时间-空间对称性是否存在于区域植被格局与控制年水分平衡的Budyko形状参数之间的关系中？

《Water Resources Research》：Does Time–Space Symmetry Exist in Relationship Between Regional Vegetation Patterns and Budyko Shape Parameter Governing Annual Water Balance?

本研究基于内蒙古海拉尔河流域 nested 子集区数据，验证了 Budyko 模型中植被覆盖（M）与形状参数（n1/n2）的时间空间对称性。通过 11 年滑动平均分析发现，M/Φ 与 n1/Φ 或 exp(-n2)/Φ 在空间（不同子集区）和 temporal（年际变化）尺度上均呈现显著线性关系（R2>0.65），且坡度差异小于10%，满足时间空间对称性判据。研究揭示干旱指数（Φ）通过调节植被适应效率（M/Φ）与水文结构耦合（n/Φ）起关键标准化作用，为空间代时转换（SFTS）方法在生态水文建模中的应用提供了理论依据。

　　在生态水文学研究中，Budyko水文平衡模型因其简洁性和广泛适用性，被广泛用于分析气候、植被和水资源之间的相互作用。该模型通过将年降水量（P）分解为径流（Q）和蒸散发（E），为理解水循环提供了重要的理论基础。然而，尽管Budyko模型在长期平均水文指标上具有时间-空间对称性，但在植被变化与模型形状参数之间的关系中，这种对称性尚未得到充分研究。本文的研究重点在于探讨这一关系是否存在时间-空间对称性，并尝试揭示植被功能与水文结构之间的耦合调整机制。

植被变化对水文平衡的影响极为复杂，其动态特性使得水文响应具有高度的空间和时间异质性。例如，植被覆盖度（M）的变化不仅影响蒸散发，还可能通过改变地表特性，间接影响径流和水资源的分布。由于这些变化可能与气候条件相互作用，传统的水文模型在预测水资源变化时面临挑战。因此，研究时间-空间对称性有助于提高模型在无观测区域的适用性，特别是在气候变化和人类活动导致植被动态变化的背景下。

本文的研究对象是位于中国内蒙古东北部的海拉尔河流域，该区域涵盖了多个子流域，具有丰富的生态和水文数据。通过分析1982年至2015年的气象数据和水文观测数据，研究团队构建了两个不同的Budyko模型：Budyko-Wang-Tang模型和Budyko-Yang模型。这两种模型分别使用不同的形状参数（n1和n2），用于描述水文平衡的变化。研究发现，尽管在长期平均的水文指标上，这些参数表现出一定的对称性，但在植被变化与形状参数之间的关系中，对称性并不总是成立。因此，有必要探索是否可以通过调整模型参数，使其更符合实际的植被动态变化。

为了评估植被覆盖与形状参数之间的关系，研究团队采用了时间-空间对称性标准，即在不同时间尺度和空间尺度上，参数之间的关系是否保持一致。他们发现，当将植被覆盖度（M）与形状参数（n1和n2）进行标准化处理时，如将M除以干旱指数（Φ），或者将n2转换为exp(-n2)，这种对称性更加显著。这表明，植被适应性和水文调节之间的关系在不同尺度上具有一定的稳定性，从而支持了时间-空间对称性的假设。

研究还指出，植被覆盖度与水文平衡指标之间的关系并非总是对称的。在某些情况下，这种关系可能会因为植被类型的变化而出现不对称现象。例如，在森林区域，随着植被覆盖度的增加，蒸散发可能减少，这与一般预期相反。这种不对称性可能源于水文过程、气候变化和流域特征在不同时间尺度上的相互作用，导致对水文响应的控制因素出现差异。因此，在应用空间-时间替代（SFTS）方法时，需要特别注意这些不对称性，以确保模型预测的准确性。

本文的研究不仅为Budyko模型在生态水文学中的应用提供了新的视角，还为无观测流域的水资源预测提供了理论支持。通过揭示植被变化与水文平衡之间的对称性和不对称性，研究团队为未来的水资源管理和生态研究提供了重要的参考。此外，研究还强调了模型参数的动态变化对预测结果的影响，建议在未来的模型构建中，应更多地考虑时间变化的参数，并结合深度学习等先进方法，提高模型的预测精度和适用性。

总之，本文的研究揭示了植被覆盖度与Budyko模型形状参数之间的复杂关系，强调了时间-空间对称性在生态水文学模型中的重要性。这些发现不仅有助于理解植被变化对水文平衡的影响，还为未来的研究提供了新的方向和方法。通过进一步探索不同气候条件下的植被-水文耦合机制，可以更好地应对气候变化带来的挑战，为水资源管理提供科学依据。