CN113486551B - 一种冻土水热过程模型的全分布式与并行化实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种冻土水热过程模型的全分布式与并行化实现方法，包括如下步骤：步骤1、考虑多种基本气象参数，建立空间全分布式的冻土水热传输数值模型，其中，将积雪设计为单层双节点的结构，考虑雪盖的累积和升华以及水热在雪层中的传导过程；土壤层设计为不同网格不同深度的多层土壤结构，考虑冻融过程对水热通量的影响；步骤2、基于水热平衡方程，设计水热传输数值模型的求解步骤过程；步骤3、基于并行化运算方法，对上述模型的求解过程进行并行分布式计算，得到计算结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种地理环境监测领域，特别是涉及一种冻土水热过程模型的全分布式与并行化实现方法。
背景技术
基于冻土状态及其变化机制的长期观测和知识积累，冻土水热传输过程机理研究已成为寒区冻土研究的核心环节。根据水热传输过程的实验观测积累、规律总结和理论研究，国内外众多学者相继发展出了多种基于物理机制的冻土水热传输过程模型。冻土水热传输过程模型通常要考虑影响冻土形成与变化的各系统相互作用，表达土壤、大气之间的物质和能量交换过程，结构比较复杂，对数据要求高，但模型总体适用性较强。
现有典型的冻土水热耦合数值模型有美国农业部北方流域研究中心开发的单点一维冻土水热耦合过程模型SHAW(the Simultaneous Heat and Water，SHAW)模型、适用于大尺度水文过程模拟的分布式VIC模型(Variable Infiltration Capacity,VIC)、英国皇家理工学院土地和水资源司建立的COUP模型(Coupled Model of Water,Heat and MassTransfer,COUP)。其中，SHAW和VIC模型可以描述垂直方向一维土壤物理系统，包括积雪层、残渣层、土壤表面以下到指定下边界内的土壤层等，是研究融雪和土壤冻融较为详细的模型。COUP模型同样是一个一维结构的土壤水热传输过程动态模型，能够精细模拟土壤-植被-大气传输系统中得碳、氮运动。
为了满足高海拔冻土区域的流域水文过程模拟需求，陈仁升等学者建立了一个针对内陆河高寒山区水文过程模拟的分布式流域水热耦合水文模型DWHC模型(DistributedWater and Heat Coupled Model)，基于冻土水热耦合原理，将土壤冻融过程与流域水文过程进行了耦合研究。Gao等学者于2018年在分布式水文模型GBHM模型(Geomorphology-based Hydrological Model)基础上，改进了冰川消融、融雪和土壤冻融过程。
当前基于水热耦合机理的冻土过程模拟研究或应用大多集中在单点一维尺度上，而且其中多数为机制探索和应用评估研究。在分布式的流域尺度或区域尺度上，冻土水热过程数值模型的进展主要集中在模型集成上，发展了很多耦合冻土水热过程的流域水文、生态等多种陆面过程模型。但是，尽管通过多模型耦合的方式使模型具备了更强大的模拟能力，由于其发展大多针对某一具体研究对象或目标，而且为了提高耦合其他模型的效率，在冻土过程模拟上进行了大量的简化，导致其在某一方面考虑的较为详细，而在冻土水热传输过程本身的描述上有所简化甚至略有欠缺。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明利用水热耦合原理，考虑了冻土系统中的气象、植被冠层、积雪与土壤等多个水热过程，设计了自地表一定高度的大气，到地表植被冠层、积雪，再到地表一定深度土壤层的空间分布式水热传输系统。
