解析山坡水动力与植被异质性对陆地水能收支的调控机制

这篇研究通过改进陆地表面模型（LSM）中的山坡水动力和植被异质性表征，揭示了其对非洲大陆水能收支的关键影响。研究采用基于子流域的高度带离散化方法（MATSIRO模型），量化了水平水流与植被分布对土壤含水量（SM）、径流（RO）和潜热通量（Qle）的调控作用，结果表明：更精细的表征使5%-18%区域的水能通量发生显著变化，且模拟结果与实测径流（GRDC）和叶面积指数（LAI）更吻合。

　　

摘要

研究聚焦非洲大陆，通过改进陆地表面模型（LSM）MATSIRO的子网格表征能力，首次系统量化了山坡水动力与植被异质性对陆地水能收支的协同影响。采用基于子流域的高度带离散化策略，将代表性山坡划分为10个等面积高度带，模拟水平水流（Darcy定律）与垂直能量交换。实验设计涵盖从均一化到逐步引入异质性的四种情景，揭示水平水流使河谷土壤含水量（SM）比坡顶高0.01-0.03 m³/m³，而植被异质性表征进一步使18%区域的潜热通量（Qle）变化超1 W/m²。

模型与方法

2.1 陆地表面模型MATSIRO

模型采用六层土壤柱（深度0-1000 cm）和简化TOPMODEL计算径流。创新性引入高度带间水平水流公式：

q = -K_O/f·I·e^-fz

其中K_O为饱和导水率，f为衰减常数，I为水力梯度。土壤湿度（w）通过Richards方程更新，径流生成包含基流（R_Ob）、饱和超渗（R_Os）和入渗超渗（R_Oi）三种机制。

2.3 集成陆地模拟器（ILS）框架

耦合MATSIRO与全球水动力模型CaMa-Flood，利用MERIT Hydro数据构建15′分辨率单元流域。每个流域抽象为代表性山坡，基于最近河流的高程（HAND）划分高度带，实现从3″到25 km的多尺度数据同化。

关键发现

4.1 水能收支的空间分异

在赤道非洲：

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  画廊森林流域（如刚果Kinda-Mwampu）低坡木本植被使Qle增加15 W/m²，径流减少0.5 mm/d

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  渍水流域（如刚果Mobenzélé）高坡植被增强降雨截留，使SM梯度反转

  干旱区（如撒哈拉）因水分限制，高度带差异可忽略。

4.2 验证与改进

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  径流模拟Nash效率系数（NSE）中位数从0.62（传统方案）提升至0.74（高度带方案）

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  土壤湿度临界值在热带区（Af）从0.26 m³/m³优化至0.23 m³/m³，更符合LAI观测

讨论与展望

当前模型未考虑流域间远程输水（如苏德湿地）和地下水-河道交互作用。未来需整合土壤属性异质性和微气候效应，并增加通量塔观测网络以缩小尺度差异。这项研究为理解植被-水文-气候耦合机制提供了新范式。