增暖增湿下盘古河流域径流效率与季节再分配的雪状态约束评估

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Runoff efficiency and seasonal redistribution under warming–wetting in the Pangu River basin: A snow-state-constrained assessment

　　

•增暖增湿与较低的PHY（物理诊断模拟）径流效率同时出现。•AMJ（4—6月）径流呈现模型推断的方向性下降；不确定性区间跨越零。•季节份额显示模型推断的向夏秋季相对偏移。•较低的PHY雪相关通路属于诊断量，而非物理来源证据。•若无ERA5-Land雪状态同化，关键历史方向发生反转。

研究背景与问题：气候变暖正在重塑高纬度和山区冷水区流域的水文功能。与湿润温带流域相比，冷水区产流不仅受降水量控制，还受降水相态、季节性积雪储水、融水释放、冻融动态、河冰调节和大气蒸发需求影响。增暖可提高蒸发需求、缩短雪盖持续时间、改变融水释放时间与量级，并削弱冷季储水向春季集中径流的转化，因此增暖增湿不必然导致年径流同步增加。既有研究已推进对积雪退化、融雪提前、降水相态转变、冻融变化和季节径流再分配的认识，但数据稀缺的中小型山区冷水区仍存在三个问题：增暖增湿是增加年径流，还是主要改变降水—径流转换效率；年径流变化较弱时，气候信号是否主要通过冷季积雪储水、春季融雪释放、夏秋降雨输入和背景储水释放之间的季节重组表达；在长期过程观测有限时，哪些过程解释对模型结构和总径流残差不确定性保持稳定，哪些分量仍依赖模型。盘古河流域位于中国东北大兴安岭北部，是高纬山区冷水区流域，径流受积雪累积与消融、冻融、河冰和暖季降雨共同影响，直接人类调节有限，因此被用于检验上述问题。

研究人员采用约束推断框架，将水文气候强迫、径流效率、季节径流组织和通路不确定性联系起来，而非寻求单一模型的最佳拟合。研究先评估年径流和降水—径流转换效率变化，再考察春季与夏秋季释放之间的季节再分配，并通过局部参数等优性检验、针对性雪结构再校准、总径流残差扰动和残差分配敏感性，区分参考结构内的方向稳定性与对雪状态约束和通路分配的依赖。核心贡献是在雪状态约束模型内量化径流效率和春季释放变化，检验其方向持续条件，并将这些条件性推断与物理来源归因区分开。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员将含缺测和混合时间分辨率的径流记录协调为月径流深序列，采用FAO-56 Penman-Monteith法由日气象资料计算参考蒸散（ET₀），以CemaNeige-GR6J框架构建冷水区诊断水文模型，包含高程带雪过程、ERA5-Land雪状态约束、冻融调节、河冰阻水—解冻释放、春季混合雨雪事件库及相态—季节依赖的有效强迫校正，形成PHY参考模拟。用NSE（纳什—萨克利夫效率）、KGE（克林—古普塔效率）、RMSE（均方根误差）、MAE（平均绝对误差）和PBIAS（百分比偏差）评价。XGBoost（极端梯度提升）用于残差敏感性，采用年组外折（OOF）预测；并开展结构消融、局部再校准和残差分配蒙特卡洛敏感性分析。样本来源为盘古水文站协调月径流观测，1987—2015年核心评估期含336个有效月，2016—2024年34个有效月仅作辅助；气象强迫主要来自50136站。

研究结果：3.1 月度径流评估与残差敏感性框架。研究人员以1987—2015年月观测评价PHY，NSE、KGE和PBIAS分别为0.572、0.652和?1.66%，校准与独立验证表现可接受；XGB-Qcorr（残差校正闭合诊断）全拟合提高闭合度，但年组OOF预测未显示优于PHY的样本外技巧，故PHY作为历史推断和过程诊断基线，XGB仅用于总径流残差敏感性检验。

3.2 增暖增湿下模型推断的径流效率下降。1961—2024年年均气温、年降水和P_raw?ET₀分别以0.37 °C decade^?1、18.14 mm decade^?1和15.55 mm decade^?1增加，ET₀增加弱且不显著。PHY年径流无显著趋势，早期—近期由111.1变为108.1 mm yr^?1，变化?3.0 mm yr^?1，区间含零；但Q/P_raw（径流效率）由0.265显著降至0.228，比例响应差显著为负。60组年组XGB残差扰动中Q/P_raw变化中位数为?0.039且无符号反转，说明年尺度核心推断是降水—出口径流转换效率下降，而非增湿驱动年径流增加。

3.3 季节径流分配的模型推断方向性偏移。PHY显示AMJ（4—6月）径流由44.4降至39.6 mm season^?1，JASO（7—10月）仅由64.6变为65.8 mm season^?1；AMJ变化的bootstrap区间含零，但60组残差扰动均保持AMJ负向变化。f_AMJ由0.382降至0.361，f_JASO由0.598升至0.614，SRI（季节再分配指数）增加0.0369，C_Q（径流质心）后移1.89 d，但各自区间含零；残差扰动下符号保持。结论是较弱的AMJ释放和相对季节再分配，JASO贡献增加主要是相对的，而非绝对JASO径流明显增加。

