[发明专利]一种冻土水热过程模型的全分布式与并行化实现方法

权利要求书

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。