基于表面更新理论的系列方案双源能量平衡模型在稀疏冠层感热通量估算中的应用与验证

《Agricultural and Forest Meteorology》：A series-scheme surface-renewal method within a two-source energy-balance framework

本刊推荐：为解决稀疏植被下感热通量(H)估算难题，研究人员开展了基于表面更新(SR)理论的系列方案双源能量平衡(TSEB)模型研究。该研究创新地将SR概念融入TSEB框架，通过建模静止期宏观气块温度，实现了对玉米和大豆冠层H的精确估算。结果表明SR-TSEB模型与传统KN1999模型相比具有可比或更优的性能(吻合指数达92%-98%)，为遥感ET建模提供了新思路。

　　

在农业水文研究中，准确估算地表能量平衡对水资源管理和作物生长监测至关重要。传统双源能量平衡(TSEB)模型基于Monin-Obukhov相似理论(MOST)，虽然在估算蒸散发(ET)方面表现良好，但其组分估算精度受季节和水分胁迫条件影响较大。特别是在稀疏植被条件下，如何精确分离土壤和植被对感热通量(H)的贡献，一直是该领域的难点问题。

由Francesc Castellví和María P. González-Dugo开展的研究，创新性地将表面更新(SR)理论引入TSEB框架，开发了SR-TSEB混合模型。这项发表在《Agricultural and Forest Meteorology》的研究，旨在解决传统方法在稀疏冠层感热通量估算中的局限性，为遥感ET建模提供新的技术路径。

研究人员采用SMACEX-SMEX02野外实验数据集，包括玉米和大豆两种作物的能量通量观测数据。关键技术方法包括：基于Landsat卫星反演的地表温度(T_LS)分区技术、表面更新理论指导下的感热通量估算方法、涡动相关(EC)法和Bowen比(BR)法的能量平衡闭合验证，以及基于叶面积指数(LAI)和丛生因子(Ω)的植被覆盖率(f_v)计算。

2.1. 背景理论

研究首先建立了辐射和能量通量的分区框架，通过植被温度(T_v)和土壤温度(T_s)的关系，实现了地表温度的四次方加权分解。利用Priestley-Taylor方程估算植被潜热通量(LE_v)，为感热通量的分离计算奠定基础。

2.1.1. 表面更新过程

研究提出了宏观气块在稀疏冠层中的更新机制，描述了气块从静止期到加热期再到替换期的完整过程。通过高频温度观测识别斜坡状事件特征，建立了振幅(A)与周期(τ)与感热通量的定量关系。

2.1.2. 惯性子层感热通量估算

结合MOST和SR理论，推导出惯性子层感热通量估算公式，引入了摩擦速度(u_*)和Obukhov长度(L)等关键参数，实现了基于半小时低频数据的通量估算。

2.2. 双源模型

研究创新性地提出了粗糙子层内温度连续性模型，将宏观气块划分为与土壤和植被接触的两个子气块，分别计算其温度增量A_s和A_v。通过流体元素暴露时间(τ_m)的概率分布函数，建立了从冠层顶部到惯性子层的通量连续性方案。

2.2.4. 温度参数估算

通过结合能量平衡方程和SR理论，研究实现了T_v、T_s和静止期温度(T_AV)的协同反演。该方法是模型的核心创新点，为感热通量的精确分离提供了理论依据。

3. 实验数据

研究利用SMACEX实验的12个观测场数据(6个玉米田和6个大豆田)，采用EC法测量湍流通量，并通过能量平衡闭合验证数据质量。Landsat5/7卫星数据为地表温度分区提供了可靠输入。

4. 结果与讨论

与传统的KN1999模型相比，SR-TSEB模型在两种作物上都表现出优异性能。对于大豆，SR-TSEB的吻合指数(IA)达到0.92(EC法)和0.94(Bowen比法)，而对玉米更是达到0.98和0.96。特别是在使用Bowen比法作为参考时，SR-TSEB的均方根误差(RMSE)显著低于传统方法。

研究还发现，SR-TSEB模型估算的静止期温度(T_AV)与传统方法存在系统性差异，这种差异可能是模型性能提升的关键因素。模型对不同作物类型(玉米和大豆)的适应性表明其具有较强的鲁棒性。

该研究的创新之处在于成功将表面更新理论融入双源能量平衡框架，建立了物理意义明确的感热通量估算方案。与传统基于经验参数的MOST方法相比，SR-TSEB模型提供了更为严谨的湍流交换物理机制描述，特别是在稀疏植被条件下表现出明显优势。这一成果不仅推动了地表能量平衡理论的发展，也为农业水资源管理、遥感ET监测等应用领域提供了新的技术工具。未来研究可进一步验证模型在其他作物类型和环境条件下的适用性，并探索其与遥感技术的深度融合。