CN107256293B - 一种气候-生态系统耦合建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气候‑生态系统耦合建模方法，属于大数据技术领域，包括一个数据库存储集群和一个并行计算服务器群，在数据库存储集群中存储主要气候要素、主要生态要素和时间演变特征，在并行计算服务器群中构建目标区域气候‑生态耦合数值模型系统，最后对区域气候‑生态耦合数值模型系统进行GIS集成，构建高分辨区域气候‑生态系统耦合预测平台，解决了现有的气候数值模式中的模式误差大的问题。

Description

一种气候-生态系统耦合建模方法
技术领域
本发明属于大数据技术领域，尤其涉及一种气候-生态系统耦合建模方法。
背景技术
主要的气候数值模式技术德国气候中心区域气候模式REMO、国际理论物理中心研发的区域气候模式RegCM、美国国家大气中心地球系统模式和大尺度气候模式CESM、美国航空航天宇航局国家气候与环境预报中心WRF模式等；主要的陆面生态数值模式技术遥感蒸散PT-JPL模型、联合的英国土地环境模拟器JULES模型、Noah-MP模型、美国公用陆面模式CLM4、美国威斯康星大学全球环境与可持续发展中心IBIS模型、总体科学评估模型ISAM模型等。
但模式误差是不可回避的问题，区域气候模式会由于本身的模式不完备性、侧边界强迫和物理外源强迫等的不确定性而产生模式系统误差，陆面-生态模式也会由于植被、土壤、冰雪等的水热过程、生理过程和光化学过程等参数化方案的不完备性、资料误差和参数误差等产生一定的模式误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种气候-生态系统耦合建模方法，解决了现有的气候数值模式中的模式误差大的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种气候-生态系统耦合建模方法，包括如下步骤：
步骤1：气候生态大数据库的建立，并对气候-生态数据库进行大数据分析，获取气候、生态演变规律：建立一个分布式服务器集群，具体分布式服务器集群又可以细化成一个数据库存储集群和一个并行计算服务器群；
数据库存储集群主要用来存储基础地理数据库、遥感监测数据库、地面监测数据库和调查/统计/挖掘数据库，其存储介质为磁盘阵列；数据库存储集群中存储的数据包括主要气候要素、主要生态要素和时间演变特征，所述主要气候要素包括降水、地表气温、地表风场、地表水汽、地表辐射通量和土壤湿度及常规压面要素；主要生态要素包括植被指数、植被覆盖和植被生产力；时间演变特征主要包括变化趋势、可能的波动周期、气候尺度突变现象；
并行计算服务器群用来利用经验正交分解EOF技术对重要要素的地理分布变化进行分型分析，分析过去几十年间生态要素空间分布形态的变化和时间演变特征，通过利用经验正交分解EOF技术对重要要素的地理分布变化进行分型分析，分析过去几十年间生态要素空间分布形态的变化和时间演变特征，并且采用回归分析、典型相关CCA、奇异矢量分解SVD和联合EOF分解方法研究分析气候要素和生态要素的相互关系；
步骤2：在并行计算服务器群中调试区域大气环流模式和生态系统模式，进行多生态模式模拟试验：选用多个陆面/生态系统模型，对与目标区域相似的模拟区域进行实际气候强迫离线模拟，所述陆面/生态系统模型包括简单生物圈模型PT-JPL、英国土地环境模拟器JULES、多参数公用Noah陆面模型Noah-MP、公用陆面模式CLM和陆面生物物理模型IBIS；
通过与实测资料和多模式集成资料对比，研究能源、水循环和碳循环过程对气候强迫的适应性以及不同数值模型的模拟刻画能力；
步骤3：在并行计算服务器群中构建目标区域气候-生态耦合数值模型系统，进行气候-生态耦合数值模型系统的建模和调试，利用耦合数值模型系统对目标区域气候-生态相互作用及反馈进行数值模拟研究，揭示作用规律，其步骤如下：
首先拟以区域大气环流模式为核心组件，根据离线数值模拟结果优选陆面/生态模型，将陆面/生态模型与区域大气环流模式耦合；
陆面/生态模型与区域大气环流模式的耦合包括陆表能量和水汽及其他物质的交换，区域大气环流模式向陆面/生态模式提供大气状态量，陆面/生态模式则向区域大气环流模式反馈地表状态量，对两者的交换量与实测或分析场进行长序列对比并进行必要的误差订正；
然后拟以全球公用地球系统模式框架为基础，耦合全球大气、海洋、海/陆冰和陆面模块进行全球未来气候积分运算，并将其结果存入数据库存储集群用以驱动区域气候-生态耦合数值模型系统的未来预测预警；
