本發(fā)明屬于大數(shù)據(jù)技術(shù)領域，尤其涉及一種氣候-生態(tài)系統(tǒng)耦合建模方法。
背景技術(shù)：
主要的氣候數(shù)值模式技術(shù)德國氣候中心區(qū)域氣候模式remo、國際理論物理中心研發(fā)的區(qū)域氣候模式regcm、美國國家大氣中心地球系統(tǒng)模式和大尺度氣候模式cesm、美國航空航天宇航局國家氣候與環(huán)境預報中心wrf模式等；主要的陸面生態(tài)數(shù)值模式技術(shù)遙感蒸散pt-jpl模型、聯(lián)合的英國土地環(huán)境模擬器jules模型、noah-mp模型、美國公用陸面模式clm4、美國威斯康星大學全球環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展中心ibis模型、總體科學評估模型isam模型等。
但模式誤差是不可回避的問題，區(qū)域氣候模式會由于本身的模式不完備性、側(cè)邊界強迫和物理外源強迫等的不確定性而產(chǎn)生模式系統(tǒng)誤差，陸面-生態(tài)模式也會由于植被、土壤、冰雪等的水熱過程、生理過程和光化學過程等參數(shù)化方案的不完備性、資料誤差和參數(shù)誤差等產(chǎn)生一定的模式誤差。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種氣候-生態(tài)系統(tǒng)耦合建模方法，解決了現(xiàn)有的氣候數(shù)值模式中的模式誤差大的問題。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種氣候-生態(tài)系統(tǒng)耦合建模方法，包括如下步驟：
步驟1：氣候生態(tài)大數(shù)據(jù)庫的建立，并對氣候-生態(tài)數(shù)據(jù)庫進行大數(shù)據(jù)分析，獲取氣候、生態(tài)演變規(guī)律：建立一個分布式服務器集群，具體分布式服務器集群又可以細化成一個數(shù)據(jù)庫存儲集群和一個并行計算服務器群；
數(shù)據(jù)庫存儲集群主要用來存儲基礎地理數(shù)據(jù)庫、遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、地面監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和調(diào)查/統(tǒng)計/挖掘數(shù)據(jù)庫，其存儲介質(zhì)為磁盤陣列；數(shù)據(jù)庫存儲集群中存儲的數(shù)據(jù)包括主要氣候要素、主要生態(tài)要素和時間演變特征，所述主要氣候要素包括降水、地表氣溫、地表風場、地表水汽、地表輻射通量和土壤濕度及常規(guī)壓面要素；主要生態(tài)要素包括植被指數(shù)、植被覆蓋和植被生產(chǎn)力；時間演變特征主要包括變化趨勢、可能的波動周期、氣候尺度突變現(xiàn)象；
并行計算服務器群用來利用經(jīng)驗正交分解eof技術(shù)對重要要素的地理分布變化進行分型分析，分析過去幾十年間生態(tài)要素空間分布形態(tài)的變化和時間演變特征，通過利用經(jīng)驗正交分解eof技術(shù)對重要要素的地理分布變化進行分型分析，分析過去幾十年間生態(tài)要素空間分布形態(tài)的變化和時間演變特征，并且采用回歸分析、典型相關cca、奇異矢量分解svd和聯(lián)合eof分解方法研究分析氣候要素和生態(tài)要素的相互關系；
步驟2：在并行計算服務器群中調(diào)試區(qū)域大氣環(huán)流模式和生態(tài)系統(tǒng)模式，進行多生態(tài)模式模擬試驗：選用多個陸面/生態(tài)系統(tǒng)模型，對與目標區(qū)域相似的模擬區(qū)域進行實際氣候強迫離線模擬，所述陸面/生態(tài)系統(tǒng)模型包括簡單生物圈模型pt-jpl、英國土地環(huán)境模擬器jules、多參數(shù)公用noah陸面模型noah-mp、公用陸面模式clm和陸面生物物理模型ibis；
通過與實測資料和多模式集成資料對比，研究能源、水循環(huán)和碳循環(huán)過程對氣候強迫的適應性以及不同數(shù)值模型的模擬刻畫能力；
步驟3：在并行計算服務器群中構(gòu)建目標區(qū)域氣候-生態(tài)耦合數(shù)值模型系統(tǒng)，進行氣候-生態(tài)耦合數(shù)值模型系統(tǒng)的建模和調(diào)試，利用耦合數(shù)值模型系統(tǒng)對目標區(qū)域氣候-生態(tài)相互作用及反饋進行數(shù)值模擬研究，揭示作用規(guī)律，其步驟如下：
首先擬以區(qū)域大氣環(huán)流模式為核心組件，根據(jù)離線數(shù)值模擬結(jié)果優(yōu)選陸面/生態(tài)模型，將陸面/生態(tài)模型與區(qū)域大氣環(huán)流模式耦合；
