JGR Atmospheres专题特刊Water-Soil-Air-Plant-Human Nexus: Modeling and Observing Complex Land Surface Systems at River Basin展示了在构建“水-土-气-生-人”耦合的流域系统模型和观测系统方面的最新进展。下文为特刊组织者、中科院青藏高原研究所李新研究员和中科院大气物理研究所谢正辉研究员为特刊撰写的综述，转载自AGU美国地球物理学会微信公众号。

人-地耦合系统需要考虑生态、水文、气候、生物物理及化学、社会经济等子系统之间的复杂的互馈关系和协同演变机制。这个由多个子系统构成的复杂系统，被称之为“水-土-气-生-人”耦合系统。

流域是地球系统的缩微，是由水资源系统、生态系统与社会经济系统协同构成的具有层次结构和整体功能的复杂系统，是地球系统科学研究的基本单元，也是研究人-地耦合系统的理想尺度。

传统的流域模型只单独地考虑生态、水文、气候、生物物理及化学、社会经济等某一方面，忽视了流域各子系统之间的互馈关系和协同演变机制，无法支持流域可持续发展。因此，迫切需要建立流域观测系统，开展流域生态-水文-经济集成模拟研究，即构建“水-土-气-生-人”耦合的流域系统模型，并在此基础上发展以流域系统模型为骨架的流域水资源综合管理决策支持系统，满足水资源综合管理和流域可持续发展的迫切需求。

AGU专题特刊Water‐Soil‐Air‐Plant‐Human Nexus: Modeling and Observing Complex Land Surface Systems at River Basin结集在JGR Atmospheres上，以基金委“黑河流域生态－水文过程集成研究”重大研究计划有关团队研究成果为主，汇集了国内外其他团队的相关研究成果。参与的研究团队超过20个，累计发表研究论文33篇，跨越了生态、水文、大气、人文等多个学科，从模型、观测和过程机制三个方面展示了关于构建“水-土-气-生-人”耦合的流域系统模型和观测研究的最新进展。三个方面的成果示例如下：

模型

在构建“黑河流域生态-水文-经济系统集成模型”的实践基础上，提出了流域系统模型连接自然系统模型和社会系统模型的框架，即在流域系统模型中表征“水-土-气-生-人”的共同演进（co-evolution）；提出通过代理建模技术发展基于流域系统模型的流域可持续发展决策支持系统是服务流域可持续发展的重要手段[Li, Cheng, Lin, et al., 2018]。

此外，为了分析地下水、土壤冻融过程以及人类用水之间的交互作用，开发了一套高分辨率的陆面过程模型CAS-LSM。该模型包括了地下水侧向流模块以及取用水模块，还可用于分析内陆河流域中河道输水及灌溉的影响。

观测

流域观测系统，特别是多要素、多尺度的水文和生态观测是流域系统模型发展的重要前提之一。例如，如何将站点观测升尺度到模型网格尺度对于模型的验证是至关重要的。Li, Liu et al. [2018]基于黑河流域矩阵式通量观测数据评估了6种不同升尺度方法，为模型的评估和发展奠定了基础。在此基础上，Xu et al. [2018]基于5种不同的机器学习方法将站点观测升尺度到模型网格尺度，得到了整个黑河流域网格尺度（1 km × 1 km）的2012-2016年蒸散发产品，为流域尺度的水资源综合管理和及可持续发展的科学决策提供了数据基础。

过程机制

基于黑河流域“生态-水文-经济系统集成模型”精算了黑河流域不同尺度的水循环发现：在黑河上游地区，气候变暖导致降水增加，加之冰川、积雪的加速消融，共同导致河流径流量增加；在中下游地区，人类活动（生态输水工程和耕地扩展等）导致水资源重分配和不合理的过度用水[Li, Cheng, Ge, et al., 2018]。总体来看，在2000–2011年期间，人类活动（相比气候变化）对流域水循环的影响更加显著。因此，为了适应上述水循环的变化，黑河流域的水资源管理策略需要进行调整以适应气候变化和人类活动双重驱动下水循环的动态变化。

此外，基于流域系统模型和观测，分析了流域“水-土-气-生-人”中一些关键过程。例如，Chen et al. [2018]基于观测数据分析了气候变化及人类活动对中亚地区3个典型内陆河流域水循环的影响。结果显示：尽管气候变暖导致了河流上游山区冰川和积雪的快速消融以及河流径流量的增加，但是水资源与耕地资源空间分布不一致所引发的河流上中下游地区（即水源区与水耗区）之间的水资源供需矛盾并未得到缓解。因此，中亚地区跨界河流的水资源危机源于水资源分配而不是水资源储量，未来迫切需要建立从整个流域进行统筹的水资源综合管理决策支持系统，解决跨界河流的面临水资源困境。

本特刊的大部分研究成果源于“黑河流域生态-水文过程集成研究”重大研究计划，是对“黑河流域生态-水文-经济系统集成研究”的部分总结。这些研究成果不仅将为构建更加成熟的流域科学的模型平台奠定基础，同时也将推动全球其它内陆河流域——特别是丝绸之路经济带上的干旱区内陆河流域的相关研究，为政策制定者和利益相关者提供有用的参考，为治理“咸海综合症”做出贡献。

 流域系统模型中需要考虑的生态、水文、冰冻圈、社会经济等模块

资料来源: Li et al. [2018], Figure 1

 流域系统模型中科学模型与代理模型之间的关系

资料来源: Li, Cheng, Lin, et al., [2018], Figure 4

CAS-LSM模型结构

资料来源: Xie, et al., [2018], Figure 1

基于随机森林方法生成的2012–2016年黑河流域蒸散发空间分布图

资料来源: Xu et al. [2018], Figure 6

 (a) 阿姆河（Amu Darya）流域和 (b) 锡尔河（Syr Darya）流域中各个国家的水资源产生量与消耗量的百分比

资料来源: Chen et al. [2018], Figure 3

部分文章列表

Watershed System Model: The Essentials to Model Complex Human‐Nature System at the River Basin Scale https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017JD028154

A High‐Resolution Land Model With Groundwater Lateral Flow, Water Use, and Soil Freeze‐Thaw Front Dynamics and its Applications in an Endorheic Basin https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018JD028369

Intercomparison of Six Upscaling Evapotranspiration Methods: From Site to the Satellite Pixel https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018JD028422

Evaluating Different Machine Learning Methods for Upscaling Evapotranspiration from Flux Towers to the Regional Scale https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018JD028447

Hydrological Cycle in the Heihe River Basin and Its Implication for Water Resource Management in Endorheic Basins https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017JD027889

Large Hydrological Processes Changes in the Transboundary Rivers of Central Asia https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2017JD028184