《Agricultural and Forest Meteorology》：Adapting Noah-MP-Crop for sorghum modeling in a semi-arid environment: a case study of Gedaref region in East Sahel
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本研究将Noah-MP-Crop模型成功应用于苏丹半干旱Gedaref地区的高粱（Sorghum bicolor L.）模拟。研究利用卫星植被数据估算了具有时空变异性的播种日期，并以叶面积指数（LAI）、表面能量通量和作物产量为约束开展了模型校准。动态播种方案
本研究将Noah-MP-Crop模型成功应用于苏丹半干旱Gedaref地区的高粱（Sorghum bicolor L.）模拟。研究利用卫星植被数据估算了具有时空变异性的播种日期，并以叶面积指数（LAI）、表面能量通量和作物产量为约束开展了模型校准。动态播种方案在校定期使产量误差降低27%，在验证期降低55%。作物模型敏感性主要受物候发育和生物量分配过程控制。
半干旱地区以降雨变率强、干旱期频发和极端高温盛行等特征严重威胁作物生产力，雨季短而集中，且种植系统多依赖雨养耕作，对季节波动和干旱高度敏感。高粱是世界第五大谷类作物，养活了超过5亿人口，是撒哈拉以南非洲和南亚干旱半干旱地区的主食作物。苏丹机械化雨养农业部门每年种植数百万公顷高粱，但平均产量已从1960年代的约1 t ha
?1下降至2000年代初以来的约0.4?0.5 t ha
?1。气候变化预计将加剧降雨变率和热胁迫，准确模拟高粱生长对气候变异响应对该区域粮食安全具有重大意义。土地表面模型（LSM，一种模拟地表与大气间能量、水和碳交换的模型框架）可将作物嵌入耦合的能量-水-碳框架，动态模拟作物发育与地表过程的反馈。Noah-MP-Crop模型是其中能够模拟作物物候、碳分配和叶面积指数（LAI，单位土地面积上绿叶面积总和）的扩展版本，但其应用多集中于温带地区和主要谷类作物，在非洲干旱区应用有限，且缺少高粱参数化；同时，多数应用采用固定播种日期，不能反映撒哈拉以南非洲以降雨启动播种的真实管理决策。针对这些不足，研究人员以苏丹半干旱Gedaref州为案例区开展了三项工作：（1）通过逐步标定开发高粱特异性生理和物候参数；（2）利用卫星遥感引入动态播种日期方案；（3）系统评估模型在再现高粱生长、冠层发育和产量方面的能力。结果表明，动态播种方案显著改善了高粱LAI和产量模拟，产量平均绝对误差（MAE，模拟值与观测值间绝对偏差的均值）在校定期（2014?2018）降低27%、在验证期（2019?2021）降低55.4%；敏感性分析显示高粱模拟对物候参数、光合效率（QE25，25 ℃时的量子效率）和生物量分配参数最为敏感，而潜热通量（LE，地表蒸发散消耗的能量）对参数变化相对不敏感。该研究为半干旱雨养高粱的区域模拟提供了可行的建模框架和数据-模型融合途径，也为LSM作物模块在非洲旱区的拓展提供了方法与参数基础。
在技术方法方面，研究人员在WRF-Hydro框架内配置了Noah-MP-Crop模型，以ERA5-Land再分析数据为气象驱动，并采用IMERG卫星反演降水替代其中降水场；土地覆盖、土壤与高粱种植分布分别取自CGLS动态土地覆盖产品、FAO/UNESCO世界土壤图和SPAM2020数据集。播种日期采用250 m分辨率MODIS NDVI的20%动态阈值结合3天出苗滞后进行估算，并用2022年80个地点农户调查播种日期数据进行验证。