CoupModel模擬與應(yīng)用研究進(jìn)展

李月, 萬忠梅, 孫麗

CoupModel模擬與應(yīng)用研究進(jìn)展

李月1, 2, 萬忠梅1,*, 孫麗2

1. 吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 長春 130061 2. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長春 130012

CoupModel 模擬范圍廣泛, 幾乎涉及了陸面過程的各種環(huán)節(jié), 且具有動態(tài)預(yù)測性。該模型不但能夠較為準(zhǔn)確地模擬森林、農(nóng)田、濕地以及凍土等多種生態(tài)系統(tǒng)的土壤水熱運移和碳氮循環(huán)等過程, 還能夠科學(xué)地預(yù)測氣候變化背景下的增溫潛勢。通過對 CoupModel 的耦合原理及特點、數(shù)據(jù)的輸入輸出、多種參數(shù)估計方法及模擬結(jié)果檢驗等方面的詳細(xì)介紹, 深入了解了利用該模型模擬土壤-植被-大氣系統(tǒng)的物質(zhì)能量過程; CoupModel 在國外多個國家和地區(qū)獲得應(yīng)用與認(rèn)可, 引入我國后, 通過更改部分參數(shù)也在多個地區(qū)得到驗證。在綜合眾多前人研究成果的基礎(chǔ)上, 將該模型與幾種使用較廣泛的同類模型進(jìn)行了簡單的對比分析, 隨后從模型參數(shù)簡化、適用性驗證和模型尺度等方面對其未來研究進(jìn)展進(jìn)行了探討。

CoupModel; 水熱耦合; 物質(zhì)運移; 土壤-植被-大氣系統(tǒng)過程

0 前言

近年來, 隨著人們對土壤-植被-大氣系統(tǒng)(Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer system, SVATs)的認(rèn)知不斷提升, 以及遙感等技術(shù)在陸面過程參數(shù)化過程中的廣泛應(yīng)用, 土壤-植被-大氣系統(tǒng)的水分傳輸和能量交換模型已成為水文領(lǐng)域的研究重點[1], 不同復(fù)雜程度、不同時空尺度的模擬土壤-植被-大氣系統(tǒng)水分、能量、碳交換過程的SVAT模型被建立和應(yīng)用[2–4]。陸面水文過程是此類模型模擬的重要目標(biāo)之一, 即模擬和反映發(fā)生在陸地和大氣之間的物質(zhì)和能量變化過程[5–6]。考慮植被在土壤-植被-大氣系統(tǒng)各界面之間能量、物質(zhì)傳輸和交換過程中重要作用的物理-化學(xué)-生物聯(lián)合模型統(tǒng)稱為SVAT模型[7]。在眾多模型中, CoupModel 是一種常見且適用范圍廣泛的陸面過程模型, 具有同時模擬地氣間水熱運移過程的能力, 該模型基于實際的物理機制, 將大氣、植被、積雪、地表水、土壤和地下水流動等作為一個整體進(jìn)行考慮, 不受空間和時間的限制, 特別是在人跡罕至, 數(shù)據(jù)測量困難復(fù)雜的地區(qū)更能發(fā)揮有效作用。CoupModel 能夠以其獨特的建模方式模擬預(yù)測不同土壤類型和土地管理措施下的土壤-植物-大氣系統(tǒng)的熱量和水分過程、植物水分過程、大氣和積雪過程及碳氮循環(huán)過程, 在國外已得到廣泛應(yīng)用認(rèn)可[8-9]。文章在介紹CoupModel 水熱耦合原理、模塊化和結(jié)構(gòu)化功能以及多種參數(shù)化特點的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步分析模型的基本的輸入輸出、模擬結(jié)果校正檢驗以及在多種環(huán)境下的應(yīng)用, 并將該模型與其它幾種國內(nèi)外廣泛使用的同類模型進(jìn)行對比, 了解其優(yōu)點、不足并提出優(yōu)化建議, 以期為進(jìn)一步的應(yīng)用與研發(fā)起到推動作用。

