全球范围内关键土壤湿度估算方法的对比研究及其对水文过程动态和陆气相互作用的影响

《Earth's Future》：Global Scale Intercomparison of Critical Soil Moisture Estimation Pathways and Their Influence on Hydrological Regime Dynamics and Land-Atmosphere Interactions

本研究通过比较蒸发分数（EF）、土壤干燥率（SDR）和土壤温度日变化范围（DTR）三种方法估算土壤水分临界阈值，评估其在陆气耦合分析中的应用。发现DTR在干旱和半干旱地区（如美国西部、印度半岛、澳大利亚南部）能有效捕捉水热耦合状态，其估算结果与基于能量或水分通量的方法高度一致（相似度达84%）。DTR表现出更强的区域适应性和季节稳定性，尤其在过渡性气候区，其耦合强度指标（0.35-0.53）显著高于其他方法。研究证实DTR可作为可靠代理指标，用于评估生态系统响应、干旱事件演进及陆气模型参数化改进。

　　土地与大气（LA）之间的相互作用是生态系统动态和气候反馈机制的重要组成部分。在研究这些相互作用时，理解水文条件的变化模式，尤其是土壤水分阈值的确定，对于识别不同水文状态（如能量限制状态和水分限制状态）至关重要。本研究首次对三种基于土壤温度、蒸发通量和土壤水分变化率的水文状态识别方法进行了全面的比较，旨在探讨其在不同气候条件下的适用性和一致性。

土壤水分的临界阈值可以用来划分水文状态，即能量限制状态（ELR）和水分限制状态（WLR）。通过分析土壤温度的昼夜变化范围、蒸发通量以及土壤水分损失速率，这些方法能够有效地捕捉到水文状态的变化。研究表明，在半干旱和亚湿润的气候条件下，植被以草本为主时，这三种方法在识别水文状态方面表现高度一致。然而，在某些区域，例如美国西部、澳大利亚中部和印度半岛，土壤温度方法在水分限制状态下的持续性更高，而转换频率更低，表明这些区域的水文状态更加稳定。

此外，研究还发现，在干燥季节，三种方法识别的水文状态转换潜力最低，而在夏季则有所增加。这说明在干燥季节，土壤水分和能量通量的相互作用较为稳定，而在夏季，由于降水频率和强度的增加，水文状态的转换更加频繁。土壤温度方法在识别LA耦合强度方面也表现出较高的准确性，特别是在西部美国、南部澳大利亚和印度半岛等区域，其耦合强度明显高于其他方法。而在中亚草原地区，土壤温度方法则显示较弱的耦合强度，表明该地区的土地与大气之间的相互作用较为有限。

本研究还探讨了水文状态识别方法在不同生物气候条件下的表现。在湿润地区，如热带雨林，水文状态的转换频率较低，而土壤水分的损失和能量通量的变化则更为显著。在干旱地区，如撒哈拉沙漠、卡拉哈里和阿拉伯半岛的部分地区，土壤水分的损失和能量通量的变化较为剧烈，导致水文状态的转换更为频繁。这表明，水文状态的识别方法在不同气候条件下的表现存在显著差异，因此需要结合多种方法进行综合评估。

通过分析三种方法的临界土壤水分阈值，研究还揭示了它们在不同区域和季节中的分布特征。在干旱和半干旱区域，这些方法的临界值通常较低，而在湿润区域则较高。此外，临界土壤水分的值在不同植被类型中也表现出差异，例如在森林和草原区域，临界值的变化更为显著，而在灌木和稀疏植被区域则较为稳定。

研究还讨论了水文状态的时空特征及其对土地反馈的影响。在半干旱和亚湿润区域，水文状态的转换频率较高，表明这些地区的土地与大气之间的相互作用更为活跃。而在干旱区域，由于降水的频率和强度较低，水文状态的转换较为有限，表明这些地区的土地反馈较为稳定。此外，土壤温度方法在识别水文状态时表现出较高的准确性，尤其是在干旱季节，其能够更有效地捕捉到水分限制状态的特征。

本研究的结果对于改进土地表面模型和生态系统反馈机制的预测具有重要意义。土壤温度作为一项可以直接从卫星数据中获取的变量，能够有效地代表蒸发通量和水分损失的变化，因此可以作为水文状态识别的有效替代指标。此外，土壤温度方法在识别土地与大气耦合强度方面也表现出较高的可靠性，尤其是在干旱和半干旱区域。

通过比较三种方法在不同区域和季节中的表现，研究还发现了一些关键的水文状态转换区域，如撒哈拉草原、非洲南部草原、美国西部、巴西草原、印度半岛和澳大利亚沿海地区。这些区域的水文状态转换频率较高，表明土地与大气之间的相互作用更为活跃。然而，在某些区域，如中国，土壤温度方法识别的耦合强度较低，这可能与该地区的土地敏感性有关。

综上所述，本研究揭示了三种水文状态识别方法在不同气候条件下的表现差异，并强调了土壤温度方法在识别水文状态和评估土地与大气耦合强度方面的有效性。这些发现为未来的研究提供了重要的参考，特别是在利用卫星数据和再分析数据进行大规模水文状态识别和耦合强度评估方面。同时，研究也指出了在湿润和干旱区域之间，水文状态识别方法可能需要进行调整，以更好地反映实际的水文条件和土地反馈机制。