一種優(yōu)化陸面過程模式的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星遙感領(lǐng)域，尤其涉及一種利用陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)同化值優(yōu)化陸面過程模式的方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]陸面過程研究主要用模擬和觀測兩種手段獲得陸面變量時空分布。其中，陸面過程是指能夠影響天氣和氣候變化的發(fā)生在陸地表面(包括生物圈)和土壤中控制地氣之間動量、熱量及水分交換的過程；陸面變量包括地表和根區(qū)土壤水分、溫度、能量通量等物理量；用于模擬的方法即陸面過程模式。由于陸面變量的高度異質(zhì)性以及陸表觀測條件的限制，目前無論用觀測還是模擬的手段都無法獲得一套完整、可靠、大范圍、長時間序列的陸表變量時空分布數(shù)據(jù)，能夠應(yīng)用于大氣環(huán)流模式和區(qū)域氣候模式中。陸面過程模式參數(shù)是運用陸面過程模式計算陸面變量時要使用的系數(shù)，例如在陸面過程模式參數(shù)化方案之一的土壤水參數(shù)化方案中，所述陸面過程模式參數(shù)包含飽和水力傳導(dǎo)率、飽和土壤濕度、飽和土壤水勢、Clapp和Hornberger經(jīng)驗常數(shù)等。
[0003]陸面數(shù)據(jù)同化就是利用各種觀測數(shù)據(jù)(包括不同空間和時間分辨率的地面常規(guī)觀測、衛(wèi)星遙感、雷達(dá)數(shù)據(jù)等)，結(jié)合陸面過程模式和數(shù)據(jù)同化算法，優(yōu)化計算陸面變量時空分布。陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)(觀測數(shù)據(jù)、陸面過程模式輸入數(shù)據(jù)和陸面過程模式輸出數(shù)據(jù))、預(yù)報算子、觀測算子、誤差估計和數(shù)據(jù)同化算法等。所述預(yù)報算子用來描述地氣系統(tǒng)之間水分、熱量和動量交換的作用過程，通常為陸面過程模式；所述觀測算子用來建立陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)(下文簡稱“輸出數(shù)據(jù)”)和觀測數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，當(dāng)觀測數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的物理意義一致時，觀測算子可以認(rèn)為是插值算法，用于把輸出數(shù)據(jù)內(nèi)插到觀測點；當(dāng)觀測數(shù)據(jù)為遙感數(shù)據(jù)、與輸出數(shù)據(jù)的物理意義不一致時，觀測算子通常使用地表微波輻射傳輸模型，將輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星的觀測量(比如地表微波輻射亮度溫度值)；數(shù)據(jù)同化算法耦合預(yù)報算子、觀測算子，在考慮預(yù)報誤差和觀測誤差的基礎(chǔ)上，利用觀測數(shù)據(jù)對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)校正。本說明書中，將校正后的輸出數(shù)據(jù)稱為輸出數(shù)據(jù)同化值。
[0004]但是，現(xiàn)有的陸面數(shù)據(jù)同化過程通過預(yù)報算子和各種觀測算子各自誤差加權(quán)的方式實現(xiàn)優(yōu)化，只是一種數(shù)學(xué)意義上的優(yōu)化，沒有提高陸面過程模式自身的預(yù)報能力，同化過程中對陸面過程模式輸出結(jié)果進(jìn)行校正時需要進(jìn)行大量的計算，效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)陸面數(shù)據(jù)同化技術(shù)對陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行校正時需要進(jìn)行大量計算，效率低的技術(shù)問題，提出了一種優(yōu)化陸面過程模式的方法:
[0006]本發(fā)明所述優(yōu)化陸面過程模式的方法包括如下步驟:
[0007]S1、利用陸面過程模式輸入數(shù)據(jù)，運行陸面過程模式，計算陸面變量的模擬值，生成陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)；
[0008]所述陸面過程模式輸入數(shù)據(jù)包含大氣強迫數(shù)據(jù)和地表參數(shù)；
[0009]S2、用數(shù)據(jù)同化算法校正所述陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)，得到輸出數(shù)據(jù)同化值；
[0010]S3、構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，將所述輸出數(shù)據(jù)同化值引入所述陸面過程模式中，通過數(shù)值優(yōu)化方法改變陸面過程模式參數(shù)值使所述目標(biāo)函數(shù)值最??；
[0011]所述目標(biāo)函數(shù)值最小時對應(yīng)的陸面過程模式參數(shù)，作為陸面過程模式參數(shù)優(yōu)化值；
