[發(fā)明專利]一種基于WRF模式與SEBS模型耦合的蒸散量估算方法

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• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN110110410A
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發(fā)明（設計）人: 占玉林;王大康;顧行發(fā);余濤;臧文乾;黃祥志
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所;中科空間信息（廊坊）研究院;中科衛(wèi)星應用德清研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種基于WRF模式與SEBS模型耦合的蒸散量估算方法，包括如下步驟：步驟1）利用最新的土地覆蓋數(shù)據(jù)更新WRF模式自帶的下墊面信息；步驟2）利用WRF模式模擬區(qū)域氣候參量，獲取高分辨率氣象場，提取風速、氣溫、相對濕度、氣壓數(shù)據(jù)形成氣象數(shù)據(jù)集；步驟3）基于DEM提取坡向（ASPECT）、坡度（SLOPE）信息，并將DEM、ASPECT、SLOPE三個波段按順序疊加，形成地形數(shù)據(jù)集；步驟4）利用MODIS反射率產(chǎn)品、地表比輻射率產(chǎn)品及地表溫度產(chǎn)品，按順序疊加形成基礎數(shù)據(jù)集；步驟5）利用步驟2）、3）、4）得到的氣象數(shù)據(jù)集、地形數(shù)據(jù)集和基礎數(shù)據(jù)集輸入SEBS模型，計算得到蒸散量。

技術領域

本發(fā)明是一項陸表信息反演領域的技術，針對當前蒸散量反演模型（SEBS）輸入的氣象場數(shù)據(jù)分辨率較低導致蒸散量反演效果不佳的問題，本發(fā)明利用WRF模式獲取高時空分辨率氣象場數(shù)據(jù)作為輸入，能夠明顯地改善基于SEBS模型的區(qū)域蒸散量估算效果，是一項具有應用價值的空間分析技術。

背景技術

蒸散量是水循環(huán)的一個相當重要的參量，用于表征陸地表面水分向大氣的輸送，由土壤、水面蒸發(fā)和植被蒸騰所組成，在調(diào)節(jié)局部或區(qū)域氣候方面具有重要作用。就全球尺度而言，蒸散量占全球總降水的一半以上，意味著由大氣輸送到地表的水分將有大部分不會被存儲下來，因此對于蒸散量的精確估算及時空分布的研究將對區(qū)域水資源管理和宏觀調(diào)控政策的制定顯得意義非凡。

傳統(tǒng)的蒸散量估算多是基于氣象觀測站點的單點計算，雖然能提供相對準確的蒸散量，但由于大尺度上，下墊面和水熱傳輸具有非均質(zhì)性，使得單點計算蒸散量無法滿足區(qū)域研究的需求。遙感技術因其對區(qū)域尺度信息捕獲的高效準確，在非均質(zhì)下墊面的區(qū)域蒸散量估算上表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)越性。對蒸散量的定量估算一直以來都是水循環(huán)科學領域的熱點話題，學者們也一直致力于算法模型的改進以求能夠獲得高分辨率和高精度可以兼得的更優(yōu)模型，但大氣環(huán)境異常復雜，與陸地的相互作用關系更是需要極多的物理參數(shù)來表達，而其中的一些參數(shù)并不容易確定。

截至目前，國際上已經(jīng)形成了諸多基于地表能量平衡的蒸散量算法模型，應用最為普遍的是基于地表能量平衡理論的SEBS（Surface Energy Balance System）模型。在以往為SEBS模型提供氣象數(shù)據(jù)的案例中，學者們通常利用氣象站點數(shù)據(jù)進行數(shù)學插值，以得到區(qū)域尺度的網(wǎng)格氣象數(shù)據(jù)，也有利用粗分辨率的同化分析資料通過數(shù)學插值為SEBS模型提供氣象輸入的研究。雖然取得了很多成果，但對這些模型的應用都有一個共同的問題，即由于氣象站點往往分布稀疏，同化資料的分辨率又太粗，且數(shù)據(jù)時間間隔一般較大通常為幾個小時間隔，純粹的數(shù)學插值很難確保在得到高分辨率氣象場的同時也能具有可靠的精確度，因此不能為模型提供較為精確的網(wǎng)格氣象驅(qū)動數(shù)據(jù)，而導致計算出的蒸散量高分辨率和高精度往往不可兼得。

氣象模式WRF（weather research and forecasting）能夠按照固定時間間隔輸出模擬數(shù)據(jù)，時間分辨率可達到小時級，空間分辨率可達到公里至百米級，其理論基礎是在大氣物理環(huán)境中應用動力學、熱力學理論基于數(shù)學有限差分思想在充分考慮非均質(zhì)下墊面的前提下模擬獲得連續(xù)的氣象場，顯然要比不考慮下墊面的非均質(zhì)性而進行簡單的數(shù)學插值更精確，從而能為SEBS模型提供更為精確的氣象數(shù)據(jù)輸入。基于此，本發(fā)明嘗試利用WRF模式模擬得到高時空分辨率的柵格氣象數(shù)據(jù)代替常規(guī)地面站點數(shù)據(jù)或粗分辨率同化資料的簡單數(shù)學插值，為SEBS模型提供相對可靠的氣象數(shù)據(jù)輸入，得到分辨率較高且精度更為可靠的蒸散量估算結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種基于WRF模式與SEBS模型耦合的蒸散量估算方法，通過將WRF模式與SEBS模型進行耦合以改進SEBS模型所需氣象信息，不再是傳統(tǒng)的氣象站點或粗分辨率的同化資料進行簡單的數(shù)學插值，WRF模式能夠按照固定時間間隔輸出模擬數(shù)據(jù)，大大提高了氣象數(shù)據(jù)的時間分辨率，其理論基礎是在大氣物理環(huán)境中應用動力學、熱力學理論基于數(shù)學有限差分的思想獲得連續(xù)的氣象場，在提高空間分辨率的同時也考慮了下墊面的非均質(zhì)性。總體流程如圖1，該方法包括如下步驟：