《Journal of Environmental Management》：Quantifying the impact of snowfall and snow cover on runoff in the Tibetan plateau using a modified Budyko framework
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青藏高原降雪比率（SR）与积雪覆盖分数（FSC）的拮抗效应对径流影响研究。基于改进的Budyko框架，揭示SR下降（南方/中部-7.22mm·yr?1，?p?<0.01）抑制径流17%-44%，而FSC下降加速融化（+4%-10%）的耦合机制，解释21%-54%径流变异，传统模型低估率达50%以上。
袁慧瑜|杨松林|张安然|雷恒|李广辉
中国黄河水利技术大学水利工程学院，开封
摘要 气候变暖减少了青藏高原（TP）的降雪量和积雪覆盖面积，但对其对径流影响的定量评估仍然有限。本研究开发了一种新的Budyko框架，将降雪比（SR）和积雪覆盖分数（FSC）结合起来，以量化它们对青藏高原径流的先前未被量化的拮抗效应。主要创新点包括：（1）物理过程的耦合明确考虑了降雪的蒸发限制和融雪的能量优先级。（2）不同区域的响应存在显著差异，南部/中部流域的降雪比显著下降（最大减少7.22毫米/年，?p?<0.01），而东北部流域则增加（增加2.59毫米/年），导致整个流域的降雪比减少了17.0%。（3）该模型的性能优于传统Budyko模型，Nash-Sutcliffe效率（NSE）值在0.70~0.87之间，而传统模型的NSE值在0.22~0.53之间，同时误差减少了68%~82%。（4）拮抗效应表明，降雪比的减少通过增强积雪保持能力使径流减少了17%~44%，而积雪覆盖分数的减少则通过加速融雪使径流增加了4%~10%。总体而言，这些过程解释了径流变异性的21%~54%，而传统模型系统性地低估了这一比例。这一机制框架显著提高了以降雪为主的流域的径流预测能力，有助于评估气候变化下亚洲“水塔”的水资源安全。
引言 在过去半个世纪中，全球变暖深刻改变了水文循环，作为“亚洲水塔”的青藏高原（TP）经历了更为显著的变化（IPCC，2023）。自1980年以来，TP的积雪覆盖面积减少了50%以上，对其主要河流流域的径流生成产生了显著影响（Che等人，2019；Huang等人，2017）。重要的是，降雪量和积雪覆盖面积通过拮抗机制调节径流：高降雪比（SR）增强了水分储存能力，而积雪覆盖分数（FSC）的减少通过反照率反馈加速了融雪（Dunne和Black，1971；Zhang等人，2015）。先前的研究报道了TP上SR和FSC趋势的强烈空间异质性。例如，在2004-2020年间，南部流域的降雪量减少了约7.22毫米/年（?p?<0.01），而东北部地区增加了2.59毫米/年，整个流域的降雪比平均减少了约17.0%（Liu等人，2023；Zheng等人，2021）。同时，低海拔地区的FSC减少了3.5%~6.8%，主要是由于温度升高（Dai等人，2024；Liu等人，2023）。这些记录的模式提供了必要的背景，但系统地定量评估这些变化的SR和FSC如何共同影响主要TP流域的径流仍然缺乏。这些冰冻圈变化威胁着下游超过20亿人口的水资源稳定性，然而对其对径流影响的定量评估仍然有限，阻碍了气候变化下水资源安全的预测（Nan等人，2025）。
Budyko框架为分析流域尺度的水-能量分配提供了坚实的基础（Milly，1994；Yang等人，2007）。研究已经将其扩展到包括植被动态（Donohue等人，2007）、地形（Xu等人，2013）和气候季节性（Yokoo等人，2008）。值得注意的是，Zhang等人（2015）证明高SR通过增强积雪中的水分保持能力减少了年径流，而Saydi等人（2020）强调了高山和干旱地区对降水形式的径流敏感性差异。然而，Budyko框架在寒冷地区水文学中的应用仍受到两个关键缺点的限制：首先，传统公式将降水视为均匀输入，忽略了降雨和降雪之间的关键区别。尽管Zhang等人（2015）纳入了降雪比（SR）以展示其抑制径流的效果，但他们的方法没有考虑积雪覆盖分数（FSC）在表面能量分配中的动态作用。其次，尽管遥感研究记录了FSC的普遍减少及其与反照率反馈的关联（Huang等人，2017），但将这一能量调节过程机制化、定量地整合到流域尺度的水-能量平衡模型中仍然缺乏。此外，观察到的SR和FSC趋势的空间异质性提出了一个基本问题：它们结合的潜在拮抗效应如何在不同的TP流域中机制性地调节径流生成？解决这一知识空白对于气候变化下的可靠水资源预测至关重要。