模型标定采用逐步策略，分为物候控制（GDDS1?GDDS5，从播种到各物候阶段累积积温阈值）、冠层光合生理（MP、VCMX25、QE25、BIO2LAI）和生物量分配（LFPT_S3/S4、GRAINPT_S5/S6）三个功能组，以拉丁超立方抽样（LHS，一种在多维参数空间中进行高效分层抽样的方法）迭代搜索参数空间；目标函数为LAI、产量、LE和感热通量（H，地表与大气间因温差传递的热量）的加权Kling–Gupta效率（KGE，综合考虑相关系数、变率比和偏倚比的评价指标）评分，权重分别为0.35、0.35、0.15和0.15。模型评价数据包括GLASS LAI v6产品、FLUXCOM MLM-ERA5能量通量产品，以及Gedaref州机械化农业公司5个站点2014?2021年产量记录（2017年缺失）。模型性能以决定系数（R2）、纳什-萨克利夫效率（NSE，衡量模型预测技巧相对于观测均值的指标）和MAE评价，并用偏秩相关系数（PRCC，控制其他参数影响后衡量参数与输出单调关系的指数）进行敏感性分析。
3.1 播种日期：基于20%阈值和3天滞后组合的动态阈值法取得最低MAE（12.8天）与?2天平均偏差，86.2%站点的绝对误差在20天以内。空间上播种日期呈现南和东南早、中心与北晚的稳定梯度，与降雨推进一致；2015年出现全区性延迟，对应当年雨季偏晚和干旱事件。
3.2 作物物候：模拟出苗到生理成熟的历期约79?85天，处于Gedaref早熟高粱品种（75?110天）范围内。营养生长阶段的物候进程与文献报道一致，但生殖阶段成熟期略早于文献。
3.3 叶面积指数：动态播种配置在校准期的R2=0.75、NSE=0.64，明显优于固定播种的NSE=0.36；验证期动态播种NSE=0.57，固定播种为0.27。动态播种更好地捕获了冠层发育时相，固定播种则持续高估峰值LAI。
3.4 能量通量：两种播种配置在LE和H模拟上的差异很小。LE模拟在标定期（R2=0.89?0.90）和验证期（R2=0.85?0.86）均表现良好；H模拟标定期较差（NSE为负值），验证期有所改善（NSE≈0.44）。该结果与半干旱环境中大气驱动力和土壤湿度对能量分配的主导控制有关。
3.5 产量：动态播种使全部站点综合MAE在校定期从143 kg ha
?1降至104 kg ha
?1（约27%），验证期从131 kg ha
?1降至59 kg ha
?1（约55.4%），R2从0.20升至0.52。站点间表现存在差异，Alfashaga校准期性能较差但验证期恢复正常，可能与当地农业活动受不稳定因素扰动有关。
3.6 模型敏感性分析：LAI对早期物候参数（GDDS1?GDDS3）、叶片分配参数（LFPT_S3/S4）和BIO2LAI敏感；产量对生殖期物候参数（GDDS3?GDDS5）、QE25以及籽粒分配参数（GRAINPT_S5/S6）有强敏感性；LE对多数参数敏感性低，而H对叶片分配参数有中等敏感性。MP与VCMX25影响甚微，与高饱和水汽压差下气孔导度受环境限制的生理特征一致。
讨论部分指出，高粱参数化填补了Noah-MP-Crop在热带旱作谷物方面的空白；动态播种方案利用遥感信息实现了管理实践在空间和时间上的显式表达，但能量通量对播种方案不敏感，表明半干旱区能量分配更受气象强制和土壤湿度控制。研究局限包括：播种日期验证基于2022年单一季节；模型仅以积温（GDD）驱动物候，未考虑水分胁迫对发育速率的调节；根系深度固定为1 m，而高粱根深可达1.5?2.0 m，这可能限制后期深层土壤水分利用；校准和评估采用面积平均时间序列，未显式评价空间变异性。研究结论可概括为：将Noah-MP-Crop适配至苏丹半干旱雨养高粱取得了成功；逐步标定得到的高粱特异性参数使模型能够再现季节性冠层发育和产量变率；卫星观测支持的动态播种日期改善了播种时相的空间和年际表达，显著降低了产量误差（校准?27%、验证?55%），但对LE与H影响有限；LAI和产量对物候、光合效率和生物量分配参数高度敏感。未来需要在更广泛的农业气候区和管理情景下评估该框架的普适性。
