天津大学地科院在水文系统的复杂性及可预测性研究方面取得新进展

探寻对未发生事件和未知现象的认知和预测能力，即可预测性，是近年来气象、水文、生态预测预报的研究热点，也是有效降低洪涝干旱等自然灾害带来的损失、流域水资源规划管理和水利工程运行调控的重要依据。然而，受流域自然地理条件、气候变化和人类活动等因素的影响，水文系统存在多要素相互作用，具有确定性和随机性于一体的复杂动力学特征，给水文模拟和预测带来了诸多挑战。挖掘水文系统的复杂性以及隐藏在水文序列中的重要信息，探析各驱动因素对其影响程度，对水文模拟预测具有重要意义。

天津大学地球系统科学学院生态水文与水资源研究中心狄崇利副教授与王铁军教授、陈喜教授、李思亮教授、华盛顿大学Erkan Istanbulluoglu及香港大学Jayawardena A.W.教授等合作，利用混沌理论探索了水文系统不同水文过程的复杂性及影响因素，包括气候系统的复杂性、土壤水的混沌动力学特征、全球实际蒸散发的复杂性及可预测性等。相关研究一方面加深了对水文过程物理规律的认识，同时挖掘了其在水文模拟和预测中的应用潜力。相关成果发表于地球科学TOP期刊Water Resources Research、Journal of Hydrology、Hydrology and Earth System Sciences上。

近日，该研究团队基于FLUXNET和ChinaFLUX站点数据，利用混沌理论探究了全球实际蒸散发的动力学特征、混沌现象及可预测性，分析了不同气候条件、不同植被类型下，蒸散发过程的复杂性、可预测性差异及其控制因素。研究结果表明：（1）蒸散发动力学变化过程存在混沌现象；（2）蒸散发动力学特征及复杂性程度在不同气候条件存在差异性，具体表现为半干旱半湿润地区实际蒸散发动力学过程相比于湿润区和干旱区的复杂性较强，其确定性和可预测性较小；（3）蒸散发过程的复杂性和可预测性在水分限制的干旱和半干旱区受叶面积指数（LAI）等植被因素的影响较明显。相较于草地生态系统，森林生态系统的可预测性较大，这种现象在干旱区和半干旱区表现更明显。相关研究为蒸散发的模拟和预测提供了理论支持。


图1所选站点及蒸散发复杂性分析结果

该研究以“Complexity and Predictability of Daily Actual Evapotranspiration Across Climate Regimes”为题发表于水文水资源顶级期刊Water Resources Research，该成果第一作者为狄崇利副教授，通讯作者为王铁军教授，陈喜教授、王礼春副教授、韩琼博士及硕士生买买参与此项工作。该工作得到国家自然科学基金（42201019, 42171036），国家科技基础资源调查专项（2021FY101001）等资助。

相关论文:

Chongli Di, Tiejun Wang*, Qiong Han, Mai Mai, Lichun Wang, Xi Chen. Complexity and predictability of daily actual evapotranspiration across climate regimes.Water Resources Research, 2023, 59, e2022WR032811.https://doi.org/10.1029/2022WR032811

Chongli Di,Tiejun Wang*, Erkan Istanbulluoglu, A.W. Jayawardena, Siliang Li, Xi Chen. Deterministic chaotic dynamics in soil moisture across Nebraska.Journal of Hydrology, 2019, 578, 1-12.

Chongli Di, Tiejun Wang*, Xiaohua Yang, Siliang Li. An improved Grassberger-Procaccia algorithm for analysis of climate system complexity.Hydrology and Earth System Sciences, 2018, 22, 5069-5079.