冠層截留對PML模型蒸散發(fā)及能量分配的影響

段 浩，盧詩卉

（中國水利水電科學研究院，北京100038）

蒸散發(fā)是耦合陸表水循環(huán)的關(guān)鍵變量［1］，是連接地表陸氣水分交換的中間環(huán)節(jié)，同時，蒸散發(fā)也是農(nóng)業(yè)作物需水管理中的重要因素［2］。因此，獲取準確的蒸散發(fā)模擬結(jié)果，對實現(xiàn)水資源精細化管理有重要作用。

蒸散發(fā)過程一般可分為冠層截留、土壤蒸發(fā)和植被散發(fā)三部分。其中，冠層截留是植被對降水進行再分配的首個環(huán)節(jié)，并最終通過蒸發(fā)返回大氣。研究表明，林地的年冠層截留量可占到年降水量的10%～40%［3］，在部分地區(qū)這一比例可達50%［4］。大量學者開展了冠層截留的模擬研究，并形成了經(jīng)驗統(tǒng)計和物理機理模型兩大類模擬方法，代表性模型包括Rutter模型［5］、Gash 模型［3］和A.P.J.DE ROO 模型［6］等。冠層截留除了影響蒸散發(fā)量以外，同時也在蒸發(fā)過程中影響凈輻射的能量分配過程。冠層截留的降水以蒸發(fā)的形式返回大氣，在蒸發(fā)過程中吸收能量，從而降低了凈輻射到達土壤和植被的能量。因此，冠層截留對蒸散發(fā)過程有著重要影響。

遙感技術(shù)的發(fā)展為蒸散發(fā)模擬提供了便利，基于葉面積指數(shù)的Penman-Monteith 模型（PML）［8，9］是以Penman-Monteith 理論為基礎(chǔ)，通過對地表導度Gs進行參數(shù)化，來直接推求蒸散發(fā)的方法。該方法將地表蒸散發(fā)分為土壤蒸發(fā)和植被散發(fā)兩部分，最初在植被冠層郁閉的情況下精度較好［10］。隨著模型的應用推廣，眾多學者又對PML 模型的地表導度參數(shù)進行了優(yōu)化［9，11］?，F(xiàn)如今，PML 模型已在澳大利亞［12，13］、我國黑河流域［10］、地中海地區(qū)［14］以及全球尺度［15］開展了應用，并取得較好效果。但這些應用主要圍繞提高模型精度來開展研究，而分析冠層截留對蒸散發(fā)總量及能量過程產(chǎn)生影響的研究較少。Zhang 等［16］引入Gash 模型估算冠層截留，對PML 模擬的蒸散發(fā)數(shù)量進行了評估，但冠層截留蒸發(fā)所消耗的能量對PML 模擬過程中能量分配產(chǎn)生的影響尚不明確。為此，本文以望都站為研究對象，在對PML 模型引入冠層截留模塊的基礎(chǔ)上，分析冠層截留對蒸散發(fā)能量分配過程產(chǎn)生的影響，以期對該模型的后續(xù)應用提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù) 據(jù)

望都渦度相關(guān)觀測站地處華北平原中部，位于河北省望都縣西郊，整個實驗站占地面積約26 680 m2，海拔高度為51 m（圖1）。該地區(qū)屬于典型的溫帶季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫和多雨，多年平均氣溫為11.8 ℃。本研究使用的數(shù)據(jù)包括望都站2020年采集的5-9月份渦度相關(guān)觀測數(shù)據(jù)（其中6月份數(shù)據(jù)缺失）；氣象數(shù)據(jù)來自于國家氣象信息中心發(fā)布的日觀測產(chǎn)品，主要包括日照時數(shù)、氣溫、氣壓、濕度、降水等；該站點的土地利用類型以耕地為主，用于蒸散發(fā)模擬的LAI 數(shù)據(jù)采用MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）的MCD15A2H產(chǎn)品，經(jīng)線性插值得到逐日數(shù)據(jù)；地表反照率數(shù)據(jù)采用楊剛［17］提出的時域濾波方法對MODIS 的MCD43A3 產(chǎn)品進行重建后得到。

