Page 130 - 水利学报2025年第56卷第3期

参数少、应用简单，被广泛用于各地区地表通量研究中。根据所采用经验关系式的不同又有多种参
数化方案，其中最简单的方法是将 Ｇ表示为 Ｒｎ的固定比例 ［１０ － １１］ 。裸土时 Ｇ?Ｒｎ值可达 ５０％，而在
稀疏冠层覆盖下，Ｇ与 Ｒｎ的关系会随光照而变化 ［１２ － １４］ 。因此 Ｃｈｏｕｄｈｕｒｙ等 ［１４］ 通过考虑冠层辐射衰
减，建立了 Ｇ?Ｒｎ与叶面积指数（ＬＡＩ）之间的指数关系，以反映植被生长对 Ｇ估算的影响。随后又有
学者在此基础上将模型拓展为 Ｇ?Ｒｎ与植被指数之间的幂函数关系 ［１５］ ，为 Ｇ的遥感估算提供了理论
基础，如 Ｂａｓｔｉａａｎｓｓｅｎ利用遥感地表温度、净辐射 Ｒｎ、表面反照率以及归一化植被指数（ＮＤＶＩ）建立
了半经验模型以估算 Ｇ ［１６ － １７］ 。Ｓｕ ［１８］ 则基于 Ｒｎ和植被覆盖度 ｆ将 Ｇ考虑为裸土和有植被覆盖部分的
ｃ
叠加。
上述模型在作物生育期内估算日尺度 Ｇ总为正值，但实际农田中该值可能为负 ［１３］ ，这可能是由
于农田局部气象的突然变化（例如降雨和气温骤变）会影响土壤表面温度，进而影响日尺度 Ｇ的测算。
因此，在利用田间实测值或卫星遥感数据进行灌区农田能量平衡计算时，考虑以上现象对于日尺度 Ｇ
的精准估算显得尤为重要。基于此，本文拟基于灌区农田实测与卫星遥感数据，通过考虑实际降雨和
气温变化的影响，修正和完善地表土壤热通量模型以精准估算日尺度 Ｇ，为地表能量平衡不闭合现象
的有效改善提供参考方法，并为大尺度精量遥感反演土壤热通量提供技术支撑。

２ 模型与修正

２．１ 半理论半经验模型 Ｃｈｏｕｄｈｕｒｙ等 ［１４］ 考虑了 Ｒｎ的冠层衰减，并将监测获取的 Ｒｎ与 Ｇ之间的直
接相关性扩展到考虑植被生长的影响，提出基于 Ｒｎ估算 Ｇ的半理论半经验模型：
Ｇ ＝ α ｅｘｐ（ － β ＬＡＩ）Ｒｎ （１）
式中：α为比例系数，通过拟合 Ｇ?Ｒｎ比率与 ＬＡＩ之间的关系确定；β为消光系数，表示光合有效辐射
在作物冠层内的衰减程度，β 值越大，辐射随冠层高度下降的衰减程度越大，下部叶片受光越少，郁
闭遮阴程度越高 ［１９］ ，各种作物的 β 范围为 ０．３７～０．９８ ［２０ － ２２］ ；ＬＡＩ为叶面积指数，ｅｘｐ（ － β ＬＡＩ）代表土壤
表面交换的净辐射比例。Ｃｈｏｕｄｈｕｒｙ等 ［１４］ 的春小麦试验中 α和 β 取值分别为 ０．４和 ０．５，但整个生育期
内其值是动态变化的，α和 β 取定值一定程度上会影响 Ｇ的准确度。
显然式（１）中 Ｇ的大小取决于 Ｒｎ的正负。Ｒｎ在不同时间尺度呈现的特征不同，其中小时尺度通
常表现为白天正值、夜晚负值 ［２３］ ；除高纬度的极端条件外，Ｒｎ日尺度总为正值 ［２４］ 。因此在小时尺度
估算中，式（１）能够捕捉到 Ｇ为负值的情况；而在日尺度，式（１）估算的 Ｇ总为正值，与实际情况中
日尺度 Ｇ可能出现负值不符 ［１３］ 。
２．２ 参数设计与公式修正 由于利用式（１）计算所
得作物生育期内日尺度 Ｇ恒大于 ０ ［２４］ ，而在气温骤
降，或降雨时一部分被冠层截留，剩余部分通过冠
层间隙或株间落入土壤表面，导致土壤表面温度降
低，深层土壤温度高于表面温度，会 造成 日尺度 Ｇ
为负值（图 １）。基于 此，这 里选 用影响农田能 量分
配的关键变量 ｆ来解析和表达降雨和气温对无植被
ｃ
覆盖及植被覆盖下的 Ｇ产生的影响和效果；并设计
降雨因子 Ｐ′和气温因子 Ｔ′引入式（１）以修正日尺度 Ｇ 图 １ 降雨和气温变化对土壤热通量影响示意图
的估算，如下：
Ｐ′ ＝ １ － ｌｎ （１ ＋ Ｐ） （２）
( ( Ｔ ｍ ))
Ｔ′ ＝ ｚ１ － ｅｘｐ － １ （３）
Ｔａ
ｍａｘ
Ｇ ＝ α ｅｘｐ（ － β ＬＡＩ）Ｒｎ（（１ － ｆ）Ｐ′ ＋ ｆＴ′） （４）
ｃ ｃ

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