量化水文加速过程：基于过程的框架及其在干旱地区的应用

《Journal of Hydrology》：Quantifying hydrological acceleration: A process-based framework and its application in arid regions

　　邢明浩|张静静|慈梦涛|孙帆|梁启翔|徐金帆|范雪
中国科学院新疆生态与地理研究所干旱地区生态安全与可持续发展国家重点实验室，乌鲁木齐830011，中国

**摘要**
全球变暖正在加速全球水文循环，然而当前的评估方法仍然受到静态水分平衡的束缚，这些方法忽略了动态通量速率，导致见解片面。为了解决这一差距，我们提出了一种新的“水文变化率”（RHC）指数，该指数系统地量化了中国西北部干旱内陆河流流域的水文加速情况。通过整合多源观测数据、模型和再分析数据，我们的方法提供了对大气-径流系统的统一视角，包括水相变化。结果表明，区域水循环加速是一致的。基于过程变量的指标（如冰川质量损失+58.36%和蒸散量+26.83%）显示出比基于状态变量的指标更明显的增加，反映了加速水文循环中相变过程的更强响应。基于状态变量的空间加权水文变化率为22.58%，基于过程指标的为25.61%，在不同山区系统之间存在明显的空间梯度。冰川融化和降水-径流转化被认为是加速的主要驱动力。大尺度气候强迫，特别是大气环流模式和海洋-大气相互作用，主导了水文变异性，解释了73%至80%的方差，显著超过了局部气候因素和人类活动的影响。因果循环分析进一步揭示了水文循环加速与干旱子系统之间的双向反馈机制，表明过程变量的加剧放大了气象干旱，同时缓解了水文干旱。我们的研究为干旱地区的水文循环加剧提供了系统和基于机制的视角。RHC框架为诊断气候变化对水文的复杂响应提供了一种可转移的方法，强调了未来水资源脆弱性评估中基于过程指标的必要性。

**引言**
全球变暖显著加速了全球水文循环，这一现象在多个维度上都得到了有力证明：大气持水能力增加（与克劳修斯-克拉佩龙关系一致（Li等人，2024b）；海洋蒸发加剧（Durack等人，2012；Mulvey等人，2024）；降水模式的空间差异性增强（遵循“干燥地区变得更干燥，湿润地区变得更湿润”的规律（Michaeli等人，2025；Trancoso等人，2024）；以及陆地水文过程的变异性增加（Wang等人，2024；Wang等人，2023b）。研究表明，内部气候变异性，特别是大气环流的变化，在调节全球水文循环的强度和空间异质性方面起着根本性作用（Gu等人，2025；Pokhrel等人，2021；Yang等人，2017）。例如，北太平洋环流振荡（NPGO）或中太平洋厄尔尼诺-南方涛动（CP-ENSO）的负相位事件会加剧东赤道太平洋的水文活动，同时减少印度尼西亚附近的降水量。同时，哈德莱环流进一步增强了亚热带地区的下沉气流，从而抑制了区域水文（Chen等人，2014）。环流变异性的影响具有明显的区域和时间依赖性。在塔里木河流域，太平洋十年涛动（PDO）在2006-2009年间与陆地水分储存异常（TWSA）呈正相关（r=0.58），但在2010-2015年间变为负相关（r=-0.56），而ENSO在2002-2005年间仅显示出弱负相关（r=-0.25）。这些振荡的相位转变引发了极端事件，包括2009年的干旱和2010年的洪水（Yang等人，2017）。ENSO还被证明会加剧加利福尼亚的水文极端事件，增加了干旱和洪水的频率（Yoon等人，2015）。在欧洲，冬季NAO的正相位使地中海地区的淡水赤字从1948年到1998年增加了24%（Guo和Tan，2018），并导致了波罗的海地区的年际径流变化（Boulahia等人，2022）。陆地-海洋相互作用进一步调节了水文响应。冬季NAO的正相位与地中海降水量减少和蒸发量增加相关，导致黑海径流显著负相关（r=-0.47，García-García等人，2022）。热带地区的相互作用尤为明显：强烈的拉尼娜事件扰乱了大气环流，在秘鲁亚马逊地区滞留水分，引发了快速的干旱-洪水转换（Espinoza等人，2012）。在全球变暖背景下，环流驱动的变化导致在RCP6.0情景下全球67%的陆地面积出现陆地水分储存减少，符合“湿润地区变得更湿润，干燥地区变得更干燥”的模式（Tabari，2020）。同时，积雪融化的减少降低了干旱季节的水资源供应，增加了水资源短缺的风险（Gu等人，2025）。干旱内陆流域对这些变化表现出更高的敏感性。变暖加速了冰川消融，导致塔里木盆地的冰川面积和体积分别减少了14.7%和14.4%（Liu等人，2006）。河流流量的短期增加掩盖了长期脆弱性，例如亚尔坎特盆地（1957-2017年）观测到的流量增加了2.15×10^8立方米/十年，其中大部分归因于冰川融化（Zhang等人，2016b）。在SSP5-8.5情景下，预计到2100年亚尔坎特和玉龙喀什盆地的冰川体积将降至当前水平的20%以下（Liu等人，2024），面临不可逆的“冰川赤字”和长期径流减少的风险（Liu等人，2024；Liu等人，2006）。

