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最大熵增蒸散模型在中国区域的应用及时间尺度对比分析

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干旱地区农业研究 2020年第4期38卷 184-191页

作者：阳勇孙怀卫罗红英华中科技大学水电与数字化工程学院湖北武汉430074 西藏农牧学院西藏林芝860000

为解决传统蒸散发计算中模型参数、模型缺陷和不确定性等问题,基于最大熵增蒸散发(MEP)模型的模型假设,针对我国不同植被覆盖下的蒸散发(潜热)通量进行估算,并分析半小时、日、周、月等不同时间尺度下的模型表现,以期获得适合我国区域... 详细信息

为解决传统蒸散发计算中模型参数、模型缺陷和不确定性等问题,基于最大熵增蒸散发(MEP)模型的模型假设,针对我国不同植被覆盖下的蒸散发(潜热)通量进行估算,并分析半小时、日、周、月等不同时间尺度下的模型表现,以期获得适合我国区域的蒸散发计算方法。结果表明:MEP模型具有较好的模型计算表现,与多个站点的涡度相关实测数据较为接近;MEP模型在半小时尺度上应用更优,所有站点的潜热通量平均决定性系数(R^2)为0.75,周、月尺度上潜热通量精度较显热通量高。对MEP模型的两个输入参数(表面温度和比湿)分析表明,表面温度对预测结果影响较大。MEP模型精度高且具有所需输入参数少的优势,研究结果可用于对各种植被覆盖地表的蒸散发估算。

关键词：最大熵增模型潜热通量蒸散发涡度相关能量平衡

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基于最大熵增原理的蒸发蒸腾量模型应用

清华大学学报（自然科学版） 2012年第6期52卷 785-790页

作者：李志威杨大文雷慧闽清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

为了检验和应用Wang和Bras基于最大熵增原理建立的蒸发蒸腾量模型,应用该模型计算实验站的实测数据来改进该模型。通过简述最大熵增原理和最大熵增的蒸发蒸腾量模型构建,用整理的实测数据重新验证最大熵增模型的可靠性和精度,并与Penman... 详细信息

为了检验和应用Wang和Bras基于最大熵增原理建立的蒸发蒸腾量模型,应用该模型计算实验站的实测数据来改进该模型。通过简述最大熵增原理和最大熵增的蒸发蒸腾量模型构建,用整理的实测数据重新验证最大熵增模型的可靠性和精度,并与Penman-Monteith公式计算对比。在给定净辐射条件下,运用最大熵增模型计算有植被地表的显热通量和潜热通量,与实测数据的变化趋势基本一致,显热通量符合较好;白天的潜热通量计算值偏大,夜间符合较好。对最大熵增模型的2个参数表面温度和表面比湿度分析表明:最大熵增模型计算显热通量和潜热通量的变化趋势主要取决于表面温度。

关键词：最大熵增模型蒸发蒸腾量显热通量潜热通量地表热通量

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最大熵增地表蒸散模型:原理及应用综述

地球科学进展 2019年第6期34卷 596-605页

作者： Wang Jingfeng 刘元波张珂河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210024 School of Civil and Environmental Engineering Georgia Institute of Technology Atlanta GA 30332 USA 中国科学院南京地理与湖泊研究所江苏南京210008

精确估算地表蒸散一直是地球系统科学中的难点问题。经典的蒸散模型大多建立在水汽输送及能量平衡约束等基础上,相关的基础理论研究进展缓慢。最大熵增地表蒸散(E-MEP)模型是在综合借鉴贝叶斯概率论、信息熵概念、非平衡态热力学理论和... 详细信息

精确估算地表蒸散一直是地球系统科学中的难点问题。经典的蒸散模型大多建立在水汽输送及能量平衡约束等基础上,相关的基础理论研究进展缓慢。最大熵增地表蒸散(E-MEP)模型是在综合借鉴贝叶斯概率论、信息熵概念、非平衡态热力学理论和大气边界层湍流相似性理论的基础上,建立的全新地表蒸散理论框架,克服了经典模型的主要缺陷,包括:离散梯度模型不满足能量守恒条件,Penman模型针对饱和土壤,Penman-Monteith模型需要率定经验参数等。E-MEP模型具有3个显著特点:①同时给出地表(包括水面、雪面和冰面)蒸散量、感热通量和介质表面热通量,且在所有时间空间尺度上满足能量平衡方程;②模型公式中没有可调经验参数,不依赖于温度梯度和水汽梯度变量,不需要输入风速和表面粗糙度;③适用于任何土壤含水量和植被覆盖条件。由于E-MEP模型建立在坚实的数学物理基础上,并具有解析表达式,简单易用,其输入变量和模型参数少于传统蒸散模型使用。地表辐射、表面温度、表面比湿等模型输入变量易于实地观测获取,且可通过遥感反演获得。检验分析表明,E-MEP模型优于Penman和Penman-Monteith等传统蒸散模型。这一全新的地表蒸散模型已被用于大尺度地表水热的遥感反演和过程监测,并用于改进气候模式的参数化方案。

