基于表面更新(Surface Renewal, SR)法的葡萄园与扁桃园湍流通量估算——并行方案的应用

《Atmosphere》：Parallel Surface Renewal for Estimating Turbulent Fluxes in Vineyards and Almond Orchards

　　

西班牙东南部半干旱的拉曼查（La Mancha）地区是世界上葡萄园分布最密集的区域，也是扁桃树种植面积最大的区域之一，葡萄与扁桃是该地区重要的经济来源。双源能量平衡（Two-Source Energy Balance, TSEB）模型可辅助水资源管理，此前已有研究在葡萄园和扁桃园中测试了基于莫宁–奥布霍夫相似理论（Monin–Obukov Similarity Theory, MOST）并行方案的简化双源能量平衡（Simplified TSEB, STSEB）模型来估算感热通量（sensible heat flux, H）与潜热通量（latent heat flux, LE）。本研究提出一种基于表面更新（Surface Renewal, SR）理论的方法，以低频温度测量为输入对感热通量进行分配，该方法在不稳定层结下比并行MOST法及串/并行SR+MOST组合更简便。研究目的是在并行方案框架下比较MOST与SR模型。2014年和2015年生长季，研究人员在面积为4 ha、滴灌栽培的丹魄（Tempranillo）葡萄园开展观测，以涡度相关（eddy covariance, EC）系统测得的小时感热通量及9 m2整体大型称重式蒸渗仪（lysimeter）记录的蒸散量（evapotranspiration, ET）为参照。ET估算采用能量平衡方程残差法（residual method, RE），分别以HSR、HMOST和HEC估算感热通量得到ETSR-RE、ETMOST-RE和ETEC-RE。感热通量方面，SR法2014年与2015年的一致指数（index of agreement, IA，以%计）分别为93%和83%，MOST法分别为84%和78%，SR法提升6%～10%。蒸散方面，ETSR-RE与ETMOST-RE两年表现相近（IA约88%），ETEC-RE结果最优（2014年92%，2015年89%）。此外，2017年生长季以扁桃园的半小时EC通量为参照，SR感热通量表现优于MOST（IA分别为93%与86%）；潜热通量方面残差法最优，SR与MOST残差法IA分别为81%与78%。综上，SR法总体优于MOST法，尤其在不稳定条件下且风速高于1 m s?1时表现更佳。

论文解读：《Parallel Surface Renewal for Estimating Turbulent Fluxes in Vineyards and Almond Orchards》（Atmosphere期刊发表）

一、研究背景与意义

在气候变化背景下，准确估算作物实际蒸散（evapotranspiration, ET）对缺水地区的灌溉调度至关重要。西班牙卡斯蒂利亚–拉曼查（Castilla–La Mancha）地区夏季蒸发力强、降水稀少，水资源紧缺，优化灌溉用水管理十分迫切。目前潜热通量（latent heat flux, LE）常通过地表能量平衡残差法求得，即 LE = R_n? G ? H，其中净辐射（net radiation, R_n）与土壤热通量（soil heat flux, G）较易测定，感热通量（sensible heat flux, H）的估算精度直接决定LE及ET的准确性。涡度相关（eddy covariance, EC）是微气象学常用的湍流通量观测手段，但存在系统低估倾向；称重式蒸渗仪（weighing lysimeter）是ET直接测量的基准，但成本高且难大面积布设。传统双源能量平衡（Two-Source Energy Balance, TSEB）模型中H的估算多基于莫宁–奥布霍夫相似理论（Monin–Obukov Similarity Theory, MOST），需迭代求解且对下垫面参数敏感。表面更新（Surface Renewal, SR）理论利用高频或低频温度信号的相干结构特征估算H，在稀疏植被中有应用潜力。本研究在简化双源能量平衡（Simplified TSEB, STSEB）并行方案基础上，引入SR法估算H并与MOST法对比，验证其在半干旱区葡萄园和扁桃园中估算H与ET的适用性。