1 模型概述

1.1 模型簡介

CoupModel (Coupled heat and mass transfer model for soil-plant-atmosphere system)是一個基于過程的一維動態(tài)的機理性、綜合性的模型, 用于模擬能量、動量和質(zhì)量變化過程及其間的相互作用[10]。20世紀(jì)80~90年代, 瑞典皇家技術(shù)研究所(Royal Institute of Technology)以Per Erik Jansson為首的科學(xué)家們對 CoupModel 進(jìn)行了研究開發(fā), 該模型由 WinSOIL Model[11]和SOILN Model[12–13]兩個模型集成而來。CoupModel 通過實測的基本參數(shù)和獨特的建模方式進(jìn)行模擬預(yù)測[9], 它能夠模擬各種植被條件下的剖面尺度的土壤水、熱的生化過程, 現(xiàn)已有水熱過程、植物水過程、氣象過程和碳氮循環(huán)過程4大模塊。經(jīng)過不斷發(fā)展, 模型于2018年10月18日更新至5.4.4版本, 新版本可以選擇以CO2當(dāng)量為轉(zhuǎn)換因子的輸出形式來比較溫室氣體排放的全球增溫潛力。CoupModel 還配有詳細(xì)的使用說明[14–15], 更多詳細(xì)描述請見參考文獻(xiàn)[16]。

1.2 原理

CoupModel 的核心是兩個耦合的水、熱流動的連續(xù)偏微分方程(計算公式如下), 遵循質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律。假定水、熱流動是由水勢梯度(達(dá)西定律Darcy’s Law)和溫度梯度(傅立葉導(dǎo)熱定律Fourier’s Law)產(chǎn)生的, 各模塊采用了多種經(jīng)驗證有效的物理公式, 用有限差分法求解方程[1,10,16]。CoupModel 將能量平衡原理和熱量運移方程結(jié)合起來, 采用顯式數(shù)值方法對土壤凍融條件下的水熱耦合方程進(jìn)行求解[17], 它立足于土壤物理過程(圖1), 基于土壤性質(zhì)計算水、熱流量, 如: 保水曲線、聯(lián)合函數(shù)等。采用理查德方程和傅立葉方程分別描述土壤水、熱運動過程, 水分特征曲線依據(jù) Brooks- Corey 方程, 非飽和導(dǎo)水率計算采用 Mualem 公式[18]。Jansson對 CoupModel 陸面過程模式已進(jìn)行了詳細(xì)描述[16]。

式中q為液態(tài)水通量,k為非飽和導(dǎo)水率,為水分張力,為深度,為土壤空氣中水蒸氣的濃度,D為土壤水蒸氣的擴散系數(shù),q為大孔隙中的繞流,q為熱通量,k為熱傳導(dǎo)率,為土壤溫度,C為液態(tài)水熱容,L氣態(tài)水潛熱,q為氣態(tài)水通量,CTq為第一對流項,Lq為第二對流項。

1.3 特點

CoupModel 是基于模塊化構(gòu)建的模型, 擁有良好的操作平臺, 便于使用[20]。大部分是由單個機理性模型構(gòu)成的, 模塊化的設(shè)計使其具有結(jié)構(gòu)化功能, 它可對具體問題進(jìn)行具體的模擬和分析[21]。CoupModel 沒有固定的輸入?yún)⒘肯拗? 用戶可以根據(jù)需要, 選取合適的輸入?yún)?shù)來進(jìn)行模擬, 從而量化和增加了對土壤-植物-大氣系統(tǒng)基本水文和生物過程的理解。模型的層次結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實際的土壤和植被結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整, 適應(yīng)性強[10]。CoupModel 的一個重要優(yōu)點是可以使用有限的輸入數(shù)據(jù)取得較為合理滿意的模擬結(jié)果[22]。另外, CoupModel 還提供了眾多土壤數(shù)據(jù)庫, 這可使其在原始數(shù)據(jù)資料缺乏地區(qū)也能得到較好的參考使用[23]。CoupModel 中包含了很多參數(shù)化方案, 一是基于物理機制構(gòu)建的復(fù)雜參數(shù)化方案, 二是簡化的經(jīng)驗參數(shù)化方案[24]。模型的輸出因子數(shù)量同輸入因子一樣多, 使用者可根據(jù)研究需要選擇輸出參數(shù), 隨后可綜合評估模型的輸出結(jié)果。