陸面/生態(tài)模型與區(qū)域大氣環(huán)流模式的耦合包括陸表能量和水汽及其他物質(zhì)的交換，區(qū)域大氣環(huán)流模式向陸面/生態(tài)模式提供大氣狀態(tài)量，陸面/生態(tài)模式則向區(qū)域大氣環(huán)流模式反饋地表狀態(tài)量，對兩者的交換量與實測或分析場進行長序列對比并進行必要的誤差訂正；
然后擬以全球公用地球系統(tǒng)模式框架為基礎，耦合全球大氣、海洋、海/陸冰和陸面模塊進行全球未來氣候積分運算，并將其結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫存儲集群用以驅(qū)動區(qū)域氣候-生態(tài)耦合數(shù)值模型系統(tǒng)的未來預測預警；
步驟4：對區(qū)域氣候-生態(tài)耦合數(shù)值模型系統(tǒng)進行g(shù)is集成，構(gòu)建高分辨區(qū)域氣候-生態(tài)系統(tǒng)耦合預測平臺。
在執(zhí)行步驟3中的將陸面/生態(tài)模型與區(qū)域大氣環(huán)流模式耦合時，需要提供區(qū)域氣候模式，區(qū)域氣候模式包括國際理論物理中心itcp研發(fā)的區(qū)域氣候模式regcm、歐洲區(qū)域氣候模式remo和美國航空航天宇航局國家氣候與環(huán)境預報中心noaa/ncep研發(fā)的wrf模式。
在執(zhí)行步驟4時，所述構(gòu)建高分辨區(qū)域氣候-生態(tài)系統(tǒng)耦合預測平臺包括搭建高速網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫服務器、計算服務器和預測預警服務器。
本發(fā)明所述的一種氣候-生態(tài)系統(tǒng)耦合建模方法，解決了現(xiàn)有的氣候數(shù)值模式中的模式誤差大的問題，本發(fā)明采用了先離線模擬對比，而后優(yōu)選耦合的思想，耦合前充分評估和調(diào)試各模式性能，盡可能將單個模式的誤差控制在最小的范圍，然后通過氣候模式與生態(tài)模式交換量的實測資料修正，盡可能嚴控氣候漂移問題，最后在模擬效果評估中還會分析耦合模式的系統(tǒng)誤差，并建立誤差訂正機制，確保各模式、各模塊、各參數(shù)最大化符合或適應目標地區(qū)的地理地貌和氣候生態(tài)實況。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
如圖1所示一種氣候-生態(tài)系統(tǒng)耦合建模方法，包括如下步驟：
步驟1：氣候生態(tài)大數(shù)據(jù)庫的建立，并對氣候-生態(tài)數(shù)據(jù)庫進行大數(shù)據(jù)分析，獲取氣候、生態(tài)演變規(guī)律：建立一個分布式服務器集群，具體分布式服務器集群又可以細化成一個數(shù)據(jù)庫存儲集群和一個并行計算服務器群；
數(shù)據(jù)庫存儲集群主要用來存儲基礎地理數(shù)據(jù)庫、遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、地面監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和調(diào)查/統(tǒng)計/挖掘數(shù)據(jù)庫，其存儲介質(zhì)為磁盤陣列；數(shù)據(jù)庫存儲集群中存儲的數(shù)據(jù)包括主要氣候要素、主要生態(tài)要素和時間演變特征，所述主要氣候要素包括降水、地表氣溫、地表風場、地表水汽、地表輻射通量和土壤濕度及常規(guī)壓面要素；主要生態(tài)要素包括植被指數(shù)、植被覆蓋和植被生產(chǎn)力；時間演變特征主要包括變化趨勢、可能的波動周期、氣候尺度突變現(xiàn)象；
并行計算服務器群用來利用經(jīng)驗正交分解eof技術(shù)對重要要素的地理分布變化進行分型分析，分析過去幾十年間生態(tài)要素空間分布形態(tài)的變化和時間演變特征，通過利用經(jīng)驗正交分解eof技術(shù)對重要要素的地理分布變化進行分型分析，分析過去幾十年間生態(tài)要素空間分布形態(tài)的變化和時間演變特征，并且采用回歸分析、典型相關cca、奇異矢量分解svd和聯(lián)合eof分解方法研究分析氣候要素和生態(tài)要素的相互關系；
步驟2：在并行計算服務器群中調(diào)試區(qū)域大氣環(huán)流模式和生態(tài)系統(tǒng)模式，進行多生態(tài)模式模擬試驗：選用多個陸面/生態(tài)系統(tǒng)模型，對與目標區(qū)域相似的模擬區(qū)域進行實際氣候強迫離線模擬，所述陸面/生態(tài)系統(tǒng)模型包括簡單生物圈模型pt-jpl、英國土地環(huán)境模擬器jules、多參數(shù)公用noah陸面模型noah-mp、公用陸面模式clm和陸面生物物理模型ibis；