圖1 望都站位置示意圖Fig.1 The sketch map of Wangdu station

1.2 方法

1.2.1 蒸散發(fā)反演模型

PML 模型是在潛在蒸發(fā)計算方法基礎(chǔ)上發(fā)展而來［10］，基本思想是引入了“表面阻抗”［18］，得到非飽和下墊面蒸散發(fā)的計算公式，其基本計算過程為［11］：

式中：E是蒸散發(fā)；ε是溫度-飽和水汽壓曲線斜率與干濕表常數(shù)的比值；ρa是空氣密度；Cp是空氣定壓比熱；A是可用能量，為凈輻射與土壤熱通量的差值，在原PML 模型中分為植被吸收能量Ac和土壤吸收能量As兩部分；Da是參考高度飽和水汽壓差；Gs是地表導度；Ga是空氣動力學導度；λ指汽化潛熱。

PML模型將蒸散發(fā)分為土壤蒸發(fā)（Ec）和植被蒸騰（Es）兩部分［11］，具體公式為：

其中，被土壤吸收的能量（As）占可用能量的τ 倍，τ 可通過葉面積指數(shù)LAI的經(jīng)驗關(guān)系得到；f是土壤蒸發(fā)系數(shù)，表征著研究區(qū)的土壤干濕狀況。

冠層導度Gc可根據(jù)冠層上方葉面最大氣孔導度gsx和LAI的關(guān)系得到

式中：Qh是冠層上方的可見光輻射通量；Q50和D50是當氣孔導度gs=gsx/2（gsx是gs的最大值，與植被類型有關(guān)［19］）時的可見光輻射通量和水汽壓差，通常取值分別為2.6 MJ·m2·d 和0.8 kPa；kQ是短波輻射衰減系數(shù)，取0.6。

通常情況下，蒸散發(fā)對空氣動力學導度的敏感性在日尺度上較弱［20］，因此可按照地物類型對Ga賦值［12］。汽化潛熱（λ）、干濕表常數(shù)（γ）等氣象參數(shù)按聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織［21］提供的公式進行計算，凈輻射Rn根據(jù)凈長波輻射、地表反照率和太陽短波輻射計算得到［22］。

利用PML 模型對站點尺度蒸散發(fā)進行模擬，需要率定敏感參數(shù)f和gsx，率定過程常根據(jù)蒸散發(fā)模擬值與實測值決定的Nash-Sutcliffe 系數(shù)［23］（NSE）來確定，確定過程常通過優(yōu)化算法來實現(xiàn)。

1.2.2 冠層截留模擬

冠層截留既對蒸散發(fā)量產(chǎn)生直接影響，同時也因冠層在截留后的蒸發(fā)過程中消耗能量（Ai），使蒸散發(fā)過程中土壤蒸發(fā)和植被散發(fā)過程所吸收的能量降低。因此，冠層截留對蒸散發(fā)總量及能量分配過程均產(chǎn)生影響?？紤]到PML 模型是基于遙感葉面積指數(shù)進行蒸散發(fā)模擬，本研究采用Roo Ad 等［6］構(gòu)建的植被冠層截留模型對PML 模型進行完善，該模型將冠層截留表示為LAI的函數(shù)，其計算方法為：

式中：Sv是冠層降水截留量，mm；Pcum是降水量，mm；Smax是最大植被冠層降水截留能力，mm；LAI是葉面積指數(shù)。

冠層截留蒸發(fā)所消耗的能量Ai，可通過Penman-Monteith公式反推得到［24］。隨后，PML模型中的可用能量A修改為：

1.2.3 模型參數(shù)估計

本文采用粒子群算法［25］對PML 模型的敏感參數(shù)f和gsx進行參數(shù)率定，在參數(shù)優(yōu)化過程中的目標函數(shù)采用NSE系數(shù)［13］，其表達式如下：

式中：ETobs，i為蒸散發(fā)的觀測值；ETsim，i為模擬值；ETmean為觀測值的均值。

NSE越接近1表示模型的精度越高。模型參數(shù)率定時采用望都站觀測的數(shù)據(jù)作為真實值驗證模型模擬的蒸散發(fā)，需要說明的是，因為6月份缺少渦度相關(guān)監(jiān)測資料，本文在參數(shù)率定時未考慮該月的蒸散發(fā)過程。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗證

