三温模型和基于阻抗蒸散发模型的整合与模拟分析.pdf

DOI:10.12171/j.10001522.20230198三温模型和基于阻抗蒸散发模型的整合与模拟分析邢宇华1张大鹏1李思颖1王佩1,2（1.北京师范大学地理科学学部，北京100875；2.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，北京100875）摘要:【目的】整合消除阻抗的三温模型和基于阻抗的双源模型，开展蒸散发（ET）和蒸腾（T）的模拟及对比分析，实现不同模型的融合与蒸散发的动态模拟。【方法】本研究基于已有的双源阻抗模型框架、干土壤和干叶片能量平衡，结合数值模拟技术模拟了参考温度的季节动态，并将其与三温模型整合开展蒸腾和土壤蒸发的模拟。【结果】与涡动实测值相比，三温模型和双源模型对大满站日尺度 ET 模拟，R2分别为0.85和0.72，对温带草地站小时尺度 ET 模拟，R2均为 0.89。在小时尺度模拟效果更好。并且，三温模型和双源模型对植被蒸腾的估算结果较为一致（R2分别为 0.67、0.68）。以上研究表明该研究框架对三温模型中参考温度的估算，提供了理论方法支撑，较好地量化了参考温度的时空动态。（2）模型情景试验分析表明：两个模型对 2 个站点的 ET 和 T 的预测结果相似，前提是冠层可利用能量（如净辐射）和地面土壤可利用能量（如净辐射和地热通量）受到能量平衡的限制。相反，由于输入驱动因子（温度和辐射）在干湿情景下的系统不匹配，三温模型对 T 和 ET 的模拟精度显著下降。因此，在能量平衡的框架内，干湿土地条件下输入的温度和辐射系统匹配时，三温模型的效果更好。（3）参考温度具有一定的日变化与季节变动。【结论】在白天，叶片和土壤参考温度普遍高于实际温度，而在夜晚低于实际温度，呈现出较大的日变幅。就日均值而言，参考温度普遍高于实际模拟温度。本研究的结果提供了一种新的温度梯度计算方法，可用来监测冠层水分胁迫及动态。关键词：数值模拟；参考温度；三温模型；双源模型；蒸散发；植物水压力；能量平衡中图分类号：S715.4文献标志码：A文章编号：10001522(2024)04011512引文格式：邢宇华，张大鹏，李思颖，等.三温模型和基于阻抗蒸散发模型的整合与模拟分析 J.北京林业大学学报，2024，46(4)：115126.XingYuhua,ZhangDapeng,LiSiying,etal.Integrationandsimulationanalysisoftemperaturegradientbased3Tandresistance-basedevapotranspirationmodelJ.JournalofBeijingForestryUniversity,2024,46(4):115126.Integration and simulation analysis of temperature gradient based 3T andresistance-based evapotranspiration modelXingYuhua1ZhangDapeng1LiSiying1WangPei1,2(1.FacultyofGeographicalScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)Abstract:ObjectiveThispaperintegratesthethreetemperaturemodelthateliminatesimpedanceandimpedancebaseddualsourcemodeltosimulateandcompareevapotranspiration(ET)andtranspiration(T),achievingthefusionofdifferentmodelsanddynamicsimulationofevapotranspiration.MethodBasedontheexistingtwo-sourceimpedancemodelframeworkandtheenergybalanceofdrysoilanddryleaves,combinedwithnumericalsimulationtechnology,thisstudysimulatedtheseasonaldynamicsofreferencetemperature,and