[发明专利]基于简化的四维变分同化获得高精度土壤湿度的方法

说明书

本发明公开了一种基于简化的四维变分同化获得高精度土壤湿度的方法，该方法中，通过采用蒸发比作为可调因子来简化四维变分同化算法，所述蒸发比还能够改进潜热模拟，进一步提高最终表层土壤湿度的准确性，另外通过采用蒸发比作为可调因子来简化四维变分同化算法使得四维变分具有物理意义，而且是全局同化，相对于相传统的滤波算法从理论上也能够提高其准确性能。

技术领域

本发明涉及采用卫星获得的土壤湿度信息的修正模式模拟的同化方法，具体涉及一种基于简化的四维变分同化获得高精度土壤湿度的方法。

背景技术

在气候变化研究、农业墒情监测及数值天气预报等领域，都需要基于土壤湿度来对地表温度以及地气交换通量进行模拟，目前实际应用的土壤湿度信息都是通过模式模拟或者遥感观测反演获得的，存在一定的误差，从而导致后续一系列的研究都有误差，难以满足越来越高的精度要求。

另外，随着对于信息实时化要求越来越高，土壤湿度信息要被要求实时获得，从而才能满足实时气象信息、实时农业墒情等研究需要；在此基础上，如果采用集合卡曼滤波算法难以对土壤湿度进行全局同化；而直接应用传统的四维变分方法，则需要处理极其繁杂的计算分析过程，难以做到实时获得，而且计算模型的建立也会十分复杂，研发投入过高。

由于上述原因，本发明人研究使用四维变分同化方法来同化获得更为准确的表层土壤湿度，并且在研究过程中简化模型及过程，以便于使得实时同步获得准确的表层土壤湿度信息成为可能。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种基于简化的四维变分同化获得高精度土壤湿度的方法，该方法中，通过采用蒸发比作为可调因子来简化四维变分同化算法，所述蒸发比还能够改进潜热模拟，进一步提高最终表层土壤湿度的准确性，另外通过采用蒸发比作为可调因子来简化四维变分同化算法使得四维变分具有物理意义，而且是全局同化，相对于相传统的滤波算法从理论上也能够提高其准确性能，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供一种基于简化的四维变分同化获得高精度土壤湿度的方法，

该方法包括如下步骤：

步骤1，通过运行集成陆面模式获取待测区域的蒸发比；

步骤2，调取待测区域的SMAP表层土壤湿度，

步骤3，将所述获得的蒸发比作为该待测区域的蒸发比初始值，利用蒸发比作为可调因子来简化四维变分同化算法，从而构建代价函数；

步骤4，通过解算所述代价函数的最小值获得同化后的表层土壤湿度。

其中，所述代价函数为下式(一)：

其中，θ表示格点表层土壤湿度；

γ_ss表示裸土蒸发比；γ_ss′表示上一步迭代裸土蒸发比；

γ_sv表示植被下垫面土壤蒸发比；γ_sv′表示上一步迭代植被下垫面土壤蒸发比；

λ表示Langrange乘子；

θ_obs表示SMAP表层土壤湿度；

Δz表示表层土壤深度；

表示表层根系百分比；

E_tr表示植被蒸腾量；

q₀表示入渗；

q₁表示流出流量；