关键词：最大熵增模型地表蒸散贝叶斯概率论地表过程模型遥感反演

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最大熵增地表通量模型的应用与评估

最大熵增地表通量模型的应用与评估

作者：张瑞中国气象科学研究院

学位级别：硕士

陆面是天气、气候以及地球系统的重要组成部分,陆面与大气之间复杂的相互作用是通过地表动量、热量和水分的湍流交换来实现的,因此准确计算地表通量对理解地表热源分布、大气边界层结构、大气环流和气候变化研究以及提升数值模拟能力具... 详细信息

陆面是天气、气候以及地球系统的重要组成部分,陆面与大气之间复杂的相互作用是通过地表动量、热量和水分的湍流交换来实现的,因此准确计算地表通量对理解地表热源分布、大气边界层结构、大气环流和气候变化研究以及提升数值模拟能力具有十分重要意义。经典的总体输送法(Bulk Transfer Model,BTM)基于莫宁—奥布霍夫相似性理论构建,严格来说不适用于非均匀下垫面以及早晨傍晚过渡期。该模型中潜热通量的计算属于经验公式,且模型通常采用地表风速和表面粗糙度对湍流输运系数进行参数化,因此,模型具有较大的不确定性。此外,由于没有能量平衡条件作为约束,该模型给出的地表通量不一定满足能量平衡。最大熵增(Maximum Entropy Production,MEP)模型以净辐射、地表温度和地表比湿作为输入量,表面湍流通量来自地表有效辐射通量的分配,始终满足能量平衡。模型不依赖于垂向梯度变量、也不需要地表风速和表面粗糙度作为输入变量,大大降低了地表热通量估算的不确定性,为改进现有地表热通量过程的观测和模拟提供了有效途径。已有研究表明,MEP模型可以合理估算海洋、裸土、森林和青藏高原等均匀下垫面状况下的地表热通量。但关于MEP模型在复杂下垫面的适用性以及MEP模型在数值模式中的应用效果还需要探索。据此,本论文从以下三个方面开展相关研究:首先,利用观测数据和MEP模型,估算复杂下垫面(复杂地形和城市)3个站点的地表感热通量和潜热通量,再利用涡动相关(Eddy Covariance,EC)观测进行验证和评估。此外,将MEP模型计算结果与另一种简单的非梯度计算方法(M20模型)以及7种再分析资料(包括:NCEP/NCAR、NCEP-DOE、MERRA2、ERA-5、ERA-Interim、JRA55、CRA)得到的日平均地表感热和潜热通量进行比较,对比分析它们在复杂下垫面计算地表感热和潜热通量的准确度。结果表明:MEP模型计算出的地表潜热通量和感热通量与涡动相关观测结果较为接近,具有相似的日变化、月变化和季节变化特征。相比M20方法和再分析资料,MEP模型的计算结果与观测符合的更好,具有更小的均方根误差和平均偏差。因此,最大熵增模型能够有效估算复杂下垫面的地表感热通量和潜热通量,计算结果的准确度和可信度较高,适用于复杂下垫面。其次,利用北京城市气象研究院研发的区域快速更新多尺度观测资料同化分析及中尺度数值预报业务系统(CMA-BJ模式),使用模式原本方案(BTM)和最大熵增(MEP)两种地表热通量方案开展控制试验,利用平均降水量、强降水频率和统计评分等指标,评估MEP模型对中国区域夏季降水模拟的影响。结果表明,BTM方案与MEP方案模拟降水综合评分的差异随着降雨量的增大而增大,MEP方案提高了中国北部和中部地区强降雨预报的综合评分。整体来看,MEP方案在模式中产生了更多的降水,这种偏多的降水改善了强降水事件的模拟。MEP方案对降水日变化特征的描述与观测之间的一致性更高,MEP方案模拟降水的日变化曲线与观测具有更高的相关系数。最后,利用能量平衡不闭合残差和能量闭合率比较两种方案在中国地区对地表能量平衡模拟的影响,利用均方根误差分析两种地表热通量方案对2m气温、2m比湿和10m风速模拟的影响。结果表明,MEP方案在能量平衡上具有优势,BTM方案可能低估了地表感热通量或地表潜热通量,导致能量不闭合程度更大。从全场平均来看,BTM和MEP两种地表热通量方案对近地面气象要素的模拟能力相当。从空间分布来看,MEP方案在宁夏、广西和广东地区对2m气温和比湿的模拟效果更好,具有更小的均方根误差。

关键词：最大熵增模型感热通量潜热通量能量平衡强降水