为了填补这些空白，本研究通过以下方式建立了一个整合冰冻圈的Budyko框架：（1）物理耦合SR和FSC，以表示降雪的蒸发限制和融雪的能量优先级；（2）量化跨越高海拔（>5000米）自然区域和低海拔人类改造区域的六个TP流域的空间差异径流响应；（3）使用气候弹性系数将径流变化归因于耦合的雪-气候驱动因素，解决传统模型中的系统偏差。这里开发的SR-FSC耦合Budyko框架是首次尝试在流域尺度的水-能量平衡背景下同时量化拮抗的“水分储存”（通过SR）和“融雪加速”（通过FSC）效应的物理机制和相对贡献。这解决了传统模型系统性地低估冰冻圈对径流影响的关键问题。我们的框架为差异化的水资源安全风险评估（例如，高海拔地区的枯季基流减少与低海拔地区融雪洪水风险增加）和“亚洲水塔”的适应性管理策略制定提供了定量科学基础。
研究区域 青藏高原平均海拔超过4000米，是中国几条主要河流的源头地区，包括雅鲁藏布江、怒江、长江、澜沧江和黄河。如图1所示，本研究选择了青藏高原上的六个主要流域：拉萨河流域（LASA）、尼洋楚河流域（NCR）、那曲河流域（NQ）、长江源头（LR）、澜沧江源头（LCR）和黄河源头（YR）。
降水数据 中国气象强迫数据v2.0（CMFD）（He等人，2024c）是一个高精度、高分辨率的长期数据集产品，用于中国陆地、水文和生态领域的研究。它包括近地面空气温度、气压、湿度、风速、辐射和降水数据，时间分辨率为3小时，水平空间分辨率为0.1度，覆盖了70年（1951-2020年）。该数据基于全球气候和环境分析数据开发而来。统计方法 使用Mann-Kendall非参数检验（Kendall，1948；Mann，1945）识别降雪量和FSC时间序列的趋势和突变。?p?<0.05表示在0.05水平上显著，??p?<0.01表示在0.01水平上显著。降水类型分类：根据湿球温度（
T w ）对降水进行分类（Ding等人，2014）：
降雪量的年际变化趋势 图2显示，2011年后LASA的降雪异常量急剧下降（?7.22毫米/年，?p?<0.01），与LR的正趋势（+2.59毫米/年）形成对比（IPCC，2023）。从2004年到2020年，流域平均降雪比显著下降（?17.0%）。这种下降表现为突变，南部/中部流域（LASA、NCR、LCR、NQ）的下降更早且更明显（范围从?10.5%到?28.2%，所有?p?<0.01）。
讨论 本研究建立了第一个整合降雪比（SR）和积雪覆盖分数（FSC）的Budyko框架，量化了它们在青藏高原（TP）径流生成中的拮抗效应。我们的发现表明，忽视冰冻圈耦合会导致解释的径流变异性被系统性地低估21%~54%——这是传统水文模型中的一个关键缺口。本研究与理解复杂耦合的更广泛科学努力相一致。
结论 本研究通过在Budyko假设中结合降雪比（SR）和积雪覆盖分数（FSC）开发了一个整合冰冻圈的水文框架。应用于2004-2020年青藏高原（TP）的六个主要流域，这种方法定量解决了长期以来被忽视的降雪和积雪覆盖动态变化及其对径流的综合影响。主要结论如下。
（1） 降雪与径流的拮抗效应的量化
CRediT作者贡献声明 袁慧瑜： 撰写——原始草案、方法论、概念化。杨松林： 正式分析、数据管理。张安然： 可视化、验证。雷恒： 监督、调查。李广辉： 软件、资源。
利益冲突声明 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 本工作得到了河南省高等教育机构
重点研究项目 的支持：
多源水资源转移对河南省干旱过程和机制的影响 （编号25A170020）和
河南省水利科学技术突破项目（2023年） （编号GG202337）。
