改进用于估算青藏高原湿润表面蒸发的算法

《Agricultural and Forest Meteorology》：Improving the algorithms for the estimation of wet surface evaporation on the Tibetan Plateau

本研究改进MOD16-STM模型，通过重新分析青藏高原湿度与湿表面积关系，优化湿地表蒸发参数，显著提升蒸发估算精度，验证显示R2从0.45增至0.76，RMSE降低至27.1 W m?2，有效缓解了湿表面积蒸发的低估问题。

　　

张存博|陈学龙|邵怀勇|徐鑫|袁玲|刘雅静|谢颖|马耀明

成都理工大学地理与规划学院，中国成都610059

摘要

截留水占降水量的15-50%，是水文循环中一个重要组成部分。然而，在青藏高原（TP）湿润表面的截留水蒸发建模经常被蒸发蒸腾模型忽略。本研究通过重新分析TP地区相对湿度与降水响应之间的相关性，将一种新的湿润表面分数（F_wet）计算方法引入MOD16-STM蒸发蒸腾模型（Yuan等人，2021年）。新的F_wet方程有助于更准确地分类TP地区的湿润和干燥表面。同时，也提供了重新校准湿润土壤蒸发阻力的理由。与MOD16-STM模型相比，优化后的模型R²从0.45提高到0.76，RMSE从40.1 W m^–2降低到27.1 W m^–2，在湿润条件下MB从–26.2 W m^–2减少到2.3 W m^–2。改进后的模型在湿润表面蒸发估算方面表现出显著的性能提升。

引言

蒸发蒸腾是陆地水循环的关键组成部分，其准确估计对于水资源管理、农业灌溉和气候变化研究至关重要。在蒸发蒸腾过程中，截留蒸发指的是被植被、树冠或地表储存拦截的降水直接蒸发，这一过程在空气动力学粗糙的生态系统（如森林和灌木丛）中尤为显著（Klaassen等人，1998年）。作为降雨在陆地表面分配的“第一响应者”，这一过程在水分渗透到土壤之前，立即将15-50%的降水转化为蒸汽（Gerrits，2010年），在频繁降雨事件中这一比例更高。此外，降雨期间的截留蒸发通过潜热释放迅速将水蒸气返回大气，从而增加大气湿度并促进后续天气尺度降水系统的形成（Lean和Rowntree，1993年）。因此，在水文循环研究中需要仔细考虑截留水蒸发。

尽管截留蒸发的重要性已被广泛认可，但现有的蒸发蒸腾模型在实际应用中仍存在局限性。首先，某些模型没有将其纳入框架。基于物理原理的Penman-Monteith方程（Monteith，1965年）通常假设表面是裸露或均匀的，没有明确区分截留成分。广泛使用的地表能量平衡模型，包括地表能量平衡系统模型（Su，2002年）和基于卫星的能量平衡用于绘制具有内部校准的蒸发蒸腾模型（Allen等人，2007年），通过能量预算计算得出蒸发蒸腾量，但忽略了截留蒸发成分。其次，尽管截留蒸发包括地面截留（Wang-Erlandsson等人，2014年），现有模型主要关注树冠截留，对地面截留的贡献考虑不足。目前，基于遥感的地表模型已经产生了许多全球和区域的蒸发蒸腾产品，如PML_V2（Zhang等人，2019年）、GLEAM（Miralles等人，2011a, 2011b）和Priestley-Taylor（Fisher等人，2008年），但未能独立量化地面截留。由于测量枯枝落叶和土壤截留的挑战，地表拦截水的蒸发通常计算为被植被枝叶拦截后直接蒸发到大气中的降水量的一部分（Fischer等人，2023年；Klaassen等人，1998年）。第三，关于湿润表面蒸发阻力的研究仍然有限。作为连接非饱和和饱和表面的关键参数，蒸发阻力主要在干燥条件下进行研究，对饱和湿度条件下的研究不足。因此，迫切需要加强截留蒸发过程的整合，特别是通过协同模拟树冠和地面截留，并结合湿润表面阻力参数的机制研究。在本研究中，湿润树冠和湿润土壤的蒸发被定义为湿润表面蒸发。

青藏高原（TP）是地球上最高的自然地理单元，被称为“地球的第三极”（Qiu，2008年）和“亚洲水塔”（Immerzeel等人，2010年）。作为多个亚洲主要河流系统的源头，当地的蒸发-降水反馈机制对区域水资源安全有深远影响（Sun等人，2012年）。近年来，人为活动引起的气候变暖加速了高原地区的蒸发蒸腾和降水循环过程，进一步凸显了精确量化蒸发蒸腾成分的紧迫性（Chen等人，2014a；Chen等人，2024年；Kuang和Jiao，2016年；Yuan等人，2024年；Zhang等人，2018年）。

