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基于集合卡尔曼滤波的地表水热通量同化研究
  • ISSN号:1002-6819
  • 期刊名称:农业工程学报
  • 时间:2013.3.15
  • 页码:82-90
  • 分类:S273.1[农业科学—农业水土工程;农业科学—农业工程]
  • 作者机构:[1]华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室,上海200062, [2]华东师范大学中国科学院对地观测与数字地球科学中心环境遥感与数据同化联合实验室,上海200062
  • 相关基金:国家自然科学基金(41101037);高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20100076120024);中央高校基本科研业务费专项(华东师范大学);地理信息科学教育部重点实验室主任基金(KLGIS2011C06)
  • 相关项目:集成遥感观测和数值模式研究地表蒸散及其影响机制
中文摘要:

地表水热通量是研究地表能量转换与水文过程中的重要参数,本文借助通用陆面模式CLM3.0(Community Land Model 3.0)为动力框架,利用集合卡尔曼滤波作为同化算法构建单站点的地表水热通量同化系统,并利用Ameriflux通量观测网上Chestnut Ridge、ARM SGP Main以及Tonzi Ranch三个站点的通量观测数据进行直接同化地表水热通量试验。结果表明,在三种不同下垫面下,RMSE直接同化水热通量能够很好地改善地表总水热通量的估算效果。经过同化通量观测值,模式输出的通量值的RMSE均有减小。在代表农田下垫面的ARM SGP Main站,感热通量的RMSE由67.49 W/m2下降至14.07 W/m2,潜热通量的RMSE由70.07 W/m2下降至14.35 W/m2;在代表森林下垫面的Chestnut Ridge站,感热通量的RMSE由82.56 W/m2下降至48.56 W/m2,潜热通量的RMSE由42.99 W/m2下降至38.92 W/m2;在代表草地下垫面的Tonzi Ranch站,感热通量的RMSE由62.99 W/m2下降至17.85 W/m2,潜热通量的RMSE由44.76 W/m2下降至36.01 W/m2。相对于通过同化地表温度和湿度间接改善地表水热通量预报的研究结果,直接同化地表水热通量的结果好于前者。但值得注意的是,针对集合同化方法,不同初始场误差、观测误差和大气强迫数据误差的扰动强度都会对同化结果造成影响。从同化系统对3种误差的敏感性分析结果来看:观测误差的影响最大且减小观测误差能够减小同化后的RMSE值,估计观测误差的方法是否合理会直接影响同化结果的好坏;初始场误差对同化后的RMSE值影响最小;另外,增加大气强迫数据误差和初始场误差能减小同化后的RMSE值。

英文摘要:

Water and heat fluxes exchange between biosphere and bottom atmosphere are indispensable parts in understanding the surface energy conversion and hydrological cycle processes happening on the land surface. Estimation and prediction of fluxes have immense research significance in fields of environmental protection, agricultural production and climate prediction. Land surface model is a powerful tool to obtain space-time continuous fluxes despite its poor simulation accuracy. The state-of-the-art data assimilation method provides a way to solve this problem. With the help of the offline version of Community Land Model CLM3.0 as a dynamic framework, we use the Ensemble Kalman Filter assimilation algorithm to build a single-site surface water and heat fluxes assimilation system. The algorithm perform an ensemble simulation to estimate initial condition error covariance and observational error covariance for the objective dynamic model and analyze background diagnostic outputs by calculating a weighted mean with observations. Perturbations on surface initial condition, atmospheric forcing data and observations are generated by a random sampling strategy based on the supposition of normal distribution with a priori mean and standard deviation for all variables. Data from three flux observing sites from Ameriflux flux observational network (Chestnut Ridge, ARM SGP Main and Tonzi Ranch) which stand for three different land surface conditions are engaged in parallel experiments to test the system and evaluate the effectiveness of flux assimilation under the framework of land model. Before processing further experiment, an optimal ensemble size was selected by evaluating outputs of latent heat from models with different ensemble size RMSE. The results of parallel experiments showed that direct assimilation of sensible and latent heat fluxes can improve the estimates of total surface sensible and latent heat fluxes in all three types of underlying land surface condition. In ARM SGP Main site, a typical case for cropland

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期刊信息
  • 《农业工程学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学技术协会
  • 主办单位:中国农业工程学会
  • 主编:朱明
  • 地址:北京朝阳区麦子店街41号
  • 邮编:100125
  • 邮箱:tcsae@tcsae.org
  • 电话:010-59197076 59197077 59197078
  • 国际标准刊号:ISSN:1002-6819
  • 国内统一刊号:ISSN:11-2047/S
  • 邮发代号:18-57
  • 获奖情况:
  • 百种中国杰出学术期刊,中国精品科技期刊,中国科协精品科技期刊工程项目期刊,RCCSE中国权威学术期刊
  • 国内外数据库收录:
  • 俄罗斯文摘杂志,美国化学文摘(网络版),英国农业与生物科学研究中心文摘,荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国剑桥科学文摘,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),英国食品科技文摘,中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:93231