基于时变增益模型的水、能、碳耦合数值模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于时变增益模型的水、能、碳耦合数值模拟方法及系统，方法包括：S1：接收气象数据及土壤植被下垫面类型数据；S2：初始化预设第一时间段内的平均冠层温度、地表温度，获得冠层及地表的净辐射通量；S3：构建光合作用/气孔导度耦合模型，进行植被动态碳同化模拟；S4：基于双源蒸散发模型获得蒸散发各组分；S5：将蒸散发各组分、截留后降水、第一时间段内土壤含水率输入后的时变增益产流模型，迭代得土壤含水率；S6：获取冠层、土壤潜热通量、冠层、土壤感热通量、土壤热通量，构建能量平衡模型，得到冠层平均温度。本发明专利技术能实现一定时段内水量、能量、碳通量的计算平衡，从而消减了能量及物质不平衡带来的计算偏差。

【技术实现步骤摘要】
基于时变增益模型的水、能、碳耦合数值模拟方法及系统
本专利技术涉及水文学与生态学的交叉领域，具体而言，是一种基于时变增益模型的水、能、碳耦合数值模拟方法。
技术介绍
研究陆地水循环、地表能量平衡和生态系统碳循环的水、能、碳耦合过程，是准确认识变化环境下陆地生态水文的耦合机制特征，实现流域水、碳资源管理的重要基础，对于流域水资源综合管理、作物高效灌溉、生态系统稳定具有重要作用。陆地水、能、碳耦合研究常用的方法有基于稳定同位素技术、涡度相关技术、树干液流液流技术的试验观测方法、基于遥感反演产品以及基于生态水文模型的数值模拟。试验观测由于其往往在生态系统通量站个体，在区域尺度往往受到限制；基于遥感反演产品的估算一般范围较大，难以获取长时间连续观测序列；因此基于生态水文模型的模拟方法仍然是研究陆地水、能、碳耦合过程的主要手段。在现有技术中，一方面传统的水文模型一般注重流域水循环过程，对于生态过程往往描述不足，同时生态模型在水文过程的描述也欠缺，这种忽略植被—水文的相互作用机理的模型描述，导致生态水文的耦合是松散的耦合关系，当这种松散耦合模型用于生态水文要素模拟及特征研究时，将直接导致生态水文水、能、碳模拟的偏差；另外一方面这些模型大多以各自领域为切入点，未充分考虑蒸散发过程联系的水～能～碳的平衡机制，导致由于物质和能量的不平衡而影响计算的准确度。基于此，仍然需要通过基于物理机制来进一步完善生态水文水量、能量、碳通量耦合模拟的方法。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术针对水、能、碳耦合模拟的难点问题，本专利技术的目的之一在于提供一种基于时变增益模型的水、能、碳耦合数值模拟方法，该方法能实现一定时段内水量、能量、碳通量的计算平衡，从而消减了能量及物质不平衡带来的计算偏差。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种基于时变增益模型的水、能、碳耦合数值模拟方法，包括以下步骤：S1：接收气象数据及土壤植被下垫面类型数据；S2：初始化预设第一时间段内的平均冠层温度、地表温度，获得冠层及地表的净辐射通量；S3：同时初始化所述第一时间段内的土壤含水率平均值，根据土壤含水率、光合作用、碳通量的平衡构建光合作用/气孔导度耦合模型，进行植被动态碳同化模拟；所述光合作用/气孔导度耦合模型为：其中，Ac为羧化速率限制的净光合作用率，Aj和As为RuBP再生限制的净光合作用率和最大净同化速率，gc为水汽的冠层导度，a1为经验系数，cs叶片表面的CO2浓度，Γ*为CO2补偿点，ca为大气中CO2浓度，ci为叶肉细胞间隙的CO2浓度，D为叶片表面的饱和水汽压差，Dx为表征气孔对敏感性的经验系数，g0为最小的冠层导度，gsba,CO2是大气到胞内CO2之间的导度，β1为经验系数、β2为经验系数、A为光合作用速率、Ap为光合作用速率计算中间值；S4：根据光合作用/气孔导度耦合模型得到的水汽的冠层导度，与土壤含水率基于双源蒸散发模型获得蒸散发各组分；所述蒸散发各组分包括植被蒸腾、冠层截留蒸发量和土壤蒸发量；S5：将所述蒸散发各组分、截留后降水、第一时间段内土壤含水率输入时变增益产流模型，并迭代获得土壤含水率，当迭代过程中的前后两次含水率土壤误差小于第一预设误差时，停止迭代，否则重复步骤S3-S4；S6：获取冠层潜热通量、土壤潜热通量、冠层感热通量、土壤感热通量、土壤热通量，构建能量平衡模型，迭代得到冠层平均温度、土壤平均温度，当前后两次迭代得到的所述冠层平均温度、土壤平均温度均小于第二预设误差时，停止迭代，否则重复步骤S2-S5。