与此同时，人类活动显著改变了自然水文过程。运河衬砌项目大大减少了地下水补给；在黑河盆地，此类干预措施使山前渗漏减少，导致中游河道泄漏量从历史平均水平的47.9亿立方米/年急剧下降到当前的低水平，损害了地下水补给并扰乱了径流系统（Li等人，2018）。同时，过度开采地下水加剧了水文失衡。过去50年中，全球地下水抽取量增加了十倍，导致含水层枯竭和其他连锁效应（Kuang等人，2024）。在干旱地区，过度抽水使地下水与地表水分离，导致响应时间长达数千年，影响基本不可逆（Cuthbert等人，2019）。来自印度和北美的证据表明，抽水破坏了地表水与地下水的相互作用，导致气象干旱和地下水干旱之间的负相关，如美国、墨西哥和沙特阿拉伯等国家所记录的那样，并增加了径流变异性（Liu等人，2023）。在印度的瓦马纳普拉姆河流域，由于过度开采，井涌水量从200升/分钟下降到50升/分钟（Arulbalaji等人，2019）。尽管人类活动占全球河流流量的的一半，但大多数水文模型忽略了人为影响（Abbott等人，2019）。最近的研究还揭示了植被与水文的强烈反馈。水文变化推动了绿化趋势：在塔里木河流域，90.1%的面积在2000-2022年间NDVI显著增加（0.032/十年），这与降水量相关（r=0.452，Jin等人，2024）。在下游黑河盆地，每增加1毫米降水量，沙漠植被覆盖率增加0.017%（Wang等人，2014）。相反，绿化增强了蒸散作用，改变了局部水循环。在咸海盆地，水文减少导致NDVI降低和反照率增加，抑制了降雨（Ma等人，2021）。在中国西北部的新疆地区，植被引起的蒸散作用增加了降水循环，绿化贡献了20.88%的循环比率（Li等人，2024a）。这些变化通过改变径流路径，扰乱了补给途径并增加了水文变异性，突显了人类活动对水循环的深远影响（Li等人，2018；Liu等人，2023）。

尽管对水文过程已有深入了解，但仍存在关键的研究空白。传统评估严重依赖静态水分平衡指标。例如，广泛使用的降水量减去蒸散量（P-E）指标有助于表征大气-陆地的水分交换。但它无法揭示大气水汽停留时间是否缩短或土壤水分周转速率是否加快。这些是反映水文循环加速的关键信息。先前的研究明确指出，GRACE卫星可以获取陆地水分储存的净变化（Rodell和Reager，2023）。然而，它们无法区分降水、蒸散量和径流等各个通量组分的独立贡献和变化速率。这种对静态或净通量指标的依赖导致了对全球变暖下水文循环真实加速的误解（Allan等人，2020；Huntington，2010）。同时，现有的研究视角往往是片面的。它们关注孤立的水文组分，如大气水分通量差异和极端降水（Donat等人，2016）、冰川质量平衡及其对径流的贡献，以及植被绿化对蒸散作用的反馈。虽然这些以过程为导向的研究提供了关键见解，但它们很少被整合到一个统一的定量框架中。例如，将径流变化归因于冰川融化的研究往往未能明确考虑维持这些冰川所需降水的大气水分循环过程。它们也没有将这些变化与土壤水分周转效率或蒸散速率的同时变化完全结合起来（Abbott等人，2019；Dwivedi等人，2025）。这种分隔的视角严重限制了我们理解系统级相互作用、反馈机制和连锁效应的能力。

