基于能量闭合及参数优化改进蒸散发模型

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蒸散发(ET)作为陆—气间的能量交换和物质交换的重要过程,紧密联系着水能循环,通过蒸散发模型对蒸散发进行准确模拟对水资源高效利用及气候变化有重要意义。目前,Shuttleworth-Wallace双源蒸散发模型(简称SW模型)在模拟蒸散发应用广泛,并在多个地区应用较好,但涡动系统测量的通量存在能量不闭合,对模型参数的率定和模型的预测产生一定的影响;此外,目前对于蒸散发模型仅通过潜热通量进行研究,而蒸散发过程作为复杂的过程,潜热通量的变化直接伴随着感热通量的变化,单一目标数据的参数率定导致模型参数和预测的不确定性。鉴于此,本文基于黑河流域大满站玉米农田生态系统和阿柔站高寒草甸生态系统的涡动数据及气象数据,考虑多元目标数据(潜热通量和感热通量),并引入能量闭合因子,结合贝叶斯方法进行参数优化,提出了三种优化方案:方案一为单一目标数据,即观测数据仅考虑潜热通量数据;方案二为多目标数据,即观测数据同时考虑潜热通量和感热通量数据;方案三在方案二的基础上引入能量闭合因子。根据各项评价指标,全面评价SW原模型及三种优化方案在校准期及验证期模拟潜热通量及感热通量的模拟效果。主要结论如下:(1)根据黑河流域不同站点的能量闭合研究及SW原模型评价得出,黑河流域两个站点涡动系统都存在能量不闭合,其中大满站玉米农田生态系统的能量闭合率为0.83,能量不闭合率为0.17,阿柔站高寒草甸生态系统的能量闭合率为0.78,能量不闭合率为0.22。SW原模型参数未优化时,SW原模型仅能够模拟出潜热通量和感热通量的大致变化情况,但各时间段的潜热通量模拟值较实测值偏低,模拟值仅能达到实测值的一半;由于感热通量受到潜热通量模拟的直接影响,因而感热通量模拟值较实测值偏高,模拟值为实测值的两倍以上。并且感热通量的模拟效果与潜热通量的模拟效果相比较差。(2)基于能量闭合及参数优化,提出三种优化方案,分别对两个站点采用DREAM算法对模型的参数进行优化率定,三种优化方案的参数不确定性均有所减少。观测数据同时考虑潜热和感热数据与仅考虑潜热数据相比,参数置信区间缩短,表明参数不确定性降低;模型中引入能量闭合因子能够直接对模型中的Ka和Kq参数分布产生影响,且其他参数频率明显增高,表明模型中引入能量闭合因子,能够影响模型参数,提高模型参数的概率,降低参数的不确定性,从而提高模型参数的可靠度。(3)结合定性评价、定量评价和比值指标的评价方法,在两个站点的校准期及验证期期间,潜热通量模拟方面,三种优化方案模拟性能较原模型有大幅提升,并且观测数据同时考虑潜热通量和感热通量数据与仅考虑潜热通量数据的模拟提升效果基本一致,而模型中引入能量闭合因子的方案模拟提升效果最优;感热通量方面,三种优化方案的到了不同程度的提升,同时考虑潜热通量和感热通量数据模拟性能提升效果好于仅考虑潜热通量数据,而模型引入能量闭合因子的模拟效果最优,且模拟性能提升效果最大。此外,模型中引入能量闭合因子,在模拟感热通量的应用方面,高寒草甸生态系统好于玉米农田生态系统。
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