巴西东南部源头小流域蒸散发的微气象学与水收支法估算研究

为解决复杂地形区蒸散发(ET)估算难题，研究人员在巴西Mantiqueira山脉开展多方法联合研究，通过涡度相关(EC)、Bowen比(BR)等微气象学方法结合流域水收支模型(WBM)，发现能量平衡校正显著提升EC估算精度(LE占比从33%升至55%)，年均ET达2.6-2.9 mm day-1，揭示了太阳辐射主导的季节动态，为热带高地水资源管理提供新范式。

　　

在全球气候变化加剧水资源短缺的背景下，热带高地的蒸散发(ET)过程对区域水循环具有决定性影响。巴西东南部的Mantiqueira山脉作为大圣保罗都市圈重要的水源地，其源头小流域的水文过程直接关系到Cantareira水库系统的供水安全。然而，该地区复杂的地形条件使得传统ET估算方法面临巨大挑战——涡度相关(EC)技术普遍存在能量平衡不闭合问题，而流域尺度的水收支法(WBM)又难以捕捉精细时空动态。2014年该区域遭遇历史性干旱，导致水库蓄水量骤降28%，但ET仅减少2%，这种水文韧性的异常变化更凸显了精确量化ET的紧迫性。

针对这一科学难题，圣保罗大学的研究团队在Ribeir?o das Posses流域的4个嵌套子流域(Q1-Q4)开展了为期4年的综合观测。研究创新性地整合了微气象学方法(EC、Bowen比BR)、三种能量平衡校正方案(TWI、MAU、CHA)以及分布式水文监测网络，首次在热带复杂地形区实现了多尺度ET估算方法的交叉验证。

研究采用的核心技术包括：(1)9米高通量塔搭载三维超声风速仪(CSAT3)和开路红外气体分析仪(LI-7500)进行EC测量；(2)四层气象梯度观测系统(WXT520)获取BR数据；(3)V型缺口堰配合自动水位记录仪(Solinst Level Logger)监测流域径流；(4)11处土壤湿度剖面仪(Delta-T PR2/6)记录0-1米土层水分；(5)基于MOD15A2H产品的叶面积指数(LAI)遥感反演；(6)采用Vandewiele模型构建月尺度水收支方程。

3.1 水热动态特征
数据显示研究区呈现典型热带高地气候，年均降水1617±185 mm，干季(5-9月)占全年20%。土壤湿度与径流呈现显著阈值响应，当浅层土壤湿度>51%时产流效率骤增。净辐射(Rn)主导能量输入，日均值从湿季125 W m^-2降至干季55 W m^-2，驱动ET呈现单峰季节格局。

3.2 能量平衡校正效果
原始EC方法能量闭合率仅56%(LE占Rn 33%，H占23%)。经TWI(保持Bowen比)和MAU(日均平衡比)校正后，闭合率提升至90-100%，LE占比升至55-57%。与独立BR方法对比显示，TWI校正的H、LE通量均方根误差最低(25.9和50.7 W m^-2)，显著优于原始EC(49.8和73.9 W m^-2)。

3.3 多方法ET估算一致性
WBM估算的年均ET为2.6-2.9 mm day^-1，与TWI/MAU校正结果(2.8 mm day^-1)高度吻合，而原始EC低估21-42%。所有方法均显示ET在1月达峰(3.5 mm day^-1)，7月谷值(1.3 mm day^-1)，蒸发分数(LE/Rn)上半年(0.86)显著高于下半年(0.79)。

3.4 生态水文调控机制
LAI和土壤湿度的滞后最小值为理解ET季节变异提供关键线索：尽管9月水汽压差(VPD)达年峰值(1.2 kPa)，但受限于植被生物量(LAI=2.5 m² m^-2)和土壤水分(SWI=0.3)，ET恢复速度显著慢于辐射增长。

这项研究通过多方法互证，首次量化了热带高地牧场生态系统的ET动态及其控制机制。能量平衡校正使EC方法在复杂地形区的适用性获得突破，TWI方案尤其展现出与水文方法的高度兼容性。实践层面，59-67%的蒸发指数(EI)为区域水资源规划提供基准值，而揭示的土壤湿度-LAI协同调控机制，则为预测气候变化下流域水文响应奠定理论基础。研究结果对理解全球类似地形区(如安第斯山脉、东非高地)的水-能耦合过程具有普适意义，也为评估巴西森林恢复政策的水文效应提供了科学工具。