圖1 CoupModel 水熱運移原理過程示意圖[19]

Figure 1 Diagram of CoupModel's principle and process of water and heat transfer[19]

2 模型輸入輸出與校驗

2.1 輸入輸出

CoupModel 允許用戶指定輸入: (1)強制時間序列; (2)參數(shù)函數(shù)的簡單預(yù)定義變化模式; (3)動態(tài)參數(shù), 這些參數(shù)在模擬過程中可以在指定日期更改數(shù)值。

氣象數(shù)據(jù)是模型的驅(qū)動變量, 其中最重要的是降水量和氣溫, 其次為空氣濕度、風(fēng)速和云量等(圖2)。根據(jù)測定資料建立的氣象數(shù)據(jù)、植被生長特征、土壤物理屬性3個數(shù)據(jù)庫可作為重要補充供模型模擬時調(diào)用[22]。

CoupModel 輸出的是整個土壤-植被-大氣系統(tǒng)的水分和能量平衡要素[25], 用時間序列表示。輸出的變量可依據(jù)需要選擇, 地溫、含水量是基本的水熱條件[26–27], 模擬的輸出變量無論是時間序列還是單值的形式, 都可以與任何獨立的測量結(jié)果進(jìn)行比較。最后, CoupModel 輸出的結(jié)果將以匯總表和函數(shù)圖像的形式展示出來, 其中匯總表包含初始值, 最終值, 最大值, 最小值和累計值; 函數(shù)圖像則可以表現(xiàn)出因參數(shù)變化而引起的結(jié)果變化, 同時還可以與實測值相比較。

圖2 CoupModel模擬運行圖

Figure 2 Simulation diagram of CoupModel

2.2 模型校驗

2.2.1 模型率定

CoupModel 包含多種參數(shù)估計方案, 其中貝葉斯參數(shù)估計方法(BC: Bayes Calibration)[28]和普適似然不確定性估計算法(GULE: General Likelihood Uncertainty Estimation)[29]使用較多, 這兩種估計方案能準(zhǔn)確減少參數(shù)先驗的估計范圍, 是資料匱乏地區(qū)模型模擬中的重要選擇, 有效提高了模型模擬的準(zhǔn)確度[30]。一般當(dāng)模型結(jié)構(gòu)不確定或測量誤差不確定的情況下運用GLUE方法; 當(dāng)模擬情況較簡單、各參數(shù)間互不獨立時且誤差較小時, 更適合選用貝葉斯估計參數(shù)方法[27]。

此外, CoupModel 的開發(fā)者根據(jù)研究成果給模型的參數(shù)均設(shè)置了一個科學(xué)合理的范圍, 并給出了較為理想的默認(rèn)值[1,16], 模擬過程中可根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整部分參數(shù)值, 從而使模擬結(jié)果達(dá)到合適的精度, 模型可自動對參數(shù)進(jìn)行估計和修正, 在實測數(shù)據(jù)不足的情況下, 模擬結(jié)果可以作為有效參考[27]。同時也可以基于野外測定、參考文獻(xiàn)以及模型調(diào)試對參數(shù)進(jìn)行校正。

2.2.2 模擬結(jié)果驗證

模型能否本地化使用的重要步驟是模擬結(jié)果的驗證和模型的適用性評估。CoupModel 主要采用模擬值和實測值的直線回歸決定系數(shù)(Determination Coefficient,)來檢驗?zāi)M值與實測值的吻合程度,最大值為1。的值越接近1, 說明回歸直線對觀測值的擬合程度越好,的值越小, 說明回歸直線對觀測值的擬合程度越差; 采用平均誤差(Mean Error, M.E.)、均方根誤(Root Mean Square Error, RMSE)的計算值來估計模擬值與實測值之間的誤差,和的值越接近于0, 說明模擬值與實際值更接近。(納什系數(shù), Nash-Sutcliffe Model Efficiency Coefficient)[31]作為模型有效性的重要檢測系數(shù), 其數(shù)值越接近1, 說明模擬結(jié)果與實測值越接近; 當(dāng)=1時, 顯示模擬結(jié)果與實測值完全一致[21];值小于0則表示平均測量值是比模擬值更好的預(yù)測值。、平均誤差、均方根誤差和納什系數(shù)分別以下式計算[32–33]:

2.3 實例分析

以上詳細(xì)介紹了 CoupModel 的輸入輸出, 參數(shù)校正和模擬結(jié)果檢驗等方面, 為了更直觀地表現(xiàn) CoupModel 在實際中的應(yīng)用, 此處我們將進(jìn)一步引用典型案例進(jìn)行分析。

張偉等[30]基于2005-2008年實測數(shù)據(jù), 使用 CoupModel 對青藏高原風(fēng)火山流域多年凍土的土壤溫度進(jìn)行了模擬, 采用Bayes參數(shù)法估計了部分水熱運移參數(shù), 模擬過程中主要輸入1.5m處的空氣溫度、風(fēng)速和相對濕度, 地表溫度和降水等驅(qū)動數(shù)據(jù), 并利用ME、RMSE和NSE指標(biāo)對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證(表1)。模擬結(jié)果表明, 模型總體對40cm和55cm深的土壤溫度模擬結(jié)果最好, ME和RMSE值較小, 分別介于0.1-0.17和0.97-0.93之間, NSE驗證方法的數(shù)值也最接近于1, 分別為0.9663和0.9642。具體來說, 20-65cm深度各層的土壤溫度模擬值高于實測值, 65-120cm深度各層的土壤溫度模擬值略低于實測值。值得關(guān)注的是, 模擬中發(fā)現(xiàn)20-65cm深的土壤溫度模擬值均在2006年8月17日出現(xiàn)突升現(xiàn)象(圖3), 分析原因可能是由于該日作為驅(qū)動要素的實際地表溫度升高了10℃以上, 從而引起20-65cm土壤溫度模擬值的突然變化。為進(jìn)行驗證, 在取消地表溫度作為輸入?yún)?shù)后, 上述20-65cm土壤溫度突升的現(xiàn)象消失。由此可見, 地表溫度是模擬地-氣之間能量傳輸?shù)囊粋€重要參數(shù), 地表溫度對85cm以下的土壤溫度影響較小, 對淺層土壤溫度影響效果更明顯[30]。

岳翠桐運用 CoupModel開展了科爾沁沙丘地-草甸地凍融期土壤水熱鹽耦合運移規(guī)律及數(shù)值模擬分析, 在模擬過程中發(fā)現(xiàn), 流動沙丘受地貌地形與風(fēng)速的影響, 風(fēng)沙堆積使初始設(shè)定的土壤深度加大, 造成模擬沙丘地凍融期土壤溫度較平緩, 模擬值較實測值要小。而后模擬鹽分的過程中發(fā)現(xiàn), 在率定期間和驗證期均出現(xiàn)表層含鹽量模擬值與實測值低于下層。究其原因, 是由于降雨對表層的鹽分產(chǎn)生淋洗的作用[24]。Li等在使用CoupModel 研究青藏高原降水增加條件下多年凍土活動層的熱力學(xué)特征時發(fā)現(xiàn), 由于不完全考慮排水, 模擬的變化曲線相對平坦; 在模擬下部隔室中含水量時, 可能是由于液壓參數(shù)選擇不當(dāng), 造成含水量低于總體測量數(shù)據(jù)[34]。

表1 土壤溫度實測值與模擬值的多種結(jié)果驗證對比[30]

圖 3 不同深度土壤溫度模擬值與觀測值對比[30]

Figure 3 Comparison of simulated and observed values of soil temperature in different depths[30]

綜上可知, 利用Coupmodel進(jìn)行模擬的過程中, 參數(shù)的選取對模擬結(jié)果會產(chǎn)生較大的影響, 因而在模型前期的調(diào)試中應(yīng)確保輸入?yún)?shù)的合理性并根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)試, 從而提高模擬精度。

