全球气候和流域下垫面变化正在显著影响世界各地流域水文过程，改变水资源的时空分布格局。Budyko模式是目前国际上主流的水文-气候-依赖关系理论框架。经典Budyko模式采用多年平均状态的气候干旱指数、流域特征参数和水文通量均值描述流域状态，假设流域蒸散量与径流量之和等于降水量。在此基础上，以往的研究者提出了气候水文弹性框架，用弹性系数表征径流对干旱指数和流域下垫面变化的响应。这种量化框架只适用于气候和流域下垫面阶段性稳定的条件，即从一种稳定态跃进到另一种稳定态的变化，尚不能揭示非稳定变化过程中的流域状态。稳态假设制约了Budyko模式在预测流域水文气候响应方面的有效性，如何对此加以改进是国际上关注的热点问题。

       针对上述科学问题，我校水资源与环境学院韩鹏飞讲师与万力教授、王旭升教授以及美国北卡罗来纳州立大学、美国西北太平洋国家实验室的科学家联合开展研究，引入流域水储量变化和有效降水概念，改进Budyko模式并使用一个特定参数表征流域下垫面属性，推导出非稳定状态流域水文弹性系数的解析公式，将径流和实际蒸散发变化的弹性系数都表示为干旱指数、水储量变化和流域特征参数的联合函数（图1）。研究团队进一步使用改进的HyMOD流域水文模型（图2）模拟了美国78个湿润流域1979-2015年逐日的水文过程，得到逐年变化的非稳态流域水文通量数据，为本研究提出的弹性公式提供了验证数据（图3）。研究亮点如下：

       1、 流域水储量年际增量的比率（可正可负）与干旱指数之间具有显著的线性负相关关系（图1）；

       2、 流域径流量的弹性主要受流域下垫面特征控制，流域蒸散发的弹性由气候条件和流域下垫面特征共同控制（图4）；

       3、 传统的稳态假设低估了非稳定状态不同流域之间弹性系数的差异，而且非稳定状态的水文弹性对流域下垫面的变化更加敏感（图5）；

       4、 采用弹性系数的幂指数模型对流域径流的年际变化特征进行分析，进一步验证了非稳定状态水文弹性解析公式的有效性；

       5、 该方法可以进一步拓展用于研究跨流域地下水循环对流域水文弹性的影响。

图1 非稳定状态流域水文弹性系数解析框架

图2 改进的HyMOD流域水文模型概念结构

图3 美国78个流域年径流弹性系数空间分布

图4 非稳定状态流域水文弹性系数的控制因素识别

图5 美国78个流域稳态和非稳态状态下径流弹性系数对比

       该项研究从理论上解释了气候和流域下垫面条件变化所产生的流域水文非稳定状态变化机理，并提出有效的量化方法，为评估气候变化和人类活动对区域水资源的联合影响提供了重要科学依据。

       上述成果发表于国际水资源研究顶级期刊《Water Resources Research》上，Han, P. F., Sankarasubramanian, A., Wang, X. S.*, Wan, L., & Yao, L. L. (2023). One-Parameter Analytical Derivation in Modified Budyko Framework for Unsteady-State Streamflow Elasticity in Humid Catchments. Water Resources Research, 59:1-25. DOI: 10.1029/2023WR034725. [IF2022=5.4].

       附件：https://doi.org/10.1029/2023WR034725