背景陆面过程的主要研究内容陆表能量平衡、水循环、碳循环等介绍陆面过程研究的重要性。图 1 陆面过程主要研究内容陆面过程模型的发展历程、基本原理、常用陆面过程模型等。图 2 陆面过程模型Noah-MP模型Noah-MP模型的发展历史、模型结构及主要模块。模型运行环境配置、下载与安装模型以及配套软件的下载模型需要在Linux下运行需提前预装Linux系统推荐使用CentOS系统下载地址为https://www.centos.org/download/安装教程可参考https://www.runoob.com/w3cnote/vmware-install-centos7.html。运行模型需要提前确定模型运行环境如系统使用的fortran及C编译器类型等为之后运行解压缩包下的./configure及Makefile做准备。模型下载地址https://github.com/NCAR/hrldas/tree/master/hrldas。图 3 下载界面模型以及配套软件的安装从虚拟机出发逐步讲解Noah-MP模型运行所需的linux环境的搭建、intel编译器的安装与配置、必要软件的下载与安装、模型构建与编译等内容细化步骤、逐指令讲解。Noah-MP模型站点模拟Noah-MP模型单站运行大气驱动数据的准备驱动数据主要包括站点的风速、气温、相对湿度、气压、长波辐射、短波辐射以及降水数据。对于Noah-MP模型而言原始驱动数据需制作成模型可识别的标准格式才能够进行下一步的驱动数据编译将编译结果带入模型进行运算python脚本。图 4 大气驱动数据的准备与格式转换数据时间格式转换完成驱动数据在世界时和当地时之间的转换。准备静态数据完成驱动数据的制作后还需在生成的.dat文件中添加静态数据。此部分数据主要包括站点属性以及模型信息如站点的海拔经纬度土壤类型初始状态变量的设定和转换系数等。图 5 站点信息图 6 初始状态变量驱动数据的编译运行基于以上数据,生成指定时间步长的一系列.LDASIN_DOMAIN1文件同时生成hrldas_setup_file.nc文件。运行模型根据研究区实际情况与模拟需求修改namelist.hrldas文件./hrldas.exe即可启动模型结果将以netCDF格式输出至指定文件夹内。图 7 修改namelist文件模型运行结果的可视化与分析可视化部分使用的python脚本结构和用法。借助python netCDFhttps://github.com/Unidata/netcdf4-python或xarrayhttp://xarray.pydata.org/en/stable等工具对模拟结果netCDF格式进行变量提取与可视化以用于进一步分析。图 8 模拟结果的提取与可视化Noah-MP模型区域模拟Noah-MP模型区域运行Noah-MP模型区域运行整体流程与站点模拟相似大致也可分为数据下载、数据变量提取、制作驱动数据、设置参数化方案、模型模拟与模拟结果可视化分析等几个步骤。但区域模拟的数据准备过程相较于站点运行更为繁琐使用的数据源也更为多样如GLDAS、NLDAS以及CLDAS等。同时模拟结果以二维形式存储提取与可视化的方法也不同于单站。区域运行将会讲解基于GLDAS和NLDAS等数据源制作驱动数据的模拟方法并介绍区域运行结果可视化工具xarray的使用方法。课程结构主要分为数据下载、数据处理、数据编译、模型运行与结果可视化几个部分下面以GLDAS为例详细介绍讲解流程与配套练习内容准备大气驱动数据Noah-MP模型的运行需要格式正确的驱动数据气温、降水、气压、风速、辐射等。因此用户需提前下载并处理好相关数据以下为数据准备的简要步骤。下载大气驱动数据-以GLDAS为例区域驱动数据主要包括研究区的风速、气温、相对湿度、气压、长波辐射、短波辐射以及降水等。可从GLDAS官网下载相关数据https://disc.gsfc.nasa.gov/datasets/GLDAS_NOAH025_3H_2.1/summary?keywordsGLDAS。图 9 下载区域大气驱动数据相关变量的提取与时间转换对模型模拟所需变量进行提取同时完成世界时和当地时之间的转换。图 10 相关变量提取代码部分初始状态变量的提取与时间转换图 11 初始状态变量提取代码部分风速的分解、降水数据的整合图 12 风速分解代码部分图 13 降水数据的提取整合部分准备研究区静态数据制作geo_em_d0x.nc数据基于WPS制作区域静态数据包括研究区范围、研究区土地利用情况、植被覆盖度等信息。此部分需安装WRF及WPS并下载WPS_GEOG数据。详细流程可参考https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compilation_tutorial.php。准备数字高程数据hrldas (Noah-MP)自带的高程文件-GLDASGLDASp4_elevation_025d.nc4。一般情况下将此文件作为模型的高程输入数据即可。编译与运行-生成模型驱动数据区域原始的气象驱动数据和静态数据准备完毕后需编译运行生成符合模型要求的驱动数据-*.LDASIN_DOMAIN1。图 14 设置namelist.input文件图 15 驱动数据制作结果运行hrldas (Noah-MP)模型根据研究区特点及用户模拟需求修改namelist.hrldas文件Namelist.hrldas文件编辑完成后即可运行可执行程序/hrldas.exe。模型模拟结果将输出至指定文件夹下若运行成功在输出目录下应包含指定模拟时间段内的指定时间步长的模拟结果-*.LDASOUT_DOMAIN1。图 16 输出结果文件数据的分析与可视化区域模拟结果亦为netCDF格式文件借助xarraypandas等工具进一步进行变量提取、可视化等工作。图 17 模拟结果
