京津冀地区城市生态水文过程中水碳循环的模拟研究

水利、环境和公共设施管理业

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

成果来源于北京市自然科学基金资助项目“京津冀地区城市生态水文过程中水碳循环的模拟研究”（项目编号8222036）。城市植被水碳过程对城市环境可持续发展与建设生态城市起着重要的作用，由于城市地表强异质性及植被生态复杂性，自然和人工环境交错条件下的城市植被特征及水碳耦合过程难以解构，亟需构建同时适用于城市和自然下垫面的精细空间分辨率生态水文模型，探究植被和不透水面的共同变化下的城市蒸发耗水特征和城市水碳特征。 一、技术原理 (1)构建包含城市不透水面的土地利用覆被分布，耦合自然下垫面算法与城市不透水面蒸发模块，构建同步考虑城市不透水面和自然表面的基于四源蒸散发的生态水文模型（“四源蒸散发模型”）。经203个自然和11个城市生态系统的通量站点观测数据、8205个流域多年平均ET验证，并与全球ET数据（GLEAM和PML_V2）进行空间分布对比，基于观测和卫星产品数据验证模拟的ET分量。并通过设置不同的植被变化和不透水面变化情景，区分植被变化和不透水面变化对ET及其分量的影响，量化不透水面ET分量变化对ET变化的贡献。 (2)基于构建的模型，耦合基于日蒸散发衰退估算城市储水能力的模型，构建了区域尺度储水能力计算模型，并基于涡动相关通量站点观测的蒸散发、GLEAM和PML_V2蒸散发数据进行日尺度验证。利用机器学习探讨环境影响因素对城市群蓄水能力空间格局的影响，通过设置不同的植被变化等情景比较城市群的多年平均蒸散耗水及其对植被变化的敏感性、分析城市蓄水能力变化以及评估植被对降水的消纳能力等。 (3)基于构建的模型，利用Sentinel-2数据计算植被指数，结合解析型WUE模型，构建城市水碳循环框架，进行高空间分辨率的城市逐月水碳过程模拟。基于POI数据提取并对比了不同类型城市绿地（公园绿地、广场绿地、住宅绿地和风景名胜绿地）的植被蒸散耗水、WUE和总初级生产力差异，阐述城市绿地蒸散耗水和WUE对植被变化的敏感性，探究城市水碳循环特性。结合CMIP6预测2022 ~ 2100年不同碳排放下北京市植被固碳和耗水，从节水和增加碳汇的角度，综合预测结果，探究未来城市植被固碳与耗水之间的平衡。 二、技术指标 (1)构建高精度蒸散发模型 构建了同步考虑自然下垫面植被特征和城市不透水面蒸发的四源蒸散发模型，估算了1982-2015年全球0.1°×0.1°分辨率的逐月蒸散发及其分量（蒸腾、土壤蒸发、截流蒸发、不透水面蒸发）。模型所模拟数据的时间尺度长，空间分辨率高，改进了原有蒸散发模型中在城市生态系统中的模拟精度，并且对城市和自然生态系统ET及其分量的模拟精度均较高。 (2)量化植被消纳降水能力 选取城市群（京津冀、长三角、粤港澳、成渝），基于已构建的模型，采用蒸发衰退方法，耦合城市蓄水能力模型，估算了2009-2018年城市群的区域尺度储水能力。并揭示了不同的城市植被条件对城市降水“消”（蒸散耗水）和“纳”（蓄水能力）的调节作用，量化了城市群消纳城市降水所需的城市植被。 (3)高分辨率水碳过程模拟 选取城市化具有代表性的北京市主城区，基于四源蒸散发模型结合解析型WUE模型实现了精细空间分辨率（10 m × 10 m）的城市水碳循环过程分量模拟，分析了不同类型绿地的植被耗水和固碳过程。此外，基于CMIP6对北京市2022 ~ 2100年不同碳排放情景下的城市水碳过程进行了预测，发现SSP126情景中北京市城市植被固碳与耗水之间更加接近平衡。 三、应用前景 (1)在全球生态系统演变与城市可持续发展的背景下，研究重点解构自然和人工环境交错条件下的蒸散发机理，有助于深入了解城市生态系统与大气之间的相互作用，为植被变化对城市生态系统用水量的影响提供了新的机制认识，能够为京津冀城市生态系统规划和评估提供科学依据。 (2)提高了对城市群植被变化对城市蒸散耗水和蓄水能力影响的认识，有助于量化城市生态规划对城市雨水的消纳和缓释作用，可为环境管理者设计城市生态系统和调配生态用水提供理论支持，以增强绿地的稳定性和人与自然的和谐，有助于进一步了解城市植被对防洪减灾的作用，并且量化了不同城市生态规划对雨水消纳和缓释的能力，并为海绵城市的建设与提升城市生态韧性提供参考。 (3)为城市水碳循环精细模拟提供新见解，使城市绿地耗水和固碳过程得以量化，能够为城市无资料地区的生态水文过程量化提供理论和技术支撑，在应对气候变化挑战方面提供了前瞻性的理论指引，为实现“双碳”目标以及解决京津冀协同发展和城市碳中和过程中亟需解决的科学问题提供理论支撑。结果有助于推动城市生态水文过程的分析，从节水和增加碳汇的角度，对生态城市的建设提出植被布设格局建议，对城市绿色发展具有重要意义。