尽管有许多研究关注TP地区的蒸发蒸腾估算（Han等人，2021年；Ma等人，2019年；Song等人，2017年；Wang等人，2020年，2018年；Xie等人，2015年；Yao等人，2019年；Yuan等人，2024年；Zhang等人，2022年），但定量截留评估仍然很少。忽略截留可能会在蒸发蒸腾估算中引入重大不确定性。之前的量化尝试存在方法学限制；例如，Ma和Zhang（2022年）应用了改进的Gash模型（Gash等人，1995年），而Wang等人（2018年）使用Penman–Monteith–Leuning模型来估算三个蒸发蒸腾成分（即土壤蒸发、蒸腾和树冠截留）。一个共同的局限性是缺乏独立的地面截留估算，以及对湿润表面蒸发阻力参数的研究不足。

准确估算蒸发蒸腾成分需要坚实的物理基础。基于Penman–Monteith的模型（如MOD16；Shuttleworth-Wallace）考虑了土壤蒸发阻力、空气动力阻力和气孔导度，与实际生物物理过程一致。Mu等人（2011年）在扩展的Penman-Monteith模型（MOD16）中区分了湿润和干燥表面以计算截留蒸发。Yuan等人（2021年）通过纳入土壤质地和湿度（STM）的影响来改进了土壤蒸发模块。该模型被称为MOD16土壤质地和湿度模型（MOD16-STM）。鉴于TP广阔的空间尺度和变化的条件，MOD16-STM比标准MOD16更适合本研究。MOD16-STM中的湿润和干燥表面通过湿润表面分数（F_wet）来区分（Fisher等人，2008年）。之前已有基于相对湿度（RH）的F_wet方法应用于TP（Chang等人，2018年；Song等人，2017年）。需要注意的是，TP超过60%的区域是干旱和半干旱地区（Dong等人，2017年）。TP的气候与用于原始F_wet计算方法的站点不同。直接使用原始湿度阈值进行F_wet计算可能会在湿润/干燥表面分类中引入不确定性。

为了解决这些研究空白，本研究重新计算了湿润表面百分比并确定了湿润土壤的蒸发阻力。通过将TP的湿度条件与原始验证站点进行比较，修订了计算湿润表面百分比的方程。MOD16-STM框架被修改以纳入湿润表面蒸发成分，从而开发出了MOD16-STM 2.0。本研究旨在解决MOD16-STM模型在湿润表面条件下的蒸发蒸腾估算中的关键限制。具体目标如下：1. 使用不同生态系统的通量塔观测数据评估原始MOD16-STM模型的性能，特别关注涉及降水引起的湿润表面的情景。2. 通过诊断湿润表面分数参数化的系统偏差并重新校准TP地区的湿润土壤阻力参数，以改进模型的物理表示。3. 通过独立通量测量验证改进后的MOD16-STM 2.0，量化不确定性减少情况。

方法论框架结合了观测分析和模型改进方案（第2节）、基于过程的模型精细化以及多尺度验证（第3节），最终有助于改进TP陆地水通量监测。

研究片段

通量站点

通量站点观测被认为是最准确的蒸发蒸腾估算方法之一。本研究从TP的14个观测站点收集数据，以改进MOD16-STM模型（图1和表1）。其中6个站点来自西藏观测与研究平台（Ma等人，2020年）：纳尔盖沙漠观测与研究站（NADORS）；Nam Co多圈层相互作用监测与研究站（NAMORS）；Muztagh Ata西侧观测站

TP地区的湿度条件

图2展示了14个TP站点和Fisher等人（2008年）的10个全球通量站点的年平均RH值对比分析。14个TP站点的年平均RH为53.8%，明显低于10个全球站点的72.9%。TP地区内湿度条件存在显著差异。表3基于选定湿地的合格数据展示了RH和LE的最大值、最小值和平均值

优化湿润表面蒸发模块的好处

湿润表面蒸发是TP水文循环中不可或缺但历史上被忽视的组成部分。我们的研究结果表明，这一过程是快速水分循环的主要途径，在站点尺度上贡献了年总蒸发蒸腾量的10%-30%——这一比例远高于之前对TP区域尺度截留蒸发的估计值5%-10%（Ma和Zhang，2022年）以及陆地平均值的9%（Wang等人，2018年）。

结论

验证结果表明，特别是在F_wet大于0的条件下，原始模型的低估现象得到了显著缓解。通过纳入基于修订后的干湿表面比例得出的湿润表面蒸发计算，优化后的模型R²从0.45提高到0.76；平均RMSE从40.1 W m^–2降低到27.1 W m^–2；平均MB和MAE值分别从–26.2/34.6降低到2.3/21.7 W m^–2。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号41,975,009和42,271,405）的资助。我们感谢所有在青藏高原设立观测站点和收集数据的人士。没有他们的贡献和数据共享，这项研究无法完成。

CRediT作者贡献声明

张存博：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，软件开发，方法论，正式分析。陈学龙：写作 – 审稿与编辑，方法论，调查，资金获取，概念构思。邵怀勇：项目管理，调查，资金获取，概念构思。徐鑫：写作 – 审稿与编辑，可视化。袁玲：方法论，正式分析。刘雅静：可视化，验证。谢颖：软件开发，正式分析。马耀明：