3.4 雪状态变化与模型诊断的春季释放响应。PHY中AMJ有效降水和固、液态输入增加，但ERA5-Land显示AMJ SWE（雪水当量）由13.4降至9.3 mm，雪盖分数由33.5%降至23.2%；3月融雪增加而4—5月和AMJ总融雪减少，AMJ总融雪由14.14降至10.56 mm，PHY AMJ Melt由79.61降至42.04 mm。PHY诊断分解中AMJ Q_snow由13.8降至11.0 mm，Q_slow由24.7降至22.6 mm，Q_rain仅由3.9降至3.8 mm；Q_rain/Q_snow由0.28升至0.34，SAI（雪相关春季释放指数）由0.312降至0.278，局部行为集合均保持负变化。残差分配中Qsnow和Qslow中位变化分别为?3.99和?2.94 mm season^?1，Qrain略降。原文强调这些是模型核算诊断，不是物理来源证据，Q_rain/Q_snow增加主要反映Q_snow较低。

3.5 参数与结构敏感性及诊断通路分配不确定性。结构消融显示，移除SWE/雪盖约束、高程带雪过程、河冰调节或春季事件库会明显改变多年平均径流、AMJ/JASO分数和雪—冰诊断变量，而若干辅助快响应结构影响较小。20个参考结构局部行为成员均保持Q/P_raw、AMJ径流和f_AMJ负向变化；无高程带但有严格校准行为标准的4个替代仍保持负向。相反，25个无ERA5-Land雪状态同化且局部再校准的替代均反转主要历史方向，尽管验证技巧相近。残差分配敏感性表明，AMJ总径流下降仍主要分配给较低Q_snow和Q_slow，但分量份额对分配先验敏感，不能作为源分离。

讨论总结：原文指出，Q/P_raw下降是雪状态约束模型内的条件性推断，不是观测到的长期径流下降、量化物理损失或独立机器学习确证；有效强迫校正和雪状态调整使Q/P_raw不构成闭合物理输入预算，净雪状态调整由+12.6变为?53.1 mm yr^?1，其意义是外部雪状态调整不可忽略。季节上，较弱的AMJ释放比JASO显著增加更符合模型诊断；SAI下降、SWE和雪盖减少及融雪时序变化支持春季释放减弱的方向，但移除ERA5-Land雪状态约束会反转，故不能视为已确立机制，也不能简化为雪转雨替代。通路层面，Q_rain、Q_snow、Q_slow和Q_ice,reg是模型诊断核算类别，不是物理来源或示踪源分数；残差分配仅检验分量方向敏感性。局限包括单站50136约433 m强迫覆盖238—1382 m流域、降水高程依赖和雨雪划分约束弱、2016年后有效月仅34个且集中于暖季、MODIS仅校验雪盖时序而不验证SWE或融雪绝对量、冻融和河冰及慢储水释放被概念化。方法启示是数据稀缺冷水区应采用分层证据链：协调观测尺度、核心评价期、物理模型诊断、年组OOF残差扰动、结构消融和分配不确定性，以区分参考结构内方向稳定性、结构依赖推断和非唯一通路分配。

研究结论翻译：以数据稀缺的盘古河流域为案例，研究人员将协调月径流观测与冷水区过程诊断模型相结合，并对总径流残差、参数、结构和通路分配敏感性开展针对性检验。在雪状态约束参考结构内，核心结果是增暖增湿下模型推断的历史降水—出口径流转换效率下降，并伴随春季释放减弱的方向性倾向，而非年径流成比例增加。1961—1990年至1995—2024年，年降水增加53.7 mm，而PHY年径流仅变化?3.0 mm，Q/P_raw下降0.036。PHY AMJ径流呈4.8 mm的方向性下降，模型诊断分解中SAI低0.034；JASO份额增加主要是相对的。AMJ径流、季节分数、SRI和C_Q的bootstrap区间含零；其方向在总径流残差扰动下持续，但不是统计确立的季节变化。该推断具有明确不确定性边界：径流效率和春季释放方向在参考结构局部参数等优性下稳定，移除高程带不反转；但移除ERA5-Land雪状态同化约束即使经局部参数补偿也反转关键历史方向，故较弱雪支持春季释放解释是条件性的，不是已确立气候机制。径流效率对比依赖有效强迫和雪状态调整，不能识别额外降水去向；Q_rain、Q_snow、Q_slow和Q_ice,reg仍是模型核算类别而非物理来源证据，残差分配实验检验敏感性而非独立源分离。总体上，盘古河参考模拟说明较强水文气候输入可与较低径流效率和较弱春季释放的方向性倾向同时出现；对数据稀缺高纬山区流域，气候变化评估应区分观测强迫变化与模型推断径流响应，并明确检验推断方向对总径流残差、参数等优性和模型结构的敏感性。