Performance comparison of the Penman-Monteith-based evapotranspiration models in a citrus orchard of Southwest China

技术摘要：基于 Penman-Monteith 的蒸腾蒸发模型在华西南柑橘园中的性能比较

问题陈述
准确估算作物蒸腾蒸发（ET）对于优化灌溉策略和确保农业可持续用水至关重要。虽然 Penman-Monteith（P-M）模型是植被茂盛生态系统的行业标准，但其经典的单源“大叶片”框架在柑橘园等异质景观中表现不佳。该模型无法将土壤蒸发（E）与植物蒸腾（T）分离，且将复杂的气孔响应简化为整体阻力项，这往往导致估算偏差，尤其是在植被稀疏或冠层分布不均的情况下。尽管已有研究提出双源模型和混合模型来解决这些局限性，但在亚热带果园生态系统中，仍缺乏针对不同时间分辨率（半小时至逐日）和物候阶段进行的模型性能严谨的多尺度比较研究，也缺乏对其结构驱动因子的定量敏感性分析。

研究方法
本研究利用了位于中国四川省邛雷市的一个砂糖橘（Citrus Tachibana）果园四年的涡度相关（EC）数据（2020–2023年）。研究评估了五种具有不同概念结构的 P-M 类 ET 模型：

1. Penman-Monteith (P-M)： 单源模型。
2. Shuttleworth-Wallace (S-W)： 双源分层模型。
3. Two-Patch (T-P)： 双源斑块模型，假设土壤和植被为独立的斑块。
4. 基于地形与植被的地表能量分配算法 (TVET)： 一种结合了 S-W 阻力网络与 T-P 聚合的混合模型。
5. 混合双源模型 (H-D)： 一种采用分层方案进行能量分配并利用斑块法进行通量聚合的模型，并纳入了大气稳定性校正。

模型性能在半小时、逐日以及特定生长阶段（开花/结果期、幼果期、果实膨大期和果实成熟期）进行了评估，使用的统计指标包括 $R^2$、RMSE、MAE 和一致性指数（$d_1$）。此外，还进行了全局敏感性分析，以量化关键阻力参数（冠层/叶片气孔阻力、空气动力学阻力、土壤阻力）和环境输入（辐射、温度、VPD、风速、土壤含水量和叶面积指数）对模拟 ET 的影响。

主要结果

• 时间尺度性能： 模型性能随时间分辨率的变化而显著不同。在半小时尺度上，H-D 模型达到了最高的精度（$R^2 = 0.84$，RMSE = 0.038 mm·0.5h⁻¹），能够有效重现日变化循环。S-W 模型在正午时段表现出系统性的高估。在逐日尺度上，基于斑块的模型（T-P、TVET、H-D）的表现始终优于单源（P-M）和分层（S-W）模型。H-D 模型再次展示了卓越的准确性（$R^2 = 0.91$，RMSE = 0.47 mm·d⁻¹），且平均低估程度极小（1.63%）。
• 物候敏感性： 模型效能取决于生长阶段。H-D 模型在开花/结果期和果实成熟期表现优异。相反，较简单的 T-P 模型在果实膨大期表现最好（$R^2 = 0.88$），这表明在土壤蒸发受到抑制的浓密冠层条件下，复杂的阻力网络可能会带来收益递减或引入额外的误差。
• 敏感性分析： 在 P-M 模型中，模拟 ET 对冠层阻力（$r_c$）最敏感；而在其他模型中，则对叶片气孔阻力（$r_{sc}$）最敏感；这些参数减少 20% 会导致 ET 增加 3.71%–7.41%。在环境输入方面，土壤含水量（SWC）是最敏感的因素，SWC 增加 20% 会导致各模型间 ET 产生 10.43% 至 32.27% 的波动。S-W 模型对叶面积指数（LAI）的敏感性最高，LAI 减少 20% 会导致 ET 减少 11.38%，而基于斑块的模型由于蒸腾与蒸发的补偿性权衡，表现出较低的敏感性。

核心贡献
本研究对亚热带果园中的 P-M 模型家族进行了系统的多尺度评估，不仅停留于简单的性能排名，更深入探讨了模型行为背后的结构性原因。研究确定了 H-D 模型是异质果园环境中最稳健的选择，因为它整合了大气稳定性校正和双源能量分配。此外，研究表明模型选择应具有上下文依赖性：虽然 H-D 模型通常更为优越，但在冠层浓密的时期，较简单的基于斑块的模型（如 T-P）可能更为高效且足够使用。敏感性分析进一步解构了这些模型对特定阻力参数和环境强迫的依赖关系，强调了 SWC 和气孔阻力是主要的误差来源。

意义
研究结果为亚热带果园生态系统中的模型选择与改进提供了机制依据。通过确定适用于特定时间及物候背景的最佳模型，本研究支持了更精准的柑橘生产水分管理与灌溉策略。该研究强调了准确参数化植物生理响应和土壤水力过程对于降低 ET 估算误差的必要性，最终有助于提高水分利用效率及区域水资源管理水平，助力水敏感型农业系统。