[发明专利]一种改进青藏高原地区的数值预报模式、地面感热和潜热通量以及气温计算方法

权利要求书

1.一种针对数值预报模式中MOST问题进行改进的新型数值预报模式，其特征在于：基于数值预报模式的FORTRAN语言程序要求，通过下列步骤完成用MEP方法计算地面热通量，并实现与WRF模式系统的Noah_MP陆面参数化方案的耦合；

1)：将方程(3)

写成迭代形式，以便应用牛顿二分法对方程进行求解；对于地面，方程(3)的迭代形式为：

其中n是用迭代方法求解方程(10)时的迭代步数；其中，当沙漠区时，地表比湿q_s为0时，方程(10)可以简化为

对于冠层，没有地面热通量G，因而方程(10)可以简化为

F_n(SH)＝(1+B(μ))×SH_n–R_net (12)

2)：用FORTRAN计算机语言将MEP模型的数学表达式(4)-(12)编制成程序；

LE＝B(μ)SH (4)

G+SH+LE＝R_net (5)

其中：α＝0.75，β＝4.7，γ2＝9，R_net为地表净辐射，G为地面热通量，I_swsi为地表热惯性，ρ为地表表层材料的密度，C为地表表层材料的比热容，λ为地表表层材料的导热系数，I₀为空气表面热惯性，C_p为恒压下的比热容，L_v为液态水的蒸发潜热，z为感热测量高度参数，R_v为水蒸气的气体常数，B(μ)为波文比的倒数，其中μ为中间变量，q_s为地表比湿，SH为地表感热通量，LE为潜热通量,，T_s为表面温度，ρ_a为地表空气密度；κ为无量纲常数；g是重力加速度；

为了在WRF模式中方便地用MEP方法计算地面热通量，在WRF模式的MODULE_SF_NOAHMPLSM陆面过程模式中新建用MEP方法计算裸土地面热通量的独立子程序MEP_BARE_FLUX，以及植被地面热通量的独立子程序MEP_VEGE_FLUX；在WRF的NOAHMP_GLACIER_GLOBALS冰面子模式中，新建用MEP方法计算冰面地面热通量的独立子程序MEP_ICE_FLUX；

在原始MODULE_SF_NOAHMPLSM陆面过程模式中，用表面温度、净辐射和地表比湿作为MEP模型的输入变量，在子程序MEP_BARE_FLUX、MEP_VEGE_FLUX和MEP_ICE_FLUX中，新增并利用所述方程(10)和(11)的求解子程序SHF_MEP或SHF_MEP_DRY重新计算地面热通量，并替代原始MODULE_SF_NOAHMPLSM陆面过程模式中计算的地面热通量，从而完成在WRF模式用MEP模型计算地面热通量的改进；

3)：按照所述方程(9)计算常数C₁和C₂；利用在MODULE_SF_NOAHMPLSM陆面过程模式程序提供的冠层表面比湿q_s，即QSFC；植被地表比湿q_s，即QSFC；裸土地表比湿q_s，即QSFC，冠层表面温度T_s，即TV；植被地表面温度T_s，即TG；裸土地表面温度T_s，即TGB；地表净短波辐射SAG、裸土和冰面地表净长波辐射IRB、植被地表净长波辐射IRG、冠层净短波辐射SAV、冠层净长波辐射IRC；以及液态水的蒸发潜热L_v，即HVAP；C_p，即CPAIR和R_v，即RW；按照所述方程(6)计算B(μ)，按照所述方程(7)计算空气表面热惯性I₀，按照方程(8)计算地表热惯性I_swsi；

4)：在子程序SHF_MEP中，引入在子程序MEP_BARE_FLUX计算得到的R_net-MEPB、I_swsi、I₀、q_s和T_s，在子程序MEP_VEGE_FLUX计算得到的R_net-MEPG、I_swsi、I₀、q_s和T_s，在子程序MEP_ICE_FLUX中计算得到的R_net-MEPI、I_swsi、I₀、q_s和T_s，按照所述方程(10)计算进行迭代求解，分别通过MEP_BARE_FLUX得到裸土地表感热通量SH-MEPB，通过MEP_VEGE_FLUX得到植被地表感热通量SH-MEPG，通过MEP_ICE_FLUX得到冰面地表感热通量SH-MEPI；在子程序SHF_MEP_DRY中，引入子程序MEP_BARE_FLUX中计算的R_net-MEPB、I_swsi、I₀和T_s，在子程序MEP_VEGE_FLUX中计算得到的R_net-MEPG、I_swsi、I₀和T_s，按照方程(11)进行迭代求解，通过MEP_BARE_FLUX得到裸土地表感热通量SH-MEPB，通过MEP_VEGE_FLUX得到植被地表感热通量SH-MEPG；

5)：对于冠层，在子程序MEP_VEGE_FLUX中，利用计算的B(μ)和R_net-MEPV，按照方程(12)：F_n(SH)＝(1+B(μ))×SH_n–R_net；计算地表感热通量SH-MEPV；

6)：在子程序MEP_BARE_FLUX、MEP_VEGE_FLUX和MEP_ICE_FLUX中，当q_s0时，利用以上步骤计算出的地面感热通量及B(μ)，按照方程(4)计算裸土潜热通量LE-MEPB、植被地面潜热通量LE-MEPG、冠层潜热通量LE-MEPV、冰面潜热通量LE-MEPI；当q_s＝0时，LE＝0；

7)：在子程序MEP_BARE_FLUX、MEP_VEGE_FLUX和MEP_ICE_FLUX中，按照Noah_MP方法，进行能量平衡检查，并分别计算裸土地热通量GH-MEPB；植被地面地热通量GH-MEPG；冰面地热通量GH-MEPI；

8)：用MEP_BARE_FLUX计算得到的裸土SH-MEPB、LE-MEPB和GH-MEPB替换MODULE_SF_NOAHMPLSM的相应值，用MEP_VEGE_FLUX计算得到的植被地面SH-MEPG、LE-MEPG、GH-MEPG以及冠层SH-MEPV、LE-MEPV替换MODULE_SF_NOAHMPLSM的对应值，用MEP_ICE_FLUX计算得到的冰面SH-MEPI、LE-MEPI和GH-MEPI替换NOAHMP_GLACIER_GLOBALS的相应值，从而完成MEP模型与WRF模式的耦合。