利用遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，基于粒子群算法［25］對2020年望都站的蒸散發(fā)過程進行模型參數(shù)率定。在算法參數(shù)的設(shè)定上，初始種群個數(shù)設(shè)為50，最大迭代次數(shù)設(shè)為20，對f和gsx的取值區(qū)間分別為［0.05，1］和［0.002，0.05］。表1 給出了對PML 模型加入冠層截留模塊前后望都站模擬效果的對比情況，兩次參數(shù)率定均采用相同的初始種群個數(shù)及迭代次數(shù)。從中可以看出，在加入冠層截留過程后，PML模型在望都站gsx的最優(yōu)取值下降了0.001，實測值與模擬值的NSE 由0.68 上升到0.70，模擬精度進一步得到提升。

表1 模型改進前后參數(shù)率定結(jié)果Tab.1 The parameter calibration results of different PML model

在考慮冠層截留的模擬方案中，f的率定值為1，表明在2020年望都站的土壤相對濕潤。圖2 給出了望都站蒸散發(fā)模擬值與觀測值的散點對比情況，二者的相關(guān)系數(shù)R2約為0.71。整體上，PML 模型在望都站的模擬值與實測值具有較好的相關(guān)性。

圖2 望都站2020年蒸散發(fā)實測與模擬值對比Fig.2 The comparison of observed and simulated evapotranspiration of Wangdu in 2020

2.2 蒸散發(fā)及其組分的年內(nèi)變化特征

望都站2020年各蒸散發(fā)組分的變化過程如圖3所示。在2020年，土壤蒸發(fā)占總蒸散發(fā)的比重最大，年總量為485.05 mm，約占總蒸散發(fā)的60.52%。同時，土壤蒸發(fā)具有較為明顯的季節(jié)特征，在秋冬地表裸露時，土壤蒸發(fā)整體大于植被散發(fā)，而在6月作物收割后，土壤蒸發(fā)達到年內(nèi)最大值。而在作物生長期（4-5月和7-9月），地表受植被遮擋，抑制了土壤蒸發(fā)過程，此時植被散發(fā)整體高于土壤蒸發(fā)。在植被散發(fā)方面，望都站2020年的植被散發(fā)量為291.28 mm，約占總蒸散發(fā)的36.34%。植被散發(fā)主要集中在作物生長期內(nèi)，最大值出現(xiàn)在7月份，此時雨熱豐沛，植被散發(fā)過程較為旺盛?？傮w上，土壤蒸發(fā)與植被散發(fā)的年內(nèi)變化趨勢與PML 模型在黑河流域的結(jié)果較為一致［10］，但與黑河流域植被散發(fā)占主導地位不同，本研究對望都站的分析顯示土壤蒸發(fā)比例更高，這可能與兩方面的因素有關(guān)：一是望都站地處溫帶季風氣候區(qū)，地表的水分供應更為充足；二是本研究采集的渦度相關(guān)數(shù)據(jù)在6月份缺失，可能對參數(shù)率定結(jié)果產(chǎn)生影響，使該月的土壤蒸發(fā)偏大。

圖3 望都站2020年各蒸散發(fā)組分變化過程對比Fig.3 The evapotranspiration components change of Wangdu in 2020

望都站的冠層截留蒸發(fā)最大值同樣出現(xiàn)在7月份，為0.60 mm/d，年總量為25.20 mm，占到全年蒸散發(fā)總量的3.14%，占全年總降水量的4.37%。冠層截留蒸發(fā)在全年總蒸散發(fā)中占比較小，這與望都站的地物類型有關(guān)。李博等［26］的研究表明，在郁閉度較高的生態(tài)系統(tǒng)中，冠層截留占總降水的10%～50%。望都站的土地利用以耕地為主，冠層覆蓋以季節(jié)性作物為主，對降水的截留能力相對較弱。

