一種氣候‑生態系統耦合建模方法與流程
2023-05-07 14:10:21 2
本發明屬於大數據技術領域，尤其涉及一種氣候-生態系統耦合建模方法。
背景技術：
主要的氣候數值模式技術德國氣候中心區域氣候模式remo、國際理論物理中心研發的區域氣候模式regcm、美國國家大氣中心地球系統模式和大尺度氣候模式cesm、美國航空航天宇航局國家氣候與環境預報中心wrf模式等；主要的陸面生態數值模式技術遙感蒸散pt-jpl模型、聯合的英國土地環境模擬器jules模型、noah-mp模型、美國公用陸面模式clm4、美國威斯康星大學全球環境與可持續發展中心ibis模型、總體科學評估模型isam模型等。
但模式誤差是不可迴避的問題，區域氣候模式會由於本身的模式不完備性、側邊界強迫和物理外源強迫等的不確定性而產生模式系統誤差，陸面-生態模式也會由於植被、土壤、冰雪等的水熱過程、生理過程和光化學過程等參數化方案的不完備性、資料誤差和參數誤差等產生一定的模式誤差。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種氣候-生態系統耦合建模方法，解決了現有的氣候數值模式中的模式誤差大的問題。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
一種氣候-生態系統耦合建模方法，包括如下步驟：
步驟1：氣候生態大資料庫的建立，並對氣候-生態資料庫進行大數據分析，獲取氣候、生態演變規律：建立一個分布式伺服器集群，具體分布式伺服器集群又可以細化成一個資料庫存儲集群和一個並行計算伺服器群；
資料庫存儲集群主要用來存儲基礎地理資料庫、遙感監測資料庫、地面監測資料庫和調查/統計/挖掘資料庫，其存儲介質為磁碟陣列；資料庫存儲集群中存儲的數據包括主要氣候要素、主要生態要素和時間演變特徵，所述主要氣候要素包括降水、地表氣溫、地表風場、地表水汽、地表輻射通量和土壤溼度及常規壓面要素；主要生態要素包括植被指數、植被覆蓋和植被生產力；時間演變特徵主要包括變化趨勢、可能的波動周期、氣候尺度突變現象；
並行計算伺服器群用來利用經驗正交分解eof技術對重要要素的地理分布變化進行分型分析，分析過去幾十年間生態要素空間分布形態的變化和時間演變特徵，通過利用經驗正交分解eof技術對重要要素的地理分布變化進行分型分析，分析過去幾十年間生態要素空間分布形態的變化和時間演變特徵，並且採用回歸分析、典型相關cca、奇異矢量分解svd和聯合eof分解方法研究分析氣候要素和生態要素的相互關係；
步驟2：在並行計算伺服器群中調試區域大氣環流模式和生態系統模式，進行多生態模式模擬試驗：選用多個陸面/生態系統模型，對與目標區域相似的模擬區域進行實際氣候強迫離線模擬，所述陸面/生態系統模型包括簡單生物圈模型pt-jpl、英國土地環境模擬器jules、多參數公用noah陸面模型noah-mp、公用陸面模式clm和陸面生物物理模型ibis；
通過與實測資料和多模式集成資料對比，研究能源、水循環和碳循環過程對氣候強迫的適應性以及不同數值模型的模擬刻畫能力；
步驟3：在並行計算伺服器群中構建目標區域氣候-生態耦合數值模型系統，進行氣候-生態耦合數值模型系統的建模和調試，利用耦合數值模型系統對目標區域氣候-生態相互作用及反饋進行數值模擬研究，揭示作用規律，其步驟如下：
首先擬以區域大氣環流模式為核心組件，根據離線數值模擬結果優選陸面/生態模型，將陸面/生態模型與區域大氣環流模式耦合；
陸面/生態模型與區域大氣環流模式的耦合包括陸表能量和水汽及其他物質的交換，區域大氣環流模式向陸面/生態模式提供大氣狀態量，陸面/生態模式則向區域大氣環流模式反饋地表狀態量，對兩者的交換量與實測或分析場進行長序列對比並進行必要的誤差訂正；
然後擬以全球公用地球系統模式框架為基礎，耦合全球大氣、海洋、海/陸冰和陸面模塊進行全球未來氣候積分運算，並將其結果存入資料庫存儲集群用以驅動區域氣候-生態耦合數值模型系統的未來預測預警；
步驟4：對區域氣候-生態耦合數值模型系統進行gis集成，構建高分辨區域氣候-生態系統耦合預測平臺。
在執行步驟3中的將陸面/生態模型與區域大氣環流模式耦合時，需要提供區域氣候模式，區域氣候模式包括國際理論物理中心itcp研發的區域氣候模式regcm、歐洲區域氣候模式remo和美國航空航天宇航局國家氣候與環境預報中心noaa/ncep研發的wrf模式。
在執行步驟4時，所述構建高分辨區域氣候-生態系統耦合預測平臺包括搭建高速網絡、資料庫伺服器、計算伺服器和預測預警伺服器。
本發明所述的一種氣候-生態系統耦合建模方法，解決了現有的氣候數值模式中的模式誤差大的問題，本發明採用了先離線模擬對比，而後優選耦合的思想，耦合前充分評估和調試各模式性能，儘可能將單個模式的誤差控制在最小的範圍，然後通過氣候模式與生態模式交換量的實測資料修正，儘可能嚴控氣候漂移問題，最後在模擬效果評估中還會分析耦合模式的系統誤差，並建立誤差訂正機制，確保各模式、各模塊、各參數最大化符合或適應目標地區的地理地貌和氣候生態實況。