integrated it with the three-temperature model to simulate transpiration and soilevaporation.Result(1)ComparedwiththeeddymeasuredET,theR2ofETestimatedbythethree-temperaturemodelandthetwo-sourcemodelfortheobservationsatDamanStationatthedailyscalewere0.85and0.72,respectively,andR2ofthesimulatedtemperategrasslandstationatthehourlyscalewas0.89,收稿日期:20230811修回日期:20230913基金项目:国家重点研发计划（2022YFF0801802），国家自然科学基金项目(42071034）。第一作者:邢宇华。主要研究方向：生态水文学。Email：地址：100875北京市海淀区学院南路 12 号北京师范大学南院。责任作者:王佩，博士，教授。主要研究方向：生态水文学。Email：地址：同上。本刊网址:http:/；http:/第46卷第4期北京林业大学学报Vol.46，No.42024年4月JOURNALOFBEIJINGFORESTRYUNIVERSITYApr.，2024and the simulation effect was better at the hourly scale.The above research showed that the researchframeworkprovidedtheoreticalsupportfortheestimationofreferencetemperatureinthethree-temperaturemodel,andbetterquantifiedthespatio-temporaldynamicsofreferencetemperature.(2)ModelscenariotestanalysisshowedthatthepredictionresultsofTandETofthetwomodelsweresimilar,providedthatcanopyavailableenergy(suchasnetradiation)andgroundsoilavailableenergy(suchasnetradiationandsurfaceheatflux)werelimitedwithintheframeworkofenergybalance.Onthecontrary,duetothemismatchoftheinputdrivingfactors(temperatureandradiation)inthedryandwetscenarios,thesimulationaccuracyofTandETbythe“three-temperature”modeldecreasedsignificantly.Therefore,intheframeworkofenergybalance,theeffectofthree-temperaturemodelwasbetterwhentheinputtemperatureandradiationsystemmatchunderdryandwetlandconditions.(3)Thereferencetemperaturehadcertaindiurnalandseasonalvariations.ConclusionInthedaytime,theleaforsoilreferencetemperatureisgenerallyhigherthantheactualtemperature,butlowerthantheactualtemperatureatnight,showingalargedailyvariation.Intermsofdailymean,thereferencetemperatureisgenerallyhigherthantheactualsimulatedtemperature.Theresultsofthisstudyprovideapromisingnewtemperaturegradientmethodandcanbeusedtomonitorcanopywaterstressanddynamics.Key words:numerical simulation;reference temperature;three-temperature model;two-source model;evapotranspiration;plantwaterpressure;energybalance蒸散发（evapotranspiration，ET）作为全球水热平衡中的重要组分，是土壤蒸发、植被蒸腾、冠层截留蒸发的总和13。