基于涡度协方差通量塔的美国国家水文模型蒸散发模拟评估研究

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Evaluating the U.S. National Water Model Retrospective Evapotranspiration Simulation using Eddy-Covariance Flux Tower Measurements

本研究针对美国国家水文模型(NWM)在蒸散发(ET)模拟方面的性能开展首次全国尺度评估。研究人员利用72个AmeriFlux通量塔的观测数据，系统分析了NWM V3.0回溯模拟的ET精度，发现模型在湿润地区、森林生态系统和寒冷月份表现较好，而在干旱地区、耕作区和水资源受限条件下存在显著偏差。研究为改进NWM的ET模拟参数化和校准提供了重要依据，对提升水资源管理可靠性具有重要意义。

　　

在全球气候变化和水资源短缺的背景下，准确模拟陆地水循环中的关键过程——蒸散发(ET)显得尤为重要。ET作为将地表水分返回大气的主要通量，在美国本土(CONUS)约占降水量的70%，其精确估算对确定水资源可用性、理解陆-气能量交换以及实现可靠的水文模拟都至关重要。然而，由于ET监测站点的稀疏性和观测技术的局限性，获取高空间分辨率的准确ET测量值仍然面临挑战。

美国国家海洋和大气管理局(NOAA)推出的国家水文模型(NWM)是一个大陆尺度的水文模型，基于WRF-Hydro建模架构，提供包括ET在内的多种地表变量模拟。尽管NWM在径流预测等方面已得到较多研究，但其ET模拟性能在全国范围内的系统评估仍然缺乏。以往的研究多使用遥感数据（如OpenET）进行验证，但卫星估算方法存在云污染和算法假设等固有局限，可能无法有效验证模型性能。

为此，杨百翰大学的研究团队在《Journal of Hydrology: Regional Studies》上发表了首个全国尺度的NWM ET模拟评估研究。该研究利用NWM V3.0回溯数据集和来自72个AmeriFlux通量塔的涡度协方差观测数据，通过月尺度比较，全面评估了NWM模拟ET的可靠性，并识别了模型表现良好和存在系统偏差的环境条件。

研究团队采用了多种关键技术方法：从NWM V3.0回溯模拟中提取ET数据，从AmeriFlux网络获取潜热通量(LE)观测值并转换为ET；使用缩放修正Kling-Gupta效率(KGE_s)和百分比偏差(PBIAS)作为主要评估指标；按国家气象局河流预报中心(RFC)、柯本-盖格气候区和土地覆盖类型对结果进行分组分析；基于降水与潜在蒸散发比率(P/PET)评估模型在水资源受限和能量受限条件下的性能；并分析了AORC V1.1温度强迫数据的准确性。

研究结果揭示了NWM ET模拟的复杂性能模式：

3.1. 站点级性能评估

NWM模拟ET与观测值之间的KGE_s值范围为-0.14–0.86（中位数：0.48），PBIAS范围为-75%至+132%（中位数：11.4%），表明模型性能存在显著的空间变异性。大多数站点(50个)呈现正偏差（高估），而22个站点呈现负偏差（低估）。

3.2. 按NWS RFC区域验证

模型在俄亥俄州和东北部RFC表现较强，而在加利福尼亚-内华达州RFC表现最差，呈现系统性低估。季节性分析显示，NWM在生长季节往往高估ET，而在冬季月份与观测值更为接近。

3.3. 按气候区分类验证

冷气候带（如Dsb、Dfb）表现较好，而地中海气候区（Csa）表现最差，存在明显的相位不匹配和低估问题。模型在干旱气候区（BWk、BSk）表现出中等性能，但在温度和湿度过渡区域（Dfa、Cfa）变异性较大。

3.4. 按土地覆盖类型验证

混合林和落叶林表现最佳，而耕地和湿地表现最差。耕地区域的广泛性能分布（KGE_s从-0.11到0.83）表明NWM在模拟管理或灌溉土地方面面临挑战。

3.5. 在能量和水资源受限条件下的性能

水资源受限条件占主导地位（68.4%的站点-月份），大多数站点(39/58)在此条件下表现更好。能量受限条件（主要出现在冬季）在15个站点中表现更佳，可能与植被活动减少的简化条件有关。

3.6. AORC V1.1温度强迫性能

温度强迫数据与观测值高度一致（R2均值为0.991），表明温度偏差不是ET误差的主要来源，其他因素（如降水强迫和地表过程）更可能是主要误差贡献者。

研究结论强调，NWM在湿润地区、森林生态系统和寒冷月份表现出较好的ET模拟能力，但在干旱地区、耕作区和水资源受限条件下存在显著偏差。温度强迫误差被排除为ET模拟偏差的主要贡献者，表明剩余误差更可能由其他强迫（特别是降水）或Noah-MP中的内部地表过程驱动。

这些发现对改进NWM的可靠性和适用性具有重要意义。特别是在灌溉区域ET的低估表明需要改进模型中人为用水（特别是灌溉过程）的表征。建议将土地表面变量（如ET）纳入NWM校准方案，超越传统的基于径流的校准方法，这将增强水流性能并扩展NWM在全国水资源管理中的应用范围。

虽然本研究侧重于评估NWM回溯ET输出，但获得的见解同样适用于增强NWM的预测能力。NWM强大的预测基础设施可以支持在NextGen框架内开发全国ET预测系统，该系统允许为不同流域定制水文模型配置。可靠的ET预测对于预测水资源需求、指导灌溉调度以及支持干旱监测和水资源规划具有重要价值，特别是在农业和水资源短缺地区，对于明智的水资源管理决策将变得越来越重要。