Page 129 - 水利学报2025年第56卷第3期

水 利 学 报

２０２５年 ３月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５６卷 第 ３期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２５）０３ － ０４１１ － １２

考虑降雨和气温变化对土壤热通量估算模型的修正

常宏芳 １，２ ，蔡甲冰 １，２ ，肖春安 １，３ ，张宝忠 １，２ ，许 迪 １，２
（１．中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；
２．国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京 １０００４８；
３．武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 ４３００７２）

摘要：土壤热通量是地表能量平衡中的分量之一，对于农田和区域生态水文过程水分收支的准确估算有着重要影
响。土壤热通量估算中，常用的半理论半经验公式在作物生育期内日尺度计算结果恒为正值，不符合田间实际观
测结果。本文设计特定参数来量化降雨和气温变化的影响，修正了考虑植被生长的土壤热通量估算模型。利用内
蒙古河套灌区向日葵和北京大兴试验站冬小麦 － 夏玉米生育期实测数据，对修正模型关键参数进行率定和验证；
结合遥感反演的植被覆盖度，利用全球通量网 ＦＬＵＸＮＥＴ提供的美国玉米大豆轮作和韩国水稻站点实测日尺度土
壤热通量数据对修正模型进行校核及应用。结果表明：（１）通过引入降雨及气温因子，修正模型考虑了田间气象
变化对土壤热通量的影响，能有效估算作物生育期内日尺度土壤热通量为负值的情况；（ ２）模型估算各地区不同
作物农田多年土壤热通量与实测值相一致，二者之间的决定系数、均方根误差、一致性系数及平均相对误差范围
２
分别为 ０．５４～０．６３、３．３０～１１．７０Ｗ?ｍ 、０．８２～０．８８和 － １３．４％～１１．７０％；（３）利用蒙特卡罗法得到修正模型中关键
参数，α和 ｚ分别推荐为 ０．１和 １０～２０；（４）指标敏感性分析表明，气温对修正模型的影响程度较大，其每变化 １℃
可使土壤热通量估算值变动 １０％～２５％。研究结果为改善地表能量平衡不闭合现象提供了参考方法，并为大尺度
精量遥感反演获取土壤热通量提供了技术支撑。
关键词：土壤热通量；灌区；空气温度；降雨；能量平衡
＋
文献标识码：Ａ
中图分类号：Ｓ１６１．２１ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０３５１
１ 研究背景

土壤热通量（Ｇ）作为地表能量平衡中的分量之一，是表征土壤表面能量交换的因子 ［１ － ２］ 。Ｇ的实
际观测受到地表状况和植被的影响，这些因素带来的不确定性以及可能造成的数值误差也是地表能量
平衡不闭合现象的可能原因之一 ［３ － ４］ 。因此精确量化 Ｇ对于提高能量闭合度、理解植被生态及陆表水
文过程具有重要意义。
目前 Ｇ的确定方法大致可分为三类。（１）基于热传导方程并通过土壤温湿廓线积分来获取地表土
壤热通量，如 ＰｌａｔｅＣａｌ（ＣｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆＨｅａｔＦｌｕｘＰｌａｔｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓａｎｄＣａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）法和 ＴＤＥＣ（Ｔｈｅｒｍａｌ
［５］
ＤｉｆｆｕｓｉｏｎＥｑｕａｔｉｏｎａｎｄＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ）法。前者将土壤储存热积分叠加至热通量板观测结果上得到 Ｇ ；后
［６］
者利用地表和土壤深层的观测温度作为方程边界条件，求解土壤温度廓线后积分得到 Ｇ 。（２）根
据土壤温度的振幅、相位随土壤深度的变化特点来推算 Ｇ，如谐波法 ［３］ 和热传导对流法 ［７］ 。这两类
方法虽然在估算 Ｇ时取得了较高的精度，但公式复杂、输入参数较多，因而推广应用受限。（３）通
过建立土壤热通量与同步监测的净辐射（ Ｒｎ）之间的半理论半经验关系以估算 Ｇ ［８ － １０］ 。该方法因所需

收稿日期：２０２４ － ０６ － ０７；网络首发日期：２０２４ － １２ － ３０
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４１２２７．１１５４．００３
基金项目：国家自然科学基金项目（５２１３０９０６，５１９７９２８６）；内蒙古科技兴蒙项目（ＮＭＫＪＸＭ２０２２０８ － ３，ＮＭＫＪＸＭ２０２３０１ － ３）
作者简介：常宏芳（ １９９５ － ），博士生，主要从事灌区农业遥感与蒸散发估算研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｃｈａｎｇｈｆ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
通信作者：蔡甲冰（１９７６ － ），教授级高级工程师，主要从事灌区灌溉用水管理理论与技术研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｃａｉｊｂ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
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