在粮食危机与水资源日益短缺的现状下，准确描述蒸散发时空动态对于粮食安全及水资源管理具有较强的科学研究和现实意义4。准确估计蒸散发并将其拆分为土壤蒸发和植被蒸腾对于理解地表过程及其对气候系统的反馈至关重要58。土壤蒸发和植物蒸腾的动态对地表温度和维持生态系统的气候和土壤条件的适宜性具有重要影响910。蒸散发及其组成部分的时间变化特征和分析为理解土壤植被大气相互作用提供了基础。然而，由于生态水文模型结构和参数化的局限性，蒸散发模型及其分析表达仍然面临诸多挑战11。蒸散发的观测方法有涡动相关法和波文比法等12，对于其组分植物蒸腾的观测有树干液流，土壤蒸发的观测有蒸渗仪法1317。其中涡动相关法通过测量各种属性的湍流脉动值来测量它们的通量，有利于长期开展监测18，但是对架设仪器的下垫面的要求较高19。波文比法是基于能量平衡提出的计算蒸散发的方法20，但是主要适用于植被种植均匀，地势比较平坦的下垫面，否则会导致很大的蒸散发误差21。树干液流法在测量单株植物蒸腾时可以获得较好的效果，但在尺度扩展时会导致较大的误差18。蒸渗仪法虽在一些实验站已得到广泛应用，但其仪器费用较高，且需要专门人员进行仪器维护，耗费人力，且仅代表测量面积的土壤和植被的蒸散发量19。模型方法因为能够估算不同时空尺度 ET 动态，受到研究学者们越来越多的青睐2223。基于阻力的模型广泛使用 Penman-Monteith（P-M）方程来估计 ET24。Shuttleworth-Wallace（S-W）模型21是传统的双源模型，是对经典的 P-M 模型的改进，已被多个研究证实能够较好地模拟不同植被生长期的蒸散发及组分2530。然而，S-W 没有精准地考虑植被和地表的辐射传输/能量平衡过程，从而导致模型的性能只能通过潜热通量来评估31。Wang 等31的双源模型分析了植被冠层和地表辐射/能量平衡以及两者之间的相互作用，结合数值模拟技术，能够输出所有能量平衡分量，因此可针对所有能量通量进行模型评价分析。基于此双源模型，Tong 等32计算对比了黑河流域不同生态系统的蒸散发及组分的动态。Zhang 等33分析了基于遥感技术的蒸散发估算模型的发展历程及应用领域，然而研究中所应用模型均需要计算复杂的阻抗（如气孔导度，空气动力学阻抗等），对模型的应用提出了较高的要求。适当的简化在基于遥感的大尺度 ET 估算中尤为重要3435。基于遥感地表温度（landsurfacetemperature，LST）产品，构建地表温度植被指数，开展区域旱情监测与蒸散发量估算得到了一定应用3637。然而，Chen 等34综述指出，基于阻力和温度来估计蒸散发仍然是一个挑战。Qiu等38引入无蒸发（或无蒸腾）的参考土壤（或参考叶片），提出了参考温度的概念，创建了三温模型，该模型成功避开了难以直接测定的阻抗，并可以直接进行蒸散发及其组分的估算3941。三温模型由于其较少的参数输入（辐射及温度），在蒸散发的估算，尤其基于热红外遥感蒸散发估计时具有较强的优势4243。参考温度作为三温模型的关键参数，先前研究中一116北京林业大学学报第46卷般通过人工设计的干土壤（人工烘干土壤）或干叶片（绿色纸片替代）的温度观测获取44。在遥感应用研究中，通过搜寻一定像元范围的最大地表温度值近似为参考温度45。然而，到目前为止，仍缺乏参考温度的理论估算方法，这一定程度上削弱了模型的估算精度。数值模拟技术被广泛应用于模型求解等领域，牛顿-拉弗森（Newton-Raphson，NR）方法是一种用于求解非线性方程的数值迭代方法，它通过不断逼近函数的根来求解方程，被用来推导具有高收敛速率的数值解46，并已被广泛应用于能量平衡方程47。Wang 等31提出的基于辐射能量平衡的双源模型，不需要输入地表温度观测值，而是通过冠层和土壤表层的能量平衡和数值模拟技术输出冠层温度、土壤表面温度等关键变量，并在灌丛化草地、地膜覆盖农田生态系统得到应用31,4849。