进一步地，能量平衡模型为：Rnc为到达冠层的净辐射通量，Rns为到地表的净辐射通量，Tc为冠层温度，ρw为水的密度，λ为蒸发潜热，Ec为植被蒸腾，Ei为冠层截留蒸发量，Hc为冠层的感热通量，Hs为土壤感热通量，G为传入土壤中的热通量，Es为土壤蒸发量，Ts为土壤温度，Cv和Cgs分别为冠层和土壤的有效热容量。进一步地，所述气象数据包括降水、最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、平均风速、短波辐射、长波辐射、CO2浓度；土壤植被下垫面类型数据包括土壤厚度、饱和含水率、田间持水率、饱和水力传导度、反照率。进一步地，所述步骤S4具体包括：根据所述光合作用/气孔导度耦合模型得到的水汽的冠层导度求导得到水汽的冠层阻抗；同时根据土壤含水率得到土壤阻抗；水汽的冠层阻抗、土壤阻抗构建双源蒸散发模型，通过下式得到蒸散发各组分：其中，rc为冠层阻抗，rs为土壤阻抗，Wi为土壤含水率，Wf为土壤田间持水率，a、b、c均为参数，Ec、Ei、Es分别为植被蒸腾、冠层截留蒸发量和土壤蒸发量，ρw为水的密度，λ为蒸发潜热，Δ为饱和水汽压-温度曲线的梯度，ρ为空气密度，Cp为空气的定压比热，G为传入土壤中的热通量，γ为干湿球常数，Wfr为湿润面积比例，rac为冠层表面边界层阻抗，ras为土壤表面边界层阻抗，D0为水汽压差，Wc为冠层截留水量，ET为总蒸发量，Rnc为到达冠层的净辐射通量，Rns为到地表的净辐射通量。进一步地，所述步骤S5中通过以下方式获得土壤含水率：其中，P为降水，Wi+1和Wi分别为第一时间段末和第一时间段初土壤含水量，g1和g2为时变增益产流因子，WM为饱和含水量，Kr为土壤水出流系数，ETi为潜在蒸散发，W为时段平均土壤含水率，F(W)为函数表达式，Wj+1为第j+1次迭代土壤含水率，Wj为第j次迭代土壤含水率，F(Wj)为函数表达式，F′(Wj)为F(Wj)的导数。进一步地，通过以下方式获取冠层潜热通量LEc、土壤潜热通量LEs、冠层感热通量Hc、土壤感热通量Hs、土壤热通量G：LEc＝ρwλ(Ec+Ei),LEs＝ρwλEs其中，Cp为空气的定压比热，rac为冠层表面边界层阻抗，ra为空气动力学阻抗，Tc为冠层温度，Ts为土壤温度，Ta为空气温度，Tgs为地表温度，Tc为冠层温度，Ta为空气温度，Tgs为地表温度，ρw为水的密度，λ为蒸发潜热，Ec为植被蒸腾，Ei为冠层截留蒸发量，Hc为冠层的感热通量，Hs为土壤感热通量，G为传入土壤中的热通量，Es为土壤蒸发量，Ts为土壤温度，Ts,1、Ts,2分别为土壤在深度z1和z2处的温度，k1和k2为系数。本专利技术的目的之二在于提供一种基于时变增益模型的水、能、碳耦合数值模拟系统，该系统能用于精确的对水文过程、植被动力过程的整体系统进行模拟。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种基于时变增益模型的水、能、碳耦合数值模拟系统，包括：数据获取模块，用于接收气象数据及土壤植被下垫面类型数据；碳通量模块，与所述数据获取模块相连，用于初始化预设第一时间段内的平均冠层温度、地表温度，获得冠层及地表的净辐射通量，同时初始化所述第一时间段内的土壤含水率平均值，根据土壤含水率、光合作用、碳通量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时变增益模型的水、能、碳耦合数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：接收气象数据及土壤植被下垫面类型数据；/nS2：初始化预设第一时间段内的平均冠层温度、地表温度，获得冠层及地表的净辐射通量；/nS3：同时初始化所述第一时间段内的土壤含水率平均值，根据土壤含水率、光合作用、碳通量的平衡构建光合作用/气孔导度耦合模型，进行植被动态碳同化模拟；/nS4：根据光合作用/气孔导度耦合模型得到的水汽的冠层导度与土壤含水率基于双源蒸散发模型获得蒸散发各组分；所述蒸散发各组分包括植被蒸腾、冠层截留蒸发量和土壤蒸发量；/nS5：将所述蒸散发各组分、截留后降水、第一时间段内土壤含水率输入时变增益产流模型，并迭代获得土壤含水率，当迭代过程中的前后两次含水率土壤误差小于第一预设误差时，停止迭代，否则重复步骤S3-S4；/nS6：获取冠层潜热通量、土壤潜热通量、冠层感热通量、土壤感热通量、土壤热通量，构建能量平衡模型，迭代得到冠层平均温度、土壤平均温度，当前后两次迭代得到的所述冠层平均温度、土壤平均温度均小于第二预设误差时，停止迭代，否则重复步骤S2-S5。