本发明在现有理论的基础上，系统性的融合自地面一定高度的大气、植被冠层、积雪，到地下一定深度的土壤层中的水热耦合方程，同时考虑水平方向的水热传输过程，建立一套完善的空间全分布式的冻土水热传输数值模型，并利用先进的计算机技术，实现分布式数值模型的并行化高效运算。
本发明的技术方案为：一种冻土水热过程模型的全分布式与并行化实现方法，包括如下步骤：
步骤1、考虑多种基本气象参数，建立空间全分布式的冻土水热传输数值模型，其中，将积雪设计为单层双节点的结构，考虑雪盖的累积和升华以及水热在雪层中的传导过程；土壤层设计为不同网格不同深度的多层土壤结构，考虑冻融过程对水热通量的影响；
步骤2、基于水热平衡方程，设计水热传输数值模型的求解步骤过程；
步骤3、基于并行化运算方法，对上述模型的求解过程进行并行分布式计算，得到计算结果。
进一步的，所述步骤2、基于水热平衡方程，设计水热传输数值模型的求解步骤过程；包括如下步骤：
(2.1)计算冠层、雪层和土壤表面吸收的太阳辐射以及净长波辐射；
(2.2)输入能量方程矩阵偏导数的初始值，确定长波辐射通量对地表温度的依存关系；
(2.3)根据吸收的太阳辐射和净长波辐射计算每个节点的能量平衡源汇项；
(2.4)给平衡方程的余项赋初值，修正能量和水平衡矩阵中的偏导数系数，求解进入地表的热量和水分通量；
(2.5)计算植被冠层能量平衡方程系数和误差，校正计算结果；
(2.6)计算雪层能量平衡方程系数及误差，修正雪底土层偏导数，求解雪层底部的热通量；
(2.7)计算土壤层的能量平衡方程矩阵系数和误差，计算融化潜热，并校正偏导数系数；
(2.8)求解能量平衡方程矩阵，检查误差是否在允许范围之内，校正每个时间步长结束时的计算值。
(2.9)计算雪底水汽通量，定义水平衡的边界条件；
(2.10)计算土壤中水分平衡系数矩阵和误差；
(2.11)求解水分平衡矩阵，检查误差是否在允许范围之内，在每个时间步长结束时，校正未冻土层的基质势和液态含水率，以及冻土层的含冰率；
(2.12)若某一层的误差大于阈值，则返回到步骤2.1，重新计算净长波辐射；
(2.13)在计算时间步长内，若有雪的融化、水汽迁移以及新雪降落，则计算积雪中的液态水流出量、调整雪层密度；
(2.14)该步长结束后，输出计算结果，进入下一个步长运算。
进一步的，所述步骤3、基于并行化运算方法，对上述模型的求解过程进行并行分布式计算，得到计算结果，具体包括：
(3.1)首先进行串行式的空间数据预处理和参数初始化；
(3.2)根据计算机最大进程数，将模型中所有空间分布式网格变量动态分割为M×N(M行，N列)的离散切片；
(3.3)对切片上的水热过程进行并行式运算，其中涉及的系统参数或全局变量，采用互斥锁方式进行参数传递；
(3.4)并行式运算结束后，将离散的切片合并为完整的空间分布式网格，进行水平方向上的水热参量校正；
(3.5)输出模型运算结果。
有益效果：
本发明通过将冻土系统基础数据和参数进行空间网格化，结合水热耦合原理，形成一套具有冻土水热传输物理机制的空间分布式过程模型，并利用计算机多线程并行计算技术实现了分布式数值模型的并行运算，提高了数值模型的运行效率，解决了传统水热过程模型在空间流域尺度上模拟的不足和效率较低的问题，完善了分布式冻土水热过程数值模型的物理机制。
附图说明
图1冻土水热系统物理过程示意图；
图2数值模型运行流程示意图；
图3分布式与并行化运算示意图；
图4同盟流域地理位置及地形环境；
图5研究区土壤类型与地表覆被空间分布图；
图6案例区地表土壤温湿度初始状态；
图7模型运行时的命令行界面；
图8研究区累年月均地表积雪厚度模拟结果；
图9研究区累年月均地表热通量模拟结果；
图10FFIMS模型模拟逐日地表土壤温度与地表0cm气温趋势对比；
图11并行效率测试结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的实施例，提出一种冻土水热过程模型的全分布式与并行化实现方法，包括如下步骤：