以上基于实际土壤（参考土壤）和植被（参考植被）辐射平衡及分配过程输出的温度信息，为三温模型所需的实际温度（参考温度）提供了可能。因此，本文旨在探索一种基于能量平衡过程的参考温度的估算方法，并将其应用于三温模型，对比消除阻抗的三温模型与基于阻抗的双源模型对蒸散发量估算精度。进一步深刻理解各模型的过程与机理，加强对蒸散发及其组分动态的模拟认知。1研究区域与研究方法1.1 研究区域选择两个站点开展案例研究，分别为甘肃张掖市黑河流域大满实验观测站（3851N，10022E，海拔 1550m）和日本筑波大学原陆地环境研究中心试验基地（3606N，14006E，海拔 27m）。大满实验观测站简称大满站，是在 2012 年 5 月黑河生态水文试验期间建立的，属于干旱区，温带大陆性气候，年均气温为 7.4（19612010 年），多年均降水量为128.7mm，年均相对湿度为 52%。大满站属于农田生态系统，主要种植作物为玉米（Zea mays）。该站代表了中纬度大陆腹地黑河流域中游张掖绿洲区的制种玉米类型。玉米通常在每年的 5 月份进行播种，并在同年 9 月份进行收割。按照玉米不同生长期的需求会进行人工灌溉，通常以大水漫灌的方式对作物进行灌溉，最大叶面积指数与最大冠层高度为5.6 和 2.1m。日本筑波大学原陆地环境研究中心试验基地站点由于其植被为温带草地，简称温带草地站。该站点年平均气温 14.1（19812005 年），年均降水量 1159mm，海拔 27m。试验基地为一个直径为 160m 的扁圆形的草坪，周围种植松树，属于湿润草地生态系统。试验基地的优势物种为芒草（Miscanthus sinensis）、北美黄花（Solidago canadensis）和白茅（Pinellia ternata），为了防止草地灌丛化或其他次生演替，人为在冬夏时节对草坪各进行一次修剪。地面稀疏地覆盖着往年被割掉或枯死的植物残体。土壤上层为厚度约为 2cm 的肥沃火山灰土壤，下层为黏土层，地下水位在生长季节通常在黏土层以上存在。1.2 数据观测与处理大满站研究数据包括 20142015 年逐时自动气象站数据，涡动数据以及遥感叶面积指数（leafareaindex，LAI）数据。该数据集由寒区旱区科学数据中心网站（http:/ 进行数据存储。本文采用了 Baldocchi53的方法计算了潜热通量和感热通量，并通过三维旋转54、WPL 密度波动校正55、频率响应校正56，以及剔出了由于降雨、冰雹等极端天气和系统故障而产生的异常数据57。温带草地站研究数据为 2012 年 04 月 20 日2012 年 10 月 27 日（DOY=110300）的小时气象及涡动数据，该数据集由日本筑波大学陆地环境研究中心试验基地获取，包含了太阳辐射、温湿度以及涡动观测数据集，该站点的涡动数据保留了原测定数据信息，具体详细可参见文献 31。1.3 模型介绍1.3.1三温模型三温模型中，土壤蒸发 E（kg/（m2s）的计算公式3336为E=RnGG(RnGdGd)TGTaTGdTa(1)式中：RnG和 RnGd分别为地表和干燥地表净辐射通量（W/m2），G 和 Gd为土壤和干燥土壤热通量（W/m2），TG和 TGd分别为地表温度和干燥地表参考温度（），Ta为气温（）。植被蒸腾 T（kg/（m2s）的计算公式为T=RnvRnvdTLTaTLdTa(2)式中：Rnv和 Rnvd为植被冠层和参考植被冠层的净辐第4期邢宇华等：三温模型和基于阻抗蒸散发模型的整合与模拟分析117TLTLd射通量（W/m2），为植被冠层温度（），是参考冠层的温度（）。与以往直接测量 RnVd、TL、TLd和Ta的研究不同，本研究仅直接测量 Ta，其余参数均采用数值推导方法，详见 1.3.4 节。1.3.2基于阻抗的双源模型本文利用 Wang等31提出的双源模型结合数值模拟技术获取实际叶片和土壤温度。其中，冠层和土壤表层能量平衡方程如下。RnV=(1 fv)(1v)Sd+Ld+T4G2T4L=Hv+lT(3)RnG=fv(1G)Sd+Ld+(1 fv)T4LT4G=G+HG+lE(4)HvHGfvvGSdLd式中：为来自植被冠层的感热通量（W/m2），为来自地表的感热通量（W/m2），为植被冠层的透光率，为植被冠层的反照率，为地表反照率，代表太阳的短波辐射（W/m2），为向下的长波辐射（W/m2），是斯蒂芬玻尔兹曼常数，数值上约等于5.67108W/（m2K4）。