技术摘要：
本发明涉及自然环境模拟技术领域，具体涉及一种优化模拟路面蒸散过程的方法，在S—W模型的基础上建立一种SWH模型，并以SWH双源蒸散模型为基础，改进模型冠层蒸散模块和土壤水分模块并在全球163个通量站点观测数据的基础上获取模型关键参数的空间化信息，使得改进后模型  全部
背景技术：
蒸散是陆地生态系统最重要的重要过程之一，是水、能量与碳循环的核心，与生态 系统生产力密切相关。借助模型和遥感技术是刻画区域尺度蒸散时空格局与变化规律的基 本手段。长期以来，蒸散模型得到了长足发展。其中，基于K理论的Penman-Monteith模型(P- M模型)是估算ET的经典方程，在此基础上，研究者进一步提出Shuttleworth—Wallace模型 (S—W模型)，从而在模拟蒸散总量的同时又对其组分，即土壤蒸发与植物蒸腾实现了拆分。 S-W模型考虑到了生态系统水通量最重要的过程，计算过程相对简单，参数较少，同时取得 了较好的模拟效果，因而得到广泛引用。研究表明S-W模型在不同的生态系统估算ET值相对 其他模型具有较好的优势，特别是对于ET组分的拆分有很好的效果。例如，赵鹏等人在中国 西北地区比较了S—W模型和FAO-56模型对蒸散模拟的差异，认为S—W模型估算蒸散具有较 高的精确性。虽然S-W模型在站点尺度上具有较好的模拟效果并得到广泛应用，然而，在区 域尺度上，一些关键参数如气孔导度难以获取，通常设为常数，其应用大大受到限制。另一 方面，冠层蒸散也是陆面蒸散模拟的重要过程之一尤其在冠层密闭且降水充裕的生态系 统，然而目前大部分的陆面蒸散模型在模拟过程中缺乏对冠层蒸散的估算，导致蒸散模拟 结果存在较大的不确定性。
技术实现要素：
本发明针对现有技术中的不足提供一种优化模拟路面蒸散过程的方法，在S—W模 型的基础上建立一种SWH模型，为了提高模型精度降低模型结果不确定性，对陆面蒸散过程 进行了优化，加入了冠层蒸发模块，改进了土壤水分模块，并获取了关键参数的空间变化信 息，使得改进后模型的模拟效果得到了较为显著的提高，并且改善了蒸散模拟低估的问题， 尤其是在青藏高原地区。与大部分陆面蒸散模型相比，改进了关键参数带来的不确定性。 本发明通过以下技术方案实现该目的： 一种优化模拟路面蒸散过程的方法，按照以下步骤进行： 第一步，构建SWH双源蒸散模型，并对SWH模型的关键参数土壤表面阻抗rss和冠层 阻抗rsc进行估算； 1)在现有S-W模型的基础上构建SWH双源蒸散模型； 2)通过引入土壤表面阻抗方程对土壤表面阻抗rss进行估算，估算方法为： 式中：SW和SW 分别为土壤表层含水量和土壤表层的饱和含水量(m3m-3) ,b -1S 1(sm ) , b2和b -1 -13(sm )为经验参数,b1取值为3.5sm ； 5 CN 111581788 A 说　明　书 2/7 页 3)通过引入Ball—Berry气孔阻抗模型对冠层阻抗rsc进行估算，估算方法为： 式中：g 、a 为经验参数，P 为光合速率(μmol  m2s-10 1 n ) ,hs为冠层表面空气相对湿度， Cs为气孔胞间的CO2浓度； Pn是估算rsc的关键驱动因子之一，此处，使用光能利用率模型估算的GPP代替Pn： GPP＝ε×PAR×FPAR   (3) 式中：PAR为光合有效辐射，FPAR为植被冠层吸收的PAR占总入射PAR的比例，ε为根 据气温、土壤表层含水量、饱和水汽压差标准化后的光能利用率(μmol  COμmol-12 PPFD)： ε＝εmax×f(T)×f(VPD)   (4) 式中：εmax为表观量子效率或最大光能利用率，f(T)和f(VPD)分别为减量调节后温 度和饱和水汽压差标量，Tmin、Tmax和Topt分别是温度最小值、温度最大值和光合作用最适温 度； 4)S-W模型在站点尺度上具有较好的模拟效果并得到广泛应用，其假设冠层和土 壤的水热汇于冠层内的假想高度处，并作为水热通量源与大气进行湍流交换，即基于能量 平衡原理和电学类比的方法描述H2O在土壤、植被、大气间的传输过程，并将冠层视为一片 “大叶”，而不考虑这些过程在冠层内部的相互作用，为了改善该模型将气孔导度等关键参 数设为常数，以及缺乏对冠层蒸散的估算，导致蒸散模拟结果存在较大的不确定性，SWH双 源蒸散模型通过引入土壤表面阻抗方程和Ball-Berry气孔导度模型对这两个参数的估算， SWH模型的其他构建过程与参数估算方法与S-W模型一致； 第二步，在冠层密闭且降水充裕的生态系统，冠层蒸发可占蒸散总量的10％以上， 因此缺乏对冠层蒸发的模拟也是可能造成SWH双源蒸散模型不确定性的重要原因，因此，本 发明通过加入冠层蒸发模块对SWH双源蒸散模型进行优化，其中冠层蒸发模块基于Biome- BGC模型进行构建： Ac＝Fc×A   (8) 式中：λ为蒸发潜热；s是饱和水气压(еsat)和气温拟合曲线的斜率；Ac是A分配给冠 层的比例；A为能量余项，是净辐射和土壤通量之差；Fc为植被覆盖度；Fwet为水分覆盖率；RH 为相对湿度；ρ为空气密度；Pa为大气压；Cp为空气比热容；湿润冠层阻抗(rvc)为空气动力 学阻抗(rhrc)和冠层表面阻抗之和；ε为大气辐射率； 第三步，由于在区域上土壤水分难以获取，为了提高模拟准确率，因此在区域应用 6 CN 111581788 A 说　明　书 3/7 页 中需对土壤水分模块进行优化改进，即通过改进土壤水分模块对SWH双源蒸散模型进行优 化，其中土壤水分模块基于Biome-BGC模型进行构建，但是针对其中的饱和含水量(θs)、田 间持水量(θfc)和萎焉点(θw)根据CLM模型中的公式进行计算，其中： 1)饱和含水量(θs)的估算方法为： θs＝(1-fom)×θs,om fom×θs,min   (10) θs,min＝0.489-0.00126×sand   (11) 式中：fom为土壤有机碳含量；θs,om为有机质孔隙度，设为0.9；θs,min为矿质层土壤孔 隙度；sand为土壤沙土含量； 2)田间持水量(θfc)的估算方法为： k ＝0.0070556×10-0.884 0.0153×sandsat    (13) B＝(1-fom)×Bmin fom×Bom   (14) Bmin＝2.91 0.159×clay   (15) 式中：ksat为饱和导水率；B为关键参数；Bom＝2.7；clay为黏土比例； 3)萎焉点(θw)的估算方法为： 式中： 为饱和土壤水势； 为饱和矿 质层土壤水势； 第四步，获取SWH双源蒸散模型关键参数的空间化信息，关键参数是陆地蒸散模型 模拟过程中重要的不确定性来源。一般来说，关键参数具有较大的空间变异性甚至季节变 异性。然而目前大多数陆地蒸散模型都将模型关键参数设为常数或者根据不同生态系统设 置常数。其中，冠层导度是其中的一个关键模拟环节，它连接着植被蒸腾和光合作用，是碳 水循环的重要驱动数据，其关键参数的变化对于蒸散模拟结果具有较大的影响。