附圖說明
圖1是本發明的數據結構圖。
具體實施方式
如圖1所示一種氣候-生態系統耦合建模方法，包括如下步驟：
步驟1：氣候生態大資料庫的建立，並對氣候-生態資料庫進行大數據分析，獲取氣候、生態演變規律：建立一個分布式伺服器集群，具體分布式伺服器集群又可以細化成一個資料庫存儲集群和一個並行計算伺服器群；
資料庫存儲集群主要用來存儲基礎地理資料庫、遙感監測資料庫、地面監測資料庫和調查/統計/挖掘資料庫，其存儲介質為磁碟陣列；資料庫存儲集群中存儲的數據包括主要氣候要素、主要生態要素和時間演變特徵，所述主要氣候要素包括降水、地表氣溫、地表風場、地表水汽、地表輻射通量和土壤溼度及常規壓面要素；主要生態要素包括植被指數、植被覆蓋和植被生產力；時間演變特徵主要包括變化趨勢、可能的波動周期、氣候尺度突變現象；
並行計算伺服器群用來利用經驗正交分解eof技術對重要要素的地理分布變化進行分型分析，分析過去幾十年間生態要素空間分布形態的變化和時間演變特徵，通過利用經驗正交分解eof技術對重要要素的地理分布變化進行分型分析，分析過去幾十年間生態要素空間分布形態的變化和時間演變特徵，並且採用回歸分析、典型相關cca、奇異矢量分解svd和聯合eof分解方法研究分析氣候要素和生態要素的相互關係；
步驟2：在並行計算伺服器群中調試區域大氣環流模式和生態系統模式，進行多生態模式模擬試驗：選用多個陸面/生態系統模型，對與目標區域相似的模擬區域進行實際氣候強迫離線模擬，所述陸面/生態系統模型包括簡單生物圈模型pt-jpl、英國土地環境模擬器jules、多參數公用noah陸面模型noah-mp、公用陸面模式clm和陸面生物物理模型ibis；
通過與實測資料和多模式集成資料對比，研究能源、水循環和碳循環過程對氣候強迫的適應性以及不同數值模型的模擬刻畫能力；
步驟3：在並行計算伺服器群中構建目標區域氣候-生態耦合數值模型系統，進行氣候-生態耦合數值模型系統的建模和調試，利用耦合數值模型系統對目標區域氣候-生態相互作用及反饋進行數值模擬研究，揭示作用規律，其步驟如下：
首先擬以區域大氣環流模式為核心組件，根據離線數值模擬結果優選陸面/生態模型，將陸面/生態模型與區域大氣環流模式耦合；
陸面/生態模型與區域大氣環流模式的耦合包括陸表能量和水汽及其他物質的交換，區域大氣環流模式向陸面/生態模式提供大氣狀態量，陸面/生態模式則向區域大氣環流模式反饋地表狀態量，對兩者的交換量與實測或分析場進行長序列對比並進行必要的誤差訂正；
然後擬以全球公用地球系統模式框架為基礎，耦合全球大氣、海洋、海/陸冰和陸面模塊進行全球未來氣候積分運算，並將其結果存入資料庫存儲集群用以驅動區域氣候-生態耦合數值模型系統的未來預測預警；
步驟4：對區域氣候-生態耦合數值模型系統進行gis集成，構建高分辨區域氣候-生態系統耦合預測平臺。
在執行步驟3中的將陸面/生態模型與區域大氣環流模式耦合時，需要提供區域氣候模式，區域氣候模式包括國際理論物理中心itcp研發的區域氣候模式regcm、歐洲區域氣候模式remo和美國航空航天宇航局國家氣候與環境預報中心noaa/ncep研發的wrf模式，用以上三個模式分別對目標區域進行相同陸面過程的氣候模擬，針對目標區域地形地貌，考察對於陡峭地形氣壓梯度力計算、降水、地表風場、地表氣溫、各種輻射通量等的計算差異，確定選用結果。
在執行步驟4時，所述構建高分辨區域氣候-生態系統耦合預測平臺包括搭建高速網絡、資料庫伺服器、計算伺服器和預測預警伺服器。
本發明在數值模擬方案設計與數值產品的釋用方面，對於歷史模擬，可用再分析場或實測場作為側邊界背景不斷強迫驅動耦合模式，而對於未來時段氣候-生態的預測則必須為耦合系統配備背景。
對於項目數值產品的解釋釋用主要分為兩個模塊，一個是氣候狀態量模塊，另一個是陸面/生態模塊，前者主要是將多種大氣狀態量(主要為溫、壓、溼、風、降水和輻射量)的距平插值到各標準等壓面層存入資料庫，後者主要是將植被參數、反照率、徑流、蒸發、地下水、土壤參數等諸多生態量存入資料庫。根據系統的兩個預報模塊數據，進行解釋釋用計算，開發解釋釋用模塊，進行乾旱指數、洪澇指數、植被恢復狀態等的診斷計算，以及預測標準規範和預警標準規範的制定。
本發明在執行步驟4時，是基於arcgis地理信息系統技術，集成目標區域氣候-生態資料庫、目標區域氣候-生態耦合數值模型系統、氣候-生態數值產品解釋釋用模塊及可視化模塊，開發具有友好人機對話界面的作業調度軟體；構建綜合預測預警平臺，搭建高速網絡將資料庫伺服器、計算伺服器和預測預警伺服器實現連結，並通過作業調度軟體實現氣候-生態資料庫可視化查詢、歷史時期氣候-生態的離線或在線耦合模擬、未來時期氣候-生態的趨勢預測預警等功能。