本發(fā)明涉及生態(tài)系統(tǒng)碳水通量模擬，尤其涉及biome-bgc模型的冠層降水過程模擬。

背景技術：

0、技術背景

1、生物地球化學模型是基于生態(tài)學和生物地球化學原理而構(gòu)建的陸地生態(tài)系統(tǒng)過程模型，主要用于研究地表生態(tài)系統(tǒng)中水、碳通量和其他礦質(zhì)營養(yǎng)的循環(huán)過程和存儲量。生物地球化學模型中高度集合了冠層輻射傳輸、光合作用、自養(yǎng)與異養(yǎng)呼吸、凋落物與土壤分解、產(chǎn)物分配、冠層截留、蒸散發(fā)、水分循環(huán)等多個過程，已廣泛應用于區(qū)域及全球不同時空尺度碳水循環(huán)的模擬。在上述過程中，植被冠層對降水的截留是降水進入生態(tài)系統(tǒng)后首先要經(jīng)歷的過程，其模擬精度直接關系到蒸散發(fā)、土壤水分以及徑流量的模擬。

技術實現(xiàn)思路

1、在目前的biome-bgc模型中植被冠層對降水的截留采用的經(jīng)驗模型具體如下：所有降水以及冠層截留蒸發(fā)都被認為是在白天發(fā)生的，利用降水、冠層截留系數(shù)以及葉面積指數(shù)的線性乘積來計算冠層截留量(如下公式)，并利用penman-monteith公式來計算冠層蒸發(fā)。

2、i＝k×p×lai

3、式中，i是冠層降水截留量，k是經(jīng)驗截留系數(shù)，p是降水量，單位mm，lai是葉面積指數(shù)。biome-bgc中使用的經(jīng)驗截留方法假設降水冠層截留的發(fā)生是獨立的，即前后兩個時間段內(nèi)(前后兩天內(nèi))的冠層截留過程間不存在關聯(lián)。但實際情況下，降水的發(fā)生是具有隨機性的，降水的冠層截留蒸發(fā)過程也是連續(xù)發(fā)生的，因此biome-bgc模型計算的冠層截留量與實際截留量會存在較大的差異。冠層截留的模擬誤差會直接影響其他水循環(huán)通量及儲量的模擬，進而間接影響碳通量的模擬精度。

4、本方法提出一種模擬連續(xù)降水過程的冠層降水截留模型，并與biome-bgc模型計算的葉面積指數(shù)進行耦合，替換原始biome-bgc模型中基于截留系數(shù)的經(jīng)驗截留模型，提高冠層截留的模擬精度，進一步提高生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)、土壤水、徑流等變量的模擬。

5、本發(fā)明具體包括如下幾個方面：

6、第一方面：將原始的biome-bgc模型由天尺度轉(zhuǎn)換為小時尺度?，F(xiàn)階段的biome-bgc模型的輸入氣象參數(shù)、要素模擬(包括冠層降水截留)均在天尺度開展，難以有效地捕獲一天內(nèi)降水的隨機發(fā)生特征，導致無法準確模擬冠層截留。

7、第二方面：提出一種適用于biome-bgc模型的冠層降水截留方法。該方法通過引入一天內(nèi)逐小時的觀測降水資料，對冠層截留分為冠層蒸發(fā)和截留兩個部分，進行降水截留過程的逐小時模擬，實現(xiàn)biome-bgc模型中冠層降水截留的準確模擬。其中冠層降水截留量由現(xiàn)存的冠層截留量和冠層蒸發(fā)兩個部分累計構(gòu)成。

8、第三方面：實現(xiàn)biome-bgc模型冠層干燥度的初始化以及后續(xù)冠層干燥度的更新。在模擬開始時(t時刻)冠層統(tǒng)一被設置為干燥，此時冠層干燥度為1。將t時刻完成一次模擬后的冠層干燥度用于t+1時刻的冠層干燥度初始化。上述方法實現(xiàn)了biome-bgc模型小時尺度冠層降水連續(xù)模擬。

9、第四方面：基于biome-bgc模型模擬的葉面積與提出的小時尺度物理冠層截留過程模型的動態(tài)耦合，完成方法的整合。具體通過biome-bgc模型模擬的葉面積指數(shù)計算林冠孔隙度，從而實現(xiàn)biome-bgc模型與提出的冠層降水截留方法的整合。

