利用双步精细化时变归因模型实现气候与人类活动对径流影响的跨尺度分离

《Environmental Modelling & Software》：Cross-scale Separation of Climate and Human Impacts on Runoff Using a Dual-Step Refined Time-varying Attribution Model

气候变化与人类活动交互作用导致流域 runoff 不确定性增加，本研究提出基于Budyko框架的双阶段时变归因模型，通过改进传统分解法与弹性系数法的结构参数，结合时空异质性分析，在Lixia河流域验证了模型在年尺度（精度提升11.42%-33.46%）和多年平均尺度（5.06%-6.84%）的显著分离效果，解决了传统方法中固定参数偏差、跨尺度交互作用缺失等问题。

　　

郑子钦|董增川|王文卓|孟金玉|郝柯|张友

中国江苏省南京市210098，河海大学水文学与水资源学院

摘要

气候变化和人类活动的加速演变以及它们之间日益复杂的相互作用导致径流不确定性和不一致性显著增加。理解和评估这两者对径流的影响对于水资源规划和管理非常重要。本研究通过提出一种基于Budyko框架的双步精细化时变归因模型，开发了一个通用的径流归因建模框架，该模型结合了对传统方法的改进和对传统归因模型结构的优化。通过对蠡霞河流域在多个时空尺度上的应用，评估了该模型的有效性。结果表明，该模型在年尺度上将径流变化分离的准确性提高了11.42%至33.46%，在多年平均尺度上提高了5.06%至6.84%。这种双步模型为评估气候和人为驱动因素共同作用下的水文响应提供了准确的分离方法和可推广的建模见解。

引言

由于气候变化和人类活动的影响，径流模式发生了显著变化，增加了径流的不确定性和不一致性（Hu等人，2020年；Huang等人，2024年）。全球变暖改变了降水和蒸发模式，导致水文循环加速以及极端天气事件的频率和强度增加（Omer等人，2020年；Saedi等人，2022年；Wang等人，2024年；Yin等人，2018年）。人类干扰和城市化进程改变了土地利用和土地覆盖，导致径流产生和流动集中过程发生显著变化，以及水文响应过程加速（Arrigoni等人，2010年；Lu等人，2024年；Zhou等人，2023年）。此外，气候变化和人类活动对径流的影响并非孤立发生，它们之间日益复杂的相互作用使得径流演变机制更加模糊（Berrang-Ford等人，2021年；Padrón等人，2020年）。在气候变化和人类活动加速演变和相互作用的背景下，理解径流的演变模式和响应机制变得更加具有挑战性（Cui等人，2023年；Gao等人，2018年；Jiang等人，2022年；Wenchuan等人，2024年）。在这种情况下，理解和评估气候变化和人类活动对径流的影响已成为水文学中的一个关键研究课题。

目前，径流变化归因的主要方法包括统计方法、水文建模方法和参数建模方法（Luan等人，2021年）。统计方法具有简单高效的优点，但缺乏对径流形成物理机制的考虑，且仅依赖统计关系往往导致模拟结果的决定系数很高但意义不明确（Gao等人，2017年；Sun等人，2020年；Zhang等人，2018年）。水文建模方法通过构建SWAT（Wang等人，2024年）、VIC（Zhou等人，2024年）、HEC-HMS（Askari等人，2024年）和新疆水文模型（Bian等人，2021年）等水文模型来恢复人类活动对径流的干扰，并将其视为由人类活动引起的径流变化。水文建模方法能够合理反映水文循环中的物理过程并准确模拟水文过程，但存在一些缺点，如对输入数据精度要求高、模型结构复杂以及参数调整工作量大（Yan等人，2018年；Zhang等人，2019b）。参数建模方法，也称为Budyko方法，因为它通常基于Budyko框架（Budyko和Miller，1974年），由于其简单的结构和一定的物理机制而被提出并广泛使用。

