融雪的去向：全球划分为径流与蒸发

《Water Resources Research》：The Fate of Snowmelt: Global Partitioning Into Runoff and Evaporation

　　

融雪是全球水循环的一个关键组成部分，是生态系统和人类社会的重要淡水来源。然而，融雪在全球范围内划分为径流和蒸发的过程仍未被充分量化。研究人员利用一个基于过程的水文模型（FLEX-Global），该模型由1980年至2014年的气象数据驱动，并经过观测的径流和雪水当量（SWE）验证，对全球融雪划分进行了全面评估。模型结果得到了另外两种方法的独立支持：经验划分方程和来自三个全球水文模型的反向估计。研究人员表明，全球（不包括南极和格陵兰）53%–71%的融雪形成径流，而29%–47%贡献给蒸发。融雪划分表现出明显的纬度和气候模式：融雪对径流和蒸发的贡献都随纬度增加而增加。在寒冷湿润的高纬度地区，超过60%的融雪成为径流，而在中纬度干旱地区，63%–91%通过陆地生态系统以蒸发的形式释放。海拔进一步调节了中纬度山区的雪水文学，在这些地区，融雪产生了58%–74%的总径流和51%–66%的总蒸发，显著高于低海拔地区的贡献。传统的融雪径流定义（降雪/总径流）估计降雪占总径流的38%，而研究人员的融雪划分方法（融雪径流/总径流）得出的贡献要低得多，为11%–18%。研究结果强调了融雪在维持淡水供应和支持植被水分需求方面的双重作用，重新定义了其在全球水循环和相关生态系统服务中的重要性。

**研究背景与问题**
融雪是全球水循环的关键组成部分，为生态系统和人类社会提供重要的淡水资源。然而，以往研究多聚焦于降雨-径流过程，对融雪在径流与蒸发之间的划分——一个核心水文过程——关注不足，导致理解上的关键空白。传统定义（降雪/总径流）隐含假设所有降雪均转化为径流，忽略了融雪入渗根区后支持植被蒸发的生态水文路径。为解决这一局限，研究人员替代了“组分”视角，引入“贡献”视角，旨在明确量化融雪的实际去向。

**研究内容与意义**
研究人员利用基于过程的概念性水文模型FLEX-Global（一种分布式概念性水文模型），以1980–2014年气象数据为驱动，模拟了全球（不含南极和格陵兰）融雪划分，并用实测径流和雪水当量（SWE）验证模型，同时采用经验入渗方程和三个全球水文模型（H08、HydroPy、WaterGAP2）的反向估计进行独立验证。研究得出全球53%–71%的融雪形成径流，29%–47%贡献蒸发，揭示了融雪在高纬度地区主要补给径流、在干旱区主要支持蒸发的空间格局，并指出传统定义高估了融雪对径流的贡献。该研究发表在《Water Resources Research》，首次提供全球尺度的融雪划分估计，为理解融雪在水资源与生态系统中的双重角色奠定基础。

**关键技术方法**
研究采用FLEX-Global模型，包含雪模块（基于温度阈值和度日因子（degree-day factor）计算融雪）、拦截模块（基于叶面积指数（LAI）和潜在蒸散发（Ep））和根区模块（利用HAND（高度距最近排水网）为基础的储水容量曲线（HSC）和质配曲线技术（MCT）确定根区储水容量（SRmax））。模型由四个CMIP6（耦合模式比较计划第六阶段）全球气候模型（GCMs：GFDL-ESM4、MPI-ESM1-2-HR、MRI-ESM2-0、UKESM1-0-LL）的偏差校正后数据驱动，空间分辨率0.5°×0.5°，共81种参数组合与4套GCM输入，进行324次模拟以量化不确定性。验证数据来自全球径流数据库（GRDC）22个大型流域和SNOTEL（雪水当量遥测网络）15个站点的SWE观测。独立验证方法包括：经验入渗方程（Granger等，1984）和基于ISIMIP（跨部门影响模型比较计划）三个模型（H08、HydroPy、WaterGAP2）的反向估计。

