了解陆表过程的主要研究内容以及陆面模型在生态水文研究中的地位和作用熟悉模型的发展历程常见模型及各自特点理解Noah-MP模型的原理掌握Noah-MP模型在单站和区域的模拟、模拟结果的输出和后续分析及可视化等方法理解数据同化原理掌握集合卡尔曼滤波数据同化算法构建多源遥感数据同化框架并掌握数据同化系统的区域应用及生态水文过程分析。【内容介绍】1.2背景介绍陆面过程的主要研究内容陆表能量平衡、水循环、碳循环等介绍陆面过程研究的重要性。图 1 陆面过程主要研究内容介绍陆面过程模型的发展历程、基本原理、常用陆面过程模型等。图 2 陆面过程模型1.3Noah-MP模型Noah-MP模型的发展历史、模型结构及主要模块。1.4模型运行环境配置、下载与安装模型需要在Linux下运行需提前预装Linux系统推荐使用CentOS系统下载地址为https://www.centos.org/download/安装教程可参考https://www.runoob.com/w3cnote/vmware-install-centos7.html。运行模型需要提前确定模型运行环境如系统使用的fortran及C编译器类型等为之后运行解压缩包下的./configure及Makefile做准备。模型下载地址https://github.com/NCAR/hrldas/tree/master/hrldas。图 3 下载界面1.5Noah-MP模型单站运行1.5.1数据准备大气驱动数据的准备驱动数据主要包括站点的风速、气温、相对湿度、气压、长波辐射、短波辐射以及降水数据。对于Noah-MP模型而言原始驱动数据需制作成模型可识别的标准格式才能够进行下一步的驱动数据编译将编译结果带入模型进行运算python脚本。图 4 大气驱动数据的准备与格式转换准备静态数据完成驱动数据的制作后还需在生成的.dat文件中添加静态数据。此部分数据主要包括站点属性以及模型信息如站点的海拔经纬度土壤类型初始状态变量的设定和转换系数等。图 5 站点信息图 6 初始状态变量驱动数据的编译运行基于以上数据,生成指定时间步长的一系列.LDASIN_DOMAIN1文件同时生成hrldas_setup_file.nc文件。1.5.2运行模型根据研究区实际情况与模拟需求修改namelist.hrldas文件./hrldas.exe即可启动模型结果将以netCDF格式输出至指定文件夹内。图 7 修改namelist文件1.5.3模型运行结果的可视化与分析借助python netCDFhttps://github.com/Unidata/netcdf4-python或xarrayhttp://xarray.pydata.org/en/stable等工具对模拟结果netCDF格式进行变量提取与可视化以用于进一步分析。图 8 模拟结果的提取与可视化Noah-MP模型区域运行数据同化的原理2.1.12.1Noah-MP模型区域运行2.1.1 准备大气驱动数据Noah-MP模型的运行需要格式正确的驱动数据气温、降水、气压、风速、辐射等。因此用户需提前下载并处理好相关数据以下为数据准备的简要步骤。下载大气驱动数据-以GLDAS为例区域驱动数据主要包括研究区的风速、气温、相对湿度、气压、长波辐射、短波辐射以及降水等。可从GLDAS官网下载相关数据https://disc.gsfc.nasa.gov/datasets/GLDAS_NOAH025_3H_2.1/summary?keywordsGLDAS。图 9 下载区域大气驱动数据相关变量的提取图 10 相关变量提取代码部分初始状态变量的提取图 11 初始状态变量提取代码部分风速的分解、降水数据的整合图 12 风速分解代码部分图 13 降水数据的提取整合部分2.1.2准备研究区静态数据制作geo_em_d0x.nc数据基于WPS制作区域静态数据包括研究区范围、研究区土地利用情况、植被覆盖度等信息。此部分需安装WRF及WPS并下载WPS_GEOG数据。详细流程可参考https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compilation_tutorial.php。准备数字高程数据hrldas (Noah-MP)自带的高程文件-GLDASGLDASp4_elevation_025d.nc4。一般情况下将此文件作为模型的高程输入数据即可。2.1.3编译与运行-生成模型驱动数据区域原始的气象驱动数据和静态数据准备完毕后需编译运行生成符合模型要求的驱动数据-*.LDASIN_DOMAIN1。图 14 设置namelist.input文件图 15 驱动数据制作结果2.1.4单站点运行hrldas (Noah-MP)模型根据研究区特点及用户模拟需求修改namelist.hrldas文件Namelist.hrldas文件编辑完成后即可运行可执行程序/hrldas.exe。模型模拟结果将输出至指定文件夹下若运行成功在输出目录下应包含指定模拟时间段内的指定时间步长的模拟结果-*.LDASOUT_DOMAIN1。图 16 输出结果文件2.1.5数据的分析与可视化区域模拟结果亦为netCDF格式文件可通过ncview软件初步查看模拟结果后续还需借助xarraypandas等工具进一步进行变量提取、可视化等工作。图 17 模拟结果3.2.12.2数据同化系统的构建2.2.1数据同化的原理与发展历史图 18 数据同化原理示意图2.2.2数据同化方法图 19 数据同化方法的类型2.2.3集合卡尔曼滤波数据同化算法原理介绍图 20 集合卡尔曼滤波方法示意图同化系统的构建与应用3.1多源遥感数据同化系统的构建实例以单站运行为例3.1.1多源遥感数据同化框架的构建图 21 多通道数据同化框架3.1.2多源观测数据预处理下载Fluxnethttps://ameriflux.lbl.gov/的站点观测数据将其作为观测量经数据格式转换.xls - .dat后python脚本输入模型。3.1.3数据同化结果可视化与数据分析基于同化模型输出的结果文件借助相关python函数包xarray等对目标变量进行提取与可视化对比其与open-loop未同化模型输出的差异。图 22 结果提取与可视化3.2多源遥感数据同化系统的区域应用3.2.1 区域多源遥感叶面积指数、土壤水分数据的下载、处理、尺度转换掌握基于GEEGoogle earth engine平台下载研究区相关数据集的方法。图 23 基于GEE平台下载研究区相关数据由于下载的各卫星产品时间、空间分辨率不尽相同因此需进行时间、空间尺度转换等操作获取时空连续分辨率一致的数据用于同化。基于代码演示和操作熟悉相关处理流程。图 24 不同空间分辨率多源遥感数据与模型网格之间的尺度转换3.2.2 区域多源遥感数据同化模型的运行案例分析结合模型区域模拟和集合卡尔曼滤波原理介绍多通道同化系统在区域的构建思路结合卫星产品的下载处理结果进行实例讲解演示。3.2.3 区域数据同化结果的可视化与分析模型同化结果的导出与展示熟悉与数据后处理相关函数包的调用、变量提取可视化、图像整饬等操作。