中国西北部的干旱地区（以下简称ARNC）为解决这些空白提供了一个理想的试验场。由于气候放大效应，ARNC的升温速率为每十年0.39°C，是全球平均水平的2.3倍，导致水文响应加剧。该地区的关键现象汇聚在一起：暖湿趋势与降水量增加和极端事件同时发生；大规模绿化改变了陆地-大气交换；快速冰川退缩重新配置了水分储存和季节性。这些相互作用使ARNC成为水文加速的关键范例。其内流盆地，如塔里木盆地，形成了简化的封闭系统，非常适合追踪从降水到融水，再到地表水-地下水交换和蒸散的水分通量。在该地区进行的研究为全球干旱地区的水文提供了可转移的见解，特别是对于中亚、中东和撒哈拉地区。

本研究提出了一种新的“水文变化率”（RHC）指数，旨在量化长期水文变化的综合速率。RHC是根据关键水文变量的标准化异常百分比变化计算得出的，用于表征综合水文变化的强度和速度。通过整合状态变量和过程变量（如我们的理论框架所定义的），RHC系统地捕捉了整个水文系统偏离其平均状态的速率，为系统层面评估水文加速提供了新的视角。在状态维度上，它量化了状态变量（如大气水汽停留时间、径流系数、总径流和土壤水分周转时间）的动态变化，从而克服了基于静态储存的传统指标的局限性，后者无法捕捉水文状态的动态变化。在过程维度上，它整合了与过程变量相关的关键相变过程，包括降水强度的加速（气相到液相/固相转变）、蒸散速率的增加（液相到气相转变）以及冰川融化速率的转变（固相到液相转变），弥补了传统单一过程方法的不足，这些方法忽略了水文状态与其驱动过程之间的耦合。RHC基于水文系统的动态框架设计，旨在同时量化状态变量的变化速率和核心过程变量的轨迹变化。其目标是全面评估和动态诊断整个水文循环，包括大气湿润、降水、冰川融化、径流和蒸发。

**研究区域**
中国西北部的干旱地区面积约为202万平方公里（Huang等人，2022），占该国陆地总面积的五分之一。该地区从北部的阿尔泰山脉延伸到南部的天山、昆仑-阿尔顿-祁连山脉，地形特征多样，包括高山、内陆盆地、戈壁沙漠和广阔的沙质沙漠。从气候上看，该地区属于干旱大陆性气候，水文循环的变异性由状态指标表征。

**水文循环的变异性**
本研究考察了代表水文循环不同阶段的四个关键状态变量：PwT、RC、R和SMT。总体而言，这些变量显示了水文循环的明显加剧，尽管在不同流域之间存在显著的时空异质性和不一致的模式（图2）。在分析的21个流域中，PwT的年相对变化（RHCPwT）范围从-75.44%到61.96%，算术平均值和面积加权平均值分别为-0.98%和-2.79%。

**复合指标的优势和科学价值**
准确评估水文变化率仍然是一个巨大的挑战，因为水文系统涉及多个相互关联的过程和变量。尽管不断努力改进评估方法，现有的量化水文变化指标可以分为三类，每类在捕捉真实水文加速方面都有明显的局限性。首先，净通量指标（如降水量减去...）表明...

结论

总之，本研究开发并应用了一种基于过程的新的水文变化速率（RHC）指数，为系统量化中国西北部干旱内陆河流流域水文循环的加速提供了一个统一的框架。我们的分析得出了四个主要发现：

首先，区域水循环无疑且持续地加剧了。空间加权变化率分别为状态变量（RHCs）22.58%和过程指标（RHCCs）25.61%...

RediT作者贡献声明

郝星明：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
张晶晶：撰写——审阅与编辑、可视化、调查、数据管理。
慈梦涛：软件、调查、正式分析。
孙帆：撰写——审阅与编辑、调查。
梁启翔：撰写——审阅与编辑。
徐金帆：撰写——审阅与编辑、调查。
范雪：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢中国科学院战略优先研究计划（B类）（项目编号XDB0720101）的资助。同时，我们也感谢所有相关组织和个人使数据可用性声明中列出的数据能够公开获取。