步骤1、考虑多种基本气象参数，建立空间全分布式的冻土水热传输数值模型，其中，将积雪设计为单层双节点的结构，考虑雪盖的累积和升华以及水热在雪层中的传导过程；土壤层设计为不同网格不同深度的多层土壤结构，考虑冻融过程对水热通量的影响；
步骤2、基于水热平衡方程，设计水热传输数值模型的求解步骤过程；
步骤3、基于并行化运算方法，对上述模型的求解过程进行并行分布式计算，得到计算结果。
参见图1所示，为冻土水热系统物理过程示意图。气象条件是冻土水热过程的重要驱动因素，本发明考虑了地表气温、大气压强、降水、相对空气湿度、风速、蒸发量、日照时长等多种基本气象参数。将积雪设计为单层双节点的结构，考虑雪盖的累积和升华以及水热在雪层中的传导过程。土壤层设计为不同网格不同深度的多层土壤结构，考虑了冻融过程对水热通量的影响。其中涉及到的水热平衡方程如式(1)至式(5)所示。
冠层能量与水平衡方程如式(1)和式(2)所示。
式(1)中，ρa，ca和T分别为大气密度(kg m-3)，大气比热容(J kg-1℃-1)和冠层温度(℃)，ke为冠层热量传导系数(m2 s-1)，Hl为冠层向大气传输的热量(W m-3)。式(2)中，ρv为蒸气密度(kg m-3)，El为冠层蒸散发量(mm)，t和z分别表示时间和冠层高度。
雪盖能量平衡方程可用式(3)表示。
其中，ρsp，wsp和ksp分别为雪密度(kg m-3)，体积含水量(m3 m-3)以及雪的热传导系数(Wm-1℃-1)；ci和ρl分别是冰的比热容(J kg-1℃-1)和水密度(kg m-3)；Rn是积雪下的净辐射通量(W m-2)；Lf和Ls分别是融化潜热与升华潜热(J kg-1)；qv水汽通量(kg s-1m-2)，t和z分别表示时间和雪层厚度。
土壤能量和水平衡方程可分别表示为式(4)和式(5)。
其中，Cs为土壤比热容(J kg-1℃-1)，ks为土壤热传导系数(W m-1℃-1)。K是土壤导水率(m s-1)，ψ为土壤水势(m)，U是土壤水通量的源/汇项(m3 m-3s-1)，t和z分别表示时间和土壤深度。
在水热平衡方程的求解过程中，对于垂直和水平两个方向上的水热传输过程，本发明采用两步走的模拟方式。第一步，在纵向上，将植被冠层、雪盖和土壤分为有限层数，每层用一个节点表示，求解每个节点以及节点间的能量和水的平衡方程(隐式有限差分方程)。第二步，在横向上，首先，热量的传导不受重力的影响，无需分清上下游关系，因此采用邻域均衡的方法，对分布式网格形式的热参量进行校正，排除极端异常值；其次，水分的传输是受重力影响的，需根据分布式网格的上下游关系(水流流向)，对水参量进行校正。在求解水热平衡方程的过程中，方程组采用Newton-Raphson迭代法求解，模型采用C++编程语言实现。用有限差分的形式将冻土系统划分为有限层和有限的节点，每个节点中的各水热分量的存储量以各节点所在层的厚度为准。由各偏导数和余项组成三对角矩阵，求解待求解变量变化量的近似解，使误差趋于零，迭代至每个节点的误差均小于允许误差为止。
根据本发明的一个实施例，建立一套完善的空间全分布式的冻土水热传输数值模型，所述的模型运行的流程图参见图2，每个时间步长内的数值计算方法可归纳为如下步骤：
①计算冠层、雪层和土壤表面吸收的太阳辐射以及净长波辐射；
②输入(读取)能量方程矩阵偏导数的初始值，确定长波辐射通量对地表温度的依存关系；
③根据吸收的太阳辐射和净长波辐射计算每个节点的能量平衡源汇项；
④给平衡方程的余项赋初值，修正能量和水平衡矩阵中的偏导数系数，求解进入地表的热量和水分通量；
⑤计算植被冠层能量平衡方程系数和误差，校正计算结果；
⑥计算雪层能量平衡方程系数及误差，修正雪底土层偏导数，求解雪层底部的热通量；
⑦计算土壤层的能量平衡方程矩阵系数和误差，计算融化潜热，并校正偏导数系数；
⑧求解能量平衡方程矩阵，检查误差是否在允许范围之内，根据具体情况校正每个时间步长结束时的计算值。
