基于METRIC-2S模型的摩洛哥灌溉农田蒸散发高分辨率分区与制图研究

为解决传统单源METRIC模型在稀疏植被区蒸散发(ET)估算精度不足的问题，研究人员开发了双源METRIC-2S模型，通过引入"沙漏法"分解地表温度(LST)为土壤(Ts)和植被(Tv)组分，实现ET的蒸发(E)与蒸腾(T)精确分区。验证显示该模型在橄榄园、麦田等三类农田的ET估算RMSE降低35-57%，为灌溉优化提供新工具。

　　

在全球水资源日益紧张的背景下，农业灌溉用水效率提升成为关键课题。蒸散发(ET)作为水循环的核心环节，其精确估算对作物水分管理至关重要。传统单源能量平衡模型如METRIC将土壤-植被系统视为均质整体，难以区分蒸发(E)和蒸腾(T)组分，导致在摩洛哥等半干旱区稀疏植被农田的ET估算存在显著偏差。尤其对于橄榄园等典型作物，土壤蒸发被视为水分浪费，而植物蒸腾才直接关联产量，这种组分识别的缺失严重制约了精准灌溉的实施。

针对这一难题，由摩洛哥研究人员Jamal Elfarkh领衔的团队在《Science of Remote Sensing》发表创新研究，通过改造经典METRIC模型，开发出双源METRIC-2S模型。该研究创新性地结合Landsat卫星热红外与光学数据，采用"沙漏法"将地表温度(LST)分解为土壤温度(Ts)和植被温度(Tv)，进而独立计算E和T组分。研究团队在摩洛哥中部三个典型农田（橄榄园、麦田及橄榄-小麦混作系统）部署涡动相关系统(EC)和树干液流计(SF)，通过2016-2018年多期地面验证数据证实：相比原模型，METRIC-2S使ET估算误差在三个站点的RMSE分别从141、102、180 W/m²
降至63、83、78 W/m²
，且蒸腾组分与液流测量值的误差仅22.3 W/m²
。

关键技术包括：1) 基于Landsat 7/8的30米分辨率地表温度(LST)和归一化植被指数(NDVI)反演；2) 采用"沙漏法"在NDVI-LST特征空间中划分蒸发控制区、蒸腾控制区等四类区域，通过线性分解计算Ts/Tv；3) 利用涡动相关系统校正能量平衡闭合误差；4) 通过树干液流计获取橄榄树蒸腾基准数据。

研究结果部分揭示：
3.1 ET估算验证
在橄榄园站点，原METRIC模型因忽略组分差异导致ET高估达141.6 W/m²
，而METRIC-2S通过双源校正使误差降低55%。小麦田的改进幅度较小（RMSE从102降至83 W/m²
），反映密集植被下fc(植被覆盖度)计算精度对模型性能的影响。

3.2 蒸腾组分验证
尽管样本量有限（7个卫星过境日），METRIC-2S的蒸腾估算与液流数据仍呈现显著相关性(R²
=0.51)，但存在0.016 mm/h的系统偏差，主要源于模型同时计算了橄榄树与草本下垫面的综合蒸腾。

3.3 空间制图应用
时序制图显示，METRIC-2S在稀疏植被区（fc<0.5）的ET估值更合理。例如Tahnaout站点6月的ET分布图中，传统模型在橄榄园区估值偏高20%，而双源模型准确捕捉到河床区域因融雪补给导致的高蒸发热点。

3.4 组分分离价值
蒸腾/蒸发分区图清晰揭示：小麦田在生育旺盛期（2-4月）蒸腾占比超85%，而橄榄园夏季蒸发可达ET总量的40%，这为制定差异化灌溉策略（如夏季覆盖抑蒸）提供直接依据。

该研究突破性地将上下文温度校正优势与双源能量平衡框架结合，其创新价值体现在三方面：首先，方法论上首次实现METRIC系列模型的组分分离，克服单源模型在稀疏植被区的固有局限；其次，应用层面为半干旱区灌溉调度提供可量化水分利用效率(WUE)的工具，例如通过降低无效蒸发提升20%灌溉效益；最后，技术前瞻性方面，模型设计兼容新一代热红外卫星（如TRISHNA）的高时空分辨率数据，具备大区域推广潜力。未来研究需在更多作物类型和气候区验证，并优化高植被覆盖条件下的fc算法，以进一步提升模型普适性。