[发明专利]一种估算时空连续地表水热通量的数据同化方法

权利要求书

1.一种估算时空连续地表水热通量的数据同化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立双源地表能量平衡模型；

S2：建立植被动态模型，根据植被动态模型来得到植被的动态变化；

S3：根据步骤S2建立的植被动态模型和比叶面积建立关系，得到LAI的动态模型；

S4：将步骤S1建立的双源地表能量平衡模型和S2建立的植被动态模型耦合；

S5：基于S4耦合的双源地表能量平衡模型和植被动态模型实现数据同化框架的构建；

S6：根据S5构建的数据同化框架进行地表水热通量的估算；

所述步骤S1中的双源地表能量平衡模型的基本形式为：

H_S＝ρC_pC_HSU_W(T_S-T_W)；

H_C＝ρC_pC_HCU_W(T_C-T_W)；

其中，

H_S和H_C分别是土壤感热通量和冠层感热通量；

Cp是干空气比热容；

U_W和T_W分别为冠层内参考高度的风速与气温；

T_C和T_S分别为冠层温度与土壤温度；

C_HS和C_HC为从叶片与土壤到冠层内空气的整体传热系数；

通过获得的H_S和H_C采用以下公式对潜热通量进行计算：

EF_S＝LE_S/(H_S+LE_S)；

EF_C＝LE_C/(H_C+LE_C)；

其中，

EF_S和EF_C表示土壤和冠层的蒸发比；

LE_S和LE_C表示土壤和冠层的潜热通量；

所述步骤S2中的植被动态模型的基本形式为：

其中，

B_g是地上部分的生物量；

I表示时间歩长；

a_a表示地部分的分配系数；

P_g是光合作用生成的生物量；

R_g是呼吸作用消耗的生物量；

S_g是衰减死亡的生物量；

将植被动态模型计算得到的地上部分生物量与比叶面积建立关系，得到LAI的动态变化：

LAI＝c_gB_g；

其中，

c_g为比叶面积；

通过双源地表能量平衡模型中的植被蒸腾与植被动态模型中的光合作用建立关系，其基本形式为：

其中，

Ec是植被蒸腾通量，由LE_C计算得到；

x为常数，是在不同的下垫面被设置为不同的值；

P_a是空气的CO₂混合比；

e_a代表空气中的水汽混合比；

e_l代表叶片细胞间隙内的水汽混合比；

通过源地表能量平衡模型中的植被蒸腾与植被动态模型中的光合作用之间的关系，进而将双源地表能量平衡模型和植被动态模型进行耦合，获得其耦合的基本形式为：

其中，

上式左侧表示叶面积指数的变化；

γ为待优化参数；

K_σ＝m_s+d_a；

m_s是维持呼吸系数；

Ec是植被蒸腾通量，由LE_C计算得到；

所述步骤S5中数据同化框架按照以下模型构建：

其中，

Λ1和Λ2是拉格朗日乘子；

上述模型右侧的第一项和第二项度量了观测的地表温度和叶面积指数与预测的地表温度和叶面积指数之间的差异，通过方程C_HN＝exp(R)，将C_HN转化为R，以确保其值为正且有意义；

第三项、第四项、第五项与第六项度量了参数估算值(R、EFS、EFC和γ)与其先验值(R'、EF'_S、EF'_C和γ')之间的差异；

最后两项为热传导方程和植被动态模型，通过拉格朗日乘子加入到模型中作为物理约束；

和为数值常数参量，决定了目标方程中各项的权重，并控制模型的收敛速度；

所述数据同化框架构建的模型的采用如下求解公式进行求解：

Λ1(z,t₂)＝0 (2)；

其中，

Λ2(N)＝0 (9)；

其中，f_c是植被覆盖度。