10、具體實施

11、以下結(jié)合biome-bgc模型，具體介紹本發(fā)明的實施：

12、第一步：修改biome-bgc模型為小時尺度。將原始biome-bgc模型中的冠層關鍵過程由天尺度模擬改進為小時尺度模擬，具體包括：a.基于c語言，實現(xiàn)小時尺度氣象數(shù)據(jù)(降水、溫度、輻射、濕度)的讀取與預處理；b.基于小時尺度氣象要素數(shù)據(jù)計算冠層輻射吸收par和光合光量子通量密度ppfd(按照模型原有方法，具體調(diào)用radtrans.c中int?radtrans()函數(shù))；c.基于小時尺度氣象要素數(shù)據(jù)計算獲得小時尺度的氣孔導度(按照模型原有方法，具體調(diào)用canopy_et.c文件中int?canopy_et()方法；d.在此基礎上進行小時尺度冠層截留和光合等過程的模擬(如下第二至十一步)。

13、第二步：林冠孔隙度計算?；谙率?，通過biome-bgc模型計算的冠層葉面積指數(shù)lai、冠層消光系數(shù)kext計算得到林冠孔隙度p，通過biome-bgc模型模擬的lai變量實現(xiàn)小時尺度降水截留過程與biome-bgc模型的動態(tài)耦合模擬。

14、p＝1-(1-exp(-lai×kext))

15、第三步：冠層t時刻干燥度初始化。在開始計算時，冠層被設定為完全干燥，此時冠層干燥度d0賦值為1。

16、第四步：計算t時刻冠層實時儲水量?；谙率接嬎憬?jīng)過降水過后t時刻冠層的儲水量c0。

17、

18、其中，cm是冠層飽和含水量，取值為1.8mm(針葉林)。

19、第五步：計算t時刻冠層干燥度?；谙率将@得t時刻的冠層干燥度d。

20、

21、第六步：計算t時刻冠層降水截留?？偟墓趯咏邓亓袅縤由兩個部分組成，一部分為現(xiàn)存的冠層截留量，另一部分是冠層蒸發(fā)量e，具體如下式。

22、

23、式中，冠層蒸散發(fā)量e的計算采用penman-monteith方程進行模擬，具體公式如下所示。

24、

25、式中，rn是凈輻射(w/m2)，g為土壤熱通量(w/m2)，es-ea為空氣的水汽壓差(pa)，ρa是在一定氣壓下的平均空氣密度(kg/m3)，cp是空氣的比熱(j/kg/k)，δ代表飽和水汽壓差隨溫度變化的斜率(pa/k)，γ為濕度計常數(shù)(γ≈66pa/k)，rs和ra分別為水汽傳輸過程中下地表和空氣的阻抗(s/m)。計算裸地蒸發(fā)時，rs和ra是相同的；計算冠層蒸發(fā)時ra是邊界層阻抗，rs是整個冠層的邊界層阻抗；計算冠層蒸騰時，rs是冠層的阻力，利用葉子的氣孔導度、表皮導度以及邊界層導度來計算。

26、第七步：基于下述公式計算冠層水分的分配，runoff_p是降水經(jīng)過截留后進入土壤部分，

27、runoff_p＝p-i

28、第八步：將runoff_p帶入原始biome-bgc模型，完成t時刻冠層水循環(huán)部分模擬。

29、第九步：碳循環(huán)變量反饋計算?；诠趯铀帜M結(jié)果，完成biome-bgc模型后續(xù)碳循環(huán)變量模擬。

30、第十步：t+1時刻冠層干燥度更新。把t時刻的冠層干燥度d作為t+1時刻的d0。

31、第十一步：基于步驟3-10重新循環(huán)計算下一時刻的冠層儲量和干燥度，以此完成整個過程的模擬。

技術特征：

1.一種耦合物理冠層截留策略和biome-bgc模型的冠層降水截留方法，其特征在于如下。

技術總結(jié)
本發(fā)明提供一種耦合物理冠層截留策略和Biome?BGC模型的冠層降水截留方法，所述方法包括：對天尺度模擬的Biome?BGC模型實現(xiàn)小時尺度模擬，確定初始模擬冠層的干燥度，進行t時刻和t+1時刻冠層干燥度的初始化，實現(xiàn)Biome?BGC模型對降水截留過程進行逐小時的模擬，實現(xiàn)基于Biome?BGC模型模擬的葉面積與提出的小時尺度物理冠層截留過程模型的動態(tài)耦合，完成方法的整合。該方法能夠克服Biome?BGC模型中經(jīng)驗截留算法的缺點，提高Biome?BGC模型冠層降水截留模擬精度。

技術研發(fā)人員：趙芬,夏浪,高清竹,王嬌,胡國錚,干珠扎布,尚華
受保護的技術使用者：中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21