l 是水的汽化潜热系数（J/kg）。蒸散发组分计算与地表热通量计算公式为T=aqsat(TL)qa/(rav+rc)(5)E=aqsat(TG)qa/(raG+rss)(6)Hv=cpa(TLTa)/rav(7)HG=cpa(TGTa)/raG(8)G=ss(TGTss)/zss(9)qsatravraGqarcrssssa式中：为对应叶片或地表温度修正下的冠层饱和比湿，为植被冠层阻抗（s/m），为地表对空气阻抗（s/m），为空气比湿。为植被冠层的气孔阻抗（s/m），为表层土壤阻抗系数（s/m），是土壤表层导热系数（W/（mK），TG是地表温度（），Tss是表层土壤在深度 zss（m）的温度（）。cp是空气比热容（J/（kgK），是空气密度（kg/m）。不同种类阻抗的计算公式为rav=ln(Zmd0Z0mv)ln(Zhd0Z0hv)/k2u(10)raG=ln(ZmZ0mG)ln(ZhZ0hG)/k2u(11)rst=rst_mincsw+rst_maxrst_mincsw1tan(Sdcsd)(12)rss=a(s/)b+c(13)Zmd0ZvZvZ0mvZh式中：为风速测量仪的高度（m），=0.666，为植被高度（m），=0.123Zv，为调节植被冠层的动量变化的粗糙度长度（m），为温湿度测量Z0hvZ0mvZ0hGZ0mGsrstrst_maxrst_mincsw=/maxTLTG仪的高度（m），=0.1，为控制植被冠层热量变化的粗糙度长度（m），k 为冯卡门常数，取值 0.41，u 为风速（m/s），为控制地表动量变化的粗糙度长度，取值 104，=0.1，为控制地表热量变化的粗糙度长度（m）；为单位体积土壤含水量（m3/m3），为饱和含水量（m3/m3）；是叶片气孔阻抗（s/m），与分别代表土壤完全湿润时叶片气孔阻力的最大值和最小值（s/m）；，为一常数值。运用牛顿迭代法，将能量平衡方程转化为函数求解问题，估算和，进而计算出各通量。1.3.3三温模型与基于阻抗双源模型的对比与区别三温模型与基于阻抗双源模型都可以进行蒸散发的估算，但二者在形式上存在显著差异，这些模型原理差异会一定程度上影响它们对 ET、E 和 T 估算的一致性，如表 1 所示。（1）三温模型较双源模型需要输入参数较少（如辐射和温度），不考虑土壤水分和植被动态。基于阻抗的双源模型需要输入气象变量（如辐射、温度和风速）、土壤（如土壤含水量）和植被属性输入（如叶面积指数、冠层高度）。（2）三温模型基于能量平衡方法，在估算潜热通量及其组分时没有考虑阻抗。基于阻抗的双源模型考虑了冠层的阻力（如叶片气孔阻力和空气动力阻力）和土层的阻力（如空气动力阻力和表层土壤阻力）。（3）辐射温度测量值是三温模型实际地表干燥地面的关键输入变量。基于阻抗的双源模型采用NR迭代法分别求解冠层和地表温度的控制方程，而不需要实测温度。表 2 显示：三温模型关注潜热蒸散发，形式简单，容易大尺度应用。双源模型考虑了辐射传输过程以及输出各个能量通量在冠层和土壤表层的分配，输入输出要素均较多。1.3.4三温模型和双源蒸散发模型整合及模拟分析三温模型和双源蒸散发模型主要方程、输入变量和计算过程存在很大差异，然而，从本质上讲，两者都是基于地面能量平衡原理推导出来的。参考温度作为干燥环境的理论温度，具有强烈的时空特征。以高时间分辨率获取参考温度是困难的，很大程度上限制了三温模型在 ET 计算中的准确性。本文采用 Wang 等58所提出的整合方案，如图 1 所示，基于能量平衡的双源阻抗模型使用数值技术来求解冠层和地表温度，这使得在各种地表条件下（如干燥和湿润地表）能够将能量平衡组分与相应的地表温度相关联。RnvdRnGdGd基于干燥下垫面的假设，冠层的蒸腾耗散潜热和土壤蒸发损耗的热量均为 0，即冠层净辐射（）全部以显热（Hvd）的形式损耗，土壤表层净辐射（）全部以显热（HGd）和参考土壤热通量（）的118北京林业大学学报第46卷形式损耗。干叶片及干土壤能量平衡如下所示。Rnvd=(1 fv)(1v)Sd+Ld+T4Gd2T4Ld=Hvd(14)RnGd=fv(1G)Sd+Ld+(1 fv)T4LdT4Gd=Gd+HGd(15)HvdHGd式中：为来自参考植被冠层的显热通量，为来自参考地表的显热通量。