3 國內(nèi)外應(yīng)用進(jìn)展

3.1 國外應(yīng)用

CoupModel 于上世紀(jì)70年代末首次使用后[35], 在多個國家地區(qū)得到了模擬驗證。很多學(xué)者利用它對氣候變化背景下的森林、農(nóng)田、濕地和凍土等生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)、土壤溶質(zhì)運移、水量平衡等方面都已開展了廣泛的研究。Gustafsson探討了CoupModel應(yīng)用于耕地的可能性, 發(fā)現(xiàn)森林多年平均蒸散量(416mm)顯著高于耕地(352mm), 凈輻射高出40%[36]。Ladekarl等對比分析了喬木和灌木水量平衡差異, 發(fā)現(xiàn)歐石南灌叢滲透量是英國棟林的1.3倍[37]。Christiansen等通過研究認(rèn)為CoupModel較好地模擬了山毛櫸和歐洲云杉林的水量平衡(R2為0.68-0.91)及硝酸鹽淋洗, 其滲透量分別為292mm和41mm[38]。Svensson等分析了2001—2004年瑞典從北到南3個氣候梯度上不同的挪威云杉林地的土壤和植被系統(tǒng)有機碳(C)儲量、生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部通量和凈生態(tài)系統(tǒng)交換(NEE)發(fā)現(xiàn), 土壤有機碳(SOC)儲量和樹木生長速率在最南端的樣地達(dá)到最高(分別是中部和北部的1.6和2.0倍); 在測量周期中, 模擬凈生態(tài)系統(tǒng)交換(變化很小, 從北方-0.8 g·cm-2·yr-1至南方的+9 g·cm-2·yr-1; 南方相比北方較高N的沉積和N的可用性導(dǎo)致土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化更慢)[39]。Karlberg等利用 CoupModel通過對歐洲草地、榿木、歐洲赤松、人工云杉和天然云杉林等陸地生態(tài)系統(tǒng)碳(C)的儲存和流動量的模擬結(jié)果表明, 碳儲量從大到小順序為榿木林(26000 g·m-2)>天然云杉林(18000 g·m-2)>草地、歐洲赤松、人工云杉林(13000 g·m-2—15000 g·m-2)[40]。Conrad 等使用 CoupModel 對德國北部兩種處理的草地氮淋溶模擬研究發(fā)現(xiàn), 對比未施用氮肥的樣地, 施用無機氮化肥的樣地氮的淋溶量是它的兩倍還多, 為74 kg·ha-1[41–43]。Nykanen 等通過對芬蘭春小麥+燕麥輪耕和紅三葉草地的作物產(chǎn)量氮的吸收以及土壤礦質(zhì)氮模擬認(rèn)為, 碳氮比(C/N)是影響氮素模擬結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)[44]。Gustafsson 通過模擬斯堪的納維亞半島森林和耕地30年的水熱通量, 得出森林是顯熱通量的凈資源, 然而耕地則是凈沉積的結(jié)論[35]。Scherler 等人利用 CoupModel 模型研究了瑞士的阿爾卑斯山區(qū)的積雪及多年凍土活動層, 并模擬了雪水在活動層的運移, 取得了一定的研究成果, 而且得出雪水下滲會受到活動層表層溫度的影響[45]。Hollesen 使用 CoupModel 對格陵蘭東北中部的連續(xù)多年凍土帶模擬預(yù)測未來變暖情景下的活動層厚度, 基于2—6 ℃變暖假設(shè), 最大活動層厚度從現(xiàn)在的70 cm增加到80—105 cm, 從現(xiàn)在的<40 g·cm-2·yr-1增加到120—213 g·cm-2·yr-1 [46]。Laura 首次將 CoupModel 用于模擬北極地區(qū)18 m深的多年凍土熱狀態(tài), 模擬格陵蘭東北部扎肯伯格山谷三角洲兩個不同雪深地點的永凍土溫度, 模型基礎(chǔ)設(shè)定與Hollesen[46]基本一致, 結(jié)果表明, 較厚的積雪增加了地表溫度, 導(dǎo)致零度振幅深度處的年平均地面溫度升高1 ℃。在地面溫度分別為3 ℃和6 ℃的情況下, 18 m深處的永久凍土溫度分別升高了1.5 ℃和3.5 ℃[47]。