同时土壤 阻抗也是土壤蒸发的重要环节，对于其关键参数变化的获取也是减少模型不确定性的重要 途径： 1)基于FLUXNET  2015Tier  1数据集，SWH双源蒸散模型的数据来自163个FLUXNET 站点的气象数据以及通量观测数据； 2)模型输入数据还包括MOIDS  LAI(叶面积指数)产品、NDVI(归一化植被指数)产 品、LUCC(土地利用/土地覆被变化)产品以及HWSD全球土壤数据集； 3)使用TIMESAT3.0软件对LAI数据进行平滑处理以及缺失值处理； 4)获取SWH双源蒸散模型土壤阻抗关键参数b2,b3和气孔导度关键参数а1,g0在163 个FLUXNET通量站点的最优参数； 5)根据关键参数的经验范围进行10000次Monte  Carlo，选取10个模拟效果最优的 参数，取其平均值为该站点的最优参数； 7 CN 111581788 A 说　明　书 4/7 页 6)建立163个FLUXNET站点最优参数与环境变量之间的经验关系来获取模型关键 参数的空间化信息； 发现关键参数a1与LAI、b2与clay具有较好的相关性： a1＝-5.42×LAI 29.79   (19) b2＝0.08×Clay 0.89   (20)。 其中，第一步中所述FPAR根据NDVI计算，FPAR＝1.24NDVI-0.618。 其中，第一步中冠层表面空气相对湿度hs可用空气相对湿度代替，气孔胞间的CO2 浓度Cs可用涡度相关红外气体分析仪测得的冠层上方空气CO2浓度代替，取值为390ppm。 其中，第一步中如果温度低于最小温度值或高于最大温度值，f(T)为0，Tmin、Tmax和 Topt分别取值为0℃、20℃和40℃，如果VPD小于0.5kPa，f(VPD)为1，如果估算出的f(VPD)小 于0，则f(VPD)取值为0，VPDmax取值3.5kPa。 其中，第四步中来自163个FLUXNET站点的气象数据包括气温、降水、风速、饱和水 汽压差、相对湿度、光合有效辐射以及净辐射数据。 其中，所述163个FLUXNET站点包括18个农田生态系统(cropland)、30个草地生态 系统(grassland)、13个热带稀树草原生态系统(SAV、WSA)、16个湿地生态系统(wetland)、 11个灌丛生态系统(shrubland)、18个落叶阔叶林生态系统(DBF)、11个常绿阔叶林生态系 统(EBF)、38个常绿针叶林生态系统(ENF)和8个混交林生态系统(MF)。 其中，第四步中，所述关键参数的经验范围为：b2:1-5 ,b3:1-1000 ,а1:1-100 ,g0: 0.1-0.001。 其中，第四步中，所述环境变量包括气候因子、土壤数据。 相对于现有技术，本发明的有益效果为： 本发明的优化模拟路面蒸散过程的方法，在S—W模型的基础上建立一种SWH模型， 并以SWH双源蒸散模型为基础，改进模型冠层蒸散模块和土壤水分模块并在全球163个通量 站点观测数据的基础上获取模型关键参数的空间化信息，使得改进后模型的模拟效果得到 了较为显著的提高，并且改善了蒸散模拟低估的问题，与使用固定参数的原模型模拟效果 比较，改进后SWH模型模拟效果得到了较为明显的改善，说明模型关键参数a1、b2是模型不确 定性的重要来源，R2从0.73提高至0.80，均方根误差(RMSE)从130.23降低至104.31，拟合方 程斜率从0.87提高至0.91，在一定程度上改善了SWH模型对于蒸散低估的问题。 附图说明 图1为本发明的优化模拟路面蒸散过程的方法的技术线路图。 图2为163个FLUXNET站点分布图。 图3为改进前使用固定参数的S-W模型的模拟数据。 图4为本发明的SWH双源蒸散模型的模拟数据。