[0012]S4、對歷史范圍內(nèi)(如過去的某一年)多個時段(如該年的各月份)重復(fù)步驟SI?S3，得到陸面過程模式參數(shù)優(yōu)化值時間序列；用所述陸面過程模式參數(shù)優(yōu)化值時間序列代替原有的陸面過程模式參數(shù)，形成優(yōu)化參數(shù)化方案的陸面過程模式。
[0013]進(jìn)一步地，本發(fā)明使用所述優(yōu)化參數(shù)化方案的陸面過程模式和擬研究時段的所述陸面過程模式輸入數(shù)據(jù)，直接計算得出擬研究時段的陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)。
[0014]所述大氣強迫數(shù)據(jù)包含近地面氣溫、近地面氣壓、近地面空氣比濕、近地面全風(fēng)速、地面向下短波輻射、地面向下長波輻射、地面降水率。
[0015]所述地表參數(shù)包含地表覆蓋類型及其所占的比例、土壤質(zhì)地比例、葉面積指數(shù)；所述土壤質(zhì)地指砂土或粘土。
[0016]所述步驟SI進(jìn)一步包含:陸面過程模式的起轉(zhuǎn)過程(Spin-up):用擬研究時段以前的所述陸面過程模式輸入數(shù)據(jù)運行所述陸面過程模式獲得模式平衡狀態(tài)；以所述模式平衡狀態(tài)為初始條件，用擬研究時段的所述陸面過程模式輸入數(shù)據(jù)，運行所述陸面過程模式計算所述陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)。
[0017]優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)同化算法包含變分法、集合Kalman濾波算法、擴展Kalman濾波算法、粒子濾波算法中至少一種。
[0018]所述步驟S2中，可選擇地，所述數(shù)據(jù)同化算法使用陸面變量模擬數(shù)據(jù)和陸面變量觀測數(shù)據(jù)的偏差來校正陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)。
[0019]所述步驟S2中，可選擇地，所述數(shù)據(jù)同化算法使用模擬的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與觀測的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的偏差來校正陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)；所述模擬的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是運用地表微波輻射傳輸模型對所述陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得到。
[0020]優(yōu)選地，所述步驟S3中，所述目標(biāo)函數(shù)為均方根誤差函數(shù)。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述步驟S3中，所述數(shù)值優(yōu)化方法是復(fù)合形混合演化算法(SCE-UA)。
[0022]本發(fā)明所述方法優(yōu)化了陸面過程模式參數(shù)化方案中的參數(shù)值，從物理機制上改進(jìn)和完善了陸面過程模式參數(shù)化方案，提高了陸面過程模式自身的預(yù)報精度。與現(xiàn)有陸面數(shù)據(jù)同化技術(shù)相比，本方法規(guī)避了逐年同化計算量大、耗時長的問題，尤其是在利用陸面過程模式與大氣模式耦合的陸-氣耦合模式進(jìn)行氣候模擬與預(yù)測時，本發(fā)明所述方法提高計算效率的優(yōu)勢更為顯著。本發(fā)明能夠促進(jìn)遙感在地球系統(tǒng)科學(xué)和全球變化研究中的應(yīng)用。
【附圖說明】
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[0023]圖1是優(yōu)化陸面過程模式的方法流程圖。
[0024]圖2是同化站點觀測數(shù)據(jù)優(yōu)化陸面過程模式的實施例。
[0025]圖3是同化衛(wèi)星遙感觀測數(shù)據(jù)優(yōu)化陸面過程模式的實施例。
【具體實施方式】
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[0026]下面結(jié)合附圖，說明本方法的實施方式。
[0027]圖1所示本發(fā)明優(yōu)化陸面過程模式的方法的流程圖，包含以下步驟:
[0028]S1、利用陸面過程模式輸入數(shù)據(jù)，運行陸面過程模式，計算陸面變量的模擬值，生成陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)；
[0029]步驟SI的計算過程簡記為:
[0030]陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)=陸面過程模式(參數(shù)值，陸面過程模式輸入數(shù)據(jù))公式I
[0031]公式I中，所述陸面過程模式輸入數(shù)據(jù)包含大氣強迫數(shù)據(jù)和地表參數(shù)；所述陸面過程模式包括但不限于通用陸面過程模式(CLM)、可變下滲能力模式(VIC)、公用陸面模式(CoLM)、簡單生物圈模式(SiB2)、生物圈-大氣傳輸方案(BATS)等；所述陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)是陸面變量的模擬值，例如陸面過程模式的土壤水參數(shù)化方案所計算出的陸面變量為土壤濕度；