3.2 國內(nèi)應(yīng)用

CoupModel 引入我國后應(yīng)用到多種陸面生態(tài)系統(tǒng)的研究中, 在寒區(qū)[25,33]、青藏高原[48]、西北半干旱地區(qū)[49–50]、黃土高原及丘陵地區(qū)[51–52]、內(nèi)蒙古[24,53]、亞熱帶三峽庫區(qū)[18,54]和鄱陽湖地區(qū)[55]等多個地區(qū)都進(jìn)行了模擬驗證。趙軍以松嫩平原海倫站1992—2000年的氣象數(shù)據(jù)作為驅(qū)動變量, 在調(diào)整部分參數(shù)的基礎(chǔ)上, 模擬了9年時長的土壤溫度和一些年份土壤水分的變化過程, 得到較準(zhǔn)確的模擬結(jié)果[56]。在青藏高原多年凍土地區(qū)唐古拉山監(jiān)測點, Hu等人模擬了多層土壤溫度及多年凍土區(qū)活動層含水量的變化, 發(fā)現(xiàn)在5和10米深處, 模擬結(jié)果與實測之間回歸方程的2大于0.9, 這表明該模型可以更好地模擬深層土壤溫度, 誤差較小, 并進(jìn)一步預(yù)測了未來氣候在1—2 ℃的增溫背景下, 活性層厚度或從目前的330 cm增加到約350—390 cm[57]。張偉等用 CoupModel 水文模型對積雪和土壤層影響下的多年凍土層的水熱傳輸情況進(jìn)行了研究, 主要通過 Bayes經(jīng)驗參數(shù)的估計方法對影響模型的參數(shù)進(jìn)行預(yù)估, 來模擬凍土層中水分—能量的運移和轉(zhuǎn)化過程[58]。Wu等人將 CoupModel和GLUE方法應(yīng)用于中國東北黑土區(qū)季節(jié)性凍土溫度的測量模擬, 篩選出了對土壤溫度影響最大的26個參數(shù)[59]。羅蔚建立了模擬鄱陽湖星子站水位與典型濕地植被呼吸量(碳)關(guān)系的 CoupModel-ANN 生態(tài)水文模型, 揭示了濕地典型植被呼吸作用隨湖泊水位變化的規(guī)律, 并預(yù)測了湖控工程建成之后水位控制范圍以及探尋水位變化所產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)[60]。

4 對比分析

CRHM(Cold Regions Hydrological Model)、SHAW(The Simultaneous Heat and Water Model)、SWAT(Soil and Water Assessment Tool)以及 VIC (Variable Infiltration Capacity) 模型都是與Coupmodel具有相似功能的SAVT模型。其中 CRHM 模型是由 Pomeroy 等人基于水文物理過程的參數(shù)化過程發(fā)展起來的一個綜合的寒區(qū)水文建模平臺[61], 屬于模塊化的分布式模型, 可與GIS有機融合[62]。CRHM模型可以本地化使用[63], 但是在與陸-氣模式的耦合方面還很欠缺, 多為中小尺度上的計算, 缺少大格局、大尺度的宏觀模擬。SHAW模型是一維的陸面過程模型較有代表性的模型之一[64–65]。最初是由美國農(nóng)業(yè)部西北流域研究中心 Flerchinger 和 Saxton 建立的用于模擬土壤的凍結(jié)與融化的模式[66–67], 與 CoupModel 一樣采用數(shù)值求解土壤凍融條件下的水熱耦合方程進(jìn)行模擬[17], 需要氣象數(shù)據(jù)等基本信息驅(qū)動。具較高的靈活性, 適用于“點”尺度[68], 但針對陸面過程考慮不全面, 部分算法簡單, 其輸入?yún)?shù)較多, 應(yīng)用尺度小, 較難在區(qū)域尺度上推廣。SWAT 是20世紀(jì)90年代由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心 Amold 等開發(fā)的[69], 是集成GIS和DEM等技術(shù)的流域尺度上的動態(tài)分布式水文模型[70], 該模型原理簡單, 參數(shù)容易獲取, 但應(yīng)用流域大多為人類活動頻繁地區(qū)[71], 在寒區(qū)的研究相對較少, 可將模型中的某個部分改進(jìn)后應(yīng)用到寒區(qū)水文過程模擬中。VIC, 也叫“可變下滲容量模型”, 是基于SVAT思想的網(wǎng)格化大尺度分布式陸面過程水文綜合模型, 由華盛頓大學(xué)、普林斯頓大學(xué)及加州大學(xué)伯克利分校共同研制開發(fā)。它最初是基于Wood的思想研制出單一土壤層模型[72], 后又被Liang等開發(fā)了兩層土壤的VIC-2L模型[73–74], 陸面過程中模擬的土壤凍融同樣采用參數(shù)化方案, 但模型假設(shè)網(wǎng)格內(nèi)是平坦的, 不符合山區(qū)流域特點。

