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水 利 学 报

2025 年 4 月 SHUILI XUEBAO 第 56 卷 第 4 期

文章编号：0559-9350（2025）04-0541-09 第二十七届中国科协年会学术论文

中国流域水碳平衡模拟模型研究 I：模型原理与构建

宋志远 ，段 凯 ，赵 勇 ，翟家齐 ，刘 宁 ，孙 阁 4
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（1. 中山大学 土木工程学院，广东 广州 510275；2. 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与
调控国家重点实验室，北京 100038；3. CSIRO，Acton ACT 2601，Australia；
4. USDA Forest Service，Research Triangle Park，NC 27709，United States）
摘要：水循环与碳循环是陆地生态系统与大气之间物质与能量交换的核心，构建流域水碳耦合模型是量化研究变
化环境下水资源与生态系统响应的重要手段。本研究基于 WaSSI 生态水文模型，改进并发展了其中的蒸散发、积
融雪、汇流、固碳等模块，针对中国地区特点，构建了 0.1°×0.1°网格分布式中国水碳平衡模拟模型（WaSSI-CN），
模型结构简洁、灵活易用，可快速实现流域生态水文过程与水碳平衡关键要素的高分辨率模拟，为解析我国流域
水碳平衡演化规律与评估产水、固碳等生态系统服务功能提供科学基础工具。
关键词：流域水碳平衡；水碳耦合模拟；WaSSI-CN；模型原理

中图分类号：P333 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20240213

1 研究背景

大气与地表间的水、热、碳交互作用是生成淡水供应、气候调节、碳固存和生物多样性保护
等生态系统服务功能的关键过程 ［1-3］ 。通过光合作用和蒸腾作用，陆地水分和碳平衡在叶片气孔、
单 株 、 生 态 系 统 和 区 域 等 尺 度 上 均 存 在 密 切 联 系 ［4-5］ 。 在 全 球 背 景 下 ， 气 候 变 化（如 降 水 、 温 度 、
饱和水汽压）和人类活动（如造林毁林、城市化、水资源与土地管理）对蒸散发、径流、总初级生产
力、净生态系统碳交换等水碳平衡关键要素的影响受到广泛关注 ［6-9］ 。准确量化这些关键水碳通量的

时空分布，对于理解区域生态水文过程对环境变化的响应规律，评估生态系统服务功能至关重要。
目前，遥感技术和数学模型已被广泛用于模拟大尺度水碳平衡，以应对地面观测覆盖范围的局限
性。无测站流域的径流与蒸散发估算通常依赖水文模型，从简单的水平衡模型、大尺度能量-水分平
衡方程和概念性降雨-径流模型到更复杂的分布式物理模型不等 ［10-11］ 。通过遥感技术获取的地表物理
特征（如地形、植被）和水通量数据大量被用于模型校验与参数估计 ［12］ 。同时，碳平衡组分（如碳封存、
呼吸作用、土壤碳交换）的估算也广泛使用基于遥感数据的数学模型。然而，碳平衡模型的校准和验
［13］ ［14］
证仍然依赖于稀疏的涡度协方差通量测量，例如 FLUXNET 、AmeriFlux 以及 1990 年代以来的
［15］
ChinaFLUX 数据集。基于自然界水-碳循环的物理过程及其内在联系，已有学者从以水定碳、以碳
定水、以及植物生理过程等角度出发，提出一系列水碳耦合模拟模型 ［16-17］ ，并在我国泾河 ［18］ 、珠
江 ［19］ 、长江 ［20］ 等流域开展应用。

收稿日期：2024-04-17；网络首发日期：2025-04-18
网络首发地址：https：/link.cnki.net/urlid/11.1882.TV.20250418.1305.003
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基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFC3200205）；国家自然科学基金项目（52379032）；广东省“珠江人才计划”引进创新
创业团队（2019ZT08G090）；广东省基础与应用基础研究基金项目（2023A1515012241，2023B1515040028）；广东省科
技计划项目（2024B1212040001）
作者简介：宋志远（2000-），硕士生，主要从事水文水资源研究。E-mail：songzhy@mail2.sysu.edu.cn
通信作者：段凯（1989-），副教授，主要从事水文水资源研究。E-mail：duank6@mail.sysu.edu.cn
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