⑨计算雪底水汽通量，定义水平衡的边界条件；
⑩计算土壤中水分平衡系数矩阵和误差；
求解水分平衡矩阵，检查误差是否在允许范围之内，在每个时间步长结束时，校正未冻土层的基质势和液态含水率，以及冻土层的含冰率；
若某一层的误差过大，则返回到第一步，重新计算净长波辐射；
在计算时间步长内，若有雪的融化、水汽迁移以及新雪降落，则计算积雪中的液态水流出量、调整雪层密度；
该步长结束后，输出计算结果，进入下一个步长运算。
由于水热耦合原理涉及的方程、函数(如式(1)至式(5))复杂，其中更是需要迭代求解，在空间分布式尺度上，模型运行效率比较低。因此，本发明设计中包括了一种并行化运算方法。并行设计的示意图参件图3。并行化设计的主要内容如下：
①首先进行串行式的空间数据预处理和参数初始化；
②根据计算机最大进程数(M×N)，将模型中所有空间分布式网格(变量)动态分割为M×N(M行，N列)的离散切片；
③对切片上的水热过程进行并行式运算，其中涉及的系统参数(或全局变量)，采用互斥锁等方式进行参数传递；
④并行式运算结束后，将离散的切片合并为完整的空间分布式网格，进行水平方向上的水热参量校正；
⑤输出模型运算结果。
根据本发明的一个实施例，以我国东北地区嫩江流域上游的同盟子流域(嫩江同盟段)，作为本发明的应用和验证案例区域。同盟流域位于嫩江上游(图4)，面积约1.09×105km2。同盟流域北方被山地环绕，东西两侧分别为大兴安岭和小兴安岭，南部流域下游是松嫩平原。
同盟流域处于我国东北地区的北方，纬度较高，气候寒冷。案例区有大面积的多年冻土分布，21世纪初，连续、不连续和岛状等类型的多年冻土在本研究区均有分布。案例区土壤类型主要为淋溶土、初育土和水成土等(土纲)，土类包括棕色针叶林土、暗棕壤、黑钙土、水稻土等10余类以及24亚类，其空间分布如图5左图所示。案例区土地利用类型的空间分布如图5右图所示。
需要说明的是，本实施例将模型模拟单元(栅格)的空间分辨率统一设置为1km，模拟时间步长为24小时(逐日)，模拟时段为2002年8月1日至2017年7月31日。
案例区的气象驱动数据源自16个国家地面气象台站的逐日观测记录，利用反距离加权(IDW)的空间插值方法，将站点数据转换为空间栅格数据。土壤温湿度初始状态数据(2002年8月1日)为MODIS MOD11 A1地表土壤温度数据产品(数据下载自EarthData，https://lpdaac.usgs.gov/)和基于微波数据同化的中国土壤水分数据集(数据下载自青藏高原科学数据中心，https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/)。案例区地表土壤温湿度初始状态空间分布如图6所示。
模型运行界面如图7所示。
冻土水热过程数值模型模拟结果主要包括冠层截留、冠层蒸发、叶面温度、叶面辐射等冠层水热参数，雪水当量、积雪厚度、雪面温度、雪盖密度等积雪水热参数，以及土壤剖面温度、土壤剖面含水量、土壤剖面含冰量、土壤水热通量等土壤表面或剖面的水热参数等。模型运行结果主要通过时间变化和空间分布两个角度展示。在时间变化角度上，主要以全流域平均状态为指标；在空间分布角度上，选择累年月均状态的变量或长时段的变化指标，来展示空间分布式模型模拟结果的优势。例如，积雪厚度、地表热通量模型模拟结果参见图8-9所示。
本实施例将地表0cm气温观测数据与模型模拟结果进行对比验证，探讨冻土过程模型对水热过程模拟的有效性和稳定性。图10中的线性拟合结果表明模型在土壤温度模拟上的合理性和稳定性较好，模拟值与观测值的相关性指标R2约为0.935。总体来说，FFIMS模型模拟的地表土壤温度是可靠的。
