蒸散是水循环的重要环节，当前蒸散建模多针对植物类型率定特征参数，限制了模型时空外推的可靠性。清华大学地学系王焓研究组基于生态演化最优性，引入叶片气孔对于气象条件的适应规律，开发并论证了一种具有普适性的蒸散模型，以期为蒸散估算和陆面模式发展提供方法支持。

蒸散包括植物蒸腾和非生物蒸发两个主要组分，代表陆表水分汽化并扩散至大气边界层的速率，是流域水循环研究的重要过程。同时，蒸散和降水的关系也是诊断作物生长状态、预测植物生长约束的重要依据。深入理解蒸散过程并准确计算地表蒸散对于全球气候变化背景下的预测研究具有重要意义。

Penman-Monteith（PM）公式是目前蒸散估算的方法之一，可利用遥感观测数据实现对地表蒸散的多尺度观测。该公式使用气孔导度来描述叶片气孔的开闭程度。作为连接植物体内外的通道，气孔的开闭程度直接影响着蒸腾和蒸散速率。同时，叶片气孔还是二氧化碳分子扩散的通道。因此，以往研究基于光合作用与蒸腾的密切关系提出了基于水碳耦合原理的思路，以估算PM公式中的气孔导度。然而，已有方法在空间拓展研究中常结合遥感分类产品，将属性相同或相近的地表对象划分为同一类别（或植被功能型）作为基本单元。这种做法为每个类别标定典型数值作为该类别的特征参数，以刻画其对于环境要素的响应敏感性。这导致其忽略了地物属性在空间上的连续变化，可能引起空间外推过程中的不确定性，同时限制了模型对于未来预测的可靠性。因此，发展具有普适性的蒸散估算模型对改进地球系统模式水循环模块、以及评估气候变化对植被生长的约束等工作具有重要意义。

为实现该目标，研究组基于生态演化最优性理论，假设植物能够适应气象条件的变化调整气孔导度以实现净碳收益最大化，即单位水分消耗下的碳收益趋近于一个边际最优值。研究以MODIS遥感观测资料作为输入，构建了具有普适性的蒸散估算模型；同时将该模型部署到Google Earth Engine云计算平台，并筛选了全球分布的FLUXNET站点观测资料、径流资料，以实现对模型的多尺度验证（图1）。成果以“Towards a universal evapotranspiration model based on optimality principles”为题，近期在国际学术期刊Agricultural and Forest Meteorology《农林气象学》上发表。

图1 研究使用的FLUXNET通量站点与流域空间分布。背景为实际蒸散与潜在蒸散的比值，代表环境干燥程度。

研究通过站点尺度的对比实验发现，模型能够准确估算地表周尺度蒸散量。模型与通量观测资料的对比结果相关系数r值为0.81（图2），并且能够捕捉蒸散在时间维度上的变化趋势及对空气干燥程度和降水的响应。同时，模型在不同生态系统类型的通量站点精度表现稳定，与观测记录相关系数普遍优于0.7，估算结果相对均方根误差普遍低于40%（图3）。另外，全球不同气候类型的流域水平衡分析结果也表明，模型在空间外推过程中表现稳定（图4），并且获得了与其他主流全球蒸散产品一致的时空格局。

图2 模型估算ET与站点观测对比散点密度图。

图3 不同生态系统类型站点模型估算结果相关系数与均方根误差。生态系统类型代码参考IGBP分类系统。

图4 流域水平衡验证结果。其中图a使用GRDC提供的水文站点观测径流资料；图b使用GRUN提供的再分析径流资料。

上述结果表明，本研究构建的普适性蒸散模型具有坚实、清晰的理论基础，有效避免了特征参数对于模型应用的限制。模型估算结果精度可靠，且在空间外推中表现稳定，能够为后续开展相关研究提供支撑。

研究组前成员谭深博士为论文第一作者，研究组PI王焓副教授为论文通讯作者；清华大学、中科院地理所、布里斯托大学等单位研究者为论文合作者。本工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192323001697

供稿：谭深

编辑:王佳音

审核：张强