步骤4：对区域气候-生态耦合数值模型系统进行GIS集成，构建高分辨区域气候-生态系统耦合预测平台。
在执行步骤3中的将陆面/生态模型与区域大气环流模式耦合时，需要提供区域气候模式，区域气候模式包括国际理论物理中心ITCP研发的区域气候模式RegCM、欧洲区域气候模式REMO和美国航空航天宇航局国家气候与环境预报中心NOAA/NCEP研发的WRF模式。
在执行步骤4时，所述构建高分辨区域气候-生态系统耦合预测平台包括搭建高速网络、数据库服务器、计算服务器和预测预警服务器。
本发明所述的一种气候-生态系统耦合建模方法，解决了现有的气候数值模式中的模式误差大的问题，本发明采用了先离线模拟对比，而后优选耦合的思想，耦合前充分评估和调试各模式性能，尽可能将单个模式的误差控制在最小的范围，然后通过气候模式与生态模式交换量的实测资料修正，尽可能严控气候漂移问题，最后在模拟效果评估中还会分析耦合模式的系统误差，并建立误差订正机制，确保各模式、各模块、各参数最大化符合或适应目标地区的地理地貌和气候生态实况。
附图说明
图1是本发明的数据结构图。
具体实施方式
如图1所示一种气候-生态系统耦合建模方法，包括如下步骤：
步骤1：气候生态大数据库的建立，并对气候-生态数据库进行大数据分析，获取气候、生态演变规律：建立一个分布式服务器集群，具体分布式服务器集群又可以细化成一个数据库存储集群和一个并行计算服务器群；
数据库存储集群主要用来存储基础地理数据库、遥感监测数据库、地面监测数据库和调查/统计/挖掘数据库，其存储介质为磁盘阵列；数据库存储集群中存储的数据包括主要气候要素、主要生态要素和时间演变特征，所述主要气候要素包括降水、地表气温、地表风场、地表水汽、地表辐射通量和土壤湿度及常规压面要素；主要生态要素包括植被指数、植被覆盖和植被生产力；时间演变特征主要包括变化趋势、可能的波动周期、气候尺度突变现象；
并行计算服务器群用来利用经验正交分解EOF技术对重要要素的地理分布变化进行分型分析，分析过去几十年间生态要素空间分布形态的变化和时间演变特征，通过利用经验正交分解EOF技术对重要要素的地理分布变化进行分型分析，分析过去几十年间生态要素空间分布形态的变化和时间演变特征，并且采用回归分析、典型相关CCA、奇异矢量分解SVD和联合EOF分解方法研究分析气候要素和生态要素的相互关系；
步骤2：在并行计算服务器群中调试区域大气环流模式和生态系统模式，进行多生态模式模拟试验：选用多个陆面/生态系统模型，对与目标区域相似的模拟区域进行实际气候强迫离线模拟，所述陆面/生态系统模型包括简单生物圈模型PT-JPL、英国土地环境模拟器JULES、多参数公用Noah陆面模型Noah-MP、公用陆面模式CLM和陆面生物物理模型IBIS；
通过与实测资料和多模式集成资料对比，研究能源、水循环和碳循环过程对气候强迫的适应性以及不同数值模型的模拟刻画能力；
步骤3：在并行计算服务器群中构建目标区域气候-生态耦合数值模型系统，进行气候-生态耦合数值模型系统的建模和调试，利用耦合数值模型系统对目标区域气候-生态相互作用及反馈进行数值模拟研究，揭示作用规律，其步骤如下：
首先拟以区域大气环流模式为核心组件，根据离线数值模拟结果优选陆面/生态模型，将陆面/生态模型与区域大气环流模式耦合；
陆面/生态模型与区域大气环流模式的耦合包括陆表能量和水汽及其他物质的交换，区域大气环流模式向陆面/生态模式提供大气状态量，陆面/生态模式则向区域大气环流模式反馈地表状态量，对两者的交换量与实测或分析场进行长序列对比并进行必要的误差订正；
然后拟以全球公用地球系统模式框架为基础，耦合全球大气、海洋、海/陆冰和陆面模块进行全球未来气候积分运算，并将其结果存入数据库存储集群用以驱动区域气候-生态耦合数值模型系统的未来预测预警；
步骤4：对区域气候-生态耦合数值模型系统进行GIS集成，构建高分辨区域气候-生态系统耦合预测平台。
在执行步骤3中的将陆面/生态模型与区域大气环流模式耦合时，需要提供区域气候模式，区域气候模式包括国际理论物理中心ITCP研发的区域气候模式RegCM、欧洲区域气候模式REMO和美国航空航天宇航局国家气候与环境预报中心NOAA/NCEP研发的WRF模式，用以上三个模式分别对目标区域进行相同陆面过程的气候模拟，针对目标区域地形地貌，考察对于陡峭地形气压梯度力计算、降水、地表风场、地表气温、各种辐射通量等的计算差异，确定选用结果。
在执行步骤4时，所述构建高分辨区域气候-生态系统耦合预测平台包括搭建高速网络、数据库服务器、计算服务器和预测预警服务器。