Budyko归因方法多年来得到了很大发展。一些学者将流域特征参数引入原始的Budyko方程中，以准确描述径流与气候和下垫面条件之间的物理关系，发展出了各种类型的参数方程（Choudhury，1999年；Fu，1981年；Wang和Tang，2014年；Yang等人，2008年；Zhang等人，2001年；Zhang等人，2004年）。基于上述Budyko框架下的参数方程，开发出了两种成熟的归因方法：分解方法，通过在不同条件下绘制Budyko曲线来描述流域的水分-热量耦合状态（Wang和Hejazi，2011年）；以及弹性系数方法（也称为敏感性方法），通过计算弹性系数来量化径流对每个元素的敏感度（Donohue等人，2011年；Khalid等人，2013年；Roderick和Farquhar，2011年）。近年来，这两种方法被广泛用于径流变化的归因分析（Han等人，2020年；Xin等人，2019年；Zhang等人，2011年；Zheng等人，2009年）。

尽管Budyko归因方法被广泛使用，但在其应用中仍存在三个关键问题。首先，传统的径流归因分析框架通常通过设置历史基准期和变化期来确定各种因素对径流的影响（Patterson等人，2013年；Wang和Alimohammadi，2012年；Xu等人，2014年），这在当前复杂和动态的环境中显示出其局限性。气候变化和人类活动对径流的累积影响在长期尺度上可能与短期内表现出的影响大不相同。因此，需要进行跨尺度归因分析。其次，传统方法中的固定参数可能导致模拟偏差，尤其是在长期或变化剧烈的环境中。随着气候变化和人类活动的加速演变，描述Budyko模型的空间和时间变异性成为一个核心挑战（Sharma和Mondal，2024年；Sun等人，2023年；Zhang等人，2019a）。第三，在传统分析中，气候和人为因素往往被独立考虑，缺乏对它们之间潜在关系的考虑，可能导致对径流变化原因的理解不完整或有偏差（Fu等人，2023年；Kazemi等人，2019年）。

为了解决这些挑战，本研究提出了一种双步精细化时变归因模型，并将其应用于精确分离气候变化和人类活动对径流影响的动态演变。首先，该精细化时变归因模型通过改进传统归因方法来减少固有误差。其次，它构建了一个分层渐进的时变归因模型，以精确描述和分离各种因素的动态交织效应。本文的目标是提供一个通用的归因分析建模框架，以提高动态归因的准确性，并适用于多个空间和时间尺度。

建模框架

本文提出了一种双步精细化时变归因模型，其第一步旨在通过改进传统的分解方法（DM）和弹性系数方法（ECM）来减少传统归因方法中的系统偏差和固有误差。通过这一步改进的模型被称为双向分解方法（BDM）和Runge-Kutta改进的弹性系数方法（IECM）。第二步旨在准确识别对径流的影响

研究区域概述

蠡霞河流域位于中国江苏省东部，淮河流域的下游，流域面积为24,050平方公里。蠡霞河流域处于温带季风气候向亚热带季风气候的过渡区。该流域高度城市化，是中国受人类活动影响最严重的地区之一。考虑到水文气象条件和人类活动的空间异质性

水文气象要素的演变

1981年至2022年间，蠡霞河流域及其三个子区域的年径流、降水量、平均温度和潜在蒸散量的变化分别如图4（a）～（d）、（e）～（h）、（i）～（l）和（m）～（p）所示。接下来，使用Mann-Kendall检验分析了上述水文气象要素的趋势。除了斗北区的降水量和斗南区的径流显示出不显著的下降趋势外，其余要素

讨论

本研究提出了一种双步精细化时变归因模型，并成功应用于蠡霞河流域及其三个子区域中气候和人类活动对径流影响的跨尺度分离，取得了显著成果。该模型在年尺度上将径流变化分离的准确性提高了11.42%至33.46%，在多年平均尺度上提高了5.06%至6.84%。研究发现，模型中的两个步骤都可以提高分离的精度

结论

本研究提出了一种双步精细化时变归因模型，用于分离气候变化和人类活动对径流影响的动态演变。该模型成功应用于蠡霞河流域的多个空间和时间尺度，取得了显著结果。首先，该模型通过减少传统方法中的固有误差提高了分离精度。其次，它精确描述了各种因素的动态交织效应

作者贡献声明

郑子钦：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，软件，方法学，正式分析，数据管理。王文卓：可视化，资源，调查。董增川：监督，项目管理，资金获取。郝柯：资源，调查。孟金玉：撰写——初稿，方法学，数据管理。张友：调查，资金获取

利益冲突声明

作者未报告任何潜在的利益冲突。

竞争利益声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

该项目得到了江苏省水利厅的江苏省水利科技项目（项目编号2023027）的财政支持