在非稳定条件下，利用改进的Budyko框架对黄河流域季节性径流变化进行定量归因分析

《Journal of Hydrology》：Quantitative attribution of seasonal runoff variations in the Yellow River Basin under unsteady conditions using a modified Budyko framework

　　王俊杰|池云宁|张少雄|史冰|张丽婷|杜晨军|李鑫|李宝琪|杨立勤|黄磊|段电|邱凯阳|何盼星
教育部道路与铁路工程安全控制重点实验室，石家庄铁道大学，中国石家庄050043

**摘要**
气候变化和流域特性的变化正在多个尺度上重塑全球的水文过程，导致从稳态向非稳态的转变。传统的Budyko框架通常依赖于稳态假设，并忽略了陆地水储量的变化，因此在更细的时间尺度上表现出明显的局限性。因此，通过整合改进的Budyko框架（包含用于流域特性的参数λ和用于陆地水储量动态净效应的y0）、随机森林（Random Forest）以及CNN-LSTM-Attention神经网络，开发了一种新的径流弹性归因模型。然后，该模型揭示了1960-2020年间黄河流域季节性径流变化的空间差异。结果表明，CNN-LSTM-Attention模型能够有效解释参数λ和y0，模拟值与校准值之间的决定系数（R2）超过0.9。降水和陆地水储量对径流具有正向控制作用，而潜在蒸散量和下垫面变化则抑制径流产生。在黄河流域的源头地区，气候因素（降水和潜在蒸散量）对总体径流变化的贡献率为33.9%。下垫面变化对径流的影响沿下游方向逐渐增加，在上游、中游和下游分别占变化的68.6%、80.0%和87.6%。干旱地区的季节性径流对陆地水储量动态的净效应更为敏感，在上游黄河地区占径流变化的9.0%。本研究提供了一种新的方法框架，用于在不断变化的环境条件下诊断归因和适应性管理流域水资源。

**引言**
河流径流的动态过程是陆地物质和能量循环的关键组成部分，对塑造流域地貌和生态系统结构演变具有重要影响（Hu等人，2020年；Xu等人，2025b年；Zhou等人，2023年）。径流变化受多种控制因素的影响，并由多个领域、变量和尺度上的耦合过程驱动（Nalley等人，2019年）。全球变暖加剧了水文循环，增加了极端气候事件的频率、强度和持续时间（Rodell和Li，2023年；Zhou等人，2024a年）。人类活动的加速，如土壤和水资源保护措施、水利工程建设以及农业灌溉，显著改变了流域表面条件（Li等人，2025a年；Xu等人，2025b年）。这些复杂和非线性的动态对陆地-大气相互作用和地表径流生成过程产生了广泛影响，导致多尺度水资源的时空动态变化显著（Liu等人，2026年）。因此，在变化的环境中检测和归因不同时空尺度上的径流变化已成为地球系统科学的一个国际前沿问题（Dai等人，2023年）。
径流动态过程受到多种环境因素的协同调节，如气候（例如降水和蒸发）和下垫面（例如植被特征、土壤特性）条件（Tian等人，2018年；Wang等人，2013年）。在全球变暖和人类活动加剧的共同作用下，气候变化和表面条件的变化，特别是多种驱动因素之间的相互作用，对黄河流域的径流变异性产生了深远影响（Wang等人，2021年）。气候变量通常表现出强烈的空间异质性，在决定径流生成、分布和传输模式中起着重要作用。许多研究表明，在过去半个世纪中，黄河流域的气候模式和表面条件发生了显著变化（Wang等人，2022b年；Wang等人，2025c年）。降水、温度、植被覆盖、土壤特性和地貌环境的变化共同改变了黄河流域内径流生成的内在机制（Yang等人，2022年）。在复杂且不稳定的环境条件下，定量分离各种气候和表面因素对径流变化的贡献，并识别其空间异质性归因机制，对于水资源管理、流域生态保护和可持续区域发展至关重要。