Noah-MP陆面过程模型建模方法与站点、区域模拟技术
背景陆面过程的主要研究内容陆表能量平衡、水循环、碳循环等介绍陆面过程研究的重要性。图 1 陆面过程主要研究内容陆面过程模型的发展历程、基本原理、常用陆面过程模型等。图 2 陆面过程模型Noah-MP模型Noah-MP模型的发展历史、模型结构及主要模块。模型运行环境配置、下载与安装模型以及配套软件的下载模型需要在Linux下运行需提前预装Linux系统推荐使用CentOS系统下载地址为https://www.centos.org/download/安装教程可参考https://www.runoob.com/w3cnote/vmware-install-centos7.html。运行模型需要提前确定模型运行环境如系统使用的fortran及C编译器类型等为之后运行解压缩包下的./configure及Makefile做准备。模型下载地址https://github.com/NCAR/hrldas/tree/master/hrldas。图 3 下载界面模型以及配套软件的安装从虚拟机出发逐步讲解Noah-MP模型运行所需的linux环境的搭建、intel编译器的安装与配置、必要软件的下载与安装、模型构建与编译等内容细化步骤、逐指令讲解。Noah-MP模型站点模拟Noah-MP模型单站运行大气驱动数据的准备驱动数据主要包括站点的风速、气温、相对湿度、气压、长波辐射、短波辐射以及降水数据。对于Noah-MP模型而言原始驱动数据需制作成模型可识别的标准格式才能够进行下一步的驱动数据编译将编译结果带入模型进行运算python脚本。图 4 大气驱动数据的准备与格式转换数据时间格式转换完成驱动数据在世界时和当地时之间的转换。准备静态数据完成驱动数据的制作后还需在生成的.dat文件中添加静态数据。此部分数据主要包括站点属性以及模型信息如站点的海拔经纬度土壤类型初始状态变量的设定和转换系数等。图 5 站点信息图 6 初始状态变量驱动数据的编译运行基于以上数据,生成指定时间步长的一系列.LDASIN_DOMAIN1文件同时生成hrldas_setup_file.nc文件。运行模型根据研究区实际情况与模拟需求修改namelist.hrldas文件./hrldas.exe即可启动模型结果将以netCDF格式输出至指定文件夹内。图 7 修改namelist文件模型运行结果的可视化与分析可视化部分使用的python脚本结构和用法。借助python netCDFhttps://github.com/Unidata/netcdf4-python或xarrayhttp://xarray.pydata.org/en/stable等工具对模拟结果netCDF格式进行变量提取与可视化以用于进一步分析。图 8 模拟结果的提取与可视化Noah-MP模型区域模拟Noah-MP模型区域运行Noah-MP模型区域运行整体流程与站点模拟相似大致也可分为数据下载、数据变量提取、制作驱动数据、设置参数化方案、模型模拟与模拟结果可视化分析等几个步骤。但区域模拟的数据准备过程相较于站点运行更为繁琐使用的数据源也更为多样如GLDAS、NLDAS以及CLDAS等。同时模拟结果以二维形式存储提取与可视化的方法也不同于单站。区域运行将会讲解基于GLDAS和NLDAS等数据源制作驱动数据的模拟方法并介绍区域运行结果可视化工具xarray的使用方法。课程结构主要分为数据下载、数据处理、数据编译、模型运行与结果可视化几个部分下面以GLDAS为例详细介绍讲解流程与配套练习内容准备大气驱动数据Noah-MP模型的运行需要格式正确的驱动数据气温、降水、气压、风速、辐射等。因此用户需提前下载并处理好相关数据以下为数据准备的简要步骤。下载大气驱动数据-以GLDAS为例区域驱动数据主要包括研究区的风速、气温、相对湿度、气压、长波辐射、短波辐射以及降水等。可从GLDAS官网下载相关数据https://disc.gsfc.nasa.gov/datasets/GLDAS_NOAH025_3H_2.1/summary?keywordsGLDAS。图 9 下载区域大气驱动数据相关变量的提取与时间转换对模型模拟所需变量进行提取同时完成世界时和当地时之间的转换。图 10 相关变量提取代码部分初始状态变量的提取与时间转换图 11 初始状态变量提取代码部分风速的分解、降水数据的整合图 12 风速分解代码部分图 13 降水数据的提取整合部分准备研究区静态数据制作geo_em_d0x.nc数据基于WPS制作区域静态数据包括研究区范围、研究区土地利用情况、植被覆盖度等信息。此部分需安装WRF及WPS并下载WPS_GEOG数据。详细流程可参考https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compilation_tutorial.php。准备数字高程数据hrldas (Noah-MP)自带的高程文件-GLDASGLDASp4_elevation_025d.nc4。一般情况下将此文件作为模型的高程输入数据即可。编译与运行-生成模型驱动数据区域原始的气象驱动数据和静态数据准备完毕后需编译运行生成符合模型要求的驱动数据-*.LDASIN_DOMAIN1。图 14 设置namelist.input文件图 15 驱动数据制作结果运行hrldas (Noah-MP)模型根据研究区特点及用户模拟需求修改namelist.hrldas文件Namelist.hrldas文件编辑完成后即可运行可执行程序/hrldas.exe。模型模拟结果将输出至指定文件夹下若运行成功在输出目录下应包含指定模拟时间段内的指定时间步长的模拟结果-*.LDASOUT_DOMAIN1。图 16 输出结果文件数据的分析与可视化区域模拟结果亦为netCDF格式文件借助xarraypandas等工具进一步进行变量提取、可视化等工作。图 17 模拟结果