2.3 蒸散發(fā)能量組分的年內(nèi)變化特征

為進一步分析冠層截留對蒸散發(fā)能量分配過程的影響，圖4 給出了2020年全年望都站各蒸散發(fā)組分吸收能量的變化過程。由圖4可見，植被散發(fā)吸收能量Ac占凈輻射的大部分，約占全年凈輻射的53.79%；其次是As，占到全部凈輻射的44.71%；而冠層截留消耗的能量Ai最小，約占全部凈輻射的1.5%。若僅考慮有冠層截留發(fā)生日期的能量分配情況，Ac占比增至66.25%，As降至29.14%，Ai的占比上升為4.6%。與2.2小節(jié)相比，雖然植被散發(fā)量比土壤蒸發(fā)量小，但其在散發(fā)過程中吸收的能量Ac遠高于土壤蒸發(fā)吸收的能量As。這種現(xiàn)象集中體現(xiàn)在作物生長期內(nèi)，在4-5月和7-9月，Ac遠高于As和Ai，表明在作物覆蓋條件下，凈輻射主要消耗于植被散發(fā)過程。將引入冠層截留模塊前后的As與Ac進行對比，對望都站2020年全部冠層截留日而言，As從444.71 MJ/m2下降到429.31 MJ/m2，下降比例為3.46%；Ac從1 028.34 MJ/m2降低到975.91 MJ/m2，降幅為5.10%。

圖4 望都站2020年各蒸散發(fā)組分能量過程變化圖Fig.4 The energy distribution of different evapotranspiration components of Wangdu in 2020

圖5 展示了冠層截留蒸發(fā)吸收能量Ai與降水及LAI的變化過程關(guān)系。從中可以看出，Ai與LAI的變化過程具有較好的一致性［圖5（b）］，Ai的變化與LAI的起伏基本一致，這在一定程度上與本文引入的冠層截留模型有關(guān)，也同時體現(xiàn)了植被特征對冠層截留蒸發(fā)的重要影響［27］。與LAI相比，Ai的變化過程與降水之間的一致性相對較弱［圖5（a）］，這是由于冠層截留對降水的響應較為復雜，除降水量大小外，冠層截留還受到雨強、降水歷時、降水連續(xù)性等因素的影響，此外風速等氣象條件也可通過改變冠層蒸發(fā)速率和冠層形態(tài)參數(shù)來影響冠層截留蒸發(fā)［28］。

圖5 望都站2020年冠層截留日Ai與降水及LAI變化過程圖Fig.5 The comparison between Ai and precipitation，LAI for canopy interception days of Wangdu in 2020

3 結(jié)論與展望

本文利用PML 模型對望都站2020年的蒸散發(fā)過程進行了模擬，并分析了冠層截留對蒸散發(fā)凈輻射分配過程的影響，研究得出的主要結(jié)論如下。

（1）PML 模型對望都站的蒸散發(fā)模擬取得較好精度，模擬值與實測值的NSE系數(shù)為0.7；在引入冠層截留模塊后，相同率定條件下的NSE系數(shù)進一步提高，模擬精度進一步得到改善。

（2）在望都站的各蒸散發(fā)組分中，土壤蒸發(fā)在年總蒸散發(fā)中占比最大，達60.52%；冠層截留蒸發(fā)的占比最小，約為3.14%。同時，各蒸散發(fā)組分均有明顯的季節(jié)變化特征，在非作物生長季，土壤蒸發(fā)占比較高；在作物生長季，植被散發(fā)和冠層截留量增大。

（3）冠層截留對望都站蒸散發(fā)過程中的凈輻射分配有一定影響，受冠層截留蒸發(fā)吸收能量的影響，對全部冠層截留發(fā)生日而言，植被散發(fā)和土壤蒸發(fā)吸收輻射分別降低了5.10%和3.46%，考慮冠層截留對蒸散發(fā)過程的影響，對PML模型精度的進一步改善有借鑒意義。

需要指出的是，部分月份實測數(shù)據(jù)的缺失可能對PML 模型參數(shù)率定的結(jié)果產(chǎn)生影響，進而影響對全年尺度蒸散發(fā)各分項的模擬精度。同時，與PML 模型在站點尺度上的相關(guān)研究類似［10，13］，本文得到的f較大，會影響土壤蒸發(fā)量在全年蒸散發(fā)中所占的比重。后續(xù)需要開展基于下墊面條件的PML 模型敏感參數(shù)的物理解析方法，分析不同參數(shù)化方案對蒸散發(fā)模擬精度的影響?！?/p>