Hvd=cpa(TLdTa)/rav(16)HGd=cpa(TGdTa)/raG(17)Gd=ss(TGdTss)/zss(18)根据观测的气象、土壤、植被参数，利用牛顿迭代法，得到干燥下垫面的参考叶片和参考土壤温度。在已知 TG、Ta、ha、P、Sd、Ld、u、LAI、zv观测值的情况下，通过 NR 法计算得到 TLd和TGd，以输出参考温度的时间动态。2结果与分析2.1 模型模拟结果验证与对比图 2 为不同时间尺度（日平均，小时平均）的涡动观测与模型模拟蒸散发结果对比。图 2a 为大满站日平均的模拟结果。观测的 ET 日平均及季节变动为（41.9748.40）W/m2，三温模型模拟日平均及季节变动为（71.8096.46）W/m2，双源模型模拟日平均及季节变动（65.5571.05）W/m2。较观测值而言，三温模型和双源模型的估算偏大。相对涡动观测值，三温模型和双源模型估算 ET 的 R2分别为0.85 和 0.72（N=730）。图 2b 为温带草地站点生长季小时尺度的模拟结果。观测的 ET 小时平均及季节变动为（93.3138.5）W/m2,三温模型模拟日平均及季节变动为（69.3117.2）W/m2，双源模型模拟日表1基于阻抗双源模型与三温模型输入参数对比Tab.1Comparationofinputparametersbetweentwo-sourcemodelbasedontheimpedanceandthree-temperature(3T)model输入变量Inputvariable参数Parameter参数物理意义Physicalmeaningofparameter单位Unit双源模型Two-sourcemodel三温模型3Tmodel气象数据MeterologicaldataSd向下短波辐射Downwardshort-wavedradiationW/m2Ld向下长波辐射Downwardlong-wavedradiationW/m2Rn净辐射NetradiationW/m2ha相对湿度Relativehumidity%P大气压AirpressurePaTaTa气温Airtemperatureu水平风速Horizontalwindspeedm/s植被属性VegetationpropertyZv植被高度VegetationheightmLAI叶面积指数Leafareaindexm2/m2TL冠层表面温度CanopysurfacetemperatureTvd参考冠层表面温度Referencecanopysurfacetemperature土壤属性Soilproperty根系层土壤含水量Volumetricsoilwatercontentofrootlayerm3/m3Tss深度zss处土壤温度SoiltemperatureatdepthzssTG土壤表面温度SoilsurfacetemperatureTGd参考土壤表面温度ReferencesoilsurfacetemperatureG土壤热通量SoilheatfluxW/m2常数Constantss土壤表层导热系数SoilsurfacethermalconductivityW/（mK）zss土壤热通量探测深度DepthofgroundheatfluxmeasurementmCLAI冠层聚集度Canopyconcentrations土壤饱和含水量Soilsaturatedmoisturecontentm3/m3rst_min最小气孔阻抗Minimumstomataresistances/mrst_max最大气孔阻抗Maximumstomataresistances/mv植被冠层反射率Vegetationcanopyreflectance%G地表反射率Surfacereflectance%第4期邢宇华等：三温模型和基于阻抗蒸散发模型的整合与模拟分析119平均及季节变动（66.3113.0）W/m2。三温模型和双源模型对应于观测值的 R2均为 0.89（N=4583）。综上 2 个站点模拟结果及统计检验可知，三温模型与双源模型对 ET 的估算结果较为一致，无显著差别。2.2 模型模拟 ET 组分结果对比分析由于大满站 ET 组分数据获取较为困难，这里只给出了温带草地站拆分结果比较。