**研究结果**
**3.1 模型性能**
- **3.1.1 径流验证**：将FLEX-Global模拟的月均径流与GRDC 22个大型流域实测数据对比，平均Kling-Gupta效率（KGE）系数为0.57，与其他全球水文模型表现相当，表明模型能可靠模拟径流。
- **3.1.2 雪水当量验证**：将模拟的SWE与SNOTEL 15个站点实测数据对比，平均KGE为0.45，模型成功捕获了SWE的季节变异性，尽管高海拔站点存在冷湿偏差导致模拟值偏低。
- **3.1.3 蒸发比例验证**：通过计算FLEX-Global模型与两种独立方法（经验入渗方程和反向估计）所得融雪蒸发比例（β_E）的绝对差异（AD），反向估计法AD通常低于0.4，经验方程法AD低于0.6，验证了模型划分的合理性。

**3.2 融雪划分为径流与蒸发的全球空间格局**
基于FLEX-Global 324次模拟的长期平均结果，融雪径流比例（β_Q）为62%–69%，平均值65%（5,381 km³ yr^-1）；融雪蒸发比例（β_E）为31%–38%，平均值35%（2,847 km³ yr^-1）。两种独立方法得出β_Q为53%–71%，β_E为29%–47%，进一步验证了FLEX-Global结果。空间格局上，β_Q随纬度升高而增加，高纬度冷湿区（Df、Ds、ET气候带）超过60%融雪形成径流；而干旱中纬度区（BW、BS、Cw、Dw气候带）β_E达63%–91%，融雪主要支持生态系统蒸发。海拔也起调节作用：中纬度高山区（如落基山、喜马拉雅）β_Q为62%–69%，显著高于低海拔区（23%–56%）。南半球安第斯山脉中部和南部、巴塔哥尼亚高原因干旱气候，β_E超过60%。流域分析显示，黄河、密西西比河、科罗拉多河流域融雪蒸发贡献突出，其中黄河71%–85%融雪用于蒸发，反映生态系统水分胁迫。月际分析表明，春季（1–5月）融雪主要用于蒸发，支持植被生长；夏季后高纬度地区β_Q上升。

**3.3 融雪来源径流与蒸发在总径流和总蒸发中的比例**
全球融雪来源径流占总径流比例（γ_Q）为11%–18%，融雪来源蒸发占总蒸发比例（γ_E）为4%–8%，两者均随纬度升高而增加。中纬度高山区γ_Q达58%–74%，γ_E达51%–66%，显著高于低海拔区的22%–30%和26%–35%，凸显融雪在山区水文和生态中的关键作用。

**3.4 新定义与传统定义的比较**
传统定义（降雪/总径流，π_Q）的全球面积加权均值为38%，远高于新定义的γ_Q（11%–18%），表明传统方法严重高估融雪对径流的贡献，尤其在半干旱和干旱地区（如中亚、中国西北、美国西南部）以及俄罗斯东部冷干区，高估偏差最大。

**讨论与结论**
讨论部分指出，传统定义以径流为起点，忽略融雪对蒸发的贡献；而本研究采用过程模型，将融雪划分为蓝水（径流）和绿水（蒸发），建立了水文与生态过程的连接。研究结果与以往流域尺度研究（如Hubbard Brook Watershed、青藏高原）一致，验证了模型可靠性。不确定性主要来源于输入数据（高海拔降水低估、温度冷偏差）和方法学限制（度日因子法忽略升华、融雪与降雨采用相同划分机制、忽略冻土），但简化假设对主要空间格局影响有限。未来气候变化下，降雪减少可能降低径流、增加蒸发，但降雨增强和雨雪混合事件可能部分抵消，需进一步研究。
结论部分翻译：本研究提出融雪贡献的新视角：汇入河流的融雪定义为蓝水，入渗根区并支持植被蒸发的部分定义为绿水。利用FLEX-Global模型模拟1980–2014年全球融雪划分，并用实测径流、SWE、经验方程和三个ISIMIP模型反向估计验证。结果显示，全球53%–71%融雪形成径流（平均65%，5,381 km³ yr^-1），29%–47%贡献蒸发（平均35%，2,847 km³ yr^-1）。融雪径流比例随纬度和海拔升高而增加，干旱区融雪蒸发比例高达63%–91%，为脆弱生态系统提供关键水源。融雪来源径流占总径流11%–18%，融雪来源蒸发占总蒸发4%–8%，两者均随纬度增加。山区融雪贡献显著更高（γ_Q 58%–74%，γ_E 51%–66%），而传统定义（38%）高估了融雪径流。本研究首次提供全球尺度融雪划分估计，为未来融雪资源管理与气候变化研究奠定基础。