一种森林地表表面阻力计算方法及系统

本发明涉及森林生态水文学领域，具体地说涉及一种通过森林生态系统叶面积指数来估计凋落物动态变化从而计算地表表面阻力的方法及系统。

背景技术：

1、地表表面阻力控制了水分、热量和气体在地表和大气之间的交换进程，在控制土壤蒸发中发挥着关键作用。作为蒸散发模型中的敏感参数，对地表表面阻力的准确估计有助于蒸散发过程的精确模拟。由于没有针对地表表面阻力的直接观测方法，对地表表面阻力的模拟多通过土壤水的变化情况反映。然而，这忽略了覆盖在土壤表面的凋落物的作用。

2、凋落物作为植被生态系统的重要组成部分，在植被生态系统水碳能量循环中起到重要的调节作用。凋落物对地表遮盖带来的生态水文效应已在国内外众多站点通过实地测量开展，然而，由于其影响因素复杂，难以对这一效应进行模型描述。因而难以在地表表面阻力模型中考虑凋落物的效应，从而导致蒸散发模型中存在凋落物时段的模拟存在偏差。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提出一种森林地表表面阻力计算方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种森林地表表面阻力计算方法，包括以下步骤：

4、步骤1、采集通量站点通量观测数据、微气象观测数据及叶面积指数lai数据并进行处理；

5、步骤2、根据通量站点实测潜热通量数据率定最小叶面阻力、最小土壤表面阻力、最大凋落物表面阻力；

6、步骤3、基于步骤2中率定的最小叶面阻力、最小土壤表面阻力、最大凋落物表面阻力计算得到地表表面阻力。

7、进一步地，所述步骤1中通量站点通量观测数据包括：净辐射、土壤热通量、潜热通量；

8、微气象观测数据包括：空气温度、气压、土壤体积含水率；

9、叶面积指数lai数据采用实地连续观测数据，或遥感产品数据：

10、进一步地，所述步骤2中使用遗传算法率定得到最小土壤表面阻力和最大凋落物表面阻力，率定目标为使目标函数达到最小，目标函数f为：

11、f＝(r2-1)2+(k-1)2

12、其中，r2为决定系数，k为拟合曲线斜率。

13、进一步地，

14、

15、其中，λetsim，i为潜热通量的第i个模拟值，λetobs，i为潜热通量的第i个观测值，n为样本数，i为第i个样本数，为n个样本潜热通量的平均模拟值，为n个样本潜热通量的平均观测值；

16、潜热通量的模拟值采用如下公式计算：

17、

18、其中，λetsim为潜热通量，δ为饱和水蒸气压与温度曲线的斜率；rn为净辐射；g为土壤热通量；ρa为空气密度；cp为干空气比热；d为饱和水汽压差vpd；为有效空气动力学阻力；为有效表面阻力；γ为湿度计常数。

19、进一步地，所述有效空气动力学阻力为：

20、

21、有效表面阻力为：

22、

23、其中，为冠层空气动力学阻力，为土壤空气动力学阻力，为大气空气动力学阻力，为冠层表面阻力，为地表表面阻力。

24、进一步地，冠层空气动力学阻力为：

25、

26、土壤空气动力学阻力和大气空气动力学阻力分别为：

27、

28、其中，rb为平均边界层阻力；leff为为有效叶面积指数，hc为站点冠层高度，站点实测得到；n是涡流扩散衰减系数；kh为冠层高度湍流衰减系数；z0为动量粗糙长度；d是零平面位移高度，u*为摩擦风速；k为von karman常数；z为参考高度，站点实测得到；

29、冠层表面阻力为：

30、

31、其中，rsmin为最小叶面阻力(s m-1)，通过率定得到；f1(s)代表光合有效辐射s的效应；f2(d)代表饱和水汽压差vpd的效应；f3(ta)代表空气温度ta的效应。

32、进一步地，所述步骤3中地表表面阻力的计算采用如下公式：

33、

34、其中，为土壤表面阻力；为凋落物表面阻力，

35、

36、

37、

38、

39、其中，为最小土壤表面阻力，通过率定得到；f(θ)为土壤水θ的效应；θf为田间持水量，实测得到；为最大凋落物表面阻力，通过率定得到；clit为凋落物覆盖度；lmax为最大叶面积指数，l为生态系统叶面积指数lai。

40、另一方面，本发明提供一种森林地表表面阻力计算系统，包括：

41、数据采集模块：其用于采集通量站点通量观测数据、微气象观测数据及叶面积指数lai数据并进行处理；

42、参数率定模块，其用于根据通量站点实测潜热通量数据率定最小叶面阻力、最小土壤表面阻力、最大凋落物表面阻力；

43、地表表面阻力计算模块，其用于基于率定的最小叶面阻力、最小土壤表面阻力、最大凋落物表面阻力计算得到地表表面阻力；

44、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

45、(1)本发明充分利用叶面积指数在反映植被叶片变化特征上的优势，通过建立叶面积指数与凋落物覆盖度之间的关系，得以从大尺度上反映凋落物对地表的覆盖情况；(2)本发明通过凋落物最大表面阻力，能够调整不同下垫面不同树种凋落物效应的大小，从而达到更好的地表表面阻力估计效果。

1.一种森林地表表面阻力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种森林地表表面阻力计算方法，其特征在于：所述步骤1中通量站点通量观测数据包括：净辐射、土壤热通量、潜热通量；

3.根据权利要求1所述的一种森林地表表面阻力计算方法，其特征在于：所述步骤2中使用遗传算法率定得到最小土壤表面阻力和最大凋落物表面阻力，率定目标为使目标函数达到最小，目标函数f为：

4.根据权利要求1所述的一种森林地表表面阻力计算方法，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的一种森林地表表面阻力计算方法，其特征在于：所述有效空气动力学阻力为：

6.根据权利要求5所述的一种森林地表表面阻力计算方法，其特征在于：

7.根据权利要求5所述的一种森林地表表面阻力计算方法，其特征在于，所述步骤3中地表表面阻力的计算采用如下公式：

8.一种森林地表表面阻力计算系统，其特征在于，包括：