在温带草地站生表2基于阻抗双源模型与三温模型输出参数对比Tab.2Comparisonofoutputparametersbetweentwo-sourcemodelbasedontheimpedanceand3Tmodel输出变量Outputvariable参数Parameter参数物理意义Physicalmeaningofparameter单位Unit双源模型Two-sourcemodel三温模型3Tmodel植被冠层输出OutputofvegetationcanopylayerTL冠层表面温度CanopysurfacetemperatureTT植物蒸腾PlanttranspirationW/m2土壤层输出OutputofsoillayerTG土壤表面温度SoilsurfacetemperatureEE土壤蒸发量SoiltransportationW/m2能量通量输出EnergyfluxoutputlETlET潜热通量LatentheatfluxW/m2H显热通量SensibleheatfluxW/m2Rn太阳净辐射NetsolarradiationW/m2G土壤热通量SoilheatfluxW/m2实际下垫面Actual underlying surface(1 fv)Sd(1 fv)Sd fvSd fvSdaG fvLdaG fvSdav(1 fv)Sdav(1 fv)Sd(1 fv)Ld(1 fv)Ld(1 fv)TL4(1 fv)TG4(1 fv)TGd4(1 fv)TL4(1 fv)TLd4 fvLdGGd fvLdfvTG4fvTGd4(1 fv)TLd4HHHvHvdHGdHGTEET基于阻抗的双源模型Impedance based dualsource model植被冠层Vegetation canopy土壤表层Soil surface layer验证 2 Verification 2不确定性 Uncertainty综合评估 Comprehensive evaluation验证 1 Verification 1参考土壤表层Reference soilsurface layer参考植被冠层Referencevegetation canopy冠层叶片温度 Canopy leaf temperature(TL)参考植被冠层叶片温度 Reference vegetation canopy leaf temperature(TLd)参考土壤表面温度 Reference soil surface temperature(TGd)参考植被冠层净辐射 Reference vegetation canopy net radiation(Rnvd)参考土壤热通量 Reference soil heat flux(Gd)参考土壤表面净辐射 Reference soil surface net radiation(RnGd)观测值 Observation value模拟值蒸散发,蒸腾和土壤蒸发Simulated evapotranspiration,transpiration and soil evaporation模拟情景试验 Simulated scenario experiment土壤表面温度 Soil surface temperature(TG)冠层净辐射 Canopy net radiation(Rnv)土壤热通量 Soil heat flux(G)土壤表面净辐射 Soil surface net radiation(RnG)独立观测试验 Independent observation test敏感性分析 Sensitivity analysis基于三温(3T)模型Based on 3T model理想干燥下垫面Ideal dry underlying surfacefvSdvLdTGGTLHvdHGdfvSdvLdTGGTLTLdTGdHvdHGd此图基于 Wang等58修改。.植被冠层的透光率；.向下短波辐射；.植被冠层反射率；.向下长波辐射；.斯蒂芬波尔兹曼常数；.土壤表面温度；.地表反射率；.冠层表面温度；H.显热通量；Hv.植被冠层感热通量；HG.为地表显热通量；ET.蒸散发；E.土壤蒸发；T.植被冠层蒸腾；TLd.为参考冠层的温度；TGd.参考土壤表面温度；.参考植被冠层显热通量；.参考地表显热通量。