最后，对本发明建立的分布式冻土水热传输数值模型的并行化效率进行了评估。本案例中使用的计算机内核数为40，手动设置了多种切片数量，分别为2×2，3×3，4×4，5×5，6×6，7×7，8×8，9×9，10×10，11×11，12×12等。选择一个水文年(2010年8月1日至2011年7月31日)进行评估测试，测试结果如图11所示。可以发现，并行化对效率提高的效果是十分显著的，随着并行线程的增大，效率提升效果会减弱，这主要受到计算机性能的限制。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种冻土水热过程模型的全分布式与并行化实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、考虑多种基本气象参数，建立空间全分布式的冻土水热传输数值模型，其中，将积雪设计为单层双节点的结构，考虑雪盖的累积和升华以及水热在雪层中的传导过程；土壤层设计为不同网格不同深度的多层土壤结构，考虑冻融过程对水热通量的影响；
步骤2、基于水热平衡方程，设计水热传输数值模型的求解步骤过程；
步骤3、基于并行化运算方法，对上述模型的求解过程进行并行分布式计算，得到计算结果；
其特征在于，所述步骤2、基于水热平衡方程，设计水热传输数值模型的求解步骤过程；包括如下步骤：
(2.1)计算冠层、雪层和土壤表面吸收的太阳辐射以及净长波辐射；
(2.2)输入能量方程矩阵偏导数的初始值，确定长波辐射通量对地表温度的依存关系；
(2.3)根据吸收的太阳辐射和净长波辐射计算每个节点的能量平衡源汇项；
(2.4)给平衡方程的余项赋初值，修正能量和水平衡矩阵中的偏导数系数，求解进入地表的热量和水分通量；
(2.5)计算植被冠层能量平衡方程系数和误差，校正计算结果；
(2.6)计算雪层能量平衡方程系数及误差，修正雪底土层偏导数，求解雪层底部的热通量；
(2.7)计算土壤层的能量平衡方程矩阵系数和误差，计算融化潜热，并校正偏导数系数；
(2.8)求解能量平衡方程矩阵，检查误差是否在允许范围之内，校正每个时间步长结束时的计算值；
(2.9)计算雪底水汽通量，定义水平衡的边界条件；
(2.10)计算土壤中水分平衡系数矩阵和误差；
(2.11)求解水分平衡矩阵，检查误差是否在允许范围之内，在每个时间步长结束时，校正未冻土层的基质势和液态含水率，以及冻土层的含冰率；
(2.12)若某一层的误差大于阈值，则返回到步骤2.1，重新计算净长波辐射；
(2.13)在计算时间步长内，若有雪的融化、水汽迁移以及新雪降落，则计算积雪中的液态水流出量、调整雪层密度；
(2.14)该步长结束后，输出计算结果，进入下一个步长运算；
所述步骤3、基于并行化运算方法，对上述模型的求解过程进行并行分布式计算，得到计算结果，具体包括：
(3.1)首先进行串行式的空间数据预处理和参数初始化；
(3.2)根据计算机最大进程数，将模型中所有空间分布式网格变量动态分割为M×N的离散切片；
(3.3)对切片上的水热过程进行并行式运算，其中涉及的系统参数或全局变量，采用互斥锁方式进行参数传递；
(3.4)并行式运算结束后，将离散的切片合并为完整的空间分布式网格，进行水平方向上的水热参量校正；
(3.5)输出模型运算结果。
2.根据权利要求1所述的一种冻土水热过程模型的全分布式与并行化实现方法，其特征在于，所述步骤2、在水平衡方程的求解过程中，对于垂直和水平两个方向上的水热传输过程，包括如下步骤：
第一步，在纵向上，将植被冠层、雪盖和土壤分为有限层数，每层用一个节点表示，求解每个节点以及节点间的能量和水的平衡方程隐式有限差分方程；
第二步，在横向上，首先，热量的传导不受重力的影响，无需分清上下游关系，采用邻域均衡的方法，对分布式网格形式的热参量进行校正，排除极端异常值；水分的传输受重力影响，根据分布式网格的上下游关系，对水参量进行校正。
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