**现有径流归因方法**
现有的径流归因方法可以分为统计物理方法、基于物理原理的水文模型以及弹性系数方法或敏感性方法（Liu等人，2024a年；Mo等人，2024年；Zhou等人，2024c年）。这些方法在优势和局限性方面存在显著差异，每种方法都为不同时空尺度上的径流归因提供了有价值的见解（Wang等人，2024年）。通常，统计物理方法在归因分析中表示径流生成机制的能力较弱。尽管它们可以有效地建立河流径流与不同控制因素之间的逻辑关系，但可能导致决定系数较高，但缺乏明确的物理联系（Wu等人，2019年；Zhou等人，2023年）。基于明确物理过程的水文模型由于具有相对完整的物理、数学和水动力基础，能够系统地描述河流径流生成过程及其与气候和下垫面因素的相互作用（Hu等人，2020年；Liu等人，2024b年）。然而，它们面临结构复杂性和参数复杂性高、不确定性大以及对数据数量和质量要求高的挑战，特别是对于分布式水文模型（Zhou等人，2024b年）。因此，基于物理的水文模型在应用于大规模流域的径流模拟时计算效率低且耗时较长（Song等人，2015年）。值得注意的是，弹性系数方法具有明确的计算程序、明确的物理意义、易于获得的参数以及相对简单的计算，使其成为年度和多年时间尺度上河流径流归因的实用可靠方法（Cheng等人，2023年；Han等人，2023年）。
基于Budyko假设的弹性方法是研究水文-气候依赖性的主要理论框架，已被广泛用于理解水文过程、地表变化和气候变异性之间的耦合关系（Cheng等人，2023年；Han等人，2023年）。其核心概念是通过Budyko水-能量平衡方程建立气候、植被和水循环之间的物理联系，并通过差分公式推导出弹性系数，以量化径流对气候和下垫面因素的敏感性（Cheng等人，2023年；Han等人，2023年）。此外，这些弹性系数用于分离下垫面条件和气候变化对径流变化的相对贡献（Ni等人，2022年；Wang等人，2022a年）。然而，传统的Budyko框架通常使用长期平均气候条件描述流域特性，这限制了其在时间和空间尺度上的适用性（Han等人，2023年；Peng等人，2025年）。因此，它主要适用于气候和下垫面条件相对稳定的地区或时期，从而无法有效表示非稳态条件下的多尺度水文变化（Yao等人，2020年）。特别是，在非稳态气候条件下，水的可用性不仅受降水控制，还受陆地水储量变化的影响（Gan等人，2021年）。随着时间尺度的减小，陆地水储量变化对水平衡的影响逐渐增加，进而降低了Budyko水热耦合平衡方程的模拟精度（Gan等人，2021年）。

**研究区域**
黄河流域（东经95°53′–119°05′，北纬32°10′–41°50′）起源于巴颜哈拉山脉，面积约为795,000平方公里，地形从西向东逐渐降低（图1a）（Wang等人，2022b年）。该流域具有大陆性气候特征，从东南部的半湿润条件向西北部的干旱条件逐渐过渡，同时具有多样的地形和复杂的生境类型（Wang等人，2025c年）。植被覆盖率和降水量普遍较高。

**参数λ的关键因素识别**
参数λ对各种控制变量的响应存在空间异质性，流域内不同环境变量之间可能存在多重共线性。这里应用了逐步变量消除程序进行多轮多重共线性诊断。表2显示了不同类型控制变量的诊断结果及其方差膨胀因子（VIF）。观察到，在第五轮诊断后，VIF值有所降低。

**流域尺度上的径流归因空间异质性**
基于新的径流弹性归因模型，本研究揭示了黄河流域径流变化的显著空间异质性。黄河流域从青藏高原延伸至华北平原，气候和下垫面条件表现出明显的空间异质性（Ni等人，2022年；Wang等人，2025b年）。同时，气候变异性导致了降水模式和陆地水循环的显著变化。

**结论**
本研究提出了一种新的径流弹性归因方法，用于非稳态条件，通过整合改进的Budyko框架与随机森林和CNN-LSTM-Attention模型。然后，该框架被应用于归因和分离黄河流域不同气候区的季节性径流变化。主要发现总结如下：
（1）随机森林识别出SAI和降水量分别为参数λ和y0的关键因素。未引用的参考文献：Li等人，2013a；Li等人，2013b；Liang等人，2013a；Liang等人，2013b。

作者贡献声明：
王俊杰：撰写——初稿；软件开发；研究设计；资金获取；概念构建。
池云宁：撰写——审稿与编辑；撰写——初稿；软件开发。
张少雄：撰写——审稿与编辑；资金获取。
史冰：撰写——审稿与编辑；软件开发；资金获取；数据管理。
张丽婷：撰写——审稿与编辑。
杜晨军：撰写——审稿与编辑。
李欣：撰写——审稿与编辑。
李宝琪：撰写——审稿与编辑。
杨立勤：

利益冲突声明：
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系，这些关系可能会影响本文的研究结果。

致谢：
本研究得到了甘肃省生态文明专项研发计划（24YFFA009）、河北省自然科学基金（E2025210047）、中国博士后科学基金（2025M782565）、河北省中央政府引导的地方科技发展基金项目（254Z5401G、236Z5405G）以及国家重点研发计划（2022YFC3204301、2022YFC2601100）的财政支持。