内陆河研究e-science中的空间建模与模拟环境分析

1、内陆河研究 e-science中的空间建模与模拟环境分析 张 XX 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 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

2、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 生态演替地表水质和水量水位深度植物增长和健康斑块和栖息地健康污染物吸收能力土地利用变化模式人口动态道路和通讯点源和非点源污染农业实践经济模块生态模块自然承载力和生态系统服务估值人类价值集合经济发展影响生态系统生态因素影响经

3、济决策生态演替地表水质和水量水位深度植物增长和健康斑块和栖息地健康污染物吸收能力土地利用变化模式人口动态道路和通讯点源和非点源污染农业实践经济模块生态模块自然承载力和生态系统服务估值人类价值集合经济发展影响生态系统生态因素影响经济决策（ 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 (from Leavesley, et al, 1983) PRMS National Weather Service - Hydro17 TOPMODEL Integrat

4、ed Watershed Model PRMS/MODFLOW/DAFLOW PRMS(降雨径流模型的构造） Predictions of the runoff composition by modified-Prms at YingLuo canyon (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（ Module Constructor） 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（ modular modeling language）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

5、生成用户功能注册文件（ User Function Registration file）。 模块对象层级（ Module-object hierarchy） Model Object处理执行任务的最高级控制器 Module Object Module对象处理一套 Variable对象 Variable Object每个 Variable对象有内在的数据结构 (IDS)，在模拟期间可以被改变 Frame Object Frame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。 External Objects External对象经常被用于 SME外部代码封装 代码生成器 CGP（ Code Generator） 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 External Objects； （ 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

6、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 Simulation Driver 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。 PointGrid Library 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/tcl shell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

7、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 UnitModel development Project creation Output analysis Module construction Simulation run Code generation Data assembly 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（ Julian Day）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化函数的参数 两阶段模型中的参数估计出来之后，就能得出景观中不同地块转化的相对可能性 模型运行与结果输出 四、空间建模与模拟环境遵从的原则 空间建模与模拟环境应支持 基于图型单元的模块开发 模块库的建立与模块复用 多个空间模块集成 分布式计算 基于 WEB的建模与模拟 远程配置、控制、模拟、可视化 数据访问与可视化 实时连接其他应用 谢谢！

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