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于时变增益模型的水、能、碳耦合数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：接收气象数据及土壤植被下垫面类型数据；
S2：初始化预设第一时间段内的平均冠层温度、地表温度，获得冠层及地表的净辐射通量；
S3：同时初始化所述第一时间段内的土壤含水率平均值，根据土壤含水率、光合作用、碳通量的平衡构建光合作用/气孔导度耦合模型，进行植被动态碳同化模拟；
S4：根据光合作用/气孔导度耦合模型得到的水汽的冠层导度与土壤含水率基于双源蒸散发模型获得蒸散发各组分；所述蒸散发各组分包括植被蒸腾、冠层截留蒸发量和土壤蒸发量；
S5：将所述蒸散发各组分、截留后降水、第一时间段内土壤含水率输入时变增益产流模型，并迭代获得土壤含水率，当迭代过程中的前后两次含水率土壤误差小于第一预设误差时，停止迭代，否则重复步骤S3-S4；
S6：获取冠层潜热通量、土壤潜热通量、冠层感热通量、土壤感热通量、土壤热通量，构建能量平衡模型，迭代得到冠层平均温度、土壤平均温度，当前后两次迭代得到的所述冠层平均温度、土壤平均温度均小于第二预设误差时，停止迭代，否则重复步骤S2-S5。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气象数据包括降水、最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、平均风速、短波辐射、长波辐射、CO2浓度；
土壤植被下垫面类型数据包括土壤厚度、饱和含水率、田间持水率、饱和水力传导度、反照率。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
根据所述光合作用/气孔导度耦合模型得到的水汽的冠层导度求导得到水汽的冠层阻抗；
同时根据土壤含水率得到土壤阻抗；
水汽的冠层阻抗、土壤阻抗构建双源蒸散发模型，通过下式得到蒸散发各组分：






其中，rc为冠层阻抗，rs为土壤阻抗，Wi为土壤含水率，Wf为土壤田间持水率，a、b、c均为参数，Ec、Ei、Es分别为植被蒸腾、冠层截留蒸发量和土壤蒸发量，ρw为水的密度，λ为蒸发潜热，Δ为饱和水汽压－温度曲线的梯度，ρ为空气密度，Cp为空气的定压比热，G为传入土壤中的热通量，γ为干湿球常数，Wfr为湿润面积比例，rac为冠层表面边界层阻抗，ras为土壤表面边界层阻抗，D0为水汽压差，Wc为冠层截留水量，ET为总蒸发量，Rnc为到达冠层的净辐射通量，Rns为到地表的净辐射通量。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中通过以下方式获得土壤含水率：












其中，P为降水，Wi+1和Wi分别为第一时间段末和第一时间段初土壤含水量，g1和g2为时变增益产流因子，WM为饱和含水量，Kr为土壤水出流系数，ETi为潜在蒸散发，W为时段平均土壤含水率，F(W)为函数表达式，Wj+1为第j+1次迭代土壤含水率，Wj为第j次迭代土壤含水率，F(Wj)为函数表达式，F′(Wj)为F(Wj)的导数。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下方式获取冠层潜热通量LEc、土壤潜热通量LEs、冠层感热通量Hc、土壤感热通量Hs、土壤热通量G：
LEc＝ρwλ(Ec+Ei),LEs＝ρwλEs






其中，Cp为空气的定压比热，rac为冠层表面边界层阻抗，ra为空气动力学阻抗，Tc为冠层温度，Ts为土壤温度，Ta为空气温度，Tgs为地表温度，Tc为冠层温度，Ta为空气温度，Tgs为地表温度，ρw为水的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾思栋，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：重庆;50