通過對上述幾種廣泛使用的陸面過程模型進(jìn)行的介紹可知, CoupModel 與上述4種模型的應(yīng)用條件和范圍具有一定差異。相對而言, CoupModel 的優(yōu)勢在于模擬范圍廣泛, 幾乎涉及了陸面過程的各種環(huán)節(jié), 但模擬尺度小, 適合模擬一維的陸面過程模式。未來可將 CoupModel 模型與其他模型和技術(shù)相結(jié)合開展大尺度的模擬和研究。

5 展望

CoupModel 通用性強, 適用于多種地點、時間等條件, 非專家亦可操作應(yīng)用, 具有動態(tài)預(yù)測性, 可以根據(jù)環(huán)境因素的變化等來模擬不同環(huán)境條件下的動態(tài)變化過程, 提供可靠的定量預(yù)測, 為適時合理調(diào)控提供依據(jù)。CoupModel 主要模擬陸面過程, 但陸面過程影響因素多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 模型仍有改進(jìn)的地方:

首先, 模型的簡化。CoupModel 輸入驅(qū)動運行還需要建立氣象、植被和土壤數(shù)據(jù)庫, 模擬水、熱運移過程, 碳、氮循環(huán)較多采用經(jīng)驗關(guān)系式, 且受諸多物理和經(jīng)驗參數(shù)控制, 有些參數(shù)校準(zhǔn)難度大。需要對模型簡化, 確定關(guān)鍵參數(shù)是下一步研究重點。

其次, 模型適用性與準(zhǔn)確性需進(jìn)一步驗證。目前, CoupModel 已在歐洲區(qū)域得到了廣泛應(yīng)用, 國內(nèi)一些地區(qū)也有較好的應(yīng)用, 但無論何種模型都具有局限性, 在正式模擬運算前, 還須對模型進(jìn)行校核和獨立的模擬測試。

此外, CoupModel 適用于一維“點”尺度模擬, 在垂向上對研究對象的模擬具有其獨特價值, 通過模型結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步完善或與其他模式和技術(shù)相結(jié)合, 可形成一個更為完善的包含各個過程和多參數(shù)優(yōu)化方案的多尺度的陸面過程模型。

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Advances in CoupModel simulation and application research

LI Yue1,2, WAN Zhongmei1,*, SUN Li2

1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China 2. Northeast Institute of Geography and Agroecology,China Academy of Sciences, Changchun 130012,China

CoupModel simulation covers a wide range of aspects of land surface processes and has the characteristic of dynamic predictability. The model can not only accurately simulate the processes of soil water and heat transfer and carbon and nitrogen cycle in forest, farmland, wetland and permafrost ecosystems, but also scientifically predict the potential of temperature increase in the context of climate change. CoupModel is used to simulate the mass and energy processes of the soil-vegetation-atmosphere system in detail through its coupling principle and characteristics, data input and output, various parameter estimation methods and simulation results verification. etc. CoupModel has been applied and approved in many foreign countries and regions, and the introduction to China has also been verified in many regions by changing some parameters. Based on the many previous research results, we compared CoupModel with other widely-used models with similar functions. The future research progress should be discussed from the aspects of simplification of model parameters, validation of applicability and model scale.

CoupModel; coupled heat and water; mass transfer; soil vegetation atmospheric system process

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.03.027

P463.2

A

1008-8873(2020)03-212-09

2019-07-08;

2019-10-10

國家自然科學(xué)基金項目(41771102, 41101271)資助

李月(1993—), 女, 黑龍江蘭西人, 碩士, 主要研究方向為濕地碳循環(huán)與過程模擬, E-mail: 15046533520@163.com

萬忠梅, 女, 副教授, 主要從事第四紀(jì)全球變化研究, E-mail: wanzm@jlu.edu.cn

李月, 萬忠梅, 孫麗. CoupModel模擬與應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2020, 39(3): 212–220.

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