[发明专利]一种考虑雨水资源承载力的植被恢复规划方法

权利要求书

1.一种考虑雨水资源承载力的植被恢复规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、驱动验证改进的Shuttleworth-Wallace模型

通过模型驱动数据和模型验证数据，驱动并验证改进的Shuttleworth-Wallace模型，所述模型驱动数据包括气象数据、土壤数据和植被数据，气象参数包括蒸发潜热λ，单位MJ/kg；地表净辐射R_n，单位W/m²；地表热通量G，单位W/m²；饱和水汽压随温度变化的斜率Δ，单位kPa/℃；空气密度ρ，单位kgm^-3；饱和水汽压差D，单位kPa；干湿球常数γ，单位kPa℃^-1；

驱动验证改进的Shuttleworth-Wallace模型包括以下步骤：

第一步、处理待输入的数据

将所使用的气象数据、植被数据和土壤数据统一处理到时间分辨率相同、同样大小的网格中，并对Shuttleworth-Wallace模型计算所需要的各类气象参数进行计算；

第二步、阻力参数计算

计算Shuttleworth-Wallace模型中使用的五个阻力参数：地面到冠层高度间的空气动力学阻力和冠层高度到参考高度间的空气动力学阻力土壤表面阻力冠层边界层阻力冠层气孔阻力其中，冠层气孔阻力通过整合了添加二氧化碳影响因子的Jarvis模型计算得到；

五个阻力参数的公式分别为：

其中，h_c是植被冠层高度，单位m；K_h为冠层顶部涡扩散系数，单位m²s^-1；z_0g为地表粗糙度长度，单位m；Z₀是参考粗糙度长度，单位m；d_p是参考零平面位移，单位m；n是植被的涡流扩散衰减常数；

其中，k是von Karman常数，u_*为摩擦速度，单位ms^-1；Z_a是参考高度，单位m；d₀为零高度到冠层的平面位移，单位m；h_c是植被冠层高度，单位m；K_h为冠层顶部涡扩散系数，单位m²s^-1；n是植被的涡流扩散衰减常数，Z₀是参考粗糙度长度，单位m；d_p是参考零平面位移，单位m；

其中，n是植被的涡流扩散衰减常数，l_w是叶宽，单位m；u_h为冠层高度风速，单位m/s；

其中，LAI_active是有效叶面积指数，单位m²/m²；r_STmin是理想条件下的最小气孔阻力，单位s/m；F_i(X_i)是阻力函数；

其中，α_s及θ_min均为经验参数，θ为土壤含水量；

有效叶面积指数LAI_active和五个阻力函数的计算公式如下：

F₃(T)＝1-1.6×10^-3(298-T)²

其中，PAR是光合有效辐射，单位W/m²；取总净辐射的0.6倍，CO_2ref为参考二氧化碳浓度，单位ppm；b、c、d为经验参数，b取0.663，低矮植物的c取100，高大植物的c取400，d＝1+c/1000，θ、θ_f和θ_r分别为土壤含水量、土壤田间持水量和凋萎系数，D为饱和水汽压差，单位kPa；

冠层顶部涡扩散系数K_h，单位m²s^-1；摩擦速度u_*，单位ms^-1；零高度到冠层的平面位移d₀，单位m，植被的涡流扩散衰减常数n，植被冠层高度h_c，单位m；参考粗糙度长度Z₀，单位m；参考零平面位移d_p，单位m；参考高度Z_a，单位m；叶宽l_w，单位m；计算公式如下：

K_h＝ku_*(h_c-d₀)

Z₀＝0.13h_c

d_p＝0.63h_c

Z_a＝h_c+2

其中，u_a指参考高度Z_a上的风速，z₀、z_0g和z_0c分别是粗糙度长度、地表粗糙度长度和植被粗糙度长度，单位m；LAI是植被叶面积指数，单位m²/m²；LAI_max为植被历史最大叶面积指数，单位m²/m²；c_d为单个叶片的平均阻力系数，h_cmax是冠层最大高度，单位m；h_cmin是冠层最低高度，单位m；c_d、z₀、z_0c的计算公式如下：

z₀＝min{0.3(h_c-d₀)，z_0g+0.3h_c(c_dLAI)^0.25}

第三步：改进的Shuttleworth-Wallace模型模拟和验证

Shuttleworth-Wallace模型的主干公式为：

其中，蒸发潜热λ＝2.501-0.002361×T，单位为MJ/kg；T为气温，单位℃；ET代表总的蒸散发，单位mm，C_c和C_s分别为植被和土壤的蒸发权重系数，PM_c和PM_s分别是封闭冠层及裸土条件下，由Penman-Monteith模型计算得到的蒸散发热通量，单位W/m²；

输入第一步和第二步中计算得到的气候、土壤、植被参数和阻力参数，构建Shuttleworth-Wallace模型，计算用于校准和验证的区域蒸散发量ET，并对结果通过相关系数R、均方根误差RMSE进行验证；

步骤二、估算雨水资源的植被最大承载力

在选定的植被类型下，采用步骤一改进的Shuttleworth-Wallace模型，分别计算选定植被的LAI从0到最大值变动时相应的总蒸散发量ET，当总蒸散发量ET等于基准降水量时，对应的LAI为基于雨水资源的植被最大承载力；

步骤三、植被的固碳能力和水分利用效率估算

利用步骤二中植被最大承载力对应的蒸散发量，估算植被的固碳能力和水分利用效率；

步骤四、生态恢复规划

根据步骤二估算的雨水资源的植被最大承载力和步骤三估算的植被的固碳能力和水分利用效率，提供对应区域植被的生态恢复和植树造林的理论上限，制定生态恢复规划方案。