近日，南方科技大学环境科学与工程学院副教授史海匀课题组在水文环境领域取得系列研究成果，并先后在水文水资源领域旗舰期刊Water Resources Research、Journal of Geophysical Research:Atmospheres和环境领域著名期刊Environmental Research Letters等高水平期刊上发表了5篇学术论文。           

  第一篇论文题为“Characteristics of propagation from meteorological drought to hydrological drought in the Pearl River Basin”，利用最大相关系数法和小波分析法，分析了珠江流域气象干旱和水文干旱之间的干旱特征，评估了不同子区域的气象干旱向水文干旱的传播时间（图1），定量分析了不同时间尺度气象干旱和水文干旱之间的联系并探讨影响干旱传播的可能因素。研究成果有助于我们更好理解干旱传播的机理，对于干旱监测和预防也具有重要意义。

图1 珠江流域气象干旱和水文干旱最大相关系数及响应时间的空间分布 

第二篇论文题为“Investigating the propagation from meteorological to hydrological drought by introducing the nonlinear dependence with directed information transfer index”。研究团队通过引入信息论中的定向信息传递指数（Directed information transfer index, DITI），完善了当前干旱响应时间的识别方法，与已有非线性分析方法（如互信息）相比，基于定向信息传递指数确定的非线性的干旱响应时间更集中、空间差异更明显（图2），更好弥补了当前基于线性假设下干旱传播关系研究的不足。此外，该研究构建了不同气候特征区的干旱传播模型，确定了相应的干旱传播阈值。研究结果有助于更好理解区域气象干旱向水文干旱的传播机制，为区域水资源管理和防灾减灾提供参考。

图2 a)  基于互信息和DITI的非线性干旱响应时间差异；b)线性与非线性干旱响应时间差异

第三篇论文题为“Impacts of dams and reservoirs on local climate change: a global perspective”。研究团队基于全球范围内200个典型的大型、特大型水库的库容（CAP）、库区面积（AREA）、平均深度（DEP）等特征以及对应的局地气象要素（降水P、蒸发E、气温ST和T2M），深入研究了不同水库特性与气象要素变化之间的相关性（图3）。结果表明：“水库越大，对气候变化影响越大”的假设并不完全符合实际，不同水库特性对气象要素变化的影响程度各不相同。此外，本研究还通过引入地理要素考虑了大尺度大气环流对结果的影响，使结论更加合理可信。

图3 不同水库特性与气象要素变化的相关性

第四篇论文题为“Impacts of regional characteristics on improving the accuracy of groundwater level prediction using machine learning: The case of central eastern continental United States”。研究团队提出了一种适合于长时间序列地下水水位模拟的机器学习框架（图4）。该研究以美国中东部78个无人类活动影响的流域为研究区域，结合模拟流域的水文、气象、地质和地下水水位的相关性，对适用机器学习方法模拟地下水水位的流域整体特征进行了归纳总结。与已有的分布式地下水建模方法相比，该研究从流域整体尺度进行地下水建模，并不需要精确的地层信息和地下水边界条件。结果表明：机器学习模型在水文地质特性能够促进地下水接收外界响应的区域表现更好。

图4 长时间序列地下水水位模拟的机器学习框架

第五篇论文题为“Evolution characteristics of potential evapotranspiration over the Three-River Headwaters Region”。研究团队对三江源地区这一生态敏感区域1960-2014年间潜在蒸发量的空间分布和时间变化特征进行了分析（图5），利用BP（Back-Propagation，逆向传播）神经网络以及LSTM（Long Short-Term Memory，长短期记忆）模型预测了三江源地区潜在蒸发量未来30年的变化趋势。在全球变暖背景下，该研究对于保护区域生态环境、评价区域水资源系统功能、实现水资源、生态和社会的和谐发展具有更加积极的意义。

图5 三江源地区1960 - 2014年间多年平均和季节潜在蒸发量的空间分布

在上述5篇论文中，史海匀课题组博士生周照强、蔡和江，硕士毕业生江志鹏，以及科研助理赵一杨分别为第一作者，史海匀均为通讯作者，南科大是论文第一单位。相关研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金项目、国家环境保护流域地表水-地下水污染综合防治重点实验室以及广东省土壤与地下水污染防控及修复重点实验室等的支持。

论文链接：

1. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020JD033959 

2. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021WR030028 

3. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ac263c 

4. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214581821001592 

5. https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/02626667.2021.1957105 

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：晏梓添

主图：丘妍

编辑：朱增光