS的影响存在显著差异。

### 人类活动对水文系统的潜在影响

除了自然因素，人类活动也是影响呼伦湖流域水文系统的重要变量。研究采用夜间灯光数据（Nighttime Light, NTL）作为人类活动的代理指标，分析其与水文变量之间的关系。结果显示，NTL与土壤水分（SMS）和地表水储量（SWS）呈显著负相关，表明人类活动的增加可能导致土壤水分和地表水储量的减少。然而，NTL与总水文储量（TWS）和地下水储量（GWS）的相关性较弱，这可能与地下水系统的缓冲作用有关，即地下水能够延迟对地表活动的响应。

这一发现表明，人类活动对水文系统的影响主要体现在浅层水体上，而深层地下水则具有更强的稳定性。因此，在评估水文变化时，应同时考虑自然因素和人为因素的综合作用。研究还指出，尽管本研究已部分考虑人类活动的影响，但由于数据的稀缺性，未来仍需进一步探索诸如地下水开采、土地管理等人为因素对水文变化的具体作用。

### 研究的局限性与未来展望

尽管本研究在呼伦湖流域的长期水文变化分析中取得了重要进展，但仍存在一定的局限性。首先，多源数据融合过程中可能存在的数据缺口，可能会影响长期重建的准确性。其次，由于缺乏详细的人类活动数据，研究未能全面揭示人为因素对水文变化的具体贡献。此外，融合模型（随机森林与卡尔曼滤波的结合）在某些情况下假设了线性关系，这可能低估了水文系统中复杂的非线性相互作用。

未来的研究应进一步提升数据分辨率，引入更高精度的遥感数据，并结合基于过程的水文模型，以更全面地评估水文变化的驱动因素。同时，研究可以扩展至其他半干旱地区，探索不同气候和土地覆盖背景下水文变化的普遍规律。此外，识别温度和降水变化的临界阈值，对于预测未来极端水文事件具有重要意义，有助于制定更加科学的水资源管理策略。

### 研究的意义与应用前景

本研究不仅揭示了呼伦湖流域水文变化的多阶段特征，还为未来水资源管理提供了重要的数据支持。通过构建长期的TWS和GWS时间序列，研究为干旱和半干旱地区的水资源规划和气候适应策略提供了科学依据。政策制定者可以利用这一水文变化框架，设计更具适应性的水资源管理方案，以应对气候变化带来的挑战。

同时，研究还强调了土地覆盖类型对水文变化的异质性影响，这对于生态学家和农业规划者具有重要参考价值。例如，森林和灌木林的稳定作用可以用于指导植被恢复和生态保护工作，而荒漠地区的低蒸散发特性则可以为水资源管理提供新的思路。此外，研究识别出的温度和降水变化的临界阈值，有助于改进气候模型，提高对极端水文事件的预测能力。

总之，这项研究通过多源数据融合和非线性分析方法，揭示了呼伦湖流域在长期气候变化背景下的水文动态，为该地区的水资源管理和生态保护提供了科学依据。同时，研究也为其他干旱和半干旱地区的水文变化分析提供了可借鉴的方法和框架。