内陆河研究e-science中的空间建模与模拟环境分析.ppt

内陆河研究e science中的空间建模与模拟环境分析 张耀南中国科学院寒区旱区环境与工程研究所甘肃省高性能网格计算中心yaonan 提纲 内陆河研究的背景水文 生态研究的主要过程两个空间建模环境的分析与应用空间建模与模拟环境遵从的原则 一 内陆河研究的背景 黑河流域位置图 13万km2 黑河源于青藏高原北缘的祁连山区 北流穿越河西走廊 阿拉善高原的戈壁 沙漠 止于居延泽 流域面积约13万k 涉及青海 甘肃和内蒙古3省 基本背景 黑河干流山区流域位于甘肃河西走廊中段 流域内景观垂直分布明显 海拔4500m以上为永久冰川积雪带 以下依次为高山草甸与灌丛 山间盆地 中山森林和中山草甸草原带 上游山区径流产 汇流区 中游山前平原灌溉农田绿洲区和下游天然荒漠绿洲径流散失区形成了不同的水循环和生态系统 黑河流域研究的科学问题 上游 山区径流形成过程和变化与水源地生态保护 中游 水资源 经济 生态系统的平衡与社会化管理 下游 水量耗散 盐分积累和天然荒漠绿洲的保护与恢复 黑河流域的综合集成研究依赖于对上 中 下游的科学问题进行深入研究 生态水文实验观测体系 荒漠植被带 山前绿洲带 山区植被带 冰雪冻土带 ENVIS环境观测试验 观测点的布设 布设位置 野牛沟气象站布设时间 2004年9月至今 冰雪冻土带观测试验 山区植被带观测试验 布设位置 阳坡草地观测期 1998年10月 1999年11月 布设位置 水涵所气象站观测期 2001年8月 2002年5月 布设位置 林旁草地观测期 2002年6月至今 布设位置 林旁草地布设时间 2002年6月至今 山区植被带观测试验 山区植被带观测试验 TDR水分测定 张力入渗仪测定非饱和水力传导度 植被调查 山前人工绿洲带观测试验 山前人工绿洲带观测试验 芦苇种群个体间的水分共享 下游荒漠植被带观测试验 二 水文 生态研究的主要过程 黑河模型集成工作的功能划分与相互关系 以分布式水文模型为基础的表层过程建模集成研究 生态经济研究过程的PLM模型简介 Voinov和Costanza 2004 PLM模型的模块 http www uvm edu giee PLM MODEL AModel html 涉及其他试验研究 区域大气模式与水文模型的耦合黑河流域NPP时空变化和驱动力模拟研究黑河流域SVAT系统观测和模拟SHAW模型在黑河山区植被带的应用黑河流域不同景观带植被和碳储存能力及其与水资源的关系 研究中的模型组成 需要构建冰川 冻土 积雪 植被 地下水模块需要模块整合构建模型需要模型相互耦合需要单个模型和耦合模型的集成需要构建分析和支持工具 三 两个空间建模环境的分析与应用 SME模块建模环境 fromLeavesley etal 1983 PRMS NationalWeatherService Hydro17 TOPMODEL IntegratedWatershedModelPRMS MODFLOW DAFLOW PRMS 降雨径流模型的构造 Predictionsoftherunoffcompositionbymodified PrmsatYingLuocanyon 1997 2000 WEBMODEL2模型的构造 SME空间建模与模拟环境 主要应用程序MCP CGP Driver结构 图4 SME整体架构 模块构造器MCP ModuleConstructor 它的主要作用是把STELLA用图形建模建成的一个个子模块单独进行分析 然后耦合成一个整体模型 MCP结合STELLA方程式文件分析所生成的词法和语法分析程序 以及model cc程序编译作为模块构造器 model cc程序的主要功能是 1 构建SME应用数据包 Models文件作为xml文件 MML modularmodelinglanguage 文件和eqns输入文件的目录 2 为SME应用数据包config目录中生成配置文件 3 为SME应用数据包UserCode目录中生成用户功能注册文件 UserFunctionRegistrationfile 模块对象层级 Module objecthierarchy ModelObject处理执行任务的最高级控制器ModuleObjectModule对象处理一套Variable对象VariableObject每个Variable对象有内在的数据结构 IDS 在模拟期间可以被改变FrameObjectFrame对象包括一个模块的拓扑规范 通过一组point对象和单元连接 包含了向 从其它Frame中传递 转换数据的方法 ExternalObjectsExternal对象经常被用于SME外部代码封装 代码生成器CGP CodeGenerator 利用SMML制定的单元模型来生成描述空间模型的C 代码主要功能 1 从SME命令行接口读取应用程序配置 2 配置ExternalObjects 3 创建新的模块 4 从MML文件设置域fields 一组元素 进行加法和乘法两种运算 乘法运算需分配于加法之中 5 读取事件event 6 在配置文件内写入数据 7 生成模块代码 模拟驱动SimulationDriver 几何学对象 保持框架 frame 目录和处理相关空间模拟配置的所有任务 如在框架 frame 和网络对象之间传输 传递数据 网络对象 在处理器和模拟主机上处理通信 由MPI消息传递接口标准来执行 MPI 1995 接口对象 菜单驱动程序接口方便用户控制模拟以及模拟输出的实时显示 提供给用户一个单一熟悉的环境 文件对象 以HDF 格式处理模拟输出存档 PointGridLibrary 它执行一组分布式的由消息传送链接的C 对象 主要的驱动程序组件包括 应用程序对象 导入对象和数据几何学对象网络对象接口对象文件对象模块类框架 frame 类变量类 SME用户接口 SME用户接口采用tcl tk脚本语言 Tcl Tk 1996 来开发 在SME tclshell环境里 用户能够创建工程 定制SME 运行不同的SME子应用程序 开发了三个菜单驱动tcl tk应用 配置驱动和代码生成器 控制模拟 和可视化模拟输出 在MML中建立模块 SME建模流程 单元模块开发创建工程模块构造数据集代码生成和配置模拟运行输出分析 Stella建模环境 人口与自然资源模型 结构设计 时间设计 内陆河流于中的实验 内陆河流域中的实验 自然模块气候因素 降雨 温度 湿度 风速 太阳辐射 Nikolov和Zeller 1992 辅助变量 日长 儒略日 JulianDay 等水文模块雪 冰 SNOW ICE 地表水 SURFACE WATER 不饱和层中的水 UNSAT WATER 饱和层中的水 SAT WATER 营养模块地表的氮和磷 n SF 不饱和层中的氮和磷 n US 饱和层中的氮和磷 n SD 这里n N或P 植物增长模块光合作用生物量 PH 非光合作用生物量 NPH 生物时间 Bio time 腐殖质模块稳定的腐殖质 STAB DETRITUS 不稳定的腐殖质 LAB DETRITUS 经济土地利用转化模型整个经济土地利用转化模型分两个阶段 Bockstael 1996 Bockstael和Bell 1997 第一阶段估计不同用途地块的价值第二阶段确定影响土地利用转化的因素并估计转