[0032]所述參數(shù)值為運用陸面過程模式計算陸面變量時要使用的參數(shù)值，例如陸面過程模式的土壤水參數(shù)化方案包含的參數(shù)有:飽和水力傳導(dǎo)率、飽和土壤濕度、飽和土壤水勢、Clapp 和 Hornberger 經(jīng)驗常數(shù)。
[0033]S2、用數(shù)據(jù)同化算法校正所述陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)，得到輸出數(shù)據(jù)同化值；
[0034]步驟S2的計算過程簡記為:
[0035]輸出數(shù)據(jù)同化值=數(shù)據(jù)同化算法(陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù))公式2
[0036]S3、構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，將所述輸出數(shù)據(jù)同化值引入所述陸面過程模式，通過數(shù)值優(yōu)化方法計算，改變陸面過程模式參數(shù)值使所述目標(biāo)函數(shù)最小，所述目標(biāo)函數(shù)值最小時對應(yīng)的陸面過程模式參數(shù)，作為陸面過程模式參數(shù)優(yōu)化值；
[0037]步驟S3的計算過程簡記為:
[0038]根據(jù)公式I，由于
[0039]改變的陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)=陸面過程模式(改變的參數(shù)值，陸面過程模式輸入數(shù)據(jù))則所述改變的參數(shù)值存在一個優(yōu)化值，使得:
[0040]目標(biāo)函數(shù)(改變的陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)同化值)=MIN
[0041]S4、對歷史范圍內(nèi)(如過去的某一年)各時段(如該年的各月份)重復(fù)步驟SI?S3，得到陸面過程模式參數(shù)優(yōu)化值時間序列；用所述陸面過程模式參數(shù)優(yōu)化值時間序列代替原有的陸面過程模式參數(shù)，形成優(yōu)化參數(shù)化方案的陸面過程模式。
[0042]圖2表示同化站點觀測數(shù)據(jù)優(yōu)化陸面過程模式的實施例，包含以下步驟
[0043]S11、運行陸面過程模式，計算陸面變量的模擬值，生成陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)。
[0044]步驟Sll進(jìn)一步包括:
[0045]S111、根據(jù)研究問題時空分辨率的要求，準(zhǔn)備一定時空分辨率的大氣強迫數(shù)據(jù)，包括近地面氣溫、近地面氣壓、近地面空氣比濕、近地面全風(fēng)速、地面向下短波輻射、地面向下長波福射、地面降水率；
[0046]S112、準(zhǔn)備一定時空分辨率的地表參數(shù)，包括地表覆蓋類型及其所占的比例、土壤質(zhì)地(砂土和粘土)的比例、葉面積指數(shù)等，如模式自帶有地表數(shù)據(jù)集，可以直接使用模式自帶的地表數(shù)據(jù)集，則不需本步驟；
[0047]S113、陸面過程模式的起轉(zhuǎn)過程(Spin-up):利用擬研究時段以前的長時間序列的大氣強迫數(shù)據(jù)和地表參數(shù)運行陸面過程模式，以獲得模式平衡狀態(tài)；
[0048]S114、以所述模式平衡狀態(tài)為初始條件，利用擬研究時段的大氣強迫數(shù)據(jù)和地表參數(shù)驅(qū)動陸面過程模式，計算陸面變量的模擬值。
[0049]S12、用數(shù)據(jù)同化算法校正所述陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)，得到輸出數(shù)據(jù)同化值。在有站點觀測的時間步，用數(shù)據(jù)同化算法(如變分法、集合Kalman濾波、擴展Kalman濾波、粒子濾波等算法)同化站點觀測(如土壤濕度)，利用陸面變量模擬數(shù)據(jù)與陸面變量觀測數(shù)據(jù)之間的偏差來校正陸面過程模式輸出數(shù)據(jù)，得到擬同化陸面變量的同化值；
[0050]S13、構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，將所述輸出數(shù)據(jù)同化值引入陸面過程模式，通過數(shù)值優(yōu)化方法改變陸面過程模式參數(shù)值至所述目標(biāo)函數(shù)最小。
[0051]步驟S13進(jìn)一步包括:
[0052]S131、構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)(如均方根誤差函數(shù)等)，以描述陸面狀態(tài)變量的模擬值與同化值的擬合程度；
[0053]S132、對歷史范圍內(nèi)(如過去的某一年)特定時段(如該年的各月份)，分別給定陸面過程模式參數(shù)化方案(如土壤水參數(shù)化方案)中的各參數(shù)值(如飽和水力傳導(dǎo)率、飽和土壤濕度、飽和土壤水勢、Clapp和Hornberger經(jīng)驗常數(shù)等)的可行解范圍，用步驟Sll的方法運行陸面過程模式，利用優(yōu)化算法(如復(fù)合形混合演化算法SCE-UA等)極小化目標(biāo)函數(shù)，通過反復(fù)迭代，使模式模擬值與同