[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

说明书

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。

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；