本发明在数值模拟方案设计与数值产品的释用方面，对于历史模拟，可用再分析场或实测场作为侧边界背景不断强迫驱动耦合模式，而对于未来时段气候-生态的预测则必须为耦合系统配备背景。
对于项目数值产品的解释释用主要分为两个模块，一个是气候状态量模块，另一个是陆面/生态模块，前者主要是将多种大气状态量(主要为温、压、湿、风、降水和辐射量)的距平插值到各标准等压面层存入数据库，后者主要是将植被参数、反照率、径流、蒸发、地下水、土壤参数等诸多生态量存入数据库。根据系统的两个预报模块数据，进行解释释用计算，开发解释释用模块，进行干旱指数、洪涝指数、植被恢复状态等的诊断计算，以及预测标准规范和预警标准规范的制定。
本发明在执行步骤4时，是基于ArcGis地理信息系统技术，集成目标区域气候-生态数据库、目标区域气候-生态耦合数值模型系统、气候-生态数值产品解释释用模块及可视化模块，开发具有友好人机对话界面的作业调度软件；构建综合预测预警平台，搭建高速网络将数据库服务器、计算服务器和预测预警服务器实现链接，并通过作业调度软件实现气候-生态数据库可视化查询、历史时期气候-生态的离线或在线耦合模拟、未来时期气候-生态的趋势预测预警等功能。

Claims (3)

1.一种气候-生态系统耦合建模方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：气候生态大数据库的建立，并对气候-生态数据库进行大数据分析，获取气候、生态演变规律：建立一个分布式服务器集群，具体分布式服务器集群又可以细化成一个数据库存储集群和一个并行计算服务器群；
数据库存储集群中存储的数据包括主要气候要素、主要生态要素和时间演变特征，所述主要气候要素包括降水、地表气温、地表风场、地表水汽、地表辐射通量和土壤湿度及常规压面要素；主要生态要素包括植被指数、植被覆盖和植被生产力；时间演变特征主要包括变化趋势、可能的波动周期、气候尺度突变现象；
并行计算服务器群用来利用经验正交分解EOF技术对重要要素的地理分布变化进行分型分析，分析过去几十年间生态要素空间分布形态的变化和时间演变特征，通过利用经验正交分解EOF技术对重要要素的地理分布变化进行分型分析，分析过去几十年间生态要素空间分布形态的变化和时间演变特征，并且采用回归分析、典型相关CCA、奇异矢量分解SVD和联合EOF分解方法研究分析气候要素和生态要素的相互关系；
步骤2：在并行计算服务器群中调试区域大气环流模式和生态系统模式，进行多生态模式模拟试验：选用多个陆面/生态系统模型，对与目标区域相似的模拟区域进行实际气候强迫离线模拟，所述陆面/生态系统模型包括简单生物圈模型PT-JPL、英国土地环境模拟器JULES、多参数公用Noah陆面模型Noah-MP、公用陆面模式CLM和陆面生物物理模型IBIS；
通过与实测资料和多模式集成资料对比，研究能源、水循环和碳循环过程对气候强迫的适应性以及不同数值模型的模拟刻画能力；
步骤3：在并行计算服务器群中构建目标区域气候-生态耦合数值模型系统，进行气候-生态耦合数值模型系统的建模和调试，利用耦合数值模型系统对目标区域气候-生态相互作用及反馈进行数值模拟研究，揭示作用规律，其步骤如下：
首先拟以区域大气环流模式为核心组件，根据离线数值模拟结果优选陆面/生态模型，将陆面/生态模型与区域大气环流模式耦合；
陆面/生态模型与区域大气环流模式的耦合包括陆表能量和水汽及其他物质的交换，区域大气环流模式向陆面/生态模式提供大气状态量，陆面/生态模式则向区域大气环流模式反馈地表状态量，对两者的交换量与实测或分析场进行长序列对比并进行必要的误差订正；
然后拟以全球公用地球系统模式框架为基础，耦合全球大气、海洋、海/陆冰和陆面模块进行全球未来气候积分运算，并将其结果存入数据库存储集群用以驱动区域气候-生态耦合数值模型系统的未来预测预警；
步骤4：对区域气候-生态耦合数值模型系统进行GIS集成，构建高分辨区域气候-生态系统耦合预测平台。
2.如权利要求1所述的一种气候-生态系统耦合建模方法，其特征在于：在执行步骤3中的将陆面/生态模型与区域大气环流模式耦合时，需要提供区域气候模式，区域气候模式包括国际理论物理中心ITCP研发的区域气候模式RegCM、欧洲区域气候模式REMO和美国航空航天宇航局国家气候与环境预报中心NOAA/NCEP研发的WRF模式。
3.如权利要求1所述的一种气候-生态系统耦合建模方法，其特征在于：在执行步骤4时，所述构建高分辨区域气候-生态系统耦合预测平台包括搭建高速网络、数据库服务器、计算服务器和预测预警服务器。
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