通過與實測資料和多模式集成資料對比，研究能源、水循環(huán)和碳循環(huán)過程對氣候強迫的適應性以及不同數(shù)值模型的模擬刻畫能力；
步驟3：在并行計算服務器群中構(gòu)建目標區(qū)域氣候-生態(tài)耦合數(shù)值模型系統(tǒng)，進行氣候-生態(tài)耦合數(shù)值模型系統(tǒng)的建模和調(diào)試，利用耦合數(shù)值模型系統(tǒng)對目標區(qū)域氣候-生態(tài)相互作用及反饋進行數(shù)值模擬研究，揭示作用規(guī)律，其步驟如下：
首先擬以區(qū)域大氣環(huán)流模式為核心組件，根據(jù)離線數(shù)值模擬結(jié)果優(yōu)選陸面/生態(tài)模型，將陸面/生態(tài)模型與區(qū)域大氣環(huán)流模式耦合；
陸面/生態(tài)模型與區(qū)域大氣環(huán)流模式的耦合包括陸表能量和水汽及其他物質(zhì)的交換，區(qū)域大氣環(huán)流模式向陸面/生態(tài)模式提供大氣狀態(tài)量，陸面/生態(tài)模式則向區(qū)域大氣環(huán)流模式反饋地表狀態(tài)量，對兩者的交換量與實測或分析場進行長序列對比并進行必要的誤差訂正；
然后擬以全球公用地球系統(tǒng)模式框架為基礎，耦合全球大氣、海洋、海/陸冰和陸面模塊進行全球未來氣候積分運算，并將其結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫存儲集群用以驅(qū)動區(qū)域氣候-生態(tài)耦合數(shù)值模型系統(tǒng)的未來預測預警；
步驟4：對區(qū)域氣候-生態(tài)耦合數(shù)值模型系統(tǒng)進行g(shù)is集成，構(gòu)建高分辨區(qū)域氣候-生態(tài)系統(tǒng)耦合預測平臺。
在執(zhí)行步驟3中的將陸面/生態(tài)模型與區(qū)域大氣環(huán)流模式耦合時，需要提供區(qū)域氣候模式，區(qū)域氣候模式包括國際理論物理中心itcp研發(fā)的區(qū)域氣候模式regcm、歐洲區(qū)域氣候模式remo和美國航空航天宇航局國家氣候與環(huán)境預報中心noaa/ncep研發(fā)的wrf模式，用以上三個模式分別對目標區(qū)域進行相同陸面過程的氣候模擬，針對目標區(qū)域地形地貌，考察對于陡峭地形氣壓梯度力計算、降水、地表風場、地表氣溫、各種輻射通量等的計算差異，確定選用結(jié)果。
在執(zhí)行步驟4時，所述構(gòu)建高分辨區(qū)域氣候-生態(tài)系統(tǒng)耦合預測平臺包括搭建高速網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫服務器、計算服務器和預測預警服務器。
本發(fā)明在數(shù)值模擬方案設計與數(shù)值產(chǎn)品的釋用方面，對于歷史模擬，可用再分析場或?qū)崪y場作為側(cè)邊界背景不斷強迫驅(qū)動耦合模式，而對于未來時段氣候-生態(tài)的預測則必須為耦合系統(tǒng)配備背景。
對于項目數(shù)值產(chǎn)品的解釋釋用主要分為兩個模塊，一個是氣候狀態(tài)量模塊，另一個是陸面/生態(tài)模塊，前者主要是將多種大氣狀態(tài)量(主要為溫、壓、濕、風、降水和輻射量)的距平插值到各標準等壓面層存入數(shù)據(jù)庫，后者主要是將植被參數(shù)、反照率、徑流、蒸發(fā)、地下水、土壤參數(shù)等諸多生態(tài)量存入數(shù)據(jù)庫。根據(jù)系統(tǒng)的兩個預報模塊數(shù)據(jù)，進行解釋釋用計算，開發(fā)解釋釋用模塊，進行干旱指數(shù)、洪澇指數(shù)、植被恢復狀態(tài)等的診斷計算，以及預測標準規(guī)范和預警標準規(guī)范的制定。
本發(fā)明在執(zhí)行步驟4時，是基于arcgis地理信息系統(tǒng)技術(shù)，集成目標區(qū)域氣候-生態(tài)數(shù)據(jù)庫、目標區(qū)域氣候-生態(tài)耦合數(shù)值模型系統(tǒng)、氣候-生態(tài)數(shù)值產(chǎn)品解釋釋用模塊及可視化模塊，開發(fā)具有友好人機對話界面的作業(yè)調(diào)度軟件；構(gòu)建綜合預測預警平臺，搭建高速網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)庫服務器、計算服務器和預測預警服務器實現(xiàn)鏈接，并通過作業(yè)調(diào)度軟件實現(xiàn)氣候-生態(tài)數(shù)據(jù)庫可視化查詢、歷史時期氣候-生態(tài)的離線或在線耦合模擬、未來時期氣候-生態(tài)的趨勢預測預警等功能。