地下水是水循环的关键组成部分，其向河道补给的基流是河川径流的重要来源。基流在水资源供给、夏季河流水温调节、为鱼类提供全年性栖息地等生态系统服务方面有重要作用。此外，由于地表水和地下水中的污染物浓度不一样，地下水维持的基流大小直接影响河流的污染物浓度。

基流的形成涉及到降水入渗、包气带水分运移、潜水层地下水向河道补给等过程，一般用水化学示踪方法来观测基流。然而，水化学示踪方法费时费力，难以在全球开展大范围的观测；而水文模型、陆面模型、地球系统模型等机理模型通常简化地下水模拟，导致全球基流指数的估算存在较大争议：美国普林斯顿大学的研究认为全球基流指数为71%；全球陆面数据同化系统的Noah陆面模式计算的全球基流指数为86%；IPCC第六次评估报告认为全球基流指数不超过28%。

基于此，该研究团队整合了全球1.55万个流域的逐日径流观测数据，构建了基于观测约束的全球基流指数估算方法，得到全球基流指数为59%( ± 7%)，这表明IPCC第六次评估报告的全球水循环通量图低估了地下水在全球水循环中的重要作用。

研究发现，IPCC最新的模式比较计划（CMIP6）中，50个地球系统模式模拟的全球基流指数差异较大，基流指数从12%到94%不等（图1）。该研究构建了基于观测约束的基流指数估算方法，方法的核心是识别多个地球系统模式之间可观测变量X与不可观测变量Y之间的关系。本研究中，X代表1.55万个流域的平均基流指数，而Y则是全球基流指数。利用不同地球系统模式的模拟结果，可以绘制出多个(X, Y)点，随后通过最小二乘回归分析来确定地球系统模式模拟的X-Y关系。最终，将X的观测值代入该关系中，可以得到Y的约束估计值。本研究对50个地球系统模式的(X, Y)点进行回归分析识别出X-Y关系，图2a中的黑色回归线展示了这一关系的可靠性（R²=0.79,p＜0.001）。将变量X的观测值（基于观测的1.55万个流域平均基流指数）代入以上的X-Y关系中，得到全球基流指数为59%。在三条有水化学示踪剂观测的河流（亚马逊河、密苏里河、科罗拉多河），验证了方法的可靠性（图2b）。

图1. 1.55万个小流域基于观测计算和CMIP6模拟的基流指数。(a) 基于12种基流分割方法的平均值从日流量观测数据计算出的基流指数。(b) 50个CMIP6地球系统模式的多模型平均基流指数。(c) 基于观测和模拟基流指数的密度散点图。(d) CMIP6模拟的基流指数纬度分布。

图2. 基于观测约束的基流指数估算。(a)每个散点代表一个地球系统模式，x轴表示其在1.55万个小流域模拟的平均基流指数，y轴表示模拟的全球基流指数；黑色回归线描述了50个地球系统模式的x轴和y轴变量之间的关系。(b) 三条河流中约束估计和基于示踪剂的基流指数比较：红线是基于示踪剂的基流指数估计，蓝色框是基于观测约束的基流指数估计，黄色框是50个地球系统模式的估计值。

基于观测数据和可解释的机器学习方法，发现土壤与基岩属性是基流指数空间分布差异的首要影响因素，可以解释基流指数空间差异的31%；而大部分地球系统模式认为降水量是首要影响因素（图3）。地球系统模式大多不能模拟土壤大孔隙流在渗透中的关键作用。此外，许多地球系统模式对于水文地质条件的简化处理，也可能导致模拟与实际的水文要素存在偏差。未来可从以下三个方面改进地球系统模式的地下水模拟：增加土壤大孔隙快速水分下渗的过程表达、改善地下水与植被间的相互作用模拟、加强含水层导水系数的空间异质性表征。

图3. 18个环境因子对基流指数空间分布差异的贡献。(a) 在Mollweide等积投影中，18个环境因子对全球所有3,080平方公里网格（不包括连续的永久冻土区域）的累计百分比贡献。(b) 基于观测计算和CESM2地球系统模式估算的基流指数的SHAP（SHapley Additive exPlanations）图。

此项研究受国家重点研发计划项目（2023YFC3206600）和国家自然科学基金（41922050）共同资助。

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https://www.nature.com/articles/s41561-024-01483-5

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