基于三温模型的黑河绿洲-荒漠景观蒸散发多尺度分离研究

本研究针对干旱半干旱区异质性景观蒸散发(ET)分离的尺度效应难题，应用无需阻力参数的三温(3T)模型，结合航空(3?m)、ASTER(90?m)和MODIS(1000?m)热红外遥感数据，系统评估了黑河流域绿洲-荒漠系统土壤蒸发(LE)与植被蒸腾(LT)的多尺度分异规律。结果表明3T模型与同位素观测值高度吻合(MAE=3.0%)，且在三种分辨率下均保持稳定性能，为利用中低分辨率卫星数据开展区域ET分离提供了可靠方法。

　　

在水资源极度匮乏的西北干旱区，蒸散发(Evapotranspiration, ET)可占水循环总量的95%以上，其中土壤蒸发(Evaporation, LE)作为非生产性水分消耗，贡献了30%-80%的水分损失。准确区分ET中的植被蒸腾(Transpiration, LT)与土壤蒸发，对水资源管理、水文模拟和气候变化研究至关重要——蒸腾直接关联植被生产力，而蒸发则代表水分无效损耗。然而，由于植被-土壤-大气过程的复杂相互作用，异质性景观中多尺度ET分离始终是国际水文学界的难点。

传统遥感ET模型多依赖于复杂的阻力参数，在数据稀缺区应用受限。由邱国玉团队发展的三温(Three-Temperature, 3T)模型创新性地通过干湿表面温差与辐射平衡关系，实现了无需阻力参数的ET分离，特别适用于干旱区研究。但该模型在跨尺度应用时，其组分(LE/LT)对空间分辨率的敏感性尚未系统验证。

针对这一科学问题，研究团队选择黑河流域中游张掖绿洲及相邻戈壁沙漠为研究区，利用2012年生长季的航空热红外数据(3?m)、ASTER(90?m)和MODIS(1000?m)卫星影像，结合21个自动气象站数据和稳定氧氢同位素观测，开展了多尺度ET分离研究。通过3T模型计算LE、LT及T/ET(蒸腾占比)，并采用同位素测量的Craig-Gordon模型验证模型精度，系统分析了空间分辨率对ET分离的影响。

关键技术方法包括：(1)基于热红外遥感的地表温度反演与组分温度分解；(2)利用NDVI计算植被覆盖度并推导叶面积指数(LAI)；(3)通过辐射传输方程计算地表净辐射；(4)采用经验系数法估算土壤热通量；(5)通过同位素技术独立验证T/ET比值。

研究结果验证了3T模型在多尺度ET分离中的可靠性。ASTER反演的T/ET与同位素测量值高度一致(均值分别为89.1%±4.8%和90.2%±2.4%)，平均绝对百分比误差仅3.0%，低于同位素方法本身的不确定性(5.2%)。模型在绿洲农田表现出优异性能，航空与MODIS数据的结果也验证了模型的一致性。

空间分辨率对ET分离表现出显著影响。高分辨率数据(3?m)能捕捉更细致的空间变异，LE和LT的最大值分别达669?W?m^?2和800?W?m^?2，标准差分别为134?W?m^?2和264?W?m^?2；而MODIS(1000?m)相应值降至370?W?m^?2和563?W?m^?2，标准差分别为98?W?m^?2和180?W?m^?2。值得注意的是，尽管极值范围缩小，区域均值却保持相对稳定——ASTER与航空影像的LE均值分别为150?W?m^?2和134?W?m^?2，LT均值分别为281?W?m^?2和283?W?m^?2。

尺度聚合效应分析揭示了模型的空间稳健性。将航空数据聚合至90?m后，与原生ASTER数据的LE、LT比较显示高度相关(R2分别为0.67和0.87)，平均绝对误差(MAE)低于50?W?m^?2。类似地，ASTER聚合至1000?m与原生MODIS数据也表现出良好一致性(LE的R2=0.59，LT的R2=0.87)。这种强相关性证明3T模型在不同分辨率下能保持稳定的ET分离能力。

与双源能量平衡(Two-Source Energy Balance, TSEB)模型的对比进一步验证了3T模型的可靠性。MODIS基于3T模型的反演结果与TSEB日值T/ET空间分布高度吻合(相关系数0.87)，尽管瞬时 midday T/ET因中午气孔关闭而略低于日均值，但整体趋势一致。

讨论部分深入剖析了3T模型的尺度不敏感性机理。模型对植被覆盖度等参数敏感性较低(相对灵敏度仅0.01)，而温度参数的影响通过模型结构优化得以抵消，使其对景观异质性具有较强的适应能力。在绿洲区，ASTER因无法分辨细小地块而略高估LE；在荒漠区，MODIS因混合像元效应使LT估值稍高，但这些偏差均在可接受范围内。

该研究首次系统验证了3T模型在多尺度ET分离中的适用性，为利用MODIS等全球易得数据开展区域水分循环研究提供了新途径。模型无需阻力参数的特色使其在数据稀缺的干旱半干旱区具有显著优势，对"一带一路"沿线国家的水资源管理具有重要参考价值。未来研究可拓展至不同生态系统和物候期，进一步验证模型的普适性。

发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》的这项研究，不仅深化了对ET分离尺度效应的理解，更建立了连接田间观测与卫星遥感的多尺度桥梁，为全球变化背景下的水循环研究提供了重要方法论支撑。