二、主要关键技术方法概述

研究人员于2014—2015年在西班牙Albacete附近4 ha东西行向滴灌丹魄（Vitis vinifera cv. Tempranillo）葡萄园（行距3 m、株距1.5 m，冠层高~1.5 m，植被覆盖度f_c=0.25–0.40），以9 m²大型称重式蒸渗仪实测ET及EC系统（CSAT3+LI-7500，高度2.5 m/3.5 m）测得H_EC为参照；2017年在11 ha幼龄扁桃（Prunus dulcis）园（株距6 m、行距7 m，树高~2.5 m，f_c=0.1–0.2）以EC半小时通量为参照。两地同步观测四分量净辐射（NR01）、土壤热通量板（HFP01SC，埋深8 cm）及土温/体积含水量、冠层与土壤红外辐射温度（SI-121经大气辐射传输方程校正）。STSEB模型按平行方案分配R_n与G，H分别用SR法（基于不稳定条件下相干结构停留时间τ及冠层/土壤温度振幅A_c、A_s）和MOST平行方案计算，LE通过残差法（Residual Method, RE）得 ET_SR-RE=(R_n?G)_Est?H_SR及 ET_MOST-RE。数据经去尖峰、坐标旋转、频率响应修正及低湍流筛选，评价指标含线性回归斜率/截距/R²、均方根误差（RMSE）及一致指数（Index of Agreement, IA，0–1）。

三、研究结果

4.1. Vineyards（葡萄园结果）

以H_EC和蒸渗仪ET_Lys为基准，2014年H_SR回归斜率近1（强制过原点0.98），截距可忽略，R²=0.78，RMSE=43 W m^?2，IA=93%；H_MOSTIA=84%。2015年因低风速（<1 m s^?1占比更高）导致SR略低估H，IA仍达83%（MOST为78%）。不稳定条件下H_SRRMSE为47 W m^?2（2014）和70 W m^?2（2015），优于H_MOST（58和84 W m^?2）。稳定条件因H值小且风速低，两法均变差。ET方面，ET_SR-RE与ET_MOST-REIA均约88%，与ET_Lys吻合度接近；以EC残差法ET_EC-RE为参照最优（IA 92%/89%，RMSE~0.09 mm h^?1）。表明在葡萄园中SR估算H略优于MOST，残差法ET精度主要取决于H精度。

4.2. Almond Orchard（扁桃园结果）

能量平衡闭合检验显示(R_n?G)_Est与(R_n?G)回归斜率0.99，R²=0.93，RMSE=50 W m^?2，IA=0.95，EC通量可信。H_SR与H_EC比较R²=0.80，斜率1.05，RMSE=43 W m^?2，IA=93%；H_MOSTR²=0.75，斜率0.85，RMSE=46 W m^?2，IA=90%，SR优于MOST。潜热通量以残差法（LE_SR-RE、LE_MOST-RE）优于直接SR/MOST分配，LE_SR-REIA=81%，LE_MOST-REIA=78%，残差法结合SR略占优。

四、讨论与结论总结（译文浓缩）

研究人员将基于MOST的原始简化双源模型以欧姆定律式并行方案应用于湍流通量估算，并以SR法替代MOST法进行感热通量分配，其余R_n分配、G及ET计算同原方法，SR与MOST输入要求相同。葡萄园中以EC测得H及蒸渗仪ET为参照，残差法得ET。不论风况如何，H_SR较H_MOST与H_EC吻合略好——2014年IA分别为93%与84%，2015年为83%与78%；ET_SR-RE与ET_MOST-RE表现相当。扁桃园中SR感热通量IA为93%（MOST为90%），潜热通量残差法中LE_SR-REIA=81%略优于LE_MOST-REIA=78%。鉴于EC多用于科研，SR可作为可行替代方案。总体而言，对于半干旱区滴灌葡萄园与幼龄扁桃园，SR法与MOST法相当或更优，但不具全面一致性优势；SR在不稳定条件及风速>1 m s^?1时表现较好，近静风稳定条件下两法均受限。