山区蒸散估算新突破:TEEB 模型的构建与应用

【字体: 时间:2025年03月06日 来源:Agricultural and Forest Meteorology 5.6

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  研究人员构建 TEEB 模型估算山区蒸散 (ET),提升估算精度,对山区生态研究意义重大。

  在地球的陆地上,山区占据着约 23% 的面积,它们就像一座座巨大的 “水塔”,为下游地区源源不断地提供着淡水。同时,山区生态系统还肩负着保持水土、释放氧气等重要生态服务功能。然而,在全球气候变化的大背景下,山区正面临着严峻的挑战。积雪面积不断减少,冰川加速融化,干旱也变得越来越频繁,这些变化对山区水资源的供应产生了深远影响。
蒸散(Evapotranspiration,ET)作为水资源消耗的重要环节,在水生态系统中起着关键作用,它紧密连接着水循环和地表能量平衡。准确测定 ET,对于深入了解山区小气候特征、科学指导生态保护以及合理分配水资源意义重大。但由于山区地形复杂,这一测定工作面临着诸多困难。一方面,地形对短波辐射的影响使得 ET 产品的不确定性增大;另一方面,传统的直接测量方法,如蒸渗仪、波文比法等,不仅空间代表性有限,而且仪器成本高昂。此外,山区地面站点密度较低,进一步加大了区域 ET 测定的难度。虽然卫星遥感技术的发展为 ET 建模带来了新的契机,基于遥感技术的 ET 估算模型层出不穷,但大多数现有模型是针对平坦地区设计的,无法直接应用于山区。因此,开发一种适用于山区地形的 ET 估算模型迫在眉睫。

为了解决这些问题,相关研究人员开展了深入研究。他们构建了一种基于能量平衡原理的地形扩展 ET 模型(terrain-extended ET model,TEEB),旨在实现对山区地形 ET 的准确估算。该研究成果发表在《Agricultural and Forest Meteorology》上。

在研究过程中,研究人员使用了多种关键技术方法。首先,利用 7 个不同地形条件的涡度相关通量塔(eddy covariance,EC)数据,这些数据来自美国和中国的多个站点,涵盖了复杂地形和相对平坦地区。同时,结合 Landsat 8 卫星影像、ERA5 气象数据以及 ALOS 全球数字表面模型(Digital Elevation Model,DEM)数据。其次,运用随机森林模型,建立卫星观测数据与地表净短波辐射(net shortwave radiation,NSR)之间的关系,进而计算考虑地形效应的净辐射。最后,通过一系列能量平衡方程,估算出瞬时潜热通量,进而得到日 ET。

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研究结果主要体现在以下几个方面:

  1. TEEB 模型性能:通过与地面测量数据对比,TEEB 模型表现出色。其均方根误差(RMSE)为 0.713mm/d,决定系数(R2)为 0.798,平均绝对误差(MAE)为 0.571mm/d。与 SEBAL 模型相比,TEEB 模型显著提升了 ET 估算精度,RMSE 和 MAE 降低了约 42%,R2 提高了约 2%。而且,TEEB 模型在复杂地形和相对平坦地区的表现相当,展现出良好的稳定性和鲁棒性。
  2. 模拟 ET 的能力:TEEB 模型估算的 ET 值更接近实测值,有效减少了 SEBAL 模型的高估问题。ET 估算结果呈现出年初较低、夏季达到峰值的趋势,这与植被生长的季节性变化相符。不过,由于模型简化和测量不确定性,估算值与实测值仍存在一定差异。
  3. ET 模拟的空间变化:在空间分布上,TEEB 模型模拟的 ET 在山区和斜坡地区表现出更明显的空间变异性,能够清晰地反映地形效应。与 SEBAL 模型相比,两者的 ET 差异在寒冷季节更大,在相对平坦地区分布更窄。在阴坡和阳坡,SEBAL 模型存在能量通量和水汽通量分配的偏差,导致 ET 估算出现偏差。
  4. 地形效应对 ET 的影响:ET 模拟结果受地形因素影响显著。随着坡度增加,ET 有所增加,这种现象在温暖季节更为明显。阳坡的 ET 大于阴坡,考虑地形效应后,阴坡的 ET 估计值会降低约 46%。此外,ET 与海拔没有直接关系。

在研究结论和讨论部分,研究人员指出,地形因素对复杂地形下的 ET 估算有着重要影响。其中,坡向在决定 ET 大小和趋势方面起着关键作用,ET 变化对坡度的敏感性高于海拔。忽略地形效应会导致 ET 估算出现 - 11% - 24% 的相对误差。TEEB 模型的构建,成功实现了山区地形的 ET 估算,加深了人们对区域能量交换过程的理解,为全球表面能量不平衡问题提供了潜在解决方案,对区域气候研究、水资源管理和生态系统保护具有重要意义,有力地推动了山区的可持续发展。但该模型也存在一定的局限性,例如仅考虑了地形对短波辐射的影响,未来研究可进一步完善模型,全面考虑地形因素对 ET 估算中关键参数的影响,以实现复杂地形下高空间分辨率的 ET 监测。

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