ThefigureismodifiedbasedonWangetal.58,vegetationcanopylighttransmittance;,downwardshort-waveradiation;,vegetationcanopyreflectance;,downwardlong-wavedradiation;,Stephen-Boltzmannconstant;,soilsurfacetemperature;,surfacereflectance;,canopysurfacetemperature;H,sensibleheatflux;Hv,vegetationcanopyofsensibleheatflux;HG,surfacesensibleheatflux;ET,evapotranspiration;E,thesoilevaporation;T,vegetationcanopytranspiration;,referencecanopytemperature;,referenceofsoilsurfacetemperature;,referencevegetationcanopysensibleheatflux;,referencesurfacesensibleheatflux.图1模型综合框架及研究思路示意图Fig.1Schematicdiagramofcomprehensiveframeworkandresearchideasofthemodel120北京林业大学学报第46卷长季，Wang 等59利用同位素观测和 ET 同位素拆分的方法获取了植物蒸腾的观测值。图 3 所示为三温模型与双源模型对植被蒸腾模拟结果与观测结果的对比，相对于同位素方法获取的蒸腾，三温模型和双源模型估算结果较为一致（R2分别为 0.67 和 0.68）。三温模型模拟时平均 ET 及季节变动为（64.53105.63）W/m2，双源模型模拟日平均 ET 及季节变动（64.5015.73）W/m2。从以上分析可以看出，三温模型和双源模型对植物蒸散的估算一致性较好。考虑到同位素观测方法存在一定的误差37，目前所模拟 ET 组分结果较为合理。2.3 冠层、土壤参考温度与实际温度对比及分析参考温度是三温模型核心参数之一，利用干土壤和干叶片的能量平衡，数值模拟可输出 TGd和TLd，同样，基于实际土壤和叶片的能量平衡可输出土壤和冠层实际温度，并可以用实际观测值来率定模型。大满观测站具有实地地表温度观测，因此在该站点加入了观测土壤温度作为验证数据。基于双源模型模拟的温带草原站植被冠层参考温度和实际模拟温度具有较为一致的年际性变化，冬春季温度较低，夏秋季温度较高，夏季两者的温差较大（图 4）。研究模拟了温带草原站土壤表层参考温度和实际模拟温度的季节动态。生长季初期，模拟的参考地表温度与模拟的实际地表温度差别较小，在 8 月份时温差达到最大，随后又逐渐变小。植被冠层温度和土壤表层温度在研究期间（DOY=120300）动态变化特征基本一致。大满站 20142015 年植被冠层实际模拟温度和参考温度动态变化基本一致（图 5），土壤表层参考温度和实际模拟温度数据较为吻合（R2=0.95），只在冬季的 12 月及 1 月份的数据有一定程度的低估，可能与双源模型没有考虑冬季降雪等复杂下垫面过程有关。土壤表层温度的年际性变化中，冬春季温度较低，夏秋季温度较高。图 6 是大满站和温带草地站土壤和植被参考温度与实际温度梯度差（TGdTG）的时间动态变化序列。（TGdTG）在夏秋季节大于春冬季节，具有显著的季节差异。表 3 统计特征显示，TLd和 TGd的日和小时均值均高于 TL和 TG，并具有较大的年际和季节变动。3讨论3.1 蒸散发模型对比与整合基于阻抗的双源模型与三温模型均基于地表能量平衡原理推导而出，但二者在计算过程及原理方1:1 line1:1 lineY=0.80X 3.52R2=0.89P 0.05Y=0.80X 3.85R2=0.89P 0.05Y=1.87X 13.45R2=0.85P 0.05Y=1.19X 4.41R2=0.72P 0.050200400600800b 温带草地站 Temperate grassland station1000100200300400500600700800三温模型 3T model双源模型 Two-source model04080120160200240280320360400模拟蒸散发 Simulated ET/(Wm2)模拟蒸散发 Simulated ET/(Wm2)100200300400观测蒸散发 Observed ET/(Wm2)观测蒸散发 Observed ET/(Wm2)a 大满站